Innovative Sensorlösungen

© Fraunhofer EMFT

Sensormaterialien für kombinierte In-line Messungen

Als „Sinnesorgane von Dingen“ spielen Sensoren eine Schlüsselrolle für zukünftige Anwendungen im Bereich Internet of Things (IoT). Damit verbunden sind allerdings hohe Anforderungen an Performance, Robustheit sowie Energie- und Kosteneffizienz der kleinen elektronischen Helfer. 

IoT-Sensorsysteme müssen mit wenig Energie auskommen oder sogar energieautark arbeiten können. Near-Field Communication (NFC) und Low Power Elektronik sind Beispiele von Technologien, die in den an der Fraunhofer EMFT entwickelten IoT Sensorknoten für diesen Zweck zum Einsatz kommen. Mit Hilfe der BLE (Bluetooth Low Energy)-Technologie lassen sich diese IoT-Sensorknoten vernetzen. Dadurch können auch größere Distanzen überwunden werden. Sensorik auf flexiblen Substraten wiederum ermöglicht eine extrem niedrige Bauhöhe, hohe Flexibilität, Robustheit und relativ geringe Herstellungskosten gerade in großen Stückzahlen. Der offene Formfaktor erlaubt zudem eine Integration in und auf unterschiedliche Oberflächen. Die Fraunhofer EMFT verfügt über langjähriges Know-how und eine hervorragende Infrastruktur, um solche elektronischen Systeme auf Folie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren effizient und kostengünstig herstellen zu können.

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Für die Messung der meisten physikalischen Parameter existieren heute bereits ausgefeilte Lösungen; hier lassen sich Märkte nur durch neuartige Konzepte erschließen. Ein Beispiel ist die Strömungssensorik für nanolitergenaue Dosierung von kleinsten Mengen von Flüssigkeiten und Gasen. Hier werden verschiedene technologische Ansätze verfolgt:

  • Auf kapazitiver Sensorik (unter Verwendung von Chips, die auch im Mobilfunk Anwendung finden) basiert ein Modul zur Dosierung von kleinsten Volumina von Flüssigkeiten. Forschende der Fraunhofer EMFT haben ein Dosiermodul entwickelt, dass winzige Mengen an Schmieröl im Dosierbereich zwischen 2-30 Nanoliter/Minute geregelt „closed loop“ in Lager von Werkzeugmaschinenspindeln dosiert.
  • Eine Variante dieses kapazitiven Konzeptes wurde entwickelt, um kleinste Volumenpakete eines hochwirksamen Krebsmedikamentes (12 µl) genau abzumessen und zu dosieren. Diese Technologie hat das Potenzial, auch für zukünftige „Patch Pumpen“ eingesetzt zu werden.
  • Ein weiterer innovativer, an der Fraunhofer EMFT entwickelter Dosierchip beruht auf dem Druckdifferenz-prinzip. Muster dieses Dosierchips wurden in einer industriellen MEMS Fab hergestellt und in diversen medizinischen Industrieprojekten verwendet. Dieser Dosierchip könnte sehr kosteneffizient auch in disposablen Medizinprodukten eingesetzt zu werden.

Etwas grundlegender ist der Forschungsbedarf im Bereich der chemischen Sensorik allgemein und der Gassensorik im Speziellen. Gase und Flüssigkeiten lassen sich zwar durch die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Substanzen sehr genau analysieren, die Messsysteme sind allerdings meist sehr groß und teuer. Derzeit verfügbare chemische Sensoren liefern zudem oftmals nur bedingt langfristig stabile und zuverlässige Messungen. Zum einen büßen sie mit der Zeit an Empfindlichkeit ein und müssen rekalibriert werden, zum anderen können Querempfindlichkeiten auftreten und die Messergebnisse verfälschen. Forschende der Fraunhofer EMFT arbeiten daher an neuen optischen, impedimetrischen und potentiometrischen Sensoren für langzeitstabile und selektiv-sensitive Messungen chemischer Parameter in Gasen und Flüssigkeiten. Dafür sind an der Einrichtung spezielle Messplätze und die notwendige messtechnische Erfahrung vorhanden. Zudem werden an der Einrichtung maßgeschneiderte (bio-)chemische Sensormaterialien und Sensorkonzepte für die Analytdetektion sowie der dazugehörigen optischen/elektrischen Signalgebung entwickelt.

Die Biosensorik stellt auf Grund der Komplexität der Moleküle eine noch größere Herausforderung dar. An der Fraunhofer EMFT werden u.a. durch innovative Sensormaterialien neuartige Nachweismethoden und -verfahren für Mikroorganismen entwickelt. Messsysteme auf Basis solcher Sensormaterialien können energieeffizient aufgebaut werden, sodass die Technologie gut für portable Handgeräte geeignet ist, beispielsweise für die Medizintechnik oder Umweltanalytik.

Zell-basierte Sensorik wiederum verwendet mikroelektronische Systeme, um die Reaktionen von lebendigen Zellen auf verschiedene Umwelteinflüsse und Analyte zu messen. Mit solchen biotechnologischen Hybriden lassen sich u.a. die Toxizität von Chemikalien, die Wirkung von Medikamenten, Umwelteinflüsse oder auch komplexe biologische Inter-aktionen mit hohem Probendurchsatz messen und analysieren. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen bis in die innovativsten Zweige der personalisierten, regenerativen Medizin. Folienbasierte Lab-on-Chip Systeme ermöglichen schnelle, kostengünstige Point-of-Care Diagnosen von verschiedenen Krankheiten.

Eine besondere Herausforderung besteht darin, chemische oder biologische Sensoren spezifisch an IoT-Anwendungen anzupassen. Die Fraunhofer EMFT hat jahrelange Erfahrung in der Entwicklung von Sensorsystemtechnologien, die vor allem in der Chemo- und Biosensorik vielfältig eingesetzt werden können. Eine wesentliche Komponente für einen stabilen und validen Sensorbetrieb ist die dafür notwendige Systemtechnik. Modellgestützte Signalauswertung, nichtstationäre Messmethoden, multivariante Sensorik und moderne Methoden der numerischen Signalverarbeitung sind die Basis für den Systemaufbau.

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