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

The device has a flexible electrical printed circuit board (1) comprising multiple layers, which are made of material that serves for generating electrical energy from ambient energy. Electronic switches (4, 5, 6) are accommodated in the circuit board and supplied with electrical energy generated in the layers that are made of piezoelectric material i.e. piezoelectric ceramic fibers, or photoelectric material such as amorphous silicon, or thermoelectric material such as different doped semiconductor materials. An independent claim is also included for an autonomous wireless sensor comprising an electrical energy collection device.

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 US 2008/0001577 ist ein Ladesystem für eine Dünnschichtbatterie bekannt, bei dem die für den Ladevorgang erforderliche elektrische Energie durch eine Photozelle, ein Piezoelement oder einen thermoelektrischen Generator erzeugt wird. Die Dünnschichtbatterie kann auf einem dünnen, flexiblen Substrat untergebracht werden und direkt mit der Photozelle oder dem piezoelektrischen Material integriert werden. Dieses System kann beispielsweise verwendet werden, um einen Reifendrucksensor und einen Transmitter, der die durch den Sensor ermittelte Information an einen Empfänger überträgt, mit Energie zu versorgen.From the publication US 2008/0001577 For example, a charging system for a thin-film battery is known in which the electrical energy required for the charging process is generated by a photocell, a piezoelectric element or a thermoelectric generator. The thin film battery can be placed on a thin, flexible substrate and integrated directly with the photocell or piezoelectric material. This system can be used, for example, to power a tire pressure sensor and a transmitter that transmits the information sensed by the sensor to a receiver.

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:

1A eine schematische perspektivische Ansicht der Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 1A shows a schematic perspective view of the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention,

1B einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 1B shows a schematic cross section through an energy collecting device according to an embodiment of the present invention,

2A und 2B verschiedene Anordnungen der elektronischen Schaltung auf der flexiblen Leiterplatte illustrieren, 2A and 2 B illustrate various arrangements of the electronic circuit on the flexible circuit board,

3A bis 3C schematische Querschnitte durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, und 3A to 3C show schematic cross sections through an energy harvesting device according to various embodiments of the present invention, and

4 eine schematische perspektivische Ansicht eines autonomen Drahtlossensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 a schematic perspective view of an autonomous wireless sensor according to an embodiment of the present invention shows.

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Energiesammelvorrichtung umfasst eine vorzugsweise flexible Leiterplatte 1, die mehrere Schichten aufweisen kann. Die oberste Schicht der Leiterplatte kann durch eine Fotozelle 2 gebildet werden. Mit Hilfe dieser Schicht kann durch eine Beleuchtung der Energiesammelvorrichtung elektrische Energie gewonnen werden. Die Fotozelle kann beispielsweise aus amorphem Silizium bestehen oder auf die Leiterplatte als organische Solarzelle gedruckt sein, flexibel sein, und/oder auf die Leiterplatte aufgedruckt werden. 1 shows a schematic perspective view of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. The energy collecting device comprises a preferably flexible printed circuit board 1 that can have multiple layers. The top layer of the circuit board can through a photocell 2 be formed. With the help of this layer can be obtained by lighting the energy collection device electrical energy. The photocell may for example consist of amorphous silicon or be printed on the circuit board as an organic solar cell, be flexible, and / or printed on the circuit board.

Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material 3 vorgesehen sein. Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich vorzugsweise um piezoelektrische Keramikfasern, insbesondere um Fasern vom Typ piezoelectric fiber composite (PFC), piezoelectric fiber composite bimorph (PFCB) oder piezoelectric multilayer composite (PMC). Mit Hilfe dieser piezoelektrischen Schicht kann elektrische Energie aus mechanischer Energie, insbesondere aus einer Deformation der Leiterplatte gewonnen werden.Alternatively or additionally, a layer of a piezoelectric material may also be used 3 be provided. The piezoelectric material is preferably piezoelectric ceramic fibers, in particular piezoelectric fiber composite (PFC), piezoelectric fiber composite bimorph (PFCB) or piezoelectric multilayer composite (PMC) fibers. With the help of this piezoelectric layer, electrical energy can be obtained from mechanical energy, in particular from a deformation of the printed circuit board.

