Sagenhaft sensibel - wissenschaft.de
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Sagenhaft sensibel

Dutzende winziger elektronischer Messfühler stecken inzwischen in jedem neuen Auto – und es kommen immer mehr hinzu. Die Sensoren machen das Fahren sicher und komfortabel.

Was heute gemessen wird

Nicht jeder Unfall geschieht aus heiterem Himmel. Manchmal kommt das Unglück schleichend daher, unmerklich, bis der Wagen ausbricht und es kracht. Die Ursache sind undichte Reifen. Anfangs kosten Räder, die nach und nach Luft verlieren, nur Treibstoff, wenn der Druckverlust aber zu groß ist, manchmal sogar das Leben. So ereignen sich auf den Straßen der USA nach Berechnungen der amerikanischen Verkehrsbehörde jährlich rund 23 000 Unfälle aufgrund geplatzter oder platter Reifen. Etwa 500 Menschen sterben dabei. Die US-Regierung macht deshalb noch in diesem Jahr die Reifendrucküberwachung zur Pflicht. Fortan wird in jedem Neufahrzeug beim Anlassen neben dem Ölkännchen ein roter Plattfuß mit Ausrufezeichen aufleuchten.

Noch wirkt das neue Symbol exotisch. Aber auch in Europa wird es bald Alltag sein. Marktforscher sind überzeugt: Bei keinem anderen Sensortyp werden die Verkaufszahlen in den kommenden Jahren so schnell in die Höhe schießen wie beim Reifen-Wächter. Der Reifendrucksensor macht deutlich, wie weit die Entwicklung der künstlichen Sinnesorgane im Auto vorangeschritten ist. Bis zu 120 verschiedene Hightech-Fühler stecken in modernen Oberklassefahrzeugen. Selbst die neuen Mittelklassewagen verfügen über bis zu 50 der kleinen Messfühler – und ständig kommen neue hinzu. Mit ihrer Hilfe können Autos sehen, fühlen und künftig sogar hören und riechen. Ganz gleich, um welche Funktion es geht, allen Sensoren gemein ist, dass sie von Generation zu Generation immer kleiner werden.

Der Chip-Hersteller Freescale Semiconductor – einst Motorola Halbleiter – hat vor Kurzem einen rekordverdächtig kleinen Reifendrucksensor von der Größe eines Pinienkerns auf den Markt gebracht. Darin sitzen neben dem eigentlichen Drucksensor ein Chip zur Verarbeitung der Messinformation und ein kleines Funkmodul. Das sendet kontinuierlich die aktuellen Druckwerte aus dem rotierenden Rad an einen Empfänger an der Karosserie, der das Signal an ein Steuergerät im Auto weiterleitet. Die Kunst besteht darin, alle Bauteile so klein zu machen, dass sie in dem winzigen, robusten Gehäuse Platz finden. Damit lässt sich der Sensor direkt in den Reifengummi einarbeiten. Kaum größer ist ein Reifendrucksensor, der von dem Münchner Halbleiterhersteller Infineon Technologies gefertigt wird. Der Messfühler enthält in einem einzigen winzigen Gehäuse einen Druck- und Beschleunigungssensor, einen Temperatursensor sowie eine Elektronikeinheit, die die Batteriespannung überwacht.

Die Voraussetzung für das Schrumpfen der Sensoren sind die enormen Fortschritte in der Mikroelektronik. Die Sensoren werden wie Computerchips aus Siliziumscheiben – den Wafern – hergestellt. Zunächst werden den bis zu Pizza großen Wafern feine Strukturen aufgeprägt, indem man das Silizium gezielt wegätzt oder bestimmte Substanzen auf seine Oberfläche aufdampft. So wachsen auf einem Wafer nebeneinander Hunderte kleiner Sensorchip-Klone, die man anschließend mit Präzisionssägen voneinander trennt. Das Faszinierende: Ihre fast unsichtbaren Oberflächenstrukturen sind beweglich und können als schwingende Massen Kräfte präzise wahrnehmen. Experten sprechen von MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) – mikromechanischen Systemen. Anfang der Neunzigerjahre kamen die ersten MEMS-Sensoren auf den Markt. Inzwischen machen sie bereits ein Drittel aller Sensoren in Automobilen aus.

