Institut für Sensor und Aktortechnik Institute of - isat

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Institut für Sensor und Aktortechnik
Institute of Sensor and Actuator Technology
„Ohne Bewegung ist Leben undenkbar.“
„Without movement life is unthinkable.“
- Moshé Feldenkrais
Institut für Sensor- und Aktortechnik • Institute of Sensor and Actuator Technology
Prof. Dr. Gerhard Lindner, Institutsleitung
Prof. Dr. Gerhard Lindner, Director
Prof. Dr. Maria Kufner, Institutsleitung
Prof. Dr. Maria Kufner, Director
Liebe Leserinnen und Leser
Dear Readers
Als In-Institut der Hochschule Coburg betreibt das Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) seit 2007 Forschung und Entwicklung
auf dem Gebiet der mikroakustischen Oberflächenwellen.
Mit großem Erfolg wurden bereits zahlreiche Kooperations- und
Förderprojekte mit Partnern aus Industrie, Wirtschaft und Forschung durchgeführt, wodurch sich das Institut - insbesondere in
der Region Oberfranken einen Namen machen konnte.
Bereits zwei Ausgründungen aus dem ISAT bereichern mit
innovativen Entwicklungen im Bereich Sensortechnik die hiesige
Wirtschaftsregion, sodass vor allem Coburg immer mehr zu
einem Sensorik-Hotspot avanciert. Durch den Umzug in das neue
Institutsgebäude im Januar 2013 konnten die Aktivitäten des
ISAT an einem Standort vereint und hervorragende Grundlagen
für zukünftige Forschungsarbeiten in den neuen Laboren und
Werkstätten geschaffen werden.
Durch die Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung
und Forschung, des Bundesministeriums für Wirtschaft, des
Europäischen Fonds für regionale Entwicklung der Europäischen
Union und der Wirtschaftsförderungsgesellschaft der Stadt Coburg ist es dem ISAT in den letzten Jahren möglich gewesen, sich
in allen Geschäftsbereichen signifikant weiterzuentwickeln. Eine
besondere Förderung hat das ISAT von der Bayerischen Staatsregierung im Rahmen des Programms „Aufbruch Bayern“ erfahren.
Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken (TAO) wurde
die wissenschaftliche Kooperation mit der Universität Bayreuth
vertieft.
Auf Grundlage dieser positiven Entwicklungen wird das Institut
auch in Zukunft in der Lage sein, als kompetenter Partner und
Impulsgeber für Forschungs- und Entwicklungsprojekte für Ihre
Anfragen bereit zu stehen.
As part of Coburg University of Applied Sciences and Arts, the
Institute of Sensor- and Actuator Technology (ISAT) is performing research and development in the field of surface acoustic
waves (SAW) since 2007.
ISAT has been established in Upper Franconia as result of many
research cooperations and funded projects with partners from
industry an science.
Two spin-offs also promote their innovations in Coburg, so that
this region is becoming a hotspot in sensor development.
By moving to a new research building in January 2013, all
activities could be concentrated at one location with excellent
equipped laboratories and workspaces.
ISAT itself appreciates the support of the Federal Ministry of
Education and Research, the Federal Ministry of Economics and
Technology, the European Regional Development Fund of the
European Union and the Wirtschaftsförderungsgesellschaft
Coburg. A special funding was obtained by the Bavarian state
government as part of the program „Aufbruch Bayern“. Within
the technology initiative TAO the scientific cooperation with
University of Bayreuth was stengthened.
On the basis of this positive progress the institute will likely be a
competend partner and trigger innovations for your tasks.
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Akustische
Oberflächenwellen
Surface Acoustic Waves
Die bekannteste akustische Oberflächenwelle ist eine
Seismische Welle, die in Folge eines Erdbebens auftritt und
eine zerstörerische Kraft mit verheerender Wirkung für den
Menschen und seine Umgebung entwickeln kann. Jedoch
kann man sich diese Welle in miniaturisierter Form auch
für innovative Sensor- und Aktor-Technologien zu Nutze
machen.
Diese akustischen Oberflächenwellen kommen bereits in
vielfältigen technischen Anwendungen zum Einsatz, wie
beispielsweise in Mobiltelefonen. Ob im Haushalt, der
Medizintechnik, der Umwelttechnik oder auch der Automobiltechnik - die Einsatzbereiche dieser Technologie sind sehr
vielfältig, sodass durch sie in den vergangenen Jahren neue
Marktpotentiale geschaffen wurden.
Das Institut für Sensor- und Aktortechnik verfügt über ein
umfangreiches Know-How in der Anwendung dieser akustischen Oberflächenwellen, in das wir Ihnen auf den folgenden Seiten einen Einblick geben möchten.
The best-known surface acoustic wave (SAW) is a seismic wave
resulting from an earthquake, which may have devastating
impacts on nature and humanity because of its brute force. In
a miniaturized form, this waves can be used for ingenious novel
technologies.
Various applications such as sensors and actuators utilize
microscopic seismic waves.
These surface acoustic waves have proven their widespread
userfulnes e.g. in biomedical applications, mobile communication, household and automotive engineering.
ISAT has extensive know-how with respect to surface acoustic
wave applications. We would like to give you an insight in our
work on the following pages.
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Mitarbeiter
Employees
Seit der Gründung des Instituts ist die Zahl der Mitarbeiter stetig gestiegen, sodass zur Zeit 25 Mitarbeiter
verschiedener Qualifikationen beschäftigt werden.
Diese Steigerung konnte durch die wachsende Zahl von
Forschungsprojekten des Instituts erreicht werden.
Die interdisziplinäre Zusammensetzung der Mitarbeiter
spiegelt hierbei das breite Kompetenzspektrum des
Instituts wieder.
