Senor-/Aktorsysteme

Integrationstechnologien für eine vernetzte Welt

15. November 2013, 6:28 Uhr | Von Harald Pötter, Klaus-Dieter Lang, Karl-Friedrich Becker, Maik Hampicke, Olaf Bochow-Neß und Georg Weigelt
Sensorknoten für Hochspannungs-Freileitung
Sensorknoten für Hochspannungs-Freileitung mit Software-Tool zur Sensorauswertung
© Fraunhofer IZM

Der Beitrag zeigt anhand aktueller Projekte die Leistungsfähigkeit von Integrationstechnologien zur Herstellung miniaturisierter Sensor- und Aktorsysteme (Smart Systems aus Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Sensorik) auf.

Industrie 4.0, Internet der Dinge, Smart Grid, Cloud Computing – immer wenn Bilder der Zukunft gemalt werden, steht die Vernetzung im Mittelpunkt dieser Szenarien. Mensch und Maschine sind in Zukunft jederzeit erreichbar und mit einander vernetzt. Was bei diesen Zukunftsbildern oft stillschweigend vorausgesetzt wird, ist das Vorhandensein entsprechender autark operierender Sensor- und Aktorsysteme. Denn was nützt eine ambitionierte Vernetzung, wenn keine relevanten Daten zur Verfügung stehen oder wenn keine Aktoren vorhanden sind, welche die entsprechenden Daten für den Menschen sichtbar machen oder entsprechende Steuerungs- und Regelungsaufgaben durchführen.

Damit spielen Integrationstechnologien zur Herstellung miniaturisierter Sensor- und Aktorsysteme (Smart Systems aus Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Sensorik) mit eigenständiger Energieversorgung für einen autarken Betrieb eine entscheidende Rolle für den Erfolg dieser Szenarien. Hardware ist einmal mehr das Fundament einer nahezu unerschöpflichen Anwendungsvielfalt – auch in einer vernetzten Welt.

Automobiltechnik oder Mobilkommunikation haben es bereits vorgemacht, wie sich mit intelligenter, vernetzter Sensorik und Aktorik der Produktnutzen erheblich steigern lässt. In Anlehnung an diese Vorbilder ist in Branchen wie der Industrie-, der Energie- oder der Medizintechnik eine zunehmende Nachfrage nach Produkten mit miniaturisierter, vernetzter Sensorik und Aktorik zu verzeichnen, die über eine eigenständige Energieversorgung und standardisierte Kommunikationsfunktionen verfügen.

Die Anforderungen der einzelnen Anwendungsfelder lässt die Komplexität beim Aufbau elektronischer Systeme sowohl für die Sensorik als auch für die dahinter stehende Datenverarbeitung stark ansteigen. Gefordert sind Integrationstechnologien, die den ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich kleinster Baugrößen, geringer Verlustleistung, großer Frequenzbereiche, hoher Zuverlässigkeit bei niedrigen Fertigungskosten und Effizienz auch bei kleinen bis mittleren Stückzahlen Rechnung tragen.

Die nachfolgenden Abschnitte zeigen zunächst an aktuellen Beispielen, welche Potenziale sich mit vernetzter Sensorik erschließen lassen und welche technologischen Probleme dabei zu bewältigen sind. Anschließend wird auf die dahinterstehenden Technologie-Trends eingegangen.

Status Quo und Trends ­ausgesuchter Anwendungsfelder

Die praktische Anwendung autarker Sensoren und deren Verknüpfung zu Sensornetzwerken kommt langsam, aber stetig voran. Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, eignen sich autarke Sensornetze insbesondere dann, wenn

- hohe Kosten zum Aufbau der Infrastruktur entstehen – etwa bei großen lateralen Ausdehnungen der Maschine oder regionaler Verteilung der Sensorik,

- Sensorik in schwer zugängliche Stellen zu integrieren ist – etwa in bewegte Teile oder gedichtete Arbeitsräume,

- die Sensorik in rauen Umgebungen betrieben werden muss, in denen Kabel Schaden nehmen würden – etwa durch Steinschlag, Überspannungen,

- temporäre Messaufgaben zu lösen sind – etwa bei der Einrichtung von Maschinen oder der Schwingungsanalyse,

- wechselnde Produkt-/Messkonfigurationen vorherrschen (Logistik, Anbaugeräte, …),

- von wechselnden Umgebungsbedingungen und unterschiedlichen Sensoren ausgegangen werden muss,

- Sensorik nachgerüstet werden soll oder optional eingebracht werden kann.

Nachstehende Beispiele zeigen exemplarisch, welche technischen Probleme hinsichtlich Energieversorgung respektive Betriebsdauer, Robustheit der Funkprotokolle und nicht zuletzt hinsichtlich der Integration in Produkt- und Dienstleistungskonzepte zu lösen sind. Die Beispiele sind so gewählt, dass der Beitrag zum Bestehen kommender gesellschaftlicher Herausforderungen – etwa bei der Energiewende mit den Aspekten Energieeffizienz, dezentrale Bereitstellung von Energie und angebotsgesteuerte Schaltung der Energienachfrage oder effiziente Produktionsprozesse mit dezentraler Steuerung von Maschinen, Anlagen und Prozessen in Produktion, Logistik und Infrastruktur durch Cloud Computing, Internet der Dinge oder Internet der Dienste – deutlich wird.

 


  1. Integrationstechnologien für eine vernetzte Welt
  2. Herausforderung Monitoring von Freileitungsnetzen in der Energietechnik
  3. Herausforderung Condition Monitoring in der Papierherstellung
  4. Herausforderung Integration von Sensorknoten in Funktionsbauteile
  5. Händler-Integration in Marken-Webshops
  6. Status Quo und Trends bei den zum Einsatz kommenden Techniken
  7. Fertigungsvariante Molding

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Fraunhofer IZM (Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration)