DE102009051759A1 - Electrical energy collection device for use inn autonomous wireless sensor e.g. temperature sensor, which is utilized for measuring e.g. heart rate, has electronic switches accommodated in circuit board and supplied with electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energiesammelvorrichtungen, die in flexible Mehrschichtleiterplatten integrierbar sind, insbesondere zur autonomen Energieversorgung drahtloser Sensoren, sowie auf autonome Drahtlossensoren mit einer derartigen Energiesammelvorrichtung.The present invention relates to energy harvesting devices that can be integrated into flexible multilayer printed circuit boards, in particular for the autonomous power supply of wireless sensors, and to autonomous wireless sensors with such an energy collecting device.
Aus der Druckschrift
Nachteilig an diesem herkömmlichen System ist jedoch der mit der Integration von Energiequelle, Energiespeicher und Elektronik verbundene herstellungstechnische Aufwand.A disadvantage of this conventional system, however, is the associated with the integration of energy source, energy storage and electronics manufacturing effort.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Energiesammelvorrichtung anzugeben, die in einfacher Weise mit einer elektronischen Schaltung integriert werden kann.The aim of the present invention is therefore to provide an energy collection device that can be integrated in a simple manner with an electronic circuit.
Dies wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This is achieved by the features of the independent claim. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, das zur Energiegewinnung verwendete Material in einer herkömmlichen flexiblen elektrischen Mehrschichtleiterplatte unterzubringen.It is the particular approach of the present invention to house the energy harvesting material in a conventional multilayer flexible electrical circuit board.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Energiesammelvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die elektrische Energiesammelvorrichtung umfasst eine flexible elektrische Leiterplatte aus mehreren Schichten, wobei wenigstens eine Schicht aus einem Material besteht, das zur Erzeugung von Energie aus Umgebungsenergie geeignet, und eine auf oder in der Leiterplatte untergebrachte elektronische Schaltung, die mit der in der wenigstens einen Schicht erzeugten elektrischen Energie versorgt wird.According to a first aspect of the present invention, there is provided an electric power collecting device. The electrical energy harvesting device comprises a flexible electrical circuit board of multiple layers, wherein at least one layer is made of a material suitable for generating energy from ambient energy, and an electronic circuit housed on or in the circuit board that is generated with the in the at least one layer electrical energy is supplied.
Vorzugsweise besteht wenigstens eine Schicht der Leiterplatte aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere aus piezoelektrischen Keramikfasern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Schicht der elektrischen Leiterplatte auch aus einem fotoelektrischen Material, insbesondere aus amorphem Silizium bestehen. Außerdem kann, alternativ oder zusätzlich, eine Schicht der elektrischen Leiterplatte aus einem thermoelektrischen Material, insbesondere aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern bestehen. Auf diese Weise kann direkt in der Leiterplatte Umgebungsenergie, wie z. B. mechanische Energie aus einer Deformation der Leiterplatte, Lichtenergie oder thermische Energie, in elektrische Energie umgewandelt werden, um die auf oder in der Leiterplatte untergebrachte elektronische Schaltung mit Energie zu versorgen.Preferably, at least one layer of the printed circuit board is made of a piezoelectric material, in particular of piezoelectric ceramic fibers. Alternatively or additionally, a layer of the electrical circuit board may also consist of a photoelectric material, in particular of amorphous silicon. In addition, as an alternative or in addition, a layer of the electrical circuit board may consist of a thermoelectric material, in particular of two differently doped semiconductors. In this way, directly in the circuit board ambient energy such. As mechanical energy from a deformation of the circuit board, light energy or thermal energy to be converted into electrical energy to supply the housed on or in the circuit board electronic circuit with energy.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die flexible elektrische Leiterplatte eine erste Schicht aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere aus piezoelektrischen Keramikfasern, und eine zweite Schicht aus einem fotoelektrischen Material, insbesondere aus amorphem Silizium. Auf diese Weise können unterschiedliche Formen der Energiegewinnung, nämlich die Gewinnung von Energie aus mechanischen Deformationen der Leiterplatte und die Gewinnung von Energie aus einer Beleuchtung der Leiterplatte, miteinander kombiniert werden. Sowohl die Verfügbarkeit als auch die Menge der erzeugten Energie kann dementsprechend erhöht werden.According to a particularly preferred embodiment, the flexible electrical circuit board comprises a first layer of a piezoelectric material, in particular of piezoelectric ceramic fibers, and a second layer of a photoelectric material, in particular of amorphous silicon. In this way, different forms of energy production, namely the recovery of energy from mechanical deformation of the circuit board and the recovery of energy from a lighting of the circuit board, are combined. Both the availability and the amount of energy generated can be increased accordingly.
