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3-2013

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

MST-Regionalkonferenz

MST-Regionalkonferenz Wohin geht der Trend in der Sensorik? Diese Frage war Thema der 10. MST-Regionalkonferenz NRW, die am 25. und 26. Juni in Dortmund stattfand und von den Partnern IVAM, MST.factory und dortmund-projekt gemeinsam ausgerichtet wurde. Scanner MRHD96, Copyright 2013, Measurement Specialties, Inc. Zu Beginn wurden die Möglichkeiten für Unternehmen im Web 2.0 und Finanzierungsmöglichkeiten für junge Unternehmen vorgestellt, anschließend die Entwicklungstrends und Anforderungsprofile für Sensoren, insbesondere in der Medizintechnik. Da dies das Thema für die Leser des meditronic journals ist, wird im Folgenden auch nur darüber berichtet. Dirk Enderlein, MEAS Deutschland GmbH HL Planartechnik, Dortmund beleuchtete in seinem Vortrag: „Sensorikentwicklung aus Sicht eines Unternehmens“ die Situation der Sensorik im Allgemeinen. Märkte Der Markt für die Sensorik ist immer noch ein Wachstumsmarkt und legt jährlich um ca. 10% zu (Quelle: Frost and Sullivan). Ursachen sind die neu zu schaffende Infrastruktur sowie die sich ändernde Energie erzeugung. Positiv wirkt sich auch der wieder erstarkende Automobilmarkt aus, der beispielhaft für den Trend zur verstärkten Investitionsbereitschaft in allen Wirtschaftsbereichen seit 2009 steht. Betrachtet man die geographische Verteilung des Wachstums liegt Asien mit über 40% vorne, Tendenz steigend. Die übrigen 60% teilen sich Europa und die USA zu gleichen Teilen, in beiden Fällen Tendenz fallend. Dies bedeutet eine Verschiebung von den traditionellen Märkten hin zur globalen Verteilung mit geänderten Anforderungen. Anforderungen und Trends Neue Technologien und Materialien erlauben es Sensoren mit bisher nicht realisierbaren Eigenschaften zu schaffen und damit weitere Einsatzgebiete zu erobern. Früher reichte das Aufnehmen eines Messwertes aus, heute dagegen soll dieser gleich ausgewertet und in eine daraus abgeleitete Aktion umgesetzt werden. Der Wunschzettel im Überblick • Miniaturisierung • kleiner Bauraum • monolithische, hybride Integration • standardisierte Schnittstellen • einfache Inbetriebnahme: einstecken, messen- funktioniert, keine Kalibrierung • CMOS kompatible Technologie für Messanwendungen • drahtlose Sensoren • Sensoren mit eigener, unabhängiger Energieversorgung • Biosensoren inklusive Auswerteelektronik • preiswert • Rückverfolgbarkeit • muss überall funktionieren • berührungslose Messungen • lange Produktlebenszyklen • Wartungsfreiheit • sicheres Betreiben und definiertes Ausfallen • Mehr Funktionalitäten pro