Patentierter Schlüssel für das Internet der Dinge

An der TU Wien entstehen neuartige Sensortechnologien, die in kleine Siliziumchips integriert werden können

Wien – Schlagworte wie das Internet der Dinge, Industrie 4.0 oder vorausschauende Wartung fassen Vernetzungstechniken zusammen, die Maschinen, Fahrzeuge oder Alltagsgegenstände autonomer und flexibler machen. Eine Schlüsseltechnologie in diesem Zusammenhang sind möglichst leistungsfähige, kleine und günstige Sensoren. Sie erschließen den intelligenten Systemen ihre Umgebung genauso wie den Zustand der physischen Komponenten, aus denen sie selbst bestehen.

In vielen Bereichen – von Smartphones bis zu Medizinprodukten – werden winzige Sensoren, sogenannte Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), integriert, kleinste Bauelemente, die mechanische und elektronische Elemente in einem Chip vereinen. Wissenschafter am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien arbeiten daran, neuarti- ge MEMS-Sensoren zu entwickeln. Mit einem Sensor zur Bestimmung von Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen zählten Institutsleiter Ulrich Schmid und seine Kollegen gemeinsam mit dem Forschungsunternehmen AC2T Research zu den Nominierten des ersten Staatspreises Patent, der 2016 vom Verkehrsministerium vergeben wurde. Kommenden November wird die Auszeichnung für Erfindungen und Marken zum zweiten Mal vergeben.

Automatische Ölkontrolle

„Mit unserem Ansatz könnte man beispielsweise in einem Fahrzeug die Ölqualität überwachen, um festzustellen, ab wann die Leistung des Systems beeinträchtigt wird“, erläutert Schmid. Herzstück der Technologie ist ein sogenannter Cantilever, ein kleiner Balken als Teil eines Siliziumchips, der von der Flüssigkeit oder dem Gas umflossen wird. „Wir versetzen den Mikrobalken in mechanische Schwingung und schauen uns an, wie sich die Schwingungseigenschaften verändern, wenn er dem Medium ausgesetzt wird“, beschreibt der Wissenschafter das Grundprinzip. Durch die Messung der Resonanzfrequenz und des Energieverlusts pro Schwingungszyklus können Dichte und Viskosität, also die Zähigkeit des Mediums, abgeleitet werden. Je höher die Viskosität, desto stärker werden die Schwingungen gedämpft.

Um den kleinen Balken anzuregen und die Schwingungsveränderungen auszulesen, haben Schmid und Kollegen einen piezoelektrischen Ansatz gewählt. Das Anlegen einer elektrischen Spannung übersetzt sich dabei in eine abwechselnde, minimale Dehnung und Stauchung des Materials, das den Fühler in Schwin- gung versetzt. „Durch den niedrigen Energieverbrauch und den Umstand, dass der Sensor direkt elektrisch ansteuer- und auslesbar ist, eignet sich das Konzept gut für die Einbindung in von der Digitalisierung geprägte Systeme“, betont Schmid.

Elektrische Feldstärke

Ein weiterer MEMS-Sensor, der an Schmids Institut entwickelt wurde, wurde vor kurzem im Fachjournal Nature Electronics vorgestellt. Die Entwicklung, die von Sensorforscher Andreas Kainz federführend gestaltet wurde, dient dazu, elektrische Feldstärken zu messen. Anders als bei dem Sensor für Flüssigkeits- und Gaseigenschaften liegt der Vorteil hier darin, dass die Information gerade nicht elektrisch ausgelesen wird, weil leitende Komponenten die Messung verfälschen könnten. Bei diesem Sensoraufbau wird eine Siliziumplatte mit Lochraster auf Federn gelagert. Darüber befindet sich eine Glasplatte mit lichtundurchsichtigen Bereichen. Beide Elemente sind so abgestimmt, dass Licht ungehindert durch die übereinanderliegenden Öffnungen fällt.

Kommt der Sensor nun in den Einflussbereich eines elektrischen Felds, verformt sich die Siliziumplatte minimal, und das durchdringende Licht wird abgelenkt. Aus der Messung dieser Veränderung mittels Fotodioden kann so auf die Stärke des elektrischen Felds geschlossen werden. Anwendung könnte die Technik im Umfeld von Hochspannungsmaschinen finden. Schmid: „Techniker oder Einsatzkräfte könnten die Sensoren bei ihrer Arbeit am Helm tragen.“(pum)

Einreichungen zum Staatspreis Patent 2018 bis 12. Juni unter www.staatspreis-patent.at.