Sensortechnik - Trends
Künstliche Sinnesorgane
Sensoren sind hoch entwickelte technische Sinnesorgane. Sie erspähen mikroskopisch kleine Partikel und erschnuppern geruchlose Gase. In Zukunft sollen sie noch kleiner und intelligenter werden - und sich sogar selbstständig miteinander vernetzen.
Sensoren können Leben retten: Der Siemens-Forscher Dr. Maximilian Fleischer präsentiert einen neuen Gassensor. Der winzige Chip misst den Kohlendioxid-Gehalt der Luft. CO2, das in modernen Klimaanlagen verwendet wird, ist ein geruchloses Gas, das zur Bewusstlosigkeit führen kann, wenn es in zu hoher Konzentration vorliegt
Jedes Kind, das schon einmal eine heiße Herdplatte berührt hat, ist um eine grundlegende Erfahrung reicher: Unsere Finger sind als Messfühler für Temperatur nur sehr beschränkt geeignet. Auch Geschwindigkeiten können unsere Sinne überfordern ab einem gewissen Tempo erkennt das Auge in einem vorbeirauschenden Zug nicht mal die engsten Freunde wieder. Ganz zu schweigen vom Geruchsvermögen: Viele für uns gefährliche Gase nehmen wir gar nicht wahr. Viel leistungsfähiger sind dagegen hoch entwickelte technische Sinnesorgane die Sensoren. Die besten unter ihnen tasten, sehen und riechen tausendmal genauer als der Mensch und das unter widrigsten Bedingungen. Die kleinen Messfühler sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken allein in einem modernen Auto stecken gut und gerne hundert Sensoren. An Bedeutung gewinnen dabei insbesondere die MEMS (mikro-elektromechanische Systeme), die Mikroelektronik mit Mikromechanik und anderen Technologien zu neuen Systemen vereinen. Künstliche Sinnesorgane übernehmen wichtige Funktionen in der Produktion, der Qualitätssicherung, der Umwelttechnik und der Medizin. Hundert verschiedene Sensorsysteme bieten alleine die Betriebe des deutschen Fachverbandes für Sensorik an und die Branche boomt: Bis 2008 soll der Weltmarkt für zivile Sensoren auf rund 50 Mrd. US-$ anwachsen (Fakten und Prognosen).
Sensoren im Ärmel
Mit der Technologie der Firma ElekSen lassen sich biegsame Sensoren und Schalter herstellen, die vom Handy über den Schmuseteddy bis zum Autositz eingesetzt werden können.
Kramen in der Tasche, wenn unterwegs das Handy klingelt oder weil der MP3-Spieler einen Titel überspringen soll: Nach Ansicht von Ray Sangster, CEO der britischen Firma ElekSen, könnte das bald der Vergangenheit angehören: "Kleidung, mit der sich elektronische Geräte bedienen lassen, ist einer der vielversprechendsten Anwendungsbereiche für unsere Technologie." ElekSen hat textile Sensoren entwickelt, die sich in alle weichen Materialien integrieren lassen und dafür sorgen könnten, dass sich Handy, PDA oder MP3-Spieler mit einem einfachen Griff zum Ärmel bedienen lassen.
Diese Sensoren besitzen eine Sandwich-Struktur: Außen liegen zwei elektrisch leitende, mit einem Bindemittel verklebte Nylon-Schichten. Dazwischen befindet sich eine weitere Schicht, in der einzelne elektrisch leitfähige Fasern in ein isolierendes Material eingebettet sind. An den äußeren Schichten liegt eine geringe Mess-Spannung an, die vom Gerät, etwa dem MP3-Spieler, oder einer Batterie geliefert wird. Wenn der Sensor berührt wird, entsteht durch den Druck eine Verbindung zwischen den Schichten. Aus der Veränderung der Mess-Spannung lässt sich dann errechnen, wo der Sensor berührt wurde. Außerdem kann ermittelt werden, wie stark der Sensor gedrückt wurde: Bei leichter Berührung fließt weniger Strom als bei starkem Druck, da sich dann erheblich weniger Fasern berühren als bei starkem Druck.
