Gedruckte Elektronik: Flexibler Näherung-Sensor verleiht Oberflächen Gefühl

Gedruckte Elektronik

Flexibler Näherungssensor verleiht Oberflächen Gefühl

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Mit seiner elastischen Form lässt sich der Näherungssensor flexibel auf großen Oberflächen anbringen. Foto: Rainer Bez – Fraunhofer IPA
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Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) hat auf Basis von Silikon und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) einen Näherungssensor entwickelt, der Objekte detektiert und ihre Position ermittelt. Mit den verwendeten Materialien und dem Druckverfahren ist der Sensor äußerst flexibel, kostengünstig – und kann ab sofort kommerziell genutzt werden.

Auf den ersten Blick wirkt der Näherungssensor nicht besonders spektakulär: eine dünne, elastische Silikonschicht, auf der schwarze, viereckige Flächen aufgedruckt sind. Was aussieht wie Farbe sind aber tatsächlich unzählige, mikroskopisch kleine Kohlenstoffnanoröhren, die Menschen oder Gegenstände lokalisieren können.

„Der Näherungssensor erkennt alles, was elektrisch leitfähig ist. Sobald sich ein Objekt nähert, ändert sich das elektrische Feld“, erklärt IPA-Wissenschaftler Florian Bodny. Das sieht man aber erst, wenn man ihn an eine Auswertungselektronik anschließt: Sobald eine Hand oder ein metallisches Objekt darüber gehalten wird, leuchtet die Lampe auf. Dabei wird nicht nur das Objekt erkannt, sondern auch dessen Position – sofern die Fläche aus mehreren Sensorelementen besteht.

Cleverer Materialmix

Bei ihrem Sensor haben die IPA-Wissenschaftler eine Kombination aus Silikon und CNT eingesetzt. Der Aufbau erfolgt schichtweise: Auf eine Lage Silikon folgt eine Lage Silikon-CNT-Gemisch. Beide Materialien sind elastisch, flexibel und weisen eine hohe Umweltstabilität auf – der Sensor lässt sich damit auch auf großen Oberflächen anbringen. Als Herstellungsverfahren wählten die Experten den Siebdruck, da diese Methode schnell und unkompliziert sei, so Bodny. Weiterhin sei es so möglich, große Flächen zu bedrucken und die Sensoren in hohen Stückzahlen herzustellen. „Der Sensor lässt sich einfach anbringen, ist extrem vielseitig und kommt mit geringen Materialkosten aus“, sagt Bodny.

In einer Versuchsreihe haben die IPA-Experten analysiert, welche Parameter für die Genauigkeit der Detektion entscheidend sind. Dabei fanden sie heraus, dass die Konzentration des Aktivmaterials den größten Einfluss hat. An zweiter Stelle steht die Schichtdicke, gefolgt von der Fläche des Sensors. „Um ein Objekt auf 8 Millimeter Entfernung zu detektieren, sind beispielsweise drei Druckschichten, eine Konzentration von 1,5 Massenprozent und 36 cm² Fläche notwendig“, erläutert Bodny.

Partner zur Umsetzung gesucht

Für den Näherungssensor kommen zahlreiche Anwendungen in Frage. Denkbar ist er etwa als künstliche Haut bei Robotern: „Serviceroboter können zum Beispiel die Hand ausstrecken, wenn sie eine Person erkennen“, so Bodny. Auch im Bereich „Smart Home“ gibt es viele Einsatzmöglichkeiten – etwa bei Lampen oder Türen, die an- bzw. aufgehen, sobald ein Mensch davor steht. Mit seiner Elastizität ist der Sensor außerdem zur Unfallprävention geeignet, beispielsweise auf Arbeits- und Schutzkleidung. Die Wissenschaftler überlegen auch, ihn in der Medizintechnik für Exoskelette einzusetzen. „Der Sensor ist ab sofort erhältlich. Wir suchen noch nach Partnern aus Industrie und Forschung, die ihn testen und weiterentwickeln wollen“, erklärt Bodny.

Ramona Hönl ist am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) für die Pressekommunikation zuständig.

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