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 4, 5, 6, die direkt auf der Leiterplatte untergebracht ist und mit der erzeugten elektrischen Energie versorgt wird. Die elektronische Schaltung kann insbesondere zur Aufbereitung der in einer der Schichten der Leiterplatte erzeugten elektrischen Energie, wie z. B. der Gleichrichtung oder Spannungswandlung, dienen. Die elektronische Schaltung kann aber auch dazu dienen, die in mehreren Schichten nach möglicherweise unterschiedlichen Prinzipien erzeugten elektrischen Energie zu sammeln und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Die elektronische Schaltung kann aber auch, wie weiter unten beschrieben wird, einen derartiger Verbraucher mit umfassen, wie z. B. einen Sensor, eine Datenverarbeitungseinheit, und/oder eine Datenübertragungseinheit.The energy collection device according to the invention further comprises an electronic circuit 4 . 5 . 6 , which is housed directly on the circuit board and is supplied with the generated electrical energy. The electronic circuit can in particular for the preparation of the electrical energy generated in one of the layers of the circuit board, such. As the rectification or voltage conversion serve. The electronic circuit can also be used in several layers to collect and supply electrical energy generated by possibly different principles. The electronic circuit can also, as described below, include such a consumer with, such as. B. a sensor, a data processing unit, and / or a data transmission unit.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Energiesammelvorrichtung eine Kombination von zwei verschiedenen Energiewandlern, wie z. B. einen fotoelektrischen Wandler 2 und einen piezoelektrischen Wandler 3, oder einen piezoelektrischen Wandler und einen thermoelektrischen Wandler, oder einen thermoelektrischen Wandler und einen fotoelektrischen Wandler. Auf diese Weise kann einerseits die Energieausbeute erhöht werden, da mehrere Wandlerprinzipien gleichzeitig zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden können. Andererseits wird auch die Ausfallsicherheit der Energieversorgung verbessert, beispielsweise falls bei einer vorübergehenden Abschattung zwar der fotoelektrische Wandler keine Energie mehr liefern wird, aber dafür wenigstens der thermoelektrische oder piezoelektrische Wandler.In a particularly preferred embodiment, the energy harvesting device comprises a combination of two different energy converters, such. B. a photoelectric converter 2 and a piezoelectric transducer 3 , or a piezoelectric transducer and a thermoelectric transducer, or a thermoelectric transducer and a photoelectric transducer. In this way, on the one hand, the energy yield can be increased, since several converter principles can be used simultaneously to generate electrical energy. On the other hand, the reliability of the power supply is improved, for example, if in a temporary shading Although the photoelectric converter will deliver no more energy, but at least the thermoelectric or piezoelectric transducer.

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 2A und 2B ist das Biegeverhalten der flexiblen Leiterplatte aus den 1A und 1B illustriert. Je nach Art der zu erwartenden Biegebeanspruchung kann der Ort, an dem die elektronische Schaltung auf der Leiterplatte platziert wird, variiert werden.In the 2A and 2 B is the bending behavior of the flexible circuit board from the 1A and 1B illustrated. Depending on the type of bending stress to be expected, the location where the electronic circuit is placed on the circuit board can be varied.

Die 3A und 3B zeigen einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform der 3A und 3B ist ähnlich der Ausführungsform aus 1A und 1B, wobei gleiche Bezugszeichen einander entsprechender Elemente bezeichnen. Auf eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung dieser Elemente wird hier verzichtet.The 3A and 3B show a schematic cross section through an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention. The embodiment of the 3A and 3B is similar to the embodiment 1A and 1B , wherein like reference numerals designate corresponding elements. A repetition of the detailed description of these elements is omitted here.

Der in 3 gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem der 1B durch eine zusätzlich vorgesehene Speichervorrichtung 7 für elektrische Energie. Diese Speichervorrichtung ist vorzugsweise als separate Schicht der geschichteten Leiterplatte ausgeführt. Bei der Speichervorrichtung kann es sich insbesondere um einen Akkumulator (Elektrolytkondensator, Doppelschichtkondensator, etc.) oder um eine wiederaufladbare Batterie (Nickelkadmium, Nickelmetallhydrid, Lithium-Ionen etc.) handeln. Besonders bevorzugt ist eine Dünnschichtbatterie, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift US 2008/0001577 bekannt ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei auch um eine sogenannte gedruckte Batterie.The in 3 Structure shown differs from that of 1B by an additionally provided storage device 7 for electrical energy. This memory device is preferably designed as a separate layer of the layered printed circuit board. The storage device may in particular be an accumulator (electrolytic capacitor, double-layer capacitor, etc.) or a rechargeable battery (nickel cadmium, nickel metal hydride, lithium ions, etc.). Particularly preferred is a thin-film battery, as for example from the publication US 2008/0001577 is known. Preferably, this is also a so-called printed battery.

Die in der 3B gezeigte Konfiguration ist ähnlich wie die Konfiguration aus 3A, wobei jedoch die Energiespeichervorrichtung 7 nicht in Form einer Schicht einer Leiterplatte vorliegt, sondern vielmehr in eine dieser Schichten als diskretes Bauelement integriert ist. In ähnlicher Weise können auch die Komponenten der elektronischen Schaltung 5, 6 innerhalb einer Schicht der Leiterplatte integriert sein (vgl. 3C).The in the 3B The configuration shown is similar to the configuration 3A However, wherein the energy storage device 7 is not present in the form of a layer of a printed circuit board, but rather is integrated into one of these layers as a discrete component. Similarly, the components of the electronic circuit 5 . 6 be integrated within a layer of the circuit board (see. 3C ).

