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1. WO2020229671 - ENERGY HARVESTING SYSTEM

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Beschreibung

Energy Harvesting System

Die Erfindung betrifft ein Energy Harvesting System.

Die voranschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen verringert nicht nur die Ausmaße der Bauteile sondern führt auch zu einer Reduktion der benötigten

elektrische Energie. Daher ist es heutzutage möglich immer mehr Funktionen in einem Gerät, wie etwa dem Smartphone, zu integrieren und darüber hinaus elektrische Geräte in einer mobilen Ausführung anzubieten, die vor einigen Jahren noch nicht denkbar gewesen sind. Nichtsdestotrotz benötigen diese mobilen Geräte einen Akku oder eine Batterie als

Energiequelle, die regelmäßig ausgetauscht oder mit einer externen Stromversorgung aufgeladen werden müssen.

Energy Harvesting, bei dem geringe Mengen an Energie aus der Umgebung gewonnen werden, hat sich als möglicher

Lösungsansatz etabliert, um eine Energieversorgung von energetisch unabhängigen Geräte zu erlauben. Das bekannteste makroskopische Beispiel sind mechanische Armbanduhren, die über eine Unwucht eine mechanische Energie vom Träger nutzen, um die Uhr zu betreiben. Im Mikroskopischen ist die

Photovoltaik ein bekanntes Beispiel mit der ein elektrisches Gerät, zum Beispiel eine Wegleuchte, unabhängig vom Stromnetz betrieben werden kann. Eine weniger bekannte mikroskopische Alternative ist den piezoelektrischen Effekt auszunutzen, um Energiegewinnung aus der Umgebung zu realisieren. Durch

Verformung des piezoelektrischen Materials, etwa wegen Druck oder Vibrationen, kann am piezoelektrischen Material eine elektrische Spannung abgegriffen werden, die zur Energieversorgung verwendet werden kann.

Daher ist ein piezoelektrisches Energy Harvesting System, das in mehrere Raumrichtungen eine gute Energieausbeute aufweist, wünschenswert .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein

piezoelektrisches Energy Harvesting System bereitzustellen, das in mehrere Raumrichtungen eine vorteilhafte

Energieeffizienz besitzt.

Die vorliegende Aufgabe wird durch das Energy Harvesting System nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte

Ausführungen und potentielle Anordnungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Es wird ein Energy Harvesting System beschrieben, das

mindestens zwei piezoelektrische Einheiten und eine zentrale Steuereinheit aufweist. Die piezoelektrischen Einheiten weisen wiederum jeweils eine piezoelektrische Schicht und eine integrierte Elektronik auf, wobei die integrierte

Elektronik die piezoelektrische Schicht kontaktiert. Die piezoelektrischen Schichten sind gewinkelt zueinander

angeordnet. Elektrische Bauteile, die zur Glättung der in einer piezoelektrischen Schicht erzeugten Spannung dienen, sind in der integrierten Elektronik verbaut. Die integrierten Elektroniken kontaktieren die zentrale Steuereinheit, die wiederum ein Steuermodul aufweist, und dazu ausgelegt ist, elektrische Energie von den piezoelektrischen Einheiten zu sammeln, wobei das Steuermodul dazu ausgelegt ist, eine wechselseitige elektrische Bedämpfung der piezoelektrischen Einheiten zu minimieren oder zu unterbinden.

Es kann somit ein Energy Harvesting System gebaut werden, dass aus mehreren piezoelektrischen Einheiten, die als

Harvesting Elemente genutzt werden, besteht, wobei die jeweiligen piezoelektrischen Einheiten relativ zueinander in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein können. Eine an den piezoelektrischen Einheiten angebrachte Elektronik sowie eine zentrale Steuerungselektronik dienen im Zusammenspiel dazu in jedem Fall - also egal aus welcher Richtung das

Gesamtsystem angeregt wird - die maximal mögliche elektrische Energie zu gewinnen. Dabei kann eine wechselseitige

elektrische Bedämpfung der einzelnen Piezoelemente

unterbunden werden.

Diese Maximale Energie kann dann insbesondere für den

Systembetrieb, ebenso wie zur Signalübermittlung oder

Zwischenspeicherung, verwendet werden.

Unter dem Begriff „gewinkelt" kann hier eine Anordnung verstanden werden, bei dem die betreffenden Schichten in einem beliebigen, jedoch von 0° verschiedenen Winkel

zueinander angeordnet sind. Als Winkel zwischen den Schichten kann dabei ein Winkel betrachtet werden, der von den

jeweiligen Flächennormalen der Oberflächen der Schichten eingeschlossen wird. Die zueinander gewinkelten Schichten können somit beliebig zueinander angeordnet sein, wobei lediglich eine parallele Anordnung der Schichten

ausgeschlossen ist. Vorzugsweise sollte der Winkel zwischen den beiden gewinkelt zueinander angeordneten Schichten zumindest 10°, besonders vorzugsweise zumindest 45° betragen.

Die Energiemenge, die eine piezoelektrische Schicht erzeugen kann, ist stark abhängig vom Grad der Verformung des

piezoelektrischen Materials und damit eng an die benutzte Geometrie gebunden. Besonders in Geometrien, aus denen eine anisotrope Biegsamkeit folgt, wie etwa einer

piezoelektrischen Schicht, ist die mögliche gewonnene Energie stark abhängig von der Richtung einer einwirkenden Kraft. So kann bei einer piezoelektrischen Schicht eine Kraft mit einer Richtung parallel zu der Normal zu einer starken Verformung, und somit starken Energiegewinnung, führen, wogegen eine gleich große Kraft senkrecht zur Normalen keine Verformung, und damit keine Energiegewinnung, erzeugt.

Indem jede piezoelektrische Einheit eine eigene integrierte Elektronik aufweist, die die in der piezoelektrischen Schicht erzeugte Spannung glättet und begrenzt, kann die erzeugte, oft stark schwankende, Spannung direkt für weitere

elektrische Bauteile nutzbar gemacht werden und die weiteren elektrischen Bauteile vor einer Spannungsspitze geschützt werden. Das Steuermodul in der Steuereinheit kann in erster Linie zur Unterbindung oder Minimierung einer wechselseitigen elektrischen Bedämpfung der piezoelektrischen Einheiten genutzt werden.

Die zwei piezoelektrischen Schichten können senkrecht

zueinander stehen. Mindestens zwei piezoelektrischen

Schichten nicht nur gewinkelt, sondern senkrecht zueinander anzuordnen ist daher besonders vorteilhaft, da die

Energiegewinnung nicht nur von der Richtung der Kraft

bezüglich einer der Normalen einer piezoelektrischen Schicht abhängt, sondern von der Richtung der Kraft bezüglich einer Ebene, die von den zwei Normalen der zwei piezoelektrischen Schichten aufgespannt wird. Wirkt die Kraft innerhalb der Ebene ist die Energiegewinnung richtungsunabhängig von der Kraft. Auf diese Weise kann beispielsweise bei

Krafteinflüssen und Bewegungen, die in einer Ebene ablaufen, wie etwa die Rotation eines Rads, die Energiegewinnung stabil gehalten werden.

