23 Mai IoT-Sensorik im Superminiaturformat
Einen wasserdichten IoT-Sensor – so klein wie ein Bonbon, der die Eigenschaften von Flüssigkeiten auch an schwer zugänglichen Orten zuverlässig messen kann – entwickelten Forscher vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zusammen mit Partnern. Der Sensor soll Störungen oder Schwachstellen wie ungewollte Abweichung im Öldruck oder ein Leck in einer Leitung aufspüren können.
Tritt ein Störfall in einer Maschine auf, kann der Sensor beispielsweise in eine Ölleitung eingeleitet werden und das gesamte System durchfließen. Drahtlos werden in Echtzeit genaue Daten über die Eigenschaften der Umgebung an eine 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.
Impedanzspektroskopie als Grundlage
Der kompakte und modulare Sensor basiert primär auf der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Bei diesem Verfahren wird der Wechselstromwiderstand in einem Medium zwischen zwei Elektroden gemessen, indem eine Wechselspannung über einen bestimmten Frequenzbereich angelegt wird: Daraus lässt sich ein Spektrum, also ein bestimmter Fingerabdruck dieses Mediums, ableiten. Werden dabei Veränderungen von Material- oder Flüssigkeitseigenschaften deutlich, kann dies ein Indiz für beispielsweise die fortschreitende Korrosion eines Bauteils sein.
Multisensorik in Pillengröße
Der Sensor besteht aus einem bioverträglichen Polymer und vereint auf 11 x 16 mm2 die zwei Elektroden mit Komponenten für die Analyse von Umgebungseigenschaften, darunter sechs Sensoren für die Messung unterschiedlicher Daten. So kann laut den Forschern neben Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit in der Umgebung auch das eigene Beschleunigungsverhalten, die Rotation oder Umgebungsgeräusche erfasst werden. Licht und Farben lassen sich von einem integrierten Lichtsensor bestimmen.
Das Kernstück der Spektroskopie-Kapsel beinhaltet das System-in-Package, eine flexible Leiterplatte und eine Keramikplatte. Bild: Fraunhofer IZM
Bei der Fertigung des Sensors stellte laut den Entwicklern vor allem die starke Miniaturisierung der Bauteile eine große Herausforderung dar. Insbesondere die Verkleinerung des Spulendurchmessers auf 10 mm für das drahtlose Laden sei dabei eine Hürde gewesen. Zu Beginn des Projekts stellte das Unternehmen Sensry seine Schaltpläne und die Firmware Kalisto als Grundlage für die Entwicklung des Sensors zur Verfügung.
Flexible und biokompatible Leiterplatte
Damit insgesamt über 70 passive und aktive Komponenten auf der flexiblen und biokompatiblen Leiterplatte aus einem Flüssigkristallpolymer Platz finden, wurde diese von der Firma Dyconex vierlagig mit einer Dicke von 175 Mikrometern gefertigt. Das Kernstück des IoT-Systems bildet ein System-in-Package, das auf einem sechslagigen Interposer hergestellt wurde. Die Kapsel lässt sich drahtlos mittels Qi-Technologie laden. Über eine Dockingstation für die Kalibrierung und Programmierung des Sensors ist aber auch ein klassischer DC-Ladeprozess möglich. Damit die 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 sie mit einer 0,5 mm dünnen vierlagigen Keramikplatte ab, die von Micro Systems Engineering hergestellt wurde und auf der neben dem Drucksensor die Elektroden für die Impedanzspektroskopie montiert sind.
Quelle und Bild: www.izm.fraunhofer.de
