Effiziente Elektronik

Konzepte für elektronische Kleingeräte

01. Dezember 2009, Sheraton Carlton Hotel, Nürnberg

Nachbericht

Effiziente Elektronik für kabellose und autarke Kleingeräte
Neue Technologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette
Erstes Kooperationsforum mit 130 Experten und Anwendern in Nürnberg

Elektronische Kleingeräte, die tragbar und vom Stromnetz unabhängig betrieben werden – wie Mobiltelefon, implantiertes Blutzuckermesssystem oder Funksensoren – sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Mit steigender Funktionalität und Leistung wachsen kontinuierlich die Anforderungen, die nur sehr begrenzt zur Verfügung stehenden Energien noch effizienter und intelligenter zu nutzen.
Die Energie muss dabei ausreichen, damit der zentrale Microcontroller Daten, die er beispielsweise von einer integrierten Sensorik erhält, verarbeiten kann, um sie anschließend über ein Display oder einen Funksender auszugeben.

Die Energie für all diese Verbraucher ist heute noch in der Regel in Batterien oder Akkumulatoren gespeichert. Die kabellose Übertragung von Energieimpulsen sowie das Energy Harvesting – die effiziente Umwandlung von Licht, Wärme oder Bewegung aus der Umgebung in für das System nutzbare elektrische Energie – bieten hier Abhilfe. Sie ermöglichen autarke Systeme, die mit einem Zwischenpuffer für die elektrische Energie oder ganz ohne Energiespeicher auskommen. Systemübergreifend muss dabei ein intelligentes Energiemanagement die einzelnen Gerätekomponenten bedarfsgerecht versorgen. Somit ist ein Batteriewechsel nicht mehr nötig, was neue Einsatzgebiete in schwer zugänglichen Bereichen und in rauer Umgebung ermöglicht, wie z. B. auf Brücken oder auch in Tunneln.

Diese aktuellen technologischen Trends und Entwicklungen für mobile, energieautarke oder verteilte elektronische Kleingeräte präsentierte das Kooperationsforum „Effiziente Elektronik“ am 01. Dezember 2009 in Nürnberg. Zahlreiche Beispiele aus den Anwendungsfeldern Kommunikationselektronik, Medizintechnik, Logistik, Gebäudetechnik und Produktionstechnik belegten das Innovationspotenzial dieses Elektronikbereiches. Das Kooperationsforum „Effiziente Elektronik“ war die erste Plattform zu diesem Thema von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM (Bayerische Innovations- und Kooperationsinitiative Elektronik / Mikrotechnologie).

Bei der Zielsetzung, durch Neuentwicklungen elektronischer Kleingeräte mit minimalen Energiemengen auszukommen und diese intelligent zu managen, ist die gesamte Wertschöpfungskette gefordert – von der Werkstoffentwicklung für neue Energiespeicher, über das Design von Very-Low-Power-Chips oder Mikrosystemen für Energy Harvesting, Sensorik und Funkanbindung, bis hin zum Gerätedesign und Fertigung. „Und aus all diesen Stufen der Wertschöpfung haben wir heute Teilnehmer. Dazu kommt eine Vielzahl von Anwendern aus den unterschiedlichsten Branchen. Dies ist eine vielversprechende Zusammensetzung für die Initiierung neuer Kooperationen für zukünftige Innovationen“, so Prof. Josef Nassauer in seiner thematischen Einführung in das Kooperationsforum.

Der nachfolgende Text ist wie folgt gegliedert:

• Zukünftige autarke Systeme mit Low-Power-Chips

• Energiemanagement - Enabling Technology für Energy Harvesting

• Verbesserte und alternative Konzepte für Energiespeicher

• Erweiterte Anwendungs-Szenarien für mobile, autarke und verteilte Mikrosysteme

• Effiziente Elektronik Teil des Kongresses Innovations in Microsystems, März 2010

Zukünftige autarke Systeme mit Low-Power-Chips

Die technologischen Herausforderungen beginnen bereits beim Design des Gesamtsystems, welches an das spätere Einsatz- und Nutzungsprofil angepasst werden muss.