Das Energy Harvesting System kann eine dritte

piezoelektrische Einheit aufweisen, deren piezoelektrische Schicht jeweils gewinkelt zu den piezoelektrischen Schichten der ersten beiden piezoelektrischen Einheiten ist. Somit kann aus einer weiteren dritten Raumrichtung elektrische Energie gewonnen werden.

Wird die dritte piezoelektrische Schicht senkrecht zu den ersten beiden piezoelektrischen Schichten angeordnet, ist es möglich die maximale Energie aus der weiteren dritten

Raumrichtung zu sammeln. Sind alle drei piezoelektrischen Schichten orthogonal zueinander angeordnet, kann aus jeder Raumrichtung die maximale Energie gesammelt werden.

Die orthogonale Anordnung der drei piezoelektrischen

Schichten ermöglicht es, die Energiegewinnung komplett richtungsunabhängig vom Krafteinfluss auf das System machen.

Zusätzlich kann das Energy Harvesting System weitere

piezoelektrische Einheiten aufweisen, deren piezoelektrische Schicht gewinkelt zu den anderen piezoelektrischen Einheiten ist. Auf diese Weisen kann noch mehr Energie aus mechanischen Stößen oder Schwingungen gewonnen werden.

Die piezoelektrischen Schichten können kreissegmentförmig sein. Kreissegmentförmige piezoelektrische Schichten

ermöglichen eine lückenlose Anordnung von mehreren Schichten in einer Ebene, so dass die gesamte Fläche optimal zur

Energieerzeugung genutzt werden kann.

Ferner können die piezoelektrischen Schichten in drei sich schneidenden kreisförmigen Ebenen angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform können die drei Ebene sich in einem zueinander rechten Winkel schneiden. Somit wird die Energieerzeugung richtungsunabhängig, da die Summe der erzeugten Energien aus den piezoelektrischen Schichten in den drei Ebenen unabhängig von der Ausrichtung des Energy

Harvesting Systems gleich ist.

Eine Befestigung der piezoelektrischen Einheiten und der Steuereinheit in einem Gerüst kann zweckdienlich sein, um die Mobilität des Energy Harvesting Systems zu erhöhen.

Vibrationen und Krafteinwirkungen, die auf das Gerüst wirken, werden auf die piezoelektrischen Schichten übertragen, wodurch diese elektrische Energie erzeugen können. Eine

Möglichkeit ist eine Befestigung mit Schrauben, die selbst bei dauerhaften Vibrationen eine feste Verbindung

bereitstellt . Eine weitere Möglichkeit ist eine Befestigung mit einem Kleber. Abhängig von den zu erwartenden

Krafteinwirkungen auf das Energy Harvesting System sollte das Gerüst stabil genug sein, um diese auch wiederholt schadlos standzuhalten. Eine Verstärkung des Gerüsts mit

Verstärkungselemente, vor allem auch an Winkeln, kann die Stabilität und Robustheit des Gerüsts weiter erhöhen. Als Material können, ohne andere Materialien auszuschließen, Kunststoffe und Metalle verwendet werden.

Eine Ausgestaltung des Gerüsts kann kugelförmig sein. Eine Kugelform erlaubt dem Energy Harvesting System beispielsweise über eine Rollbewegung elektrische Energie zu generieren. Außerdem eignet sich ein kugelförmiges Energy Harvesting System auch für den Einsatz in einem Sportball, wie etwa einem Fußball, einem Basketball, einem Tennisball, einem Baseball oder auch einer Bowlingkugel.

Ferner können die mindestens zwei integrierten Elektroniken miteinander parallel oder seriell zu einer Gruppe verschalten sein. Abhängig von der Ausgestaltung und dem Material der piezoelektrischen Schichten wird die erzeugte elektrische Leistung mit einer unterschiedlichen elektrischen Spannung und elektrischen Strom ausgegeben. Werden die integrierten Elektroniken parallel zu einer Gruppe verschalten, kann der ausgegebene elektrische Strom der einzelnen integrierten Elektroniken addiert und insgesamt erhöht werden. In einer seriellen Verschaltung der integrierten Elektroniken werden hingegen die ausgegebenen Spannungen der integrierten addiert und damit insgesamt erhöht.

Überdies kann das Energy Harvesting System mehrere

verschaltete Gruppen von integrierten Elektroniken aufweisen, wobei die Gruppen von integrierten Elektroniken miteinander parallel oder seriell verschaltet sein können. Analog zu einzelnen integrierten Elektroniken, die miteinander seriell oder parallel verschalten werden, kann der ausgegebene Strom von mehreren Gruppen addiert werden, falls die einzelnen Gruppen parallel miteinander verschalten sind, und die ausgegeben Spannung, falls die einzelnen Gruppen seriell miteinander verschalten werden.

Die integrierte Elektronik und/oder die Steuereinheit können elektrische Bauteile zur Begrenzung einer in der

piezoelektrischen Schicht erzeugten elektrischen Spannung aufweisen. Somit können verbaute elektrische Bauteile vor Spannungsspitzen, die sie zerstören könnten, geschützt werden .

Weiterhin kann die integrierte Elektronik einen Gleichrichter aufweisen. Bei dem aus den piezoelektrischen Schichten ausgegebenen Strom handelt es sich um Wechselstrom, dessen Handhabe aufwendiger ist als bei Gleichstrom. Dank des

Gleichrichters kann die Wechselspannung von den

piezoelektrischen Schichten in eine glatte Gleichspannung umgewandelt werden, die anschließend von anderen elektrischen Bauteilen genutzt werden kann. Daher kann es zielführend sein, einen Gleichrichter, der Wechselstrom zu Gleichstrom umwandelt, in die integrierte Elektronik zu implementieren.

Es ist möglich den Gleichrichter aus einer Verschaltung von diskreten Einzeldioden aufzubauen. Diskrete Einzeldioden sind relativ unempfindlich gegen hohe Ströme und Spannungen, womit ein Gleichrichter, der diese einsetzt, ebenfalls

unempfindlich gegen eine Überlastung wird.