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Fahrzeugsensoren lassen sich je nach Anwendung grob in drei Kategorien aufteilen: Messfühler für Sicherheit, Antrieb oder Komfort. Den größten Anteil stellen inzwischen die Sicherheitssensoren. Zu den Klassikern zählen Beschleunigungssensoren zum Auslösen der Airbags. Anders als diese seit Langem etablierten Sensor-Senioren erfüllen die neuen Elektrofühler nicht mehr nur eine einzige Funktion, sondern man nutzt ihre Information für ganz unterschiedliche Zwecke. Das Auto erhält dadurch ein umfassenderes Bild der aktuellen Fahrsituation. So hat der Frankfurter Elektronik-Entwickler Continental-Teves einen „aktiven“ Drehzahlsensor entwickelt, der verschiedene Fahrzeugsysteme bedient. Dieser Sensor besteht aus zwei wesentlichen Komponenten: einer „Encoder-Scheibe“, die sich mit der Radachse dreht, und dem mit einem Mikroprozessor ausgestatteten eigentlichen Sensorelement am Radlager. Auf der Encoder-Scheibe wechseln sich magnetisierte und nichtmagnetisierte Bereiche wie Barcode-Striche auf der Nudelpackung ab.

Bislang waren Drehzahlsensoren relativ dumm. Sie konnten lediglich messen, ob sich das Rad dreht oder nicht. Anders das neue Messsystem: Dank des rotierenden Magnetcodes auf der Encoder-Scheibe erkennt der Sensor auch die Drehrichtung. Das ist für die neue „Hill-Hold-Funktion“ wichtig, mit der Autos seit diesem Jahr ausgestattet werden – beispielsweise im Fiat Punto. Sie verhindert das Zurückrollen an einem Berg. Registriert der Sensor eine Rückwärtsbewegung, wird das Rad automatisch gebremst – der Fahrer kann ganz entspannt anfahren.

Doch in dem Drehzahlsensor steckt noch mehr: Der Magnetfühler arbeitet mit dem so genannten Anisotropen Magnetoresistiven (AMR) Effekt. Dazu ist das Sensorelement mit einer hauchdünnen Nickel-Eisen-Legierung beschichtet, deren Widerstand sich in Gegenwart eines Magnetfelds ändert. Die AMR-Messung ist so genau, dass sie selbst die Dicke des Luftspalts zwischen Encoder und Sensor bestimmen kann – eine Distanz von nur etwa zwei bis drei Millimetern. Essenziell sind Drehzahlsensoren auch für das „ Elektronische Stabilitäts-Programm“ ESP, das sich seit Mitte der Neunzigerjahre etabliert hat. ESP verhindert das Schleudern eines Fahrzeugs à la Elchtest, indem es einzelne Räder gezielt bremst. „ Die Zukunft gehört zweifellos derartigen aktiven Sensoren, die die Messwerte nicht nur wie früher passiv empfangen, sondern mit ihrem eingebauten Mikrochip aktiv vorverarbeiten, um sie verschiedenen Systemen des Autos zur Verfügung zu stellen“, sagt Kolbe.

Viele der neuen Fahrzeugsensoren führen ein unauffälliges Dasein. Sie versorgen ESP- oder ABS-Systeme mit den nötigen Informationen, und die Steuersysteme regeln den Rest, ohne dass der Fahrer etwas bemerkt. Dank Mikrosystemtechnik und Massenfertigung sind diese Sensoren schlauer, kleiner und billiger geworden. Inzwischen bieten die Sensorhersteller sogar kleine Boxen an, in denen gleich mehrere Sensoren auf kleinstem Raum verpackt sind – Beschleunigungssensoren für den Airbag oder so genannte Gierratensensoren für das ESP-System etwa. Anders als Beschleunigungssensoren im Airbag nehmen die Gierratensensoren keine Beschleunigung in einer Richtung wahr, sondern eine Drehung um die Hochachse des Autos, jene Achse, die senkrecht aus dem Autodach ragt.

Raumsparen tut Not in Fahrzeugen, die mit immer mehr Sonderfunktionen wie Klimaanlage oder GPS-Empfänger ausgestattet werden. War der erste ESP-Sensor 1995 – eine Erfindung der Firma Robert Bosch in Stuttgart – noch etwa so groß wie eine Zigarettenschachtel, so sind seine Nachfolgemodelle bis heute auf die Größe eines Fingernagels geschrumpft.

