Sensorik und Messtechnik – Daten sind das Gold der vernetzten Welt. Denn um sie zu erfassen, werden immer mehr Objekte mit Sensoren ausgestattet. Die Messgeräte werden dabei immer leistungsfähiger – und dabei oftmals nicht größer als ein Stecknadelkopf.
In allen aktuellen technologischen, von der Digitalisierung geprägten „Mega-Trends“ spielen Sensorik und Messtechnik eine Schlüsselrolle: „Digitale Innovationen durchdringen nahezu alle Bereiche des Lebens, sie verändern die Arbeit, die Kommunikation und ermöglichen neue Produkte und Services. Allen gemein ist, dass sie auf den Daten basieren, die Sensoren erfassen und auswerten“, sagt Dr. Andreas Schütze, Professor für Messtechnik an der Universität des Saarlandes und Juryvorsitzender des vom deutschen AMA Verband für Sensorik und Messtechnik vergebenen Innovationspreises. Und Innovationen bringt diese Branche immer wieder hervor: Es werden immer wieder neue Firmen gegründet, neue Materialien erforscht und neue Technologien eingesetzt.
Kleiner, digitaler, vielseitiger – Sensorik
Dabei lassen sich grundsätzlich drei Schlüsseltrends identifizieren. Der erste ist die Miniaturisierung. In der zunehmend vernetzten Welt soll nahezu jedes Gerät Informationen zur Umwelt und zur jeweiligen Applikation sammeln. Das erfordert entsprechende Sensoren, die dank ihrer geringen Abmessungen kaum Platz im jeweiligen Gerät einnehmen. Dennoch sollen sie aber eine hohe Leistung bringen. Und das bei möglichst geringem Energiebedarf.
Der zweite Schlüsseltrend ist die Digitalisierung der Sensoren selbst. Zunehmend smarte Sensoren erfassen nicht nur Daten, sondern werten sie auch gleich aus und übertragen nur noch die Ergebnisse an übergeordnete Systeme oder die Cloud.
Der dritte wichtige Trend ist die Sensorfusion: Die smarten Gegenstände des Internets der Dinge erfordern Multi-Sensoren, die gleich mehrere Arten von Messungen in einem möglichst kleinen Gehäuse ausführen können.
Gebündelte Messwerte in der Messtechnik
Für derartige Multisensoren gibt es inzwischen einige Beispiele, wie die Plastosens-Sensoren von Jumo. In Form eines Modulbaukasten wird Sensorik für verschiedene Messgrößen wie etwa Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder Kraft in einem Kunststoffgehäuse verbaut. Mittels Energy-Harvesting versorgen sich die Module selbst mit Energie. Die Sensorsignale werden drahtlos durch eine Bluetooth-Schnittstelle übertragen. Noch einen Schritt weiter gehen Sensoren, die nicht nur Daten erfassen, sondern auch gleich an Ort und Stelle verarbeiten. Insbesondere bei Bildsensoren sind entsprechende System bereits heute im Einsatz. So werden Daten in Hochgeschwindigkeit am Ort des Entstehens verarbeitet und nur die erforderlichen Informationen extrahiert. Dies ermöglicht es, bei der Nutzung von Cloud-Diensten die Latenzen bei der Datenübertragung zu verkürzen, Datenschutzvorgaben Rechnung zu tragen und den Energieverbrauch sowie die Kommunikationskosten zu senken.
Empfindsame Zwerge
Für die Miniaturisierung der Sensoren stehen vor allem MEMS. Sie besitzen Siliziumstrukturen im Inneren, die teilweise um ein Vielfaches dünner als ein menschliches Haar sind. Dadurch können sie mikroskopisch kleine Bewegungen in elektrische Signale umwandeln, sie als Informationen verarbeiten und weitersenden. Das macht sie sozusagen zu Sinnesorganen der technischen Welt. Sie messen Drücke, Beschleunigungen, Drehraten, Feuchtigkeit und vieles mehr.
Laut Bosch wird erwartet, dass künftig hunderte Milliarden MEMS-Bauelemente in den unterschiedlichsten Anwendungen benötigt werden. Dabei geht es neben dem großen Feld des IoT auch um automatisiertes Fahren. Zum Beispiel wenn MEMS-Sensoren das Auto zur Eigenlokalisierung ohne Umfeldsensorik oder GPS, allein basierend auf Beschleunigungs- und Drehrateninformationen, befähigen.
Gerade das automatisierte Fahren benötigt eine Vielzahl an Sensoren. Dabei sind sogenannte Time-of-Flight-Sensoren (ToF) ein wichtiger Baustein. Sie bestimmen die Entfernung zu einem Objekt, indem sie die Laufzeit eines ausgesendeten Lichtimpulses messen. Nach diesem Prinzip arbeiten zum Beispiel LiDAR-Systeme (Light Detection and Ranging). Inzwischen gibt es ToF-Lösungen als kleine, integrierte Module. Mit einem Bauraum von gerade einmal acht Kubikmillimetern passen sie problemlos in ein Smartphone. Hier sorgen sie dafür, dass sich der Autofokus der Smartphone-Kamera präzise auf das zu fotografierende Objekt einstellt. Mit Preisen von unter drei Dollar sind sie aber auch für viele andere Consumer-Anwendungen interessant., zum Beispiel für die schnelle Kollisionserkennung und -vermeidung bei Staubsaugrobotern oder für die Anwesenheitserkennung bei Notebooks.
Spektroskopie im Taschenformat
Neueste Technologien im Bereich optischer Sensoren sind Systeme, die das Spektrum eines ausgesendeten und reflektierten Lichtstrahls messen. Die Durchführung einer derartigen spektrografischen Analyse erforderte bis dato ein eigenes Labor – heute gibt es entsprechende Lösungen, die auf ultra-dünnen Infrarot-Chips mit hoher Detektionsfähigkeit basieren.
Dazu gehören die Kompaktspektrometer der Serien Qmini und Qwave von Broadcom, die modernste optische und elektronische Komponenten kombinieren. Sie ermöglichen leistungsstarke spektroskopische Messungen von ultraviolettem, sichtbarem und nah-infrarotem (NIR) Licht. Die Spektrometer decken einen Bereich zwischen 190 und 1.100 Nanometer ab, und das in einem kleinen Formfaktor. Dabei sind keine internen beweglichen Teile erforderlich, wodurch jede Möglichkeit einer optischen Fehlausrichtung vermieden wird. Dies gewährleistet eine zuverlässige und stabile Langzeitleistung.
Derartige preisgünstige Spektrometer eignen sich perfekt für die Integration in hohvolumige Applikationen und für verschiedene Einsatzgebiete wie Prozesssteuerung und -überwachung, biomedizinische Anwendungen, chemische Forschung, Umweltanalyse, medizinische und pharmazeutische Anwendungen, forensische Analyse, Raman-Spektroskopie und viele andere.
Auch AMS bietet, unterstützt von EBV, spektral integrierte Sensoren, die Inhaltsstoffe und Zusammensetzungen in industriellen Rohstoffen, landwirtschaftlichen Produkten oder Lebensmitteln für die Qualitätssicherung „on the go“ erkennen. Mögliche Anwendungen reichen von der Farbkommissionierung bzw. dem Farbabgleich über die Authentifizierung bis hin zur Farb- und Spektralanalyse von Materialien und Flüssigkeiten. Die hochgradige Integration mit moderner CMOS-Filtertechnologie gewährleistet eine lebenslange Kalibriergenauigkeit und ermöglicht es den Geräteherstellern, Präzision auf Laborniveau auf den Markt zu bringen.