Vorteilhafterweise ist die elektronische Schaltung dazu eingerichtet, die in der wenigstens einen Schicht erzeugte elektrische Energie zu sammeln und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Vorteilhafterweise ist die elektronische Schaltung auch dazu eingerichtet, die wenigstens eine Schicht an einem Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe zu betreiben. Der Wirkungsgrad der Energiesammelvorrichtung und somit die Menge der elektrischen Energie, die einem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden kann, kann auf diese Weise optimiert werden.Advantageously, the electronic circuit is adapted to collect the electrical energy generated in the at least one layer and to make it available to a consumer. Advantageously, the electronic circuit is also adapted to operate the at least one layer at an operating point with maximum power output. The efficiency of the energy collecting device and thus the amount of electrical energy that can be made available to a consumer can be optimized in this way.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Energiesammelvorrichtung des Weiteren eine Speichereinrichtung zur Speicherung der in der wenigstens einen Schicht erzeugten elektrischen Energie. Auf diese Weise kann die Erzeugung der elektrischen Energie von ihrer Verwendung zeitlich entkoppelt werden. Durch die Pufferwirkung der Speichereinrichtung können außerdem Schwankungen in der Leistungsaufnahme eines Verbrauchers ausgeglichen werden.According to a further preferred embodiment, the electrical energy collecting device further comprises a storage device for storing the electrical energy generated in the at least one layer. In this way, the generation of electrical energy from their use can be decoupled in time. By the buffer effect of the memory device also fluctuations in the power consumption of a consumer can be compensated.
Vorzugsweise umfasst die elektronische Schaltung in diesem Fall zusätzlich einen Gleichspannungswandler, der eine von der wenigstens einen Schicht ausgegebene Spannung auf ein Spannungsniveau der Speichereinrichtung wandelt und/oder das Spannungsniveau der Speichereinrichtung auf ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau wandelt. Vorteilhafterweise umfasst die elektronische Schaltung auch einen Laderegler zur Regelung des Ladevorgangs der Speichereinrichtung. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Überladung der Speichervorrichtung verhindert werden und die Lebensdauer der Speichereinrichtung entsprechend verlängert werden.In this case, the electronic circuit preferably additionally comprises a DC-DC converter which converts a voltage output by the at least one layer to a voltage level of the memory device and / or converts the voltage level of the memory device to a desired output voltage level. Advantageously, the electronic circuit also includes a charge controller for Control of the charging of the memory device. In this way, for example, an overload of the storage device can be prevented and the life of the storage device can be extended accordingly.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein autonomer Drahtlossensor zur Verfügung gestellt. Der autonome Drahtlossensor umfasst eine elektrische Energiesammelvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, einen Sensor zur Erfassung von Daten und eine Drahtlosvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten, wobei der Sensor und die Drahtlosvorrichtung durch die elektrische Energiesammelvorrichtung mit Energie versorgt werden.In accordance with another aspect of the present invention, an autonomous wireless sensor is provided. The autonomous wireless sensor includes an electrical energy harvesting device according to the first aspect of the invention, a sensor for acquiring data, and a wireless device for wirelessly transmitting the data sensed by the sensor, wherein the sensor and the wireless device are powered by the electrical energy harvesting device.
Ein derartiger autonomer Drahtlossensor besitzt eine ganze Reihe von Vorteilen, die beispielsweise dann zum Tragen kommen, wenn die Sensoren an schwer zugänglichen Stellen oder unter Umgebungsbedingungen, die eine Verkabelung erschweren oder verhindern, eingesetzt werden sollen. Vorteile können sich auch ergeben, wenn eine große Zahl derartiger Sensoren eingesetzt werden soll und entsprechende Kosten für die Verkabelung herkömmlicher drahtgebundener Sensoren anfallen. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Energiesammelvorrichtung entfällt zudem die Notwendigkeit einer externen Energieversorgung, bzw. der Aufwand und die Kosten, die mit dem Einsatz und der Wartung herkömmlicher Batterien verbunden wären.Such an autonomous wireless sensor has a number of advantages, for example, come into play when the sensors are to be used in hard to reach places or under ambient conditions that hinder or prevent cabling. Advantages can also arise when a large number of such sensors are to be used and incur corresponding costs for the wiring of conventional wired sensors. The use of the electromagnetic energy collecting device according to the invention also eliminates the need for an external power supply, or the cost and the costs that would be associated with the use and maintenance of conventional batteries.
Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen Temperatur-, Druck- oder Lichtsensor handeln. Der Sensor kann aber auch dazu eingerichtet sein, Vitalparameter, insbesondere Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, zu messen. Der autonome Drahtlossensor wird dadurch insbesondere im medizinisch-technischen Bereich einsetzbar.The sensor may in particular be a temperature, pressure or light sensor. However, the sensor can also be set up to measure vital parameters, in particular heart rate, respiratory rate, oxygen saturation in the blood of a living being, in particular of a human being. The autonomous wireless sensor is thus used in particular in the medical-technical field.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren ersichtlich, in denen:Other aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following description and the accompanying drawings, in which:
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material
Die Leiterplatte der erfindungsgemäßen Energiesammelvorrichtung kann aber auch andere oder zusätzliche Schichten zur Umwandlung von Umgebungsenergie in elektrische Energie enthalten, wie z. B. eine Schicht mit einem thermoelektrischen Material, das durch Ausnutzung des Seebeck-Effekts elektrische Energie aus einem Temperaturgradienten erzeugt. Eine derartige thermoelektrisch aktive Schicht kann einen Aufbau aufweisen, wie er z. B. bereits aus herkömmlichen thermoelektrischen Generatoren bekannt ist. Insbesondere kann diese Schicht eine Kombination aus zwei verschieden dotierten Halbleitern enthalten.The circuit board of the energy harvesting device according to the invention may also contain other or additional layers for the conversion of ambient energy into electrical energy, such. For example, a layer of a thermoelectric material that generates electrical energy from a temperature gradient by utilizing the Seebeck effect. Such a thermoelectrically active layer may have a structure such as z. B. already known from conventional thermoelectric generators. In particular, this layer may contain a combination of two differently doped semiconductors.
Die erfindungsgemäße Energiesammelvorrichtung umfasst des Weiteren eine elektronische Schaltung
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Energiesammelvorrichtung eine Kombination von zwei verschiedenen Energiewandlern, wie z. B. einen fotoelektrischen Wandler
Die vorliegende Erfindung stellt also leiterplattenbasierte elektronische Schaltungen mit autarker Stromversorgung zur Verfügung. Derartige Leiterplatten können kostengünstig und in einfacher Weise hergestellt werden. Insbesondere kann die Leiterplatte mit der integrierten Energieversorgung in einem Schritt zusammen mit jeder beliebigen Schaltung hergestellt werden. Darüber hinaus ist jede beliebige Formgebung der Leiterplatte möglich. Durch die Flexibilität der Leiterplatte wird eine ganze Reihe von möglichen Anwendungsgebieten erschlossen, insbesondere der Einsatz in Kleidungsstücken, Schuhen, Taschen, etc.The present invention thus provides printed circuit board-based electronic circuits with autonomous power supply. Such printed circuit boards can be produced inexpensively and in a simple manner. In particular, the integrated power supply circuit board can be manufactured in one step along with any circuit. In addition, any shape of the circuit board is possible. The flexibility of the printed circuit board opens up a whole range of possible fields of application, in particular the use in garments, shoes, bags, etc.
In den
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Bei dem Sensor kann es sich um einen Temperatur, Druck- oder Lichtsensor handeln. Insbesondere kann es sich aber auch um einen Sensor handeln, der Vitalparameter (z. B. Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut (SPO2), etc.) eines Lebewesens, insbesondere Menschen, misst. Es können aber auch Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Neigung, Luftqualität (z. B. CO2) oder irgendeines anderen Parameters zum Einsatz kommen.The sensor may be a temperature, pressure or light sensor. In particular, however, it may also be a sensor which measures vital parameters (eg heart rate, respiratory rate, oxygen saturation in the blood (SPO2), etc.) of a living being, in particular humans. However, it is also possible to use sensors for measuring acceleration, inclination, air quality (eg CO 2 ) or any other parameter.
Derartige Drahtlossensoren eignen sich insbesondere für einen Einsatz in Umgebungen, in denen eine Versdrahtung aufgrund der zu überbrückenden Entfernungen, der Zahl der Sensoren oder aufgrund herrschender Umweltbedingungen unwirtschaftlich oder unmöglich ist. Besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Drahtlossensoren dann, wenn eine Funkübertragung des Messwerts nur in größeren zeitlichen Abständen erforderlich ist, so dass zwischenzeitlich ausreichend Zeit zur Sammlung der für die Übertragung erforderlichen Energie zur Verfügung steht.Such wireless sensors are particularly suitable for use in environments in which a Versedrahtung is uneconomical or impossible due to the distances to be bridged, the number of sensors or due to prevailing environmental conditions. The wireless sensors according to the invention are particularly suitable if a radio transmission of the measured value is required only at relatively long time intervals, so that in the meantime sufficient time is available for collecting the energy required for the transmission.
Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Drahtlossensoren besteht darin, dass sie keine Batterien benötigen, wodurch sie besonders klein und leicht sind und zugleich kostengünstig herstellbar sind. Darüber hinaus entfällt auch der ansonsten erforderliche regelmäßige Batteriewechsel, was sich insbesondere bei einer großen Anzahl gleichzeitig eingesetzter Sensoren und/oder einer langen Einsatzdauer der Sensoren in den Betriebskosten positiv bemerkbar macht. The main advantage of the wireless sensors according to the invention is that they do not require batteries, whereby they are particularly small and light and at the same time are inexpensive to produce. In addition, eliminates the otherwise required regular battery replacement, which is positively noticeable especially in a large number of sensors used simultaneously and / or a long service life of the sensors in the operating costs.
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