Zusätzlich arbeiten durchschnittlich 20 Studenten verschiedener Studiengänge – von der Technischen Physik
und Elektrotechnik über den Maschinenbau bis hin zur
Betriebswirtschaft, Bioanalytik, Informatik und dem
Integrierten Produktdesign – im Rahmen von Bachelor-,
Master-, Diplom- oder Studienarbeiten, als Praktikanten
oder als studentische Hilfskräfte an der Bearbeitung
von Forschungsprojekten mit. Im Rahmen von kooperativen Promotionsvorhaben werden die wissenschaftlichen Grundlagen der Forschungsprojekte vertieft.
Durch diese breit gefächerte Aufstellung des ISATTeams können mehrere unterschiedliche Fragestellungen mit optimaler fachlicher Besetzung zur gleichen
Zeit bearbeitet werden.
The number of employees at the institute has continually increased since its founding. With many different disciplines a
wide range of competences is represented by the 25 scientific
and non-scientific employees currently working at the ISAT.
An average of 20 students from study programs like technical physics, electrical engineering, mechanical engineering
as well as business administration, bioanalytics, computer
science and product design are working in the institute as
student assistants or trainees within their bachelor-, masteror diploma thesis. Within several PhD projects the scientific
background of the research activities is investigated.
This increase was a result of the growing number of research
projects. The interdisciplinary structure of ISAT allows the
processing of several projects at the same time by adequate
teams of researchers.
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Forschungsservice
auf dem Gebiet der Messtechnik
Forschung und Entwicklung
Research service in the field
of metrology auf dem Gebiet der mikroakustischen
Sensorik & Aktorik
Research and development in the field
of surface acoustic waves
Kompetenzfelder
Competence areas
Zur dauerhaften Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit eines
Unternehmens ist die stetige, kundenorientierte Weiterentwicklung der eigenen Produkte und Prozesse unerlässlich. Als Katalysator solcher Innovationen ist das ISAT ein
erfahrener Projektpartner, sowohl beim Forschungsservice
im Bereich der Messtechnik, als auch bei Forschung und
Entwicklung im Bereich der mikroakustischen Sensorik und
Aktorik.
Die Räumlichkeiten des Instituts, mit einer Fläche von rund
1020 m ², sind die Grundlage für die Erarbeitung praxisnaher
Lösungen. Hierfür steht das interdisziplinäre Team des ISAT
mit einer gut ausgestatteten technischen und wissenschaftlichen Infrastruktur.
Die technische Infrastruktur umfasst eine mechanische
Werkstatt, vier Mess- und Experimentierräume, sowie je
ein Elektronik -, Laser-, Chemie- und Mikrobiologielabor.
Eine hausinterne Literatursammlung sowie die Anbindung
an die Hochschul-Bibliothek und Zugang zu Fachliteratur,
Soft-und Hardware für Simulationen und mathematische
Berechnungen sind Bestandteil der wissenschaftlichen
Infrastruktur.
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For an enterprise a continuous, customer oriented advancement of own products and processes is inevitable to remain
competitive in the long term. ISAT is an experienced cooperation partner which provides research service in the field of
metrology as well as research and development in microacoustic sensor and actuator technology.
Basis of the scientific work and the creation of practical
oriented solutions is the research building with a total area of
1020 m ² and a well equipped interdisciplinary team of scientists and engineers.
Technical infrastructure comprises a mechanical workshop,
four measurement and experimental laboratories and laboratories for electronic, laser, chemical and microbiological
investigations and developments. The institute maintains a
collection of literature and also a connection to the library of
the university with access to scientific literature, soft- and hardware for simulation and mathematical calculations within the
scientific infrastructure.
Leistungsspektrum
Range of services
Nach dem ersten Kooperationskontakt werden gemeinsam
Aufgabenstellungen formuliert. Somit können die wichtigsten Bausteine für jedes Projekt individuell geplant werden.
Dabei geben Technologie- und Machbarkeitsstudien
wichtige Hinweise auf das wirtschaftliche Potential für eine
konkrete Verwendung.
Das ISAT bietet dabei auch umfassende Unterstützung bei
der Markt- und Literaturrecherche sowie bei der Konstruktion und Herstellung von Prototypen an. Die Integration
in bereits bestehende Systeme und Produkte ist dabei von
besonderer Bedeutung.
Identification of common research tasks is a top priority after
initial contact with future cooperation partners.
Essential milestones of each research project are planned individually and precisely. The economic potential will be exploited
by the investigation of technology and by feasibility studies.
That also includes the possibility of a specific realization of a
prototype based on the research results.
Furthermore, ISAT is capable to apply the extensive knowledge
in design and implementation of such prototypes with particular attention on integration in existing systems.
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Kompetenzen auf einen Blick
Competences at a glance
Erstklassige Forschung und Entwicklung wird innerhalb des
Instituts einerseits durch das kompetente Fachpersonal und
andererseits durch eine hervorragende und spezialisierte
Ausstattung gewährleistet. Hierzu zählen unter anderem:
•
High-Speed Kamera
•IR-Kamera
•Laser-Scanning-Vibrometer
•
UHF Vibrometer
•
CNC Fräsmaschine
•
UV-VIS Spektralphotometer
•Schallfeldmessplatz
•Messdatenerfassungssysteme
•
Mixed Signal Oszilloskope
•
digitale Speicheroszilloskope
•Dichte-Schallmessgerät
•Rheometer
•Prozessthermostate
•
FT-IR Spektrometer
•Temperaturkammer
•
CAD- und Software-Pakete (CATIA, COMSOL, LABVIEW, MATLAB)
•
Netzwerkanalysator (1Hz - 40MHz)
•Vakuummessplatz
•
Schichtdickenmessgerät
•
Faseroptische (Temperatur)messsysteme
•Drehmaschine
•Plasmaschneider
•WIG-Schweißgerät
•Sonotrode
•
Laserakustischer Messplatz
•Klima-Prüfschrank
•Laserscanningmikroskop
•
Konvocales Laserscanningmikroskop
Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern analysieren
wir Fragestellungen und formulieren maßgeschneiderte
Projektpläne für eine optimale Bearbeitung.
