Speciális körülmények között is alkalmazható, új technológiákon alapuló, akkumulátor és vezeték nélküli, hálózatban kommunikáló érzékelőegységeket fejlesztett az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (EK MFA) és a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. együttműködésével létrejött konzorcium. A projekt keretében kifejlesztett eszközök környezeti termikus, illetve vibrációs forrásokból nyernek energiát, és új típusú, rendkívül alacsony fogyasztású rádiófrekvenciás átvitellel kommunikálnak. Az új eszközöket többek között különféle gépek és közlekedési infrastruktúrák állapotának monitorozására, a kerékpáros-forgalom vizsgálatára, valamint járműirányítási rendszerekben lehet használni.
Egyre több érzékelő gondoskodik arról, hogy az élet számos területén megfelelő információkhoz jussunk, például gyárakban, közlekedési infrastruktúrák környezetében vagy mezőgazdasági területeken. Ezeket az eszközöket azonban gyakran olyan helyekre kell telepíteni, ahol a vezetékes tápellátás, vagy – vezeték nélküli eszköz esetében – az akkumulátorok cseréje nem valósítható meg, vagy pedig a művelet nagyon költséges. Erre jelent megoldást a környezeti energiaforrásokat kiaknázó „energiagyűjtés” (energy harvesting – EV) módszere. Az elérhető energiasűrűség azonban jellemzően alacsony, emellett intenzitása helytől és időtől függően is erősen változik. A konzorciumi projekt célja tehát olyan megoldások kidolgozása volt, melyek ennek ellenére, az adott körülmények között is megbízhatóan működnek, ugyanakkor rendkívül takarékosak.
Az EK MFA kutatói több mint 20 éve foglalkoznak MEMS-technológiával (micro-electro-mechanical-systems) megvalósítható mikroérzékelőkkel, emellett az intézet olyan tisztatéri, mikrotechnológiai léptékű minta-előállítási és anyagvizsgálati infrastruktúrával, illetve kutatói szaktudással rendelkezik, mely hazai szinten egyedülálló (www.nems.hu). A projekt sikerének másik pillérét az az energiagyűjtést és rádiófrekvenciás (RF) kommunikációt ellátó, rendkívül takarékos elektronikai egység jelenti, amelyet a mikrohullámú innovációban nemzetközi szinten is kiemelkedő, magyar tulajdonú BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. (BHE) fejlesztett. A konzorcium résztvevői alap- és ipari kutatást, valamint kísérleti fejlesztéseket egyaránt végeztek a projekt keretében.
Az alapkutatások célja új típusú vibrációs energiagyűjtők, valamint multifrekvenciás szelektív gyorsulásmérők tervezése és megvalósítása volt. A hagyományos, nemrezonáns gyorsulásmérők ugyan széles frekvenciatartományban érzékelnek egyszerre, de érzékenységük nem mindig elegendő, és működésük tápellátást igényel. Az EK kutatóinak megoldása erre egy 30 lépéses, szilícium-technológián (Si-technológia) alapuló, két ponton felfüggesztett, Fermat-spirál alakú membránszalag volt, amelynek felső elektródája nyolc szegmensből áll. A multielektródos működési elv helyességét rázógépes tesztekkel igazolták a szakemberek. A nagyobb szenzorjel és villamos teljesítmény kinyerése érdekében Si-technológiával kompatibilis, magas piezoelektromos állandóval rendelkező ScAlN-rétegeket (szkandium-alumínium-nitrid) is vizsgáltak. A porlasztási paraméterek optimalizálása révén sikerült standard szilíciumhordozón a longitudinális piezoelektromos együtthatót az alumínium-nitridéhez (AlN) képest ötszörösre növelniük (~6 pC/N). Nikkelfémlemez-hordozó esetében – hasonló paraméterek mellett – ugyanez az érték 10,0 pC/N-nek adódott, amely nemzetközi összehasonlításban is magas értéknek számít.
Az elektromágneses energiakinyerő alkalmazáshoz kétféle széles sávú antennastruktúrát készítettek a kutatók. Ezek a 0,7–18 GHz tartományban alkalmasak a GSM, az UMTS, az LTE, vagy akár az 5. generációs mobiltelefon-rendszerek, továbbá a földfelszíni digitálistelevízió-rendszerek és vezeték nélküli hálózatok – mint széleskörűen elterjedt elektromágneses energiaforrások – jeleinek hasznosítására. Kifejlesztettek és megépítettek továbbá egy olyan, 2,4 GHz-es frekvencián működő impulzusvevő áramkört, amely akár több impulzusadótól érkező impulzusok vételére is alkalmas, és az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással továbbítja.
A projekt keretében három jelentős fejlesztés valósult meg.