Schon bei der Auswahl elektronischer Bauelemente und Systeme muss deshalb die richtige Mischung zwischen Leistung und Effizienz gefunden werden. Hier entwickeln die Anbieter entsprechend der Marktanforderungen ständig neue Komponenten. „Wir haben natürlich schon beim Chipdesign die Energieeffizienz im Auge“, bestätigte Miro Adzan von Texas Instruments, Freising. Speziell für Low-Power-Chips, so erläuterte er weiter „ist es wichtig, dass die ICs oder Mikrocontroller sowohl mit kleinen Eingangsspannungen als auch mit geringen Ruheströmen arbeiten.“ Die Optimierung hinsichtlich des Energieverbrauchs – von der Chip-Ebene bis zur Systemebene – steht deshalb im Fokus der Forschungsaktivitäten bei Texas Instruments. Wichtige Maßnahmen zur Senkung der Verlustleistung sind laut Adzan demnach „eine dynamische Steuerung der Stromversorgung, je nach Leistungszustand“ sowie „das zeitlich begrenzte Abschalten einzelner Systeme auf einem vernetzten Board durch eine zentrale Intelligenz.“

Energiemanagement – Enabling Technology für Energy Harvesting

Da immer mehr elektronische Kleingeräte mobil, energieautark oder verteilt arbeiten sollten, wird auch am Fraunhofer IIS in Nürnberg intensiv an der Energieversorgung durch Energy Harvesting geforscht. Dipl.-Ing. Lars Lühmann stellte die entsprechenden Wandlertechnologien –Thermoelektrik, Piezoelektrik und Photovoltaik – vor und betonte, dass ein effizientes Energiemanagement die „Enabling Technology“ ist, damit ICs oder Microcontroller durch Energy Harvesting mit ausreichend Energie versorgt werden können. Eine besondere Herausforderung ist dabei eine möglichst verlustfreie Spannungswandlung, da die Energie-Harvester und die Verbraucher i. d. R. auf unterschiedlichen Spannungsniveaus arbeiten.

Bereits bekannt ist der Betrieb von Armbanduhren oder Taschenrechnern durch die Umwandlung von Licht in Energie mittels Solarzellen – ausreichende Beleuchtung vorausgesetzt. Für die Stromversorgung beispielsweise mobiler Kommunikationsgeräte werden aktuell Module mit organischen Solarzellen entwickelt, da diese preiswert, flexibel und in Massenfertigung hergestellt werden könnten.

Beim Thermo-Harvesting reichen bereits Temperaturunterschiede von wenigen Grad Celsius aus, um mit Hilfe von Thermoelektrik Strom zu erzeugen. Burkhard Habbe von der Micropelt GmbH in Freiburg erläuterte die Funktion von thermoelektrischen Chips, die in einem von der Micropelt entwickelten Fertigungsverfahren auf Basis der Halbleitertechnologie als Massenprodukt hergestellt werden können. Die Serienproduktion soll 2010 anlaufen. Die Systeme lassen sich sowohl als thermoelektrische Kühler z. B. für Prozessoren oder als Thermogeneratoren z. B. für autarke Sensornetze einsetzen

„Heute wird der Einsatz der Funksensorik in der Prozess- und Zustandsüberwachung von Maschinen oder Anlagen dadurch begrenzt, dass die Sensoren mit Batterien betrieben werden und dadurch zu geringe Standzeiten haben und hohe Wartungskosten verursachen.“ erläuterte Burkhard Habbe. Hier bieten die miniaturisierten Thermogeneratoren einen Ausweg. „Es wird sogar mehr Energie zur Verfügung gestellt als verbraucht wird“. so Herr Habbe weiter.

Mit Piezoelektrik wird der Effekt der Umwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Spannung beschrieben. „Wir arbeiten an piezoelektrischen Generatoren, die Energie beispielsweise in Fahrzeugen, an Maschinen oder in Tunnelbauwerken aus Vibrationen und Schall gewinnen“, so Prof. Peter Woias vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg. „Die geerntete Energie wird in einem Speicher gesammelt und über ein intelligentes Energiemanagement so rationiert, dass das System seine Aufgabe zuverlässig erfüllen kann“, erläuterte Philipp Bingger vom IMTEK. Diese Systeme gewinnen zunehmende Bedeutung für die Überwachung der Infrastruktur. Mit dem Hinweis, dass „ein intelligentes Energiemanagement für Micro Energy Harvesting in Zukunft bessere Low-Power-Chips und Spannungswandler benötigt“, rief er IC-Hersteller auf, Ihre Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet zu intensivieren.

