Smarte Sensoren für das Internet der Dinge

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

MEMS-Multisensoren, kognitive Sensorsysteme und staubkorngroße Detektoren aus der Sprühdose: Neue intelligente Sensoren können weit mehr als nur messen. Sie übernehmen zunehmend die Signalverarbeitung und kommunizieren in drahtlosen Netzen. Künftig sollen sie auch autonom und vorausschauend handeln und in der Lage sein, zu lernen.

Ob in der Fahrzeugproduktion, dem Maschinenbau oder der chemischen Industrie: Am Anfang von Industrie-4.0-Prozessen stehen in der Regel Sensoren, die etwas messen und Daten liefern. Die kleinen Bauteile – sie werden auch „Aufnehmer“, „Detektoren“ oder „Messfühler“ genannt – wandeln physikalische, chemische, magnetische und zahlreiche andere Messgrößen in elektrische Signale um. Insgesamt sind Sensoren für mehr als 100 Messgrößen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Beschleunigung, Druck, Leuchtdichte, Spannung und pH-Wert auf dem Markt oder in Entwicklung. Als kleine elektronische Sinnesorgane lassen Sensoren Maschinen quasi sehen, hören und fühlen.

Edge Computing: Datenverarbeitung direkt im Sensor

Die Industrie benötigt Sensoren, die weitaus mehr können, als nur Messgrößen in 4-bis-20-Milliampere(mA)-Ströme umzuwandeln und Terabytes an Daten zu liefern, die anderenorts analysiert werden müssen. Die komplette Signalaufbereitung und ein Großteil der Signalauswertung sollen bereits im Sensor selbst stattfinden. Ein solcher intelligenter Sensor (Smart Sensor) gibt nur relevante Informationen weiter. Edge Computing nennt sich diese ressourcenschonende dezentrale Datenverarbeitung am Rand des Netzwerks. Die Analyse der Daten direkt im Sensor hat viele Vorteile. So lassen sich zum Beispiel schnell Anomalien erkennen und Ereignisse vorhersagen.

Kognitive Sensorsysteme

Sensoren entwickeln sich von bloßen Messgrößenaufnehmern zu komplexen kognitiven Systemen mit integrierter Signalverarbeitung, die in drahtlosen Netzwerken zusammenarbeiten. Sie kommunizieren mit anderen Sensoren, Maschinen und menschlichen Kollegen. Sie überwachen ihre Umgebung und signalisieren übergeordneten Systemen frühzeitig, wenn Prozesse aus dem Ruder laufen. Dabei handeln Sensoren immer autonomer und vorausschauender.

Künftig sollen sie sich selbst überwachen, eigenständig kalibrieren und rekonfigurieren. Auch maschinelles Lernen wird in die Sensorik Einzug halten. Intelligente Sensoren sollen Erfahrungswissen nutzen, um Muster und Trends aus den Signalen abzuleiten, und sich den Prozessanforderungen kontinuierlich selbst anzupassen. Entwicklungsperspektiven bietet auch die Mensch-Maschine-Interaktion: Künftig könnten sich Sensoren per Sprache oder mit Gesten steuern lassen.

Zu den Pionieranwendern intelligenter Sensoren gehören Autohersteller. „Beim autonomen Fahren wird kognitive Sensorik eine zentrale Rolle spielen, aber auch in anderen Bereichen, wie der Erkennung von Ermüdungszuständen beim Fahrer“, erklärt Albert Heuberger, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS (electronica, Halle C5, Stand 426). Das könne so weit gehen, dass auch der Gemütszustand des Fahrers von einem Sensor erfasst werde. Daraus, so Heuberger, könne das Auto autonome Reaktionen ableiten – im einfachsten Fall eine Änderung des Unterhaltungsprogramms, aber auch Anpassungen der Fahrwerksdynamik.

MEMS-Multisensoren und neue Sensormaterialien

In seiner Studie „Sensor Technologien 2022“ beschreibt der AMA Verband für Sensorik und Messtechnik Zukunftstrends der Sensorik: Großes Entwicklungspotenzial bergen weiterhin MEMS-Sensoren. Die Mikro-Elektro-Mechanischen Systeme (MEMS) kombinieren zwei oder mehr Funktionen der Mikroelektronik und Mikromechanik in einem Bauteil. Die Entwicklung geht in Richtung von Multisensoren, die gleichzeitig mehrere physikalische, chemische oder biologischen Größen messen.

Zu den häufigsten MEMS-Anwendungen gehören Lage- und Beschleunigungssensoren, MEMS-Hochfrequenzfilter (RF-MEMS), Mikrofone und Drucksensoren. MEMS-Sensoren-Weltmarktführer Bosch (Bosch Sensortec, electronica, Halle C3, Stand 522) entwickelte einen MEMS-Beschleunigungssensor namens BMA400 für Wearables und Anwendungen im Internet of Things, der zehnmal weniger Strom aufnimmt als andere Beschleunigungssensoren. Weitere große Player im MEMS-Markt sind STMicroelectronics (electronica, Halle C3 Stand 101) und Texas Instruments (electronica, Halle C4 Stand 131).