Damit lässt sich "intelligentes" Spielzeug herstellen: Eine Puppe mit ElekSen-Sensor beginnt bei starkem Druck zu weinen und lacht, wenn sie gekitzelt wird. Außer Druck können die faltbaren Sensoren aber auch Feuchtigkeit detektieren, und sie sind robust und waschbar. Das ist ideal für den Gesundheitssektor, etwa wenn es darum geht, festzustellen, ob ein Inkontinenz-Patient neue Bettwäsche braucht oder ob sich ein Kranker dort befindet, wo er sein sollte im Bett. Auch Autos, deren Sitz sich dem Rücken des Fahrers anpasst, sind denkbar. In dieser Vielseitigkeit liegt eine der Stärken der ElekSen-Sensorik. Sie bedeutet aber auch eine Herausforderung. "Die breite Anwendbarkeit zwingt zur Fokussierung", sagt Dr. Uwe Albrecht, Head of Corporate Fund bei Siemens Venture Capital, einem wichtigen Investor von ElekSen.
Zum Markterfolg könnte auch eine geplante Weiterentwicklung beitragen: einzelne Sensorfäden, die in Textilien eingewebt werden. Sie könnten künftig vielfach die oben beschriebenen teureren Sensorschichten ersetzen. Ray Sangster hofft auf große Zukunftschancen: Vier Jahre habe die Sensorentwicklung gedauert. Inzwischen arbeite ElekSen mit 82 Unternehmen zusammen. "Damit daraus noch mehr werden, müssen wir klar machen, wo neue Anwendungen liegen können." Das reicht von flexiblen Tastaturen für Handys bis zu Bedienelementen, die in Autositze integriert sind der Phantasie sind kaum Grenzen gesetzt.
Stefanie Hense
Arbeiten bei 1 500 °C. Siemens räumt den Messfühlern eine hohe Priorität ein: Sensorik ist eine wesentliche Querschnittsfunktion der Zentralabteilung Corporate Technology (CT). Bei der Entwicklung von Sensorsystemen leistet Siemens Pionierarbeit dabei dringen die kleinen Geräte immer mehr in Bereiche vor, in die sich nie ein Mensch wagen könnte. Einige Beispiele: Neuartige Sensoren analysieren in Brennräumen und staubigen Fabrikschornsteinen die Gaskonzentration bei Temperaturen bis 1 500 °C (Gassensoren).
In Industrieturbinen beobachten Detektoren während des Betriebes die tonnenschweren Turbinenschaufeln, die 3 600-mal pro Minute rotieren (Der Gluthitze trotzen).
Sensoren inspizieren die Oberleitungen von Schienenfahrzeugen und erspähen noch bei 80 km/h und völliger Dunkelheit millimetergroße Verschleißspuren an den Drähten (Fakten und Prognosen). Röntgenaugen durchleuchten winzige Computerchips auf Schäden und ermöglichen einen virtuellen 3D-Flug durch die Bauteilschichten. So decken sie selbst nanometerkleine Defekte auf (Optische Sensoren).
Künftig sollen die Spürnasen noch extremere Einsätze bewältigen und noch kleiner, vielseitiger und genauer werden. Immer winziger und kostengünstiger ist einer der Haupttrends der Sensorentwicklung die Miniaturisierung soll die Serienfertigung erleichtern und Kosten reduzieren. Darüber hinaus bieten winzige Sensorchips auch mehr Raum für Anwendungen, etwa als scheckkartengroße medizinische Diagnosesysteme (Biosensoren). Unauffällige Mini-Messfühler könnten künftig sogar der Wandfarbe beigemischt werden und in Gebäuden das Raumklima überwachen (MEMS).
Näher am Markt ist dagegen ein spektakulärer Sensor des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie in Itzehoe: ein Einweg-Sensor in Pillenform. Er soll bei Sportlern die Milchsäurewerte messen und Aufschluss über ihre Fitness geben. "Der Sportler nimmt die Pille in den Mund und beginnt mit dem Trainingsprogramm", erklärt Institutschef Prof. Anton Heuberger. "Während des Trainings misst der Sensor ständig den Laktatgehalt und übermittelt die Werte dem Lesegerät via Bluetooth." Das erspart Blutabnahmen und erlaubt kontinuierliche Messungen. Bis 2006 soll die messende Pille in aller Munde sein.
