Einst war technischer Fortschritt nicht zu übersehen: Plötzlich knatterten Autos über die Strassen, vor den Städten dampften riesige Fabriken und im Wohnzimmer schepperten Telefone. Heute ist Innovation eleganter: Computer und Mobiltelefone werden immer flacher und kompakter, Fahrzeuge machen von Jahr zu Jahr weniger Lärm, Daten werden über die Luft ausgetauscht. Ganze Bereiche des Fortschritts scheinen allmählich unsichtbar zu werden. Das gilt auch für die Sensorik: Die hochkomplexen Produkte, die diesen Bereich ständig erweitern und verbessern, werden immer kleiner und unauffälliger.
Eine Gebäudesteuerung braucht Daten aus der Umgebung
Automatisierung ist heute an vielen Orten selbstverständlich geworden, ohne dass wir dies direkt wahrnehmen. Gebäude werden immer stärker als komplette Systeme konzipiert – mittlerweile kann man ein modernes Haus fast als Wohnmaschine bezeichnen. Besonders wichtig ist die gezielte Steuerung von Lüftung, Heizung und Kühlung. Sie verbessert das Raumklima, senkt die Betriebskosten und schont langfristig die Umwelt. Ein gut reguliertes Gebäude verbraucht weniger Energie, weil zum Beispiel nur dann geheizt wird, wenn das wirklich nötig ist. Damit ein Steuerungssystem optimal läuft, muss es aber ständig mit Angaben über die Umgebung gefüttert werden. Wie warm und feucht ist es drinnen und draussen? Wie viele Personen halten sich im Gebäude auf? Wie steht es um die Luftqualität? Und wie verlaufen die Luftströme? Die entsprechenden Angaben werden meist von winzigen Messgeräten geliefert, Sensoren. Sie überwachen mit hoher Genauigkeit die Umgebung oder den Zustand von Geräten und leiten die Ergebnisse automatisch weiter.
Kleine Sensoren für neue Anwendungen
Sensoren sind Massenware – aber trotzdem Hightech-Produkte, die hohe Anforderungen an Entwicklung und Produktion stellen. Der Schweizer Hersteller digitaler Mikrosensoren und -systeme baut Sensoren für Flüssigkeiten, Gase, Differenzdruck sowie Temperatur und Feuchte. Diese sind beispielsweise in Autos oder in Gebäuden verbaut und sorgen für mehr Effizienz oder tragen zu mehr Wohlbefinden und Sicherheit bei.
Der Sensorspezialist entwickelte nun einen Multipixel-Gassensor und einen knapp 1,5 mm2 grossen, hochpräzisen barometrischen Drucksensor. Während der Gassensor die Luftqualität (IAQ) sowie Atemgase misst, erfasst der Drucksensor den barometrischen Luftdruck, der bei Indoor-Navigation-Anwendungen eingesetzt wird. Die Bauteile eignen sich für Wearables, Smartphones, Tablets sowie das Internet der Dinge (IoT).
Raumluft und Gerüche lassen sich messen
Der Gassensor basiert auf einer Multipixel-Technologie. Er nimmt seine Umgebung über verschiedene Rezeptoren wahr. Mithilfe komplexer und intelligenter Algorithmen sowie einer Mustererkennung lässt sich anschliessend sowohl der Gastyp als auch die Gaskonzentration bestimmen. Verschiedene Gase können somit erfasst und unterschieden werden. Der Sensor misst 2,45 × 2,45 × 0,75 mm.
Ein Anwendungsbeispiel ist die Messung der Luftqualität in einem Sitzungszimmer. Dabei misst der Gassensor flüchtige organische Verbindungen (VOC), welche zum Beispiel von Kunststoffen, Baumaterialien, Möbeln oder Teppichen abgegeben werden. Steigt die VOC-Konzentration in einem Raum zu stark an, kann das zu Kopfschmerzen, Müdigkeit und einer verminderten Leistungsfähigkeit führen.
Auch Allergiker könnten einst vom Multipixel-Sensor profitieren. Da er einmal gespeicherte Düfte wiedererkennt, kann er Sensor einen Nutzer oder eine Nutzerin warnen, wenn eine Mahlzeit oder ein Getränk Komponenten enthält, welche eine allergische Reaktion auslösen.
Präzise Indoor-Navigation dank genauem Drucksensor
Auch der barometrische Drucksensor ist ein Winzling. Er misst 1,4 × 1 × 0,6 mm und ist damit wesentlich kleiner als ein Reiskorn. Seine Messgenauigkeit liegt bei ± 1 Pa. Damit kann er Höhendifferenzen von einzelnen Treppenstufen erkennen. Das eröffnet eine neue Dimension im Fitnessbereich oder für die Navigation in Gebäuden. GPS-Systeme funktionieren im Innern eines Gebäudes nur sehr schlecht oder gar nicht. Riesige Shopping-Center oder Flughäfen sind deshalb meist noch weisse Flecken auf der Handy-Map. Der Drucksensor kann dabei helfen, Menschen punktgenau von A nach B zu lotsen. Davon profitieren nicht nur gestresste Reisende oder vollbepackte Shopper, sondern auch Menschen mit Sehbehinderung. Entsprechende Apps für das Smartphone werden bereits entwickelt und benötigen einen solchen Sensor, um die Höhen zum Beispiel von Treppenstufen exakt zu bestimmen.
Grössenvorteil durch Ein-Chip-Lösung
Die sogenannte CMOSens-Technologie vereint das Sensorelement sowie die analoge und digitale Auswertungselektronik auf einem einzigen CMOS-Siliziumchip. Dies bringt die angestrebten Grössenvorteile, wie etwa beim Feuchte- und Temperatursensor SHTW1, der 1,3 × 0,7 × 0,5 mm misst.
Neben der Hardware stellt Sensirion auch Software und Treiber bereit, entwickelt Algorithmen zur Signalverarbeitung, erstellt Szenarien für mögliche Anwendungsbereiche eines Sensors und gewährleistet Cloud-Anbindungen, welche die Messdaten bequem zur Weiterverarbeitung zugänglich machen.
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