Sensorik

Flexibler taktiler Sensor basierend auf 3D-gedruckten Formen

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung flexibler Sensoren, die mithilfe von 3D-Druckformen hergestellt werden. Das 3D-Druckverfahren, das zu den State of the Art-Techniken gehört, wurde zur Herstellung von Gussformen verwendet. Diese Formen wurden anschließend zur Entwicklung der Sensoren mit Zinkoxid (ZnO) und Polydimethylsiloxan (PDMS) als verarbeitete Materialien verwendet. Diese beiden Materialien wurden aufgrund ihrer geringen Kosten, einfachen Verarbeitung und verbesserten elektromechanischen Eigenschaften ausgewählt. Die entwickelten Prototypen wurden charakterisiert, um ihre elektrische Leistung in Bezug auf mechanische Verformungen zu bestimmen. Die Ergebnisse für diese Sensoren sind vielversprechend und bilden ein Podium für die Entwicklung voll integrierter taktiler Sensorsysteme.

Abbildung (a) und (b) zeigen den hergestellten Sensor und seinen Funktionsmechanismus. Abbildung (c) zeigt die Reaktion der Sensoren mit den beiden Positionen, die in der Beilage angegeben sind. Die relativen Impedanzwerte verringerten sich, wenn die Sensoren gebogen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die effektive Verbindung zwischen den Nanopulvern in den Elektroden zunimmt, wenn die Sensoren gebogen werden. Dadurch erhöht sich der Gesamtstrom, wodurch die Impedanzwerte sinken. Es zeigt sich, dass das Ergebnis über die vierzehn Zyklen hinweg stabil genug war. Dieses Ergebnis beweist, dass die Ausrichtung des ZnO-Nanopulvers jedes Mal in seine ursprüngliche Position zurückkehrte, wenn der Druck nachließ. Die Sensoren wurden dann für taktile Sensoranwendungen getestet, wie in Abbildung (d) gezeigt, wobei Druck auf die Sensorfläche der Prototypen ausgeübt wurde. Der Druck und die Kontaktfläche wurden während des gesamten Prozesses nahezu konstant gehalten. Während des Tastvorgangs wurden Handschuhe getragen, um den dielektrischen Effekt auf der Haut zu negieren. Ähnlich wie beim Biegeversuch verringerten sich die relativen Impedanzwerte, wenn der Druck auf den Sensor ausgeübt wurde. Aufgrund der ineinandergreifenden Elektroden wurden die Störungen in der Reaktion durch den Kondensator-Saumeffekt verursacht. Dieser Effekt ist beim koplanaren Design stärker ausgeprägt als bei den herkömmlichen Parallelplattenkondensatoren.  Weitere Arbeiten zu den elektromechanischen Eigenschaften der Sensoren und ihrer Anwendung für taktile Sensoranwendungen sind geplant.

Flexibler piezoelektrischer Sensor für akustische Anwendungen

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Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuartiger flexibler Sensoren für akustische Anwendungen. Die Sensoren wurden unter Verwendung von Nanomaterialien aus Zinkoxid (ZnO) und reduziertem Graphenoxid (rGO) hergestellt. Diese Nanokomposite versprechen hervorragende piezoelektrische Eigenschaften und können gut auf Vibrationen und akustische Signale reagieren. Einige der wichtigsten Eigenschaften dieser Sensoren sind ihre hohe mechanische Flexibilität, Reproduzierbarkeit und Stabilität in ihren Reaktionen. Als Proof-of-Concept wurden die Prototypen mit verschiedenen akustischen Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen getestet. Während die Prototypen zu Testzwecken an das Ende des akustischen Impedanzrohrs angeschlossen wurden, bewirkt der Schalldruck die piezoelektrische Reaktion. Die experimentellen Daten wurden auf die Stabilität, Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit des Sensors untersucht. Ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren kann die Massenproduktion dieser piezoelektrischen Sensoren für akustische Anwendungen ermöglichen.

Der piezoelektrische Sensor hat eine ausgezeichnete Reaktion auf verschiedene akustische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen gezeigt. Die Reaktion des Sensors wurde mit ~2,5 V und ~3,0 V für weißes Rauschen bzw. akustische Click-Track-Signale gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Reaktion des Sensors stabil und wiederholbar war.

Daher sind die vorgeschlagenen piezoelektrischen Sensoren auf der Basis von rGO/ZnO für akustische Anwendungen bestens geeignet.