Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines multiparametrischen, ortsauflösenden, elastischen Drucksensors

Mit gedruckten und flexiblen elektronischen Komponenten können neuartige Funktionsmaterialien mit integrierten Sensoren, Aktuatoren und aktiv leuchtenden Komponenten hergestellt werden. Die für diese Anwendungen notwendigen leitfähigen Strukturen basieren zumeist auf Dispersionen, die mit leitfähigen Komponenten additiviert sind. Häufig werden Silbermikropartikel mit einem Additivierungsgrad von bis zu 90 wt-% genutzt, woraus für flexible elektronische Komponenten einige Problemstellungen resultieren:

• hohe Materialkosten

• Verlust der Leitfähigkeit bei Knick-/Dehnbelastung

• Verkapselung notwendig

An diesem Punkt soll das Vorhaben anknüpfen. Das Ziel ist die Entwicklung eines multiparametrischen, ortsauflösenden, flexiblen, dehn- und knickbaren Drucksensors und dessen Integration in dehnbare Polymerverbunde. Möglich soll dies durch die Additivierung von kommerziell erhältlichen Polyurethan-Dispersionen mit Carbon Nanotubes (CNT) oder Graphen werden. Die Dispersionen können mittels Digitaldruck zu einer Sensormatrix in Form dünner Linien auf einer elastischen PU-Trägerfolie verarbeitet werden. Durch die leitfähigen Kohlenstoffadditive mit hohem Aspektverhältnis (CNT, Graphen) können bereits bei geringen Beladungen (< 5 Gew.-%) hohe elektrische Leitfähigkeiten (> 100 S/m) realisiert werden.

Folgende Zielparameter des Drucksensors werden definiert:

1. Dicke Sensorverbund 100 – 300 µm

2. Laterale Auflösung ≤ 5 mm

3. Messbarer Druckbereich 0,01 – 1 N/mm²

Die Anbindung der flexiblen Sensormatrices erfolgt über kommerziell erhältliche elektronische Komponenten. Außerdem wird eine Auswertesoftware für Messsignale entwickelt, die interessierten KMU zur Verfügung gestellt werden kann.

Beispielanwendungen für flexible Sensoren stellen Drucksensoren als Schuheinlagen zur Analyse von Bewegungsprofilen und Passformen im medizinischen Umfeld sowie in der Sportanalytik dar. Durch die niedrigen Materialkosten können Sensormatrices zu geringen Mehrkosten aufskaliert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines multiparametrischen, ortsauflösenden, flexiblen, dehn- und knickbaren Drucksensors und dessen Integration in dehnbare Verbunde. Es wurde die Entwicklung eines flexiblen Widerstandssensors angestrebt. Als Substrate für die Sensormatrices wurden gering leitfähige Folien genutzt, die mit 0,8 Masse-% CNT gefüllt waren. Auf der Ober- und Unterseite der Folien wurden senkrecht zueinander verlaufende Leiterbahnen aufgedruckt, die ein Raster ohne direkte Berührungspunkte der Leiterbahnen erzeugten. Bei Druckausübung auf die Sensormatrix wird der Abstand zwischen den Leiterbahnen verringert und die Widerstandsänderung kann gemessen werden. Für den Digitaldruck wurden wässrige Polyurethan-Dispersionen (PUD) mit bis zu 7 Masse % Carbon-Nanotubes (CNT) beladen.

Auf Basis von Simulationsarbeiten mit COMSOL konnte die nötige Auslegung des Sensorsystems im Detail bestimmt und in den praktischen Arbeiten umgesetzt werden. Es wurden ca. 10 x 10 cm² große Sensorfelder mit einer Dicke von ca. 400 µm mit 256 einzeln auslesbaren Messpunkten entwickelt. Die Sensormatrices zeichneten sich durch hohe Flexibilität und Dehnbarkeit aus. Darüber hinaus ließen sich die Matrices durch Kaschierung problemlos in Textilien integrieren. In mechanischen Belastungstests wie Dauerbiegefestigkeit und Dauerknickverhalten konnte die mechanische Stabilität der Beschichtung sowie die prinzipielle Funktionstüchtigkeit des Sensorsystems unter Belastung nachgewiesen werden.

Das elektrische Eigenschaftsprofil der Sensormatrices wurde im Detail untersucht: Druckveränderungen konnten bis 0,63 N/mm² gemessen werden. Durch elektrische Kontaktierung der Sensorverbunde mit flexiblen Leiterplatten, Entwicklung einer Auswerteelektronik sowie -software konnten funktionsfähige Textilverbunde hergestellt werden. Die Basis zur Weiterentwicklung der textilen Sensorverbunde für bspw. Schuh-Obermaterialien in der Sportanalytik oder Orthopädieschuhtechnik ist gegeben.