Sensor im Innern eines Verbrennungsmotors
Ab 2006 serienreif: Ein von Siemens VDO entwickelter Sensor auf Piezobasis, versteckt in der Glühkerze von Dieselmotoren, überwacht die Verbrennung im Zylinder.
Je genauer die Verbrennungsvorgänge bekannt sind, desto besser lässt sich ein Motor über die Einstellung von Einspritzmengen und Zündzeitpunkten steuern. "Das wiederum kann den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen ebenso reduzieren wie die Geräuschentwicklung", erläutern Gérard Troy und Bernd Last, zuständig für die Geschäftsentwicklung und Vorentwicklung von Sensoren bei Siemens VDO in Toulouse, Frankreich.
Bislang werden dazu Größen aus der Motorumgebung wie die Kühlmitteltemperatur, die Menge der angesaugten Luft oder die Motordrehzahl genutzt. Wesentlich besser wäre es jedoch, beispielsweise den Druckverlauf im Zylinder direkt zu messen, da dieser eng mit der Thermodynamik der Verbrennung zusammenhängt. "Solche Informationen sind wichtig, um die in einigen Jahren gültigen Emissionsgrenzwerte für Dieselmotoren etwa Euro V zu erfüllen", sagt Troy, " aber sie dürften auch für die Benzindirekteinspritzung nützlich sein." Am besten misst man den Verbrennungsdruck mit einem Sensor direkt am oder im Brennraum. Allerdings ist in modernen Motoren mit Mehrventiltechnik der Einbauraum für Sensoren sehr begrenzt. Deshalb waren für die Sensorik bisher oft Zusatzbohrungen notwendig.
Nun entwickelt Siemens VDO in Toulouse einen Sensor, der in die Glühkerze von Dieselmotoren integriert wird, die den Kaltstart des Motors erleichtert. "Wir nutzen damit einen bereits existierenden Zugang zum Verbrennungsraum, was die Nachrüstung von Motoren sehr einfach macht", erklärt Last. Beim Dieselmotor wird Luft im Brennraum so stark komprimiert, dass sie sich bis auf 900 °C erhitzt. Der dann eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich an der heißen Luft von selbst. Dank der Integration in die Glühkerze ist die Sensormembran nicht direkt der Hitze und dem Druck ausgesetzt. Sie ist dadurch länger haltbar und auch die Messgenauigkeit ist deutlich höher. Der innovative Sensor wird aus einer hitzebeständigen Keramik gefertigt und funktioniert nach dem piezoelektrischen Prinzip: Unter Druck also einer mechanischen Spannung verändert sich innerhalb weniger Millisekunden die atomare Struktur der Keramik so, dass sich elektrische Ladungen im Material verschieben. Der Sensor gibt elektrische Signale ab, die die Steuerungselektronik nutzt, um den Druckverlauf im Zylinder zu überwachen. "Ab 2006 soll die Serienproduktion beginnen", sagt Troy. "Dazu haben wir eine Partnerschaft mit der Firma Federal Mogul ins Leben gerufen. Ziel ist es, den Glühkerzen-Sensor gemeinsam zu entwickeln und zu vermarkten."
Sylvia Trage
Elektronische Mediziner. Miniaturisierung hat nach Ansicht Heubergers aber Grenzen: "Sensoren mit einigen Millimetern Kantenlänge sind realistisch", sagt der Professor für Mikrosystemtechnik. "Wesentlich kleinere sind technisch machbar, aber rein finanziell noch illusorisch." Letztlich setze sich nur bezahlbare Technik durch. "Ein Sensorbaustein, der zwar extrem klein ist, aber über 10 kostet, ist einfach zu teuer."