Mehr als diese, inzwischen in vielen Fahrzeugmodellen zur Standardausstattung gehörenden Messfühler machen zurzeit die neuesten Kamera- und Radarsysteme von sich Reden. Immerhin war der Einsatz solcher Technologien im Auto lange Zeit undenkbar, denn derartige Geräte waren viel zu teuer und exklusiv. Die neue S-Klasse des Stuttgarter Autobauers DaimlerChrysler zeigt, dass dank Mikrotechnik und sinkender Preise mittlerweile manches machbar ist. Etabliert ist der 77-Gigahertz-Radarsensor, der bereits seit 1999 einen Bereich etwa zwischen 30 und 150 Metern vor dem Auto überwacht. Er ist das Herzstück der Adaptive Cruise Control – der automatischen Geschwindigkeitsanpassung an den Vordermann. Nähert sich ein Fahrzeug mit eingeschaltetem ACC von hinten einem anderen Wagen, bremst der Automat selbstständig so, dass der Sicherheitsabstand eingehalten wird.

Die neue S-Klasse-Serie besitzt jetzt auch Radar-Augen, die mit einer Frequenz von 24 Gigahertz senden und den Nahbereich zwischen Kühlerhaube und 30 Meter Entfernung abdecken. Damit kann der Premium-Mercedes erstmals auch im Stop-and-Go-Verkehr mit kürzeren Abständen zwischen den Fahrzeugen automatisch geregelt werden. Von 2007 an wird zudem eine weiter aufgerüstete ACC-Regelung das Auto beschleunigen können, sodass es im Berufsverkehr fast von allein Gas gibt und bremst. Zusätzlich wird das neue Modell eine automatische Notbremsfunktion besitzen, die Auffahrunfälle verhindern soll.

Das auffälligste Novum aus dem Hause DaimlerChrysler ist vermutlich das neue Infrarot-System von Bosch. Es besteht aus für das menschliche Auge unsichtbar funkelnden Infrarot-Scheinwerfern und einer Kamera, die Bilder mit infrarotem Licht aufnehmen kann. Anders als das Auge, lässt sich die Kamera nicht vom Gegenverkehr blenden. Ihr Bild erscheint neben der Tachometeranzeige. So kann der Fahrer trotz blendender Scheinwerfer von entgegenkommenden Fahrzeugen vorausschauen und auf dem Bildschirm Hindernisse schneller erkennen. Und Bosch-Konkurrent Siemens VDO bietet mit „ Night Vision“ eine Technologie an, um per Infrarot die Sicht bei Dunkelheit zu verbessern.

Infrarot-Technik setzen auch Nissan und Toyota seit geraumer Zeit ein – allerdings nicht für die Nachtsicht, sondern für preisgünstigere ACC-Systeme in der Mittelklasse. Infrarotlicht kann genau wie Radarstrahlen Abstände sehr gut messen, doch muss die Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs zum Vordermann aufwendiger berechnet werden. Trotzdem ist die Technik für die Anwendung in ACC-Systemen immer noch schnell genug.

Seit langer Zeit propagieren Sensor- und Autohersteller den „ elektronischen Kokon“ – einen durch Kameraaugen, Radar und Ultraschall überwachten virtuellen Sicherheitspuffer rund um das Fahrzeug. Tatsächlich ist diese Vision jetzt in greifbarer Nähe: So liefert Continental-Teves für den neuen Volvo-Geländewagen XC90 in Kürze die erste Rückspiegelkamera zur Überwachung des „ Toten Winkels“.

