Dr. C. Thomas Simmons Trends in der Sensorik Die Sensoren werden nicht nur kleiner – sie werden dabei auch gleichzeitig leistungsfähiger.

SPS-MAGAZIN: Die nächste Sensor+Test steht bereits in wenigen Wochen an. Was macht diese Messe aus? Simmons: Es ist eine weltweite, umfassende Schau zum Stand der Technik in der Sensorik und Messtechnik. Und sie ist für viele Branchen, z.B. die Automation- und Prozesssteuerung, aber auch für Laborprüfstände, die Medizin- und Automobiltechnik etc. geeignet. Das unterscheidet die Sensor+Test von anderen Messen – sie ist für keine spezielle Anwendung ausgerichtet, sondern für alle. Das ist aber auch ein Charakteristikum der Sensorik selbst. Auch wenn ein Sensor einmal für eine spezielle Applikation entwickelt wurde, so ist er meist trotzdem in weiteren Feldern einsetzbar. Sensorelemente kennen typischerweise ihre Endanwendung gar nicht. SPS-MAGAZIN: Heißt das, dass die Messe keinen speziellen Schwerpunkt hat? Simmons: Doch, es gibt seit diesem Jahr erstmals einen Schwerpunkt – bisher hatten wir tatsächlich keinen gesetzt. Den Anfang wird das Thema Energieeffizienz machen. Die Idee, einen Schwerpunkt zu setzen, ist im Aussteller-Beirat, einem Gremium des AMA-Verbandes, entstanden. Das Gute an diesem momentan so wichtigem Thema ist, dass es ebenfalls für so viele Bereiche gilt. Der Begriff ist so vielschichtig, dass er auch die Vielseitigkeit in der Anwendung der Sensorik fassen kann, die ebenfalls überall zu Hause ist. Das können Sensoren sein, die zum einen in der Lage sind, eine Maschine effizienter zu fahren und zu betreiben, und zum anderen, ein Produkt effizienter zu machen. Die Effizienz bezieht sich also entweder auf die Produktion oder auf das Produkt. SPS-MAGAZIN: Wie kristallisieren sich solche aktuellen Trends wie Energieeffizienz in der Sensorik heraus? Simmons: Wir haben ganz aktuell eine Trendanalyse in der Branche durchgeführt \’Sensor-Trends 2014\‘, die zur Messe auf 120 Seiten veröffentlicht wird. Anstoß war eine Diskussionsreihe im Wissenschaftsrat des Verbandes, der aus rund 70 Mitgliedern besteht, wovon jedes widerum für ein Institut steht. Die Mitglieder tauschten sich darüber aus, was auf ihrem jeweiligen Gebiet gerade passiert und wie sie sich entwickleln. Mit der Zeit wurde daraus eine Foliensammlung, dann ein Skript und aus dem Skript ein richtiges Buch. SPS-MAGAZIN: An wen richtet sich Ihre Trendanalyse? Was waren die Beweggründe? Simmons: Zweck der Studie war, Unterstützung für diejenigen zu bieten, die Entscheidungen fällen müssen über technologische Entwicklungen – das können Entscheidungsträger entweder in den Unternehmen sein, die Entwicklungsstrategien ausarbeiten oder auch Entscheidungsträger bei Förderinstitutionen zur Überlegung der Förderprojekte. SPS-MAGAZIN: Zu welchen Ergebnissen kam Ihre Studie, wo liegen die Trends der Sensorbranche? Simmons: Wir betrachten die Trends in den Sensoren selbst. Sie werden bereits jetzt, aber auch in Zukunft immer mehr, mit Intelligenz ausgestattet werden. Dazu gehört auch die Integration mehrerer Sensoren oder Messgrößen oder Funktionen in ein Gerät. Daneben schreitet die Miniaturisierung stark voran. Die Sensoren werden nicht nur kleiner – sie werden dabei auch gleichzeitig leistungsfähiger. Auch findet immer mehr eine Integration von Aktorik in die Sensorik statt. Ein weiterer Trend, der schon länger anhält und unvermindert stark ist, ist, dass immer mehr Gassensorik entsteht. Die Gassensorik wird immer besser und man kann immer mehr chemische Analysen von Gasen und Flüssigkeiten durchführen. Da gibt es gerade sehr große, technische Fortschritte. SPS-MAGAZIN: Warum haben Sie speziell die Gassensorik gesondert betrachtet? Simmons: Weil es so ein wichtiges Gebiet geworden ist. Die Lamdasonde ist z.B. der bekannteste Gassensor, den die Motorregelung im Auto benötigt. Die Gassensorik setzt sich auch in der Gebäudeautomatisierung zur Messung des Kohlenstoffdioxid- und Sauerstoffgehalts durch. Auch in Fabriken müssen Belastungen gemessen werden. Laut unseren Ergebnissen setzen sich jetzt allmählich auch physikalische Messmethoden in der Konzentrationsmessung durch. Wir sehen, dass neben der Potenzialmessung, die die einfachste Art für Gasdetektion ist, auch andere Methoden immer leistungsfähiger und wettbewerbsfähiger werden. SPS-MAGAZIN: Zeichnet sich auch ein Trend zu favorisierenden Messverfahren ab? Simmons: Ja, das kann man so sagen. Wir haben z.B. die Trends innerhalb der elektromechanischen Messprinzipien untersucht. Hier werden die Elemente zunehmend kleiner – die Miniaturisierung schreitet wie eben erwähnt also voran. Der Einsatz von Mikro- und sogar Nano-Elektro-Mechanischen Systemen (MENS) verbreitet sich allmählich. Die dominierenden Messprinzipien werden weiterhin vor allem