Verbundprojekt: WIR! - GRAVOmer SmartGlass-UKP - Opto-elektronische Sensorstrukturen durch geformte ultra-kurze Laserpulse für die dynamische Funktionalisierung zu intelligenten Glasoberflächen; Teilprojekt C: Entwicklung von Steuer- und Sensorelektronik sowie zugehöriger Auswertealgorithmen für smartes Mehrscheibenisolierglas

Abstract

Ziel des Teilvorhabens des ICM e.V. war die Entwicklung einer an das Isolierglas angepassten Sensor- und Elektronikarchitektur mit multipler Sensoreinbindung über kontaktierte Leiterbahngeometrien auf dem Glas. Dabei standen die Schnittstellen zwischen Sensorik und Steuereinheit, die Datenübertragung, das Lademanagement sowie die Entwicklung geeigneter Messprinzipien und Auswertealgorithmen im Mittelpunkt. Die Sensoren sollten an unterschiedlichen Positionen im Isolierglasverbund eingesetzt werden und Parameter wie Temperatur, Luftfeuchte, Druck sowie die Anwesenheit spezieller Gase erfassen. Die wesentliche technische Herausforderung bestand darin, diese Funktionalität in den Scheibenzwischenraum zu integrieren und dabei eine robuste, praxistaugliche Umsetzung für einen Funktionsdemonstrator zu erreichen. Der Stand der Technik umfasst bereits leitfähige Beschichtungen auf Glas, insbesondere Low-E- und Silberbeschichtungen, die sich durch Laserstrukturierung partiell freilegen und damit als Leiterbahnträger nutzen lassen. Auch energieautarke Funkmodule für Gebäudeanwendungen sind verfügbar. Im Projekt wurde die 868-MHz-EnOcean-Technologie als energieeffiziente Funklösung berücksichtigt, da sie auf sehr kurzen Telegrammen und Energy Harvesting basiert. Diese Ansätze bilden die technologische Grundlage, reichen jedoch allein noch nicht aus, um ein verteiltes Sensorsystem direkt im Isolierglas zuverlässig umzusetzen. Im Projekt wurden zunächst Anforderungen gesammelt und in einem Lastenheft zusammengeführt. Darauf aufbauend erfolgte die Auswahl geeigneter Sensorprinzipien für Druck, Temperatur und Feuchte. Hierzu wurden marktverfügbare Komponenten untersucht und unter Laborbedingungen getestet. Für die Feuchtemessung wurden MEMS-basierte Sensoren betrachtet, für die Temperaturmessung Sensoren mit integrierten Widerstandselementen und für die Druckmessung piezoresistive Prinzipien. Für die Gasbewertung zeigte sich, dass eine direkte Messung von Argon oder Krypton mit verfügbarer Sensorik nicht praktikabel ist; jedoch konnten über CO2-Messungen mittels NDIR-Technologie indirekte Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung gewonnen werden. Ein wesentlicher Arbeitsschritt war die Entwicklung und Erprobung von Leiterbahnlayouts auf der Glasoberfläche. In enger Zusammenarbeit mit HEGLA gelang es, praxistaugliche Layouts umzusetzen. Dabei wurden mehrere Varianten per Laserstrukturierung erzeugt und elektrisch analysiert. Es zeigte sich, dass die Leiterbahnen je nach Geometrie und Länge durch resistive und kapazitive Effekte beeinflusst werden und dass Übersprechen zwischen benachbarten Leitungen auftreten kann. Durch eine Optimierung des Layouts, insbesondere der leitfähigen Flächen, konnte die Signalqualität deutlich verbessert werden. Die Kommunikation eines Temperatursensors über 30 cm wurde erfolgreich mit dem 1-Wire-Protokoll getestet. Die Kontaktierung der Sensoren erfolgte per Ultraschalllötverfahren. Parallel dazu wurde eine dünne flexible Trägerplatine entwickelt, die die Bestückung von SMD-Sensoren vereinfacht und über vergoldete Kontaktflächen auf das Glas aufgebracht werden kann. Diese Lösung erhöht die Montagefähigkeit und verbessert die Skalierbarkeit. Zudem wurde eine energiesparende Systemarchitektur mit Standby-Schaltung umgesetzt, die eine mittlere Stromaufnahme im Mikroamperebereich ermöglicht. Ergänzend wurden Konzepte für eine Versorgung über Solarzellen sowie Alternativen mit Speicherzellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die grundlegende Integration multipler Sensoren in Isolierglas technisch realisierbar ist. Besonders hervorzuheben sind das belastbare Lastenheft, die erfolgreich getesteten Leiterbahn- und Kontaktierungskonzepte, die validierte Sensordatenerfassung sowie die energieeffiziente Auslegung der Steuereinheit. Damit wurde eine wesentliche Grundlage für intelligente Verglasungssysteme mit Zustandsüberwachung und drahtloser Kommunikation geschaffen.