Rezgésdiagnosztikai szenzor (VibrAn): A rezgésdiagnosztika célja a forgó alkatrészeket tartalmazó gépek állapotának vizsgálata a rezgési spektrum alapján. Ezek a mérések általában alkalomszerűen történnek, viszont egyre nagyobb igény mutatkozik az alkatrészek – utólag telepített rendszerekkel történő – folyamatos monitorozására. A konzorcium által fejlesztett hálózatba szervezhető eszköz rendkívül alacsony fogyasztású (~1 mW), amely mindhárom tengely irányában képes a rezgéseket mérni a 10 Hz – 2 kHz közötti tartományban. Az energiagyűjtési funkciót mind vibrációs energiagyűjtővel (VEH), mind termoelektromos generátorral (TEG) sikerült megvalósítani. A mért adatokat a rendszer az Ante Kft-vel (www.ante.hu/hu/) közösen fejlesztett rádiós protokoll szerint, titkosítva küldi a BHE által készített vevőhardver felé, ahonnan a kollektoron (pl. PC vagy Rasberry Pi stb.) keresztül jut végül a felhőbe. Ehhez fejlesztettek ki a kutatók egy kis méretű, 2,4 GHz-es ISM-sávon működő, vezeték nélküli impulzusadó áramkört, amely mikroszekundumnál rövidebb elektromágneses impulzusokkal, igen kis átlagos energiafogyasztás mellett alkalmas a szenzorok adatainak átvitelére. Az impulzusvevő áramkört is ők fejlesztették hozzá – ez akár több impulzusadótól érkező impulzusokat is képes venni, majd az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással továbbítani.
.
A szenzorrendszer sematikus működése (középen), valamint a megvalósított jeladó (bal oldal), illetve a jelvevő (jobb oldal)
Gumideformáció monitorozása (TireForce): A 3D-erőmérő fejlesztése több mint 10 éve folyik az EK MFA-ban. A szenzor a merőleges irányú terhelés mérésén kívül képes az oldalirányú erők nagyon precíz meghatározására is. A projektben az erőmérő gumiszenzoros alkalmazása került előtérbe. A kutatók abból a feltételezésből indultak ki, hogy az erőmérő segítségével minden jelenlegi módszernél gyorsabban és közvetlenebb módon lehetne érzékelni, ha a gumiabroncs fékezés, vagy az út felületi minőségének megváltozása (pl. jegesedés) miatt megcsúszik. A kifejlesztett tesztrendszer a gumiabroncs oldalfalára illesztett erőmérőből, egy töltőtekercsből, egy feldolgozó áramkörből, illetve egy kommunikációs modulból áll. A „Járműgumiabroncs menetdinamikai állapotát mérő eszköz” iránti mintaoltalmi igényt a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala nemrégiben fogadta be. Az EK MFA Nano-érzékelők csoport a Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézettel együttműködve számos dinamikus mérést végzett egy, az új mellett hagyományos szenzorokkal is felszerelt Nissan Leaf tesztautó segítségével, többek között a ZalaZone tesztpályán, valamint a Magyar Autóklub rántópados pályáján. A fedélzeti adatok, illetve a gumiszenzoradatok összevetéséhez egy három eltemetett rétegből felépülő – rétegenként 38 neuronból álló – neurális hálót használtak a kutatók. Az eredményeik alapján megállapítható, hogy az általuk alkalmazott neurális háló nagy pontossággal becsüli meg a laterális, illetve a hosszirányú gyorsulást, továbbá a perdületszenzor jeleit, tehát a gumiba épített saját fejlesztésű szenzorral mindezeket a fizikai paramétereket meg lehet határozni.
A gumi belsejébe szerelt rendszer (bal oldal), illetve a tesztautó a rántópados mérés közben (jobb oldal)
Kerékpárforgalom-monitorozás (LogLine): A közlekedési szakemberek igényei alapján kifejlesztett – és a piacon elérhetőnél jóval fejlettebb – rendszer fő előnye, hogy az áthaladó kerékpárosok számán és haladási irányán túl a sebességüket, valamint az egyes áthaladások helyét is képes meghatározni, ráadásul az érzékelőt egyszerűbben lehet telepíteni. A napelemmel tölthető rendszer nagy hatótávolságú, keskeny sávú LoRaWAN hálózati protokollon keresztül küldi a legfontosabb forgalmi adatokat. A kutatók a Budapesten kihelyezett mérőegységekkel már közel 270.000 kerékpáros áthaladását vizsgálták meg.
A „Korszerű funkcionális anyagok hálózatba szervezhető autonóm érzékelőkhöz” című projekt a Magyar Kormány támogatásával és a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap finanszírozásával valósult meg.
További információ:
EK MFA Nanoérzékelők Laboratórium: http://www.nems.hu
BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft.: http://www.bhe-mw.eu/
Kapcsolat:
Volk János projektvezető: www.nems.hu
EK MFA, 1121 Budapest Konkoly Thege Miklós út 29-33.
volk@mfa.kfki.hu , +36 1 392 2222/3474