Die letzten Jahrzehnte haben dramatische Veränderungen in der Welt der Computer, der Software und der Rechentechnik mit sich gebracht. Als Ingenieur ist es faszinierend, Teil einer Ära zu sein, die mit riesigen Mengen an Rechenleistung aufwartet. Zu den beliebtesten Geräten gehören Personalcomputer, Laptops, tragbare Geräte wie Smartphones und Smartwatches.

Ein Leben ohne die Hilfe von Computern ist nicht mehr vorstellbar. Und das Beste daran ist, dass wir immer noch an der Oberfläche des riesigen Computerpotenzials kratzen, das in diesen scheinbar intelligenten Maschinen schlummert.

Mit dem Aufkommen des Internet-of-Things (oder IoT), das die Computertechnologie auf eine neue Ebene gebracht und das Wort “intelligent” neu definiert hat (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), kann man mit Fug und Recht behaupten, dass die Aufregung erst begonnen hat.

Dieser Artikel zielt darauf ab, die Frage zu beantworten: “Wie funktioniert ein Sensor?” und konzentriert sich auf die Physik der Funktionsweise eines Sensors.

Was ist Internet-of-Things (IoT)?

Ingenieure und Wissenschaftler neigen dazu, zu nomenklieren (einen Namen für etwas zu wählen), damit der neu geprägte Begriff selbsterklärend ist. Beim Begriff IoT ist das nicht anders.

Wie der Name schon sagt, ist IoT ein Oberbegriff, der alle Arten von Geräten umfasst. Sie sind entweder in ein System eingebettet oder existieren als eigenständige Einheit. Entscheidend ist in jedem Fall, dass sie über das Internet miteinander kommunizieren (oder sprechen). Jedes dieser Geräte hat einen eingebetteten Sender und Empfänger, der den Kommunikationsprozess über das Internet abwickelt.

Allerdings ist nicht jedes IoT-System gleich und eignet sich nicht unbedingt für alle Anwendungen. Im Grunde genommen ist es wie bei uns Menschen. Jedes Individuum ist in etwas großartig. Man kann nicht von einem Schauspieler erwarten, dass er ein Flugzeug fliegt, und von einem Piloten, dass er in einem Film spielt. Genauso kann man nicht erwarten, dass ein einziges IoT-System (und Gerät) alles kann. Daher entwerfen Ingenieure verschiedene Systeme für verschiedene Aufgaben, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen.

In der modernen Wirtschaft ist der Kunde König, und das gilt für alle Branchen. Daher entwerfen, produzieren und liefern die Systemdesigner stets IoT-Systeme, um eine nahtlose Benutzererfahrung zu bieten. IoT-Hardware-Produktentwicklung: How-To” von Vera Kozyr verweist auf die Zeit und die Anstrengungen, die alle Beteiligten in die Entwicklung eines End-to-End-Systems im Plug-and-Play-Stil aus der Perspektive eines Hardware-Produkts investieren.

Bevor wir das Innenleben eines IoT-Geräts erkunden, ist es wichtig, zwischen einem Gerät und einem System zu unterscheiden.

Ein Gerät ist wie ein einzelnes Mitglied, während das System wie ein Team ist, das das Individuum einbezieht. Ein Gerät ist also ein Teil eines Systems, während das Umgekehrte nicht zutrifft.

Komponenten des IoT-Systems

Jedes System besteht aus mehreren Einzelkomponenten (und Unterkomponenten), die gemeinsam auf ein gemeinsames Ziel hinarbeiten. Außerdem sorgt die Zugehörigkeit zu einem System (Team) für höhere Produktivität und bessere Ergebnisse. Die wichtigsten Komponenten eines IoT-Systems sind:

• Die Sensoren zur Erfassung physikalischer Größen
• Der zentrale Mikrocontroller vor Ort, der alle von den Sensoren und anderen Komponenten durchgeführten Aktionen steuert
• Cloud, Datenanalyse und -verarbeitung, um die empfangenen Daten zu analysieren und zu verarbeiten
• Sender und Empfänger, um eine Kommunikation zwischen verschiedenen Sensoren, Sensoren und Mikrocontroller und dem zentralen Cloud-Server über das Internet herzustellen
• Benutzerschnittstelle, um mit dem Benutzer zu kommunizieren und die von ihm angewiesenen Aufgaben durchzuführen