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The institutes high-quality research and development is
primary guaranteed through specialized equipment.
This includes the following:
•
High-Speed camera
•IR-Camera
•
Scanning Laser-Doppler-Vibrometer
•
UHF Vibrometer
•
CNC - milling machine
•
UV-VIS spectral photometer
•
Sound-field measurement station
•
Data acquisition systems
•
Mixed signal oscilloscope
•
Digital storage oscilloscopes
•
Density sound level meter
•Rheometer
•
Process thermostat
•
FT-IR spectrometer
•
Temperature chamber
•
CAD- and Software packages (CATIA, COMSOL, LABVIEW, MATLAB)
•
Network analyzer(1Hz - 40MHz)
•
Vacuum measureing station
•
Thickness gauge
•
fibre optic measurement instruments
•
CNC Lathe
•
Plasma cutter
•WIG-Welder
•
Ultrasonic horn
•
Laser acoustic measurement system
•
Climate Test Chamber
•
Laser scanning microscope
•
Confocal laser scanning microscope
In cooperation with business partners, problems will be analyzed in order to customize, detect and design project concepts
for an optimized processing.
Messtechnik
•
•
•
•
Ultraschallmessverfahren
FBG - Sensoren : Temperatur, Dehnung, Beschleunigung
Rayleigh - Sensoren : verteilte Temperatur- & Dehnungsmessung
•
Magnetfeldmessung
Zerstörungsfreie Oberflächenprüfung
Messung der radioaktiven Kontamination von Gegenständen
Faseroptische Messsysteme :
Chemie
•
•
•
•
Nasschemische Analytik
Chemische Wasseranalysen
Leitfähigkeitsmessung
Messungen des Brechungsindex
Elektronik & IT
Metrology
•
•
•
•
•
•
•
Ultrasonic measurement
Non destructive material testing
Measurement of the radioactive contamination of objects
Fiber optic measurement systems:
FBG - sensors : temperature, elongation, acceleration
Rayleigh - sensors : distributed temperature & strain measurement
Magnetic field measurement
Chemisrty
•
•
•
•
Chemical analysis
Chemical water analyses
Conductivity measurement
Measurement of the refractive index
Electronics & IT
Entwurf, Layout, Simulation und Herstellung von
•
Design, layout, simulation and production of
analogen und digitalen elektronischen Schaltungen
analog and digital electronic circuits
Entwicklung und Test von Software für
•
Development and test of
Mikrocontroller
microcontroller software
•
•
•
•
•
Elektronikdesign-Software (Altium, Eagle)
Electronics design software (Altium, Eagle)
Entwicklung von Algorithmen zur
•
•
•
Messdatenauswertung
measurement data evaluation
Simulation und Softwareentwicklung :
•
Simulation and software development:
Akustik- und Fluidik-Simulation (COMSOL)
Acoustic and fluidic simulation (COMSOL)
LabVIEW- Programmierung
LabVIEW programming
•
•
Hardware-Entwicklung mit FPGAs / CPLDs
Biotechnologie
•
•
•
Mikrobiologische Analysen
Detektion von biogenen Ablagerungen
Hygieneuntersuchungen
Marketing & Design
•
•
•
Demonstratoren / Versuchsaufbauten
Grafische Gestaltung
Produktdesign und Konstruktion (CAD)
Hardware development with FPGAs / CPLDs
Development of algorithms for
Biotechnology
•
•
•
Microbiological analysis
Detection of biogene deposits
Hygienic analysis
Marketing & Design
•
•
•
Prototypes / Experimental set-ups
Graphic Design
Productdesign and computer aided design (CAD)
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Projekte im Fokus
Projects in focus
Biotechnologie
Biotechnology
Chemie
Chemistry
Sensorik
Sensor technology
Aktorik
Actuator technology
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Biotechnologie
Biotechnology
Bakterienzelle
Bacterial cell
Bioanalytik/Medizintechnik
Bioanalytic/Medical engineering
Der rasante Fortschritt in Medizin und Life Science verlangt
nach neuartigen und spezifischen Sensor- und AktorKonzepten. Damit sollen biologische, biochemische und
medizinische Vorgänge differenzierter kontrolliert und gesteuert werden können – letztlich auch mit Auswirkungen
auf Gesundheit und Lebensqualität eines Menschen.
Das ISAT will mit Ideen und Funktionsmustern zu dieser Entwicklung beitragen und ist daran interessiert, Forschungspartner für eine industrielle Umsetzung zu finden.
Erste Neuentwicklungen wurden bereits auf den Weg gebracht: Unter Nutzung der akustischen OberflächenwellenTechnologie wurde ein Sensor zur Online-Überwachung
der Biofilmbildung im Inneren von Behältern oder Rohren
erfolgreich getestet.
Im Bereich der Aktorik soll künftig die akustische Separation
von Zellen und die Phasentrennung von Emulsionen oder
die Beeinflussung des Zellstoffwechsels und der Stoffaufnahme durch gezielte Ultraschall-Einwirkung eingehend
untersucht werden.
Due to the rapid development in medicine and life science, the
demand for novel and specific sensor and actuator concepts
has increased.
They are needed for monitoring and controlling biological, biochemical and medical processes, which also have an influence
on health and life quality.
ISAT is going to contribute to this development with ideas and
demonstration devices and is interested in research partnerships with respect to an industrialization of such innovations.
First products are already planned: A sensor for online-monitoring of biofilm formation inside containers or tubes using
surface acoustic wave technology has already been tested
successfully.
The influence of ultrasound on acoustic separation of cells, the
phase separation of emulsions or the influence on cell metabolism or nutrient uptake shall be investigated in the future.