Als Sensorwerkstoff wird aktuell hauptsächlich Silizium genutzt. Mit diesem Material lassen sich mikromechanische Strukturen wie Federn, Membrane oder Balken auf einem Raum von Tausendstel Millimetern unterbringen. Interessante Perspektiven könnten sich auch aus der Verwendung alternativer Basismaterialien wie Keramik und Polymerfolien ergeben.

Sensorfolien und virtuelle Sensoren

Eine weitere Herausforderung für die Sensorik stellt die Erfassung flächig oder räumlich verteilter Messdaten dar. Dazu zählen resistive oder piezoelektrische Sensor-Arrays auf Folien, optische Verfahren und Impedanzspektroskopie. Verstärkt sollen auch Sensoren mit berührungslosen Messprinzipien zum Einsatz kommen, zum Beispiel optische oder magnetische Sensoren. Entwicklungspotenzial bieten zudem energieautarke Sensoren, die die Energie, die sie für ihren Betrieb benötigen, selbst aus der Umgebung ernten (Energy Harvesting), oder virtuelle Sensoren, die messen, was eigentlich gar nicht messbar ist.

Minikraftmesser detektiert Torsionen

Fortschritte in der Mikro- und Nanotechnologie fördern die Miniaturisierung von Sensoren und ermöglichen neuartige physikalische Messeffekte. So entwickelte das Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien einen hochkompakten Kraftsensorchip von weniger als einem Zehntelmillimeter Durchmesser. Das Besondere: Der Sensor misst die Richtung der Kraft in allen drei Raumdimensionen und detektiert auch Torsion, also räumliche Verdrehungen.

Bei Krafteinwirkung verbiegt sich der Rahmen des Chips. In der Mitte befindet sich eine kreuzförmige Struktur aus Siliziumdrähten – dünn wie Fliegenbeine. Die Schwingungsfrequenz dieser Siliziumstruktur ändert sich, sobald eine Kraft auf den Sensor trifft. „Die Schwingungsfrequenz lässt sich auf wenige Hertz genau messen. So kann man die Verbiegungen am Chip mit einer Präzision im Nanometerbereich angeben“, erklärt Projektmitarbeiter Alexander Dabsch. Der Minikraftsensor könnte Rasterkraftmikroskope verbessern oder Roboter, die mit empfindlichen Objekten hantieren, mit hochsensiblem Fingerspitzengefühl ausstatten.

Intelligenter Staub: Sensoren aus der Sprühdose

Sensorchips in Staubkorngröße, die sich mit einem Zerstäuber in die Luft sprühen lassen, entwickelte das Massachusetts Institute of Technology (MIT). Als Werkstoffe kamen hier Molybdändisulfid, Wolframdiselenid, Gold und Silber zum Einsatz. Das MIT-Team um Volodymyr Koman baute Module, die aus Sensorschichten, einer Photodiode als Stromquelle und einem Memristor bestehen. Die winzigen Sensormodule verteilten sie dann in einer Flüssigkeit und sprühten sie mit einer Sprühdose in ein Gefäß. Sobald Rußpartikel oder andere Substanzen zugeführt wurden, dockten diese an den Sensormodulen an. Dadurch sank der elektrische Widerstand des Memristors. Ein Laserstrahl tastet die Module schließlich ab.

Anhand der Messdaten ließ sich die Konzentration der zu messenden Substanz ermitteln. Mögliche Anwendungsgebiete für den Miniaturfühler sind Schadstoffmessungen in der Luft und im Wasser. Gelingt es, das Modul weiter zu miniaturisieren, könnte der intelligente Staub künftig auch eingeatmet oder in die Blutbahn injiziert werden, um bei der Diagnose von Krankheiten helfen.

Sicherheit für Sensoren

Sensoren bieten auch Angriffsflächen. Kriminelle Hacker können Signale manipulieren, die der Sensor erkennen soll, oder den Sensor mit Signalen attackieren, für die er gar nicht ausgelegt ist. Auch die Verbindung zwischen Sensor und Embedded System kann ins Visier von Angreifern gelangen. So zeigten Forscher der University of Michigan und der University of South Carolina, wie sich MEMS-Bewegungssensoren mit Schall manipulieren lassen. Yongdae Kim vom Korea Advanced Institute of Science and Technology brachte mit Schall Drohnen zum Absturz. Einen Herzrhythmus-Sensor lässt sich mit Laser täuschen. Sicherheitsabteilungen werden dem kleinen Stück Hardware künftig also besondere Aufmerksamkeit schenken müssen.

electronica 2018: Zukunft der Sensorik

Auf der electronica präsentieren 167 internationale Aussteller innovative Lösungen, die die Entwicklung der Sensorik vorantreiben werden. Sensoren sind auch Fokusthema auf der electronica Embedded Platforms Conference sowie auf der electronica Medical Electronics Conference.

TU Wien Miniatur-Kraftsensor