Kaum ein Bereich der Elektrotechnik hat sich in den letzten Jahren so enorm entwickelt und hat weiterhin so gute Zukunftsaussichten wie die Sensorik: Handys können dank der vielen Sensoren längst viel mehr als nur telefonieren, Autos werden dank modernster Sensorik bald autonom fahren.
Funktionsweise und Technik beleuchten
Die amerikanische Forschungsorganisation NSF hat 2015 einen Report über Sensorik unter dem Titel «The Sensor Revolution» veröffentlicht. Sensoren revolutionieren die Technik und sie sind auch ein gewichtiger Teil des so genannten «Internet of Things», IoT, das heute in aller Munde ist. Im neuen Weiterbildungskurs «Sensorik und analoge Mikroelektronik» an der HSR geht es aber nicht um Schlagworte, sondern um die Funktionsweise und die Technik hinter der modernen Sensorik. Der Kurs ist in die vier Module Sensoren, Sensor Signal Conditioning, analoge Mikroelektronik und Projektarbeit gegliedert. Er behandelt die physikalischen Effekte, die Umwandlung der physikalischen in elektrische Grössen und die Signalverarbeitung, die dafür eingesetzt wird. Der Kurs hat diverse Schwerpunkte, u. a. die Photonik (Optik, Optoelektronik und Lasertechnik). Dies sind Gebiete, die sich dank moderner Halbleitertechnologie in neue Anwendungsbereiche ausbreiten. Die optische Messtechnik ist heute sehr preiswert, weil Photodioden auf ICs mitintegriert werden können. Optische Sensoren detektieren Licht, das optische Aktoren aussendet.
Distanzen mit Lichtgeschwindigkeit messen
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser-)Dioden sind leistungsfähige, mittlerweile günstige Lichtquellen u. a. für die Datenübertragung mit hohen Frequenzen. Im Kurs lernen die Teilnehmer unter anderem, wie die ToF(Time of Flight-)Kameras funktionieren, die Distanzen mit Lichtgeschwindigkeit messen und auch dreidimensionale Bilder aufnehmen können.
Auch MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) werden vertieft behandelt. MEMS dienen z. B. der Messung von Druckunterschieden oder Bewegungen. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich vom Mikrophon bis zum Gyroskop, vom Thermometer bis zum hochpräzisen Oszillator. Verschiedenste MEMS und optische Sensoren werden u.a. in Smartphones verbaut, was sie dank grosser Stückzahlen günstig und auch für industrielle Anwendungen interessant macht. Auch andere Sensortypen entwickeln sich weiter, werden besser, billiger und intelligenter. Als Beispiel sei das F&E-Projekt DTNA erwähnt, für das die HSR eine neue Elektronik für induktive Messtaster der Peter Hirt GmbH entwickelt hat (Bild 1).
Projektbeispiel – intelligenter, induktiver Messtaster
Induktive Messtaster bestehen aus zwei Spulen, die von differentiellen Sinussignalen mit Frequenzen im Bereich um 10 kHz angeregt werden. Die Elektronik zur Anregung und Auswertung des Tasters wird heute meist entweder mit einem speziell dafür entwickelten IC (dem AD698), oder mit aufwendiger Hardware realisiert. Beide Varianten brauchen viel Platz und Strom und sind relativ teuer. Bild 2 zeigt das Blockdiagramm des AD698 mit dem Spulensensor, einem «Half bridge LVDT». Die mechanische Position des Tasters bestimmt das Verhältnis der Amplitude des Sinussignals beim Mittenabgriff (Signal A) zur Signalamplitude über beiden Spulen (Signal B).
Die Auswertung der Sensorsignale kann mittels analoger Division erfolgen. Vor der Division A/B werden beide AC-Signale synchron zum Stimulus gleichgerichtet und mit einem Tiefpass gefiltert. Die Analog-Digital-Wandlung, die Temperaturkompensation und die Kalibration des Sensors erfolgen in der Auswerteeinheit. Wird ein Sensor ersetzt, muss das System aufwendig neu kalibriert werden.
