Forschungs- und Kompetenzfelder
Bei der Entwicklung intelligenter Sensoren beschäftigen wir uns mit höchst interessanten Themen wie:
- Photoakustische Gassensorik
- Spurenanalyse in Flüssigkeiten
- Ultraschallsensorik
- Miniaturisierung
- Sensorsysteme
Photoakustische Gassensorik
Wir entwickeln Photoakustische Sensorsysteme (PAS) zur Detektion von Spurengasen in Konzentrationen von wenigen ppbV (parts per billion by volume, 10-9 ). In vielzähligen Projekten konnten wir die Technologie bereits erfolgreich für die Anwendungsfelder Luftqualitätsmonitoring, Klimaüberwachung und Prozess- bzw. Atemgasanalyse adaptieren. PAS zeichnen sich durch eine gute Sensitivität und Selektivität, einen hohen Dynamikbereich, sowie eine lineare Kalibriercharakteristik frei von Nullsignal-Offset aus. Gegenüber etablierten Techniken zur optisch-selektiven Detektion von Spurengasen in diesen geringen Konzentrationsbereichen, können PAS aus einfachen Komponenten wie LEDs oder Laserdioden, Smartphone-Mikrofonen bzw. 3D-gedruckten Messzellen aus Kunststoff bestehen und ohne Performanceeinbußen miniaturisiert werden.
Spurenanalyse in Flüssigkeiten
Wir entwickeln Sensoren auf Basis der bildgebenden Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPRi), mit der hochsensitiv Brechungsindexänderungen nahe der Sensoroberfäche detektiert werden können. Durch Funktionalisierung der Oberfläche können Stoffe spezifisch an der Sensoroberfläche gebunden werden, wodurch eine Signaländerung erzeugt wird. Durch Aufbringen von verschiedenen Erkennungselementen auf der Oberfläche wird die parallele Detektion verschiedener Stoffe ermöglicht. Durch schwach bindende Oberflächenmodifikationen wird ein reversibles Messsystem für verschiedenste analytische Aufgaben realisiert. Die Auswertung des bildgebenden Verfahrens erfolgt durch Mustererkennung.
Ultraschallsensorik
Schwerpunktmäßig im Rahmen der Ultraschallsensorik arbeiten wir an der Erforschung von kapazitiven Ultraschallwandlern auf MEMS-Basis (so genannte CMUTs) für die Anwendung in Gasen. Insbesondere die Lungenfunktionsdiagnostik, auch Spirometrie genannt, steht hierbei im Mittelpunkt unserer Applikationspartner. Diese stellt eine für respiratorische Krankheiten unverzichtbare Diagnose-Methodik dar und basiert auf der Messung des Atemstroms. Geschieht dies mit mithilfe der Laufzeitmessung von Ultraschall, kommen noch heute überwiegend piezokeramische Ultraschallwandler zum Einsatz, die im Vergleich mit CMUTs einige Nachteile aufzeige. Darüber hinaus ermöglichen wir auch die Nutzung von akustischem Beamshaping mithilfe von so genannten Wandler-Arrays.
Miniaturisierung
Die Miniaturisierung von Sensorsystemen ist ein zentraler Baustein unserer Forschungsaufgabe. Das im hauseigenen Reinraum der OTH Regensburg zur Verfügung stehende Repertoire an Prozessen der Mikrotechnologie (Lithographie, Schichtabscheidung, Nass- und Trockenätzen, Bonding, etc.) auf Silizium- oder Glasbasis erlaubt die Herstellung von komplexen MOEMS-Bausteinen. Viele Sensorprinzipien profitieren von den damit einhergehenden Skalierungseffekten und können so besser nutzbar gemacht werden. Die besonders für hohe Stückzahlen kosteneffiziente Fertigung solcher präzisen Bauteile ermöglicht zudem den Zugang zu einer Vielzahl von Anwendungsfeldern über den Consumer- bis in den industriellen Bereich.
Sensorsysteme
Sensorsysteme nutzen fortschrittliche Technologien wie Sensorfusion zur Datenerfassung und Datenverarbeitung. Dabei kommen im Sappz Drohnen als Trägerplattformen zum Einsatz, um ein breites Spektrum an Daten zu sammeln. Diese reichen von Bildern der Umgebung bis hin zu physikalischen Parametern. Das Schaltungsdesign und Leiterplattenlayout umfasst analoge, digitale und Mixed-Signal Elemente, um die erfassten Informationen präzise zu verarbeiten. Die sich dabei ergebenden Synergien ermöglicht hochpräzise, echtzeitfähige Überwachungs- und Kontrollsysteme, die die Effizienz und Qualität in der Industrie 4.0 maßgeblich steigern können.
Prüfstandentwicklung
Die systematische Entwicklung von Prüfständen ist eine wesentliche Kompetenz unseres interdisziplinären Teams. Neben Aufbauten zur präzisen Umweltvalidierung von Sensoren oder zur räumlich aufgelösten Analyse mikromechanischer Schwingelemente im Zeit- und Frequenzraum, zählen hierzu eine Vielzahl von Prüfständen, die unter dem Begriff der automatisierten Messtechnik zusammengefasst werden können. Außerdem haben wir im Freien einen Farmbot samt Hyperspektralkamera installiert. Unser Ziel ist es, mit Hilfe des Systems hochwertige Beobachtungsdaten zu sammeln und diese in innovative Forschungsprojekte zum Thema Smart Farming einfließen zu lassen.
Edge AI
Sensorsysteme erfordern eine Datenverarbeitung, die die Komplexität des Systems widerspiegelt. Das kann die Kompensation von Umwelteinflüssen auf den Messwert, das Extrahieren von Informationen aus kombinierten Messwerten oder auch Stabilisierung des Sensorsignals sein. Hierbei kommen probalistische Algorithmen, Methoden des maschinellen Lernens und tiefe neuronale Netze zum Einsatz. Die Algorithmik wird dabei im Sensorsystem auf geeigneten Hardware-Plattformen (FPGAs, KI-Beschleuniger) umgesetzt, um Datenhoheit zu garantieren und Latenzzeiten zu minimieren. Durch Vorverarbeitung direkt im Sensorsystem stehen zudem höherwertige, vertrauenswertigere Informationen zur Verfügung.
Rechnergestützte Entwicklung (CAE)
In der Erforschung unserer Sensorsysteme greifen wir auf eine Vielzahl rechnergestützter Methoden zurück. Im Product Engineering an erster Stelle steht die Modellierung eines Systems. Hierfür greifen wir auf die Möglichkeiten der Multiphysiksimulation mithilfe einer CPU-Workstation zurück, um das Verhalten unserer Sensoren abzubilden. Für die Evaluierung der Prototypen steht ein weiterer Hochleistungsrechner zur Verfügung, der beispielsweise eine schnelle Synthese für die Anpassung von FPGAs ermöglicht. Diese dienen vielerorts als Hardware-Plattform für unsere Sensoren. Zuletzt sind unsere Prüfstände in die bekannte Hard- und Softwareumgebung von NI eingebettet, um mithilfe von LabVIEW eine einfache Charakterisierung und Auswertung der Messergebnissen unserer Sensoren zu gewährleisten.
