Feuchte- und Temperatursensoren steigern Potenzial für Wearables
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.
Personalisierte Umgebungsdaten
Der Einsatz von Temperatur- und Feuchtesensoren in Wearables ermöglicht nicht nur Messungen von Umgebungsdaten, sondern auch die Erfassung physiologischer Daten des Nutzers wie beispielsweise Hauttemperatur oder Schweissbildung. Dies ermöglicht eine bessere Nachvollziehbarkeit und eine bessere Interpretation von Leistungsparametern (z. B. gestörter Schlaf bei heissem Wetter, langsameres Laufen bei hoher Luftfeuchte) und bildet die Grundlage für eine ganze Reihe möglicher neuer Anwendungen. Diese Informationen können auch in einem vernetzten Zuhause (Smart-Home) genutzt werden, um das Raumklima automatisch zu steuern. Werden Informationen zur Hauttemperatur und Schweissbildung an ein Klimasystem weitergegeben, kann das Raumklima entsprechend der persönlichen Präferenzen optimiert werden, ohne dass ein Eingriff durch den Nutzer nötig wird. Dies ist besonders wichtig, wenn ein Nutzer schläft und sich ungesunder oder unangenehmer Bedingungen gar nicht bewusst ist. Ein solches System erhöht nicht nur den Komfort, sondern auch die Energieeffizienz – Energie wird nur verbraucht, wenn sie tatsächlich benötigt wird, was zu Kosteneinsparungen führt.
Aber die Überwachung der Umgebungsdaten ist auch für andere Anwendungen nützlich. Wearables könnten je nach Temperatur und Trockenheit der Umgebung nützliche Hautpflegetipps geben. Unsere Haut ist extrem empfindlich und das Wissen um Umwelteinflüsse könnte in der Kosmetik genutzt werden, um einem Kunden das richtige Produkt für seine Haut und seine Umgebungssituation zu empfehlen.
Aber nicht nur die Kosmetikbranche könnte so ihre Produkte verbessern und ihre Kunden zufriedenstellen, auch das Gesundheitssystem könnte davon profitieren. Menschen mit Atemwegserkrankungen benötigen ein an ihre Bedürfnisse angepasstes Klima. Ein schlechtes Raumklima kann die Gefahr von Krankheiten erhöhen. Asthma, Milben und Schimmelbefall sind nur einige der von der Temperatur und der relativen Luftfeuchte abhängigen Risikofaktoren für unsere Gesundheit. Indem wir die Umgebungsdaten mit einem am Körper getragenen intelligenten Gerät überwachen, werden bestimmte Muster deutlich, und unangemessene oder risikoreiche Bedingungen führen zu einer Anpassung der Heizungs-, Belüftungs- und Klimasteuerung oder der Aktivität von Luftbefeuchtern. In naher Zukunft werden Brillen, Uhren, Kleidungsstücke und andere Artikel in der Lage sein, Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten zu liefern, wodurch die Messung von Umgebungsdaten in alle Lebensbereiche integriert werden kann. Das hilft uns dabei, unsere Umwelt und das Umfeld, in dem wir leben, besser zu verstehen. Es bietet die Möglichkeit, Prozesse des täglichen Lebens zu optimieren, den Energiebedarf zu minimieren, Geld zu sparen sowie unseren Komfort und unsere Gesundheit zu verbessern.
Integration und Sensordatenfusion
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.
Innovative Sensorgehäuse
Die Umsetzung eines solchen Systems ist nur mit innovativen Technologien in Hardware und Software möglich. Bei der fraglichen Hardware handelt es sich um eînen der kleinsten auf dem Markt erhältlichen Feuchte- und Temperatursensoren. Er wurde vom Schweizer Hightech-Unternehmen Sensirion speziell für Geräte mit begrenztem Platz entwickelt und für die Anforderungen der Verbraucherelektronikbranche optimiert. Dieses innovative Produkt bietet für die neueste Generation von Feuchtigkeits- und Temperatursensoren maximale Leistung bei minimaler Grösse. Der Feuchtesensor SHTW2 ist Sensirions zweite Generation von WLCSP (wafer-level chip-scale package) Feuchtesensoren, und bietet einen kompletten digitalen Feuchte- und Temperatursensor in einem Package, welches so klein ist, dass er in praktisch jede erdenkliche Anwendung integriert werden kann. Der SHTW2 hat ein ein Flip-Chip Package, eine bereits etablierte Technologie, welche es ermöglicht einen Halbleiterchip auf einfachste und kleinstmögliche Art und Weise zu verpacken. Das Gehäuse des SHTW2 ist nicht grösser als der CMOSens®-Chip selbst und nimmt weniger als 1 mm3 (1,3 x 0,7 x 0,5 mm3) Platz ein. Die Versorgungsspannung von 1,8 Volt und der niedrige Stromverbrauch von nur 2 µW bei 1 Messung pro Sekunde sind eine optimale Voraussetzung für die Nutzung des Sensors in kleinen Wearables. Das Unternehmen stellt nicht nur den Sensor, sondern auch die dazugehörige Software zur Verfügung und gewährleistet dadurch eine deutliche Zeitersparnis bei der Ermittlung genauer Messwerte nach einer Veränderung der Umgebungssituation. Der winzige Sensor SHTW1 erweitert die Bandbreite möglicher Anwendungen, beispielsweise als Grundlage für physiologische Daten wie die Hauttemperatur oder die Schweissbildung, wofür massgeschneiderte Algorithmen notwendig sind. Sensirion hat die Grundlage für neue Ideen gelegt. Nun ist es an den Wearables-Anbietern und App-Entwicklern, den nächsten Schritt zu machen.
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