Vernetzte Sensoren als Grundsteine einer intelligenten Zukunft

Redakteur: Richard Oed

Sensoren sind allgegenwärtig und sorgen für intelligente und sichere Anwendungen vom IoT bis zum autonomen Fahren. Zum fünften Mal trafen sich vom 20. bis 22 September Fachleute auf dem European MEMS & Sensors Summit zu einem Gedankenaustausch.

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Dieses Jahr fand der von der SEMI Europe zusammen mit der MEMS & Sensors Industry Group veranstaltete MEMS & Sensors Summit im Maison Minatec in Grenoble statt. In seiner Keynote wies Carlo Bozotti von STMicroelectronics auf die Bedeutung von Sensoren für das IoT und das autonome Fahren hin.
Dieses Jahr fand der von der SEMI Europe zusammen mit der MEMS & Sensors Industry Group veranstaltete MEMS & Sensors Summit im Maison Minatec in Grenoble statt. In seiner Keynote wies Carlo Bozotti von STMicroelectronics auf die Bedeutung von Sensoren für das IoT und das autonome Fahren hin.
(Bild: ElektronikPraxis / Richard Oed)

Mehr als 370 Teilnehmer aus 25 Ländern nutzten die Gelegenheit, um sich in Grenoble in fast 50 Vorträgen und auf einer Messe mit fast 60 Ausstellern über die neuesten Technologien in den Bereichen MEMS, Sensoren und Bildverarbeitung zu informieren, und sich untereinander und mit den Repräsentanten führender Unternehmen und Forschungsinstitute auszutauschen. Die Themen reichten dabei von MEMS-Sensoren und -Aktuatoren für autonomes Fahren, für Roboter, Biomedizin und technischen Konsumgüter bis hin zum Einsatz im Internet der Dinge (IoT).

Dafür konnte der Branchenverband SEMI Europe als Veranstalter eine große Zahl hochkarätiger Vortragender von Herstellern wie STMicroelectronics, Infineon oder Bosch Sensortec und von Anwendern wie Oculus Research oder Airbus gewinnen. Die Forschungsseite war durch Referenten mehrerer Fraunhofer-Institute und durch das französische Cea-Leti vertreten. Zeitgleich fand auf dem Gelände des Maison MINATEC Campus der ebenfalls von der SEMI organisierte European Imaging & Sensors Summit statt, so dass ein breites Anwendungsspektrum abgedeckt wurde.

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Mehr Sensorik für das Auto

Bei seiner Eröffnungsrede betonte Ajit Manocha, der Präsident und CEO von SEMI, dass die Automobilelektronik neben der Unterhaltungselektronik zunehmend an Bedeutung gewinnt. Hier wird bis zum Jahr 2020 mit einer Steigerung von bisher 60 bis 100 Sensoren pro Auto auf über 200 Sensoren und damit auf insgesamt 22 Milliarden Bauelemente gerechnet. Hauptanforderungen sind dabei höchste Leistungsfähigkeit, geringer Stromverbrauch und ein niedriger Preis. Bedürfnisse, die so oder ähnlich fast alle Redner formulierten.

Carlo Bozotti, der CEO von STMicroelectronics, stellte in seiner Keynote eindrücklich klar, dass erst vernetzte Sensoren das Internet der Dinge und autonomes Fahren ermöglichen. Der Einsatz reiche dabei von smarten Dingen über die Smart City und das Smart Home bis hin zur smarten Industrie. Überall dort machten besser vernetzte Sensoren Anwendungen intelligenter, effizienter und sicherer. Die besonderen Herausforderungen dabei seien ein geringes Rauschen, eine hohe Genauigkeit und eine große Stabilität über Zeit und Temperatur. An entsprechenden Lösungen arbeite man in der Industrie momentan mit Hochdruck.

Das Datenvolumen wird kritisch

Auch Smartphones treiben den Markt. Darauf wies Chae Lee, Senior Vice-President von LG Electronics hin. Seiner Aussage nach sind in einem Telefon von LG derzeit 10 verschiedene Sensortypen und 16 physikalische Sensoren verbaut, die über 50 Sensor APIs angesprochen werden können.

Ebenso sind die Bereiche Smart Home und Smart Building zukünftig ein großer Markt. Denn erst vernetzte Sensoren machen aus dem eigenen Heim ein Smart Home. Chae Lee wies hier aber auch auf einen Nachteil der großen Anzahl von Sensoren hin: die dabei anfallende Datenmenge: Bei einer geschätzten Zahl von 1 Billion bald in Smart Homes verbauter Sensoren und einer Datenmenge von 6 Bytes pro Sensor, die 50-mal pro Sekunde übertragen werden, ergibt dies ein Gesamtvolumen von 300 Terabyte pro Sekunde weltweit. Diese Menge wird nur durch eine Aggregation bereits vor Ort handhabbar sein. Eine Forderung, die von mehreren Referenten aufgestellt wurde.

MOEMS für Virtual Reality

Ein anderer wichtiger Einsatzbereich für Sensoren sind die sogenannten MOEMS (micro-opto-electro-mechanische Systeme), die vor allem in der Digital Reality (DR), die sich aus der Verschmelzung von Augmented und Virtual Reality (AR/VR) ergibt, Anwendung finden, um durch Holographie realistischere Ergebnisse zu erzielen. Hier ist eine große Anzahl von Sensoren und Aktuatoren und speziell Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators) notwendig. Mehrere Forschungsinstitute und Firmen arbeiten daran bereits intensiv.

Weitere Anwendungen finden sich beispielsweise in der personalisierten Medizin zur Analyse von Blut, im Multi-Aperture Imaging für industrielle Anwendungen oder als Spektrometer in der Lebensmittelsicherheit zur Ermittlung der Qualität.

Fortschritte gibt es ebenfalls im Bereich der MEMS-Mikrofone. Hier hat sich die Stückzahl durch das Aufkommen der digitalen Assistenten und der Verbesserung der Sprachqualität bei Smartphones stark erhöht. So sind zum Beispiel im iPhone 6s von Apple vier MEMS-Mikrofone verbaut, in Amazons digitalen Assistenten Echo Show sogar acht.

In Mobiltelefonen kann durch diese Anzahl und durch die Verwendung von mit Scandium dotierten MEMS-Mikrofonen ein SNR von etwa 70 dB erreicht werden. Weitere Entwicklungen werden den Signal-Rauschabstand noch auf etwa 75 dB verbessern. Dies stellt dann aber die Grenze dar.

Die Stückzahl steht in den Sternen

Keine Einigkeit gab es bei den Referenten über die vermutete Anzahl der im Jahr 2020 verbauten Sensoren und Aktuatoren. So reichten die Schätzungen von 22 Milliarden Bauelementen bis hin zu 140 Milliarden und teilweise darüber hinaus, wobei der Endverbrauchermarkt mit 70% seine beherrschende Position behalten wird. Ebenso große Abweichungen gab es bei der Schätzung des Marktvolumens in US-Dollar. Einig war man sich lediglich darin, dass der Preis vieler MEMS-Bauelemente auf unter einen US-Dollar sinken wird und auf längere Sicht wohl bei 20 US-Cent ankommen wird.

Lebhaft diskutiert wurde die Frage, welche und wie viele Sensoren für das autonome Fahren notwendig sind. Ultraschallbasierte Lösungen und Radar werden dabei als selbstverständlich angesehen, ebenso ist der Einsatz von Flash- und Scanning-LiDAR weitgehend unstrittig. Ob allerdings auch weiterhin Inertialsensoren notwendig sind, wurde von einigen ebenso lebhaft bestritten, wie von anderen zur Bewältigung bestimmter Fahrsituationen wie dem Kreisverkehr gefordert.

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Dass diese Sensoren bei schlechtem GPS-Empfang und langsamen Geschwindigkeiten durchaus ihre Berechtigung haben, erläuterte Tommi Vilenius von Murata in seinem Vortrag. Bei Fahrversuchen mit selbstentwickelten Inertialsensoren erreichte Murata eine Ortsgenauigkeit von 30 bis 50 cm auch bei kurzzeitigem Ausfall des GPS-Systems.

Sicherheit und Privatsphäre sind kritisch

Ebenso breiten Raum bei den Diskussionen nahmen die Themen Datensicherheit und Privatsphäre ein. Speziell werden Geräte kritisch gesehen, welche grundsätzlich mithören, wie manche digitale Assistenten. Denn bei diesen werden die Daten vielfach zur Analyse zum Anbieter gesandt und dort auch gespeichert. Hier sind laut Peter Cooney von SAR Insight & Consulting nicht nur die Hersteller gefordert, Lösungen wie beispielsweise die Möglichkeit zum Löschen alter Aufzeichnungen zu entwickeln und anzubieten, sondern auch der Verbraucher, der für sich selbst entscheiden muss, wo er die Grenze zwischen Komfort und Privatleben zieht.

Dass für einen erfolgreichen Sensoreinsatz keine eigenen Entwicklungen notwendig sind, zeigte unter anderem Sandra Prodila von Libelium. Deren Plug & Sense Plattform Waspmote ist für den Einsatz von über 120 Sensoren verschiedener Hersteller vorbereitet und mit über 40 verschiedenen Cloud-Diensten verknüpfbar. Die bereits erfolgte Verwendung dieses Systems in mehreren Ländern unterstreicht die Bedeutung dieses Trends zu Fertiglösungen.

Sensoren besitzen eine glänzende Zukunft

Insgesamt kamen alle Teilnehmer zu dem Schluss, dass den MEMS-Sensoren und Aktuatoren eine strahlende Zukunft bevorsteht. Durch die Miniaturisierung der Sensoren werden neue Anwendungsgebiete erschlossen und die Anzahl der Sensoren in bisherigen Applikationen weiter zunehmen. So zeigte Bosch Sensortec beispielsweise einen integrierten Sensor zur Messung von Luftdruck, -Qualität und-Feuchte und der Temperatur in einem nur 3 x 3 mm großen Gehäuse. Steigenden Stückzahlen kompensieren dabei die Umsatzrückgänge durch den Preisverfall.

Beide Trends werden sich fortsetzen und durch neue Prozesstechnologien sogar noch beschleunigt. Für die nächsten Summit im Jahr 2018 ist also wieder mit spannenden Vorträgen zu rechnen.

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