Systemfähige Strömungssensoren

Systemfähige Sensoren bieten für die Einbindung in komplexere Messsysteme nützliche Funktionen wie Selbsttest, Autokalibration, automatische Bereichsumschaltung, Adaptationsfähigkeit oder "plug & play"-Austauschbarkeit an. Naturgemäß bilden entsprechende Elektronikmodule die ergänzende Grundlage für die genannten Systemfunktionen. Die Projektidee, schon bei der Konzeption des Sensors die einfache Implementierbarkeit von Systemfunktionen einzuplanen, ist neu. Der Hauptvorteil dieser Strategie - viele Anwendungsmöglichkeiten mit wenigen Sensorvarianten abzudecken - wird an Hand von thermischen Strömungssensoren demonstriert. Diese Sensoren beruhen auf schon bekannten physikalischen Prinzipien und sie werden zunächst mit bereits erprobter Technologie gefertigt. Das subtile Sensordesign ermöglicht jedoch innovative Verfahren zur Umsetzung der Strömung in gut weiterverarbeitbare Informationen, welche für die Einbindung der Sensoren in ein Messsystem bedeutende Vorteile bieten. Durch die Systemfähigkeiten sind diese Strömungssensoren vielseitig einsetzbar und stehen für Applikationen der Medizintechnik, Umweltmesstechnik und Strömungsmessungen der technischen und der Grundlagenforschung zur Verfügung. Konkret soll vorerst die Entwicklung von praktikablen Strategien für die Realisierung von Autostartfunktion, Selbstkontrolle, adaptiver Empfindlichkeit, Fehlererkennung (z.B. ein Staubbelag) und automatische Bereichsumschaltung erfolgen. Die Optimierung von Sensorlayout, Sensorbetrieb und Strömungsgeometrie, die Erfassung systematischer Fehler, wie die freie Konvektion infolge der Wärmequellen des Sensors, wird mit Hilfe von Modellierung und numerischer Simulation versucht. In der Folge sind technologische Neuerungen vorgesehen, um auch besonders Beanspruchungen, etwa den Umgebungsbedingungen im Automobil, genügen zu können. Durch Modifikation des Designs soll die Dynamik des Sensors bei starker Strömung noch wesentlich verbessert werden. Die Realisierung von systemfähigen Prototypen soll unter Beachtung der Anbindung an gängige Messsystemnormen erfolgen. Die Projektarbeit verfolgt neben konkreten auch generische Ziele um gesellschaftlichen Nutzen über die unmittelbare Thematik des Projekts hinaus zu erlangen. Der gewählte Forschungsansatz und die entwickelten Lösungen haben großteils modellhaften Charakter für die Entwicklung anderer Sensoren. Diese generischen Aspekte werden ebenso wie erfolgreiche Lösungsstrategien des Projekts wichtige Fortschritte der sensorbasierten Systeme erbringen.

Das Projekt "Systemfähige Strömungssensoren" befasste sich mit der Entwicklung und Erforschung von neuartigen Umsetzungsverfahren, welche auf elektro-thermischem Weg Strömungsgeschwindigkeit in elektrische Signale umwandeln. Das Grundkonzept der erforschten Wandler beruht auf Anordnungen aus miniaturisierten Heizwiderständen und Temperaturfühlern, die, eingebettet in eine sehr dünne Membran, der Strömung ausgesetzt sind. Die darauf beruhenden Sensoren sollten besonders einfache Integrierbarkeit in große, vernetzte Systeme aufweisen und darüber hinaus auch systemrelevante Fähigkeiten besitzen. Darunter fallen etwa fehlertolerante Funktion oder autonome Selbstüberprüfung. Diese Ziele konnten durch Konstruktionen, die auf der Redundanz von funktionskritischen Bauelementen beruhen, weitgehend erreicht werden. Darüber hinaus zeigten unsere Forschungsarbeiten, dass die neuen Strömungswandler bei gleicher Wandlereffizienz wesentlich geringere thermische Belastung der Membran zur Folge haben. Computergestützte Analysen des Wandlermechanismus führten zur Erfindung einer neuen Anordnung für die Strömungsmessung, die sich gegenüber dem Stand der Technik durch zehnfach geringeren Leistungsbedarf auszeichnet. Dieser Durchbruch wurde durch geschickte Kombination zweier an sich bekannter Umsetzungsmethoden erzielt wodurch auch das bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten störende Problem zweideutiger Kennlinien entschärft werden konnte. Da geringe Leistung gleichbedeutend mit mäßiger Erwärmung der Membran und des Fluids einhergeht, sind die neuen Sensoren besonders für den Einsatz in Biologie und Medizin prädestiniert. Auch bei Umweltuntersuchungen, wo bei verteilten Messungen möglichst lange autarke Funktion mit kleinen handlichen Sensoren erzielt werden soll, ist geringer Leistungsverbrauch ein entscheidender Vorteil. Im Zeitmittel ist geringer Leistungsverbrauch auch durch intermittierenden Betrieb von neu konzipierten Sensoren, welche die strömungsabhängigen Laufzeiten von Wärmeimpulsen im untersuchten Fluid verwerten, erreichbar. Für die stichprobenartige Strömungsmessung sind nur Bruchteile einer Sekunde erforderlich, da dieses Prinzip unempfindlich gegen die sonst sehr störenden langsamen thermischen Ausgleichsvorgänge im Sensor ist. Für die genannten Erfolge war Modellbildung auf hohem Niveau und insbesondere das erworbene know-how im Bereich der Finite-Elemente Simulation entscheidend. Gleichermaßen bildeten die Perfektionierung von technologischen Verfahren zur Produktion der Mikrosensoren sowie die Charakterisierung von Membranmaterialien wesentliche Bausteine für die erzielten Resultate. Mit der Entwicklung einer PC Maus für USB-Schnittstellen, deren Bewegung alleine durch Strömungssensoren ermittelt wird, konnte, im Rahmen einer ausgezeichneten Diplomarbeit, ein eindrucksvoller Demonstrator der hochentwickelten Strömungssensortechnologie realisiert werden.