Fraunhofer zeigt Spitzenleistungen

Aufgrund der hohen Nachfrage nach Sensoren in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern bestehen sehr unterschiedliche Anforderungen an deren Funktionalität und Leistungsprofil. Kernziel der Forschungsarbeiten am Fraunhofer IPMS ist daher die Entwicklung kundenspezifischer und anwendungsspezifischer Sensoren und Sensorsysteme. Dabei werden bestehende Produkte erweitert und neue Anwendungen durch den Einsatz innovativer Technologien, Komponenten und Systeme ermöglicht. Diese zeichnen sich im Vergleich zu Standardsensoren durch höhere Präzision, kleinere Abmessungen, bessere Energieeffizienz und zusätzliche Funktionen aus. Das Leistungsspektrum reicht von der Konzeption über die Prototypenentwicklung bis hin zur Pilotfertigung in institutseigenen Laboren und Reinräumen – von der Komponente bis zum kompletten System. Die Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI-Software) ermöglicht auch die Entwicklung kompletter „intelligenter“ Systeme.

Im Folgenden stellen wir Ihnen die neuesten Entwicklungen der optischen, chemischen und Ultraschallsensorik des Fraunhofer IPMS vor, die auf der Messe SENSOR+TEST im Mai 2023 in Nürnberg zu sehen sind.

Bild oben: Ultraschallsensor des Fraunhofer IPMS. Urheberrecht: © Fraunhofer IPMS.

Das Fraunhofer IPMS bietet innovative kompakte und ultrakompakte Nahinfrarot (NIR)-Spektralanalysesysteme. Darüber hinaus präsentiert das Institut erstmals einen Demonstrator, der mittels Spektralanalyse die Zusammensetzung von Textilien erkennt. Der Einsatzbereich eröffnet zahlreiche Möglichkeiten entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Auf diese Weise können die Materialien beim Kauf vom Käufer überprüft werden. Im Bereich der Pflege kann durch die Analyse der Schmutzpartikel der Reinigungsbedarf erkannt und anhand von Farbe und Materialien ein passendes Waschprogramm ermittelt werden. Gerade im Kontext von Ambient Assisted Living sind vielseitige Einsatzgebiete denkbar. Auch im Textilrecycling kann das System eingesetzt werden, um Textilien nach Farbe und Material zu sortieren.

Weitere Einsatzgebiete der Spektralanalysesysteme des Fraunhofer IPMS sind die Frischeprüfung von Lebensmitteln, die Sortierung von Kunststoffgegenständen beim Recycling oder die Bestimmung der Art und Konzentration von Rohstoffen in Arzneimitteln. Die Systeme können im Designprozess flexibel an unterschiedliche Spektralbereiche angepasst werden.

Durch die Kombination von „Single Point“-Nahinfrarotspektroskopie mit einfacher RGB-Bildgebung wird eine maximale Informationsbestimmung erreicht, die die Anbindung an intelligente Systeme mit KI-Software ermöglicht. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung des Systems ist geplant. Dabei wird ein breiterer Spektralbereich im UV-Bereich angestrebt, um Verunreinigungen wie Schimmel und Bakterien sichtbar zu machen.

Im Bereich der chemischen Sensorik präsentieren die Wissenschaftler des Fraunhofer IPMS einen elektrochemischen Analysechip, der mit seinen Mikroelektroden aus Gold, Silber oder Platin zahlreiche elektrochemische Analyseverfahren mit kleinsten Analysemengen ermöglicht. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Materialentwicklung organischer Halbleiter oder die Offline-Reaktionskontrolle sowie die elektrochemische Analyse von Körperflüssigkeiten.

Mikroskopaufnahmen von elektrochemischen Analysechips, mit Arbeitselektrode (WE), Gegenelektrode (CE) und Referenzelektrode (RE). Die Chips haben eine Größe von 5×5 mm². Urheberrecht: Fraunhofer IPMS.