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Biotechnologie
Biotechnology
Bakterienbelag in einem Rohr
Biofilm in a tube
Biofilmdetektion
Biofilm detection
Die Biofilmbildung an Grenzflächen ist ein weit verbreitetes
Phänomen, welches vor allem dann an Relevanz gewinnt,
wenn sich Biofilme in medizinischen Geräten und Bauteilen
ablagern, welche sehr hohen hygienischen Anforderungen
genügen müssen. Auch bei technischen Anlagen, wie Wärmetauschern oder Klimaanlagen, wird durch anhaftende
und schwer zu entfernende Bakterienbeläge deren Effizienz
erheblich reduziert.
Eine exakte und kostengünstige online-Detektion von
Biofilmen mit den im ISAT entwickelten Sensorprototypen
kann dazu beitragen, die Desinfektionszyklen bei medizinischen Geräten zu optimieren oder die Betriebsdauer
technischer Anlagen zu erhöhen. Ein wesentlicher Vorteil
der im ISAT entwickelten Methode besteht darin, dass durch
die Anregung mikroakustischer Oberflächenwellen auf der
Außenwand von Anlagenbauteilen oder Schlauchelementen, die Biofilmbildung im Inneren dieser Bauteile kontinuierlich überwacht werden kann, ohne dass ein Einbau von
Sensorelementen in das System erfolgen muss.
In verschiedenen Untersuchungen des Instituts konnte
gezeigt werden, dass über die akustische Methode die
Biofilmbildung im Inneren von flüssigkeitsgefüllten Rohren oder Schläuchen präzise und bereits bei beginnenden
Ablagerungen überwacht werden kann. Ferner lassen sich
durch dieses vielseitig einsatzbare Verfahren neben Biofilmen auch andere Schichtablagerungen detektieren, sodass
frühzeitig Maßnahmen zur Schichtentfernung eingeleitet
werden können.
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Medical Systems and devices have to provide a constant level of
hygiene. Therefore, biofilm development on interfaces must be
monitored intensively to maintain the hygiene and to prevent
biofilms from growing.
Technical systems such as heat exchangers or air conditioners
can be influenced in their performance by the formation of
non-removable bacterial films. Regarding the need of a costefficient and exact online detection method, ISAT is able to
provide innovative biofilm sensors to optimize the disinfection
cycles of medical devices and to support the maintenance of
technical facilities.
The significant advantage of this sensor is the excitation of
surface acoustic waves (SAW) on the outer surface of plant
components or tubes and the monitoring of biofilms inside the
system. Different investigations revealed the capability of acoustic technology to monitor biofilm development in liquid filled
tubes and pipes precisely and to detect other types of layers, as
well.
The principle of operation is based on the measurement of the
SAW propagation characteristics. Due to the low detection
limit, biofilm layers can already be recorded in early stages of
their growth, which allows an efficient removal.
Chemie
Chemistry
Belakustik - Schallgetriebene Beschleunigung (elektro-) chemischer Reaktionen
Belakustik - Acceleration of (electro-) chemical reactions by ultrasonic waves
Die Verkürzung der Ladezeit von Akkumulatoren ist ein
strategisch wichtiges Erfordernis für die Umsetzung von
Elektromobilitäts-Konzepten und für den Betrieb dezentraler
elektrochemischer Energiespeicher-Netze.
A reduction in accumulator charging time is an important
strategic demand for the implementation of electromobility
and for the operation of decentralized electrochemical energy
storage networks.
Die Ladezeit eines Akkumulators wird unter anderem durch
die Bildung der Diffusionsgrenzschicht, welche sich zwischen Elektrode und Elektrolyt ausbildet, beeinflusst. Durch
diese Grenzschicht wird die chemische Reaktion gehemmt,
wodurch der Stromfluss stagniert. Bei Überbrückung der
kinetischen Hemmung durch die gezielte Einwirkung von
Ultraschallwellen kann erneut eine Erhöhung des Stromflusses bewirkt werden. Die Ladezeit des Akkumulators wird
dadurch verkürzt.
Die akustische Oberflächenwellen-Technologie ermöglicht es,
Schallwellen nahe der Diffusionsgrenzschicht zu erzeugen.
Diese akustischen Wellen durchmischen hierbei die Grenzschicht, wodurch die elektrochemische Reaktion ungehindert
stattfinden kann. Als Modellverfahren für elektrochemische
Reaktionen wurde das Elektropolier-Verfahren gewählt. In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, dass im Vergleich
zum Standard-Verfahren ohne Schalleintrag der Stromfluss
bei Einstrahlung von Schallwellen um bis zu 80 % erhöht
werden konnte.
One factor which is responsible for the duration of the charging
process is the formation of the diffusion boundary layer between the electrode and the electrolyte. This interface inhibits
the electrochemical reactions and the current flow will stagnate. By the targeted use of ultrasonic waves, this kinetic barriers
are bridged so that the current flow will rise again and thus the
charging time will be reduced.
Diese Ergebnisse werden zur Zeit durch das ISAT auf einen
Akkumulator transferiert, quantifiziert und optimiert. Mit Hilfe
dieser Technologie soll es möglich werden, Voraussetzungen
für die Produktion eines neuartigen Akkumulators bzw. von
Zusatzkomponenten zu erstellen, um die Ladezeit vonAkkumulatoren zu verkürzen.
Dieser Ansatz ist jedoch nicht nur für elektrochemische
Systeme geeignet. Auch Synthesevorgänge, Polymerisationsreaktionen und viele andere chemische Prozesse könnten so
akustisch beschleunigt werden.
With the surface acoustic wave technology it is possible to
generate ultrasonic waves near the electrode - electrolyte interface. The acoustic waves intermix the diffusion boundary layer
and the electrochemical reaction will be accelerated. For first
measurements, an electro-polishing cell was used as a model
for electrochemical reactions. With these experiments it could
be shown that by the use of acoustic waves, the current flow
could be increased up to 80 % in contrast to electro-polishing
without sound energy.
