Viel diskutiert wird derzeit die Rolle, die Sensoren in Kleidung und Smartphones spielen. Dabei wird oft vergessen, dass wir in unseren Fahrzeugen bereits überall von Sensoren umgeben sind --
Sensoren, die die Effizienz und Sicherheit des Fahrverhaltens prüfen, den Zustand des Fahrzeugs melden und die Systeme im Fahrzeug auf maximale Leistung einstellen. In der Tat gehört das Auto heute zu den alltagstauglichen Systemen, in denen sich die meisten Sensoren finden.
Und das ist erst der Anfang. In nicht allzu ferner Zukunft werden Autos unser Chauffeur sein, der uns automatisch an ein Ziel bringt, ohne dass wir überhaupt das Gaspedal oder Lenkrad berühren müssen, der umsichtig allen Hindernissen ausweicht, die effizienteste Strecke auswählt und während der Fahrt auch noch für unsere Unterhaltung sorgt. Um das alles bewältigen zu können, werden Autos eine Vielzahl neuer Erfassungsfunktionen brauchen, die sich abstimmen und gemeinsam intelligent entscheiden und handeln.
Sensoren für das Auto von heute
In jedem Auto, das wir heute fahren, finden sich überall Sensoren, die unzählige Funktionen steuern. Wohl am häufigsten anzutreffen sind Airbag-Beschleunigungssensoren, MAP-Sensoren (Manifold Absolute Pressure), Gierratensensoren und Reifendruckkontrollsysteme.
Seit 1984 sind in den Vereinigten Staaten Airbags für die Sicherheit der Fahrzeuginsassen gesetzlich vorgeschrieben. Heute sind Airbag-Systeme überwiegend mit MEMS-basierten Beschleunigungssensoren ausgestattet, damit eine plötzliche Verlangsamung (Aufprall) zuverlässig erkannt wird. Einige Fahrzeuge haben bis zu 12 Sensoren zum Erkennen eines Frontal-, Seiten- und Heckaufpralls. Zu den führenden Anbietern von Aufprall-Beschleunigungssensoren zählen Analog Devices, Denso, Freescale Semiconductor und Sensornor/Infineon.
Die amerikanische Umweltschutzbehörde EPA (Environmental Protection Agency) war zuständig für die Einführung von MAP-Sensoren zur Verringerung der Umweltverschmutzung und Optimierung des Kraftstoffverbrauchs. Ein MAP-Sensor misst den Luftdruck im Ansaugkrümmer. Anhand dieser Messungen ermittelt ein Bordcomputer dann die optimale Mischung von Luft und Kraftstoff. Hersteller dieser Sensoren sind Bosch, Delphi, Denso, Freescale, Kavlico und andere.
Gierratensensoren, die die Drehung um die Hochachse messen, ermitteln in Kombination mit einem GPS-System (Global Positioning System) den Standort eines Fahrzeugs. Außerdem stellen sie die Ausrichtung eines Fahrzeugs fest, das umzustürzen, sich zu überschlagen oder unkontrolliert zu schleudern droht. Analog Devices, Bosch, Denso, Freescale und Murata haben alle MEMS-basierte Lösungen für Anwendungen wie Überschlag, Navigation und Steuerung der Fahrzeugdynamik eingeführt.
Da Reifenunterdruck ein erhebliches Sicherheitsproblem darstellt — Überhitzen des Reifens und starke Abnutzung, was wiederum zum Platzen des Reifens führen kann — und den Kraftstoffverbrauch erhöht, hat die zivile US-Bundesbehörde für Straßen- und Fahrzeugsicherheit NHTSA (National Traffic Highway Safety Administration) den Zeitplan für die Einführung von Reifendruckkontrollsystemen ab dem Modelljahr 1995 vorgegeben. Diese Kontrollsysteme sind seit 2007 für alle in den Vereinigten Staaten verkauften Neuwagen vorgeschrieben.
Die heutzutage üblichen TPMS-Sensoren sind dank MEMS-Systemen in der Lage, den Reifendruck direkt zu messen. Der an der Felge jedes Reifen angebrachte Sensor sendet die Messwerte drahtlos an ein Steuermodul, das die Werte analysiert und interpretiert. Amphenol NovaSensor, Bosch, Freescale, Melexis, Murata (www.muratamems.fi), Siemens und Sensata/Schrader gehören zu den auf diesem Markt tätigen Anbietern.