piezoresistiv und magnetisch sein. SPS-MAGAZIN: Wie werden Sensoren zukünftig kommunizieren? Simmons: Wir berichten in unserer Trendanalyse auch über die Fortschritte in der Systemintegration und Kommunikation. Sensoren nehmen immer mehr Funktionen in sich auf, werden gleichzeitig kompakter und immer intelligenter. Z.B. sind sie mit digitalen Schnittstellen ausgerüstet und auch die drahtlose Sensorik nimmt derzeit stark zu. Ein weiterer Trend geht hin zur dezentralen Messwertverarbeitung. Im Sensor selbst gibt es mehr Intelligenz, sodass er Messwerte nicht unbedingt weitergeben muss, sondern allein verarbeiten kann und vielleicht programmiert zurückmeldet, ob in den Messungen Schwellenwerte erreicht werden. Die Sensorsysteme werden autonomer, brauchen weniger Steuerung. Die Eigendiagnose wird insofern besser, als dass die Sensoren in der Elektronik erkennen, ob sie einen Fehler im Element haben. Die können dann reagieren, indem sie entweder ein Signal herausgeben \’Ich bin kaputt oder Schau nach\‘, oder sie sagen: \’auf den redundanten Sensor umschalten\‘. Das sind die Fähigkeiten, die Sensoren selbstständiger, autonomer und immer intelligenter machen. SPS-MAGAZIN: Was ist mit der \’äußeren Verpackung\‘ der Produkte – verändern die sich den Trends entsprechend mit? Simmons: Ja, teilweise kann man das so sagen. Bei der Aufbau- und Verbindungstechnik und dem Packaging sehen wir, dass zunehmend die integrierten Schaltkreise \’ICs\‘ aufeinander gestapelt werden, also immer kompakter mit kürzeren Leitungen werden. Die Gehäuse werden stetig verbessert und z.T. je nach Anwendung hermetisch versiegelt. Was immer eine Schwierigkeit war, besonders z.B. bei Druck, ist die mechanische Einwirkung des Gehäuses auf das Sensorelement. Es reagiert auf Verbiegung des Gehäuses, weil es ein Drucksensorelement ist, was aber durch eine weiche Aufhängung zu verbessern ist. Gleichzeitig muss die weiche Aufhängung aber dem Druckmedium mechanisch und chemisch standhalten, und es darf nicht zu einer Eigenverfälschung des Messergebnisses führen. Das ist eine ziemliche Herausforderung und da macht die Sensorik große Forschritte. In dem Zusammenhang ist auch der Trend zur integrierten Sensorik zu nennen, z.B. in Textilien, in gestickten Leiterbahnen. Man sieht auch kleine, integrierte Chemielabors auf einem Chip, sodass man dann auf einem Chip mehrere Tests fahren kann – diese Entwicklungen setzen sich ebenfalls immer mehr durch. SPS-MAGAZIN: Wie lassen sich Ihrer Ergebnisse der Trendanalyse zusammenfassen? Simmons: Insgesamt kann man sagen, der Einsatz von Sensorik und Messtechnik wird zunehmend komfortabler und wir finden auch in der Automatisierung eine zunehmende Verbreitung von messender Sensorik versus lediglich schaltender Sensorik. Aufgrund der verstärkten Integration von Intelligenz in diese Sensorik steigt auch der Grad der Autonomie der Produkte und der möglichen Eigenintelligenz der Maschinen und somit auch Ihrer eigenen Autonomie. Eine Kurzfassung der Trendanalyse kann auf unserer Homepage eingesehen werden. SPS-MAGAZIN: Ergeben sich durch die Trends auch weitere Einsatzfelder für die Sensoren? Simmons: Ja, die Sensoren rücken immer näher an die zu messende Größe heran, weil sie kleiner sind. Und dadurch gibt es immer mehr Sachen, die man messen kann. Vielleicht ein Beispiel aus der Medizintechnik: In dem diesjährigen Sensor-Innovationspreis ist eine Einreichung sehr interessant, die dieses Naherücken an die Messgröße demonstriert. Es handelt sich um ein kleines Gerät, das die Vital-Parameter eines Menschen misst und die Form eines Hörgeräts hat. Das klemmt man hinters Ohr und so misst es die Atemfrequenz, Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffsättigung, indem es Absorptionen des Lichts im Ohrläppchen misst. Was man sonst als Störgröße hätte versucht wegzufiltern, das verwendet das Gerät durch eine sehr raffinierte Schaltung. Und das im Hörgeräteformat. Das ist fantastisch! SPS-MAGAZIN: Was ist mit den Fortschritten speziell in der Automatisierungstechnik? Simmons: In einer Fertigungslinien werden z.B. Sensoren eingesetzt, die die Position eines Werkstücks bestimmen. Wenn die Maschine nun von der Produktion eines Produktes auf ein anderes umgerüstet werden soll, muss der Sensor anschließend etwas anderes messen können, eine andere Position. Und diese Umrüstung war bisher oft damit verbunden, dass ein Mechaniker kommen musste, der etwas nachjustieren oder einstellen musste. Es wird immer mehr möglich, diese Sensoren jetzt zentral zu programmieren und mit ihnen auf höherer Ebene über ein Bussystem zu kommunizieren. Mit IO-Link wäre so etwas z.B. möglich. Und dafür braucht der Sensor eben mehr Intelligenz, um das zu bewerkstelligen. (cnk) SPS-MAGAZIN: Haben Sie herzlichen Dank für das Gespräch.