Egyre nagyobb számú érzékelő gondoskodik arról, hogy megfelelő információhoz jussunk az élet számos területén: pl. gyárakban, közlekedési infrastruktúrák környezetében vagy mezőgazdasági területen. Ezeket az eszközöket azonban gyakran olyan helyekre kell telepíteni, ahol a vezetékes tápellátás vagy – drótnélküli eszköz esetében – az akkumulátorok cseréje nem kivitelezhető esetleg költséges. Erre jelent megoldást a környezeti energiaforrások kiaknázására szolgáló energiagyűjtés (energy harvesting – EV). Azonban az elérhető energiasűrűség általában alacsony és az intenzitás helyben és időben is erősen változik. A projekt célja olyan megoldások kidolgozása volt, melyek alkalmazkodnak a változó intenzitású és alacsony szintű energiákhoz, rendkívül takarékosak és valós körülmények között is alkalmazhatók.
Az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (EK MFA) több mint 20 éve foglalkozik MEMS-technológiával megvalósítható mikroérzékelőkkel. Hazai szinten egyedülálló tisztatéri mikrotechnológiai mintaelőállítási és anyagvizsgálati infrastruktúrával, szaktudással rendelkezik. A projekt sikerének másik pillére az energy harvesting-et tartalmazó rendkívül takarékos elektronika és RF kommunikációs egység, melyet a mikrohullámú és rádiófrekvenciás innovációban nemzetközi szinten is kiemelkedő, 100% magyar tulajdonban levő cég, a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. (BHE) dolgozott ki. A konzorcium résztvevői a projekt keretében egyaránt végeztek alap- és ipari kutatást, valamint kísérleti fejlesztéseket.
Az alapkutatások célja új típusú vibrációs energiagyűjtők és multifrekvenciás szelektív gyorsulásmérők tervezése és megvalósítása volt. A hagyományos nem-rezonáns gyorsulásmérők ugyan egyszerre széles frekvenciatartományban érzékelnek, érzékenységük nem mindig elégséges és működésük tápellátást igényel. A megoldás egy 30 lépéses Si-technológián alapuló, két ponton felfüggesztett, Fermat-spirál alakú membrán szalag volt, melynek a felső elektródája 8 szegmensből áll. A multielektródos működési elv helyességét rázógépes tesztekkel igazolták. A nagyobb szenzorjel és villamos teljesítmény kinyerése érdekében Si-technológiával kompatibilis, magas piezoelektromos állandóval rendelkező ScAlN rétegeket is vizsgáltak. A porlasztási paraméterek optimalizálásával a longitudinális piezoelektromos együtthatót sikerült az AlN-hoz képest ötszörösére megnövelni (~6 pC/N) standard Si-hordozón. Sőt, hasonló paramétereket használva ugyanez az érték 10,0 pC/N-nek adódott Ni fémlemez hordozó esetén, mely nemzetközi összehasonlításban is magas értéknek számít.
Az elektromágneses energiakinyerő-alkalmazáshoz kétféle szélessávú antenna struktúrát készítettek el, melyek 0,7–18 GHz tartományban alkalmasak a GSM, UMTS, LTE, akár az 5. generációs mobiltelefon rendszerek, a földfelszíni digitális televízió rendszerek és vezetéknélküli hálózatok, mint széles körűen elterjedt elektromágneses energiaforrások jeleinek hasznosítására. Kifejlesztettek és megépítettek egy 2,4 GHz-es frekvencián működő impulzusvevő-áramkört, amely alkalmas akár több impulzusadótól érkező impulzus vételére és az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással képes továbbítani.
A projekt keretében megvalósított 3 legjelentősebb fejlesztés:
Rezgésdiagnosztikai szenzor (VibrAn)
A rezgésdiagnosztika célja a forgó alkatrészeket tartalmazó gépek állapotának vizsgálata a rezgési spektrum alapján. Ezek a mérések általában alkalmanként történnek, viszont egyre nagyobb az igény az alkatrészek folyamatos monitorozásra utólag telepített rendszerrel. A konzorcium által fejlesztett hálózatba szervezhető eszköz rendkívül alacsony fogyasztású (~1 mW), mely 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 egy saját fejlesztésű rádiós protokoll szerint küldi titkosítva a BHE által készített vevőhardver felé, ahonnan a kollektoron (pl. PC vagy Rasberry Pi stb.) keresztül jut végül a felhőbe. Ehhez fejlesztettek ki egy kis méretű, 2,4 GHz ISM sávon működő vezetéknélküli impulzusadó-áramkört, ami mikroszekundumnál rövidebb elektromágneses impulzusokkal, igen kis átlagfogyasztás mellett alkalmas a szenzorok adatainak átvitelére. Szintén kifejlesztették az impulzusvevő-áramkört, amely akár több impulzusadótól érkező impulzus vételére is alkalmas és az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással képes továbbítani.
A szenzorrendszer sematikus működés (középen) valamint a megvalósított jeladó (bal oldal), ill vevő (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 felül képes az oldalirányú erők nagyon precíz meghatározására is. A projektben az erőmérő gumiszenzoros alkalmazása került előtérbe és abból a feltételezésből indult ki, hogy az erőmérő segítségével, minden jelenlegi módszernél gyorsabban és közvetlenebb módon válna érzékelhetővé a gumiabroncs megcsúszása fékezéskor, vagy az út felületi minőségének megváltozása hatására (pl. jegesedés miatt). A kifejlesztett tesztrendszer az oldalfalra illesztett erőmérőből, egy töltőtekercsből, egy feldolgozó áramkörből, ill egy kommunikációs modulból állt. A „Jármű gumiabroncs menetdinamikai állapotát mérő eszköz” mintaoltalmi igényt a Szabadalmi Hivatal nemrégiben fogadta el. A csoport számos dinamikus mérést végzett egy hagyományos szenzorokkal is felszerelt Nissan Leaf tesztautóval, többek között a ZalaZone-on, ill. a Magyar Autóklub rántópados pályáján. A fedélzeti és gumiszenzor adatok összevetéséhez egy 3 eltemetett rétegből és rétegenként 38 neuronból álló neurális hálót alkalmaztunk. Az eredmények alapján megállapítható, hogy az általunk alkalmazott neurális háló nagy pontossággal becsüli meg a laterális és hosszirányú gyorsulásokat, illetve a perdületszenzor jeleit. Más szavakkal a gumiba épített saját fejlesztési szenzorral mindezek a fizikai paraméterek meghatározhatóak.
A gumi belsejébe szerelt rendszer (bal oldal), ill. a tesztautó a rántópados mérés közben (jobb oldal).
Kerékpárforgalom monitorozás (LogLine)
A közlekedési szakemberek igényei alapján fejlesztett rendszer fő előnye a piacon jelen lévő eszközökhöz képest, hogy az áthaladó kerékpárosoknak nem csak a számát és haladási irányát határozza meg, hanem a sebességüket, ill. az egyes áthaladások helyét is, ráadásul maga az érzékelő is egyszerűbben telepíthető. A rendszer napelemmel tölthető, a legfontosabb forgalmi adatokat nagy hatótávolságú, keskenysávú LoRaWAN hálózati protokollon keresztül küldi. A kihelyezett mérőegységeinkkel Budapest-szerte már több mint 260 000 kerékpáros áthaladását mérték.
További információ:
EK MFA Nanoérzékelők Laboratórium
BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft.
Az „Korszerű funkcionális anyagok hálózatba szervezhető autonóm érzékelőkhöz” című NVKP_16-1-2016-0018 azonosítószámú projekt a Magyar Kormány támogatásával a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap finanszírozásával valósult meg.