Andererseits ist es ebenfalls möglich den Gleichrichter in einer integrierten Schaltung zu integrieren und eine Z-Diode zu der integrierten Schaltung parallel zu schalten. Im

Gegensatz zu diskreten Einzeldioden sind integrierte

Schaltungen empfindlich gegenüber zu hohen Spannungen. Sie können leicht durch eine Überlastung beschädigt werden. Die Z-Diode wirkt als eine Art Sicherung für die integrierte Schaltung. Bei überhöhten Spannungen sorgt sie für eine

Entlastung der integrierten Schaltung und schützt sie somit vor Schäden. Auch eine mögliche Rückkoppelung von

ausgegebener Spannung an den Gleichrichter und die

piezoelektrische Schicht wird von der Z-Diode unterdrückt.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichrichter in einer integrierten Schaltung integriert sein und eine

Schutzschaltung parallel zu der integrierten Schaltung geschalten werden. Die Schutzschaltung kann aus einem

Spannungsteiler, einem Transistor und einem Kondensator bestehen, wobei der Transistor und der Kondensator in Reihe geschalten sind und der Spannungsteiler parallel zum

Transistor und dem Kondensator geschalten sein kann.

Der Transistor kann hierbei von einer aus dem Spannungsteiler entnommenen Spannung gesteuert werden. Der Spannungsteiler sollte hier so ausgelegt sein, dass der Transistor

durchgeschalten wird, bevor die integrierte Schaltung

beschädigt wird. Die überschüssige Ladung aus den

piezoelektrischen Schichten wird folglich auf dem in Reihe geschalteten Kondensator gespeichert und kann nach einer Spannungsspitze genutzt werden. Dementsprechend kann die beschriebene Schutzschaltung auch einen höheren Wirkungsgrad als die Schaltung mit Z-Diode erreichen, da überhöhte

Spannungsspitzen genutzt werden können. Darüber hinaus ist der Widerstand des Kondensators für transiente

Spannungsspitzen gering, wodurch die erzeugte Ladung besser von den piezoelektrischen Schichten fließen kann. Dadurch wird die elektrische Dämpfung der piezoelektrischen Schicht gemindert und der Wirkungsgrad des Energy Harvesting Systems gesteigert .

Die Steuereinheit kann ein RF-Modul aufweisen. Somit die Steuereinheit Informationen kabellos an einen Empfänger schicken .

Die Steuereinheit und das RF-Modul können dazu ausgelegt sein mit der gesammelten elektrischen Energie aus dem Energy

Harvesting System betrieben zu werden. Das bedeutet, dass sowohl die gesamte Energie als auch die Spannung und der Strom in einem für die Steuereinheit und RF-Modul nutzbaren Bereich bereitgestellt werden.

Das Energy Harvesting System kann energetisch komplett autark sein, was bedeutet, dass alle elektrischen Bauteile im System nur mit der aus den piezoelektrischen Schichten gewonnenen Energie betrieben werden. Dies ermöglicht komplett auf eine externe Energieversorgung zu verzichten, womit das Energy Harvesting System unabhängig und mobil ist.

Weiterhin können die piezoelektrischen Schichten auf einem Substrat angeordnet sein, das dünner als 1 mm ist. Auf der einen Seite erhöht ein Substrat die mechanische Stabilität der piezoelektrischen Schichten, womit diese eine größere Krafteinwirkung unbeschadet überstehen. Auf der anderen Seite kann ein Substrat, insbesondere wenn es zu steif, eine

Auslenkung und damit eine Verformung der piezoelektrischen Schicht behindern und somit eine mögliche Energiegewinnung mindern. Ein Dicke von weniger als 1 mm hat sich als

vorteilhaft erwiesen, um einen guten Kompromiss zwischen der Stabilität und Biegsamkeit zu erreichen. Vorzugsweise sollte die Dicke des Substrats nicht geringer als 0,2 mm sein.

Das Substrat kann darüber hinaus elektrisch leitfähig sein. Somit kann die piezoelektrische Schicht direkt über das

Substrat kontaktiert werden und das Substrat kann auf diese Weise als Elektrode genutzt werden.

Die piezoelektrische Schicht kann an die Form des Substrats angepasst sein. Dadurch ist es möglich, eine möglichst große Fläche des Substrats mit einer piezoelektrischen Schicht zu bedecken und die Energiegewinnung zu optimieren. Das Substrat selbst kann viereckig, dreieckig, kreisförmig oder

kreissektorförmig sein oder eine beliebige andere Form haben. Zum einen kann so die Substratform und damit auch die Form der piezoelektrischen Schicht für die geometrischen

Anforderungen einer Anwendung angepasst werden. Zum anderen kann über die Form und Größe der piezoelektrischen Schichten die ausgekoppelte Spannung mit den Anforderungen der

nachstehenden elektrischen Bauteile abgestimmt werden.

Ansonsten können die piezoelektrischen Einheiten Begrenzer aufweisen, die dazu ausgelegt sind den Ausschlag der

piezoelektrischen Schichten zu begrenzen. Ein Begrenzer ist hierbei beispielsweise ein Teil, das die gesamte, die halbe oder auch nur ein Viertel der piezoelektrischen Schicht mit einem gewissen Abstand überdeckt. Der Begrenzer ist dazu ausgestaltet, die Amplitude der Verformung bzw. Auslenkung der piezoelektrischen Schicht mechanisch zu begrenzen, beispielsweise indem die piezoelektrische Schicht an den Begrenzer anschlägt, wenn die maximal zulässige Verformung erreicht ist. Ca. 1 mm Abstand zu der piezoelektrischen

Schicht auf einer Schichtlänge von etwa 10 mm haben sich als vorteilhaft erwiesen. Durch den Begrenzer wird die maximale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht begrenzt und damit die mechanische Belastung für die piezoelektrische Schicht bei starken Krafteinflüssen aber auch für den Dauerbetrieb eingeschränkt. Zusätzlich lassen sich durch den Begrenzer starke Spannungsspitzen an den piezoelektrischen Schichten, die bei einer starken Verformung auftreten, vermeiden.

Die Steuereinheit kann neben dem Steuermodul und dem RF-Modul noch einen Gleichspannungswandler aufweisen, an dem die integrierten Elektroniken angeschlossen sind. Dies ermöglicht die Gleichspannung die aus den integrierten Elektroniken ausgekoppelt werden in einer andere, beispielsweise für das Steuer- oder RF-Modul benötigte, Spannung umzuwandeln.

Dadurch ist es auch möglich elektrische Bauteile, die nicht direkt mit der von den piezoelektrischen Schichten

ausgegebenen Spannung betrieben werden können, zu betreiben.

Darüber hinaus kann sowohl die integrierte Elektronik als auch die Steuereinheit einen Glättungskondensator aufweisen. Ist das Energy Harvesting System ohne Gleichspannungswandler kann ein Glättungskondensator in der der integrierten

Elektronik oder der Steuereinheit Spannungsschwankungen mindern und die Spannungsverlauf so glätten. Falls ein

Gleichspannungswandler in die Steuereinheit integriert ist, kann auf Grund einer Kapazität eines ersten Kondensators auf der integrierten Elektronik, der dem Gleichspannungswandler elektrisch vorgeschalten ist, und der Kapazität eines zweiten Kondensators auf der Steuereinheit, die dem

Gleichspannungswandler elektrisch nachgeschalten ist, das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgansspannung angepasst werden .

