Integrierte Frontend-Schaltung für einen elektrostatischen Energy-Harvester

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1 Integrierte Frontend-Schaltung für einen elektrostatischen Energy-Harvester Benjamin Saft, Eric Schäfer, André Jäger, Alexander Rolapp, Eckhard Hennig 17. Workshop Analogschaltungen Darmstadt, den 5. März 2015

2 Übersicht Einleitung Projektvision Funktionsprinzip elektrostatischer Harvester Simulation der Funktionsweise und Energieausbeute einer neuartigen rein kapazitiven Topologie Systemkonzept Energy-Harvesting-Frontend-IC Implementierung und Charakterisierung Zusammenfassung 2

3 GreenSense: Entwicklung drahtlos vernetzter, energieautarker Smart-Sensoren Integrierte, multiparametrische Low-Power-CMOS-Sensoren Drahtlose Vernetzung per RFID Autarke Energieversorgung durch mikromechatronische elektrostatische Energy-Harvester 3

4 Forschungsziel: Mikromechatronisches Energy-Harvesting-System Breitbandige, niederfrequente Anregung im Bereich < 10 Hz z.b. Schwingungen an Gebäuden, Brücken oder Maschinenteilen Elektrostatischer Out-of-plane -MEMS-Harvester (ca. 200 Hz) Transducer Spannungswandler-IC Frontend In Kooperation mit IMN + Kontinuierliche elektrische DC-Ausgangsleistung 10 µw 4

5 Fertigung von Transducer-Teststrukturen Einlagige Harvester-Teststruktur mit Zusatzmasse In Kooperation mit IMN Spezifikationen: Finger- und Federstrukturen (REM) f res = Hz, C max = 0.9 nf, C max /C min 4 Fläche < 15 x 15 mm² Differentielle Kapazitäten Ausführliche Diskussion der technologischen Details in: S. Hampl et al., Micromechanical, vertical comb-drive structures for the construction of an electrostatic energy-harvester, in 7. GMM-Workshop Energieautarke Sensorik

6 Elektrostatische Energy-Harvester: Funktionsprinzip Wandlung von mechanischer Arbeit im elektrischen Feld eines zeitlich veränderlichen Plattenkondensators Kapazität Plattenkondensator: C h = ε A d Q = C h U a c = C max C min E a 2 1 = 1 2 U in 2 C max E 2 = 1 c C 2 U 2 maxc min = 1 2 U in 2 C max min Gewandelte mechanische Energie ΔE = 1 2 U in 2 C max a c 1 > P = 1 2 U in 2 C max a c 1 f C min 2 C min 6

7 Anforderungen an die Frontend-Topologie Maximale extrahierbare Leistung aus einer Harvester Kapazität: P = 1 2 U in 2 C max a c 1 f Energie wird bestimmt und begrenzt durch: Transducer-Design und mechanische Anregung: C max und a c maximieren Frontend-Topologie und eingesetzte Bauelemente: U max begrenzt durch verfügbare elektronische Bauelemente U max begrenzt durch Durchbruchspannung der Fingerkapazitäten des Transducers U max bestimmt durch Frontend-Topologie Ziel: Topologie, welche eine begrenzte Maximalspannung optimal ausnutzt 7

8 Einstufige, rein kapazitive Topologie ΔE = a c 2 C 0 a c C 0 + C max C max U in 2 U max = a c 2C 0 + C max a c C 0 + C max U in 8

9 Einstufige, rein kapazitive Topologie lim ΔE = a c 2 2 C C 0 a max U in c lim C 0 U max = 2U in 9

10 Zweistufige, rein kapazitive Topologie ΔE = a c 2 a c 1 C 0 a c C 0 + a c C 0 + C max C max U in 2 U max = C 0 + 2a c C 0 + a c C max C 0 + a c C 0 + C max U in 10

