Fraunhofer IIS Institut f. Integrierte Schaltungen

Das Fraunhofer IZM entwickelt ein redundantes Sensorsystem für die Umfelderkennung von autonom fahrenden Fahrzeugen. Heute stehen beim autonomen Fahren verschiedene Sensorprinzipien zur Verfügung. Eine Sensortechnologie alleine reicht allerdings nicht aus, um den enormen Anforderungen beim autonomen Fahren zu genügen: Ein Kamera-System funktioniert nur bei guten Sichtverhältnissen, Radar- oder Lidarsensoren können keine Verkehrszeichen erkennen. Deshalb integriert das Fraunhofer IZM optische Kameras und optische Sensoren auf engstem Raum in einer Einheit.

Das entwickelte Modul wird in Testfahrzeuge eingebaut und in urbaner Umgebung sowie der Landwirtschaft getestet.

Mit zunehmender Vernetzung sammeln immer mehr Sensoren Daten aus unserem Alltag und übertragen diese über das Internet. Auf diesem Weg werden Maschinen gesteuert, Echtzeitinformationen auf unserem Handy angezeigt oder das autonome Fahren ermöglicht.

Fraunhofer FOKUS zeigt auf der embedded world 2018 eine Testware für IoT-Anwendungen. Erleben Sie, wie Protokoll- und Infrastrukturtests für das Internet of Things durchgeführt werden.

Sicheres und datenschutzfreundliches Laden und Abrechnen sind wichtig für den Erfolg der Elektromobilität weshalb in Deutschland Schutzprofile für Ladesäulen standardisiert werden. Basierend auf Entwurf-Schutzprofilen, die im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts DELTA entwickelt wurden, zeigt das Fraunhofer SIT einen Demonstrator einer sicheren Ladesäule mit integriertem Sicherheitsmodul sowie Maßnahmen für Firmwareschutz, Kommunikationssicherheit und einem sicheren over-the-air (OTA) Update Protokoll.

Die entwickelten Lösungen können Herstellern von Elektrofahrzeugen und Ladesäulen sowie Infrastrukturanbietern helfen, ihre Produkte gegen Manipulationen zu schützen und weiterführende Sicherheitsfunktionalitäten zu integrieren, z.B. Monitoring des Systemzustands oder sichere OTA Update Protokolle. Die Lösungen sind deshalb von entscheidender Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie vom Fahrzeughersteller über Zulieferer bis hin zu Anbietern verwandter Branchen. Weiterhin lassen sich die Lösungen auf andere eingebettete Systeme in anderen Anwendungsbereichen übertragen.

Das Fraunhofer FEP besitzt eine langjährige Expertise in der Entwicklung und Fertigung hochintegrierter elektrooptischer Bauelemente basierend auf der OLED-auf-Silizium-Technologie. Diese ist für die Realisierung hochauflösender Mikrodisplays für AR und VR Brillen etabliert und wird nun immer stärker für optische Sensorlösungen weiterentwickelt.

So entstanden bereits optische Fingerprint-Sensoren durch die Verschmelzung von Display und Bildsensor in einem sogenannten bi-direktionalen OLED-Mikrodisplays: Neben der Displayfunktion dienen die Displaypixel als smarte Beleuchtung des aufliegenden Fingers, dessen Strukturen über die eingebetteten Photodioden detektiert werden.

Nun gingen die Forscher weiter und entwickelten einen miniaturisierten Phosphoreszenzsensor. In diesem wird ein Marker durch blaues, moduliertes OLED Licht angeregt und die Phosphoreszenzantwort innerhalb des Sensorchips direkt detektiert. Der Marker bestimmt den zu messenden Stoff; eine typische Anwendung ist die Messung der Sauerstoffkonzentration.

Warum nicht auf kommerzielle Sensoren zurückgreifen? Die Herausforderung lag in der Konzeption eines extrem kleinen Sensors, der alle Funktionalitäten vereint und durch die geringe Größe perspektivisch preisgünstig gefertigt werden kann. Hierfür wurden die OLED-Ansteuerung und das Sensor-Frontend in den Siliziumchip integriert und unterschiedliche Anordnungen von Anregungs- und Detektionsbereichen untersucht. Entstanden ist in erster Stufe nun ein miniaturisierter Phosphoreszenzsensor. Dieser ist gerade daumennagelgroß und kombiniert Marker und Sensor in einem einzigen Bauelement. Er besteht aus einer blauen OLED, die gemeinsam mit einem kommerziell verfügbaren Marker auf dem Siliziumchip integriert ist.