Die modernen Sensoren richten ihre Sinne nicht nur nach außen. Sie kontrollieren auch den Innenraum – den Beifahrersitz zum Beispiel. Airbags explodieren stets mit der gleichen Wucht. Das kann gefährlich werden, wenn zum Beispiel Eltern trotz Warnhinweis einen Kindersitz vorne im Wagen montiert haben. Die Bosch-Forscher haben jetzt mit dem iBolt – dem „intelligenten Bolzen“ – einen Sensor zur Serienreife gebracht, der das Gewicht des Passagiers exakt ermittelt. Mit dem Bolzen wird der Sitz an den Stahlschienen am Fahrzeugboden befestigt. Im Inneren des iBolt befinden sich ein „Biegebalken“ und ein Magnet. Direkt daneben sitzt ein so genannter Hall-Sensor – ein Halbleiter, in dem sich die elektrische Spannung in Abhängigkeit von einem Magnetfeld und dessen Stärke ändert. Nimmt jemand Platz, wird über den Biegebalken der Hall-Sensor vom Magnet weggedrückt. Das Magnetfeld – und damit die Spannung – ändert sich je nach Gewicht des Passagiers unterschiedlich stark. Dadurch lässt sich ermitteln, ob ein Kind oder ein Erwachsener eingestiegen ist – und der Airbag kann mit angemessener Stärke zünden.

Eine der ungewöhnlichsten aktuellen Sensor-Entwicklungen der Stuttgarter Elektronik-Experten hat nichts mit der Sicherheit, sondern vielmehr mit dem Antrieb zu tun: der Ölzustandsensor. Auf der Oberfläche des Messgeräts wird ein in das Motoröl ragendes mikroakustisches Sensorelement durch Schall zum Schwingen angeregt. Am Widerstand, den das Öl dem Sensor entgegenbringt, erkennt der Sensor, wie alt der Schmierstoff ist. „Bislang wird Motoröl meist zu früh gewechselt, um sicher zu gehen, dass ein Motor gut geschmiert ist“, sagt Jiri Marek, Chef der Sensor-Entwickler bei Bosch. „So fällt eine Menge Altöl an, das zum Teil teuer entsorgt werden muss.“ Mit dem Ölzustandsensor lässt sich der optimale Wechselzeitpunkt präzise bestimmen. Darüber hinaus misst das Gerät den Ölfüllstand und die Öltemperatur.

Wie der Sensor ins Auto kam

Der erste Sensor fand seinen Weg 1967 ins Automobil – zu einer Zeit, als Umweltschutz noch kein großes Thema war. Die Stadt Los Angeles ächzte damals unter dem Smog, den Tausende von Autos im täglichen Berufsverkehr in die Luft pusteten. Die Industrie reagierte und brachte einen Sensor auf den Markt, der die Benzineinspritzung der Motorlast anpasste. Diese erste elektronisch geregelte Maschine verbesserte die Motorleistung erheblich – und damit auch die Luftqualität in Los Angeles. Mit dieser neuen Art von Motormanagement begann die erste große Sensorwelle. 1976 führte Bosch gemeinsam mit Volvo mit der Lambdasonde einen Sensorklassiker ein, der die Sauerstoffzufuhr in den Motor regelt – und bis heute in fast allen Fahrzeugen eingesetzt wird. Der Sensor misst den im Abgas enthaltenen Restsauerstoff und passt den Luftzustrom in die Kolben entsprechend an – ein wichtiger erster Schritt zur Kraftstoffeinsparung.

Zwei Jahre später machten die Ingenieure aus Stuttgart mit dem ABS-System erstmals die Sicherheit zum Sensorthema. Zeitungsanzeigen und Werbespots zeigten Fahrzeuge, die souverän auf vereisten Pisten und vor verschneiten Kreuzungen bremsten. Dank der neuen Drehzahlsensoren an allen Rädern blockierte kein Rad mehr. Und dem Kunden gab man den Tipp: „Vollbremsen statt Stotterbremsen.“ Heute rollt kaum mehr ein Fahrzeug ohne ABS vom Band. In etwa jedem dritten Wagen europäischer, amerikanischer und japanischer Autohersteller steckt dabei ein ABS-Sensor von Infineon, dem weltweit zweitgrößten Lieferanten von Halbleiter-Chips für die Automobilelektronik.

In den Achtzigerjahren schwappte die zweite große Sensorwelle von den USA nach Europa. Der Airbag kam auf den Markt und mit ihm Beschleunigungssensoren, die die Stärke eines Aufpralls messen konnten. Mit dem Aufleben der Mikroelektronik erhielt die Sensorproduktion Anfang der Neunzigerjahre den entscheidenden Schub. Von da an ließen sich Sensoren in Massen günstig fertigen – und immer kleiner machen. 1993 wurden die ersten Drucksensoren für die Motorsteuerung in MEMS-Bauweise hergestellt, wenig später erste MEMS für Seiten-Airbags.