Neben den bereits erwähnten Energy Harvesting Verfahren können elektronische Kleingeräte auch mittels Energieübertragung per Funk, Laser oder magnetischer Induktion kabellos mit Energie versorgt werden. Herausforderungen sind derzeit noch die Vermeidung von Störsignalen, die exakte Abstimmung von Sender und Empfänger und die Integration in miniaturisierte Baugruppen.

Verbesserte und alternative Konzepte für Energiespeicher

Für die Energiespeicherung stehen neben verbesserten Primär- und Sekundärbatterien auch Alternativen, wie Brennstoffzellen und Doppelschicht-Kondensatoren im Fokus der Forschung um längere Gerätelaufzeiten, höhere Zuverlässigkeiten und kürzere Ladezeiten zu erzielen. Dr. Robert Hahn präsentierte entsprechende Forschungsarbeiten am Fraunhofer IZM in Berlin und erläuterte dabei Vor- und Nachteile der alternativen Technologien. Batterie- bzw. Akkutechnologien sind für Massenprodukte seit Jahrzehnten Standard, weisen jedoch bei erhöhter Leistungsanforderung unbefriedigende Betriebszeiten auf.

Neben kundenspezifischen Fertigungskonzepten, wie z.B. Folienbatterien in unterschiedlichsten Formaten, wird aktuell an Kleinstbatterien mit Fertigungstechniken aus der Mikrosystemtechnik und der Halbleitertechnologie geforscht. In aktuellen Forschungsarbeiten wird versucht, mit neuen Materialien größere Oberflächen und dadurch eine höhere Energiedichte zu erzielen, denn derzeit scheint der Schritt aus dem Laborstadium in die Massenproduktion noch nicht gelungen.

Doppelschicht-Kondensatoren werden ebenfalls als Ersatz für Akkumulatoren untersucht, da sie eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei häufigem Laden und Entladen aufweisen. Auch die Ladezeit ist deutlich kürzer, wodurch sie beispielsweise in elektronischen Geräten eingesetzt werden, um kleinste Ströme für den Speicherinhalt von statischen Speichern (SRAM) zur Verfügung zu stellen. Umgekehrt erfolgt aber die Entladung noch zu schnell.

Deutlich längere Gerätelaufzeiten ermöglichen Brennstoffzellensysteme. Diese müssen aber noch auf die unterschiedlichen Brennstoffe, wie Wasserstoff, Methanol, Ethanol oder Flüssiggas abgestimmt sowie hinsichtlich Miniaturisierung und Zuverlässigkeit optimiert werden. Noch weiter gehen Enzymatische Brennstoffzellen, die ihren Brennstoff quasi aus der Umgebung erhalten. Diese befinden sich aber erst in den Anfängen der Entwicklung.

Erweiterte Anwendungs-Szenarien für mobile, autarke und verteilte Mikrosysteme

Mit den präsentierten Forschungs-Szenarien zu den technologischen Herausforderungen eröffnet sich eine Vielzahl von Anwendungs-Szenarien für mobile, autarke und verteilte elektronische Kleingeräte, von denen einige repräsentative Beispiele im Detail von Experten aus Industrie und Wissenschaft auf dem Kooperationsforum vorgestellt wurden.

