Institut für Sensor und Aktortechnik Institute of Sensor and Actuator Technology

Transkript

1 Institut für Sensor und Aktortechnik Institute of Sensor and Actuator Technology

2 Ohne Bewegung ist Leben undenkbar. Without movement life is unthinkable. - Moshé Feldenkrais

3 Prof. Dr. Gerhard Lindner, Institutsleitung Prof. Dr. Gerhard Lindner, Director Prof. Dr. Maria Kufner, Institutsleitung Prof. Dr. Maria Kufner, Director Liebe Leserinnen und Leser Dear Readers Als In-Institut der Hochschule Coburg betreibt das Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) seit 2007 Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der mikroakustischen Oberflächenwellen. Mit großem Erfolg wurden bereits zahlreiche Kooperations- und Förderprojekte mit Partnern aus Industrie, Wirtschaft und Forschung durchgeführt, wodurch sich das Institut - insbesondere in der Region Oberfranken einen Namen machen konnte. Bereits zwei Ausgründungen aus dem ISAT bereichern mit innovativen Entwicklungen im Bereich Sensortechnik die hiesige Wirtschaftsregion, sodass vor allem Coburg immer mehr zu einem Sensorik-Hotspot avanciert. Durch den Umzug in das neue Institutsgebäude im Januar 2013 konnten die Aktivitäten des ISAT an einem Standort vereint und hervorragende Grundlagen für zukünftige Forschungsarbeiten in den neuen Laboren und Werkstätten geschaffen werden. Durch die Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, des Bundesministeriums für Wirtschaft, des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung der Europäischen Union und der Wirtschaftsförderungsgesellschaft der Stadt Coburg ist es dem ISAT in den letzten Jahren möglich gewesen, sich in allen Geschäftsbereichen signifikant weiterzuentwickeln. Eine besondere Förderung hat das ISAT von der Bayerischen Staatsregierung im Rahmen des Programms Aufbruch Bayern erfahren. Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken (TAO) wurde die wissenschaftliche Kooperation mit der Universität Bayreuth vertieft. Auf Grundlage dieser positiven Entwicklungen wird das Institut auch in Zukunft in der Lage sein, als kompetenter Partner und Impulsgeber für Forschungs- und Entwicklungsprojekte für Ihre Anfragen bereit zu stehen. As part of Coburg University of Applied Sciences and Arts, the Institute of Sensor- and Actuator Technology (ISAT) is performing research and development in the field of surface acoustic waves (SAW) since ISAT has been established in Upper Franconia as result of many research cooperations and funded projects with partners from industry an science. Two spin-offs also promote their innovations in Coburg, so that this region is becoming a hotspot in sensor development. By moving to a new research building in January 2013, all activities could be concentrated at one location with excellent equipped laboratories and workspaces. ISAT itself appreciates the support of the Federal Ministry of Education and Research, the Federal Ministry of Economics and Technology, the European Regional Development Fund of the European Union and the Wirtschaftsförderungsgesellschaft Coburg. A special funding was obtained by the Bavarian state government as part of the program Aufbruch Bayern. Within the technology initiative TAO the scientific cooperation with University of Bayreuth was stengthened. On the basis of this positive progress the institute will likely be a competend partner and trigger innovations for your tasks. 1

4 Akustische Oberflächenwellen Surface Acoustic Waves Die bekannteste akustische Oberflächenwelle ist eine Seismische Welle, die in Folge eines Erdbebens auftritt und eine zerstörerische Kraft mit verheerender Wirkung für den Menschen und seine Umgebung entwickeln kann. Jedoch kann man sich diese Welle in miniaturisierter Form auch für innovative Sensor- und Aktor-Technologien zu Nutze machen. Diese akustischen Oberflächenwellen kommen bereits in vielfältigen technischen Anwendungen zum Einsatz, wie beispielsweise in Mobiltelefonen. Ob im Haushalt, der Medizintechnik, der Umwelttechnik oder auch der Automobiltechnik - die Einsatzbereiche dieser Technologie sind sehr vielfältig, sodass durch sie in den vergangenen Jahren neue Marktpotentiale geschaffen wurden. Das Institut für Sensor- und Aktortechnik verfügt über ein umfangreiches Know-How in der Anwendung dieser akustischen Oberflächenwellen, in das wir Ihnen auf den folgenden Seiten einen Einblick geben möchten. The best-known surface acoustic wave (SAW) is a seismic wave resulting from an earthquake, which may have devastating impacts on nature and humanity because of its brute force. In a miniaturized form, this waves can be used for ingenious novel technologies. Various applications such as sensors and actuators utilize microscopic seismic waves. These surface acoustic waves have proven their widespread userfulnes e.g. in biomedical applications, mobile communication, household and automotive engineering. ISAT has extensive know-how with respect to surface acoustic wave applications. We would like to give you an insight in our work on the following pages. 2

5 Mitarbeiter Employees Seit der Gründung des Instituts ist die Zahl der Mitarbeiter stetig gestiegen, sodass zur Zeit 25 Mitarbeiter verschiedener Qualifikationen beschäftigt werden. Diese Steigerung konnte durch die wachsende Zahl von Forschungsprojekten des Instituts erreicht werden. Die interdisziplinäre Zusammensetzung der Mitarbeiter spiegelt hierbei das breite Kompetenzspektrum des Instituts wieder. Zusätzlich arbeiten durchschnittlich 20 Studenten verschiedener Studiengänge von der Technischen Physik und Elektrotechnik über den Maschinenbau bis hin zur Betriebswirtschaft, Bioanalytik, Informatik und dem Integrierten Produktdesign im Rahmen von Bachelor-, Master-, Diplom- oder Studienarbeiten, als Praktikanten oder als studentische Hilfskräfte an der Bearbeitung von Forschungsprojekten mit. Im Rahmen von kooperativen Promotionsvorhaben werden die wissenschaftlichen Grundlagen der Forschungsprojekte vertieft. Durch diese breit gefächerte Aufstellung des ISAT- Teams können mehrere unterschiedliche Fragestellungen mit optimaler fachlicher Besetzung zur gleichen Zeit bearbeitet werden. The number of employees at the institute has continually increased since its founding. With many different disciplines a wide range of competences is represented by the 25 scientific and non-scientific employees currently working at the ISAT. An average of 20 students from study programs like technical physics, electrical engineering, mechanical engineering as well as business administration, bioanalytics, computer science and product design are working in the institute as student assistants or trainees within their bachelor-, masteror diploma thesis. Within several PhD projects the scientific background of the research activities is investigated. This increase was a result of the growing number of research projects. The interdisciplinary structure of ISAT allows the processing of several projects at the same time by adequate teams of researchers. 3

6 Forschungsservice auf dem Gebiet der Messtechnik Research service in the field of metrology Kompetenzfelder Competence areas Zur dauerhaften Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens ist die stetige, kundenorientierte Weiterentwicklung der eigenen Produkte und Prozesse unerlässlich. Als Katalysator solcher Innovationen ist das ISAT ein erfahrener Projektpartner, sowohl beim Forschungsservice im Bereich der Messtechnik, als auch bei Forschung und Entwicklung im Bereich der mikroakustischen Sensorik und Aktorik. Die Räumlichkeiten des Instituts, mit einer Fläche von rund 1020 m ², sind die Grundlage für die Erarbeitung praxisnaher Lösungen. Hierfür steht das interdisziplinäre Team des ISAT mit einer gut ausgestatteten technischen und wissenschaftlichen Infrastruktur. Die technische Infrastruktur umfasst eine mechanische Werkstatt, vier Mess- und Experimentierräume, sowie je ein Elektronik -, Laser-, Chemie- und Mikrobiologielabor. Eine hausinterne Literatursammlung sowie die Anbindung an die Hochschul-Bibliothek und Zugang zu Fachliteratur, Soft-und Hardware für Simulationen und mathematische Berechnungen sind Bestandteil der wissenschaftlichen Infrastruktur. Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der mikroakustischen Sensorik & Aktorik Research and development in the field of surface acoustic waves For an enterprise a continuous, customer oriented advancement of own products and processes is inevitable to remain competitive in the long term. ISAT is an experienced cooperation partner which provides research service in the field of metrology as well as research and development in microacoustic sensor and actuator technology. Basis of the scientific work and the creation of practical oriented solutions is the research building with a total area of 1020 m ² and a well equipped interdisciplinary team of scientists and engineers. Technical infrastructure comprises a mechanical workshop, four measurement and experimental laboratories and laboratories for electronic, laser, chemical and microbiological investigations and developments. The institute maintains a collection of literature and also a connection to the library of the university with access to scientific literature, soft- and hardware for simulation and mathematical calculations within the scientific infrastructure. 4

7 Leistungsspektrum Range of services Nach dem ersten Kooperationskontakt werden gemeinsam Aufgabenstellungen formuliert. Somit können die wichtigsten Bausteine für jedes Projekt individuell geplant werden. Dabei geben Technologie- und Machbarkeitsstudien wichtige Hinweise auf das wirtschaftliche Potential für eine konkrete Verwendung. Das ISAT bietet dabei auch umfassende Unterstützung bei der Markt- und Literaturrecherche sowie bei der Konstruktion und Herstellung von Prototypen an. Die Integration in bereits bestehende Systeme und Produkte ist dabei von besonderer Bedeutung. Identification of common research tasks is a top priority after initial contact with future cooperation partners. Essential milestones of each research project are planned individually and precisely. The economic potential will be exploited by the investigation of technology and by feasibility studies. That also includes the possibility of a specific realization of a prototype based on the research results. Furthermore, ISAT is capable to apply the extensive knowledge in design and implementation of such prototypes with particular attention on integration in existing systems. 5

8 Kompetenzen auf einen Blick Competences at a glance Erstklassige Forschung und Entwicklung wird innerhalb des Instituts einerseits durch das kompetente Fachpersonal und andererseits durch eine hervorragende und spezialisierte Ausstattung gewährleistet. Hierzu zählen unter anderem: High-Speed Kamera IR-Kamera Laser-Scanning-Vibrometer UHF Vibrometer CNC Fräsmaschine UV-VIS Spektralphotometer Schallfeldmessplatz Messdatenerfassungssysteme Mixed Signal Oszilloskope digitale Speicheroszilloskope Dichte-Schallmessgerät Rheometer Prozessthermostate FT-IR Spektrometer Temperaturkammer CAD- und Software-Pakete (CATIA, COMSOL, LABVIEW, MATLAB) Netzwerkanalysator (1Hz - 40MHz) Vakuummessplatz Schichtdickenmessgerät Faseroptische (Temperatur)messsysteme Drehmaschine Plasmaschneider WIG-Schweißgerät Sonotrode Laserakustischer Messplatz Klima-Prüfschrank Laserscanningmikroskop Konvocales Laserscanningmikroskop Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern analysieren wir Fragestellungen und formulieren maßgeschneiderte Projektpläne für eine optimale Bearbeitung. The institutes high-quality research and development is primary guaranteed through specialized equipment. This includes the following: High-Speed camera IR-Camera Scanning Laser-Doppler-Vibrometer UHF Vibrometer CNC - milling machine UV-VIS spectral photometer Sound-field measurement station Data acquisition systems Mixed signal oscilloscope Digital storage oscilloscopes Density sound level meter Rheometer Process thermostat FT-IR spectrometer Temperature chamber CAD- and Software packages (CATIA, COMSOL, LABVIEW, MATLAB) Network analyzer(1hz - 40MHz) Vacuum measureing station Thickness gauge fibre optic measurement instruments CNC Lathe Plasma cutter WIG-Welder Ultrasonic horn Laser acoustic measurement system Climate Test Chamber Laser scanning microscope Confocal laser scanning microscope In cooperation with business partners, problems will be analyzed in order to customize, detect and design project concepts for an optimized processing. 6

9 Messtechnik Ultraschallmessverfahren Zerstörungsfreie Oberflächenprüfung Messung der radioaktiven Kontamination von Gegenständen Faseroptische Messsysteme : FBG - Sensoren : Temperatur, Dehnung, Beschleunigung Rayleigh - Sensoren : verteilte Temperatur- & Dehnungsmessung Magnetfeldmessung Chemie Nasschemische Analytik Chemische Wasseranalysen Leitfähigkeitsmessung Messungen des Brechungsindex Elektronik & IT Entwurf, Layout, Simulation und Herstellung von analogen und digitalen elektronischen Schaltungen Entwicklung und Test von Software für Mikrocontroller Elektronikdesign-Software (Altium, Eagle) Hardware-Entwicklung mit FPGAs / CPLDs Entwicklung von Algorithmen zur Messdatenauswertung Simulation und Softwareentwicklung : Akustik- und Fluidik-Simulation (COMSOL) LabVIEW- Programmierung Biotechnologie Mikrobiologische Analysen Detektion von biogenen Ablagerungen Hygieneuntersuchungen Marketing & Design Demonstratoren / Versuchsaufbauten Grafische Gestaltung Produktdesign und Konstruktion (CAD) Metrology Ultrasonic measurement Non destructive material testing Measurement of the radioactive contamination of objects Fiber optic measurement systems: FBG - sensors : temperature, elongation, acceleration Rayleigh - sensors : distributed temperature & strain measurement Magnetic field measurement Chemisrty Chemical analysis Chemical water analyses Conductivity measurement Measurement of the refractive index Electronics & IT Design, layout, simulation and production of analog and digital electronic circuits Development and test of microcontroller software Electronics design software (Altium, Eagle) Hardware development with FPGAs / CPLDs Development of algorithms for measurement data evaluation Simulation and software development: Acoustic and fluidic simulation (COMSOL) LabVIEW programming Biotechnology Microbiological analysis Detection of biogene deposits Hygienic analysis Marketing & Design Prototypes / Experimental set-ups Graphic Design Productdesign and computer aided design (CAD) 7

10 Projekte im Fokus Projects in focus Biotechnologie Biotechnology Chemie Chemistry Sensorik Sensor technology Aktorik Actuator technology 8

11 Biotechnologie Biotechnology Bakterienzelle Bacterial cell Bioanalytik/Medizintechnik Bioanalytic/Medical engineering Der rasante Fortschritt in Medizin und Life Science verlangt nach neuartigen und spezifischen Sensor- und Aktor- Konzepten. Damit sollen biologische, biochemische und medizinische Vorgänge differenzierter kontrolliert und gesteuert werden können letztlich auch mit Auswirkungen auf Gesundheit und Lebensqualität eines Menschen. Das ISAT will mit Ideen und Funktionsmustern zu dieser Entwicklung beitragen und ist daran interessiert, Forschungspartner für eine industrielle Umsetzung zu finden. Erste Neuentwicklungen wurden bereits auf den Weg gebracht: Unter Nutzung der akustischen Oberflächenwellen- Technologie wurde ein Sensor zur Online-Überwachung der Biofilmbildung im Inneren von Behältern oder Rohren erfolgreich getestet. Im Bereich der Aktorik soll künftig die akustische Separation von Zellen und die Phasentrennung von Emulsionen oder die Beeinflussung des Zellstoffwechsels und der Stoffaufnahme durch gezielte Ultraschall-Einwirkung eingehend untersucht werden. Due to the rapid development in medicine and life science, the demand for novel and specific sensor and actuator concepts has increased. They are needed for monitoring and controlling biological, biochemical and medical processes, which also have an influence on health and life quality. ISAT is going to contribute to this development with ideas and demonstration devices and is interested in research partnerships with respect to an industrialization of such innovations. First products are already planned: A sensor for online-monitoring of biofilm formation inside containers or tubes using surface acoustic wave technology has already been tested successfully. The influence of ultrasound on acoustic separation of cells, the phase separation of emulsions or the influence on cell metabolism or nutrient uptake shall be investigated in the future. 9

12 Biotechnologie Biotechnology Bakterienbelag in einem Rohr Biofilm in a tube Biofilmdetektion Biofilm detection Die Biofilmbildung an Grenzflächen ist ein weit verbreitetes Phänomen, welches vor allem dann an Relevanz gewinnt, wenn sich Biofilme in medizinischen Geräten und Bauteilen ablagern, welche sehr hohen hygienischen Anforderungen genügen müssen. Auch bei technischen Anlagen, wie Wärmetauschern oder Klimaanlagen, wird durch anhaftende und schwer zu entfernende Bakterienbeläge deren Effizienz erheblich reduziert. Eine exakte und kostengünstige online-detektion von Biofilmen mit den im ISAT entwickelten Sensorprototypen kann dazu beitragen, die Desinfektionszyklen bei medizinischen Geräten zu optimieren oder die Betriebsdauer technischer Anlagen zu erhöhen. Ein wesentlicher Vorteil der im ISAT entwickelten Methode besteht darin, dass durch die Anregung mikroakustischer Oberflächenwellen auf der Außenwand von Anlagenbauteilen oder Schlauchelementen, die Biofilmbildung im Inneren dieser Bauteile kontinuierlich überwacht werden kann, ohne dass ein Einbau von Sensorelementen in das System erfolgen muss. In verschiedenen Untersuchungen des Instituts konnte gezeigt werden, dass über die akustische Methode die Biofilmbildung im Inneren von flüssigkeitsgefüllten Rohren oder Schläuchen präzise und bereits bei beginnenden Ablagerungen überwacht werden kann. Ferner lassen sich durch dieses vielseitig einsatzbare Verfahren neben Biofilmen auch andere Schichtablagerungen detektieren, sodass frühzeitig Maßnahmen zur Schichtentfernung eingeleitet werden können. Medical Systems and devices have to provide a constant level of hygiene. Therefore, biofilm development on interfaces must be monitored intensively to maintain the hygiene and to prevent biofilms from growing. Technical systems such as heat exchangers or air conditioners can be influenced in their performance by the formation of non-removable bacterial films. Regarding the need of a costefficient and exact online detection method, ISAT is able to provide innovative biofilm sensors to optimize the disinfection cycles of medical devices and to support the maintenance of technical facilities. The significant advantage of this sensor is the excitation of surface acoustic waves (SAW) on the outer surface of plant components or tubes and the monitoring of biofilms inside the system. Different investigations revealed the capability of acoustic technology to monitor biofilm development in liquid filled tubes and pipes precisely and to detect other types of layers, as well. The principle of operation is based on the measurement of the SAW propagation characteristics. Due to the low detection limit, biofilm layers can already be recorded in early stages of their growth, which allows an efficient removal. 10

13 Chemie Chemistry Belakustik - Schallgetriebene Beschleunigung (elektro-) chemischer Reaktionen Belakustik - Acceleration of (electro-) chemical reactions by ultrasonic waves Die Verkürzung der Ladezeit von Akkumulatoren ist ein strategisch wichtiges Erfordernis für die Umsetzung von Elektromobilitäts-Konzepten und für den Betrieb dezentraler elektrochemischer Energiespeicher-Netze. Die Ladezeit eines Akkumulators wird unter anderem durch die Bildung der Diffusionsgrenzschicht, welche sich zwischen Elektrode und Elektrolyt ausbildet, beeinflusst. Durch diese Grenzschicht wird die chemische Reaktion gehemmt, wodurch der Stromfluss stagniert. Bei Überbrückung der kinetischen Hemmung durch die gezielte Einwirkung von Ultraschallwellen kann erneut eine Erhöhung des Stromflusses bewirkt werden. Die Ladezeit des Akkumulators wird dadurch verkürzt. Die akustische Oberflächenwellen-Technologie ermöglicht es, Schallwellen nahe der Diffusionsgrenzschicht zu erzeugen. Diese akustischen Wellen durchmischen hierbei die Grenzschicht, wodurch die elektrochemische Reaktion ungehindert stattfinden kann. Als Modellverfahren für elektrochemische Reaktionen wurde das Elektropolier-Verfahren gewählt. In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zum Standard-Verfahren ohne Schalleintrag der Stromfluss bei Einstrahlung von Schallwellen um bis zu 80 % erhöht werden konnte. Diese Ergebnisse werden zur Zeit durch das ISAT auf einen Akkumulator transferiert, quantifiziert und optimiert. Mit Hilfe dieser Technologie soll es möglich werden, Voraussetzungen für die Produktion eines neuartigen Akkumulators bzw. von Zusatzkomponenten zu erstellen, um die Ladezeit vonakkumulatoren zu verkürzen. Dieser Ansatz ist jedoch nicht nur für elektrochemische Systeme geeignet. Auch Synthesevorgänge, Polymerisationsreaktionen und viele andere chemische Prozesse könnten so akustisch beschleunigt werden. A reduction in accumulator charging time is an important strategic demand for the implementation of electromobility and for the operation of decentralized electrochemical energy storage networks. One factor which is responsible for the duration of the charging process is the formation of the diffusion boundary layer between the electrode and the electrolyte. This interface inhibits the electrochemical reactions and the current flow will stagnate. By the targeted use of ultrasonic waves, this kinetic barriers are bridged so that the current flow will rise again and thus the charging time will be reduced. With the surface acoustic wave technology it is possible to generate ultrasonic waves near the electrode - electrolyte interface. The acoustic waves intermix the diffusion boundary layer and the electrochemical reaction will be accelerated. For first measurements, an electro-polishing cell was used as a model for electrochemical reactions. With these experiments it could be shown that by the use of acoustic waves, the current flow could be increased up to 80 % in contrast to electro-polishing without sound energy. Currently, this approach is transferred, examined, quantified and optimized for accumulators. With this technology it should be possible to establish conditions for the production of novel accumulators or add-on components to minimize the duration of the charging process. But this approach is suited not only for electrochemical processes. It can also be used for acoustic acceleration of other chemical processes such as synthesis processes or polymerization reactions. 11

14 Sensorik Sensor technology Dämpfung einer Oberflächenwelle durch einen Wassertropfen Attenuation of a surface acoustic wave by a droplet Flüssigkeitsdetektion Detection of liquids Nicht nur der Mensch besteht zu nahezu 70 % aus Wasser, auch bei technologischen Anwendungen oder im täglichen Gebrauch spielen Wasser und andere Flüssigkeiten eine große Rolle. Insbesondere bei optischen Systemen, z.b. bei Kameralinsen, kann die Ablagerung von Tropfen oder Kondensat zu einer schweren Beeinträchtigung ihrer Leistungsfähigkeit führen. Ein weiteres Beispiel hierfür sind Regensensoren verschiedener Bauart, welche mittlerweile in den meisten Fahrzeugen zur Standardausstattung gehören. Ein Nachteil dieser Sensoren ist, dass über sie nur ein geringer Bereich der Scheibe überwacht wird. Mit dem Einsatz akustischer Oberflächenwellen, die sich auf der gesamten Fläche der Scheibe ausbreiten können, ist es im Gegensatz zu den bisher auf dem Markt befindlichen Regensensoren möglich, das volle Sichtfeld des Fahrers sensitiv auf Regentropfen zu gestaltet. Neben dem Einsatz im Automobil kann diese Technologie auch in anderen Anwendungsfeldern implementiert werden. Beispiele hierfür sind Regensensoren für Mautkameras, Anwendungen in intelligenten Häusern, Sensoren zur Detektion von Leckagen oder zur Überwachung von optischen Messsystemen. Durch den Einsatz von speziell entwickelten Ultraschallwandlern konnte bereits auf unterschiedlichen Oberflächen eine Sensitivität gegenüber Flüssigkeiten erzeugt werden. Durch Variation der Wandler- Abstrahlcharakteristik und die Beeinflussung der Schallausbreitung konnten bisher Glasplatten, Metallteile und Kunststoffobjekte flüssigkeitssensitiv gemacht und diese in unterschiedliche Sensorzonen unterteilt werden. Neben der Detektion der Flüssigkeit ist dieses System auch in der Lage, die Menge und die Position der darauf befindlichen Flüssigkeit messtechnisch zu erfassen. Not only the human body consists of almost 70 % of water, but also in technological applications or daily life, water and other liquids are of great importance. As an example, in optical systems, e.g. camera lenses, accumulation of droplets or condensate influence the systems efficiency negatively. On a larger scale, e.g. on car windscreens, different types of rain sensors are used for droplet detection. Those sensors are becoming more and more common but their disadvantage is, that they can only monitor a small area of the windscreen. By using surface acoustic waves, which can propagate on the complete glass, it is possible to create a windscreen which is sensitive to droplets on its whole surface. This technique can also be used for various other applications beyond the automotive sector: droplet detection on toll cameras, in intelligent homes, for leakage detection onto surfaces or for monitoring other optical systems as mentioned in the beginning. Specially designed ultrasonic transducers allow the creation of this liquid sensitivity not only on glass, but also on other materials, e. g. metals and plastics. The technology can further be used to detect the amount and the location of liquids. 12

15 Sensorik Sensor technology Berührungssensitive Fliesen Touch sensitive tiles Berührungssensitive Oberflächen Acoustic Touch Control Sensors Aus unserer technologie-affinen Gesellschaft sind Touch-Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Vom Smartphone bis hin zum Haushaltsgerät überall erfreuen sich Touchscreens und Softkeys, die Berührungen auf verschiedenen Oberflächen erfassen und Schaltfunktionen auslösen, zunehmender Beliebtheit. Mit akustischen Oberflächenwellen können solche Softkeys an den unterschiedlichsten Alltagsgegenständen realisiert werden, ohne dabei die Eigenschaften und das Aussehen des Objektes zu verändern. Mit der berührungssensitiven Fliese ist dem ISAT die Umsetzung seiner auf Oberflächenwellen basierenden Technologie in einen funktionsfähigen Prototyp gelungen. Diese sensitiven Fliesen können in Privathaushalten z.b. in Badezimmern und Küchen als multifunktionale Schalter eingesetzt werden und dabei höchsten Ansprüchen hinsichtlich elektrischer Isolierung, Sterilität und einfacher Reinigung gerecht werden. Auch deren Einsatz in Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen ist denkbar, da vor allem auch dort leicht zu reinigende und steril zu haltende Flächen benötigt werden. Herkömmliche Schalter, in welchen sich Schmutz und pathogene Keime ablagern und vermehren können, werden so effizient substituiert. Es ergeben sich viele weitere beispielhafte Szenarien, in denen die Fliese nicht nur als Schaltelement, sondern auch zur modernen Raumüberwachung beiträgt und sowohl gestürzte Personen als auch Wasserschäden erkennt. Die keramische Fliese stellt hierbei nicht die alleinige Umsetzungsmöglichkeit zur Erzeugung berührungssensitiver Oberflächen und Gegenstände dar, da nicht nur auf keramischen Werkstoffen, sondern beispielsweise auch auf Glas-, Metallund Plastikoberflächen akustische Softkeys erzeugt werden können. Potentiellen Einsatzgebieten und -orten sind somit nahezu keine Grenzen gesetzt. Touch applications became an inevitable and fast developing part of nowadays technology. From smartphone to domestic appliances touchscreens and softkeys capture every touch and transfer it into a switch function. These softkeys can be implemented on many everyday objects without changing their properties and looks. This is the reason why this technology is especially appropriate for specialized applications with particular requirements such as sterility. The institute transferred its knowledge in SAW technology into a functional prototype of a touch sensitive tile. Examples for their multifunctional uses in households are bathrooms and kitchens, where they meet the high demands regarding electrical insulation, sterility and cleaning. Beyond private households, it is also possible to employ this technology in hospitals or nursing care facilities, where a high level of hygiene must be maintained to prevent pathogenic microorganisms and bacteria from growing. Above all, these tiles can also be used in modern room surveillance systems to monitor interaction of persons and also for automatic alarm in case of a person lying injured on the ground or for notification of water damages. These are only few examples for the various application possibilities, which SAW based technology offers. Beside ceramic surfaces, there are also other materials such as glass, metal and various plastics on which SAW can be generated in order to realize softkeys. Potential fields of application are almost unlimited. 13

16 Sensorik Sensor technology Vibrometrie Vibrometry Optische Anregung und Detektion von Oberflächenwellen Optical excitation and detection of surface acoustic waves Akustische Oberflächenwellen, d.h. Ultraschallwellen, die sich an der Oberfläche eines Substrats ausbreiten, werden bereits für eine Vielzahl an Sensoranwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Über das laserakustische Verfahren des ISAT können Oberflächenwellen nichtinvasiv -ohne Beschädigung der Oberfläche- und berührungsfrei angeregt werden. Mit kurzen Laserpulsen werden hierbei Schwingungen in dem zu untersuchenden Substrat erzeugt, die sich anschließend als akustische Oberflächenwellen ausbreiten. Eine Detektion der akustischen Oberflächenwellen ist ebenfalls optisch mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers möglich. Die Auslenkung der Welle an der Oberfläche kann hierbei mit einer Auflösung von wenigen Pikometern gemessen werden. Durch ein Abscannen der Oberfläche können nicht sichtbare Inhomogenitäten, Gefügeänderungen oder auch Mikrorisse detektiert werden. Ferner lässt sich diese Technik auch einsetzen, um z.b. das Elastitzitätsmodul oder die Dicke von Folien bzw. dünnen Schichten auf Oberflächen zu bestimmen. Surface acoustic waves are ultrasonic waves propagating along the surface of a substrate. They are already used in a variety of sensing applications, for example in non destructive material testing. ISAT uses a laser acoustic method to generate surface acoustic waves on a specimen without damaging its surface in a contactless manner. A short laser pulse is inducing heat onto a small spot on the surface, which causes vibrations inside the material creating a surface acoustic wave pulse travelling away from its source. The detection of the surface acoustic waves can also be achieved by optical means using a Laser-Doppler-Vibrometer, which measures the displacement of the surface with a resolution of a few picometers. By scanning an area of a specimens surface inhomogenities, changes in the microstructure or microfractures inside the material can be detected. It is also possible to utilize this technique for the measurement of the thickness and of Young s modulus of thin films or thin layers on a substrate. 14

17 Aktorik Actuator technology Actuations Actuations Im Rahmen des Projekts Actuations sollen Forschungsund Entwicklungspartnerschaften mit kleinen und mittleren Unternehmen in der ehemaligen nordbayerischen Grenzregion (Oberfranken und nördliches Unterfranken) aufgebaut werden. Bereits im Institut für Sensor- und Aktortechnik erforschte und teilweise in Entwicklung befindliche neuartige Verfahren der Aktorik (engl.: Actuation) sollen dabei zur Anwendung kommen. Damit sollen weitere Innovationsimpulse in der Zielregion ausgelöst werden. Während im Bereich der Sensortechnik der Technologietransfer mit kleinen und mittleren Unternehmen der Region gut etabliert ist, besteht im Bereich der Aktorik noch erhebliches, bisher nicht ausgeschöpftes Entwicklungspotential. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass teilweise ähnliche Technologien wie in der Sensorik zum Einsatz kommen können, insbesondere mikroakustische Technologien. Vorhandenes Know-How und Einrichtungen werden hierbei auch für die mikroakustische Aktorik genutzt. The funded project Actuations is focused on the promotion of research and development partnerships with small and medium sized companies in the former Northern-Bavarian border region (Upper Franconia and northern Lower Franconia). Developments and applications of actuator technologies, which have already been explored by ISAT, will be employed for the exitation of innovation impulses in the future. Whilst technology transfer with small and medium sized companies is well-developed and established in sensor technology in this part of Bavaria, actuator technology withholds enormous development potentials which have not been exhausted yet. Additionally, sensor technologies such as microacoustics can also be used for actuation purposes. Therefore, know-how aquired so far and facilities can be used for actuator technology as well. 15

18 Förderprojekte Funded projects Forschung bedeutet immer Chance und Risiko zugleich. Mit Hilfe von Förderprogrammen kann das Risiko auch für kleine und mittlere Unternehmen beherrschbar gehalten werden. Von der Antragsstellung bis zum Verwendungsnachweis steht das ISAT als erfahrener Partner bereit. Research activities are always a chance and risk at the same time. By means of public support programs, the risk for small and medium sized enterprises can be minimized. As a strong cooperation partner, our institute can support you from application to cross-reference. 16

19 Kooperationspartner Cooperation partners Mit freundlicher Genehmigung der Firmen. With friendly permission of the business partners. 17

20 Veröffentlichungen Publications Journal Papers [1] Lindner, G., Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid liquid interfaces, J. Phys. D 41(12), , [2] Lindner, G., Schmitt, M., Schubert, J., et al., On-line surveillance of lubricants in bearings by means of surface acoustic waves, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr 57(1), pp , [3] Friedrich, D., Kaul, C., Lindner, G., et al., Acoustic online monitoring of chemical reactions in liquids with integrated temperature compensation, Sen. Lett. 9(2), pp , [4] Liang, W. and Lindner, G., Investigations of droplet movement excited by Lamb waves on a non-piezoelectric substrate, J. Appl. Phys. 114(4), 44501, [5] Schmitt, M., Olfert, S., Rautenberg, J., et al., Multi Reflection of Lamb Wave Emission in an Acoustic Waveguide Sensor, Sensors 13(3), pp , [6] Schmitt, M., Schmidt, K., Olfert, S., et al., Detection of coatings within liquid-filled tubes and containers by mode conversion of leaky Lamb waves, Journal of Sensors and Sensor Systems 2(1), pp , Conference Papers [1] Lindner, G., Faustmann, H., Frankenberger, S., et al., A versatile acoustic waveguide sensor for liquids based on multiple mode conversion at solid-liquid interfaces, in Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium, pp , [2] Lindner, G., Hendrik Faustmann, Thomas Fischer, et al., Messung von Flüssigkeitseigenschaften mit einem flexibel konfigurierbaren akustischen Wellenleiter- Sensor, presented at the Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2006, Freiburg, May 13-14, [3] Lindner, G., Faustmann, H., Fischer, T., et al., Acoustic Surface Wave Induced Propagation of Liquids in Open Channels, in Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium, pp , [4] Lindner, G., Faustmann, H., Koch, T., et al., Digital Precision Measurement of Force, Pressure and other Mechanical Quantities with an Acoustic Waveguide Sensor, in Proc. Sensor Conf., pp , [5] Faustmann, H., Geisler, M., Lindner, G., et al., Messtechnische Anwendungen von akustischen Oberflächenwellen auf nicht-piezoelektrischen Substraten für sicherheitsrelevante Problemstellungen, presented at the 15. Arbeitstagung Anwendungen der Akustik in der Wehrtechnik: Schall und Schwingungen in sensibler Umgebung, Meppen, Feb Mar. 01, [6] Lindner, G., Faustmann, H., Krempel, S., et al., Wave propagation in an acoustic wave guide sensor for liquids driven by pulsed excitation of surface acoustic waves, in Proc. IEEE Int. Frequency Control Symp., pp , [7] Lindner, G., Braun, R., Faustmann, H., et al., Messempfindlichkeit, Messgenauigkeit und Störgrößen- Kompensation bei einem akustischen Wellenleiter- Sensor, presented at the Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2008, Ludwigsburg, Mar , [8] Faustmann, H., Münch, M., Markert, W., et al., Acoustic liquid sensor based on lamb waves on structural materials, presented at the Eurosensors XXII, Dresden, Sep , [9] Lindner, G., Schmitt, M., Schmidt, K., et al., Detection of coatings and measurement of coating thickness on technical substrates using surface acoustic waves in a waveguide configuration, in Proc. Sensor+Test Conf., pp , [10] Schmitt, M., Lindner, G., Krempel, S., et al., Propulsion of droplets on non-piezoelectric substrates via mode conversion of Lamb waves, in Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium, pp , [11] Faustmann, H., Münch, M., Lindner, G., et al., Measurement of the properties of liquids based on the dispersion of Lamb waves in an acoustic waveguide, in Physics Procedia 3(1), pp , [12] Schmitt, M., Krempel, S., Lindner, G., et al., Scaling up Microfluidic Acoustic Streaming Effects to Macrofluidic Applications, in Proc. Actuator10, pp , [13] Schmitt, M., Stich, S., Fromm, S., et al., Detection and Removal of Droplets on Nonpiezoelectric Substrates via Mode Conversion of Lamb Waves, in Proc. IEEE Sensors, pp , [14] Schmitt, M., Schmidt, K., Tietze, S., et al., Detection of droplets on non-piezoelectric substrates via mode conversion of Lamb waves, presented at the Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2010, Nürnberg, May 18-19,