Currently, this approach is transferred, examined, quantified
and optimized for accumulators. With this technology it should
be possible to establish conditions for the production of novel
accumulators or add-on components to minimize the duration
of the charging process.
But this approach is suited not only for electrochemical processes. It can also be used for acoustic acceleration of other
chemical processes such as synthesis processes or polymerization reactions.
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Sensorik
Sensor technology
Dämpfung einer Oberflächenwelle durch einen Wassertropfen
Attenuation of a surface acoustic wave by a droplet
Flüssigkeitsdetektion
Detection of liquids
Nicht nur der Mensch besteht zu nahezu 70 % aus Wasser,
auch bei technologischen Anwendungen oder im täglichen
Gebrauch spielen Wasser und andere Flüssigkeiten eine
große Rolle. Insbesondere bei optischen Systemen, z.B. bei
Kameralinsen, kann die Ablagerung von Tropfen oder Kondensat zu einer schweren Beeinträchtigung ihrer Leistungsfähigkeit führen.
Ein weiteres Beispiel hierfür sind Regensensoren verschiedener Bauart, welche mittlerweile in den meisten Fahrzeugen zur Standardausstattung gehören.
Ein Nachteil dieser Sensoren ist, dass über sie nur ein geringer Bereich der Scheibe überwacht wird. Mit dem Einsatz
akustischer Oberflächenwellen, die sich auf der gesamten
Fläche der Scheibe ausbreiten können, ist es im Gegensatz
zu den bisher auf dem Markt befindlichen Regensensoren
möglich, das volle Sichtfeld des Fahrers sensitiv auf Regentropfen zu gestaltet.
Neben dem Einsatz im Automobil kann diese Technologie auch in anderen Anwendungsfeldern implementiert
werden. Beispiele hierfür sind Regensensoren für Mautkameras, Anwendungen in intelligenten Häusern, Sensoren
zur Detektion von Leckagen oder zur Überwachung von
optischen Messsystemen. Durch den Einsatz von speziell entwickelten Ultraschallwandlern konnte bereits auf
unterschiedlichen Oberflächen eine Sensitivität gegenüber
Flüssigkeiten erzeugt werden. Durch Variation der WandlerAbstrahlcharakteristik und die Beeinflussung der Schallausbreitung konnten bisher Glasplatten, Metallteile und
Kunststoffobjekte flüssigkeitssensitiv gemacht und diese
in unterschiedliche Sensorzonen unterteilt werden. Neben
der Detektion der Flüssigkeit ist dieses System auch in der
Lage, die Menge und die Position der darauf befindlichen
Flüssigkeit messtechnisch zu erfassen.
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Not only the human body consists of almost 70 % of water, but
also in technological applications or daily life, water and other
liquids are of great importance. As an example, in optical systems, e.g. camera lenses, accumulation of droplets or condensate influence the systems efficiency negatively.
On a larger scale, e.g. on car windscreens, different types of rain
sensors are used for droplet detection. Those sensors are becoming more and more common but their disadvantage is, that
they can only monitor a small area of the windscreen. By using
surface acoustic waves, which can propagate on the complete
glass, it is possible to create a windscreen which is sensitive to
droplets on its whole surface.
This technique can also be used for various other applications
beyond the automotive sector: droplet detection on toll cameras, in “intelligent homes”, for leakage detection onto surfaces
or for monitoring other optical systems as mentioned in the
beginning.
Specially designed ultrasonic transducers allow the creation
of this liquid sensitivity not only on glass, but also on other
materials, e. g. metals and plastics. The technology can further
be used to detect the amount and the location of liquids.
Sensorik
Sensor technology
Berührungssensitive Fliesen
Touch sensitive tiles
Berührungssensitive Oberflächen
Acoustic Touch Control Sensors
Aus unserer technologie-affinen Gesellschaft sind Touch-Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Vom Smartphone bis
hin zum Haushaltsgerät – überall erfreuen sich Touchscreens
und Softkeys, die Berührungen auf verschiedenen Oberflächen erfassen und Schaltfunktionen auslösen, zunehmender
Beliebtheit. Mit akustischen Oberflächenwellen können
solche Softkeys an den unterschiedlichsten Alltagsgegenständen realisiert werden, ohne dabei die Eigenschaften und
das Aussehen des Objektes zu verändern.
Mit der berührungssensitiven Fliese ist dem ISAT die Umsetzung seiner auf Oberflächenwellen basierenden Technologie
in einen funktionsfähigen Prototyp gelungen. Diese sensitiven Fliesen können in Privathaushalten z.B. in Badezimmern
und Küchen als multifunktionale Schalter eingesetzt werden
und dabei höchsten Ansprüchen hinsichtlich elektrischer
Isolierung, Sterilität und einfacher Reinigung gerecht werden.
Auch deren Einsatz in Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen ist denkbar, da vor allem auch dort leicht zu reinigende und steril zu haltende Flächen benötigt werden. Herkömmliche Schalter, in welchen sich Schmutz und pathogene
Keime ablagern und vermehren können, werden so effizient
substituiert.
Es ergeben sich viele weitere beispielhafte Szenarien, in denen die Fliese nicht nur als Schaltelement, sondern auch zur
modernen Raumüberwachung beiträgt und sowohl gestürzte Personen als auch Wasserschäden erkennt.
Die keramische Fliese stellt hierbei nicht die alleinige Umsetzungsmöglichkeit zur Erzeugung berührungssensitiver Oberflächen und Gegenstände dar, da nicht nur auf keramischen
Werkstoffen, sondern beispielsweise auch auf Glas-, Metallund Plastikoberflächen akustische Softkeys erzeugt werden
können. Potentiellen Einsatzgebieten und -orten sind somit
nahezu keine Grenzen gesetzt.
