Passive Sensorik Messen ohne Stromanschluss

Messen ohne autonome elektrische Energieversorgung.
Messen ohne autonome elektrische Energieversorgung.

Oft möchte man physikalische Größen an Stellen aufnehmen, wo weder Kabel verlegbar sind noch eine autonome elektrische Energieversorgung möglich ist. Auch dafür gibt es Sensoren – wenn es zulässig ist, den eigentlichen Messvorgang und das Auslesen zeitlich voneinander zu trennen

Im Transportgewerbe geht es bekanntlich nicht immer sanft zu – eine Folge von Zeit- und Kostendruck. Kisten fallen von der Lkw-Ladefläche auf den Boden oder werden vorschriftswidrig auf den Kopf gestellt. Bei wärmeempfindlichen Gütern – Lebensmittel und Medikamente – klappt die vorgeschriebene Kühlung nicht immer. Ursprünglich luftdichte Verpackungen werden beschädigt, sodass Sauerstoff eindringt und der Inhalt verfrüht verdirbt. Und so weiter. Der Schuldige ist selten auszumachen, und so bleiben andere auf dem Schaden sitzen.

Längst gibt es Nachweismethoden. Es wird – oft ohne Wissen des Transportunternehmers – ein elektronisches Überwachungsgerät mit in die Kiste gepackt. Sensoren nehmen Beschleunigung, Temperatur, Feuchte oder andere Größen auf, eventuell auch noch GPS-Koordinaten; dabei läuft eine Uhr mit. Bei durchgehendem Betrieb ergibt das lange Messreihen mit hohem Bedarf an Speicherplatz. Dieser lässt sich wesentlich reduzieren, wenn nur bei Überschreitung von vorgegebenen Grenzwerten die Messwerte zusammen mit ihrem Zeitpunkt abgespeichert werden. Der Empfänger packt das Überwachungsgerät aus, liest die Daten aus und weiß dann, wo und wann was passiert ist. Sogar ohne Öffnen von Verpackungen ist das möglich: mittels Funkabfrage mit einem RFID-Lesegerät. Solche beigepackten Messsysteme mit Sensor, Mikrocontroller, Batterie und Antenne (Bild 1 links) nennen sich „Smart Active Label“; sie haben mittlerweile große Verbreitung gefunden. Damit lassen sich Streitfälle bei Schäden meistens schnell klären.

Trotz allen Nutzens sind solche Überwachungsgeräte jedoch nicht überall einsetzbar. Zunächst einmal sind sie kostspielig; sie rechnen sich nur bei teuren Gütern. Und zum Betrieb sind Batterien nötig. Steht die Kiste längere Zeit im Lager herum, dann können die Batterien leer werden; werden sie überdimensioniert, steigen Kosten und Bauvolumen. Energy Harvesting würde hier nicht funktionieren.
In vielen Fällen ist der genaue Zeitpunkt eines Stoßes oder einer Temperatur-überschreitung nicht wichtig; es genügt, überhaupt zu wissen, dass innerhalb eines bestimmten Zeitraums ein unerwünschtes Ereignis stattgefunden hat. Das vereinfacht den Nachweis ganz wesentlich.

In solchen Fällen findet eine völlig neue Art von Sensoren Einsatz, die während des eigentlichen Messvorgangs überhaupt keine Stromversorgung benötigt. Der äußere Einfluss löst hier eine irreversible physikalische oder chemische Veränderung aus, und diese wird dann nach Ablauf der Einsatzzeit elektrisch gemessen. Sogenannte „Smart Passive Labels“ enthalten keine Batterie und keinen Mikrocontroller, nur einen relativ einfachen Chip und eine Antenne, über die sie mit einem RFID-Lesegerät abgefragt werden (Bild 1 rechts). Die dafür nötige Energie kommt aus dessen Hochfrequenzfeld.

Vorwärts und nicht mehr zurück

Intensive Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet betreibt Prof. Dr. Martin Hoffmann an der TU Ilmenau, Fachgebiet Mikromechanische Systeme (www.tu-ilmenau.de/mms). Sein Team hat in den letzten Jahren eine ganze Reihe von originellen Ideen für solche passiven Sensoren vorgestellt – ausgelegt für unterschiedliche Messgrößen.

So lässt sich beispielsweise Beschleunigung stromlos erfassen. Basis ist eine mikromechanische Struktur mit einer trägen Masse, die sich bei einem mechanischen Stoß verschiebt, ähnlich wie bei den üblichen MEMS-Sensoren. Im Gegensatz zu diesen trägt die Masse hier jedoch federnde seitliche Sägezahnleisten, denen am feststehenden Teil ebensolche gegenüberstehen (Bild 2). So wird verhindert, dass die Masse nach dem Stoß wieder in ihre Ruhelage zurückkehrt. Je nach Stärke des Stoßes bleibt sie einen oder mehrere Zähne weiter hängen.

Ohne äußere Einflüsse hält dieser Zustand anschließend beliebig lange an, er lässt sich später auf elektronischem Wege auslesen – über die Kapazititätsveränderung zwischen Kammelektroden wie bei den normalen Beschleunigungssensoren. So ist nachweisbar: Die Kiste ist irgendwann innerhalb des Beobachtungszeitraums hart gefallen oder auf den Kopf gestellt worden.

Auch rücksetzbare, wiederverwendbare Versionen der Sensoren sind möglich; dazu ist ein elektrostatischer Tangentialaktor miteingebaut, der beim Anlegen einer Spannung von etwa 100 V die äußeren Sägezahnleisten auseinanderzieht, sodass die träge Masse wieder in ihre Anfangsposition zurückkehren kann.

Die bisher aufgebauten Versuchsmuster erfassen Beschleunigungsamplituden zwischen 5 g und 30 g. Die maximale Verschiebung der trägen Masse ist bei den Versuchsmustern 1 mm, bei 20 Zähnen ergibt das ein Raster von 50 µm und eine für die praktische Anwendung ausreichende Auflösung. Die Herstellung erfolgt wie bei anderen mikromechanischen Strukturen mittels Ätzen von Silizium auf Isolator (SOI). Bild 3 zeigt den Aufbau.