IoT-Sensoren: Die Brücke zur realen Welt

Ein gutes Beispiel für ein IoT-System ist ein Smartphone, das in der Regel aus folgenden Komponenten besteht:

• einem GPS-Modul (Global Positioning System) zur Bestimmung des Standorts
• einem Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur
• einem Mikrofon zur Erfassung der Stimme des Benutzers und,
• einem Näherungssensor zur Erfassung des Abstands des Benutzers zum Telefon und zum Sperren des Telefons während eines Anrufs.

Die verschiedenen Anwendungen auf dem Smartphone verwenden unterschiedliche Sensoren. Google Maps beispielsweise verfügt über eine Benutzeroberfläche (eine App), die mit dem GPS-Modul interagiert und Standortkoordinaten sammelt. Es verarbeitet die Daten über eine Internetverbindung, um den Benutzer auf dem Weg zu seinem Ziel zu unterstützen.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein weiteres Beispiel für ein IoT-System, das mehrere Sensoren verwendet. Ein BMS ist ein elektronisches System, das den Betrieb der Batterie schützt und verwaltet. Kurz gesagt, es ist der persönliche Hausmeister der Batterie. Ich habe die Funktionsweise eines Smartphone-BMS in meinem Artikel – Battery Management System in Smartphones – in energyio.tech.

Ein Sensor fungiert als Tor zwischen der Computerwelt und der realen Welt. Folglich muss der Sensor das, was er in der realen Welt wahrnimmt, in ein spezielles Etwas umwandeln, das eine Rechenmaschine versteht.

Glücklicherweise ist das gemeinsame Bindeglied zwischen den beiden Welten die elektrische Energie!

Damit sind wir bei der technischen Definition des Sensors angelangt – ein Sensor in einem IoT-System nimmt die gewünschte physikalische Größe wahr und wandelt sie in ein elektrisches Signal um, das direkt oder über einen Mikrocontroller vor Ort an den zentralen cloudbasierten Server übertragen wird.

Ein IoT-Sensor ist, nun ja, ein Sensor, der in einem IoT-System verwendet wird.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und der Erfassungsmechanismus von IoT-Sensoren

Mikroelektromechanische Systeme (oder MEMS) sind eine Mikrosystemtechnik, die aus winzigen Bauteilen aus Halbleitermaterial wie Silizium besteht, deren Größe im Mikrometerbereich liegt.

Wenn nicht alle, so doch die meisten Sensoren, die mechanische Energie erfassen, nutzen auf die eine oder andere Weise die MEMS-Technologie. Ein Beschleunigungsmesser ist ein äußerst beliebtes Beispiel. Dies ist in erster Linie auf das schnelle Wachstum und die große Abhängigkeit von Computern zurückzuführen.

Da das Herstellungsmaterial der MEMS-Technologie ein Halbleiter ist, besteht der Hauptvorteil darin, dass sie in einen integrierten Schaltkreis (IC) eingebettet werden kann. Ein IC enthält andere Computerkomponenten (ebenfalls aus Halbleitermaterial), die auf die von den Sensoren empfangenen Daten reagieren.

Die geringe Größe und die Chipintegration senken die Kosten drastisch. Man kann einen MEMS-basierten Beschleunigungsmesser für weniger als 250 ₹ (3,34 $) kaufen. Außerdem zeichnen sich MEMS-basierte Sensoren durch eine hohe Empfindlichkeit aus und erkennen kleinste Veränderungen, die mit ihren Vorgängern unvorstellbar waren.

Typen von Sensormechanismen und Arbeitsprinzip

Abhängig von der Anwendung kann ein System einen oder mehrere Sensoren umfassen, die eine unterschiedliche physikalische Größe erfassen und somit einen einzigartigen Sensormechanismus haben. Die beiden in der MEMS-Technologie am weitesten verbreiteten Sensormechanismen, die eine physikalische Änderung in ein elektrisches Signal umwandeln, sind:

1. Resistive Sensorik
2. Kapazitive Sensorik

Der Sensormechanismus beider Typen beruht auf einem einfachen Prinzip: Jede Änderung der physikalischen Größe wird durch eine Änderung des elektrischen Widerstands oder der Kapazität des im Sensor verwendeten Materials erfasst. So zeigt eine größere Änderung der physikalischen Größe eine größere Änderung des Widerstands oder der Kapazität des Materials und umgekehrt.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Typen ist die Funktionsweise der beiden Mechanismen. Ein auf Widerstand basierendes Sensorsystem verwendet, nun ja, einen Widerstand, während ein auf Kapazität basierendes Sensorsystem einen Kondensator verwendet.