Touch applications became an inevitable and fast developing
part of nowadays technology. From smartphone to domestic
appliances – touchscreens and softkeys capture every touch
and transfer it into a switch function.
These softkeys can be implemented on many everyday objects
without changing their properties and looks. This is the reason
why this technology is especially appropriate for specialized
applications with particular requirements such as sterility.
The institute transferred its knowledge in SAW technology into
a functional prototype of a touch sensitive tile.
Examples for their multifunctional uses in households are
bathrooms and kitchens, where they meet the high demands
regarding electrical insulation, sterility and cleaning.
Beyond private households, it is also possible to employ this
technology in hospitals or nursing care facilities, where a high
level of hygiene must be maintained to prevent pathogenic
microorganisms and bacteria from growing.
Above all, these tiles can also be used in modern room surveillance systems to monitor interaction of persons and also
for automatic alarm in case of a person lying injured on the
ground or for notification of water damages.
These are only few examples for the various application possibilities, which SAW based technology offers. Beside ceramic
surfaces, there are also other materials such as glass, metal
and various plastics on which SAW can be generated in order
to realize softkeys. Potential fields of application are almost
unlimited.
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Sensorik
Sensor technology
Vibrometrie
Vibrometry
Optische Anregung und Detektion
von Oberflächenwellen
Optical excitation and detection of
surface acoustic waves
Akustische Oberflächenwellen, d.h. Ultraschallwellen, die
sich an der Oberfläche eines Substrats ausbreiten, werden
bereits für eine Vielzahl an Sensoranwendungen eingesetzt,
wie zum Beispiel bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.
Über das laserakustische Verfahren des ISAT können
Oberflächenwellen nichtinvasiv -ohne Beschädigung der
Oberfläche- und berührungsfrei angeregt werden. Mit
kurzen Laserpulsen werden hierbei Schwingungen in dem
zu untersuchenden Substrat erzeugt, die sich anschließend
als akustische Oberflächenwellen ausbreiten.
Eine Detektion der akustischen Oberflächenwellen ist
ebenfalls optisch mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers
möglich. Die Auslenkung der Welle an der Oberfläche
kann hierbei mit einer Auflösung von wenigen Pikometern
gemessen werden.
Durch ein Abscannen der Oberfläche können nicht sichtbare Inhomogenitäten, Gefügeänderungen oder auch
Mikrorisse detektiert werden. Ferner lässt sich diese Technik
auch einsetzen, um z.B. das Elastitzitätsmodul oder die
Dicke von Folien bzw. dünnen Schichten auf Oberflächen zu
bestimmen.
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Surface acoustic waves are ultrasonic waves propagating
along the surface of a substrate. They are already used in a
variety of sensing applications, for example in non destructive
material testing.
ISAT uses a laser acoustic method to generate surface acoustic waves on a specimen without damaging its surface in a
contactless manner. A short laser pulse is inducing heat onto
a small spot on the surface, which causes vibrations inside the
material creating a surface acoustic wave pulse travelling away
from its source.
The detection of the surface acoustic waves can also be achieved by optical means using a Laser-Doppler-Vibrometer, which
measures the displacement of the surface with a resolution of
a few picometers. By scanning an area of a specimens surface
inhomogenities, changes in the microstructure or microfractures inside the material can be detected.
It is also possible to utilize this technique for the measurement
of the thickness and of Young’s modulus of thin films or thin
layers on a substrate.
Aktorik
Actuator technology
01.10.2012 – 30.09.2014
Actuations
Actuations
Im Rahmen des Projekts „Actuations“ sollen Forschungsund Entwicklungspartnerschaften mit kleinen und mittleren Unternehmen in der ehemaligen nordbayerischen
Grenzregion (Oberfranken und nördliches Unterfranken)
aufgebaut werden. Bereits im Institut für Sensor- und Aktortechnik erforschte und teilweise in Entwicklung befindliche
neuartige Verfahren der Aktorik (engl.: Actuation) sollen
dabei zur Anwendung kommen. Damit sollen weitere Innovationsimpulse in der Zielregion ausgelöst werden.
Während im Bereich der Sensortechnik der Technologietransfer mit kleinen und mittleren Unternehmen der Region
gut etabliert ist, besteht im Bereich der Aktorik noch erhebliches, bisher nicht ausgeschöpftes Entwicklungspotential.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass teilweise ähnliche
Technologien wie in der Sensorik zum Einsatz kommen
können, insbesondere mikroakustische Technologien.
Vorhandenes Know-How und Einrichtungen werden hierbei
auch für die mikroakustische Aktorik genutzt.
The funded project „Actuations“ is focused on the promotion
of research and development partnerships with small and medium sized companies in the former Northern-Bavarian border
region (Upper Franconia and northern Lower Franconia).
Developments and applications of actuator technologies,
which have already been explored by ISAT, will be employed for
the exitation of innovation impulses in the future.
Whilst technology transfer with small and medium sized companies is well-developed and established in sensor technology
in this part of Bavaria, actuator technology withholds enormous development potentials which have not been exhausted
yet. Additionally, sensor technologies such as microacoustics
can also be used for actuation purposes.
Therefore, know-how aquired so far and facilities can be used
for actuator technology as well.
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Förderprojekte
Funded projects
Forschung bedeutet immer Chance und Risiko zugleich.
Mit Hilfe von Förderprogrammen kann das Risiko auch für
kleine und mittlere Unternehmen beherrschbar gehalten
werden. Von der Antragsstellung bis zum Verwendungsnachweis steht das ISAT als erfahrener Partner bereit.
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Research activities are always a chance and risk at the same
time. By means of public support programs, the risk for small
and medium sized enterprises can be minimized. As a strong
cooperation partner, our institute can support you from application to cross-reference.
Kooperationspartner
Cooperation partners
Mit freundlicher Genehmigung der Firmen.
With friendly permission of the business partners.