Zur Detektion von Ionen, Ionenleitfähigkeit und Temperatur in wässrigen Lösungen entwickelt das Institut ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET)-basierte Sensoren und eine anschließbare Integrationstechnologie. Dies ermöglicht beispielsweise eine pH-Messung ohne herkömmliche Referenzelektrode, die auf einem Chip inklusive Leitfähigkeits- und Temperatursensor realisiert werden kann. Der Chip kann trocken gelagert und in eine Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)-Umgebung integriert werden. Durch die Modifikation der Sensorschichten ist es zudem möglich, die Empfindlichkeit für bestimmte Ionen oder Moleküle anzupassen.

Das Fraunhofer IPMS arbeitet außerdem an der Weiterentwicklung eines Ionenmobilitätsspektrometers (IMS), das künftig zur mobilen und schnellen Detektion relevanter Gase eingesetzt werden soll. Die Technologie ermöglicht den Nachweis ionisierbarer Analyten im ppm- und ppb-Konzentrationsbereich direkt in Luft und soll insbesondere in der Umwelt-, Lebensmittel- und biomedizinischen Analytik eingesetzt werden. Die nachweisbaren Stoffe stammen beispielsweise aus der Gruppe der flüchtigen organischen Komponenten (VOCs) wie Aceton oder Toluol, die bei der Markererkennung oder Schadstoffdetektion von großer Bedeutung sind. Für diese Spurengasanalyse hat das Fraunhofer IPMS einen modularen Baustein entwickelt, der gemeinsam mit Kunden und Kooperationspartnern für anwendungsspezifische Produktentwicklungen eingesetzt werden kann. Das zugrunde liegende einzigartige Konzept der Komponenten-, Technologie- und Systemintegration geht über bestehende Lösungen auf dem Markt hinaus und verspricht daher, in Zukunft innovative Lösungen im Bereich der Gassensorik zu adressieren.

Schematischer Aufbau eines elektrochemischen Analysechips, der in den rechts abgebildeten Messadapter eingesetzt und kontaktiert werden kann. Urheberrecht: Fraunhofer IPMS.

Die Entwicklung mobiler Geräte ermöglicht aufgrund ihrer geringen Größe Messungen direkt vor Ort, um beispielsweise schädliche Emissionen an kritischen Stellen zu erkennen oder medizinisches Personal bei Diagnostik oder Behandlung zu unterstützen. Darüber hinaus ermöglicht der Zugang zu mikroelektromechanischen Systemen (MEMS)-Technologien die kostengünstige Realisierung von IMS-Chips in großen Stückzahlen. Ziel ist es, mobile Geräte bereitzustellen, die von Laien umfassend genutzt und in vielfältigen Anwendungsszenarien eingesetzt werden können.

Im Bereich der Ultraschallsensorik entwickelt das Fraunhofer IPMS sogenannte CMUTs, Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer, die Schwingfrequenzen bis in den unteren MHz-Bereich erzeugen können. Zu den Einsatzgebieten gehören die vorausschauende Wartung in Verbindung mit Edge AI, die Gestenerkennung und Steuerung von Geräten sowie die Abstandserkennung als Alternative zu optischen oder Radarsystemen. Dabei werden zeitliche Veränderungen des Abstands der Hand zu den Sensoren gemessen. Am Stand stellt das Institut das Verfahren zur Bestimmung von Wasserstoffkonzentrationen in Gasgemischen bis 100 % vor. CMUTs werden auch im medizinischen Bereich eingesetzt. Auf der Messe präsentiert das Fraunhofer IPMS einen Demonstrator eines Spirometers. Das System zur Analyse der Lungenfunktion ist Teil eines KI-gesteuerten, dezentralen Patientenüberwachungssystems. Die fortschrittliche CMUT-Ultraschallsensortechnologie ermöglicht einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung eines mobilen und leistungsstarken Spirometers.

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