22.09.2022 - Indian Institute of Science

Druckmessung mit Papier

"Die zukünftigen Anwendungen dieses Geräts sind nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt"

Verschiedene Anwendungen in der Industrie, im Automobilbau und im Gesundheitswesen sind auf eine genaue und präzise Druckmessung angewiesen. Flexible und tragbare Drucksensoren werden in der Regel aus erdölbasierten Polymeren hergestellt. Der bei der Verwendung dieser biologisch nicht abbaubaren Kunststoffe anfallende Abfall ist umweltschädlich. Um dieses Problem zu vermeiden, haben Forscher am Indian Institute of Science (IISc) Drucksensoren hergestellt, die Papier als Medium verwenden.

Ein Drucksensor erfasst den physikalischen Druck und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um, das in Form einer Zahl angezeigt wird, die die Stärke des Drucks angibt. Heutzutage gewinnen elektronische Geräte auf Papierbasis aufgrund ihrer natürlichen biologischen Abbaubarkeit, ihrer hervorragenden Flexibilität, ihrer porösen Faserstruktur, ihres geringen Gewichts und ihrer niedrigen Kosten immer mehr an Aufmerksamkeit. Allerdings haben die bisher entwickelten papierbasierten Sensoren einige Nachteile.

"Bei jedem Sensor gibt es immer einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Dynamikbereich. Wir wollen eine hohe Empfindlichkeit haben. Die Empfindlichkeit ist im Wesentlichen ein Maß für die kleinste Einheit (Druckmenge), die wir erkennen können. Und wir wollen diese Größe über einen großen Bereich erfassen", sagt Navakanta Bhat, Professor am Centre for Nano Science and Engineering (CeNSE) und korrespondierender Autor der in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlichten Arbeit. Sein Team hat ein Design für den Papiersensor vorgeschlagen, das aufgrund seiner Struktur und Mehrschichtigkeit eine hohe Empfindlichkeit erreicht und einen breiten Druckbereich (0-120 kPa) mit einer Reaktionszeit von 1 Millisekunde erfassen kann.

Der Sensor besteht aus glattem und gewelltem Zellulosepapier, das mit Zinnmonosulfid (SnS) beschichtet ist, das abwechselnd gestapelt wird, um eine mehrschichtige Architektur zu bilden. SnS ist ein Halbleiter, der unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leitet. "Papier ist an sich ein Isolator. Die größte Herausforderung bestand darin, eine geeignete 3D-Bauteilstruktur und ein geeignetes Material zu wählen, um dem Papier leitende Eigenschaften zu verleihen", sagt Neha Sakhuja, eine ehemalige Doktorandin am CeNSE und Erstautorin der Arbeit.

Wenn Druck auf die Oberfläche des Sensors ausgeübt wird, verringern sich die Luftspalte zwischen den Papierschichten, wodurch sich die Kontaktfläche zwischen diesen Schichten vergrößert. Eine größere Kontaktfläche führt zu einer besseren elektrischen Leitfähigkeit. Wenn der Druck nachlässt, vergrößern sich die Luftspalte wieder, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit verringert. Diese Modulation der elektrischen Leitfähigkeit steuert den Erfassungsmechanismus des Papiersensors.

"Unser Hauptbeitrag ist die Einfachheit des Geräts. Es ist wie Origami aus Papier", erklärt Bhat.

Der Sensor lässt sich vielversprechend zu einem flexiblen und tragbaren elektronischen Gerät weiterentwickeln, insbesondere für den Gesundheitssektor. Das Forschungsteam hat ihn zum Beispiel an einer menschlichen Wange angebracht, um die Bewegung beim Kauen zu untersuchen, an einem Arm befestigt, um die Muskelkontraktion zu überwachen, und um die Finger gewickelt, um ihr Tippen zu verfolgen. Das Team entwarf sogar eine numerische, faltbare Tastatur, die mit dem hauseigenen Drucksensor auf Papierbasis konstruiert wurde, um die Nutzbarkeit des Geräts zu demonstrieren.

"Die zukünftigen Anwendungen dieses Geräts sind nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt", sagt Bhat. "Wir würden gerne daran arbeiten, die Stabilität und Haltbarkeit dieser Sensoren zu verbessern und möglicherweise mit der Industrie zusammenarbeiten, um sie in großen Stückzahlen herzustellen."

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