Das Steuermodul kann ein System-on-a-Chip (SoC) oder ein Mikrokontroller sein. Beide Optionen ermöglichen, Abläufe und Funktionen im Energy Harvesting System zu programmieren und erlauben es weiterhin das Energy Harvesting System mit anderen elektrischen und programmierbaren Bauteilen zu erweitern. Überdies sind SoC und Mikrokontroller dazu

geeignet, RF-Module anzusteuern.

Des Weiteren kann das RF-Modul eine Power-on Reset Zeit mit einer Dauer von weniger als 50 ms aufweisen. Ein RF-Modul mit einer so geringen Power-on Reset Zeit benötigt wenig Energie, um in einen funktionsfähigen Zustand hochzufahren. Daher sind gerade RF-Module mit einer kurzen Power-on Reset Zeit

geeignet für eine Integration in ein Energy Harvesting

System. Ausdrücklich sind niederenergetische Z-Wave-, ZigBee-oder Bluetooth-Module als RF-Modul geeignet, da sie wenig Energie brauchen und über ein Steuermodul ansteuerbar sind.

Falls das RF-Modul ein Bluetooth-Sender ist,

kann der Bluetooth-Sender dazu ausgestaltet sein, die Anzahl der Kanäle anzupassen. Nach dem Bluetooth Standard gibt es 79 Kanäle mit jeweils 1MHz Frequenzbreite. Für das Versenden von kleinen Paketen wird nicht die gesamte Frequenzbreite

benötigt, womit durch ein Anpassen der Anzahl der genutzten Bluetooth Kanäle der Energieverbrauch des Energy Harvesting Systems vermindert werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Bluetooth-Sender auf einem einzigen Kanal senden. Dies ist die

geringste Anzahl an Kanälen, bei dem weiterhin eine

Kommunikation zwischen dem Bluetooth Sender und einem

Bluetooth Empfänger möglich ist. Demzufolge kann abhängig von der Anzahl der Kanäle, mit nur einem Kanal am meisten Energie eingespart werden.

Ferner kann bei einem RF-Modul die Zeitdauer eines

Sendesignals, die Sendeleistung und Zwischensignalpause so eingestellt sein, dass möglichst wenig Energie verbraucht wird. Dies kann je nach RF-Modul im Einzelnen unterschiedlich umgesetzt werden. Die Sendeleistung kann beispielsweise abhängig von einer Empfangsstärke in so weit gemindert werden, dass weiterhin eine zuverlässige Verbindung gegeben ist. Auch Zeitdauer eines Sendesignals kann insofern

gemindert und eine Zwischensignalpause erhöht werden, dass eine Informationsübertragung nicht gestört wird, um den

Energieverbrauch zu reduzieren. Ist ein Empfänger vom RF- Modul konfigurierbar, kann dieser an das Sendeverhalten des RF-Moduls angepasst werden, und dadurch der Energieverbrauch bei gesicherter Informationsübertragung gemindert werden.

Die Steuereinheit kann zusätzlich eine wieder aufladbare Batterie oder einen Kondensator zur Energiespeicherung aufweisen. Somit kann die Energie, die mit den

piezoelektrischen Schichten gewonnen wird, gespeichert und akkumuliert werden. Dies ermöglicht es, mit dem Energy

Harvesting System auch Anwendungen und elektrische Bauteile zu bedienen, die eine größere elektrische Leistung benötigen, oder die gesammelte Energie zu einem späteren Zeitpunkt zu verwenden .

Außerdem kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, anhand der in den piezoelektrischen Schichten erzeugten

Spannungen eine auf das Energy Harvesting System wirkende Beschleunigung richtungsabhängig zu bestimmen. Da eine

Auslenkung der piezoelektrischen Schichten in erste Linie proportional zu einer auf sie wirkenden Beschleunigung ist, kann aus der an den piezoelektrischen Schichten erzeugten Spannung auf eine Beschleunigung geschlossen werden. Da die piezoelektrischen Schichten senkrecht zueinander angeordnet sind, kann sowohl der Betrag als auch die Richtung der

Beschleunigung bestimmt werden. Werden die piezoelektrischen Schichten als Beschleunigungssensor benutzt, ist es

vorteilhaft ein Steuermodul mit einem integrierten Analog-to-Digital-Umsetzer zu benutzen, da dieser die analoge

Spannungsausgabe von den piezoelektrischen Schichten auslesen kann .

Zusätzlich kann die Steuereinheit weitere Sensorik aufweisen. Je nach Zielsetzung kann das Energy Harvesting System für viele Anwendungen zweckdienlich, die eine erweiterte Sensorik benötigen. Hierbei kann es sich beispielsweise um GPS-Sensoren, Temperatursensoren, Kraftsensoren,

Luftfeuchtigkeitssensor oder irgendwelche anderen Sensor handeln .

Ferner kann die piezoelektrische Schicht eine Polymerschicht, eine Keramikschicht, eine Keramikdünnschicht, eine

Mehrschichtkeramik oder eine monolithische Keramik sein. So lange die Schicht piezoelektrisch ist, ist sie prinzipiell für einen Einsatz in einem Energy Harvesting System geeignet. Eine Polymer-oder Keramikdünnschicht haben den Vorteil gegenüber anderen piezoelektrischen Schichten flexibler zu sein. Mit einer monolithischen Keramik, die piezoelektrisch ist, kann die Spannungsausgabe der piezoelektrischen Schicht angepasst werden, indem die monolithische Verschaltung verändert wird.

Die piezoelektrische Schicht kann dünner als 300 gm sein. Abhängig von der Dicke der piezoelektrischen Schicht, aber auch von anderen geometrischen und materiellen Faktoren, wird die piezoelektrische Schicht steifer oder flexibler bzw.

stabiler oder labiler. Darüber hinaus kann die Flexibilität der piezoelektrischen Schicht, aber auch die Flexibilität des Substrats, auf Grund einer Anordnung von der

piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat stark verändert werden. Unter diesen Gesichtspunkten hat sich eine

Schichtdicke von weniger als 300 gm für die piezoelektrische Schicht als günstig erwiesen, da eine dickere

piezoelektrische Schicht die Biegsamkeit eines dünnen

Substrats negativ beeinflusst.