4 zeigt schematisch den Aufbau eines autonomen Drahtlossensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Drahtlossensor umfasst eine Energiesammelvorrichtung 1 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Zusätzlich zu der elektronischen Schaltung 28 der Energiesammelvorrichtung, die der Spannungswandlung und Energiespeicherung dient, ist auf der Leiterplatte der eigentliche drahtlose Sensor 27 bestehend aus Sensor 21 und die zugehörige Elektronik für die Signalaufbereitung (23) und die drahtlose Übertragung (22, 24, 25) untergebracht. 4 schematically shows the construction of an autonomous wireless sensor according to an embodiment of the present invention. The wireless sensor includes an energy harvesting device 1 according to one of the embodiments described above. In addition to the electronic circuit 28 the energy harvesting device, which serves for voltage conversion and energy storage, is the actual wireless sensor on the circuit board 27 consisting of sensor 21 and the associated electronics for signal processing ( 23 ) and wireless transmission ( 22 . 24 . 25 ) housed.

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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2008/0001577 [0002, 0030] US 2008/0001577 [0002, 0030]

Claims (13)

Elektrische Energiesammelvorrichtung mit einer flexiblen elektrische Leiterplatte aus mehreren Schichten, wobei wenigstens eine Schicht aus einem Material besteht, das zur Erzeugung elektrischer Energie aus Umgebungsenergie geeignet ist, und einer auf oder in der Leiterplatte untergebrachten elektronischen Schaltung, die mit der in der wenigstens einen Schicht erzeugten elektrischen Energie versorgt wird.Electric energy harvesting device with a flexible electrical circuit board of several layers, wherein at least one layer consists of a material which is suitable for generating electrical energy from ambient energy, and an electronic circuit accommodated on or in the printed circuit board which is supplied with the electrical energy generated in the at least one layer. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Schicht der elektrischen Leiterplatte aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere aus piezoelektrischen Keramikfasern, besteht.Electrical energy harvesting device according to claim 1, wherein at least one layer of the electrical circuit board made of a piezoelectric material, in particular of piezoelectric ceramic fibers consists. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine Schicht der elektrischen Leiterplatte aus einem photoelektrischen Material, insbesondere aus amorphem Silizium oder einer gedruckten organischen Solarzelle, besteht.Electrical energy harvesting device according to claim 1 or 2, wherein at least one layer of the electrical circuit board of a photoelectric material, in particular of amorphous silicon or a printed organic solar cell consists. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eine Schicht der elektrischen Leiterplatte aus einem thermoelektrischen Material, insbesondere aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern, besteht.Electrical energy harvesting device according to one of claims 1 to 3, wherein at least one layer of the electrical circuit board of a thermoelectric material, in particular of two differently doped semiconductors consists. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die flexible elektrische Leiterplatte eine erste Schicht aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere aus piezoelektrischen Keramikfasern, und eine zweite Schicht aus einem photoelektrischen Material, insbesondere aus amorphem Silizium oder einer gedruckten organischen Solarzelle, besteht.Electrical energy harvesting device according to one of the preceding claims, wherein the flexible electrical circuit board is a first layer of a piezoelectric material, in particular piezoelectric ceramic fibers, and a second layer of a photoelectric material, in particular of amorphous silicon or a printed organic solar cell. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, die in der wenigstens einen Schicht erzeugte elektrische Energie zu sammeln und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen.Electrical energy harvesting device according to one of the preceding claims, wherein the electronic circuit is adapted to collect the electrical energy generated in the at least one layer and to provide a consumer. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Schicht an einem Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe zu betreiben.An electrical energy harvesting apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the electronic circuit is arranged to operate the at least one layer at a maximum power output operating point. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Speichereinrichtung zur Speicherung der in der wenigstens einen Schicht erzeugten elektrischen Energie.An electrical energy harvesting apparatus according to any one of the preceding claims, further comprising storage means for storing the electrical energy generated in the at least one layer. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die elektronische Schaltung einen Gleichspannungswandler umfasst, 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.The electrical energy harvesting apparatus of claim 8, wherein the electronic circuit comprises a DC-DC converter that converts a voltage output from 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. Elektrische Energiesammelvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die elektronische Schaltung einen Laderegler zur Regelung des Ladevorgangs der Speichereinrichtung umfasst.Electrical energy harvesting apparatus according to claim 8 or 9, wherein the electronic circuit comprises a charge controller for controlling the charging of the memory device. Autonomer Drahtlossensor mit einer elektrischen Energiesammelvorrichtung nach einem vorangehenden Ansprüche, einem Sensor zur Erfassung von Daten und einer Drahtlosvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten, wobei der Sensor und die Drahtlosvorrichtung durch die elektrische Energiesammelvorrichtung mit Energie versorgt werden.Autonomous wireless sensor with an electrical energy harvesting device according to any preceding claim, a sensor for the acquisition of data and a wireless device for wireless transmission of the data collected by the sensor, wherein the sensor and the wireless device are powered by the electrical energy harvesting device. Autonomer Drahtlossensor nach Anspruch 11, wobei der Sensor ein Temperatur-, Druck- oder Lichtsensor ist.An autonomous wireless sensor according to claim 11, wherein the sensor is a temperature, pressure or light sensor. Autonomer Drahtlossensor nach Anspruch 11, wobei der Sensor dazu eingerichtet ist, Vitalparameter, insbesondere Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, zu messen.Autonomous wireless sensor according to claim 11, wherein the sensor is adapted to measure vital parameters, in particular heart rate, respiratory rate, oxygen saturation in the blood of a living being, in particular of a human.
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