Im Rahmen des MEMS-ParAmps-Projekts haben Forschende eine generische, energieeffiziente Plattform für batteriebetriebene Monitoring-Anwendungen entwickelt. Diese kombiniert einen Wake-up-Empfänger mit einem neuartigen parametrischen MEMS-Verstärker.
Wake-up-Empfänger halten Sensorknoten dauerhaft empfangsbereit, ohne den Hauptteil der Elektronik zu aktivieren, und benötigen dafür nur sehr wenig Energie. Ihre Empfangsempfindlichkeit ist jedoch begrenzt, was wiederum die erreichbare Funkreichweite einschränkt. Das Projektkonsortium verfolgte daher den Ansatz, dem Empfänger einen parametrischen MEMS-Verstärker vorzuschalten. Als Zielwerte definierte das Team eine Batterielebensdauer von bis zu zehn Jahren und eine Reichweite von bis zu einem Kilometer im Freifeld.
Im Projekt „MEMS-basierte parametrische Verstärker für Reichweitenoptimierung drahtloser Sensornetze“ (MEMS-ParAmps) arbeiteten das Fraunhofer IPMS, die TUHH und der in der Lausitz ansässige Anwendungspartner Actemium BEA vom 1.10.2021 bis 16.01.2026 zusammen.
Die Partner realisierten die vollständige Entwicklungskette: von der Systemspezifikation über den Entwurf bis hin zur Fertigung eines neuartigen, mikromechanisch veränderbaren Kondensators (MEMS-Varaktor) einschließlich der zugehörigen Ansteuerschaltung. Ein Schwerpunkt lag auf einem energieeffizienten Spannungspuls-Generator, der eine mechanische Anregung des Varaktors mit rund 3,3 Mikrojoule pro Impuls ermöglicht. Da kommerzielle Messsysteme diese Anforderungen nicht erfüllten, entwickelten die Projektpartner zusätzlich eine eigene Methodik zur dynamischen Kapazitätsmessung mit einer Bandbreite von über 10 MHz, um die Funktion des Bauteils zu überprüfen.
Um die Technik auch in der Praxis anzuwenden, passte das Team ein bestehendes Funk-Kommunikationsverfahren für große Entfernungen zwischen den Sensoren an. Gemeinsam mit dem Industriepartner Actemium BEA wurden die Teilsysteme in einem simulierten Laborszenario getestet. Auch die zentrale Kommunikationsplattform aus energiesparendem Mikrocontroller und Funktransceiver wurde aufgebaut und erfolgreich getestet. Damit ist die prinzipielle Machbarkeit des Lösungsansatzes auf theoretischer und simulativer Ebene nachgewiesen. (jr)
