Parametrische MEMS-Verstärker für drahtlose Sensornetze

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, die Technische Universität Hamburg (TUHH) und Actemium BEA haben im Kooperationsprojekt MEMS-ParAmps eine energieeffiziente Hardware-Plattform für batteriebetriebene Monitoring-Anwendungen entwickelt. Die technische Lösung kombiniert einen Wake-up-Empfänger mit einem neuartigen parametrischen MEMS-Verstärker, um die Empfangsempfindlichkeit von drahtlosen Sensornetzen ohne zusätzlichen Energieverbrauch zu erhöhen.

Herausforderungen der Funkkommunikation und Projektziele
In drahtlosen Sensornetzen halten Wake-up-Empfänger die Sensorknoten bei minimalem Strombedarf dauerhaft empfangsbereit, ohne die Hauptelektronik zu aktivieren. Da ihre begrenzte Empfangsempfindlichkeit jedoch die Funkreichweite limitiert, schaltete das Projektkonsortium aus Fraunhofer IPMS, TU Hamburg und dem Anwendungspartner Actemium BEA dem Empfänger einen parametrischen Verstärker vor. Als technische Zielparameter wurden eine Batterielaufzeit von bis zu zehn Jahren sowie eine Freifeld-Funkreichweite von bis zu einem Kilometer definiert. Dr. Michael Stolz, Projektleiter am Fraunhofer IPMS, erläutert die Funktionslogik: »Bisher musste man sich zwischen großer Reichweite und langer Batterielaufzeit entscheiden. Mit unserem neuen Verstärker-Chip lässt sich beides verbinden«.

Technische Architektur und Kapazitätsmessung
Die im Projekt realisierte Entwicklungskette umfasst die Systemspezifikation, den Entwurf sowie die Fertigung eines mikromechanisch veränderbaren Kondensators (MEMS-Varaktor) samt zugehöriger Ansteuerschaltung. Das System basiert auf einem 5 mal 6 Varaktorarray mit separat ansteuerbaren Elementen und einer Resonanzfrequenz von 1 Megahertz, integriert auf einem 3 mal 3 Quadratmillimeter großen Siliziumchip. Ein spezialisierter Spannungspuls-Generator ermöglicht die mechanische Anregung des Varaktors mit rund 3,3 Mikrojoule pro Impuls. Da kommerzielle Messsysteme die Projektanforderungen nicht erfüllten, entwickelten die Partner zudem eine eigene Methodik zur dynamischen Kapazitätsmessung mit einer Bandbreite von über 10 Megahertz zur Funktionsprüfung des Bauteils.

Protokollanpassung und Systemvalidierung
Für den praktischen Einsatz in industriellen Monitoring-Anwendungen passte das Projektteam ein bestehendes Funk-Kommunikationsverfahren an große Distanzen zwischen den Sensorknoten an. Darüber hinaus wurde eine zentrale Kommunikationsplattform aus energiesparendem Mikrocontroller und Funktransceiver aufgebaut. Gemeinsam mit Actemium BEA wurden die Teilsysteme in einem simulierten Laborszenario erfolgreich getestet, wodurch die Machbarkeit auf theoretischer und simulativer Ebene nachgewiesen ist. Prof. Dr. Alexander Kölpin, Projektleiter der TU Hamburg, erklärt dazu: »Die Anpassung des Protokolls an große Knotenabstände war ebenso entscheidend wie die Hardware selbst. Die Validierung im Laborszenario hat gezeigt, dass sich das Konzept an die Randbedingungen industrieller Anwendungen übertragen lässt«.




Industrielle Anwendungen und Infrastrukturausbau
Die entwickelten MEMS-Komponenten und Schaltungskonzepte eignen sich für den Einsatz in rauscharmen Mischern, hochempfindlichen Weckempfängern und energieautarken Sensorknoten. Ein entsprechender Demonstrator wurde auf der Fachmesse Sensor+Test in Nürnberg in den Jahren 2022, 2023 und 2025 sowie auf der ICCC2024 und im September 2024 im Innovationszentrum Cottbus (IKMZ) präsentiert. Um solche Technologien weiterzuführen, erfolgt in Cottbus der Neubau eines Büro- und Laborgebäudes im Lausitz Science Park, für den am 1. Oktober 2026 der Spatenstich stattfand. Das Gebäude bündelt künftig Arbeitsgruppen des Fraunhofer IPMS, Institutsteil Integrated Silicon Systems (ISS), weiterer Fraunhofer-Institute, der Leibniz-Gemeinschaft sowie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in direkter Nachbarschaft zur BTU Cottbus-Senftenberg.

Bearbeitet von Maria Brueva, Induportals-Redakteurin – angepasst durch KI.

www.ipms.fraunhofer.de