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Winzlinge mit Potenzial

Wearables finden zunehmend Beachtung. In naher Zukunft werden Brillen, Uhren, Kleidungsstücke und andere Artikel in der Lage sein, Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten zu liefern. Die Umgebungssensorik hilft, alltägliche Prozesse zu optimieren, den Energiebedarf zu minimieren, Geld zu sparen sowie unseren Komfort und unsere Gesundheit zu verbessern.

 

Temperatur- und Feuchtesensoren in Wearables messen nicht Umgebungsdaten, sondern erfassen auch physiologische Daten des Nutzers wie beispielsweise die Hauttemperatur oder Schweissbildung. So lassen sich Leistungsparameter einfacher nachvollziehen und interpretieren – zum Beispiel schlechter Schlaf bei heissem Wetter oder langsameres Laufen bei hoher Luftfeuchtigkeit.

Solche Informationen kann man auch im «Smart Home» nutzen, um das Raumklima automatisch zu steuern: Geben Sensoren Informationen zur Hauttemperatur und Schweissbildung an ein Klimasystem weiter, kann dieses das Raumklima entsprechend der persönlichen Präferenzen optimieren, ohne dass der Nutzer aktiv eingreifen muss. Dies ist besonders von Vorteil, wenn ein Nutzer schläft und sich ungesunder oder unangenehmer Bedingungen gar nicht bewusst ist. Ein solches System erhöht aber nicht nur den Komfort, sondern auch die Energieeffizienz. Da Energie nur verbraucht wird, wenn dies tatsächlich nötig ist, lassen sich Kosten einsparen.

Personalisiertes Klima für mehr Gesundheit

Die Überwachung der Umgebungsdaten ist auch für weitere Anwendungen nützlich. Wearables könnten je nach Temperatur und Trockenheit der Umgebung nützliche Hautpflegetipps geben. Unsere Haut ist extrem empfindlich und die Kosmetikindustrie könnte das Wissen nutzen, um das passende Produkt abgestimmt auf Haut und Umgebungssituation zu empfehlen.

Nicht nur die Kosmetikbranche kann ihre Produkte mit Hilfe von Wearables verbessern und ihre Kunden zufrieden stellen, 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 Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit 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.

Herausforderung Integration

Die Integration von Umgebungssensoren in Wearables ist nicht leicht. Dies gilt insbesondere für Temperatursensoren und alle von der Umgebungstemperatur abhängigen Werte, beispielsweise die Luftfeuchtigkeit. Bei der Integration bestehen drei grosse Herausforderungen:

  • Die elektronischen Bauteile, die sich im kompakten Gerät auf engstem Raum befinden, erzeugen Hitze und beeinflussen die Messwerte. Dies verstärkt sich dadurch, dass die Wärmeabgabe der verschiedenen Komponenten stark lastabhängig ist und sich dadurch ständig verändert.
  • Die Hauttemperatur beeinflusst die Messwerte
  • Das Gerät hat 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.

Software für Sensordatenfusion

Es gibt zahlreiche Varianten, dieses Problem zu mindern oder zu beseitigen. 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 ist stark geräteabhängig. Allerdings ist auch mit einer idealen Platzierung eine vollständige Entkopplung wahrscheinlich nicht umsetzbar. Um die verbleibenden Einflüsse zu kompensieren, müssen sie überwacht und ihr Einfluss auf die Temperaturmessung bestimmt werden. Um zum Beispiel den Einfluss der Körperwärme zu korrigieren, kann man einen zusätzlichen Sensor in Hautnähe platzieren. Dann lässt sich mit einem Wärmeausbreitungsmodell abschätzen, wie gross die durch die Körperwärme hervorgerufene Temperaturerhöhung am Sensor ist und entsprechend korrigieren.

Eine Software zur Umgebungsdatenfusion namens «Sensirion-Engine» wird in einigen Smartphones für die genaue Temperatur- und Feuchtemessung eingesetzt. Sie erlaubt auch eine schnellere 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.

Innovative Sensorgehäuse

Solche Systeme lassen sich nur mit innovativer Hard- und Software umsetzen. Bei der Hardware handelt es sich um den laut Hersteller derzeit kleinsten Feuchte- und Temperatursensor weltweit. Er wurde vom Schweizer Hightech-Unternehmen Sensirion speziell für Geräte mit begrenztem Platz entwickelt und für die Anforderungen der Unterhaltungselektronik optimiert. Das WLCS(Wafer-Level Chip-Scale)-Gehäuse des Sensors SHTW1 ist nicht grösser als der CMOSens-Chip selbst und nimmt weniger als 1 mm³ (1,3 × 0,7 × 0,5 mm) Platz ein. Die Versorgungsspannung von 1,8 Volt und der niedrige Stromverbrauch von 2 µW bei einer 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 so eine deutliche Zeitersparnis bei der Ermittlung genauer Messwerte nach einer Veränderung der Umgebungssituation. Die Grundlagen für neue Ideen sind gelegt. Nun ist es an den Wearables-Anbietern und App-Entwicklern, den nächsten Schritt zu machen.

Infoservice


Sensirion AG
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