Sensortechnik - MEMS in der Gebäudetechnik

In Gebäuden wird es künftig keine kalten Füße mehr geben. Wie ein Organismus mit unzähligen Sinneszellen wird das Haus fühlen können, dass es am Boden zieht oder der Mitarbeiter am Schreibtisch klamme Finger bekommt. Tausende winziger Sensoren sind dann übers Haus verteilt. Versteckt im Teppich oder in der Wandfarbe, messen die weniger als Staubkorn großen Fühler Temperaturen, Luftströmungen oder den Gehalt an Kohlendioxid in der Raumluft. Via Funk senden sie ihre Daten an eine Zentrale. In noch fernerer Zukunft sollen mit Mikro- und Nanotechnik ausgestattete Hightech-Krümel sogar selbst aktiv werden – etwa indem sie winzige Warmluftventile in der Tischplatte öffnen oder mit Mini-Solarzellen Sonnenstrom ernten.

Was wie eine ferne Utopie klingt, ist für Dr. Osman Ahmed bereits Alltag. Ahmed ist leitender Ingenieur in der Gebäudeautomatisierung des Siemens-Bereichs Building Technologies (SBT) in Buffalo Grove, Illinois. Seine Abteilung untersucht die Praxistauglichkeit solcher Ideen. Das Herzstück der verwendeten Mikrosysteme sind MEMS – mikro-elektro-mechanische Systeme. Das sind kleine Silizium-Bausteine, die im Idealfall Sensor, Prozessor und Aktor zugleich sind und Funkmodule zur Kommunikation besitzen. Dadurch können sie Umweltdaten messen, Signale verarbeiten und sogar selbst aktiv werden. Inzwischen existieren erste MEMS, die etwa den Druck im Autoreifen überwachen und kabellos ans Fahrzeug melden (Permanenter Reifen-Service).

Ahmed sieht in der drahtlosen Kommunikation der MEMS einen ihrer großen Vorteile. Bisherige Systeme erfassen die Bedingungen in Gebäuden mit Fühlern und Geräten, die auf den Wänden montiert sind. "Diese haben meist zwei Dinge gemeinsam: Drähte zur Stromversorgung und Drähte, um Signale zur Kontrollzentrale zu übermitteln. Damit sind hohe Kosten verbunden, denn der Zeitaufwand für die Installation oder eine eventuelle Fehlersuche ist immens", betont Ahmed. MEMS hingegen kommen ohne Verdrahtung aus und melden ihr Signal per Funk weiter – neben Daten über das Raumklima können das Brandmeldungen sein oder sogar Überwachungsbilder aus winzigen MEMS-Kameras. Zudem sind sie laut Ahmed weniger anfällig gegen Störungen. Insgesamt ergäbe das eine kosteneffiziente intelligente Gebäudeautomatisierung: "Derartige Minisensoren können das Rückgrat der nächsten Generation von Gebäudemanagementsystemen darstellen". Wesentliche Voraussetzung dafür sind neben leicht installierbaren Sensoren noch leistungsfähigere Computer, die die Datenmengen der vielen Sensoren verarbeiten und umsetzen können. "Siemens hat dank der Vielfalt seiner Aktivitäten und der Arbeiten der Corporate Technology (CT) – z.B. auf dem Mikrosystemgebiet – alle Voraussetzungen, um die besten Lösungen anzubieten", sagt Ahmed.