In einer Zeit zunehmender Mobilität und Erreichbarkeit werden mit mobilen Kommunikationsgeräten auch unterwegs zunehmend mehr Daten generiert, prozessiert und kommuniziert. Hierzu stehen globale Übertragungsstandards, Knotenpunkte und Netzwerke zur Verfügung. Je nach Kundenanforderungen werden entsprechende Geräteklassen entwickelt, die bereits jetzt eine faszinierende elektronische Integrationsdichte aufweisen. Der allgemeine Markt-Trend wird, laut Herrn Dipl.-Ing. Stephan Mentz von der Infineon Technologies AG, München zu drei unterschiedlichen Produktklassen führen. Im niederpreisigen Segment für dritte Welt Länder liegt der Schwerpunkt in der Sprachqualität sowie langen Standby- und Sprechzeiten – natürlich bei geringsten Produktionskosten. Für das mittlere Preissegment, dem „sozialen Networking“ werden zunehmende Mengen von Multimediadaten ausgetauscht. Im High-End-Bereich ist eine Individualisierung gefordert, z. B. durch das Herunterladen persönlicher Applikationen oder ein offenes Betriebssystem. Mit der „Single-Chip“-Technologie sieht sich Infineon auch für diese zukünftigen Herausforderungen in der Kommunikationstechnologie auf einem erfolgreichen Weg.

In der Medizintechnik wird verstärkt an mobilen und energieautarken Mikrosystemen zur Patientendiagnostik geforscht, um eine, für den Patienten, weitgehend unkomplizierte und unbemerkte medizinische Versorgung zu ermöglichen. Beispiele für derartige Anwendungen sind die Überwachung von Blutdruck oder Blutzuckerwerten im Herzkreislaufsystem mit Rückmeldung an den betreuenden Arzt.
Aber auch elektronische Biochips werden zur Analyse von Biomolekülen in der medizinischen Diagnostik und der Umweltanalytik eingesetzt. Sie ersetzen ein ganzes Analyselabor und stellen ein "Labor auf dem Chip" dar, wie Dr. Uwe Linnert von Siemens CT, Erlangen am Beispiel des Smart-Card-Readers zur DNA-Bestimmung demonstrierte, der im Jahr 2004 mit dem deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet wurde. Medizinische Daten können bei Bedarf auch an stationäre Diagnose- und Therapieeinrichtungen bzw. den behandelnden Arzt weitergeleitet werden. In der Gegenrichtung ist eine therapeutische Interventionsmöglichkeit des Arztes denkbar.

Weitere Anwendungs-Szenarien für integrierte Mikrosysteme in Smart Labels und RFIDs sind auch in den Bereichen Logistik und Industrie denkbar. So kann das Einwirken physikalischer Größen, wie Temperatur, Feuchte und Beschleunigung während eines Transportvorganges und in industriellen Produktionsabläufen kostengünstig im Label oder RFID erfasst und dem Nutzer kenntlich gemacht werden. „In einem unserer Referenzprojekte konnten wir ein RFID-basiertes Werkzeugmanagementsystem zur Kapazitätssteuerung und Prüfung der Verfügbarkeit von Stanz- und Umformwerkzeugen erfolgreich realisieren“, so Herr Marcel Rüdiger von der Smart-TEC GmbH, Oberhaching. Behälterkennzeichnungen mittels RFID für eine lückenlose Warenverfolgung sowohl in der Logistik als auch während der Hochdruckreinigung mit aggressiven Chemikalien haben sich in anderen Projekten von Smart-TEC ebenfalls bewährt.

Energieautarke Funksensoren und verteilte Mikrosysteme werden heute bereits bei der Gebäudeautomatisierung eingesetzt um Energie einzusparen und den Wohn- bzw. Arbeitskomfort zu erhöhen. „Ein Modul für Funk-Lichtschalter, das seine Energie aus dem Tastendruck bezieht, ist eine der Technologien, mit der wir bekannt geworden sind“, so Dr. Wolfgang Heller von der Firma EnOcean, Oberhaching, die bereits in unterschiedlichste Gebäude Funkschalter und -sensoren integriert hat. „Energieautarke Funksensoren, wie Temperaturfühler, Bewegungsmelder oder Helligkeitssensoren nutzen heutzutage alle möglichen Energiewandler“, so Dr. Heller weiter. Zusammen mit einem starken Partnernetzwerk hat es EnOcean geschafft, einen internationalen Quasi-Standard für eine möglichst effiziente Funkübertragung zu etablieren.

Der Vorteil dieser Technologie liegt im reduzierten Verkabelungsaufwand sowie der flexibleren Anpassbarkeit. Es können beispielsweise verteilte optische Sensorensysteme das Abschattungsverhalten photochromer Fenster wesentlich differenzierter steuern. Die Klimaregelung von Räumen kann mit individuell angepassten Sensornetzen für Temperatur, Feuchte und CO2-Gehalt optimiert werden. Bisherige drahtgebundene Gebäudebussysteme können sehr einfach durch drahtlose verteilte Systeme aus Sensoren und Aktoren ergänzt werden.

