Ausgabe zur SENSOR + TEST 2019

14 INNOVATIONEN TEXT & BILD: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. ZENTRALVERWALTUNG HANSASTR. 27 C D-80686 MÜNCHEN N ürnberg: Sensoren sind ein wesentli- cher Bestandteil für Anwendungen im In- dustrial Internet of Things IIoT. Damit diese Sensoren Daten erfassen und übertragen kön- nen, benötigen sie permanent Energie. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS hat speziell für IIoT-Sensoren eine autarke Energieversorgung entwickelt, die vorhandene Vi- brationen beispielsweise von Maschinen nutzt, um elektrische Energie zu gewinnen. So können diese Sensoren für die Betriebs- und Zustandsüberwachung (Con- dition Monitoring) in der Pro- duktion eingesetzt werden und benötigen weder Stromkabel noch ständige Batteriewechsel. Sensoren werden in produzieren- den Unternehmen immer stärker eingesetzt. IIoTSystemarchitektu- ren sollen die Maschinen, Anlagen und IT-Systeme miteinander ver- netzen, um eine bessere Ressour- ceneffizienz, Produktivität und Wartung zu erzielen. Zur Erfassung der notwendigen Daten braucht es smarte Sensoren, die Informatio- nen per Funk an das Gesamtsystem übertragen. Diese Sensoren benö- tigen jedoch ausreichend Energie. Vorteil einer autarken Energiever- sorgung ist dabei, dass weder ein störendes Stromkabel noch ein Batteriewechsel notwendig ist. Autarke Energieversorgung von IIoT-Sensoren mit Energy Harvesting Mit den Energy-Harvesting- Technologien können Sensoren zur Erkennung von Verschleiß oder Schädigung an Maschinen im sogenannten Condition Moni- toring autark mit Energie versorgt werden. Besonders an schwer erreichbaren Stellen oder bei ei- ner häufigen Erfassung von Da- ten bieten die Technologien des Fraunhofer IIS enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen Ener- gieversorgungen mit Batterien. Mit der extrem effizienten Pow- ermanagement-Elektronik vom Fraunhofer IIS lassen sich kleinste Ströme oder Spannungen vom Vib- rations- oder Thermowandler nutz- bar machen. Vorhandene Vibratio- nen und Temperaturunterschiede an Produktionsanlagen werden da- durch zur Energiegewinnung von Sensoren genutzt. Somit lassen sich Maschinenzustände perma- nent und wartungsfrei überwachen und analysieren. Neu entwickelter Vibrations- wandler des Fraunhofer IIS Bereits kleinste Beschleuni- gungen von 100 mg reichen aus, um so viel elektrische Energie zu generieren, dass mehrere Senso- ren damit versorgt werden kön- nen und eine sekündliche Daten- übertragung zu einem IT-System stattfinden kann. Das Fraunhofer IIS hat sich auf die Entwicklung von hocheffizienten Powerma- nagement-Systemen und Energie- versorgungen sowie kompletten Mikrosystemen spezialisiert. Die entwickelten Spannungswand- ler und Maximum Power Point Tracker können mit minimalsten Spannungen und Strömen ar- beiten und sind so in der Lage, kleinste Mengen an mechanischer oder thermischer Energie aus der Umgebung zu nutzen und zu speichern. Durch eine optimale mechanische und elektrische Aus- legung aller Systemkomponenten werden hocheffiziente Anwendun- gen auf kleinstem Raum realisiert und setzen sich so durch gerings- ten Installations- und Wartungs- aufwand deutlich vom Stand der Technik ab. Energy Harvesting in der Produktion zum Sensorbetrieb nutzen Autarke Energieversorgung von IIoT-Sensoren mit dem Vibrationswandler vom Fraunhofer IIS. © Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs Optische Filter in CMOS für kostengünstige Chip-Size-Spektrometer TEXT & BILD: FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR INTEGRIERTE SCHALTUNGEN IIS AM WOLFSMANTEL 33 D-91058 ERLANGEN D as Fraunhofer Institut für Integrierte Schal- tungen IIS stellt auf der Messe Sensor+Test 2019 eine neue Ausführungs- form für kostengünstige Chip- Size-Spektrometer vor. Aktuell kommen Sensoren, die mehr als sechs spektrale Kanäle aufweisen, aufgrund der sehr ho- hen Preise nicht zum Einsatz. So finden diese Sensoren in preis- sensitiven Anwendungsbereichen, wie bspw. mobilen Consumer- Produkten, großflächiger und zentimetergenauer Aufnahme von Feld- und Ackerpflanzen oder aber auch Kosmetikprodukten keine Verwendung. Die am Fraunhofer IIS entwickel- te nanoSPECTRAL-Technologie er- möglicht nun eine kostengünstige Herstellung der benötigten opti- schen Filter. Insbesondere bleiben die Produktionskosten konstant, unabhängig von der Anzahl der zu realisierenden spektralen Ka- näle. Erreicht wird dies durch die Strukturierung der Metallschichten des CMOS-Halbleiterprozesses. Für diese sog. »plasmonischen Filter« wird also im Gegensatz zu konven- tionellen