MEMS aus einem Block. Ein Ziel ist es, MEMS-Systeme ganz aus einem Stück Silizium zu bauen, statt wie bisher verschiedene Komponenten auf einen Silizium-Träger aufzupflanzen. Die Experten sprechen von monolithischen MEMS. Diese hätten einen großen Vorteil: Sie ließen sich vergleichsweise günstig mit den etablierten Herstellungsverfahren der Chipindustrie in Massen produzieren. Die Forscher hoffen, dass sie dadurch ebenso zuverlässig arbeiten würden wie konventionelle Mikroprozessoren. Mit Belichtungs- und Ätzverfahren könnten in die monolithischen MEMS neben den Mikroprozessoren z.B. winzige Arme geätzt werden, die Luftzug wahrnehmen. Der Prozessor würde das Signal als Spannungsänderung registrieren. Ein solcher Chip könnte Umweltreize erfassen, verarbeiten sowie Kontrollfunktionen übernehmen und die Information weiterleiten.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung und Kommerzialisierung der MEMS-Technik sieht Ahmed in der Verpackung der technischen Komponenten. Denn einerseits muss die Elektronik vor Beschädigungen geschützt werden, andererseits sollen die Sensoren im Kontakt mit der Umwelt stehen. Derzeit gibt es keine Standard-Verpackungen im Mini-Maßstab. SBT beobachtet daher intensiv die Aktivitäten von Organisationen wie Memsnet (www.memsnet.org), einem Forum, das Entwickler und Anwender zusammenbringt. Ziel ist es, Lösungen für eine weitere Miniaturisierung und neue Anwendungen zu finden. So gehen die Memsnet-Experten davon aus, dass erste monolithische MEMS bereits in fünf Jahren ausgereift sein werden. In fünf bis zehn Jahren könnten dann tatsächlich Sensoren realisiert werden, die in der Wandfarbe verschwinden. Ob diese Anwendung letztlich wirklich sinnvoll sein wird, weiß bislang aber niemand.

Derzeit sind freilich keine monolithischen Multifunktions-Bausteinchen in Betrieb, die alle Anforderungen der SBT-Entwickler erfüllen. Doch auch die Alternative kann schon Beachtliches leisten: eine Mikrosystem-Plattform, die einen MEMS-Chip, ein Modul für die drahtlose Kommunikation, einen Mikroprozessor und ein effizientes Energiemanagement vereint. Derartige Systeme können ebenfalls mit Standardmethoden der Halbleitertechnik gefertigt werden, die ausgereift, stabil und sehr kosteneffizient sind. So setzt SBT für ein Kooperationsprojekt mit der Universität von Florida MEMS von Siemens CT in München ein, die etwa 1 cm² groß sind und aus mehreren Komponenten bestehen (Bild oben links). Sie sollen keine Gebäude, sondern vergleichsweise kleine Behausungen überwachen: Mäusekäfige. "Diese Anwendung mag zunächst ein wenig amüsieren, hat aber durchaus einen ernsten Hintergrund", betont Ahmed. Wer Experimente mit Mäusen macht, will sichergehen, dass die Reaktionen der Tiere tatsächlich auf ein Medikament oder eine Therapie zurückzuführen sind – und nicht auf andere Faktoren. Die Münchner MEMS messen dazu etwa den Kohlendioxid- und Ammoniakgehalt der Luft. Hohe Werte deuten auf stickige Luft und einen nötigen Wechsel des Streus hin. Die MEMS bestehen aus einem Siliziumträger mit integrierten Komponenten – Gassensoren oder auch eine Heizstruktur, die Rückschlüsse auf den Luftzug zulässt. Diese Struktur wird durch schwachen elektrischen Strom erwärmt. Streicht Luft an ihr vorbei, kühlt sie messbar ab. Zum Jahresende 2004 nehmen Prototypen in den Labors der Florida-Universität den Testbetrieb auf. Künftig wollen die Forscher die Geräte weiter verkleinern und dadurch nutzerfreundlicher machen. Eine optimale Packung und Integration der Bauteile und die kabellose Datenübertragung sollen die MEMS zudem billiger machen. Nach ersten Marktanalysen schätzt SBT die Zahl der Tierkäfige allein in den USA auf vier bis fünf Millionen und das jährliche Wachstum auf 15 bis 20 %: Das Projekt könnte somit ein guter Startschuss für weitere Gebäudemanagement-Systeme im Mikro-Maßstab sein.

Tim Schröder