Am deutschen Spitzencluster „Cool Silicon“ in Dresden entwickeln Wissenschaftler Spezialsensoren, die Schwingungen in Bauteilen auswerten und so verteilt in einem Netzwerk Schäden frühzeitig erkennen können. Neben geringen Herstellungskosten müssen diese Sensoren energieautark, kabellos und für mindestens 30 Jahre höchsten Anforderungen genügen. „In einem aktuellen Projekt werden diese Sensoren in Flugzeugteile des Airbus A380 einlaminiert und können so die Strukturfestigkeit überwachen“, erläuterte Dr. Uta Schneider. Weitere mögliche Einsatzgebiete solcher innovativer verteilter Sensornetzwerke sind die Überwachung der Rotorblätter von Windkraftanlagen, was mit diesen Sensornetzwerken dann auch in rauer Umgebung, wie beispielsweise Off-Shore-Anlagen möglich wäre. Auch die Qualitätsüberwachung von Schienenfahrzeugen und von Bauwerken wäre realisierbar. Laut „Cool Silicon“ sagen Experten voraus, dass der Weltmarkt für drahtlose Sensoren bis zum Jahr 2014 ein Volumen von mehr als Hundert Milliarden US-Dollar umfassen soll. Die Forscher am Spitzencluster in Dresden sehen daher für ihre energieautarken Sensoren nicht nur einen interessanten Markt, sondern auch ein riesiges Potential für Energieeinsparungen durch Innovationen – „Made in Germany“.

Effiziente Elektronik Teil des Kongresses Innovations in Microsystems im März 2010

Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft gaben vielfältige Einblicke in die Erforschung und Entwicklung neuer energieeffizienter Konzepte und zeigten Anwendungsbeispiele aus den Bereichen Telekommunikation, Medizintechnik, Logistik, Produktionstechnik, Gebäudetechnik und der Qualitätskontrolle. Dies spricht für die Innovationsdynamik in diesem Zukunftsfeld

Jürgen Frickinger von der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg zog eine positive Bilanz des Kooperationsforums mit mehr als 130 Teilnehmern aus dem ganzen Bundesgebiet, Österreich, Belgien und den Niederlanden, die alle Stufen der Wertschöpfungskette in der Elektronik repräsentierten. Die Teilnehmer kamen u. a. von atg Luther & Maelzer, Audio Mobil Elektronik, Bosch, Brose, BSH, BMW, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik, corscience, Diehl, Epson, FAPS - Uni Erlangen, FG-Elektronik, Fraunhofer IMS, knowledgepark, Hahn-Schickard-Gesellschaft, Neotech Services MTP, Nokia, Osram, Siemens, SIGMA Elektro, Signum Bildtechnik, SMA Solar Technology, STmicroelectronics, TURCK duotec, Vodafone, W. C. Heraeus, ZF electronics und Zimmer Medizinsysteme.

Diese exzellente Resonanz für ein erstes Kooperationsforum zu diesem Thema ist ein deutliches Zeichen für die Kernkompetenz der Bayern Innovativ, aktuelle Entwicklungstrends und Innovationsfelder zu identifizieren, mit Partnern ein schlüssiges Drehbuch für ein Forum zu schreiben und die richtigen Fachleute zusammenzuführen.

Das Kooperationsforum bot eine ideale Plattform zur Information über aktuelle Trends und Entwicklungen und ermöglichte in Verbindung mit der begleitenden Fachausstellung den direkten Kontakt zwischen Experten, potenziellen Anwendern und Kunden zur Anbahnung neuer Kooperationen im Zukunftsfeld Effiziente Elektronik.

Entsprechend der geschilderten Dynamik und dem hohen Wertschöpfungspotential wird die Bayern Innovativ GmbH am 16. und 17. März 2010 zahlreiche Zukunftsthemen aus diesem Kooperationsforum weiter vertiefen im bereits zum dritten Mal in München stattfindenden Kongress „Innovations in Microsystems“.