Ein Energy Harvesting System nach der vorliegenden Erfindung kann in einem Schocksensor integriert sein, indem das Energy Harvesting System beispielsweise mit einem Gerüst verbunden ist, wobei das Energy Harvesting System dazu ausgelegt ist, einen Aufprall oder Schock zu detektieren und diese

Information an einen Empfänger zu senden. Ein solcher energetisch autarker Schocksensor ist dazu in der Lage, eine starke Beschleunigung, wie durch einen Aufprall gegeben, zu detektieren und einem Empfänger, wie beispielsweise einem Smartphone, zu senden, ohne auf eine externe

Energieversorgung oder einer Batterie abhängig zu sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die auf einem Substrat angeordnet ist.

Figur 2 zeigt eine räumliche Ansicht von einer Anordnung von drei piezoelektrischen Einheiten.

Figur 3 zeigt in einem Strukturdiagramm eine mögliche

Anordnung der elektrischen Bauteile aus der integrierten Elektronik und der Steuereinheit.

Figur 4 ist ein schematisches Diagramm, wobei die

Sendeleistung eines RF-Moduls gegenüber der Zeit aufgetragen ist .

Figur 5 zeigt ein Schaltbild einer Schutzschaltung.

Figur 6 zeigt ein Schaltbild einer Schutzschaltung, bei dem der Transistor ein MOSFET mit acht Pins ist.

Figur 7 zeigt ein Layout einer Leiterplatte der

Schutzschaltung von Figur 5.

Figur 8 zeigt zwei integrierte Elektroniken, die parallel geschalten sind.

Figur 9 zeigt eine Leiterplatte, auf der zwei integrierte Elektroniken angeordnet sind, wobei die Gleichrichter aus acht diskreten Einzeldioden aufgebaut sind.

Figur 10 zeigt ein Schaltbild, der in Figur 8 und 9 gezeigten integrierten Elektroniken.

Figur 11 zeigt eine Anordnung, in der 24 piezoelektrische Schichten in einem Gerüst befestigt sind.

Figur 12 zeigt eine Anordnung, in der 24 piezoelektrische Einheiten in einem Gerüst befestigt sind.

Figur 13 zeigt einen offenen Schocksensor, in dem ein Energy Harvesting System nach der vorliegenden Erfindung integriert ist .

Figur 14 zeigt ein kugelförmiges Gerüst, das an den Winkeln verstärkt ist.

Figur 15 zeigt eine Halterung für eine zentrale

Steuereinheit .

Figur 16 zeigt eine halbkugelförmige Verschalung für ein Gerüst mit Löchern.

Figur 17 zeigt in einer schematischen Skizze die Funktionsweise eines Schocksensors.

Gleiche Elemente, ähnliche oder augenscheinlich gleiche

Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den

Figuren sind nicht maßstabsgetreu.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine piezoelektrische

Schicht 6, die auf einem Substrat 8 angeordnet ist und für ein Energy Harvesting System 1 nach der vorliegenden

Erfindung geeignet ist. Hier wurde die piezoelektrische

Schicht 6 mit einem Klebeverfahren auf das Substrat 8 befestigt, es ist aber auch möglich die piezoelektrische Schicht 6 direkt auf das Substrat 8 abzuscheiden oder

anderweitig zu befestigen.

Die piezoelektrische Schicht 6 wurde an den

kreissektorförmigen Umriss des Substrats 8 angepasst, um eine möglichst große Fläche des Substrats 8 mit einer

piezoelektrischen Schicht 6 zu bedecken und somit die

Energiegewinnung zu optimieren. Das Substrat 8 weist Löcher auf, die zur Befestigung des Substrats 8, beispielsweise mit Schrauben, dienen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 8 zwar kreissektorförmig, weil es an Bedürfnisse einer Anwendung angepasst wurde, es kann aber eine beliebige andere Form haben. Darüber hinaus ist es möglich, über die Form und Größe der piezoelektrischen Schichten 6 die

ausgegebene Spannung zu variieren und an die Anwendung anzupassen .

Die in Figur 1 gezeigte piezoelektrische Schicht 6 ist eine PZT-5H Keramik-Schicht, jedoch ist es ebenso möglich, die piezoelektrische Schicht 6 aus einer anderen

piezoelektrischen Keramik herzustellen, oder eine

Keramikdünnschicht, eine Mehrschichtkeramik, eine

monolithische Keramikschicht oder eine Polymerschicht zu benutzen. Polymerschichten oder Keramikdünnschichten haben bezüglich den meisten anderen piezoelektrischen Schichten 6 den Vorteil, dass sie besonders flexibel sind. Die

Überlegenheit einer monolithischen Keramikschicht gegenüber normalen piezoelektrischen Schichten 6 liegt darin, dass die Spannungsausgabe angepasst werden kann, indem die

monolithische Verschaltung in der Keramik anders modelliert wird .

Das Substrat 8 ist aus Stahl und daher elektrisch leitfähig. Ist die piezoelektrische Schicht 6, wie in Figur 1 gezeigt, direkt auf einem leitenden Substrat 8 angeordnet, kann die piezoelektrische Schicht 6 über das Substrat 8 kontaktiert werden, indem das Substrat 8 als eine Elektrode verwendet wird. Außer Stahl könnten auch andere Metalle wie

beispielsweise Cu, Fe oder Al, aber auch andere

nichtmetallische Leiter, verwendet werden.

Die in Figur 1 gezeigte PZT-5H Schicht ist 300 gm dick und das Stahlsubstrat 400 gm dick. Einerseits erhöht ein Substrat 8 die mechanische Stabilität der piezoelektrischen Schichten 6, womit diese eine größere Krafteinwirkung unbeschadet überstehen. Andererseits kann ein Substrat 8, insbesondere wenn es zu steif, eine Auslenkung und damit eine Verformung der piezoelektrischen Schicht 6 behindern und somit eine mögliche Energiegewinnung mindern. Zugleich wird abhängig von der Dicke der piezoelektrischen Schicht 6 die

piezoelektrische Schicht 6 steifer oder flexibler und auch stabiler oder labiler. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte hat sich eine Schichtdicke von weniger als 300 pm für die piezoelektrische Schicht 6 und weniger als 1 mm beim Substrat 8 als günstig erwiesen. Diese Dicken können sich aber

abhängig vom verwendeten Material und deren Elastizität stark ändern .

In Figur 2 wird eine räumliche Ansicht von einer Anordnung von drei piezoelektrischen Einheiten 3 gezeigt, wobei die piezoelektrischen senkrecht zueinander angeordnet sind. Jede der drei piezoelektrischen Einheiten 3 weist ein Substrat 8, auf dem eine piezoelektrische Schicht 6 angeordnet ist, und eine integrierte Elektronik 7, die zur Glättung und

Begrenzung der in der piezoelektrischen Schicht 6 erzeugten elektrischen Spannung dient, auf.