Keine Sorge, wenn Sie vor diesem Artikel noch nie etwas von einem Widerstand und einem Kondensator gehört haben. Du kannst den Unterschied zwischen ihnen nachlesen. Stellen Sie sich die beiden Komponenten wie zwei Menschen mit ihren eigenen einzigartigen Eigenschaften vor.

Widerstandsbasierter Messmechanismus (mit MEMS-Technologie)

Wir verwenden seit über einem Jahrhundert Widerstandswiderstände zum Messen, Analysieren, Steuern und Beobachten verschiedener physikalischer Größen. Wie bereits erwähnt, wird bei jeder Änderung einer physikalischen Größe (z. B. des Drucks) durch den Betrag der Änderung des elektrischen Widerstands bestimmt, wie stark sich die Größe geändert hat.

Die Änderung des elektrischen Widerstands wird durch physikalische Prinzipien wie den photoleitenden Effekt, den thermoresistiven Effekt von Halbleitern und den piezoresistiven Effekt bestimmt.

1. Erfassen von Änderungen der physikalischen Geometrie – Der elektrische Widerstand eines Materials hängt von seiner Geometrie, Länge und Querschnittsfläche ab. Jede Änderung der Länge oder/und der Querschnittsfläche wirkt sich direkt auf den Widerstand des Materials aus.
2. Piezoresistiver Effekt – Ein piezoresistives Material ist ein spezielles Material, dessen elektrischer Widerstand sich ändert, wenn das Material eine mechanische Verformung erfährt, z. B. durch Drücken, Ziehen oder Quetschen. Daher verwenden IoT-Sensoren zur Messung von Druck, Vibration und Beschleunigung in der Regel piezoresistive Materialien.

Andere auf Widerstand basierende Erfassungsmechanismen, die in IoT-Sensoren verwendet werden

Obwohl MEMS-basierte IoT-Sensoren für mechanische, physikalische Größen äußerst effektiv sind, ist die Funktionsweise von Widerstandssensoren zur Erfassung nicht-mechanischer Größen wie Licht und Temperatur nicht dieselbe. Daher ändert sich der Erfassungsmechanismus.

1. Lichtsensorik – Um Licht zu erkennen, wird ein spezielles lichtempfindliches Material benötigt. Pflanzen erkennen Licht mit Hilfe spezieller Moleküle, die Photorezeptoren genannt werden. In ähnlicher Weise verwendet jeder lichtempfindliche Sensor Fotowiderstände – ein Material, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Lichtintensität abnimmt. Ein lichtabhängiger Widerstand oder allgemein als LDR bekannt ist ein sehr beliebter IoT-Sensor, der zur Lichterkennung verwendet wird.
2. Temperatursensor – Ähnlich wie bei der Lichterkennung werden auch für die Temperaturerkennung Materialien benötigt, die für Änderungen der Umgebungstemperatur empfänglich sind. Die meisten Temperatursensoren bestehen aus einem Thermistor – einem Material, dessen elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. So wird z. B. bei modernen Lithium-Ionen-Batterien die Temperatur der Batterie mit Hilfe von Thermistoren erfasst, um ein Überladen zu verhindern.
3. Chemische Sensoren – Diese Sensoren werden zur Erkennung einer bestimmten Chemikalie eingesetzt. Der Sensor enthält eine Sensorschicht, die aus einem Material besteht, dessen Widerstand sich ändert, wenn es mit der Chemikalie reagiert. Viele IoT-Systeme verwenden zum Beispiel die Gassensoren der MQ-Serie (MQ9, MQ2, MQ7 usw.). Er erkennt das Vorhandensein verschiedener Gasarten wie Kohlenmonoxid, Flüssiggas und Methan.

Umwandlung in elektrische Signale

Die wohl zweitbeliebteste wissenschaftliche Gleichung, das Ohmsche Gesetz (V = IR), stellt eine direkte Beziehung zwischen elektrischem Strom, Spannung und Widerstand her. Das Schöne an diesem Gesetz ist, dass jede kleine Änderung des Widerstands im Handumdrehen in ein elektrisches Signal (Spannung oder Strom) umgewandelt werden kann.

Daher verwendet jeder resistiv basierte IoT-Sensor (einschließlich MEMS-Technologie) direkt oder indirekt das Ohmsche Gesetz.

Kapazitiver Erfassungsmechanismus in IoT-Sensoren

Ein kapazitiver Erfassungsmechanismus erfasst die Änderung einer physikalischen Größe durch Änderung der Kapazität des Materials und hängt wie der Widerstand von der physikalischen Geometrie des Materials ab.

Nahezu alle kapazitiven Sensorsysteme beruhen jedoch in erster Linie auf Änderungen der physikalischen Geometrie – Fläche, Abstand und der kapazitiven Fähigkeit des Materials, die durch die Menge der Ladung, die es speichern kann, beschrieben wird.

Ein Berührungssensor ist einer der häufigsten kapazitiven Sensoren in einem IoT-System. Ein Smartphone verwendet einen Touchscreen, der aus zahlreichen Berührungssensoren besteht. Im Wesentlichen handelt es sich um einen Drucksensor, der den Druck/die Kraft einer physischen Berührung erkennt.

Wenn der Bildschirm durch eine physische Berührung stimuliert wird, verändert der ausgeübte Druck die Fläche oder/und den Abstand, was eine Änderung des Kapazitätswerts unter dem Bildschirm auslöst.

Diese Kapazitätsänderung wirkt wie ein elektrischer Schalter, der ein elektrisches Signal an die nächste Stufe weiterleitet. Abb. 3 veranschaulicht die Funktionsweise eines Berührungssensors.

Ähnlich wie die resistiven Sensorsysteme, die das Ohmsche Gesetz verwenden, haben kapazitive Systeme ihre eigene einzigartige Beziehung, die eine Änderung der elektrischen Kapazität auf Spannung und Strom abbildet. Leider sprengt die mathematische Gleichung den Rahmen dieses Artikels.

Kapazitive vs. resistive Sensoren

Bei resistiven Sensoren erfordern einige physikalische Größen wie Licht und Temperatur eine besondere Art von Material. Dies ist ein Segen und ein Fluch! Auf der einen Seite ist die Widerstandsänderung einzigartig für die zu messende Größe. Andererseits erfordert diese Einzigartigkeit ein völlig anderes Mess-/Sensorverfahren.

Die meisten kapazitiven Sensorsysteme haben dagegen ein einheitliches Sensorverfahren, da die Veränderung in erster Linie auf Variationen der physikalischen Geometrie zurückzuführen ist. Außerdem sind sie im Vergleich zu ihrem resistiven Gegenstück relativ neu und derzeit auf die Erfassung mechanischer Systeme mit MEMS-Technologie beschränkt.

Abschluss

Ich hoffe, ich konnte die Funktionsweise einiger der häufig verwendeten Sensoren in IoT-Systemen erklären. Außerdem ist die Herstellung von Sensoren nur ein Teil eines IoT. Das System muss die empfangenen Daten effektiv verarbeiten und anwendungsorientierte Ergebnisse liefern, indem es auf die Anforderungen der Benutzer eingeht.

In der heutigen Zeit haben IoT-Sensoren die Fertigungsindustrie durchdrungen und die meisten manuellen Vorgänge automatisiert, was zu einem völlig neuen Zweig geführt hat, der als industrielles IoT (IIOT) bezeichnet wird.

Im Gegensatz zu Personalcomputern und Smartphones muss die IoT-Technologie erst noch einen dramatischen Wandel in unserem Leben bewirken. Bis dahin muss sich das gesamte IoT-Ökosystem weiter entwickeln.

W. Y. Du, S. W. Yelich, “Resistive and Capacitive Based Sensing Technologies”, Sensors and Transducers Journal, April, 2008

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Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

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