17
Veröffentlichungen
Publications
Journal Papers
[1]
Lindner, G., “Sensors and actuators based on surface
acoustic waves propagating along solid–liquid interfaces,” J.
Phys. D 41(12), 123002, 2008.
[2]
Lindner, G., Schmitt, M., Schubert, J., et al., “On-line
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[3]
Friedrich, D., Kaul, C., Lindner, G., et al., “Acoustic online monitoring of chemical reactions in liquids with integrated
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[5]
Faustmann, H., Geisler, M., Lindner, G., et al., “Messtechnische Anwendungen von akustischen Oberflächenwellen
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[6]
Lindner, G., Faustmann, H., Krempel, S., et al., “Wave
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[4]
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[7]
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[2]
Lindner, G., Hendrik Faustmann, Thomas Fischer,
et al., “Messung von Flüssigkeitseigenschaften mit einem flexibel konfigurierbaren akustischen WellenleiterSensor,”presented at the Fachtagung ‚Sensoren und Messsysteme 2006‘, Freiburg, May 13-14, 2006.
[10]
Schmitt, M., Lindner, G., Krempel, S., et al., “Propulsion of droplets on non-piezoelectric substrates via mode
conversion of Lamb waves,” in Proc. IEEE Int. Ultrasonics
Symposium, pp. 1640–1643, 2009.
[11]
Faustmann, H., Münch, M., Lindner, G., et al., “Measurement of the properties of liquids based on the dispersion of Lamb waves in an acoustic waveguide,” in Physics
Procedia 3(1), pp. 959–964, 2010.
[12]
Schmitt, M., Krempel, S., Lindner, G., et al., “Scaling
up Microfluidic Acoustic Streaming Effects to Macrofluidic
Applications,” in Proc. Actuator10, pp. 786–789, 2010.
[3]
Lindner, G., Faustmann, H., Fischer, T., et al., “Acoustic
Surface Wave Induced Propagation of Liquids in Open Channels,” in Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium, pp. 2331–2334,
2007.
[13]
Schmitt, M., Stich, S., Fromm, S., et al., “Detection
and Removal of Droplets on Nonpiezoelectric Substrates via
Mode Conversion of Lamb Waves,” in Proc. IEEE Sensors, pp.
304–308, 2010.
[4]
Lindner, G., Faustmann, H., Koch, T., et al., “Digital
Precision Measurement of Force, Pressure and other Mechanical Quantities with an Acoustic Waveguide Sensor,” in
Proc. Sensor Conf., pp. 91–96, 2007.
[14]
Schmitt, M., Schmidt, K., Tietze, S., et al., “Detection of
droplets on non-piezoelectric substrates via mode conversion of Lamb waves,”presented at the Fachtagung ‚Sensoren
und Messsysteme 2010‘, Nürnberg, May 18-19, 2010.
18
[15]
Lindner, G., Brückner, C., and Schmitt, M., “Online
bearing lubricant sensing by mode conversion of surface
acoustic waves,” in Proc. Sensor+Test Conf., pp. 55–60, 2011.
[16]
Meisenbach, L., Diller, W., Zeng, X., et al., “Berührungssensitive Fliesen auf Basis von akustischen Oberflächenwellen für den Sanitärbereich,”presented at the 4.
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[17]
Friedrich, D., Goetz, K., and Lindner, G., “A PVDFdriven cantilever resonator for density and viscosity determination of fluids,” in Proc. 14th Int. Meeting on Chemical
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[18]
Liang, W., Streller, M., and Lindner, G., “Influence
of substrate on the aoustic propulsion of droplets,” in Proc.
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[19]
Liang, W., Tietze, S., Schmitt, M., et al., “Droplet propulsion on non-piezoelectric substrates induced by Lamb
waves,” in AIP Conf. Proc. 1474, pp. 391–394, 2012.
[20]
Schmitt, M., Tietze, S., Liang, W., et al., “Measurement of the emission of Lamb waves by a PVDF membrane
hydrophone,” in AIP Conf. Proc. 1433, pp. 133–136, 2012.
[21]
Reißenweber, M., Krempel, S., Lindner, G., et al.,
“High-speed camera observation of multi-component droplet coagulation in an ultrasonic standing wave field,” in Proc.
SPIE 8923, 89234K, 2013.
[22]
Tietze, S., Schlemmer, J., and Lindner, G., “Influence
of surface acoustic waves induced acoustic streaming on
the kinetics of electrochemical reactions,” in Proc. SPIE 8923,
89231B, 2013.
[23]
Yu, C., Krämer, S., Wieland, D., et al., “Touch Sensitivity of Objects Based on Surface Acoustic Waves,” in Proc.
AMA Conf., pp. 766–771, 2013.
Books
[1]
Niebuhr, J. and Lindner, G., Physikalische Messtechnik mit Sensoren. 6th ed., München: Oldenbourg Industrieverlag, 2011.
[2]
Schmitt, M., Detektion von Schichtbelegungen
innerhalb von flüssigkeitsgefüllten Rohren und Behältnissen durch Modenkonversion von Lambwellen. Dissertation.
Uelvesbüll: Der Andere Verlag, 2012.
[3]
Liang, W., Investigations on the propulsion of droplets induced by surface acoustic waves. Dissertation. 1st ed.,
Herzogenrath: Shaker, 2014.