Indem das Energy Harvesting System 1 drei piezoelektrische Einheiten 3 aufweist, deren piezoelektrische Schichten 6 senkrecht zueinander stehen, ist die Energiegewinnung

komplett richtungsunabhängig vom Krafteinfluss auf das

System. In erste Linie wichtig für die Energiegewinnung einer einzelnen piezoelektrischen Einheit 3 ist die Kraftkomponente parallel zu Normalen der piezoelektrischen Schicht 6, da diese ausschlaggebend für die Auslenkung der

piezoelektrischen Schicht 6 und damit der Energiegewinnung ist. Für jede einzelne piezoelektrische Schicht 6 ist die Kraftkomponente parallel zur Normalen der Schicht für die Auslenkung wichtig, und die Energiegewinnung ist daher auf Grund der orthogonalen Anordnung der piezoelektrischen

Schichten 6, richtungsunabhängig vom Krafteinfluss.

Überdies kann anhand der in den piezoelektrischen Schichten 6 erzeugten Spannungen eine auf das Energy Harvesting System 1 wirkende Beschleunigung richtungsabhängig bestimmt werden.

Aus den an den piezoelektrischen Schichten 6 erzeugten

Spannungen, die abhängig von der Auslenkung und einer auf sie wirkenden Beschleunigung ist, kann ein Steuermodul 4 die Beschleunigung berechnen. Die orthogonale Anordnung der piezoelektrischen Schichten 6 ermöglicht, sowohl den Betrag als auch die Richtung der Beschleunigung festzustellen.

Werden die piezoelektrischen Schichten 6 als

Beschleunigungssensor benutzt, ist es vorteilhaft ein

Steuermodul 4 mit einem integrierten Analog-to-Digital-Umsetzer zu benutzen, da dieser in der Lage ist, die analoge Spannungsausgabe von den piezoelektrischen Schichten 6 auszulesen .

In Figur 3 wird in einem Strukturdiagramm eine mögliche

Anordnung der elektrischen Bauteile aus der integrierten Elektronik 7 und einer Steuereinheit 2 gezeigt, wobei die drei linken Elemente zu der integrierten Elektronik 7 gehören und die rechten drei Elemente auf der Steuereinheit 2

angeordnet sind.

Die von der piezoelektrischen Schicht 6 erzeugte Spannung wird von einem Gleichrichter 10, beispielsweise einem

Brückengleichrichter, aufgenommen, der die schwankende

Wechselspannung von den piezoelektrischen Schichten 6 in eine glatte Gleichspannung umwandelt. Die integrierte Elektronik 7 weist ferner eine Z-Diode auf, die etwaige elektrische

Bauteile vor einer zu hohen Spannung und vor einer

Rückkoppelung schützt, die jedoch nicht in Figur 7 gezeigt wird .

Anschließend werden die Spannungen von den Gleichrichtern 10 an einen Gleichspannungswandler 11 geschickt, wobei jeweils ein Glättungskondensator 12 dem Gleichspannungswandler 11 vor- und nachgeschalten ist. Der Gleichspannungswandler 11 ermöglicht es, die Spannungen, die aus den Gleichrichtern 10 ausgekoppelt werden, in eine andere, beispielsweise für die Steuereinheit 2 benötigte, Spannung umzuwandeln und diese zu bündeln. Dies ermöglicht elektrische Bauteile auf der

Steuereinheit 2, die nicht direkt mit der von den

piezoelektrischen Schichten 6 ausgegebenen Spannung betrieben werden können, zu betreiben. Mit Hilfe des ersten

Glättungskondensators 12, der dem Gleichspannungswandler 11 elektrisch vorgeschalten ist, und des zweiten

Glättungskondensators 12, der dem Gleichspannungswandler 11 elektrisch nachgeschalten ist, wird über Verhältnis der

Kapazitäten der beiden Glättungskondensatoren 12 die

Eingangs- und Ausgansspannung angepasst.

In der Folge kann dem Steuermodul 4, das beispielsweise ein System-on-a-Chip (SoC) oder ein Mikrokontroller sein kann, und einem RF-Modul 5 eine geeignete Spannung bereitgestellt werden. Benötigen die elektrischen Bauteile auf der

Steuereinheit 2 eine höhere elektrische Leistung als direkt über die piezoelektrischen Schichten 6 gewonnen werden kann, kann eine wieder aufladbare Batterie oder einen Kondensator zur Energiespeicherung auf der Steuereinheit 2 integriert sein. Somit kann die Energie, die mit den piezoelektrischen Schichten 6 gewonnen wird, gespeichert und akkumuliert werden. Die angesammelte Energie kann dann beispielsweise für eine Erweiterung der Sensorik benutzt werden. Dabei kann es sich etwa um GPS-Sensoren, Temperatursensoren, Kraftsensoren, Luftfeuchtigkeitssensor oder irgendwelche anderen Sensor handeln .

Bezüglich des RF-Moduls 5 ist darauf zu achten, dass das RF-Modul 5 vorzugsweise eine Power-on Reset Zeit mit einer Dauer von weniger als 50 ms aufweist. Ein RF-Modul 5 mit einer geringen Power-on Reset Zeit benötigt weniger Energie, um in einen funktionsfähigen Zustand hochzufahren. Daher sind gerade RF-Module 5 mit einer kurzen Power-on Reset Zeit geeignet für eine Integration in ein Energy Harvesting System 1. Ausdrücklich sind niederenergetische Z-Wave-, ZigBee- oder Bluetooth-Module als RF-Modul 5 geeignet, da sie wenig

Energie brauchen und über ein Steuermodul 4 ansteuerbar sind.

Figur 4 ist ein schematisches Diagramm, in dem die

Sendeleistung eines Bluetooth-Moduls gegenüber der Zeit aufgetragen ist. Das Bluetooth-Modul hat eine Startup bzw. Power-Reset Zeit von ungefähr 5 ms. Anschließend sendet das Bluetooth-Modul abwechseln auf drei Kanälen. Ein Zyklus durch die Kanäle dauert in etwa 1,5 ms. In dem gezeigten Beispiel werden drei der 79 möglichen Kanäle verwendet. Die Anzahl der Kanäle kann abhängig von der benötigten

Übertragungsgeschwindigkeit angepasst werden, wobei eine geringere Anzahl energetisch sparsamer ist. In einer

besonders bevorzugten Ausführung wird nur auf einem einzigen Kanal gesendet, um eine energetisch möglichst effiziente Informationsübertagung bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann die benötigte Energie beim Versenden

eingespart werden, indem die Sendeleistung und

Zwischensignalpause angepasst und optimiert werden. In dem gezeigten Energy Harvesting System mit RF-Modul muss ein Kompromiss zwischen dem Energieverbrauch, der

Übertragungssicherheit, der Übertragungsdistanz und der

Übertragungsgeschwindigkeit gefunden werden, die der

Anwendung genügt .