1995 landete Bosch mit dem Elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) erneut einen Treffer. Herzstück war ein in konventionell feinmechanischer Art gebauter Gierratensensor, um das Schlingern des Fahrzeugs zu messen. Der Sensor war zunächst exklusiv für edle Limousinen vorgesehen. Die im Elchtest gescheiterte A-Klasse und die dadurch entfachte Sicherheitsdiskussion aber zwang DaimlerChrysler, die neue Technik auch in der Mittelklasse einzuführen. Bosch lieferte dafür ab 1998 einen ersten ESP-Sensor in MEMS-Bauweise. Ihren vorläufigen Höhepunkt hat die Sensortechnik im Auto mit der Einführung von Radar- und Ultraschallsensoren sowie Kamerasystemen erreicht.

Was Sensoren morgen können

Obwohl es eine Fülle verschiedener Sensorprodukte und -technologien gibt, haben die daran arbeitenden Forscher eine gemeinsame Vision: Im Auto der Zukunft wird die Information der Messfühler wie in einem Organismus verschmelzen. „Das Auto macht sich ein Bild von seiner Umwelt“, heißt es. Die Experten nennen das Sensorfusion. „Noch gleicht die Autosensorik allerdings einem Puzzlespiel von Einzelfunktionen“, bringt Karl Naab, bei BMW in München zuständig für die Fahrumgebungssensorik, die derzeitige Situation auf den Punkt. „Bis zum Jahr 2020 aber werden die weißen Flecken – etwa bei der Voraussicht – verschwunden sein“, prophezeit er. Soll heißen: Obwohl ein ACC-Radar inzwischen von der Stoßstange bis etwa 150 Meter voraus schauen kann, ist es im hektischen Stadtverkehr überfordert. Plötzlich kreuzende Fußgänger und einscherende Autos bleiben unerkannt, weil das Radarsystem kaum in der Lage ist, seitliche Bewegungen abzuschätzen. „Die ideale Ergänzung wäre eine CMOS-Kamera, die Geschwindigkeiten und Entfernungen von Objekten, die sich seitlich nähern, exakt vermessen kann“, sagt Stefan Hahn, Leiter des Bereichs Maschinelle Wahrnehmung bei DaimlerChrysler, „sogar schneller und besser als der Fahrer.“ Derzeit experimentiert DaimlerChrysler mit einer schwenkbaren Kamera, deren Optik vorübereilende Personen verfolgt.

In anderen Fällen klappt das Zusammenspiel der elektronischen Fühler schon sehr gut – etwa beim Parkassistenten, den Bosch und Siemens VDO in naher Zukunft in Serie fertigen wollen. Hier arbeiten Ultraschall- und Lenksensoren reibungslos zusammen, um ein Fahrzeug in die Parklücke zu bugsieren. Der Assistent misst im Vorbeifahren die Lücke aus, Lenksensor und Servomotoren sorgen für den richtigen Einschlag. Der Fahrer muss nur noch Gas geben. Auch das Bremsen übernimmt der Wagen.

In den kommenden zwei Jahren wird noch eine ganze Reihe weiterer Sensorfunktionen in den neuen Automodellen auf Fahrt gehen. Continental-Teves führt in nächster Zeit einen Spurhalteassistenten in Japan ein – eine Kamera, die automatisch die Fahrbahnränder im Blick behält. Überfährt der Fahrer den Rand, ohne vorher geblinkt zu haben, gibt das System ein Warnsignal. Unaufmerksame Fahrzeugführer werden so alarmiert. In Klimaanlagen kommt künftig ein Kohlendioxidsensor zum Einsatz. Der Grund: Statt mit Ozon zerstörenden Chlorkohlenwasserstoffen soll die Aircondition spätestens ab 2011 mit Kohlendioxid (CO2) betrieben werden. Dieser Sensor soll verhindern, dass sich bei einem eventuellen Leck CO2 im Autoinnern anreichert und den Fahrer betäubt. Der Sensor von Bosch hat trotz seiner winzigen MEMS-Bauweise ein ganzes optisches Labor im Miniatur-Format an Bord. Darin durchleuchtet eine Infrarot-Lichtquelle die angesaugte Luft. Anhand der Lichtschwächung ermittelt das Gerät die Kohlendioxidkonzentration im Raum. Auch eine automatische Raumlüftung ist denkbar. Der CO2-Sensor würde verbrauchte Luft anhand ihres hohen Kohlendioxidgehalts erkennen und könnte automatisch das Öffnen der Lüftungsklappen veranlassen.

