Wieder zeigten die Erfinder eine bemerkenswerte Kreativität“, bemerkt Jury-Vorsitzender Prof. Dr. Andreas Schütze. „Und die Auswahl war auch dieses Jahr keine leichte Aufgabe.“ Das zeigt sich auch daran, dass aus den 35 Bewerben vier statt drei in die engere Auswahl gewählt wurden.

Für die AMA-Jury aus Wissenschafts- und Industrievertretern zählt bei der Vergabe des Awards neben Innovationshöhe und Originalität der Lösungen auch die Marktrelevanz und die zeitnahe Umsetzung in wettbewerbsfähige Produkte. Die Auszeichnung geht an die Entwickler selbst, nicht an ihre Firmen oder Institute. Wer letztlich die 10.000 Euro Siegerprämie erhält – ein einzelner oder mehrere in Aufteilung – wird auf der Eröffnungsveranstaltung der Sensor+Test am 26. Juni 2018 in Nürnberg bekanntgegeben.

Miniaturisierter Umweltsensor

Vier Umweltgrößen gleichzeitig misst der Sensor BME680.

© SystemPlus Consulting

Dr. Richard Fix von Bosch Sensortec überzeugte die Jury mit einem Umweltsensor, der gleich vier verschiedene Messgrößen parallel erfasst: Umgebungstemperatur, Luftdruck, relative Luftfeuchte und Luftqualität. Als Messgröße für die letztere nutzt der BME680 die Konzentration von bestimmten Spurengasen, hierunter insbesondere flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC), wie sie häufig aus Kunststoffteilen, Möbeln und Reinigungsmitteln ausdünsten und das Wohlbefinden beeinträchtigen können.

Das erfordert eine Empfindlichkeit bis herab in den ppb-Bereich. Zur Messung nutzt der Sensor eine Metalloxid-Dünnschicht, die auf 200 bis 400 °C aufgeheizt und dadurch halbleitend wird. Je nach Gaskonzentration ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung  lässt sich erreichen, dass der Sensor nur auf ein einzelnes oder einige wenige Zielgase reagiert. Die Temperaturmessung des BME680 wird dabei nicht beeinflusst, da die Luftqualität mit einem separaten Chip im selben Gehäuse gemessen wird.

Eine Siliziumdiode misst die Temperatur. Die Feuchte wird mit Hilfe eines Polymers ermittelt, dessen Dielektrizitätskonstante sich je nach Wasseranteil in der Luft ändert. Für die Druckmessung verwendet der BME680 piezoresistive Elemente auf einer dünnen Membran. Bei einer Auflösung von nur 12 Pa entsprechend 1 m Höhendifferenz ist die Höhenortung damit viel präziser als über GPS-Satellitensignale. Das System fragt über eine App den örtlichen Luftdruck am Boden ab. Die Differenz dazu, die der Sensor ermittelt, ist ein Maß für die Höhe über dem Boden, etwa das Stockwerk in einem Gebäude. Ein von einem Sportler getragenes Gerät kann damit feststellen, ob er in der Ebene bergauf oder bergab läuft, was wiederum Informationen über den Kalorienverbrauch liefern kann.

Jedes Exemplar wird im Werk kali­briert und weist dank interner Kompensations-Algorithmen eine lange Lebensdauer auf. Der Sensor eignet sich vor allem für Smartphones, Wearables und die Heimautomatisierung.

Hochgenaue Durchflussmessung

Coriolis-Massendurchflusssensor mit drastisch gesenktem Messfehler dank Mehrfrequenztechnik.

© Endress + Hauser Flowtec AG

Der Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen kann auf verschiedene Arten gemessen werden, zum Beispiel mit Hilfe des Coriolis-Effekts. Dabei wird ein U-förmig geführtes Rohr in mechanische Vibrationen versetzt. Wenn sich darin ein Medium in radialer Richtung bewegt, beginnt die Schwingung sozusagen zu torkeln. Beschleunigungsaufnehmer an zwei verschiedenen Messpunkten werten die Signale aus, zwischen denen sich jetzt eine Phasendifferenz bildet, die proportional zur durchfließenden Masse pro Zeiteinheit ist. Um Energie zu sparen, regt die Steuerelektronik das Rohr mit einer mechanischen Eigenresonanzfrequenz an. Sie hängt von der Dichte des durchfließenden Mediums ab und wird von der Steuerelektronik ermittelt.