Ein weiterer Trend ist die Integration mehrerer Sensoren in einem System. Eine solche elektronische Supernase könnte verschiedene Größen gleichzeitig messen eine Anwendung, die besonders in der Medizin Furore machen würde. "Unsere Vision ist, mehrere Chips im gleichen Gehäuse unterzubringen, die eine ganze Reihe von Krankheiten schnell und frühzeitig aufspüren können", sagt Prof. Bernhard Boser, einer der Leiter des Sensor & Actuator Centers an der University of California in Berkeley, USA. "Das könnte unsere Gesundheitsversorgung fundamental ändern." Der Schweizer Wissenschaftler und sein Team haben einen Biosensor entwickelt, der bereits eine Krankheit treffsicher nachweisen kann Denguefieber, eine schwere tropische Virusinfektion, die jedes Jahr 100 Millionen Menschen heimsucht. Für den Dengue-Test gibt man einen Tropfen Blut auf den nur einen Quadratmillimeter kleinen Sensorchip und schiebt den Chip in einen Laptop. Das macht den Test unkompliziert, flexibel und künftig vielleicht von jedermann anwendbar. Bosers längerfristige Vision: "Bei Verdacht auf eine Krankheit kauft man einen Test, benutzt ihn wie einen Schwangerschaftstest und geht dann, wenn nötig, zum Arzt."
Eine ähnliche Biosensor-Anwendung hat auch Dr. Walter Gumbrecht von Siemens CT entwickelt: quicklab, ein Minilabor im Scheckkartenformat, untersucht einen Blutstropfen innerhalb einer Stunde auf DNS-Spuren von Krankheitserregern. Mit quicklab könnten Hausärzte eine Infektion in der eigenen Praxis diagnostizieren und schneller als bisher die richtigen Medikamente verabreichen (Biosensoren).
Moderne Sensoren sind oft besser als menschliche Sinnesorgane, doch eines haben unsere Augen, Nase, Hände und Ohren ihren technischen Pendants noch voraus: die Intelligenz des alles kontrollierenden Gehirns. Beispielsweise bringen technische Detektoren doch noch manches durcheinander: "So reagierten etwa Erdgassensoren lange Zeit nicht nur auf Kohlenmonoxid, sondern gaben auch Alarm, wenn Dämpfe von Reinigungsbenzin die Luft erfüllten", erklärt Dr. Udo Weimar, Spezialist für Bio- und Chemo-Sensoren an der Universität Tübingen. "Wir müssen daher in Zukunft Sensoren entwickeln, die sehr selektiv sind, also nur auf eine Substanz reagieren." (Experten-Interview)
Die Supernasen-Connection. "Außerdem sollen intelligente Sensoren in Zukunft "nicht nur Signale senden, sondern auch Interpretationen von Ereignissen liefern", sagt Michael Staudt von Siemens Automation and Drives. Genau das kann Staudts optischer Sensor CS10, wenn er vielfältige Farbmuster interpretiert (Optische Sensoren und Bild unten). Eingesetzt werden soll das elektronische Adlerauge etwa in Abfüllanlagen: Dort späht er alle 30 Millisekunden auf vorbeisausende farbige Flaschenetiketten und schlägt bei Fehlern Alarm.
Farbhistogramm eines optischen Sensors: In Millisekunden lassen sich damit auch sehr komplexe Farbmuster interpretieren
Ein weiterer Trend: die Selbstorganisation. Hochkomplexe biologische Systeme wie Gehirn oder Immunsystem funktionieren scheinbar wie von selbst. Sensoren sollen künftig ähnlich arbeiten: Sie sollen autark sein und sich selbst organisieren, etwa ihren genauen Standort selbstständig bestimmen, über Funk miteinander kommunizieren und ohne fremde Unterstützung ein Sensornetz aufbauen und erhalten (Pictures of the Future, Frühjahr 2003, Sensornetze).
An so einer "Supernasen-Connection" arbeitet auch Dr. Rudolf Sollacher bei Siemens CT. Sein Sensornetz könnte etwa Feuerwehrleuten in einem brennenden Gebäude den Weg zum Brandherd weisen und ihnen gleichzeitig die Umgebungstemperaturen liefern (Sensornetze). "Selbstorganisierende Sensornetze sind heute schon technisch machbar", sagt Sollacher. Einsatzbereiche sieht er auch in der Landwirtschaft oder in Gegenden, die von Waldbränden oder Lawinen bedroht sind dort könnten Sensornetze rechtzeitig vor Katastrophen warnen: Die kleinen Messfühler müsste man weiträumig in Risikogebieten verstreuen, wo sie selbstständig Daten sammeln würden. "Doch das", sagt Sollacher, "ist noch Zukunftsmusik."
