MESS- UND SENSORTECHNIK. MINAS Gruppe. SmartTex-Symposium , Dr. Christian Müller 1/16

Transkript

1 MESS- UND SENSORTECHNIK SmartTex-Symposium , Dr. Christian Müller 1/16

2 Inhalt VORSTELLUNG AG MOTIVATION ENTWICKLUNGSTUFEN ZUM DEHNUNGS-/DRUCKSENSOR BEISPIELE UND VORSTELLUNG VON DEMONSTRATOREN AUSBLICK 2/16

3 Vorstellung AG Forschungsgruppen: - Impedanzspektroskopie - Energy Harvesting - Micro- and Nanosensoren (MINAS) Gesamtteam: 3 Arbeitsgruppen ca. 30 Personen Forschungsprojekte: - Grundlagenforschung - Angewandte Forschung - Industriekooperationen 3/16

4 Motivation Sensoren aus(nano)kompositen? Medizintechnik/Life Science Herausragende Eigenschaften z.b. hohe Empfindlichkeit Bottom-up Herstellung Multifunktionalität der Sensoren Miniaturisierung und Flexibilität Kosten Senkung des Energieverbrauchs Anwendung Automobilindustrie 4/16

5 Entwicklungsstufen zum Dehnungs-/Drucksensor Nanomaterial Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) Optional mit Funktionalisierung Dispersion Polymer (z.b. Epoxidharz, PDMS, PEDOT:PSS) Tenside Dispersion über Flüssigphase Filmherstellung Charakterisierung Spin-Coating Drucktechniken (z.b. Siebdruck, Inkjet-Druck) Flexible Substrate (z.b. PE, PET, Kapton, textile Gewebe) Mikrostruktur Oberflächeneigenschaften Elektrische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften 5/16

6 Charakterisierung von CNT und CNT/Polymer-Kompositen Röntgenbeugung Raman-Spektroskopie Impedanz-Spektroskopie AFM SEM TEM 6/16

7 Untersuchungen mit Impedanz-Spektroskopie Was lässt sich mit IS bestimmen: Einfluss der Komponenten auf elektr. Eigenschaften Arbeitspunkt Bestimmung der Perkolationsgrenze Leitungsmechanismus Z V = I ( t) ( t) ( jωt) ν exp = 0 = Z0exp 0 i exp( jωt ϕ) j 0 ( jϕ) = Z ( cosϕ+ sinϕ) R-C Netzwerk 7/16

8 Impedanz-Spektroskopie an CNT/PEDOT:PSS Einfluss des CNT-Anteils im Komposit Perkolationsverhalten elekr. Leitfähigkeit CNTs Anteil wt. % CNTs 30 min Polymer Äquivalentschaltbild des Films f c -kritische Frequenz Widerstandsbestimmter Bereich Kapazitätsbestimmter Bereich EleKtrode(+) R CNTs R tunnel C gap Elektrode (-) 8/16

9 Beispiel 1: CNT/PDMS-Drucksensoren Optimierung der CNT-Dispersion erforderlich + Bekannte Inhaltsstoffe/Ladungsträger elektr. Transport vorhersagbar + Einfache Modifikation für die Optimierung der Sensoreigenschaften z.b. Variation des Polymers(Relaxationszeit- Hysterese) + Flexible Substrate (hier PET) Herstellungsschema der CNT-Polymer-Dispersionen 9/16

10 Beispiel 1: CNT/PDMS-Drucksensoren Sensorprinzip piezoresistiver Effekt R = f(f compressive ) Vorteile + einfache Herstellung + gute Handhabbarkeit + Materialkosten Sensor mit 1 cm² ca. 0.1! + Druckbarkeit nachgewiesen + Hohe Empfindlichkeit (k > 5) Sensorprinzip: a) Ausgangszustand, keine/wenige Leitpfade, hochohmig b) mech. Belastung, mehrere Leitpfade niederohmig c) Entlastung, keine/wenige Leitpfade, hochohmig 10/16

11 Beispiel 1: CNT/PDMS-Drucksensoren CNT Druck-Sensorarrays auf Folien Integration im Schuh Herstellung und Validierung von CNT-Drucksensoren gedruckte Sensoren Messung des Fußdrucks und der Fußdruckverteilung Messkurven von den Druckpunkten 11/16

12 Beispiel 2: CNT/Epoxidharz-Drucksensoren Gedruckte CNT/Epoxidharz-Sensoren Zwei für Druckmessung CNT-Polymer- Schicht Zwei für Kompensation von Einflusseffekten (T, θ) Vier Interdigital-Elektroden Sensoraufbau Abstandshalter Interdigital- Elektroden Substrat Elektrodenbreite: 150 µm Elektrodenabstand: 100 µm R- R R Abstandhalter Schablone Kraft U 0 U d + - Schichtdicke: µm R R- R Drucksensorprototyp Halbbrücke 12/16

13 Beispiel 2: CNT/Epoxidharz-Drucksensoren Zyklische Kraftmessung Halbbrücke 10 N Vorkraft, U 2R R= d U Schrittweise Erhöhung um 50 N 2000 N Maximalkraft Resultate: Set Zyklus notwendig gute Wiederholbarkeit 0 Hysterese ΔR /Ω ΔR /% 0,0-0,2-0,4-0,6-0, Kraft / N wt%; R Nenn =3391Ω Belastung Entlastung Kraft /N Set Zyklus 1. Belastung 2. Belastung 3. Belastung Reproduzierbarkeit -1,0-1,2 13/16

14 Beispiel 3: CNT Dehnungsmessstreifen (DMS) R = f(f strain ) Widerstand-/Dehnungsverhalten Vorteile gegenüber Metall-DMS + Hohe Empfindlichkeit + Großer Messbereich + Messbereich anpassbar + Vielfältige Anwendungen R R = k ε PS dogbone MWCNT DMS Ag-Kontakt Experimental results 14/16

15 Ausblick: Anwendbarkeit auf textile Gewebe CNT/PDMS DMS auf elastischem Textilband CNT/PDMS auf Textilgewebe als Drucksensor Herausforderungen, Anpassungsbedarf: Oberflächenstruktur der Textilien (Rauhigkeit, Haftung) Temperaturbehandlung des Textils bei Sensorsherstellung notwendig Elektrodenstruktur (im Falle der Drucksensoren wichtig) und Elektrodenintegration 15/16

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: 16/16