MEMS und Energy Harvesting

Im Prozess der technischen Informationsverarbeitung nehmen elektromechanische Systeme, bestehend aus miteinander verkoppelten elektrischen und mechanischen, akustischen und fluidischen Funktionselementen (Mikro-Elektronisch-Mechanische-Systeme, kurz MEMS), eine Vorrangstellung ein. Durch sie erfolgt sowohl die Gestaltung der Schnittstelle zwischen dem Menschen und der Informationsverarbeitungseinrichtung als auch die Gestaltung der Schnittstellen mit dem materiellen Prozess bei der messtechnischen Erfassung und aktorischen Beeinflussung der Prozessgrößen.

Die Arbeiten in diesem Forschungsbereich liegen in der systemtheoretischen Erarbeitung und auch Vermittlung einer physikalisch anschaulichen Entwurfsmethode für komplexe elektromechanische Systeme, wobei ein Brückenschlag zwischen der Elektrotechnik, der Mechatronik und dem Maschinenbau gebildet wird. Die Entwurfsmethode beruht auf der Netzwerktheorie, mit deren Hilfe das elektromechanische Gesamtsystem in Form einer gemeinsamen schaltungstechnischen Darstellung der unterschiedlichen Teilsysteme einschließlich deren Wechselwirkungen beschrieben wird. Den konzentrierten bzw. verteilten Bauelementen des Netzwerks werden anschaulich physikalische Funktionen zugeordnet.

Autark versorgte Sensor- und Aktorsysteme werden in Zukunft in der Industrie 4.0 eine herausragende Rolle spielen. Zudem werden für industrielle Anwendungen immer kleinere, schnellere und energieeffizientere Sensoren bzw. Sensorsysteme zur Erfassung von Daten benötigt. Energy Harvesting kann hierzu einen Beitrag leisten. Unter Energy Harvesting versteht man die Umwandlung nicht direkt nutzbarer Energie in eine verwendbare Energieform, zumeist elektrische Energie.

Es existiert eine Vielzahl an Anwendungen für autark und drahtlos arbeitende Sensorsysteme:

  • Energietechnik (z. B. Temperaturmessung an Sammelschienen)
  • Prozesstechnik (z. B. selbstversorgende Temperatur-, Füllstands- und Endinitiatoren/-sensoren)
  • Bauindustrie (z. B. Korrosionsüberwachung an Brücken)
  • Automatisierungstechnik (z. B. Sensoren in rotierenden Maschinen)
  • Medizintechnik (z. B. In-Situ-Dosierung von Medikamenten)
  • Automobilindustrie (z. B. Druckmesssysteme in Felgen)

Ansprechpartner

WBH_Ballas

Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Ballas (zum Profil)

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Forschungsschwerpunkte

  • piezoelektrische Materialien
  • piezoelektrische Sensorik & Aktorik
  • Elektromechanische Systeme, Regelungstechnik & Systemtheorie
  • MEMS
  • Theoretische Physik (Klassische Mechanik, Analytische Mechanik, Elektrodynamik)
  • Mathematische Physik
WBH_Schoen

Prof. Dr.-Ing. Dierk Schoen (zum Profil)

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Forschungsschwerpunkte

  • Energy Harvesting
  • Ultra-Kurzzeit-Elektronik
  • Neue Fernlehr- und Lehrformate

Publikationen (Auswahl)