Patents
[1]
Title: AKUWEL
Publication number: WO 2008/034878 A2
Date of publication: 27.03.2008
[2]
Title: DILAWA
Publication number: WO/2010/034713
[3]
Title: DROPDET
Publication number: WO2010/115480
[4]
Title: TUBEDEP
[5]
Title: BIOFIMO
[6]
Title: POTOCO
[7]
Title: ACOUMON
Publication number: EP2343548 A2
[8]
Title: CILIAK
Publication number: WO2011/110690 A1
[9]
Title: AKUREAKIN
Publication number: WO2012/035172 A2
[10]
Title: AKUSENTO
Publication number: EP2432126 A2
Aktuelle Liste unter www.isat-coburg.de, Stand April2014
Current publications at www.isat-coburg.de, Status April 2014
19
International Workshop „Novel Developments and
Applications in Sensor and Actuator Technology“
Der internationale Workshop „Novel Developments and
Applications in Sensor and Actuator Technology“ des Instituts
für Sensor- und Aktortechnik ermöglich jährlich einen professionellen Austausch internationaler Wissenschaftler und
Industrievertreter über neuste Entwicklungen und Zukunftsperspektiven in der Sensorik und Aktorik.
Dabei werden detaillierte Übersichtsvorträge, in Verbindung
mit eingehenden Praxisberichten und wissenschaftlichen
Kurzbeiträgen im Hofbräuhaus Coburg präsentiert. Darüber
hinaus bietet sich den Teilnehmern in den Pausen die Gelegenheit, interessante Posterbeiträge und anschauliche Funktionsmodelle zu begutachten und ausführlich zu diskutieren.
Seit 2012 steht der dritte Workshop-Tag im Zeichen der Summer School des internationalen Masterstudiengangs AIMS
(Analytical Instruments, Measurement and Sensor Technology). Die speziell auf Studenten ausgerichteten Vorträge zu
Anwendungen von Sensoren in der industriellen Praxis finden
in den neuen Räumlichkeiten der Hochschule Coburg am
Campus Friedrich-Streib-Straße statt. Ausgewählte Referenten behandeln Themen wie Biosensoren oder chemischen
Sensoren.
Zudem haben die Studenten die Möglichkeit mit Vertretern
namhafter Unternehmen Kontakte für spätere Praktikas oder
Masterarbeiten zu knüpfen.
Zu den Teilnehmern aus Industrie und Wissenschaft zählen
regelmäßig Repräsentanten des AMA Fachverbands für
Sensorik e.V., sowie Gäste der Partnerhochschule USST in
Shanghai.
Auch dank der anhaltend Unterstützung der Wirtschaftsförderungsgesellschaft der Stadt Coburg und Zuwendungen aus
verschiedenen Förderprogrammen konnte sich Coburg immer
wieder erfolgreich als attraktiver Tagungsort präsentieren.
The Institute of Sensor and Actuator Technology annually presents the International Workshop on „Novel Developments and
Applications in Sensor and Actuator Technology“ in Coburg.
International experts, leading scientists and industrial entrepreneurs meet to discuss and experience research results in this
rapidly growing area.
Profound review lectures combined with detailed practical
reports, scientific short contributions and colorful demonstrations are presented at the Hofbrauhaus Coburg. The participants thereby also have the chance to study and discuss several
posters and functional models.
Since 2012 the third workshop day is focussing on the Summer
School of the international master‘s program AIMS (Analytical
Instruments, Measurement and Sensor Technology) with review lectures on sensors in industrial applications. Particularly
addressing students, the speakers give an introduction outline
in topics like biosensors, chemical sensors and other fields
of sensor technology at the campus of Coburg University of
Applied Sciences and Arts. The students can learn more about
companies in the subsequent presentations.
Among the workshop participants are also representatives of
the AMA Association for Sensor Technology as well as a Chinese
delegation of the partner university in Shanghai - the University of Shanghai for Science and Technology (USST). Thanks
to the promotion of the Wirtschaftsförderungsgesellschaft
Coburg and several funding programs, Coburg is presented as
an attractive location for international scientific meetings.
www.isat-coburg.de/International_Workshop
[email protected]
20
Anfahrtsbeschreibung
Directions
P
Parkmöglichkeiten vor dem Gebäude
Parking in front of the building
1
2
Aus Richtung Bamberg
Approaching from Bamberg
• B4 Ausfahrt Richtung
Centrum / Co-Wüstenahorn
• Scharf links auf der
Frankenbrücke
• Rechts in die Hutstraße einbiegen
• Rechts zum Hofbräuhaus abbiegen
• Links abbiegen zum
Heckenweg
• Rechts abbiegen zum ISAT
• B4 until exit toward Centrum /
Co-Wüstenahorn
• Sharp left onto Frankenbrücke
• Turn right onto Hutstraße
• Turn right onto
Am Hofbräuhaus
• Turn left to Heckenweg
• Turn right to ISAT
Aus Richtung Erfurt
Approaching from Erfurt
• A73 bis Ausfahrt 7-Coburg in B4 Richtung Bad Rodach /
Weitramsdorf / Lautertal
• Ausfahrt Richtung CO-Ost /
CO-Wüstenahorn
• Rechts in die Hutstraße einbiegen
• Rechts in Am Hofbräuhaus abbiegen
• Links abbiegen zum
Heckenweg
• Rechts abbiegen zum ISAT
• Take A73 until exit 7-Coburg to merge onto B4 toward Bad Rodach / Weitramsdorf / Lautertal
• Take the exit toward CO-Ost /
CO-Wüstenahorn
• Turn right onto Hutstraße
• Turn right onto
Am Hofbräuhaus
• Turn left to Heckenweg
• Turn right to ISAT
Am Hofbräuhaus 1b
96450 Coburg
Germany
Phone +49 (0) 9561 / 317 - 437
Fax +49 (0) 9561 / 317 - 774
[email protected]
www.isat-coburg.de
Impressum
Imprint
2. Auflage 2014
Herausgeber: Hochschule Coburg, ISAT - Institut für Sensorund Aktortechnik
Grafiken und Fotos: Marketingabteilung - Institut für Sensorund Aktortechnik
21
Am Hofbräuhaus 1b
96450 Coburg
Germany
+49 (0) 9561 / 317 - 437
+49 (0) 9561 / 317 - 774
[email protected]
www.isat-coburg.de

Institut für Sensor und Aktortechnik Institute of - isat

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