Érzékelők és speciális áramköri megoldások a környezeti intelligencia elektronikában Kutatások a BME EET-n 2005. október 27. Rencz Márta.

Az előadások a következő témára: "Érzékelők és speciális áramköri megoldások a környezeti intelligencia elektronikában Kutatások a BME EET-n 2005. október 27. Rencz Márta."— Előadás másolata:

1 Érzékelők és speciális áramköri megoldások a környezeti intelligencia elektronikában Kutatások a BME EET-n 2005. október 27. Rencz Márta

2 Slide 2/11 Department of Electron Devices Az intelligens környezet megvalósítási szintjei UPA: Universal Personal assistant Mote, moth

3 Slide 3/11 Department of Electron Devices Az érzékelő (mote, moth) áramkörökkel (rendszerekkel) szemben támasztott legfontosabb követelmények:  Autonóm működés, ehhez Kis energia (teljesítmény) igény Ultra low power megoldások Lokális energia átalakítás és tárolás  Lehetőleg digitális kimenet, vagy lokális jel átalakítás  RF jeltovábbítás  + Jó érzékelő tulajdonságok  Különleges tokozás Egyelőre csak SIP megoldások, de hosszú távon mindez egy Si lapkára kell, hogy kerüljön…

4 Slide 4/11 Department of Electron Devices Egy szokásos környezeti intelligencia érzékelő megvalósítás Egyelőre csak SIP megoldások, de hosszú távon midez egy csipre kell, hogy kerüljön… µPG : micro power generator Ez esetben vibrációs… RF : még a ZIGBEE-nél is min. egy nagyságrenddel kisebb energiaigényű legyen… ASIC : extra low power…

5 Slide 5/11 Department of Electron Devices A környezeti intelligencia szenzor áramköreinek kutatása, fejlesztése Járműipar: Fék hőmérséklet és Gumi nyomás érzékelés és jeladás Intelligens munkahely ill. Beteg felügyelet: Hőmérséklet és páratartalom érzékelők és jeladók Rendszeren belüli energia átalakítás és energia hatékonyság kutatása A BME EET feladatai a BELAMI project-ben

6 Slide 6/11 Department of Electron Devices Hőmérséklet és nedvességtartalom mérés Egy lehetséges elrendezés  Mivel csaknem minden fizikai jellemző hőmérséklet és páratartalom függő, elvileg könnyű mérni…  Javasolt megoldás: kapacitás dielektromos állandójának megváltozását mérjük  nagy probléma a tokozás

7 Slide 7/11 Department of Electron Devices Fék hőmérséklet mérés Speciális problémák: -magas hőmérséklet (Si már nem jó) -Állandó rázkódás -Piszok, nedvesség, stb -Gyakorlatilag semmilyen megoldás nem létezik erre jelenleg… Javasolt megoldás: termoelemes érzékelő

8 Slide 8/11 Department of Electron Devices Keréknyomás mérés  Ez ma a legtöbbet kutatott terület  Különböző szabadalmak léteznek  Meggondolandó, hogy keréknyomás helyett a gumi állapotát figyeljük…

9 Slide 9/11 Department of Electron Devices Lehetséges megújuló energia források  Fény  Mechanikai energia -szél, -eső, -rezgések, -Hő, stb.  Nukleáris energia…(nem megújuló) Mindezekkel számtalan különböző átalakító tervezhető, meg kell találni az adott feladatra az optimálisat…

10 Slide 10/11 Department of Electron Devices Pl. Vibrációs energiából elektromos energia  Kb 100microW nyerhető  Mindenhol jelen van és egyszerűen konvertálható Pl.: Mozgó tömeg egy MEMS-en + piezoelektromos átalakító → elektromos energia

11 Slide 11/11 Department of Electron Devices Az általunk tervezendő rendszerekben lehetséges energia források: CablePV cellPiezo-electric Radio- frequency Temp. differenceEM noise Fék hőmérséklet+--++- Gumi nyomás--++-- Környezeti hőmérséklet -+-+++ Páratartalom-+-+++ VibrationRadioactivityWindInductivecapacitive Fék hőmérséklet+?++- Gumi nyomás+??-++ Környezeti hőmérséklet ??--- Páratartalom??---

12 Slide 12/11 Department of Electron Devices

13 Slide 13/11 Department of Electron Devices Nuclear powering Capabilities:1mm 3 polonium 210 can produce 50mW power for more than 4 months continuous working… Many other ways of producing power with radioisotopes are currently researched….

14 Slide 14/11 Department of Electron Devices Signal transferring: block diagram of a proposed transceiver

15 Slide 15/11 Department of Electron Devices Harvesting thermal energy  A small portion (~5%)of the dissipated power might be got back with the best available materials today with the following structure Figure of Merit: S: Seebeck coeff.  : el.conductivity k: Thermal conductivity ZT:Bi 2 Te 3 ~0.6,Sb2Te3~0.5,Alloys~1,Superlattices:~4 at 300K Very intensive research in material development…

16 Slide 16/11 Department of Electron Devices Electronics Solar cells  Solar cells generate about 10mW/cm2 outdoors and 10 to 100 microW/cm2 indoors.  Advantage: integrability in processing  Issues: Large area for higher voltage output Use of light concentrators – results in temperature increase Problem of energy storage for dark conditions Solar cells may be connected in series according to power requirements. Trench capacitors may hold the charge during dark conditions for a very short while… A possible solution: Integrated solar generator

17 Slide 17/11 Department of Electron Devices Passive wireless RF sensor system 1.The reader interrogates the wireless sensor by sending a measurement command and then continues sending a constant RF signal for powering the sensor. 2.The value of the measured quantity is either converted into digital form and stored into the memory or is immediately transmitted by modulating the antenna impedance. 3.At each interrogation the sensor transmits the content of its memory which contains the identification code of the sensor. 4.When the impedance of the sensor antenna is modulated, the back scattering from the antenna is also modulated. 5.The back scattering is then detected by the reader.