Der Sensor eröffnet somit erstmals die Möglichkeit, eine bedarfsabhängige Belüftung und Umluftregelung – wie sie schon seit Längerem in modernen Gebäuden und in Flugzeugen eingesetzt wird – auch in Fahrzeugen zu nutzen. Der Vorteil: Eine solche Regelung führt durch die weitgehende Verwendung bereits klimatisierter Luft zu einer erheblichen Verringerung des Energieverbrauchs der Fahrzeugklimaanlage – und damit zu einer Einsparung von Kraftstoff.

Als sicher gilt, dass der Markt für mikromechanische Fahrzeugsensoren in den kommenden Jahren enorm wachsen wird. Nach einer Studie der Münchener MEMS/Mikroelektronik-Markt-Analysten Wicht Technologie Consulting dürfte die Zahl der jährlich produzierten MEMS-Sensoren für Autos von 300 Millionen Stück im Jahr 2004 auf mehr als 520 Millionen im Jahr 2009 steigen – der Umsatz wird im gleichen Zeitraum von 1,3 auf fast 2 Milliarden US-Dollar wachsen. ■

Tim Schröder

Ohne Titel

Die Anforderungen der Automobilindustrie an die Sensoren sind gewaltig – ganz gleich, ob es sich um mikromechanische oder herkömmliche feinmechanische Sensoren dreht. Insbesondere Sensoren in Sicherheitssystemen wie dem Airbag müssen absolut zuverlässig sein. Mindestens 15 Jahre lang – oder über eine Strecke von 200 000 Kilometern – sollen die Messfühler ihren Dienst verrichten. Sie müssen so verpackt sein, dass sie Wasser und Wasserdampf sowie aggressiven Substanzen wie Öl, Benzin, Salz oder Ozon trotzen. Auch extrem tiefe und hohe Temperaturen – von minus 40 bis plus 125 Grad Celsius – dürfen den Sensoren nichts anhaben können. Die Autofabrikanten erwarten beispielsweise für Mikroprozessoren im Inneren der Sensoren eine Zuverlässigkeits-Garantie von mindestens eins zu einer Million – das heißt, nur ein Sensor-Prozessor unter einer Million Sensoren darf versagen. Zum Vergleich: Handykomponenten müssen eine Zuverlässigkeit von gerade mal 5000 zu einer Million erreichen. Um zu verhindern, dass ein Unglück geschieht, falls doch einmal ein Sensor kaputt geht, sind viele Sensoren mit einer Selbsttest-Funktion ausgestattet. MEMS beispielsweise überprüfen automatisch in Sekundenschnelle, ob sie funktionstüchtig sind. Airbag-Sensoren führen bei jedem Anlassen des Autos einen solchen Selbsttest durch.

Ohne Titel

Elektronische Messfühler werden in allen Bereichen von Autos genutzt. Dazu gehören das Motor- und Abgasmanagement, das Chassis und die Fahrsicherheit, der Insassenschutz, die Getriebesteuerung, die Klimasteuerung, die Navigation und der Komfort. Im Einzelnen sind das folgende Sensoren:

Motor- und Abgasmanagement

• Temperatursensor

• Drehzahlsensor für die Kurbelwelle

• Ölzustand- und Ölfüllstandsensor

• Heißfilm-Luftmassensensor für die Luftzufuhr in den Motor

• Klopfsensor

• Drucksensor

• Lambda-Sonde für eine optimale Verbrennung des Kraftstoffs

Chassis- und Fahrsicherheit

• Drehzahlsensor am Rad (ABS)

• Drehratensensor für das Fahrdynamik-Management (ESP)

• Lenkwinkelsensor

• Radarsensor

• Ultraschallsensor

• Reifendrucksensor

Insassenschutz

• Beschleunigungssensor (Airbag)

• Drehratensensor für den Insassenschutz, etwa für die Überroll-Überwachung bei Cabrios (Ausfahren des Überrollbügels)

