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21 2025 Elektronik 7 GMM-News spektive von der gängigen »Big-Data«- Sensorik zu einer »Right-Data«-Sensorik die sich auf wenige aber dafür entscheidende Informationen beschränkt Auf Siliconon-Insulator-Basis Als technologische Basis dient eine angepasste Siliconon-Insulator-Technologie die analog zur CMOS-Technologie in der Elektronik als gemeinsame Grundlage für mechanische integrierte Schaltungen fungiert Auf Basis dieser Plattform wurde ein Baukasten an mechanischen Bauelementen entwickelt wie etwa mechanische Transformatoren bzw Signalverstärker Speicher Komparatoren und ein mechanischer Analog-Digital-Umsetzer Der mechanische Verstärker bzw Transformator basiert auf kaskadierten Hebelstufen und ermöglicht Wegverstärkungen bis zum Faktor 200 Er dient zugleich als mechanischer Impedanzwandler und erlaubt die Anpassung von Steifigkeiten innerhalb der Schaltung Für die Speicherung von Maximalwerten wurde ein kaskadierter Rastzahnspeicher entwickelt der eine Auflösung von 6 Bit erreicht Das Zurücksetzen erfolgt über einen elektrostatischen Aktor Eine Schlüsselinnovation ist der mechanische Analog-Digital-Umsetzer kurz mechADC Bild 3 Er bildet die Schnittstelle zwischen mechanischer und elektrischer Domäne Dabei wird die kontinuierliche Verschiebung eines Läufers direkt in einen 6-Bit binären Parallelcode übersetzt Darüber hinaus erlaubt der mechADC die Implementierung beliebiger Übertragungsfunktionen direkt während der Digitalisierung Damit können nichtlineare Sensoreigenschaften kompensiert und linearisierte Ausgangssignale generiert werden was zugleich einen Ansatz für ein sehr vereinfachtes mechanisches In-Memory-Computing darstellt Die Bauelemente wurden auf Schaltungsebene in Form von Vierpolmodellen abstrahiert und in Netzwerken verschaltet Damit ist es gelungen einen durchgängigen Entwurfsprozess zu etablieren der sich von der geometrischen Dimensionierung über die Beschreibung in Kraftund Verschiebungsgrößen analog zu Spannung und Strom bis hin zur Funktionsanalyse auf Systemebene erstreckt und den Entwurf der mechanischen Schaltungen ermöglicht Als konkreter Demonstrator wurde ein passiver Beschleunigungssensor realisiert der kontinuierlich Stoßereignisse überwacht Bild 4 Er erfasst Beschleunigungen im Bereich von etwa 2 bis 9 g speichert die maximal erreichte Amplitude und gibt den Wert dann digitalisiert aus Auslesen lässt sich der Sensor mittels NFC beispielsweise über ein Smartphone Die Energie aus dem RFID-Feld reicht aus um den Sensor auszu lesen sowie den mechanischen Speicher über einen Spannungsimpuls zurück zusetzen Eine neue Klasse passiver Sensorschaltungen Die Arbeit eröffnet den Weg zu einer neuen Klasse passiver mechanisch integrierter Sensorschaltungen Diese benötigen keine elektrische Hilfsenergie arbeiten kontinuierlich und speichern nur ausgewählte Grenzwertereignisse Damit eignen sie sich insbesondere für Anwendungen in denen heutige elektronische Systeme zu teuer zu wartungsintensiv oder schlicht nicht praktikabel sind etwa bei Verpackungen Einweg-Gebinden oder schwer zugänglichen Maschinenkomponenten Durch die Kombination aus technologischem Baukasten analytischen Entwurfsmodellen und Demonstratoren liefert die Arbeit die Grundlage für mechanische ICs mechICs Die Weiterentwicklung mechanischer ICs wird derzeit im Rahmen des EXIST Forschungstransfers »mechIC« vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert Anfang 2025 wurde zudem das Startup mechIC aus der Ruhr-Universität Bochum heraus gegründet – mit dem Ziel energieautarke Dehnungssensoren in die indus trielle Anwendung zu bringen ih Bild 3 a REM-Aufnahme eines mikromechanischen A D Wandlers b Exemplarische Digitalisierung eines Verschiebungssignals über 6 Bit Gray-Code Bild 4 a Passiver mikromechanischer Beschleunigungssensor mit Maximalwertspeicher b Beispiel einer Beschleunigungsmessung Gezeigt wird der erreichte Speicherzustand am mech Speicher in Abhängigkeit der eingeprägten Beschleunigung