Entwicklung eines multiparametrischen, ortsaufgelösten, elastischen Drucksensors

Ausgangssituation

Gedruckte und flexible elektro­nische Kompo­nenten sind ein schnell wachsender Markt, der in verschie­denen Industrien neue Materialien, Komponenten und Möglich­keiten verspricht. Insbe­sondere flexible Sensor­komponenten für die Gestaltung intelli­genter Textilien (smart textiles) spielen eine immer wichti­gere Rolle. Die Heraus­forderung für Sensor­komponenten in der textilen Anwendung resul­tiert aus der nötigen Flexi­bilität und Dehn­barkeit zur Gewähr­leistung eines hohen Trage­komforts bei gleich­zeitiger zuver­lässiger Sensor­funktion. Diese Kombi­nation stellt weiterhin eine große Problem­stellung dar und ist bisher nur unzu­reichend gelöst.

Projektziel

Das Ziel des Forschungs­vorhabens war die Entwicklung eines multi­para­metrischen, ortsauf­lösenden, flexiblen, dehn- und knickbaren Druck­sensors und dessen Integration in dehnbare Polymer­verbunde.

Lösungsweg

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. Möglich wurde dies durch Digital­druck einer leit­fähigen, flexiblen, polymeren Sensor­matrix. Dabei wurden wässrige Polyurethan-Disper­sionen mit bis zu 7 Masse-% Multi-Walled Carbon-Nanotubes (MWCNT) beladen. Zur Stabili­sierung der MWCNTs in den PU-Dispersionen wurden verschiedene Additive unter­sucht, deren Konzen­trationen variiert und die rheolo­gischen Eigen­schaften der resul­tierenden Disper­sionen bestimmt.

Es wurde ein Simulations­modell in COMSOL zur Bestimmung der Potenzial­differenz und -verteilung inner­halb der Sensor­matrix (Widerstands­mess­prinzip) entwickelt. Parameter­variationen zeigten die besten Ergebnisse für eine Substrat­folie (Leitfähigkeit 10⁻⁴ S/m, 100 µm stark) und Leiter­bahnen (400 µm breit, Leit­fähigkeit 100 S/m). Für große Matrices (16 x 16 Mess­punkte und darüber) ist ein 10 mm-Raster mit einer 45°-Rotation der Matrix sowie einer beid­seitigen Kontak­tierung vorzu­ziehen, um den Potenzial­abfall inner­halb einer Leiter­bahn klein zu halten.

Ergebnisse | Nutzen

Im Rahmen des Forschungs­vorhabens wurde ein Druck­sensor auf Polymer­basis entwickelt, dessen Innovation in einem hohen Grad an Flexi­bilität, Dehn- und Knick­bar­keit besteht. Durch diese Eigen­schaften ist es möglich, die Druck­sensoren nicht nur im Fußbett, sondern auch in das Schuh­ober­material zu integrieren. Gemessene Daten werden damit nicht nur an der Fußsohle, sondern am gesamten Fuß erfasst. Dadurch ergeben sich erweiterte Möglich­keiten zur Analyse der Lauf- und Bewegungs­profile sowie der Pass­form von Schuhen.

Es wurde ein Demonstrator aus einer Sensor­matrix mit 256 Messpunkten (16 x 16) und textiler Kaschierung entwickelt und angefertigt. Die Sensor­funktionen sind gegeben und die Praxis­tauglich­keit lässt sich händisch demon­strieren. Für die gemessenen Daten wurde außerdem ein Konzept zur draht­losen Daten­über­tragung via Bluetooth und für den Einsatz eines internen flexiblen Energie­speichers entwickelt.

Im Projekt wurde die Basis für die Weiter­ent­wicklung des Sensor­verbundes für den Einsatz im Schuh­bereich (z. B. Sport­analytik oder Orthopädie), im Automotiv­bereich (z. B. Sitzbelegungs­erkennung zur Airbag­steuerung) und nicht zuletzt in smart textiles geschaffen.