• Drucksensor für den Seitenaufprall

• Gewichtssensor (iBolt) und E-Field-Sensor, um die Sitze zu überwachen und den Airbag angemessen auszulösen

• CMOS-Kamera (Nachtsicht oder Toter Winkel)

Getriebesteuerung

• Drehzahlsensor im Getriebe

Klimasteuerung

• Climate Control Sensor (Kohlendioxid-Sensor)

• Druck-Temperatur-Sensor

Navigation

• Drehratensensor zur Unterstützung des GPS. Der Sensor erkennt anhand der Drehrate (Fahren von Kurven), auf welchem Straßenabschnitt sich das Fahrzeug befindet. Das ist wichtig, wenn das GPS-System kurzfristig keinen Empfang hat.

Komfort

• Regensensor

• Lichtsensor

Die folgenden Beispiele zeigen, wie verschiedene Sensoren arbeiten – und dass dabei ganz unterschiedliche physikalische Größen gemessen werden:

Drehratensensoren

nehmen die Drehung des Autos um eine Raumachse wahr. So spürt der Sensor zur Unterstützung des ESP-Systems, der Gierratensensor, eine Rotation um die Hochachse des Wagens (beim Durchfahren einer Kurve). Seit Geländefahrzeuge (Sport-Utility-Vehicles, SUVs) immer beliebter werden, gewinnen auch Sensoren an Bedeutung, die das Kippen des Fahrzeugs registrieren. Denn SUVs haben einen hohen Schwerpunkt und können in Kurven leichter umfallen. Die Sensoren werden so ausgerichtet, dass sie das Kippen oder Rollen des Wagens um die Längsachse wahrnehmen. In der Entwicklung sind auch Nickratensensoren, die das „Nicken“ des Autos registrieren, wenn es bremst – also eine Drehung um die Querachse. Nickratensensoren liefern Daten an die Fahrwerkregelung, die blitzschnell die Härte der Stoßdämpfer an das Bremsmanöver anpassen kann. So lässt sich das Nicken vermeiden – und der Bremsweg verkürzt sich. In allen Drehratensensoren schwingt eine kleine Masse hin und her. Die Drehbewegung und die daraus resultierende Corioliskraft lenken die Masse aus ihrer Schwingungsebene ab. Das bemerkt der Sensor.

Beschleunigungssensoren

– die man zum Auslösen des Airbags braucht – sind relativ einfach gebaut. In ihnen bewegt sich nur dann eine Masse, wenn der Wagen beschleunigt oder abgebremst wird (Physiker sprechen von „negativer“ Beschleunigung). Wenn die Beschleunigung sehr stark ist, zündet der Airbag. Bei einem Crash werden Werte bis zur 500fachen Erdbeschleunigung erreicht.

Moderne Drehzahlsensoren

nutzen den Hall-Effekt oder so genannte magnetoresistive Effekte. Ein Hall-Sensor besteht aus einem stromdurchflossenen Halbleiter (der Hall-Platte). Sobald ein Magnetfeld auf diese Platte wirkt, entsteht eine messbare elektrische Spannung. Hall-Sensoren messen Drehzahlen, Winkel und Wege berührungslos und verschleißfrei. Das physikalische Prinzip magnetoresistiver Sensoren basiert darauf, dass sich die elektrische Leitfähigkeit in anisotropen magnetischen Schichten – in denen die Magnetisierung willkürlich orientiert ist – in einem äußeren Magnetfeld ändert. Die Änderung hängt von Richtung und Stärke des Feldes ab. Rotiert ein Magnet – etwa eine Encoder-Scheibe am Rad – an dem Sensor vorbei, ändert sich sein Widerstand regelmäßig.

E-Field-Sensoren

sind eine Neuentwicklung des Chipherstellers Freescale und des MIT. Sie dienen wie der iBolt von Bosch der Überwachung der Sitze für das gezielte Aufblasen des Airbags. Fast jedes Objekt besitzt geladene Atome, die sich in einem elektrischen Feld (E-Field) bewegen können. Der Sensor nimmt die Ladungen wahr und kann daraus ein 3D-Bild des Gegenstands generieren. So lässt sich auch die Position des Kopfes über dem Autositz bestimmen. Sitzt jemand zu nahe am Airbag, wird das Aufblasen bei einem Unfall verhindert, um Verletzungen vorzubeugen.

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