Derartige Sensoren werden seit Jahrzehnten in großen Stückzahlen und in vielen verschiedenen Bauformen hergestellt. Sie arbeiten sehr genau bei homogenen Medien, ihre Messunsicherheit liegt bei nur 0,1 %. Probleme treten jedoch bei Flüssigkeiten mit eingeschlossenen Gasblasen auf. Hierzu zählen etwa Rohöl, das häufig Erdgas enthält, und kohlensäurehaltige Getränke. Solche Flüssigkeiten sind kompressibel, das bedeutet, dass die Gasbläschen auf der einen Seite des Messrohres zusammengedrückt und auf der anderen Seite ausgedehnt werden; die Messung wird ungenau.

Eine Lösung für dieses Problem hat das Team von Wolfgang Drahm bei Endress+Hauser Flowtec AG in Freising gefunden. Ihr Sensor Promass Q arbeitet mit Mehrfrequenztechnik: Ein Erreger versetzt das Rohr gleichzeitig mit zwei verschiedenen Eigenresonanzfrequenzen in Schwingungen, meist um 200 bis 300 Hz und um 1.000 Hz. Jede Frequenz liefert ein eigenes Messsignal. Beide sind zunächst noch fehlerbehaftet, wobei die Abweichung bei der höheren Frequenz größer ist.

 Aus diesen beiden »falschen« Werten berechnet ein dafür entwickelter Algorithmus einen viel genaueren Endwert. Der Fluss geht hier durch das äußere gebogene Rohr, in dem zwei Innenrohre sitzen, die gegenphasig erregt werden. Dadurch bleibt die Vibration weitgehend im Inneren. Das gerade Rohr in der Mitte dient nur der mechanischen Stabilität; hier fließt nichts durch. Während konventionelle Coriolis-Sensoren bereits bei Gasanteilen von nur 1 bis 2 % des Volumens Fehler in der Größenordnung 10 % liefern, arbeitet der Promass Q noch bei 10 % Anteil bis auf wenige Promille genau.

Nützlich ist das besonders für die chemische Industrie bei Ölen und Abwässern, in der Lebensmittelindustrie bei Getränken, aber auch bei dickflüssigeren Medien wie etwa Eiscreme – niemand bekommt mehr eine falsche Menge geliefert.

Siloxan-resistenter Multipixel-Gassensor

Langzeitstabil dank Resistenz gegen Siloxane: Der Gassensor SGP-MOXSens.

© Sensirion

Gassensoren auf Metalloxid-Basis sind weit verbreitet, nicht nur als Einzelelemente, sondern auch in Form von Arrays. Werden in diesen die einzelnen Pixel mit  unterschiedlichen Charakteristiken versehen, dann lassen sich mittels Mustererkennung auch verschiedene Gase gleichzeitig messen – bis hinab in den Sub-ppm-Bereich. Solche Sensor-Arrays sind gut geeignet, die Atemluftqualität in Innenräumen zu überwachen, vor allem in Büros. Hier hat man häufig mit Ausdünstungen von Geräten, Möbeln und Teppichböden zu tun – den anfangs schon genannten flüchtigen organischen Verbindungen (VOC).

Jedoch degradieren die Metalloxid-Sensoren mit der Zeit; ihre Empfindlichkeit nimmt ab und sie zeigen zu kleine Messwerte an. Eine umständliche Nachkalibration oder ein Austausch ist dann unumgänglich. Als Ursache dafür gelten die sogenannten Siloxane – Kettenmoleküle aus abwechselnd Silizium- und Sauerstoffatomen mit daran hängenden Wasserstoffatomen oder Kohlenwasserstoffgruppen. Sie kommen häufig an Arbeitsplätzen vor, da IT-Geräte mit Kunststoffgehäusen, wie Handys und Laptops, sie abgeben. In der Praxis handelt es sich um viele verschiedene Varianten aus dieser Stoffgruppe. Ihre Konzentrationen liegen meist im ppb-Bereich.

Der Sensirion-Arbeitsgruppe von Dr. Felix Hoehne ist es nun gelungen, einen Typ Gassensor zu entwickeln, der gegen eben diese Siloxane besonders widerstandsfähig ist und eine wesentlich verbesserte Langzeitstabilität aufweist. Der SGP-MOXSens (Bild 3) enthält das komplette Sensorsystem auf einem Chip, einschließlich analoger und digitaler Signalvorverarbeitung, Temperatur- und Feuchte-Kompensation sowie Speicherung von Kalibrationsdaten.

