Solarchip überwacht Fenster

Der im Fensterrahmen angebrachte Funk-Chip versorgt sich selbst mit Energie. (Bild: Fh.-IMS)

Der im Fensterrahmen angebrachte Funk-Chip versorgt sich selbst mit Energie. (Bild: Fh.-IMS)

In der kalten Jahreszeit passiert es allzu oft: Man öffnet das Fenster zum Lüften und vergisst, es wieder zu schließen. Der Thermostat meldet Kälte und die Heizung heizt auf vollen Touren – zum Fenster hinaus. Doch nicht nur beim Heizen oder bei Stürmen sind offene Fenster ein Problem. Gekippte Fenster etwa laden Einbrecher geradezu ein. Wünschens­wert wäre eine Automatik, die das offene Fenster bemerkt und ein Warn­signal an den Bewohner meldet. Zwar gibt es heute Haus- und Gebäude­technik, die den Zustand der Fenster registriert. In der Regel müssen die Sensoren jedoch per Kabel an die Alarm­zentrale im eigenen Haus angeschlossen werden. In anderen Fällen kommen batterie­betriebene Funk­sensoren zum Einsatz. Doch der Batteriewechsel führt in Häusern mit vielen Fenstern zu erheblichem Wartungs­aufwand. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Mikro­elektro­nische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg entwickelten deshalb eine pragma­tische Alternative: einen nur etwa Finger­nagel großen Funk-Sensorchip, der direkt im Fenster montiert wird. Der kleine Sensor ist mit einer Solar­zelle beschichtet und versorgt sich selbst mit Energie.

Der Chip ist mit zehn Millimetern so schmal, wie eine Isolierglasscheibe dick ist. Er wird direkt zwischen den Glas­scheiben auf das Aluminium­profil, das die Scheiben auf Abstand hält, verbaut. Dank dieses Fenster­platzes erhält die Solar­zelle sogar in der dunklen Winterzeit ausreichend Licht. In dem Chip sind Magnet- und Beschleu­nigungs­sensoren integriert, die registrieren, wenn das Fenster gekippt oder ganz geöffnet wird. Über Funk sendet der Chip dann ein Signal an die Basis­station im Haus, wenn ein Fenster zu lange geöffnet bleibt. Doch die Anwen­dungen des Funkchips sind vielfältiger. Er kann Bewohner daran erinnern, regel­mäßig zu lüften oder warnen, falls ein Fenster noch geöffnet ist, wenn sie das Haus verlassen. Darüber hinaus bietet er auch bei geschlos­senem Fenster einen zuverläs­sigen Einbruchs­schutz. Denn die Sensoren können sehr genau zwischen verschiedenen Schwingungen unterscheiden – beispiels­weise einem Ball, der gegen die Scheibe donnert, oder dem Stemm­eisen eines Einbrechers, das den Rahmen zum Knarren bringt. Innerhalb einer Zehntel­sekunde erkennt das System die Störung und gibt im Zweifelsfall Alarm.

Die IMS-Forscher um den Elektrotechniker Gerd vom Bögel und den Physiker Andreas Goehlich haben gleich zwei Heraus­forde­rungen gemeistert: Zum einen ist es ihnen gelungen, die Solar­zelle direkt auf der unebenen Chip-Ober­fläche abzu­scheiden. Zum anderen soll der Chip so Strom sparend sein, dass die Energie aus der winzigen Solar­zelle dunkle Stunden überbrückt. Die Mikro­chips sind mit zahl­reichen Leiter­bahnen überzogen, dadurch ist ihre Ober­fläche sehr uneben. „Wir mussten deshalb einen Weg finden, um die Ober­flächen vor der Beschichtung mit der Solar­zelle wie ein Straßen­profil aufzufüllen und zu ebnen“, sagt vom Bögel.

Derzeit können die Sensor-Prototypen genug Strom für bis zu dreißig Stunden Dunkelheit speichern. In den kommenden zwei Jahren soll daraus ein Produkt entstehen, das sogar bis zu zwei Wochen Dunkel­heit über­brückt. Indem die Forscher Prozessor und Chip sehr klein halten, ist letzterer extrem sparsam. Zudem konstru­ierten sie Schaltungen, die wenig Energie verbrauchen und entwickelten sehr kurze Funk­proto­kolle. „Wir haben jedes mögliche Mikro-Ampere heraus­geholt“, so vom Bögel. Zum Strom­sparen trägt auch bei, dass der Sensor immer wieder in einen Ruhe­modus schaltet. Je nach Vorliebe des Anwenders lässt sich der Sensor so einstellen, dass er alle paar Minuten oder Sekunden aufwacht und eine Messung vornimmt. Die Produk­tions­kosten sind gering, denn das Aufbringen der Solar­schicht schließt sich direkt an den Herstel­lungs­prozess der Chips an. „Es sind nur einige zusätz­liche Produk­tions­schritte nötig, sodass eine Fertigung auch in hohen Stück­zahlen möglich ist.“ (Quelle: FhG)

Link: Geschäftsfeld Devices and Technology, Fraunhofer-Institut für Mikro­elek­tronische Schal­tungen und Systeme

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