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Drahtlose Signal- und Energieübertragung mit Hilfe von Hochfrequenztechnik in CMOS-Sensorsystemen

Kolnsberg, Stephan

Kern dieser Arbeit ist die Untersuchung von drahtlosen Übertragungsverfahren, die mit Hilfe der Hochfrequenztechnik, bzw. oftmals wird der englische Ausdruck Radio Frequenzy (RF) verwendet, eine Kommunikation zwischen einem Sensorsystem mit einer Basisstation aufbauen. So ein Gesamtsystem wird auch als RFIDS-System (Radio Frequency IDentifikation Sensor) bezeichnet. Beim Betrieb werden zuerst die Meßwerte der Sensoren ausgelesen, anschließend findet eine Verarbeitung der Meßergebnisse zu übertragungsfähigen Daten statt und zum Schluß werden die Daten zur Basiseinheit zurückgesendet, wobei in den Daten dann eine Identifikationsnummer des Sensorsystems zur Zuordnung enthalten ist. In der Arbeit wurden mikroelektronische Schaltung zur drahtlosen Signal- und Energieübertragung in Senorsystemen entwickelt. Dabei wurde der Schwerpunkt auf sogenannte passive Systeme gelegt, sie beziehen ihre Energieversorgung aus einer hochfrequenten Trägerschwingung und benötigen keine zusätzliche Energiequelle, wie zum Beispiel eine Batterie. Die Betrachtungen beziehen sowohl die aus der Nachrichtentechnik bekannten Übertragungsverfahren ein, wie auch die Entwicklung von Schaltungen mit äußerst geringem Energieverbrauch. Aus einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten wurde ein Bereich herausgesucht, der in der Zukunft eine immer größere Bedeutung erlangen wird, die Medizintechnik. Durch die immer kleiner werdenden Baugrößen sind RFIDS-Systeme zur Implantation beim Menschen oder Tier möglich geworden. Dabei wird zum einen der Ansatz verfolgt einfache Meßsysteme direkt in den Körper zu verlegen, so daß die Infektionsherde wie herausgeführte Zuleitungen entfallen, und zum anderen werden körpereigene Funktionen technisch ersetzt. Dieser Ansatz ist nicht ganz unumstritten und viele Mediziner meinen die Gentechnik sei der bessere Ansatz. Doch erfolgreich arbeitende Implantate, wie das Cochlea-Implantat, zeigen die technischen Möglichkeiten auf. Innerhalb dieser Arbeit werden zwei Anwendungen aus den beiden Bereichen vorgestellt. Neben der unterschiedlichen Funktion der beiden Systeme ist die Datenübertragungsrichtung jeweils eine andere. Bei dem zuerst vorgestellten Retina-Implantat System soll die Netzhaut im Auge stimuliert werden, dazu müssen die Stimulationsdaten down-stream zum Transceiver ins Auge gesendet werden. Das intraokulare Drucksensorsystem soll die Temperatur und den Druck im Auge messen und anschließend die Meßdaten up-stream zur Basiseinheit aus dem Auge heraussenden. Beide Implantate werden passiv betrieben, so daß eine theoretische lebenslange Verweildauer im Körper gewährleistet werden kann. Neben der Energie wird zum Betrieb der digitalen Schaltungselemente auch der Systemtakt mit Hilfe der hochfrequenten Trägerschwingung übertragen und im Implantat extrahiert.

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Kolnsberg, Stephan: Drahtlose Signal- und Energieübertragung mit Hilfe von Hochfrequenztechnik in CMOS-Sensorsystemen.

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