Momentan ist der Sensor auf die Detektion von Sauerstoffveränderungen ausgelegt. Mit diesem ersten Aufbau wurde ein Funktionsnachweis des Bauelementes erreicht und der  miniaturisierte Sensorchip kann für Sauerstoffmessungen in Gasen eingesetzt werden. Darüber soll der Sensorchip als Plattform für zukünftige Entwicklungen z.B. die Messung weiterer Parameter oder der Einsatz in anderen Umgebungsbedingungen dienen.

Der aktuelle Sensor emittiert auf einer Fläche von ca. 4,7 x 2,2 mm² blaues Licht für die Anregung des sauerstoffsensitiven Markers. Die Abklingzeit des emittierten Markerlichtes ist ein Parameter für die Sauerstoffkonzentration der Umgebung. Das deutlich geringere Phosphoreszenzsignal wird über integrierte Silizium-Photodioden aufgenommen, im Chip lokal verstärkt und anschließend hinsichtlich der Phasenverschiebung zum Erregersignal bewertet. Perspektivisch soll der Chip deutlich verkleinert werden, das Ziel ist hierbei <2x2 mm² Gesamtchipgröße.

Durch die Vorteile des innovativen Phosphoreszenzsensors – der geringen Baugröße, der Vereinigung von Marker und Sensor auf einem Chip sowie der schnellen und genauen Auswertung der Daten - sehen die Forscher weitere Anwendungsbereiche, in denen das Sensorkonzept zum Einsatz kommen soll.

Die Überwachung und Auswertung von Zellkulturen in sehr kleinen Einwegkulturgefäßen oder in Bioreaktoren ist hierfür ein interessantes Anwendungsbeispiel. „Single-Use-Bioreaktoren“ bieten meist nur kleinsten Bauraum und eine begrenzte Anzahl an Ports, über die Messsysteme angeschlossen werden können. Zukünftig soll das Sensorsystem in Richtung Multiparametermessung weiterentwickelt werden. Auch das Monitoring von Flüssigkeiten nach dem Füllprozess im Bereich der Pharmazie in Blistern oder zur Qualitätskontrolle von sauerstoffempfindlichen Arzneimitteln ist denkbar. Für solche (Weiter-) Entwicklungen ist das Fraunhofer FEP sehr an Projekt-Partnerschaften interessiert.

Auf der embedded world 2019, vom 26. – 28. Februar 2019, in Nürnberg, stellen die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP den miniaturisierten Fluoreszenzsensor zur Sauerstoffmessung erstmals am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 4, Stand Nr. 4-470 vor. 

Rapid Control Prototyping mittels echtzeitfähiger Anlagensimulation

Mit der wachsenden technischen Bedeutung verteilter Systeme geht auch eine starke Veränderung der Struktur von Regelsystemen einher. Viele Prozesse und viele Steuerungen greifen vielzahnig ineinander, so dass bereits kleine Abweichungen vom Regelziel gravierende Folgen haben können.

Daher werden neue Steuergeräte oft zeit- und kostenaufwändig in Testumgebungen validiert. Diese Tests an realen Systemen lassen sich mittels Hardware-in-the-Loop (HIL) signifikant reduzieren. Zudem lassen sich Grenz- und Störfälle oder Systemversagen simulieren, ohne Material oder Menschen zu gefährden.

Schließlich erlaubt die Anlagensimulation die Erprobung von Steuergeräten oder Komponenten bevor die Gesamtanlage fertiggestellt sein muss. Dies verkürzt eine Inbetriebnahmephase drastisch.

Unsere Dienstleistungen

Das Fraunhofer ITWM bietet eine Vielzahl von Entwicklungs- und Dienstleistungen mittels Hardware-in-the-Loop an:

• Erstellung des echtzeitfähigen Simulationsmodells zum realen, multi-physikalischen Prozess
• Simulation und 3D-Visualisierung
• Bereitstellung unseres HIL-Simulators
• Begleitung bei der Inbetriebnahme von Steuergeräten und mechatronischen Komponenten
• Simulation technischer Fehler wie Wackelkontakte, Kabelbrüche oder Kurzschlüsse

Zusätzlich bieten wir Unterstützung beim Entwurf von Regelalgorithmen und logischen Abhängigkeiten auf den Steuereinheiten:

• Entwicklung und Implementierung hochperformanter und robuster Regler
• Von klassischen PID-Reglern bis hin zu umfangreichen, modellbasierten Methoden
• Entwicklung von Testszenarien und Durchführung der Reglervalidierung

Ihre Vorteile

• Echtzeitfähige Anlagensimulation
• Parallelentwicklung von Regler und Anlage (Rapid Control Prototyping)
• Schnellere Inbetriebnahme
• Kostengünstige Reglervalidierung

Identifikation unerwünschter hardwarebedingter Effekte

Gefahrlose Tests kritischer Betriebszustände

• Umfangreiche Fehlersimulationen
• Automatisierte Tests

Beratung und Projektbegleitung durch Experten des ITWMs