Gerät: Multisensoren Dies zeigt den Trend zu intelligenten Sensoren und ganzen Sensorsystemen bestehend aus Sensor, Signalverarbeitung, Software und Interface, wo die Kalibrierdaten bereits im Sensor abgelegt sind, sodass die lästige Kalibrierung in der Praxis entfällt. Der Sensor heute ist in ein System integriert, versorgt sich selbst mit Energie, liefert seine Daten an eine Software und kommuniziert mit vielen anderen Komponenten, dies am besten „wireless“ und über standardisierte Schnittstellen. Gefordert wird auch eine stärkere Kontrolle der Produktionsanlage und des Produktionsprozesses, was deutlich mehr Sensoren erfordert. Ein weiterer Trend geht hin zu mehr Funktionalität pro Sensorsystem bei gleichbleibend kleiner Bauform zum attraktiven Preis. Eine interessante Realisierung ist hier die gefaltete Multilayerplatine. Auf diese Weise wird elegant mehr Raum für Bauelemente geschaffen. Im Bereich der Bildverarbeitung findet eine starke Fokussierung auf CMOS-kompatible Technologien statt. Die schnelle Bildaufnahme beispielsweise in der Qualitätskontrolle mit integriertem Auswertemechanismus spart Ressourcen in der Fertigung. Scanner MRHD96 Ein Beispiel für viele Bauteile auf kleinstem Bauraum ist der Scanner MRHD96. Er besteht aus einer Vier-Lagen Starr-Flex- PCB, die Z-förmig gefaltet in ein Blechgehäuse eingebracht ist. Ihr Bauraum beträgt nur 15 x 13,5 x 175 mm und enthält 620 Bauteile. In die Z-Fräsungen der PCB wurden Magnetstreifen eingebettet und per SMD-Prozess Minaturmagnete aufgebracht. Neue Technologien Momentan erfahren die magnetischen Sensoren eine komplette Optimierung bezüglich des Substrates und im Produktionsprozess: Werden sie heute meist noch auf Siliziumbasis auf einem festen Substrat im Reinraum mit vielen Prozessschritten hergestellt, sollen sie in Zukunft mit einem Print- Prozess auf flexiblen Materialien wie Folien, Kunststoffen oder Produkten mit unregelmäßiger Oberfläche hergestellt werden. Bei dieser Herstellungsart ist kein Reinraum mehr erforderlich, was die Produktionskosten deutlich senkt. Wie sieht die Zukunft aus? Magnetsensoren können auf jedwede Substrate gedruckt werden. Dabei kommen MagNoP = Magnetic Nano Particles (mNP) zum Einsatz, die die Basis für neue magnetische Sensoren bilden. Diese Idee befindet sich allerdings noch in der Forschungsphase. Auch die Biochips erfahren durch den wachsenden Point-of- Care-Markt verstärktes Interesse. Gefragt sind preiswerte Einmalartikel, die in großer Stückzahl produziert werden können. Die Chips enthalten Nanoporen für Assays und Marker, sind hoch sensitiv und ermöglichen eine label-freie Detektion. ◄ 6 meditronic-journal 3/2013