Erst vor kurzem hat Freescale das Reifendruckkontrollsystem (TPMS) FXTH8715, ein speziell für LKWs und andere Großfahrzeuge entwickeltes System (Abbildung 1), eingeführt. Die Serie wird als das branchenweit kleinste (7 mm x 7 mm x 2,2 mm) und genaueste (±17 kPa), voll integrierte Drahtlos-TPMS bezeichnet. Integriert in einem einzelnen QFN-Gehäuse sind Reifendruck- und Temperatursensoren, ein Ein-Achsen-Beschleunigungssensor für die Z-Achse oder ein Zwei-Achsen-Beschleunigungssensor für die X- und Z-Achse, ein RF-Sender, ein 125-kHz-NF-Empfänger und ein 8-Bit Mikrocontroller (S08-Kern) mit SIM, Interrupt und Debugging/Monitor. Die im System integrierte Intelligenz erlaubt die Erfassung und Übertragung von Sensordaten wie Reifendruck, Temperatur und Beschleunigung. Dadurch werden komplexe Analysefunktionen möglich, die nicht nur zur Verbesserung des Flottenmanagements beitragen, sondern überdies Reifendruckkontrollsysteme in hochwertige Endknoten des Internets von morgen verwandeln.
Für alternative Kraftstoffe
Große Automobilhersteller und ihre erstrangigen Zulieferer arbeiten an neuen, sensorbasierten Anwendungen für Fahrzeuge der nächsten Generation. Das Hauptinteresse gilt dabei Sensoren für Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen (wie beispielsweise Diesel, Hybrid, Strom, Erdgas und Stickstoff), bessere Navigation und Leistungsüberwachung und letztendlich natürlich dem selbstfahrenden Auto.
Strengere Abgasgrenzwerte waren für Hersteller dieselbetriebener Fahrzeuge der Anlass zur Einführung verschiedener neuer Systeme, die spezielle Sensoren erfordern — zum Beispiel Sensoren, die den Zylinderinnendruck messen. Sensata hat in Zusammenarbeit mit Beru einen Sensor für die Erfassung des Zylinderinnendrucks entwickelt, der auf Piezo-resistiver DMS-Technologie (Dehnungsmessstreifen) basiert. Dieser Sensor wird derzeit in Fahrzeuge von VW eingebaut. Optrand entwickelt robuste Sensoren für optische Messverfahren auf der Grundlage von Lichtwellenleitern. Ziel ist die Bereitstellung von Sensoren, die selbst Temperaturen von bis zu 350 °C standhalten und auch bei Drücken von bis zu 2.000 bar bzw. 30.000 psi eine Genauigkeit von 1 Prozent erreichen.
Außerdem setzt man für die Abgasnachbehandlung SCR-Systeme für die selektive katalytische Reduktion ein. Ein typisches SCR-System verfügt über 14 Sensoren, darunter 10 Temperatursensoren, drei Drucksensoren und einem Sensor zur Ermittlung der Harnstoffqualität. Der Harnstoffsensor prüft die notwendige Harnstoffkonzentration und ermittelt eventuell unerwünschte Flüssigkeiten.
Der AdBlue-Harnstoffsensor von TT Electronics (Abbildung 2) bedient sich einer speziellen optischen Technik für die Erfassung von Messwerten mit einer Genauigkeit von ±3,0 Prozent über einen Bereich von 0 Prozent bis 50 Prozent (Harnstoff in Wasser) bei Temperaturen zwischen −40 °C und 60 °C. Diese Sensortypen werden außerdem von Measurement Specialties (MEAS) und der SUN–A Corp. angeboten.
Abbildung 2: Der AdBlue-Sensor von TT Electronics bedient sich einer speziellen optischen Technik, bei der Abgase in einer Flüssigkeit ein Prisma füllen. Der Winkel, indem das von einer LED kommende Licht von diesem Prisma zurückgeworfen wird, erlaubt Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und Konzentration der Flüssigkeit im Prisma. (Quelle: Electronic Products)
Einer der wichtigsten Bestandteile in Fahrzeugen mit Wasserstoff-gespeisten Brennstoffzellen ist die Tankdruckkontrolle American Sensor Technology hat einen Drucksensor für extreme Umgebungen entwickelt, der mit piezo-resistiver DMS-Technologie (Dehnungsmessstreifen) arbeitet und in einer auf 20 bar ausgelegten Variante für die Low Side sowie einer 207-bar-Variante für die High Side des Wasserstofftanksystems erhältlich ist. Diese Sensoren sind auch noch bei Temperaturen bis 145 °C beständig gegen Wasserstoffkorrosion und erreichen eine Genauigkeit von ± 1,0 Prozent. Die momentan in großen Transportfahrzeugen eingebauten Sensoren durchlaufen derzeit einen Betastest in einer Mietfahrzeugflotte von Mercedes Benz in Europa.
