Neueste Entwicklungen bei Umgebungssensoren

Auf der ganzen Welt streben Menschen danach, immer mehr über die Orte zu erfahren, an denen Sie leben, arbeiten und aufwachsen. Dabei wollen sie nicht nur effektiv zum Umweltschutz beitragen, sondern auch die Risiken und Einflüsse ihrer Umgebungen auf die menschliche Gesundheit, Sicherheit und Lebensqualität verstehen. Außerdem dienen schmelzende Eiskappen, überflutete Küstengebiete, Erderwärmung etc. als nachweisbare Auswirkungen menschlichen Einwirkens auf das empfindliche und komplexe Gleichgewicht, welches die Umwelt unseres Planeten ausmacht. Derzeit rückt ein noch nie da gewesenes Interesse an umweltbezogenen Fragen in den Fokus von Wissenschaftlern, Entscheidungsträgern und auch Bürgern. Dieses steigende Bewusstsein für unsere Umwelt und Lebensräume wird von neuen Sensortechnologien und Sensornetzwerken unterstützt, mit deren Hilfe Umweltinformationen einfacher gesammelt und verfügbar gemacht werden können. In vielen Spezialbereichen werden Sensorgeräte bereits seit Jahrzehnten eingesetzt. Nun werden Umgebungssensoren aufgrund starker Preisrückgänge auch immer mehr für die Allgemeinheit zugänglich – inzwischen sind sie schon in banalen Haushaltsanwendungen zu finden. Die Abbildung unten zeigt einen Überblick über die derzeit am Markt verfügbaren Sensortechnologien, die in Umweltanwendungen sowie einer Vielzahl von privaten/kommerziellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Es werden immer mehr Sensoren in intelligente Geräte wie Smartphones und Wearables integriert, um einzigartige Einblicke und persönliche Messergebnisse zu liefern. Diese verändern nicht nur unsere Wahrnehmung der Umwelt, sondern auch unsere Selbstwahrnehmung.

Abbildung 1: Sensorarten und Kategorien

Das Hauptaugenmerk dieses Artikels liegt auf den Umweltanwendungsgebieten von Sensortechnologien und den wichtigsten Trends, die diesen dynamischen und wachsenden Markt kennzeichnen. 

Umgebungssensoren: Technologien und Anwendung

Sensoren und Messgeräte sind inzwischen in nahezu allen Industriezweigen und im modernen Alltag unverzichtbar. Sie sind heutzutage in Umweltanwendungen weitverbreitet und reichen von Kohlenmonoxidmeldern für zu Hause bis hin zu komplexer Bewertung von Straßenverhältnissen. Abbildung 2 zeigt die fünf Anwendungsbereiche, die für Umgebungssensoren unterscheidbar sind.

Abbildung 2: Anwendungsbereiche für Umgebungssensoren

In all diesen Bereichen ist die grundlegende Aufgabe von Sensoren die Messung der Konzentration von Metallen (Blei, Eisen, Magnesium etc.), radioaktiven Substanzen (Radium, Uran etc.), Gasen (CO2, NO2, Ozon, CO etc.), organischen Verbindungen (Benzol, Methan) und biologischen Erregern (Algen, Bakterien etc.). Auch Druck, Feuchtigkeit und Temperatur werden oft gemessen. Immer mehr halbleiterbasierte Sensortechnologien sind heute bereits in kleinen Formfaktoren erhältlich, wobei die meisten passiv oder aktiv arbeiten. Passive Sensoren benötigen keine zusätzliche Energiequelle – sie erzeugen direkt ein elektrisches Signal als Reaktion auf einen externen Stimulus. Thermoelemente, Fotodioden und piezoelektrische Sensoren sind allesamt typische passive Sensoren.  Der Betrieb von aktiven Sensoren erfordert dahingegen eine externe Energiequelle.  

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In den meisten Fällen sind Sensoren lediglich Komponenten eines größeren Kontroll- oder Messsystems, wobei die Komplexität und Empfindlichkeit eines Sensorsystems zunehmend von softwarebasierter Interpretation und Analyse der Sensorsignale abhängen. In der Sensorbranche kommt es derzeit – unabhängig von der Sensorart – zu einem explosionsartigen Anstieg von Anwendungsbereichen. Einerseits sind es die niedrigeren Kosten und andererseits ist es die höhere Funktionalität, die Sensoren für alle Sparten so ansprechend machen.

