Feuchte- und Temperatursensoren steigern Potenzial für Wearables

Autor: Pascal Gerner, Head of Product Management

Wearables, also am Körper getragene intelligente Geräte, finden zunehmend Beachtung im Markt. Ihre Intelligenz verdanken sie den neuen integrierten Sensoren. Bei den Geräten handelt es sich um Mini-Computer, die als Kleidung oder Accessoires getragen werden. Ihre Intelligenz verdanken sie den neuen integrierten Sensoren. Dank der neuesten Innovationen im Bereich der Umgebungssensorik nehmen diese Geräte nun auch ihre Umwelt wahr. Die neuesten Sensoren können Temperatur und relative Luftfeuchte (T/RH), Licht und Druck messen, um es Geräten und ihren Nutzern zu ermöglichen, die Umgebungsbedingungen und das, was um sie herum geschieht, wahrzunehmen. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist, dass sie sehr energieeffizient sind, nur wenig Rechenleistung benötigen und immer kleiner werden. Daher eignen sie sich ideal für Wearables und bieten eine grosse Bandbreite an potenziell wertvollen Nutzungsmöglichkeiten.

Die Integration von Umgebungssensoren in Wearables wie Smart-Watches ist kein leichtes Unterfangen. Dies gilt insbesondere für Umgebungstemperatursensoren und alle von der Umgebungstemperatur abhängigen Werte, beispielsweise die Luftfeuchte. Bei in die Kleidung oder in Mobilgeräte integrierten Temperatursensoren bestehen drei grosse Herausforderungen:

Erstens erzeugen die elektronischen Bauteile, die sich im kompakten Gerät auf engstem Raum befinden, Hitze und beeinflussen die Messwerte. Dies verschlimmert sich noch dadurch, dass die Wärmeabgabe der verschiedenen Komponenten stark lastabhängig ist und sich dadurch ständig verändert. Zweitens werden die Messwerte auch von der Hauttemperatur beeinflusst. Drittens hat das Gerät eine gewisse thermisch wirksame Masse, die zu einer langsamen thermischen Reaktion führt. Ähnlich der Tatsache, dass es etwa 30 Minuten dauert, bis sich eine Tasse mit heissem Kaffee auf Raumtemperatur abgekühlt hat, braucht eine Smart-Watch oder ein Smartphone etwa 30 Minuten, um sich an Temperaturveränderungen anzupassen.

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, dieses Problem zu mindern oder ganz aus dem Weg zu räumen. Einer der wichtigsten Punkte ist die Platzierung der Sensoren. Es ist wichtig, dass diese sehr gut von den inneren Hauptwärmequellen des Geräts und der menschlichen Haut entkoppelt sind. Die Platzierung der Sensoren ist stark geräteabhängig und muss für jedes einzelne Produkt genau durchdacht werden. Allerdings reicht eine ideale Platzierung der Sensoren allein nicht aus, da eine vollständige Entkopplung wahrscheinlich nicht umsetzbar ist. Um die verbleibenden Einflüsse zu kompensieren, müssen die Einflussfaktoren überwacht und ihr Einfluss auf die Temperaturmessung bestimmt werden. Um zum Beispiel den Einfluss der Körperwärme zu korrigieren, kann ein zusätzlicher Sensor in Hautnähe platziert werden. Dann lässt sich mit einem Wärmeausbreitungsmodell abschätzen, wie gross die durch die Körperwärme hervorgerufene Temperaturerhöhung am Sensor ist. Dank dieser Information kann der entsprechende Einfluss korrigiert werden. Diese Software zur Umgebungsdatenfusion namens Sensirion Engine wird in einigen Smartphones bereits aktiv genutzt, um eine genaue Temperatur- und Feuchtemessung zu ermöglichen.  Ausserdem erlaubt Sensirion Engine auch eine schnellere und weit über die physikalischen Grenzen hinausgehende Reaktion von Temperatur- und Feuchtesignalen auf Veränderungen der Umweltbedingungen. Dies ist besonders wichtig, da niemand bis zu 30 Minuten auf einen genauen Messwert warten möchte. Durch die Kombination dieser verschiedenen Ansätze ermöglichen Wearables genaue Messungen von Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit und bieten dem Nutzer genau das, was er von einem solchen Gerät erwartet.