Für Elektro- und konventionelle Fahrzeuge hat Freescale Semiconductor den MM912_637, einen intelligenten Batterie-Kontroll-Sensor entwickelt, der mit 12-V-Blei- und 14-V-Lithium-Ionen-Batterien kompatibel ist. Dieser Sensor ermittelt den Ladezustand der Batterie, deren Funktionsfähigkeit und Betriebszustand durch Messung des Batteriestroms, der Spannung und der Temperatur und übermittelt die Messdaten an einen Mikrocontroller mit integrierten Batterieleistungsalgorithmen. Außerdem warnt er frühzeitig vor ungewöhnlicher Batterieentladung und Batterieverschleiß (Abbildung 3).
Abbildung 3: Innenansicht eines Batteriekabelanschlusses; der Batteriekontrollsensor MM912_637 von Freescale misst und überwacht Batteriestrom, -spannung und -temperatur und warnt frühzeitig vor Batterieentladung und -verschleiß. (Quelle: www.electronicproducts.com)
Auf dem Weg zu autonomen Fahrzeugen
Auf der Consumer Electronics-Messe im letzten Januar präsentierte Daimler sein Forschungsfahrzeug, den Mercedes-Benz F015, und Audi stellte einen Q7 mit dem so genannten ‘Piloted Driving Concept’ vor. Wirklich autonome, selbstfahrende Fahrzeugen erfordern ein breites Spektrum neuer Sensoren. So braucht man beispielsweise verschiedene Typen von Entfernungs- und Bildsensoren für Abstandsregelung und Notbremsung, für den Spurwechsel/die Erfassung des toten Winkels und als Einparkhilfe. Derzeit werden zahlreiche Technologien auf Ihre Eignung für so genannte Fahrerassistenzsysteme geprüft, die sowohl die Fahrzeuge als auch das Fahren selbst sicherer machen sollen.
Ein derartiges System für die Objekterkennung und Entfernungsmessung ist Leddar. Die ursprünglich vom National Optics Institute (INO) in Quebec City entdeckte Leddar-Technologie wurde von LeddarTech entwickelt und vermarktet. Dieses auf der Messung der Laufzeit (ToF; Time of Flight) von Lichtimpulsen basierende Konzept ermöglicht durch Nutzung der Lichtsignale von Leuchtdioden und anhand eindeutiger Algorithmen das Erkennen, Lokalisieren und Messen von Objekten innerhalb des Sichtfelds. Dazu werden sehr kurze Lichtimpluse mit einer Geschwindigkeit von 100.000 Impulsen pro Sekunde gesendet, um einen bestimmten Bereich auszuleuchten. Das Licht, das von den (festen oder beweglichen) Objekten in dem vom Leddar-Sensor erkennbaren Bereich zurückgeworfen wird, wird mittels P-I-N- bzw. Avalanche-Fotodetektorelementen (oder anderen Elementen) erfasst und mit der patentierten, im IC-Format verpackten Signalverarbeitungs-Technologie LeddarCore erfasst, sodass anhand hocheffizienter Algorithmen die Position von Objekten und andere Attribute präzise zugeordnet werden können (Abbildung 4). Ein besonderer Vorteil der Leddar-Technologie ist die gleichbleibende Leistung sowohl über kurze als auch über weite Entfernungen, sodass sie für eine Vielzahl verschiedener Fahrerassistenz-Anwendungen genutzt werden kann.
Abbildung 4: Das Leddar-System von LeddarTech nutzt Messungen der Laufzeit von Lichtimpulsen zur Erkennung der Entfernung von Objekten und anderer Attribute mithilfe seiner Signalverarbeitungshardware-/-software LeddarCore. (Quelle: www.azosensors.com)
Texas Instruments bietet derzeit das TIDA-00151 Referenz-Design für die Entwicklung von Anwendungen wie Ultraschall-Einparkhilfe, Einparkautomatik und Toter-Winkel-Erkennung an. Das Modul ist mit dem PGA450-Q1 von TI ausgestattet, einem SOC-(System-on-Chip)-Sensorschnittstellen-IC für Ultraschall-Sensoren in Fahrzeugen. Der SoC übernimmt die gesamte Signalaufbereitung und -verarbeitung für die Echosignale des Schallwandlers und berechnet den Abstand zwischen Schallwandler und Objekten. MCU und Programmspeicher des SOC sind flexibel für die jeweilige Endanwendung konfigurierbar.
Auch Navigationssysteme müssen für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen genauer und zuverlässiger werden. BAW (Bulk Acoustic Wave) MEMS-Gyroskope von Qualtré überzeugen mit verschiedenen Leistungsvorteilen im Vergleich zu anderen MEMS-Gyroskopen für diese Anwendung: Genauigkeit, Stoß- und Vibrationsfestigkeit, Hochfrequenzbetrieb, hoher Gütefaktor (Q) ohne Vakuum-Packaging, und hohe Zuverlässigkeit da keine Beeinträchtigung durch Haftreibung entsteht. Dank des Fertigungsprozesses HARPSS können BAW-Elemente zuverlässig in großen Stückzahlen hergestellt werden.