Vorherrschende Trends in der Sensorik

Die digitale Revolution der letzten drei Jahrzehnte ist immer noch im vollen Gange und nun sind es die Sensortechnologien, die eine völlig neue Ära an Anwendungen einleiten. Besonders das IoT-Paradigma (Internet der Dinge) ist auf Sensordaten und -analysen angewiesen, um Beteiligte mit neuen Wertschöpfungsquellen zu versorgen. Kontinuierliche Innovation in mehreren Bereichen führt zu einigen vorherrschenden Trends in der Sensortechnologie:

Sensorleistung: Die Leistung eines Sensors ist von der Empfindlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit seiner Ausgangssignale abhängig. Innovationen im Zusammenhang mit neuen Materialien, Sensoriktechnologien, Fertigungsmöglichkeiten und Verpackungsmethoden haben nicht nur zur drastischen Kostenreduktion, sondern auch zur Verbesserung der Empfindlichkeit beigetragen. So zeigte sich beispielsweise nur in den letzten zwanzig Jahren bei der Empfindlichkeit von Gassensoren eine Verbesserung von 50 ppm auf ungefähr 10 ppm. Im selben Zeitraum verringerten sich die Stückkosten von Gassensoren um beinahe drei Größenordnungen (Abbildung 3). Es besteht außerdem eine steigende Tendenz dazu, mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und neuerdings nanoelektromechanische Systeme (NEMS) in Sensoren einzubauen, wodurch sich ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit drastisch erhöht. Darüber hinaus werden immer häufiger Messelemente aus Silikon (auch für kalorische und chemische Parameter) eingesetzt, wodurch die Funktionsweise von Sensoren weiter verbessert wird. Gleichzeitig wird auch die Messunsicherheit durch optimierte Verpackungstechnologien verringert, wodurch die Reproduzierbarkeit und langfristige Stabilität in intensiven Anwendungen erhöht wird. Der sich abzeichnende Trend in Richtung höherer Leistung führt dazu, dass immer mehr hochempfindliche Geräte verfügbar sind. Diese werden in Zukunft besonders in Früherkennungssystemen industrieller, kommerzieller und privater Bereiche mit massiven Kosteneinsparungsplänen zum Einsatz kommen. 

Abbildung 3: Kosten- und Leistungstrends bei Gassensoren (Quelle: Prof. Jeff Funk, New Generation MEMS Gas Sensors)

Miniaturisierung: Bemerkenswerterweise wurde eine Leistungssteigerung bei Sensoren erreicht, während gleichzeitig Formfaktor und Energieverbrauch der Sensoren reduziert wurden. Beispielsweise machten Gassensoren im Laufe der letzten vier Jahrzehnte einen Wandel von 17 mm Größe auf weniger als 2 mm durch (Figure 4). Erwähnenswert ist hier zudem, dass der Stromverbrauch pro Einheit bei dieser Veränderung der Formfaktoren um mehr als zwei Größenordnungen weniger wurde.

Abbildung 4: Miniaturisierung von Gassensoren (Quelle: Prof. Jeff Funk, New Generation MEMS Gas Sensors)

Aufgrund der kleineren Bauweisen und niedrigeren Energieanforderungen werden Sensoren portabler und darüber hinaus langlebiger. Batteriebetriebene Sensorsysteme, die nicht länger auf ein Netzteil angewiesen sind, eröffnen Perspektiven auf neue Überwachungsparadigmen. Empfindliche industrielle Bereiche und Umgebungen, wo eine Steckdose nur selten zu finden ist, können jetzt bei extrem geringem Platzbedarf überwacht werden. Die silikonbasierte Sensorik sichert den Trend der Miniaturisierung, der für viele drastische Veränderungen bei der Rechenleistung (Mooresches Gesetz) verantwortlich ist und fortan einen festen Platz in Sensortechnologien haben wird. Der größte Vorteil von Miniaturisierung ist mit Abstand die Möglichkeit, Sensoren in Wearable- und Smartphone-Technologien zu integrieren.

Abbildung 5: Anzahl der Umgebungssensoren in Mobiltelefonen und Tablets (Quelle: IHS Emerging Sensors in Handsets and Tablets Report – 2014)

Integration: Ein weiterer technologischer Trend ist der Einsatz von mehreren Sensoren in einem einzelnen Gerät bei Massenanwendungen. Die Integration von mehreren Sensoren in ein Sensorarray, etwa an einem Heißelement in Verbindung mit Mustererkennung, schafft neue Geräte, die mehr als nur eine Sensorart abdecken. Der Nachweis von mehreren Gasen und auch die Erkennung von physikalischen Umweltbedingungen, wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck, werden dadurch zu machbaren Funktionen, die in kommerziellen und privaten Anwendungen eingesetzt werden. Durch die Verknüpfung von physikalischen, chemischen und biologischen Sensoren in einem einzigen Sensorelement, z. B. zum Messen von Druck, Säure etc., verändert sich der Alltag in der Laborarbeit. Ein Gerät vom Typ „Umgebungssensor auf einem Chip” ist nun mehr als nur ein Konzept. Es verfügt sogar über das Potenzial, die Arbeit mit Umgebungssensoren extrem zu verkürzen und die Kosten von Analysen drastisch zu senken.