11 Zweistufige, rein kapazitive Topologie lim ΔE = a c 2 a c 1 2 C C 0 a c 1 + a max U in c lim C 0 U max = 1 + 2a c 1 + a c U in 11

12 Abgewandelte zweistufige, rein kapazitive Topologie ΔE = a c 2 C 0 a c 2C 0 + C max C max U in 2 U max = U in 12

13 Abgewandelte zweistufige, rein kapazitive Topologie lim ΔE = a c 2 2 C C 0 2a max U in c U max = U in 13

14 Neuartige Frontend-Topologie Neuartige Topologie mit maximal auftretender Spannung U max am Eingangsknoten VEH Energiegewinn pro Zyklus ΔE = a c 2 C 0 a c 2C 0 +C max C max U in 2 Bezogen auf U max höchste erzielbare Energieausbeute im relevanten a c -Bereich [1] de Queiroz, A.C.M.; Silva de Souza, M.: Batteryless electrostatic energy harvester and control system, ISCAS

15 Ergänzender Buck-Converter zur Energieextraktion und Spannungsreglung 15

16 Ergänzender Buck-Converter zur Energieextraktion und Spannungsreglung Energieextraktion vom HV-Level durch Buck-Converter im DCM Gleichzeitig Regelung bzw. Begrenzung auf die maximal zulässige Spannung U max 16

17 Ergänzender Buck-Converter zur Energieextraktion und Spannungsreglung Energieextraktion vom HV-Level durch Buck-Converter im DCM Gleichzeitig Regelung bzw. Begrenzung auf die maximal zulässige Spannung U max 17

18 Blockschaltbild des Frontend-ASICs Extrema-Detektion durch phasenverschobene Signale auf zwei Sense-Kapazitäten Energiespeicher 5 µah Thin-Film Solid-State Lithium Battery Leistungsaufnahme P ASIC 500 nw Leistungsabgabe an Batterie P out 13 µw für C max = 0.8 nf, a c = 4 und f = 100 Hz 18

19 Implementierung Kommerzielle 0,35 µm-cmos- Technologie mit Hochvolt-Optionen Bauelemente ermöglichen Betrieb bis 40 V Aktive Fläche A mm 2 Aktive Fläche 19

20 Energy-Harvester-Emulator MEMS-Energy-Harvester standen für ASIC-Charakterisierung noch nicht zur Verfügung Differentieller Drehkondensator als Harvester-Emulator Eigenschaften: C max = nf a c, max 40 f max 70 Hz Begrenzung von a c mittels zusätzlicher Kapazität 20

21 Messaufbau für die On-Wafer-Charakterisierung 21

22 Charakterisierungsergebnisse: Harvester-Kern 22

23 Charakterisierungsergebnisse: Buck-Converter und Kombination Wirkungsgrad des Buck-Converters von über 60% Kombinierte Messung von Wandlerkern und Buck-Converter liefert eine Ausgangsleistung von P out 19 µw bei C max = 1.4 nf, a c = 4.6, f = 62 Hz, C 0 = 10 nf, L = 9 mh und t on = 2 µs Eigenleistungsaufnahme des ASICs P ASIC 500 nw 23

24 Zusammenfassung Vorstellung des Systemkonzepts für ein elektrostatisches MEMS-Energy-Harvesting-Modul Vorstellung von einer neuartigen elektrostatischen Energy-Harvesting-Topologie und Bewertung in Bezug auf Energieausbeute Implementierung des elektrostatischen HV-Energy-Harvesting-Frontends in einer 0,35 µm-cmos-technologie mit Ultra-Low-Power-Schaltungstechnik Experimentelle Ergebnisse bestätigen die Theorie 24

25 Forschergruppe GreenSense Grundlagentechnologien für ressourcen- und energieeffiziente intelligente Sensornetzwerke Gefördert durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds Projekt-Nr FGR

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Benjamin Saft Tel.: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH Ehrenbergstraße 27, Ilmenau Tel.: , Fax.: