AT521659B1 - Kombinierte Sensor- und Kommunikationseinrichtung - Google Patents

Abstract

Drahtloses Sensorsystem zum Erfassen von Position und/oder räumlichen Verteilung und/oder der Eigenschaften wenigstens eines Objekts (111), wobei wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur (1) vorgesehen ist, die mit einer Einrichtung zur Erfassung oder Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Nahfeldes (8) über ein Entkopplungsnetzwerk (7) elektrisch verbunden ist und über ein zweites Entkopplungsnetzwerk (9) mit einer Einrichtung (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen oder mechanischen Welle elektrisch verbunden ist und die elektrisch über ein weiteres Entkopplungsnetzwerk (11) mit einem Energiespeicher (12) verbunden ist, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (1) wenigstens teilweise aus Teilen einer Solarzelle gebildet realisiert ist.

Description

Beschreibung

ENERGIEAUTARKE KOMBINIERTE SENSOR- UND KOMMUNIKATIONSEINRICHTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein drahtloses Sensorsystem zum Erfassen der Position oder räumlichen Verteilung eines Objekts (111) und oder dessen Eigenschaften, bestehend aus einer ersten elektrisch leifähige Struktur (1) die mit einer Einrichtung zur Erfassung oder Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Nahfeldes (8) über ein Entkopplungsnetzwerk (7) elektrisch verbunden ist und über ein zweites Entkopplungsnetzwerk (9) das mit einer Einrichtung (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen oder mechanischen Welle elektrisch verbunden ist. Die elektrisch leitfähige Struktur (1) dient daneben der Gewinnung elektrischer Energie die über ein Entkopplungsnetzwerk (11) mit einer Einrichtung zur Energiespeicherung (12) verbunden ist um damit einen autarken zum Betrieb des Sensorsystems zu ermöglichen.

STAND DER TECHNIK:

[0002] Dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, welche zur Erkennung von Naheverhältnissen von Objekten, zur drahtlosen Kommunikation zwischen einer Sensoreinheit und einer Empfangseinheit und für die Gewinnung elektrischer Energie eingerichtet sind, beispielsweise wie in EP2828164B1 oder US 2014087786 dargestellt. Aufgrund der geometrischen Ausdehnung der Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation kann bei den bekannten Anordnungen die Sensoreinrichtung nicht die gesamte Oberfläche der Vorrichtung erfassen und es kommt zu Erfassungslücken sowie zu einer Vergrößerung der Gesamtanordnung.

AUFGABE DER ERFINDUNG:

[0003] Die Erfindung betrifft ein drahtloses, optional energieautarkes Sensorsystem, welches die Aufgabe hat, das Aufenthaltsgebiet und oder die Eigenschaften eines unbestimmten Objektes in einem begrenzten räumlichen, flächigen oder eindimensionalen Gebiet zu ermitteln, wenn dieses Objekt wenigstens teilweise in einem räumlichen Naheverhältnis mit einem Sensorgebiet steht, wobei zusätzlich eine Klassifizierung des Objekts erfolgen kann. Die sensorische Erfassung erfolgt dabei mittels kapazitiver (elektrostatischer) oder magnetischer (induktiver) Messung; typischerweise unter Verwendung eines elektrischen oder magnetischen Nahfeldes. Für die Sensoreinrichtung werden leitfähige Strukturen wie Elektroden oder Spulenanordnungen benötigt. Zudem erfordert ein drahtloses Sensorsystem wenigsten eine Antenne zur Datenübertragung. Im Weiteren wird für energieautarke Sensoren eine Einrichtung benötigt, um elektrische Energie aus der Umgebung zur Verfügung zu stellen (Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie, im Stand der Technik häufig als „Energy Harvesting" bezeichnet).

[0004] Alle diese Einrichtungen haben einen Platzbedarf an der Oberfläche der Vorrichtung. Da somit im Stand der Technik nicht die gesamte Oberfläche für die Sensoreinrichtung zur Verfügung steht, entstehen Lücken im Erfassungsbereich. Zudem führt der Platzbedarf durch die Vorrichtung für die drahtlose Kommunikation und die Vorrichtung für Energiebereitstellung zu einer Vergrößerung der Gesamtvorrichtung.

[0005] Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile entsprechend des Standes der Technik zu beheben. Dazu werden Teile der Sensoreinrichtung als Teile der Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation (z.B. Antenne(n) für Funkübertragung) sowie für die Einrichtung für Gewinnung elektrischer Energie verwendet. Neben der Miniaturisierung ergibt sich dadurch auch die Möglichkeit, die gesamte Oberfläche des drahtlosen Sensors als Sensor zu verwenden. „Blind Spots", die sich durch die Antennen bzw. Energy Harvesting Vorrichtungen ergeben, fallen damit beinahe vollständig weg. Als Sensoreinrichtung wird dabei eine Elektroden- und Spulenanordnung, sowie die notwendige Signalerzeugung und Auswertung bezeichnet. Als Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation wird eine Antennenanordnung (auch optisch/akustisch) sowie die dazu notwendige Signalerzeugung und Auswertung bezeichnet. Als Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie wird eine Quelle (z.B. Solarzelle, Antenne, pyroelektrischer Sensor) und weitere notwendige Komponenten (z.B. Gleichrichter) zur Gewinnung elektrischer Energie bezeichnet.

In einer erfindungsgemäßen Ausführung wird eine kapazitive Sensorelektrodenstruktur derart von den geometrischen Abmessungen und Anordnungen ausgeführt, dass eine Elektrode davon als Antenne, beispielsweise als Patchantenne, zur Sensordatenübertragung verwendet werden kann. Dazu sind Entkoppelnetzwerke vorgesehen, sodass sich die sensorische Erfassung und die drahtlose Datenübertragung möglichst wenig beeinflussen. Die kapazitive Sensorik kann dabei sowohl mittels Erfassung von Kapazitäten zwischen Elektroden als auch mittels Erfassung der elektrischen Kapazität gegenüber elektrischer Masse oder in Kombination ausgeführt sein. Ebenfalls kann beispielsweise anstelle der elektrischen Kapazität die Gegeninduktivität zwischen Spulen erfasst werden. Eine rechteckförmig angeordnete planare Spule kann dabei wiederum als Antenne für die drahtlose Kommunikation dienen.

Gleichzeitig ist die Einrichtung vorgesehen um aus dem magnetischen Feld, dem elektrischen Feld, oder dem elektromagnetischen Feld Energie zum Betrieb der drahtlosen Vorrichtung bereitzustellen. Wiederum ist ein entsprechendes Entkopplungsnetzwerk vorgesehen, sodass es zu einer möglichst geringen Beeinflussung der Komponenten kommt. Neben resonanten Anordnungen analog zu RFID Systemen ist insbesondere photovoltaisches Energy Harvesting als eine vorteilhafte Ausführung anzusehen. Dabei wird eine Solarzelle derart ausgestaltet, sodass sie auch als flächige Elektrode der Sensoreinrichtung verwendet werden kann. Ebenso wird die Solarzelle in ihrer Geometrie derart ausgestaltet, dass sie sich beispielsweise als Patchantenne eignet. Dazu ist unterhalb der Elektrodenstruktur ein Trägersubstrat mit einer Dicke von einigen hundert Mikrometern zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik vorgesehen. Zur Herstellung derartiger Solarzellen eignen sich verschiedene Technologien, z.B. Sieb- oder Tintenstrahldruck. Die Vorrichtung dient vorwiegend zur sensorischen Erfassung von Oberflächen. Die Ausführung der Vorrichtung als flächiges Element, das zumindest teilweise flexibel (biegsam) ausgeführt ist, vereinfacht die Applizierung auf gekrümmten Oberflächen. Typischerweise wird die Anordnung eine Bauhöhe von weniger als 3 Millimeter aufweisen, wobei die flächige Ausdehnung typischerweise wenigstens einige Zentimeter umfasst.

LISTE DER FIGUREN

[0006] Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit rechteckigen leitfähigen Strukturen in einer Draufsicht (ohne zu erfassendes Objekt 111 oder dessen Eigenschaften).

[0007] Figur 2 zeigt ein Schnittbild einer beispielhaften Ausführungsform mit rechteckigen leitfähigen Strukturen (mit dem zu erfassenden Objekt 111 oder dessen Eigenschaften).

[0008] Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der eine erste leitfähige Struktur segmentiert ausgeführt ist in einer Draufsicht.

[0009] Figur 4 zeigt ein Schnittbild einer beispielhaften Ausführungsform, bei der eine erste leitfähige Struktur segmentiert ausgeführt ist.

[0010] Figur 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit kreisförmig angeordneter erster leitfähiger Struktur in einer Draufsicht.

[0011] Figur 6 zeigt ein Schnittbild einer beispielshafte Ausführungsform mit kreisförmig angeordneten erster leitfähiger Struktur.

[0012] Figur 7 zeigt eine beispielshafte Ausführungsform mit ringförmiger erster leitfähiger Struktur in einer Draufsicht.

[0013] Figur 8 zeigt ein Schnittbild einer beispielshafte Ausführungsform mit ringförmiger erster leitfähiger Struktur.

[0014] Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung mit einer ersten leitfähigen Struktur und Verbindungen zu einer Einrichtung zur Erzeugung/Erfassung eines Nahfeldes, einer Einrichtung zur Erzeugung/Erfassung von elektromagnetischen oder mechanischen Wellen und einer Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0015] Figur 1 zeigt eine Ansicht einer Ausführungsform als kapazitiven Sensor mit einer ersten leitfähigen Struktur (1) sowie weiteren leitfähigen Strukturen (2) und unterschiedlichen Abständen (3) zwischen den leitfähigen Strukturen. Durch die Erfassung der elektrischen Kapazitäten zwischen den Elektroden und der unterschiedlichen Ausführungsform der Abstände können unter Verwendung von Methoden die aus der elektrischen Kapazitätstomographie bekannt sind, Rückschlüsse über die räumliche Verteilung von Material und dessen elektrische Eigenschaften oberhalb der Anordnung getroffen werden. Daraus kann beispielsweise eine Position eines Objekts (111) (in Figur 1 zwecks Ubersichtlichkeit nicht dargestellt, siehe daher Figur 2), dessen Geometrie oder dessen Materialeigenschaften ermittelt werden, wodurch auch eine Klassifikation des Objekts ermöglicht wird. Die erste leitfähige Struktur (1), die als eine Elektrode des kapazitiven Sensors darstellt, ist gleichzeitig als Antenne zur drahtlosen Kommunikation ausgeführt.

[0016] Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung aus Figur 1. Ein Objekt (111), dessen Position, räumliche Verteilung und/oder Materialeigenschaften durch die Sensoreinrichtung erfasst wird, befindet sich Oberhalb der Anordnung. Eine leitfähige Struktur (4) auf der Unterseite der Anordnung dient als Schirmung oder aktiver Guard, wodurch Einflüsse von Objekten unterhalb der Vorrichtung auf die Sensoreinrichtung sowie die Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation minimiert wird.

[0017] Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste leitfähige Struktur (1) aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist. Weitere leitfähige Strukturen sind mit unterschiedlichen Abständen (3) nicht symmetrisch um die erste leitfähige Struktur angeordnet.

[0018] Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend Figur 3.

[0019] Figur 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der die erste leitfähige Struktur (1) kreisförmig und weitere leitfähige Strukturen (2) in einem Abstand (3) um die erste leitfähige Struktur (1) angeordnet sind.

[0020] Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend Figur 5 mit einer Elektrodenstruktur (5) bestehend aus der ersten leitfähigen Struktur (1) sowie weiterer leifähigen Strukturen (2).

[0021] Figur 7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der die erste leitfähige Struktur (1) als Ring ausgeführt ist und weitere leitfähige Strukturen (2) sowohl innerhalb als auch außerhalb der ersten leitfähigen Struktur (1) ausgeführt sind.

[0022] Figur 8 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend Figur 7 mit einer Elektrodenstruktur (5) bestehend aus der ersten leitfähigen Struktur (1) sowie weiterer leifähigen Strukturen (2).

[0023] Figur 9 stellt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung. Eine leitfähige Struktur (1) steht dabei mit einer Vorrichtung (8) zur Erfassung oder Messung eines elektrischen oder magnetischen Nahfeldes über ein Entkopplungsnetzwerk (7) in elektrischer Verbindung. Das Entkopplungsnetzwerk (7) kann dabei beispielsweise als passiver Bandpass für den Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz oder als Schalternetzwerk ausgeführt sein. Weiters steht eine Vorrichtung zum Empfang und/oder zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle oder einer mechanischen Welle (10) über ein Entkopplungsnetzwerk (9) mit der leitfähigen Struktur (1) in Verbindung. Zur Erzeugung einer mechanischen Welle kann beispielsweise unterhalb der leitfähigen Struktur (1) eine piezoelektrische Struktur vorgesehen sein. Das Entkopplungsnetzwerk (9) kann beispielsweise als passiver Hochpasstfilter für mehr als 100 MHz oder als Schalternetzwerk ausgebildet sein. Weiters kann eine Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie (12) vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise aus einem System mit Maximum Power Point Tracking für Solarzellen versorgt werde. Aufgrund der niedrigen Impedanz zwischen den Elektroden der Solarzelle empfiehlt es sich daher, die Vorrichtung "floatend" zu betreiben und in einem DC/DC Konverter eine galvanische getrennte Übertragung, z.B. mittels Transformatoren zu erreichen. Diese Funktionalität wird im Entkopplungsnetzwerk (11) realisiert. Erfindungsgemäß kann die Entkopplungseinrichtung (11) auch als passiver Tiefpass (unter 1 kHz) oder mittels Schalternetzwerk ausgeführt sein. Zur drahtlosen Kommunikation kann eine leitfähige Struktur neben der di-

rekten Verwendung als Antenne auch als Teil einer Lichtquelle, beispielsweise einer Elektrode einer OLED oder als eines piezoelektrischen Elements, ausgeführt sein.

Sind für die Sensorvorrichtung mehrere leitfähige Strukturen (1) und (2) vorgesehen, so kann erfindungsgemäß für die drahtlose Kommunikation und für die Vorrichtung jeweils eine andere leitfähige Struktur als erste oder weitere leitfähige Struktur dienen so dass die beiden Vorrichtungen mit unterschiedlichen leitfähigen Strukturen verbunden sind.

[0024] Figur 10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit einem zu erfassenden Objekt (111), bei dem der die erste leitfähige Struktur die Elektroden einer Solarzelle (1) darstellen. Die gesamte Vorrichtung ist in ein geschlossenes Gehäuse (13) eingebettet. Das Gehäuse kann beispielsweise mittels Vergusses oder mittels Folien und Laminierung hergestellt sein.

Da aufgrund der großen Fläche, die elektrische Kapazität zwischen den beiden Elektroden einer Solarzelle sehr groß ist, ist die elektrische Impedanz zwischen diesen Flächen sehr gering. Daher können die beiden Elektroden in vielen Fällen aus Sicht der Sensoreinrichtung sowie aus Sicht der Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation als eine gemeinsame leitfähige Struktur angesehen werden.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

(111) zu Erfassendes Objekt

(1) Erste leitfähige Struktur, beispielsweise Solarzelle

(2) Weitere leitfähige Strukturen der Sensoreinrichtung, beispielsweise Elektroden oder Spulen (3) Distanz zwischen leitfähigen Elektroden der Sensoreinrichtung

(4) Schirmung

(5) Elektrodenstruktur, in der Schnittdarstellung

(6) Trägersubstrat

(7) Entkopplungsnetzwerk, beispielsweise passiver Bandpass 100kHz - 10MHz oder Schalternetzwerk

(8) Vorrichtung zur Erfassung oder Messung eines elektrischen oder magnetischen Nahfeldes

(9) Entkopplungsnetzwerk, beispielsweise passiver Hochpassfilter für mehr als 100 MHz oder Schalternetzwerk

(10) Vorrichtung zum Empfang oder zur Erzeugung einer elektromagnetischen oder einer mechanischen Welle

(11) Entkopplungsnetzwerk, beispielsweise DC/DC Konverter mit passivem Tiefpass (unter 1 kHz) und Gleichrichter oder Schalternetzwerk

(12) Einrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie (13) Gehäuse

Claims (4)

Patentansprüche

1. Drahtloses Sensorsystem zum Erfassen von Position und/oder räumlichen Verteilung und/ oder der Eigenschaften wenigstens eines Objekts (111), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur (1) vorgesehen ist, die mit einer Einrichtung zur Erfassung oder Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Nahfeldes (8) über ein Entkopplungsnetzwerk (7) elektrisch verbunden ist und über ein zweites Entkopplungsnetzwerk (9) mit einer Einrichtung (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen oder mechanischen Welle elektrisch verbunden ist und die elektrisch über ein weiteres Entkopplungsnetzwerk (11) mit einem Energiespeicher (12) verbunden ist, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (1) wenigstens teilweise aus Teilen einer Solarzelle gebildet realisiert ist.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere leitfähige Strukturen (2) zur Erzeugung oder Erfassung eines Nahfeldes vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (1) Teil eines Nahfeldsensors ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (1) eine Antenne einer elektromagnetischen Kommunikationseinrichtung ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen