Großes Potenzial drahtloser Sensorik durch Transpondertechnik

24.05.2013 - Deutschland

Transpondersysteme gewinnen im täglichen Leben zunehmend an Bedeutung. Werden sie in der einfachsten Variante als Identifikations- oder Speichermedium genutzt, so können durch die Erweiterung mit Sensoren zusätzliche Informationen über Objekte oder deren Umgebung gewonnen werden. Vor allem im Handels- und Logistikbereich können dadurch neuartige Systeme und Konzepte, beispielsweise zur Warenkontrolle, eingesetzt werden. Im technischen Bereich sind miniaturisierte autonome Messsysteme und in der Medizintechnik komplexe implantierbare Diagnosesysteme realisierbar.

Im Mittelpunkt der Arbeiten am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS steht die Anwendung der RFID-Technologie für Mikrosysteme. Bei der Radio Frequency Identification (RFID) handelt es sich um eine Technologie der drahtlosen Daten- und Energieübertragung. Damit lassen sich kleine energieautarke Systeme für unterschiedliche Anwendungen entwickeln. Diese Systeme können dann drahtlos passiv als Messsystem arbeiten. Die am Fraunhofer IPMS entwickelte Transponder-Plattform verknüpft einen RFID-Tag mit Sensoren und einem Mikrocontroller. Für alle Frequenzbereiche von 125 kHz (LF) bis zu 900 MHz (UHF) bietet das Institut entsprechende Lösungen an.

Intelligente Hüftprothesen

Seit Jahrzehnten nutzt man in der Medizin bereits Implantate, um Funktionen des menschlichen Körpers wieder herzustellen oder um bei akuten Schmerzen Linderung zu verschaffen. Hauptsächlich werden dabei mechanische Teile zur Stabilität oder als Knochenersatz implantiert. Diese Implantate verbleiben entweder ein Leben lang oder zumindest für eine längere Zeit im Körper des Patienten. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür ist das künstliche Hüftgelenk.

Durch die Entwicklung der Mikrosystemtechnik ist es heute möglich, Implantate mit Mess- und Überwachungsfunktionen auszustatten. Ein zentrales Problem ist dabei aber immer die Energieversorgung im Körper. Gerade bei Langzeitimplantaten eignet sich daher der Einsatz der Transpondertechnologie. Dabei wird die zur Messung notwendige Energie drahtlos von außen mittels magnetischer Kopplung zum Implantat übertragen. Am Fraunhofer IPMS wurde auf Basis dieser Technologie eine Plattform entwickelt, die die Elektronik im Implantat mit Energie versorgt und gleichzeitig Messdaten auslesen kann. Hans-Jürgen Holland, stellvertretender Leiter des Geschäftsfeldes Wireless Microsystems, erklärt: »Basis unserer Technologie ist ein Low-Frequency-Transponderschaltkreis. Die gewählte Trägerfrequenz von 125 kHz gewährleistet, dass dem Implantat ausreichend Energie zur Verfügung steht. Der Schaltkreis enthält neben den Transponderbaugruppen auch einen frei programmierbaren Mikrocontroller mit Anschlussmöglichkeiten für digitale und/oder analoge Sensoren sowie Aktoren.« Die Anwendungsmöglichkeiten sind groß. So kann mit dieser Lösung beispielsweise eine kontinuierliche Messung von Temperatur, Druck, Beschleunigung oder pH-Wert durchgeführt werden. Auch die gleichzeitige Signalaufbereitung und Auswertung der Messergebnisse im Implantat ist möglich.

Am Beispiel einer Hüftprothese, die zur Messung der Verankerung im Knochen mit Sensorik ausgerüstet wurde, stellt das Fraunhofer IPMS auf der Sensors Expo ein solches intelligentes Implantat vor.

Temperaturüberwachung in Schaltanlagen durch RFID-Transponder

Doch nicht nur in der Medizintechnik kommt die Transpondertechnik zum Einsatz, im technischen Bereich lassen sich damit miniaturisierte autonome Messsysteme realisieren. Ein praktisches Beispiel für eine solche Anwendung ist die Temperaturüberwachung auf Stromschienen in Schaltschränken. Dazu werden die Ultra-High-Frequency (UHF) RFID-Transponder des Fraunhofer IPMS mit Temperatursensoren in den Schaltschränken der Luxemburger KÖHL AG eingesetzt. Eine solche Messung ermöglicht die draht- und batterielose Überwachung von Schraubverbindungen der Stromschienen. Lockern sich diese, so erhöht sich der elektrische Übergangswiderstand, der die Kontaktstelle aufheizt und im Extremfall zu einem gefährlichen Lichtbogen führt. Mit den Sensor-Transpondern des Fraunhofer IPMS kann eine solche Entwicklung beobachtet und rechtzeitige Wartungsmaßnamen ermöglicht werden.

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