Florian Martini
Permanenter Reifen-Service
Ein neuer Sensor misst Reifendruck und -temperatur direkt im Reifen. Das wenige Millimeter große Bauteil hilft, die Verkehrssicherheit zu verbessern.
Immer wieder kommt es durch defekte Reifen zu schweren Unfällen. Ursache ist häufig ein zu niedriger Reifendruck: Im Extremfall kann der Reifen durch die starke Verformung so heiß werden, dass er schmilzt und platzt. Durch eine regelmäßige idealerweise kontinuierliche Überwachung des Drucks im Reifen ließe sich dies vermeiden. Schon heute warnen daher in Millionen von Fahrzeugen Drucksensoren vor einem gefährlichen Druckverlust. In den USA gibt es Bestrebungen, sie ab 2006 sogar gesetzlich vorzuschreiben. Die Sensoren sitzen im Inneren der Felge auf dem Ventil, beziehen ihre Energie aus einer Batterie und funken, sobald das Fahrzeug ein Stück gefahren ist, Druck und Temperatur zu einer Empfangseinheit.
Allerdings sind sie sehr aufwändig zu installieren, und wenn heißgelaufene Bremsen die Felgen erhitzen, kann die Temperaturmessung verfälscht sein. Siemens VDO hat daher vor kurzem zusammen mit Goodyear eine neue Generation von Reifendrucksensoren vorgestellt, die eher die Bezeichnung Reifen-Diagnosesystem verdienen. Die fingernagelgroße Elektronik sitzt auf einem stabilen und temperaturbeständigen Keramikträger und besteht hauptsächlich aus Bare Dies das sind wenige Quadratmillimeter große nackte Halbleiter ohne die bekannte schwarze Plastikhülle. Auf diese Weise konnten die Siemens-Ingenieure Druck- und Temperatursensor, Auswerteelektronik und einen Speicher auf kleinstem Raum unterbringen. Auch der Speicher ist eine Novität. Er merkt sich Reifendaten, Laufleistung des Reifens und die zeitliche Entwicklung des Drucks. Der Chip kommuniziert mit der Bordelektronik und liefert den Systemen, die die Fahrzeugstabilität garantieren sollen (wie ABS, ESP, ASR), zeitnah exakte Daten über den Zustand des Reifens.
Der neue Reifendrucksensor ist fest ins Reifenmaterial eingebaut. Sensorik und Elektronik sind hier auf kleinstem Raum integriert. Über die Empfänger im Radkasten meldet die Software Daten über Druck und Temperatur eines jeden Reifens
Das gesamte Sensorsystem sitzt auf einem Gummiring, der um den ganzen Reifen läuft und auch die Antenne enthält. Das System ist so leicht, dass es die Laufeigenschaften des Reifens nicht beeinflusst. Der Ring wird in einer der Seitenwände untrennbar mit dem Reifen verbunden. Deshalb muss die Elektronik nicht mehr zusätzlich zum Reifen auf die Felge montiert und beim Reifenwechsel von einem zum nächsten Rad übertragen werden. Und da sie alle Details zum Reifentyp meldet, entfällt nach der Montage auch die aufwändige Einstellung der Bordelektronik, die bei den alten Systemen notwendig war. In jedem Radkasten sitzt eine Sender-Empfänger-Einheit, die Daten aus dem Sensor ausliest, ihm Steuerimpulse sendet und ihn mit Energie versorgt Daten- und Energieübertragung erfolgen induktiv über Spulen auf dem Chip und im Radkasten. Eine Batterie ist überflüssig. Der Sensor meldet den Druck oder einen platten Reifen auch schon, wenn der Fahrer den Schlüssel in die Zündung steckt, nicht erst wie bisher, wenn er losgefahren ist. Dieter Wagner, Projektleiter bei Siemens VDO ist sich sicher, dass dies erst der Anfang einer Entwicklung hin zum intelligenten Reifen ist. "Bald werden Sensoren Defekte im Reifen entdecken und sie werden auch die Profilhöhe, den Reifenslip also das Rutschen auf nasser Straße und die Kräfte messen, die im Inneren des Reifens wirken."
Bernhard Gerl