Als Alternative zu der Z-Diode kann eine Schutzschaltung 17, wie sie in Figur 5 gezeigt wird, zum Schutz von elektrischen Bauteilen verwendet werden. Diese ist vor allem zielführend, wenn der Gleichrichter 10 in einer integrierten Schaltung realisiert wird, da eine überhöhte Spannung in einer

integrierten Schaltung zu irreversiblen Schäden führen kann. Ein Spannungsteiler, der aus den Widerständen RI und R2 besteht, wird parallel zu einem Kondensator C2, der in Reihe mit einem Transistor Ml geschalten ist, geschalten. Eine Spannung wird zwischen den Widerständen RI und R2 abgegriffen und mit dem Gate elektrisch verbunden. Der Spannungsteiler und der Transistor Ml sind so aufeinander abgestimmt, dass eine überhöhte Spannung, die möglicherweise zu einer

Schädigung einer integrierten Schaltung führen könnte, den Transistor Ml durchschaltet. In einer bevorzugten

Ausführungsform ist der Widerstand RI zehnmal so groß wie der Widerstand R2. Dementsprechend fließt eine elektrische Ladung auf den Kondensator C2 und die überhöhte Spannung wird erniedrigt. Auf diese Weise wird eine dazu parallel

geschaltete integrierte Schaltung geschützt. Ferner kann die Ladung nachdem die Spannung sich wieder erniedrigt hat, wieder vom Kondensator abfließen und vom Energy Harvesting System genutzt werden. Im Gegensatz zu einer Z-Diode kann die überschüssige Ladung auch leicht abfließen und so eine elektrische induzierte Dämpfung der mechanischen Bewegung der piezoelektrischen Schichten entgegen gewirkt werden. Als Transistor Ml kann bevorzugt ein MOSFET verwendet werden.

In Figur 6 wird ebenfalls eine Schutzschaltung 17 gezeigt. Auch in dieser Schutzschaltung 17 wird ein Spannungsteiler, bestehend aus den Widerstand RI und den Widerstand R2, parallel zu einem Kondensator CI, der in Reihe mit einem Transistor geschaltet ist, geschalten. Im Gegensatz zur

Schaltung in Figur 4, handelt es hier um einen Leistungs-MOSFET Ql mit acht Pins, der für höhere Leistungen geeignet ist. Das Gate G, das am dritten Pin liegt, wird mit dem

Spannungsteiler elektrisch kontaktiert. Die zwei Sources S1 und S2, liegen an den vierten und siebten Pin an und werden mit dem Minus-Leiter verbunden. Die fünf Drains des

Leistungs-MOSFET Ql, die an den verbleibenden Pins

abgegriffen werden können, sind über Knotenpunkt miteinander verbunden und kontaktieren den Kondensator CI, der wiederum mit der Plus-Leitung verbunden ist.

In Figur 7 wird das Layout einer Leiterplatte 18 gezeigt, auf der die in Figur 5 gezeigte Schaltung angeordnet ist. Die Leiterplatte 18 hat die Form eines Kreissektors, um

formangepasst an ein Gerüst 14 zu sein, an das die

Leiterplatte 18 über eine Durchbohrung, die am runden Rand der Leiterplatte 18 gesetzt ist, mittels eine Verschraubung befestigt werden kann. Zum runden Rand weisend ist der

Spannungsteiler angeordnet, wobei der Widerstand R2 über den Widerstand RI liegt. Vom runden Rand der Leiterplatte 18 wegweisend ist der Kondensator CI über den Transistor Ql angeordnet. Drei der Drain Pins des Leistungs-MOSFETs Ql werden über einen flächigen Kontakt gleichzeitig kontaktiert.

Figur 8 zeigt zwei integrierte Elektroniken 7, die jeweils auf einer kreissektorförmigen Leiterplatte 18 verbaut sind, und miteinander parallel zu einer Gruppe geschalten sind. Die piezoelektrischen Schichten 6 können zumeist eine ausreichend hohe Spannung zu Verfügung stellen, während die generierte Stromstärke für einige Anwendungen zu niedrig sein kann.

Indem die integrierten Elektroniken 7 miteinander parallel verschalten werden, kann der Strom der integrierten

Elektroniken 7 miteinander addiert und damit erhöht werden. Abhängig von generierten elektrischen Strömen und Spannungen der piezoelektrischen Schichten 6 können auch mehrere

integrierte Schaltungen 7 miteinander seriell oder parallel zu Gruppen verschaltet werden. Auch eine serielle oder parallele Verschaltung von mehreren Gruppen miteinander kann dienlich sein, um eine benötigte Spannung oder einen

benötigten Strom zu erreichen.

In Figur 9 ist ebenfalls eine Leiterplatte 18 dargestellt, die wie die Leiterplatte 18 in Figur 7 eine Kreissektorform besitzt, um sie an die Form eines Gerüstes 14 anzupassen. Die Leiterplatte 18 weist zwei Durchbohrungen am abgerundeten Rand auf, mit der sie an dem Gerüst 14 durch Verschraubungen fixiert werden kann. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen in den Figuren 7 und 8, sind auf der Leiterplatte 18 in Figur 9 zwei integrierte Elektroniken 7 verbaut, die die elektrische Energie aus zwei piezoelektrischen Scheiben verarbeiten, wobei die zwei integrierten Elektroniken 7 parallel

miteinander verschalten sind. In den integrierten

Elektroniken 7 wird keine integrierte Schaltung zum

Gleichrichten der Spannung, wie in den vorherigen Beispielen, verwendet. Stattdessen wird die integrierte Elektronik 7 über eine Schaltung mit vier diskreten Einzelioden D1-D4

verwendet. Da diskrete Einzeldioden D1-D4 sehr viel

unempfindlicher als eine integrierte Schaltung gegenüber einer überhöhten Spannung ist, kann auf eine Z-Diode oder eine Schutzschaltung 17 verzichtet werden.

Figur 10 zeigt das Schaltbild, der in Figur 9 dargestellten Leiterplatte 18. Es handelt sich um zwei parallel geschaltete Brückengleichrichter, die jeweils aus vier diskreten

Einzeldioden D1-D4 aufgebaut sind. Die vier diskreten

Einzeldioden D1-D4 sind so verschalten, dass jeweils zwei seriell verschaltete Einzelioden D1-D4 miteinander parallel verschaltet werden. Die zu glättende Spannung aus den

piezoelektrischen Schichten 6 wird zwischen die seriell verschalteten Einzeldioden D1-D4 gespeist. In

Durchlassrichtung der Dioden kann so die positive, und entgegengesetzt der Durchlassrichtung, die negative

Gleichspannung abgegriffen werden. Es kann vorteilhaft sein, zu dem Brückengleichrichter, oder sogar zu jeder diskreten Einzeldiode D1-D8, noch einen Kondensator parallel zu

schalten, um eine stetigere und konstantere Spannung zu erhalten oder die einzelnen Dioden zu schützen. Als diskrete Einzeldioden D1-D8 eignen sich vor allem Gleichrichterdioden oder Signaldioden.

