Department for Integrated Sensor Systems

Faculty of Education, Arts and Architecture

Was sind integrierte Sensorsysteme?

Sichtbar oder unsichtbar sind Sensoren Teil unseres täglichen Lebens. Sie sind die Basis für innovative Lösungen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen wie Umweltdatenerfassung, Medizintechnik oder industrieller Automation. Sie finden sich aber genauso häufig in Multimedia- und Haushaltsanwendungen sowie in Kraftfahrzeugen. So unterschiedlich wie diese Anwendungsbereiche sind auch die zugrunde liegenden Messmethoden. Trotz der Vielzahl an bereits verfügbaren Sensoren werden immer weitere, neuartige und spezialisiertere Sensoren benötigt.

Traditionellerweise wird bei der Entwicklung eines neuen Sensors zunächst eine neue Messmethode analysiert und entwickelt. Schrittweise werden dann geeignete analoge und digitale Signalverarbeitungsmethoden hinzugefügt. Schlussendlich werden noch weiterführende Maßnahmen ergriffen, wie Datenverarbeitung und Signalkorrektur, um optimale Messergebnisse zu erhalten, und eine Kommunikationstechnologie ausgewählt, um die Integration in bestehende Systeme zu ermöglichen. Die Aufgaben dieser weiterführenden Schritte werden üblicherweise von externen Elektronikmodulen übernommen.

Obwohl ein derartiger "Bottom-up" Ansatz in der Wissenschaft für die Entwicklung von Prototypen und für den Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit durchaus üblich und berechtigt ist, ist es im Allgemeinen nicht die geeignetste Methode um optimale Resultate für eine bestimmte anvisierte Anwendung zu erhalten. So ist es zum Beispiel denkbar, dass ein Sensor trotz der Verwendung eines herausragenden Messprinzips ungeeignet ist, weil er gewisse Randbedingungen seiner Umgebung nicht erfüllen kann, oder weil er inkompatibel zum Kommunikationssystem oder den Signalverarbeitungsmöglichkeiten des übergeordneten Systems ist.

Für moderne Anwendungen ist es daher nicht mehr ausreichend, die Forschungsaktivitäten ausschließlich auf die Entwicklung der Messwandler zu konzentrieren. Die Umwandlung einer tatsächlichen Messgröße in ein elektrisches Signal ist nur ein Teil der Gesamtlösung. Eine spezielle Herausforderung stellt dabei die Integration eines einzelnen Sensors in die Gesamtheit eines (Mess-)systems dar. Insbesondere die Vernetzung und Kommunikation von Sensoren untereinander ist entscheidend für den Einsatz in komplexen Systemen. Es verschiebt sich dadurch der Fokus weg vom einzelnen Sensor hin zu einem gesamten Sensorsystem. Die Entwicklung solcher Systeme erfordert weitreichende Kenntnisse über das klassische Feld der Sensortechnologie hinaus. Erfahrung im Bereich der Mikroelektronik, der Entwicklung von integrierten Schaltungen und Embedded Systems, der Kommunikations- und Netzwerktechnologie, sowie Erfahrung mit Algorithmen und in der Softwareentwicklung sind für eine erfolgreiche Umsetzung erforderlich.

Der Entwurf und Bau von integrierten Sensorsystemen bringt eine Vielzahl an Aspekten mit sich, die allesamt berücksichtigt werden müssen. Am offensichtlichsten bezieht sich die Integration auf die integrierte Schaltung selbst, die eine Miniaturisierung des Sensors und der Signalverarbeitungskomponenten zum Ziel hat. Integration betrifft aber auch die funktionale Ebene, wo verschiedene Sensorprinzipien kombiniert werden können, um die Fehlertoleranz oder Robustheit des Systems zu erhöhen, oder um den Messbereich zu erweitern. Nicht zuletzt muss Integration auch im Kontext eines Gesamtsystems betrachtet werden, in dem Sensoren untereinander und mit Elementen auf gleicher Ebene (horizontale Integration) als auch mit Steuerungs- und Managementsystemen auf höheren Ebenen (vertikale Integration) kommunikativ verbunden werden. Dieser Ansatz eines auf Integration basierenden Systems beruht auf folgenden zwei Prämissen:

Ein modernes Sensor-Aktuator System besteht aus einem Messwandler, der die eigentliche Messgröße erfasst, einer intelligenten Steuerung, die für die Signalverarbeitung, Umwandlung und Prozessierung verantwortlich ist, und aus einer Kommunikationseinheit. Diese Module bilden zwar eine funktionale Einheit, sind aber üblicherweise nicht monolithisch integriert.

Unabhängige Optimierung der drei Module führt dabei nicht notwendigerweise zu einem optimalen Gesamtsystem. Häufig ist es unausweichlich, das Design der einzelnen Module aufeinander abzustimmen, wobei sich oft aktive Feedbacklösungen als vorteilhaft erweisen.

Das erfolgreiche Design eines Sensorsystems beinhaltet also viel mehr als nur die Optimierung der Umsetzung einer physikalischen Größe in ein leicht weiterzuverarbeitendes Signal. Sensorsysteme, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen sollen, müssen auch Funktionen wie Signalpufferung, eigenständige Rekalibration, Selbstdiagnose, Fehlersignalisierung, Alarmerkennung und Protokollfunktionen zur Verfügung stellen. Auch auf Energieeffizienz muss geachtet werden, insbesondere bei drahtlos angebundenen Sensoren. Nur die Berücksichtigung all dieser erweiterten Eigenschaften und die Optimierung bezogen auf das Gesamtsystem kann einen einzelnen Sensor erfolgreich in ein integriertes Sensorsystem verwandeln.

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