optischen Filtern kein Post-Processing benötigt. Aufgrund der CMOS-Integration von Filtern, Photodioden, analoger und digitaler Signalverarbeitung ermöglicht die nanoSPECTRAL- Technologie sehr kleine Bauräume. Da die Technologie in zwei kom- merziellen CMOS-Foundries eta- bliert ist, sind darauf basierende Produkte kurzfristig in industrieller Qualität verfügbar. Das auf der Messe gezeigte Chip-Size-Spektrometer weist bereits mehr als 30 Kanäle auf und ist damit z. B. für eine Haut- tonmessung sowie der Messung von Vegetationsindizes und dem Stresszustand von Pflanzen ge- eignet. Neben der anwendungsspezifi- schen Anpassung der Filtereigen- schaften bietet das Fraunhofer IIS alle Entwicklungsschritte für integrierte optische Sensoren aus einer Hand an: von der Spezifika- tion über die Chip-Entwicklung bis zur Serienüberführung. Besuchen Sie uns vom 25. - 27.6.2019 in Halle 5, Stand 5-248 oder auf www.iis.fraunhofer.de/ sensorsysteme und überzeugen Sie sich von den Möglichkeiten der nanoSPECTRAL-Technologie. Optical filters in CMOS for cost-effective chip size spectrometers news imagedownload A t Sensor+Test 2019, the Fraunhofer Insti- tute for Integrated Circuits IIS will pre- sent a cost-effective technology for chip size spectrometers with more than ten spectral channels. Due to high costs, sensors with more than six spectral chan- nels will currently not be used. This means that these sensors are neither used in applications such as mobile-consumer-products, large- area precision farming nor in cos- metics. The nanoSPECTRAL-technology, developed by Fraunhofer IIS, ena- bles cost-effective production for the required optical filters. Re- gardless of the number of spectral channels to be implemented, the production costs stay constant. This is achieved by structuring the metallic layers of the semiconduc- tor process in CMOS. In contrast to conventional optical filters, post processing is not required for these so-called plasmonic filters. Due to the CMOS integration of filters, photodiodes as well as analog and digital signal process- ing, the nanoSPECTRAL-technology allows smaller assembly space. As the technology is established in two CMOS-foundries, the products based on it are available at short notice in industrial quality. Our chip size spectrometer, dem- onstrating at Sensor+Test 2019, shows more than 30 channels and is suitable for skin tone measure- ment as well as for measuring veg- etation indices or stress level of crops. Among application-specific ad- aptation of filter characteristics, the Fraunhofer IIS offers all devel- opment steps for integrated opti- cal sensors from one source – from specification over chip-develop- ment to market readiness. For further information, please visit us from 25 to 27 June at Sensor + Test 2019, hall 5, booth 5-248 and convince yourself of the possibilities of nanoSPECTRAL- technology. www.iis.fraunhofer.de/sensor- systems Mitaussteller von Forschung für die Zukunft c/o TU Dresden Wireless Power – Energie und Daten für Sensoren und Aktoren - Komfortabel, sicher und zuverlässig TEXT & BILD: IFAK - INSTITUT FÜR AUTOMATION UND KOMMUNIKATION E. V. WERNER-HEISENBERG-STR. 1 D-39106 MAGDEBURG W ireless Power - Die innovative Tech- nologie der kon- taktlos induktiven Energie- und Datenübertragung bietet vielfältige Anwendungs- möglichkeiten in vielen Berei- chen des industriellen Umfeldes. So können z.B. Sensoren und Aktoren mit mehr Flexibilität und Sicherheit betrieben, Ener- giespeicher in mobilen oder aut- arken Systemen automatisch ge- laden oder elektrische Antriebe in rotierenden Anlagen mit Ener- gie und Daten versorgt werden. Die Technologie ermöglicht den Verzicht auf Stromschienen, Schleifringe, Schleppkabel und Steckverbindungen und ermöglicht eine zuverlässige und wartungsar- me Energieversorgung unter rau- en Umweltbedingungen oder z.B. auch unter Wasser. Interessante Einsatzperspekti- ven eröffnen sich auch als Ersatz für Steckverbindungen in der Elek- tromobilität, der Robotik, in der Medizintechnik oder in der Luft- und Raumfahrt. Der Kern kontaktloser Übertra- gungssysteme ist eine luftspaltbe- haftetetransformatorischeMagnet- anordnung. Die auf diesem Weg übertragbare elektrische Leistung bewegt sich zwischen einigen mW und mehreren kW. Bei zielgerichte- ter elektrischer und magnetischer Auslegung ist selbst bei großen Luftspalten ein sehr guter Wir- kungsgrad erreichbar. Das ifak erforscht Methoden zur Berechnung der Energie- und In- formationsübertragung und entwi- ckelt Ihre applikationsspezifische Lösung. www.ifak.eu