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L2 - Opto-elektronische Integration eines HF-Kommunikationssystems für gentelligente Bauteile

Opto-elektronische Integration eines Hochfrequenz-Kommunikationssystems

Eine Vision von Industrie 4.0 besteht darin, dass sich der Fertigungsablauf eines Bauteils flexibel an geänderte Rahmenbedingungen in der Produktion anpasst und die Fertigungsbedingungen kontinuierlich verbessert werden.
Dies setzt voraus, dass die Bauteile eindeutig identifizierbar und ortbar sind. Weiterhin ist es von Vorteil, Fertigungsdaten sowie Bauteilbelastungen direkt auf dem Bauteil zu speichern und diese Daten drahtlos an eine äußere Infrastruktur zu übermitteln. Am Institut für Hochfrequenztechnik und Funksysteme (HFT) werden gemeinsam mit dem Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) Konzepte für bauteilintegrierte
Kommunikationssysteme erforscht (Bild 1).
 

Bild 1: Funktionsweise des Kommunikationssystems

Vordergründiges Ziel ist es, ein metallisches Bauteil zu befähigen, bauteilrelevante Daten und Informationen während des gesamten Lebenszyklus zu speichern, zu verarbeiten und mit seiner Umgebung auszutauschen. Die Datenübertragung zwischen Bauteil und Lese-/Schreibgerät erfolgt drahtlos durch elektromagnetische Wellen. Als Betriebsfrequenz wird das weltweit zugelassene ISM-Band bei 24 GHz genutzt. Die Energieversorgung erfolgt allein über Solarzellen. Gegenüber konventionellen funkbasierten Systemen hat dies den Vorteil, dass das Kommunikationsmodul batterielos arbeitet. Bei ausreichendem Umgebungslicht kann das System ohne externe Lichtquelle betrieben werden. Um eine kontinuierliche Prozessüberwachung von Belastungsgrößen wie Temperatur oder Dehnung zu ermöglichen, kann dieses Modul durch Sensorik zu einem autarken Sensorknoten ergänzt werden. Die Aufgabe der Datenverarbeitung, –speicherung sowie Kommunikation mit der Umgebung übernimmt ein Ultra-Low-Power Mikrocontroller.

Bisher konnte eine bidirektionale Datenübertragung mit einer Datenrate von 80 kbit/s bei einer Übertragungsreichweite von bis zu 0,5 Metern erzielt werden.

Um das Anwendungsspektrum zu erweitern, wird in der aktuellen Förderperiode ein neues Aufbaukonzept untersucht (Bild 2). Antenne und HFSchaltung werden auf einen 200 μm dünnen Glasträger strukturiert und direkt mit der darunterliegenden Solarzelle fusioniert. Die Antenne und die HF-Schaltung sollten idealerweise eine hohe optische Transparenz aufweisen, um den Schattenwurf auf die Solarzelle zu minimieren. Weiterhin sind die einzelnen Schichten elektrisch zu kontaktieren. Diese Verbindungstechnik kann direkt in das Gehäuse integriert werden, da dieses als dreidimensionaler Schaltungsträger (3D-MID) ausgeführt wird und gleichzeitig als Träger der Digitalschaltung fungiert.

Bild 2: Optisch versorgtes Kommunikationsmodul mit elektro-optischer Fusion; oben: Explosionsansicht; unten: 3D-Ansicht

Eine Gegenüberstellung der beiden Konzepte macht deutlich, dass das Einbauvolumen mit dem neuen Aufbau deutlich reduziert werden kann (Bild 3). Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass sich die Kommunikationsreichweite und die Datenrate noch weiter vergrößern lassen.

Bild 3: Intelligente Schrauben als Demonstratoren; links: neues Aufbaukonzept; rechts: alter Aufbau