Das kleine Gehäuse birgt vier verschiedene Metalloxid-Elemente (Pixel) in Form von porösen Nanopartikelfilmen auf einer Mikro-Heizplatte, zusammen mit dem zugehörigen ASIC auf einem Chip. Durch Verrechnung der Einzelsignale verbessert sich die Selektivität, und es sind mehrere Gase gleichzeitig messbar. Dank einer sehr kleinen thermischen Masse liegt die Reaktionszeit bei 50 ms, und es lassen sich kontrollierte Temperaturprofile über einen Bereich von mehreren 100 °C durchfahren.

Thermometer mit automatischer in-situ-Kalibrierfunktion

Einfache Selbstkalibration mit fest eingebautem, stabilem Referenzelement: Temperatursensor iTHERM TrustSens TM37x.

© Endress + Hauser Wetzer, Kurvendiagramm: Landolt-Börnstein

In der chemischen, pharmazeutischen oder Lebensmittelindustrie gibt es technische Prozesse, bei denen die vorgeschriebene Temperatur mit sehr hoher Genauigkeit eingehalten werden muss. Da die üblichen Temperatursensoren nicht gänzlich frei von Langzeitdrift sind, müssen sie in regelmäßigen Abständen, etwa alle paar Monate, überprüft und kalibriert werden.

Als sicher reproduzierbare Fixpunkte verwendet man dazu Phasenübergänge von bestimmten Stoffen. Häufig handelt es sich dabei um Schmelz- oder Siedetemperaturen, beispielsweise ein hochreines Wasser-Eis-Gemisch für die Temperatur 0 °C. Der Kalibriervorgang ist allerdings sehr aufwändig und zeitraubend; der Sensor muss ausgebaut und in die Kalibrationsapparatur eingesetzt werden, währenddessen steht die Produktion still. Bei Hunderten bis Tausenden von Thermometern in einem Großbetrieb entstehen hohe Kosten und Einnahmenausfälle.

Alfred Umkehrer von Endress + Hauser Wetzer in Nesselwang entwickelte in Kooperation mit Innovative Sensor Technology IST einen bahnbrechenden Sensor mit Selbstkalibration. Die notwendige Grundlagenforschung kam zuvor von der TU Ilmenau. Bei dem Produkt iTHERM TrustSens TM37x ist ein Element mit physikalisch konstanter Temperaturreferenz fest eingebaut. Da Schmelz- oder Siedepunkte von Stoffen schwer zu handhaben sind, verwenden selbstkalibrierende Thermometer eine andere Art von Fixpunkt: einen Phasenübergang zwischen zwei verschiedenen Zuständen eines Festkörpers.

Umkehrer wählte für sein Thermometer ein ferroelektrisches Keramikmaterial, das eine materialspezifische Curie-Temperatur von 118 °C hat. Übersteigt die Temperatur diesen Wert, verschwindet die Polarisierung. An diesem Punkt ist die Dielektrizitätskonstante sehr hoch, außerdem ändert sie sich bei minimalen Temperaturschwankungen um mehrere hundert Prozent. Diesen Effekt nutzt der iTherm aus. Diejenige Temperatur, bei der die Dielektrizitätskonstante einen ganz bestimmten Wert hat, dient als Referenztemperatur.

Das Referenzelement ist hermetisch verkapselt und fest in den Sensor eingebaut , zusammen mit der zugehörigen Elektronik. Damit ist jetzt eine unkomplizierte Selbstkalibration möglich, ohne dass der Sensor aus der Anlage herausgenommen werden muss.

Unterstützung für junge Unternehmer

Neben dem eigentlichen Hauptpreis werden auch Sonderpreise für junge Unternehmer in Form eines kostenlosen Messestandes auf der Sensor+Test vergeben. Bedingung ist, dass die Start-Ups nicht länger als fünf Jahre am Markt sind, weniger als 50 Mitarbeiter beschäftigen und einen Jahresumsatz unter 10 Millionen Euro erwirtschaften. In diesem Jahr sind es drei.

• Dr. Matthäus Langosch (CeLaGo Sensors, Saarbrücken, und Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes): Dünnschicht-Folien-DMS, der es ermöglicht, flexible, hochempfindliche und applikationsspezifische DMS-Formen für sensitive, energiesparende und robuste Sensorsysteme einzusetzen.
• Houssam El Moutaouakil (Senvisys, Saarbrücken): Effiziente kabellose Sicherung von Bahnübergängen durch Vibrationsanalyse, unterstützt durch künstliche Intelligenz.
• Theresa Ebeling (HygNova, Berlin): HygNova Advance hilft medizinischen Institutionen dabei, Krankenhaus­infektionen durch die Erhöhung der Hände-Desinfektionsrate zu reduzieren