Temperatur messen Doktorand entwickelt präzise RFID-Sensorik ohne Batterien

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein Doktorand hat eine RFID-Sensorik völlig ohne Batterien entwickelt. Dazu war nicht nur ein komplett neues Power-Management, sondern auch ein Kommunikationskonzept notwendig.

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Der Demonstrator von Jun Tan: Er hat eine präzise mikroelektrische Low-Power-Sensorik entwickelt, die eine miniaturisierte und passive RFID-Technik verwendet.
Der Demonstrator von Jun Tan: Er hat eine präzise mikroelektrische Low-Power-Sensorik entwickelt, die eine miniaturisierte und passive RFID-Technik verwendet.
(Bild: IMMS)

Es gibt bereits hochgenaue Einzelsensoren, beispielsweise zum Messen von Temperaturen, die von -55 bis 125 °C messen können und dabei eine Genauigkeit von ±0,15 °C bieten. Doch sie lassen sich nicht ohne weiteres für drahtlose Messungen per RFID verwenden oder gar für passive, also batterielose RFID-Transponder. Bei passiver und damit wartungsfreier RFID-Sensorik erzeugt die Ausleseeinheit ein magnetisches Feld. Es reicht aus, um den RFID-Transponder mit Strom zu versorgen, Messdaten zu erfassen und zu senden.

Der Knackpunkt: Weder die Energieversorgung noch die drahtlose Kommunikation dürfen sich untereinander stören. Eine sehr energieeffiziente Schaltung ist gefragt, die mit dem geringen Strom aus dem RFID-Feld arbeiten kann. Hier setzt die Arbeit von Jun Tan an. Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH und hat über das Thema „Design Methodology and Implementation of Fully Passive RFID SoC with Temperature Sensor“ seine Dissertation verteidigt.

Neues Messkonzept und eine hohe Genauigkeit

„Mein Ziel war es, präzise mikroelektronische Low-Power-Sensorik mit miniaturisierter und passiver RFID-Technologie zu kombinieren. Wenn das gelingt, werden viele Anwendungen erst möglich, beispielsweise im Life Sciences.“ Jun Tans Konzepte sind in einen RFID-Chip gemündet, dessen integrierter Temperatursensor in einem Temperaturbereich von 0 bis 125 °C mit einer systematischen absoluten Genauigkeit (Standardabweichung 3σ) von ±0,4 °C messen kann.

An diesen Chip muss bis auf die RFID-Antenne keine weitere Komponente angeschlossen werden und er erreicht die höchste Genauigkeit mit dem größten Arbeitsbereich im Vergleich zu den derzeit bekannten RFID-Temperatursensoren.

Mehrere Messwerte seriell aufnehmen

„Dass der Chip so genau arbeitet, liegt vor allem an dem neuen Power-Management- und Kommunikationskonzept“, erzählt Jun Tan. „Der Sensor an sich kann genau sein. Davon habe ich aber nicht viel, wenn ich gleichzeitig Daten empfange und gleichzeitig messe, weil der Sensor immer genau dann gestört wird, wenn das Lesegerät Temperaturdaten abfragt.“

Tan hat daher eine Lösung entwickelt, bei der durch einen einzelnen Befehl mehrere Messwerte seriell aufgenommen und übertragen werden können. Sein Power-Management-System stellt dem Temperatursensor eine stabilisierte Versorgungsspannung bereit. Die Kombination der beiden Ansätze verbessert die Genauigkeit um den Faktor 16.

Jun Tan mit einem Demonstrator, der Teil seiner Dissertation zu präziser passiver RFID-Sensorik war, die er am 18. Februar 2021 erfolgreich verteidigt hat.
Jun Tan mit einem Demonstrator, der Teil seiner Dissertation zu präziser passiver RFID-Sensorik war, die er am 18. Februar 2021 erfolgreich verteidigt hat.
(Bild: IMMS)

„Jun Tan hat nicht nur für diesen Chip neuartige Konzepte erarbeitet, seine Arbeiten in den für die RFID-Community maßgeblichen Journals veröffentlicht und sogar auch auf einer IEEE-Konferenz in Japan den Best-Paper-Award gewonnen“, erklärt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer, Tans Doktorvater und wissenschaftlicher Geschäftsführer des IMMS sowie Fachgebietsleiter für Elektronische Schaltungen und Systeme an der TU Ilmenau. Seine Ansätze habe er über die Jahre in verschiedenen F&E-Projekten am IMMS erarbeitet, mit Anforderungen aus der Industrie gespiegelt, konsequent weiterentwickelt und in neue Konzepte fließen lassen, die für die Dienstleistungsangebote des IMMS in der RFID-Sensorik weiter verfolgt würden, berichtet Sommer weiter.

Passive RFID-Sensor-Transponder-Chips

Es gehe vor allem um passive RFID-Sensor-Transponder-Chips, mit denen sich verschiedene kommerzielle Einzelsensoren betreiben lassen. „Im Vergleich zu Jun Tans vollintegriertem RFID-Temperatursensor löst dort ein RFID-Chip dank neuer Konzepte die Energieversorgungs-, Signalqualitäts- und Kommunikationsprobleme mehrerer einzeln angeschlossener Sensoren, was vorher so nicht möglich war. Damit lassen sich neue Anwendungen in der Automatisierung schneller, einfacher und preiswerter entwickeln. Ohne die Arbeiten von Jun Tans wären wir hier noch nicht da, wo wir jetzt sind.“

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