In Figur 11 wird eine Anordnung gezeigt, in der 24

piezoelektrische Schichten 6, ähnlich zu denen in Figur 1, in einem Gerüst 14 befestigt sind. Das Gerüst 14 besteht aus drei ineinandergreifende Kreise, die jeweils senkrecht zueinander stehen. Es besteht vorzugsweise aus einem

nichtleitenden Material, wie etwa Plastik, aber kann bei hohen Stabilitätsanforderungen auch aus einem Metall sein. Jeweils acht piezoelektrische Schichten 6 sind innerhalb eines der drei senkrecht zueinander stehenden Kreise

befestigt, so dass das Gerüst 14 in der Summe 24

piezoelektrische Schicht 6 aufnimmt.

Figur 12 zeigt eine Anordnung, in der 24 piezoelektrische Einheiten 3 in dem Gerüst 14 befestigt sind. Im Vergleich zu Figur 11 sind an jede der piezoelektrischen Schichten 6 ein Begrenzer 9 sowie die interne Elektronik 7 angebracht. Die Begrenzer 9 sind dazu ausgelegt, den Ausschlag der

piezoelektrischen Schichten 6 zu begrenzen. Die Begrenzer 9 in Figur 5 spannen sich über die Hälfte der piezoelektrischen Schicht 6 mit einem Abstand von ca. 1 mm, können aber die ganze oder auch nur ein Viertel der piezoelektrische Schicht 6 mit einem gewissen Abstand überdecken. Der Begrenzer 9 mindert die mechanische Belastung für die piezoelektrischen Schichten 6 bei starken Krafteinflüssen aber auch im

Dauerbetrieb. Indem der Begrenzer 9 eine sehr starke

Auslenkung und damit eine starke Verformung verhindert, lassen sich ungewollte Spannungsspitzen aus den

piezoelektrischen Schichten 6 vermeiden.

In Figur 13 wird ein Schocksensor 13, in dem ein Energy

Harvesting System 1 nach der vorliegenden Erfindung

integriert ist, gezeigt. Zusätzlich zu der Anordnung, die in Figur 12 gezeigt wird, ist hier eine Steuereinheit 2

eingebaut, an die die internen Elektroniken 7 angeschlossen sind. Das Gerüst 14 mit dem integrierten Energy Harvesting System 1 kann mit Deckelteilen 15 geschlossen werden und kann zusätzlich mit einer Schutzschicht, etwa aus Leder, Gummi oder Plastik umhüllt werden. Ein solcher Schocksensor 13 ist energetisch komplett autark, da alle elektrischen Bauteile im System nur mit der aus den piezoelektrischen Schichten 6 gewonnenen Energie betrieben werden. Daher kann auf eine externe Energieversorgung komplett verzichtet werden, womit der Schocksensor 13 vollkommen unabhängig und mobil ist.

Das Gerüst 14 vom Schocksensor 13 kann, wie in Figur 14 dargestellt, verstärkt sein. Der Schocksensor 13 ist somit für noch größere Kräfte und Beschleunigung geeignet, womit er auch eine größere Menge an Energie erzeugen kann. Die

Verstärkung des Gerüsts 14 wird in erster Linie durch

Querstreben 19, die an den Winkeln der ineinandergreifenden Kreise angeordnet sind und diese verbinden, realisiert. Die Querstreben 19 selbst sind auch rund und weisen

Durchbohrungen auf, über die Deckelteile 15 verschraubt werden können.

In Figur 15 wird eine Halterung 20 für die zentrale Steuereinheit 2 gezeigt, die dafür geeignet ist im

beschriebenen kreisförmigen Schocksensor 13 verbaut zu werden. Die drei äußeren Stangen sind so geformt, dass sie in einem Achtel des kugelförmigen Schocksensors passen und mit jedem der drei ineinandergreifenden Kreise verschraubt werden kann. Somit trägt die Halterung 20 auch gravierend zur

Stabilität des Schocksensors 13 bei. Auf der mittigen

Verbundfläche, die zwei Durchbohren aufweist, kann die zentrale Steuereinheit 2 befestigt werden.

Figur 16 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Deckelteils 15. Diese Ausführungsform hat nicht die Form eines Achtels einer Kugelfläche, sondern einer halben Kugelfläche. Das kugelförmige Gerüst 14 des Schocksensors 13 kann daher bereits mit zwei Deckelteilen 15 umhüllt werden und benötigt nicht acht Deckelteile 15, wie in der ersten Ausführungsform. Dadurch wird der Schocksensor 13 robuster. Das Deckelteil 15 weist Durchbohrungen mit Senken auf, über die es mittels der Durchbohrungen in den Querstreben 19 des Gerüsts 14 mit dem Gerüst 14 verschraubt wird. Auf dem Teil des Deckelteils, der ich über der Halterung 20 der zentralen Steuereinheit 2 von Figur 15 befindet, weist das Deckelteil 15 eine Vielzahl von Durchbohrungen auf. Dadurch wird erreicht, dass das Signal, des in der Steuereinheit 2 enthaltenen RF-Moduls 5, eine geringere Dämpfung erfährt.

Figur 7 zeigt in einer schematischen Skizze die

Funktionsweise eines Schocksensors 13. Auf der linken Seite, vor einer Kollision, hat der Sensor noch keine Energie und kann daher auch keine Informationen versenden. Auf der rechten Seite, nach einer Kollision, hat der Schocksensor 13 durch die Vibrationen und starken Beschleunigungen beim

Aufprall genügend Energie gewonnen, um einen Empfänger 16, hier ein Smartphone, die detektierte Information über den geschehenen Aufprall zu senden, ohne von einer externen

Energieversorgung oder einer Batterie abhängig zu sein. Der Schocksensor 13 lässt sich mit anderen Sensoren erweitern und kann daher in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern

eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Energy Harvesting System

2 Steuereinheit

3 piezoelektrische Einheit

4 Steuermodul

5 RF-Modul

6 piezoelektrische Schicht

7 integrierte Elektronik

8 Substrat

9 Begrenzer

10 Gleichrichter

11 Gleichspannungswandler

12 Glättungskondensator

13 Schocksensor

14 Gerüst

15 Deckelteil

16 Empfänger

17 Schutzschaltung

18 Leiterplatte

19 Querstreben

20 Halterung

R1/R2 Widerstand

C1/C2 Kondensator

Ml Transistor

Ql Leistungs-MOSFET

D1-D6 diskrete Einzeldioden