Fingernagelgroßer Funkchip mit Solarzelle soll Fenster überwachen

© Fraunhofer IMS
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(11.7.2015) Fenster sind energetisch und sicherheitstech­nisch anerkannte Schwachstellen in der Gebäudehülle. Wün­schenswert wäre deshalb ein Mechanismus, der offene Fens­ter bemerkt und ein Warnsignal an die Bewohner sendet. Es gibt heute zwar bereits etablierte Haus- und Gebäudetechnik, die den Zustand der Fenster registriert - in der Regel müssen die Sensoren aber per Kabel an die Alarmzentrale angeschlos­sen werden. In anderen Fällen kommen batteriebetriebene Funksensoren zum Einsatz - incl. dem dazugehörigen War­tungsaufwand für den Batteriewechsel. Forscher vom Fraun­hofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Syste­me IMS in Duisburg haben vor diesem Hintergrund eine prag­matische Alternative entwickelt: einen nur etwa fingernagel­großen Funksensorchip, der direkt im Fenster montiert wird. Der kleine Sensor ist mit einer Solarzelle beschichtet und ver­sorgt sich selbst mit Energie.

Ball oder Stemmeisen?

Der Fraunhofer IMS.Chip ist mit 10 mm so schmal, dass er direkt zwischen den Glas­scheiben einer Zweifach- oder Dreifach-Isolierfensterscheibe auf dem Abstandhalter angebracht werden kann. Dank dieser Position sollte die Solarzelle auch in der dunk­len Winterzeit ausreichend Licht erhalten: Derzeit sollen die Prototypen genug Strom für bis zu 30 Stunden Dunkelheit speichern können. Bis 2017 soll daraus ein Produkt entstehen, das bis zu zwei Wochen Dunkelheit überbrückt.

In dem Chip sind Magnet- und Beschleunigungssensoren integriert, die registrieren, wenn das Fenster gekippt oder ganz geöffnet wird. Über Funk kann der Chip dann bei Bedarf ein Signal an die Basisstation im Haus senden, falls ein Fenster zu lange geöff­net bleibt. Die Anwendungen des Funkchips sind vielfältig. Er kann Bewohner daran er­innern, regelmäßig zu lüften, oder sie warnen, falls ein Fenster noch geöffnet ist und sie das Haus verlassen wollen. Darüber hinaus verspricht der Chip auch bei geschlos­senem Fenster einen zuverlässigen Einbruchsschutz. Denn die Sensoren sollen zwi­schen verschiedenen Schwingungen unterscheiden können - beispielsweise zwischen einem Ball, der gegen die Scheibe donnert, oder dem Stemmeisen eines Einbrechers, das den Rahmen zum Knarren bringt.

Indem die IMS-Forscher um den Elektrotechniker Dr. Gerd vom Bögel und den Physiker Dr. Andreas Goehlich Prozessor und Chip sehr klein hielten, ist letzterer vergleichswei­se sparsam. Zudem konstruierten sie Schaltungen, die wenig Energie verbrauchen und entwickelten sehr kurze Funkprotokolle. „Wir haben jedes mögliche Mikro-Ampere he­rausgeholt“, erklärte vom Bögel im Rahmen der BAU 2015. Zum Stromsparen trage zu­dem auch bei, dass der Sensor immer wieder in einen Ruhemodus schaltet. Je nach Vorliebe des Anwenders lasse sich der Sensor so einstellen, dass er alle paar Minuten oder Sekunden aufwacht und eine Messung vornimmt.

Anstoß zu der Entwicklung des Solar-Funkchips gab das israelische Unternehmen SOLCHIP, das vor rund zwei Jahren beim IMS nach Solarzellen auf Chips anfragte. Der Entwicklergruppe von Andreas Goehlich gelang es, die Solarzellen auf der Oberfläche der Chips zu integrieren. SOLCHIP will mit diesen Solarzellen den Straßenverkehr und die Klimabedingungen beispielsweise in Weinstöcken überwachen.

„Wie man sieht, gibt es viele Einsatzgebiete“, resümiert vom Bögel. 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, so dass eine Fertigung auch in hohen Stückzahlen möglich ist.“