2020

  • Ballas, R. G.; Schoen, D.: “The Piezoelectric Effect – a Descriptive Representation of an Essential Solid Body Effect Enabling Various Sensor and Actuator Applications in Mechatronics and Microtechnology“, 21st International Conference on Research and Education in Mechatronics, 9-11 Dec. 2020, Cracow University of Technology (CUT) DOI:10.1109/REM49740.2020.9313872
  • Ballas, R. G.: The Piezoelectric Effect – an Indispensable Solid State Effect for Con-temporary Actuator and Sensor Technologies Journal of Physics: Conference Se-ries, Volume 1775, The International Congress on Optics, Electronics, and Optoelec-tronics (ICOEO) 2020, 4-6 November 2020, Chengdu, China DOI: 10.1088/1742-6596/1775/1/012012
  • Ballas, R. G.: On the dynamics of piezoceramic multilayered bending actuators, Video Proceedings of Advanced Materials, 6 August 2020, Stockholm, Sweden. https://www.proceedings.iaamonline.org/article/vpoam-2020-0815
  • Ballas, R. G.; Isenmann, R.; Landwehr-Zloch, S.: Nachhaltigkeit in technischen Fächern und Studiengängen, Symposium, European School of Sustainability Science and Research (ESSSR), Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, März 2020.
  • Ballas, R. G.: The piezoelectric effect – description of an indispensable solid-state effect for smart actuator and sensor technologies using the example of low-temperature modification of quartz, Vebleo Fellow Lecture the Webinar on Materials Science, En-gineering and Technology, Stockholm, Sweden, October 2020.

2019

  • Gehrke, V.; Schoen, D.: “Erreichbarkeit 65 % Erneuerbare Energie im Jahr 2030”, Vortrag am 10. Dezember 2019 im Rahmen des „Kolloquiums der Energie- und Verfahrenstechnik“, Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung – IKW, Leibniz Universität Hannover
  • Gehrke, V.; Schoen, D.: “Entwicklung zur nachhaltigen Stromerzeugung”, Postersession am 8. November 2019, 2. Wissenschaftsforum 2019: „Nachhaltigkeit an Fernhochschulen – Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) in der akademischen Fernlehre“, Pfundstadt, Wilhelm Büchner Hochschule

2018

  • Lübbers, E.; Schoen, D.: “Implementation of a Robot Contest for Distance Education”, ASTES Journal ISSN: 2415-6698, Special Issue on Multidisciplinary Sciences and Engineering appeared in: Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, Volume 3, Issue 5, Page No. 161-165, 2018; DOI: 10.25046/aj030520

2017

  • F, R. G. u. Schoen, D.: A Non-Contact Inductive Sensor for High-Accuracy Tip Deflection Measurements of Piezoceramic Bending Actuators. 18th International Conference on Research and Education in Mechatronics. Wolfenbüttel. 2017
  • Schoen, D., Kroll, R., Lübbers, E. u. Ballas, R. G.: Master Seminar Research Format for Open and Distance Education Universities. 18th International Conference on Research and Education in Mechatronics. Wolfenbüttel, 2017

2015

  • Ballas, R. G.; Schoen, D.: Modeling of Piezoelectric n-Multilayer Beam Bending Actuators for Energy Harvesting Purposes, 16th International Conference on Research and Education in Mechatronics, Bochum, November 2015

2011

  • Lenk, A.; Ballas, R. G., Werthschützky, R.; Pfeifer, G.: Electromechanical Systems in Microtechnology and Mechatronics: Electrical, Mechanical and Acoustic Networks, their Interactions and Applications, Series: Microtechnology and MEMS, Springer, Berlin, Heidelberg, 2011, https://www.springer.com/de/book/9783642108051

2009

  • Ballas, R. G., Werthschützky, R.; Pfeifer, G.: Elektromechanische Systeme der Mikrotechnik und Mechatronik: Dynamischer Entwurf – Grundlagen und Anwendungen, Springer, Berlin, Heidelberg, 2009, https://www.springer.com/de/book/9783540893172

2007

  • Ballas, R. G.: Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators – Static and Dynamic Behavior and Aspects of Sensor Integration, Series: Microtechnology and MEMS, Springer, Berlin, Heidelberg, 2007, https://www.springer.com/de/book/9783540326410

2006

  • Ballas, R. G.; Schlaak, H. F.; Schmid, A. J.: The constituent equations of piezoelectric multilayer bending actuators in closed analytical form and experimental results, Sensors and Actuators A: Physical, 2006, https://doi.org/10.1016/j.sna.2005.11.034