MST-Regionalkonferenz Vom Messwertaufnehmer zum Cyberphysical System Auch Prof. Dr. Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes zeigte in seinem Vortrag „Vom Sensor zum intelligenten Messsystem – Mikrosystemtechnik als Entwicklungstreiber“ die Entwicklung vom Messwertaufnehmer zum Cyberphysical System. Physikalische Messung chemischer Größen, Quelle: UdS, LMT, BMBF-ProjektInMischung Wie schon erwähnt geht der Trend zu immer intelligenteren, komplexeren Sensorsystemen mit hoher Performance zum attraktiven Preis. Im cyberphysical System benötigt das smarte Sensorsystem, das sich überall einbetten lässt, zusätzliche Eigenschaften wie Selbstidentifizierung, Eigendiagnose und Selbstkalibrierung. Da es dezentral arbeitet, benötigt es standardisierte Schnittstellen bei gegebener Netzwerksicherheit. Eine andere neue Anforderung ist das Multi-Sensing, d.h. mit möglichst wenigen Sensoren viele unterschiedliche Parameter messen wie z.B. mechanische, elektrische, magnetische, thermische und chemische Größen, sowie die Strahlung. Dies spart Komponenten, Verkabelung, usw. und somit Platz und Geld. Außerdem bleibt das Gesamtsystem übersichtlicher. Trends bei Messprinzipien Durch die Erfindung neuer Technologien werden immer empfindlichere Messmethoden möglich. Im Bereich der Magnetfeldmessung nutzt man hier physikalische Effekte, wie z.B. den anisotropen bzw. „gigantischen“ Magnetowiderstandseffekt (AMR bzw. GMR) oder den Josephson-Effekt. Auch Differenzmessung ist ein Stichwort: um ein stabileres Signal zu erhalten werden zwei Signale aufgenommen und daraus die Differenz gebildet. Das Prinzip wird bei Drucksensoren, Drehratensensoren und chemischen Sensoren eingesetzt. Der nächste Trend heißt aktive Messung, die bei Magnet-, Inertial-, und chemischen Sensoren eingesetzt wird. Hier führt der Sensor automatisch meditronic-journal 3/2013 einen Selbsttest und eine Kompensation durch. Last but not least ist noch die physikalische Messung chemischer Größen zu nennen. Hierzu zählen die (ND)IR-Messung z.B. mit einem durchstimmbaren Fabry-Perot-Filter sowie mikrothermische Sensoren für Flüssigkeitsgemische. Mikrosystemtechnik als Treiber der Sensorik Die Mikrosystemtechnik ist die Basis moderner Sensoren. Diese fühlen (Mikrosensor), denken (durch die integrierte Signalverarbeitung) und handeln über den Mikroaktor. Zur Integration werden u.a. Mikromechanik und Mikrooptik benötigt. Die Einsatzmöglichkeiten steigen mit der Miniaturisierung u.a. aufgrund der unterschiedlichen Skaleneffekte: Zeitkonstanten elasto-mechanischer Systeme skalieren mit der Länge L. Betrachtet man ein Musikinstrument mit Saiten, so verdoppelt sich die Frequenz, wenn die Saitenlänge halbiert wird. Der Skaleneffekt tritt auch bei Temperaturänderungen auf: wird ein Objekt verkleinert, beschleunigen sich die thermischen Vorgänge dazu quadratisch, d.h. die Zeitkonstante Tau ist dann proportional L-Quadrat. Der Sensor wird also schneller und kann Temperaturänderungen aufnehmen, die vorher nicht messbar waren. Das Gleiche gilt für elektrostatische Kräfte. Betrachtet man einen Plattenkondensator, hat dieser eine bestimmte elektrostatische Anziehung der Platten. Bei einer Verkleinerung bleibt jedoch die Kraft bei konstanter Spannung gleich. Betrachtet man aber eine konstante Feldstärke, skaliert die Kraft mit der zweiten Potenz, bezogen auf die Schwerkraft wird sogar mit der dritten Potenz skaliert. So kann beispielsweise ein elektrostatischer Mikrokran entstehen. Trends Ein wichtiger Trend ist die Integration, wobei in diesem Fall mehr Funktionen auf kleinstem Raum gemeint sind. Ein interessantes Beispiel ist der Kompass im Smartphone, der ein Magnetfeldsensor mit einem 3D-Neigungssensor kombiniert. So kann das Navigationssystems die Karte immer geographisch richtig anzeigen, egal wie man das Smartphone hält oder dreht – und das alles für weniger als 50 US-Cent pro Stück. Die Nanotechnologie bietet durch die Ausnutzung neuer physikalischer Prinzipien und Effekte sowie neuer Materialien mit variierbaren Eigenschaften viele neue Möglichkeiten. Energyharvesting ist ein anderes Zukunftsthema. Die meist dezentralen Sensoren sollen energieautark sein, um zusätzliche Verkabelung und Energie zu sparen. Auch die miniaturisierte Analytik befindet sich im Aufwind. Mittels Mehrkanal-IR-Transmissionsmessung kann die Ölqualität in Offshore-Windrädern bestimmt werden, um daraus den Zeitpunkt der Wartung abzuleiten. Zudem rückt die Optische Sensorik in den Vordergrund. Sie wird deutlich vielfältiger und erobert weitere Einsatzgebiete. Beispiele sind ein optisches Mikrophon ohne Membran, Miniatur-Winkelsensoren mit geringer Justageanforderung oder ein Infrarot-Detektor mit neuartigem Mikro-Spiegel-Sensor. ◄ 7

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