Abbildung 6: Integration verschiedener Umgebungssensoren

Standardisierung und Sicherheit: Sensoren sind immer Teil eines größeren Kontrollsystems. Es ist deshalb wesentlich, dass die Integration eines bestimmten Sensors oder eines Moduls mit mehreren Sensoren in das größere System möglichst einfach funktioniert. Darüber hinaus müssen bei so vielen Sensoren, die zugleich Daten senden, unbedingt Schnittstellen eingebaut werden, die bei der Verarbeitung der Daten helfen. Die Standardisierung von Konnektivität und Kommunikationsprotokollen ist zweifelsohne notwendig, da sich aus domänenübergreifendem Datenaustausch wertvolle Erkenntnisse ableiten lassen. Darüber gibt es immer mehr System-On-Chip-Designs, welche Sensormodule mit standardisierter Stromversorgung, Verarbeitung und HF-Modulen integrieren. Dieses Modell der Design- und Kommunikationsstandardisierung minimiert nicht nur Kosten, Gerätgröße und Stromverbrauch, sondern erhöht dazu die Funktionalität und den Anwendungsbereich des Geräts. 

Abbildung 7: Integrierte Umgebungssensorknoten

Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Standardisierung ist Sicherheit. Sensoren und Sensornetzwerke dürfen keine Schwachstellen aufweisen – schließlich sind auch sie das Ziel unzähliger Sicherheitsbedrohungen, die alle digitalen Netzwerke und Geräte betreffen. Durch das Einhalten etablierter Standards wird sichergestellt, dass Ausgabewerte von Sensoren nicht manipuliert und dass sie nur von autorisierten Personen empfangen werden können.

Autonomie und Intelligenz: Je mehr leistungsstarke Sensoren es rund um uns gibt, desto besser werden wir zweifelsohne in der Lage sein, unsere Umwelt und die Veränderungen, denen sie unterliegt, zu verstehen. Sensoren werden laufend optimiert, damit sie auf autonome und intelligentere Weise arbeiten. Der Schlüssel einer solchen Leistungsfähigkeit liegt darin, die Sensordaten angemessen zu verarbeiten. Wer zu aussagekräftigen Erkenntnissen gelangen will, muss oft Daten aus mehreren Quellen vereinen. Dazu kommt, dass Trenddaten meist wertvoller sind als punktuelle Messungen. Es wird bereits daran gearbeitet, vermehrt funktionale Integration auf Basis von hochintegrierten Komponenten in der Sensorelektronik einzusetzen, um eine solche Betriebsweise zu ermöglichen. Mustererkennung, zusätzliche Datenerfassung und fortschrittliche algorithmische Analysen sind ausschlaggebend dafür, Sensordaten auf einem neuen Niveau zu präsentieren. Zu diesem Zweck werden Sensoreinheiten vermehrt mit integrierten Analysefunktionen ausgestattet und mit Cloudplattformen vernetzt, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. Die Sensoreinheiten selbst verfügen zunehmend über integrierte Funktionen wie Eigenüberwachung, Störungserkennung und ‑diagnose, Selbstkalibrierung (Selbstanpassung) und Neukonfiguration. Werden diese Funktionen zur präventiven Wartung eingesetzt, so können die Betriebskosten in industriellen und kommerziellen Anwendungsbereichen potenziell drastisch gesenkt werden. Ein weiterer Bereich, wo sich Sensoren stetig weiterentwickeln, ist die Anwenderfreundlichkeit und einfache Implementierung (für integrierte Kommunikationsschnittstellen, Plug-and-Play-Funktionen, automatische Lokalisierung etc.) in Hinblick auf die Adaptierung für den Umweltkontext.

Das Erreichen eines autonomen und doch hochintegrierten Betriebsmodus erfordert einen ganzheitlichen Ansatz im Sensordesign. Dazu müssen neue 3D-Designinstrumente, FEM-Berechnung (Finite-Elemente-Methode), Matlab/Simulink-Integration sowie umfassende und genaue Daten eingesetzt werden. Darüber hinaus gilt es als Schlüssel zur Innovation, Daten aus verschiedenen physikalischen Sensoren zu vereinen, damit umfassendere Daten von einem zentralen „logischen” oder „virtuellen” Sensor bereitgestellt werden können.

All diese Trends werden unsere Welt auf bislang ungekannte Weise verändern. Im Zusammenspiel könnten Entwicklungen in den Bereichen Cloud Computing, Sensortechnologien, Wearables und Smartphones ein höheres Bewusstsein für unsere Umwelt – in der wir leben, arbeiten und spielen – schaffen. Informationen über Luftverschmutzung, Straßenverhältnisse, Lärmpegel, Wetterbedingungen, Strahlungspegel und Wasserqualität unserer direkten Umgebung könnten von Sensornetzwerken direkt auf unser Smartphone geliefert werden. Es fällt nicht schwer, eine solche Welt zu begreifen. Die genannten Anwendungsbereiche befinden sich allesamt im städtischen Bereich, jedoch gibt es ebenso viele Datenströme, die für die freie Natur und ökologisch sensible Gebiete verfügbar sein werden. Dazu gehören beispielsweise die Erkennung von Waldbränden, Ozonwerten, Grad der Eisschmelze, Salzgehalt etc. Mithilfe dieser Informationen werden wir einerseits in der Lage sein, Umgebungen besser zu kontrollieren, und sie andererseits auf ganz neue Weise zu verstehen.