Im Projekt DTNA wurde eine Schaltung entwickelt, die direkt im Sensorgehäuse untergebracht werden kann: Analogteil, Digitalisierung, Kalibration und Kompensation können direkt im Sensor erfolgen, was beim Austausch ein enormer Vorteil ist. Ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) übernimmt die Signalgenerierung, Wandlung und Signalaufbereitung, ein Mikrocontroller enthält die Kalibrationsdaten und kommuniziert mit der Steuereinheit.
Sigma-Delta-Wandler werden für die Sensoranregung und für die Analog/Digital-Wandlung eingesetzt. Filterung, Demodulation und Mittelwertbildung der Sensorsignale erfolgen digital. Dies macht das System extrem flexibel. Ohne Mittelwertbildung werden Reaktionszeiten von 0,2 ms erreicht, mit aktiver Mittelwertbildung sind 20 nm Auflösung möglich. Gegenüber der analogen Schaltung ist die hier entwickelte mehr als zehnmal präziser. Auch der Stromverbrauch ist wesentlich geringer, zudem ist die Schaltung einfach in einen Standby-Modus zu versetzen. Damit ist auch ein Batteriebetrieb in einem drahtlosen Sensornetzwerk denkbar. Der eingebaute Selbsttest, die automatische Temperaturkompensation und die digitale Kommunikation machen aus dem einfachen einen intelligenten Smart-Sensor (Bild 3).
Intelligente Sensoren
Ein intelligenter Sensor enthält eine digitale Schnittstelle zur Aussenwelt. Dazu benötigt er, neben dem eigentlichen Sensor, analoge Signalaufbereitung, Analog/Digital-Wandlung und auch digitale Signalverarbeitung. Die analoge Signalaufbereitung und die Digitalisierung sind Themen im Kurs. Die digitale Signalverarbeitung wird in den anderen Kursen des Masterkurses Mikroelektronik vertieft.
Analoge Mikroelektronik
Der Stromverbrauch von Elektronikschaltungen ist heute ein wichtiges Thema, nicht nur in Sensornetzwerken und dem IoT. Für die Reduktion des Stromverbrauchs muss man parasitäre Kapazitäten und Ströme minimieren. Da Kapazitäten auf einem Chip viel geringer sind als auf Leiterplatten, sind applikationsspezifische ICs (ASICs) bezüglich des Stromverbrauchs optimal. Im 3. Teil des Kurses lernt man, wann sich die Entwicklung eines eigenen ASIC lohnt, wie ASICs entwickelt werden und wie sich das IC-Design von der diskreten Schaltungsentwicklung unterscheidet.
Die Projektarbeit ist Teil 4 des Kurses
Im vierten und letzten Teil des Kurses machen die Studierenden eine selbst gewählte Projektarbeit, in der z. B. ein «Intelligenter Sensor» entwickelt werden kann, mit analogen Schaltungen und digitaler Auswertung. Besonders interessierte Kursteilnehmer können in einer etwas aufwendigeren Projektarbeit einen eigenen Mixed-Signal-ASIC entwickeln. Die Produktion der ASICs wird finanziell von den Partnerfirmen AMS und Microdul unterstützt.
Fazit
Wer sich für die «Sensor Revolution» interessiert und ein Faible für Elektronik und analoge Signalverarbeitung hat, ist im neuen berufsbegleitenden Weiterbildungslehrgang CAS Sensorik der Hochschule Rapperswil am richtigen Ort. Der Kurs dauert ein Semester (30 ECTS) und startet am 24. Februar 2017. Die einzelnen Blöcke des Kurses sind auch separat belegbar. Der Weiterbildungskurs ist zudem Teil des MAS Master of Advanced Studies in Mikroelektronik, das gemeinsam von der FHNW und der HSR angeboten wird. Weitere Infos unter: www.hsr.ch/CAS-Sensorik-und-analoge-Mikro.2093.0.html oder per E-Mail an Prof. Guido Keel, gkeel@hsr.ch.
Infoservice
HSR Hochschule für Technik
Prof. Guido Keel, Dozent für (Mikro-)Elektronik und Sensorik
Oberseestrasse 10, 8640 Rapperswil
Tel. 055 222 46 83, guido.keel@hsr.ch, www.hsr.ch
