22.05.2023

Sensor-Pille für Impedanzen

Mobiler Detektor verbessert Schadensdiagnostik in Industrie und Medizin.

Zur Fehler­identifikation einfach eine Pille einwerfen – das haben Forschende am Fraunhofer IZM in Kooperation mit den Unternehmen Micro Systems Techno­logies (MST) und Sensry Realität werden lassen. So klein wie ein Bonbon kann der wasserdichte Sensor die Eigenschaften von Flüssigkeiten auch an schwer zugänglichen Orten zuverlässig messen. Das kann die Wartung von Industrie­maschinen deutlich erleichtern und sogar bei der Diagnostik von Krankheiten helfen.

Abb.: Dieser minia­turisierter Sensor misst Impedanzen in schwer...
Abb.: Dieser minia­turisierter Sensor misst Impedanzen in schwer erreich­baren Bereichen. (Bild: Fh.-IZM)

Je größer eine Industrie­maschine, desto schwieriger ist es im Störfall, von außen eine ungewollte Abweichung im Öldruck oder gar ein Leck in einer Leitung festzustellen. Bis die Nadel im Heuhaufen gefunden ist, verstreicht oft viel Zeit. Daraus resultieren Produktionsausfälle und hohe Kosten. Ähnlich verhält es sich mit der Erkennung von Krankheits­ursachen beim Menschen. Klagen Patienten über Schmerzen im Bauchraum, führt meist kein Weg an einer aufwendigen Magen- oder Darmspiegelung vorbei. In solchen Fällen kann die elektro­chemische Impedanz­spektroskopie Abhilfe schaffen. 

Bei diesem Verfahren wird ein Frequenz­spektrum von einer Elektrode durch ein Medium zu einer zweiten Elektrode geschickt: Daraus lässt sich ein Spektrum ableiten. Werden dabei Veränderungen von Material- oder Flüssigkeits­eigenschaften deutlich, kann dies sowohl ein Indiz für die fort­schreitende Korrosion eines Bauteils oder auch für das Vorliegen eines bestimmten Krankheitsbilds sein. Bis jetzt waren Impedanzanalysatoren nicht klein und mobil genug, um sie für diese Zwecke einsetzen zu können. Die Forschenden haben dazu einen kompakten und modularen Sensor für diese Anwendungen entwickelt, der Impedanzen messen und drahtlos übertragen kann. Folglich ist er nicht nur wasserdicht, sondern auch biomedi­zinisch kompatibel.

Der Sensor besteht aus einem bioverträglichen Polymer und vereint die zwei notwendigen Elektroden mit zahlreichen Komponenten für die Analyse von Umgebungs­eigenschaften, darunter sechs Sensoren für die Messung unter­schiedlichster Daten. So kann das kleine Multitalent neben Temperatur, Druck, Luft­feuchtigkeit und Sound in der Umgebung auch das eigene Beschleunigungs­verhalten, die Rotation oder Umgebungs­geräusche erfassen. Licht und Farben können von einem integrierten Lichtsensor bestimmt werden. Konkret gibt man den Sensor bei einem Störfall einer Maschine beispiels­weise in eine Ölleitung ein und diese durchfließt dann das ganze System. Drahtlos werden in Echtzeit genaue Daten über die Eigenschaften der Umgebung an eine eigens entwickelte Software übertragen. Ist eine Stelle erreicht, an welcher der Druck oder das Flüssigkeits­spektrum von der Norm abweichen, ist das ein Indiz für die erfolgreiche Lokali­sation der Problemursache. 

Bei der Fertigung des Sensors stellte vor allem die starke Minia­turisierung der Bauteile eine große Heraus­forderung dar. Insbesondere die Verkleinerung des Spulen­durchmessers auf zehn Millimeter für das drahtlose Laden war dabei eine Hürde. Durch ein ausgeklügeltes Systemdesign war es jedoch möglich, diese Heraus­forderung zu meistern. Damit insgesamt über 70 passive und aktive Komponenten auf einer flexiblen und biokompatiblen Leiterplatte Platz finden, wurde diese aus einem Flüssigkristall­polymer konzipiert und vierlagig gefertigt. Dennoch ist sie gerade einmal 175 Mikrometer dünn.

Für den drahtlosen Ladevorgang muss die Kapsel dank einer verbauten Induktions­spule nicht einmal geöffnet werden und kann drahtlos über Qi-Techno­logie geladen werden. Über eine Dockingstation für die Kali­brierung und Programmierung des Sensors ist aber auch ein klassischer Lade­prozess möglich. Damit die sehr kleinen Komponenten beim Betrieb nicht zu heiß werden, ist der Sensor außerdem mit einem Epoxidharz gefüllt, das die Komponenten voneinander isoliert und die Wärme nach außen abführt. 

Fh.-IZM / JOL

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