Faszination Technik Mini-IoT-Sensor findet Schwachstellen in Maschinen und Menschen

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

a.b.jödden gmbh

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein fingerkuppengroßer, wasserdichter Impedanzanalysator, der die Eigenschaften von Flüssigkeiten auch an schwer zugänglichen Orten messen kann.

Je größer eine Industriemaschine, desto schwieriger ist es im Störfall, von außen eine ungewollte Abweichung im Öldruck oder gar ein Leck in einer Leitung festzustellen. Ähnlich verhält es sich mit der Erkennung von Krankheitsursachen beim Menschen. Klagen Patienten über Schmerzen im Bauchraum, führt meist kein Weg an einer aufwendigen Magen- oder Darmspiegelung vorbei. In beiden Fällen kann die elektrochemische Impedanzspektroskopie Abhilfe schaffen.

Impedanzspektroskopie erkennt veränderte Eigenschaften

Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie wird ein Frequenzspektrum von einer Elektrode durch ein Medium zu einer zweiten Elektrode geschickt: Daraus lässt sich ein Spektrum, also ein bestimmter Fingerabdruck dieses Mediums, ableiten. Werden dabei Veränderungen von Material- oder Flüssigkeitseigenschaften deutlich, kann dies sowohl ein Indiz für die fortschreitende Korrosion eines Bauteils oder auch für das Vorliegen eines bestimmten Krankheitsbilds sein.

Bis jetzt waren Impedanzanalysatoren nicht klein und mobil genug, um sie für diese Zwecke einsetzen zu können. Forschende am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin haben nun mit Unterstützung von MST und Sensry einen kompakten und modularen IoT-Sensor für diese Anwendungen entwickelt, der Impedanzen messen und drahtlos übertragen kann. Er ist nicht nur wasserdicht, sondern auch biomedizinisch kompatibel.

Messung unterschiedlichster Daten

Wie das Fraunhofer IZM mitteilt, besteht der Sensor aus einem bioverträglichen Polymer und vereint auf gerade mal 11 x 16 Quadratmillimetern die zwei notwendigen Elektroden mit zahlreichen Komponenten für die Analyse von Umgebungseigenschaften, darunter sechs Sensoren für die Messung unterschiedlichster Daten. So soll das kleine Multitalent neben Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit auch das eigene Beschleunigungsverhalten, die Rotation oder Umgebungsgeräusche erfassen können. Licht und Farben werden von einem integrierten Lichtsensor bestimmt, heißt es.

Der Sensor kann bei einem Störfall einer Maschine beispielsweise in eine Ölleitung gegeben werden, wo er das ganze System durchwandert. Drahtlos werden dann in Echtzeit genaue Daten über die Eigenschaften der Umgebung an eine eigens entwickelte Software mit Webinterface für PC und Smartphone übertragen. Ist eine Stelle erreicht, an welcher der Druck oder das Flüssigkeitsspektrum von der Norm abweichen, ist das ein Indiz für die erfolgreiche Lokalisation der Problemursache. Zur erleichterten Einordnung der erhobenen Daten sind die Spektren einiger Flüssigkeiten, wie Öl oder Wasser, bereits in der Software gespeichert.

Starke Miniaturisierung durch intelligentes Systemdesign und Halbleiterpackaging

Damit insgesamt über 70 passive und aktive Komponenten auf einer flexiblen und biokompatiblen Leiterplatte Platz finden, wurde diese aus einem Flüssigkristallpolymer konzipiert und vierlagig gefertigt. Sie ist gerade einmal 175 Mikrometer dünn und damit kaum dicker als ein menschliches Haar. Ein System-in-Package wurde auf einem sechslagigen Interposer hergestellt und bildet das Kernstück des Sensors, da dort das IoT-System vereint ist. Für den drahtlosen Ladevorgang muss die Kapsel dank einer verbauten Induktionsspule nicht einmal geöffnet werden und kann drahtlos über Qi-Technologie geladen werden. Über eine Dockingstation für die Kalibrierung und Programmierung des Sensors ist aber auch ein klassischer DC-Ladeprozess möglich. Damit die sehr kleinen Komponenten beim Betrieb nicht zu heiß werden, ist der Sensor außerdem mit einem Epoxidharz gefüllt, das die Komponenten voneinander isoliert und die Wärme nach außen abführt. Am unteren Ende schließt die Kapsel mit einer 0,5 Millimeter dünnen vierlagigen Keramikplatte ab, auf der neben dem Drucksensor auch die Elektroden für die Impedanzspektroskopie montiert sind.

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