Material- und Struktursensorik

Kohlenstoffnanoröhren für hochempfindliche Dehnungssensorik

© Fraunhofer ENAS
Schematische Abbildung der CNT-Sensoren auf einer MEMS Membranstruktur und eine experimentell ermittelte Antwortkurve unter zyklischer Druckbeaufschlagung.
© Fraunhofer ENAS
Theoretisch ermittelte Sensitivitätskarte des Sensors unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Die Fertigung von hochmoderner Elektronik und Sensorik im Rahmen von ausgeprägten Trends wie Industrie 4.0, Internet der Dinge oder flexible/tragbare Elektronik erfordert innovative Ansätze zur Integration neuartiger Materialien. Einer dieser Ansätze ist die Verwendung funktioneller Nanomaterialien wie einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs). Die intrinsischen Eigenschaften von SWCNTs, wie beispielsweise das hohe Elastizitätsmodul und die hohe mechanische Zugfestigkeit, sowie die außerordentliche ausgeprägte Piezoresistivität, ermöglichen eine neue Klasse von hochminiaturisierten Dehnungssensoren, die sich durch vielfältige Integrationsmöglichkeiten auf verschiedenen Substraten oder in komplexen Systemen auszeichnen. In den letzten Jahren hat Fraunhofer ENAS in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Chemnitz eine Technologieplattform für die skalierbare Integration und Charakterisierung von CNT-Sensoren auf Waferlevel entwickelt. Die außerordentlich hohe Sensitivität von CNT-basierten Drucksensoren mit Sensitivitätsfaktoren von bis zu β = 800 (β = ∆R R0-1 ε-1) übertrifft konventionelle Silizium-Dehnungssensoren bereits um eine halbe Größenordnung. In weitreichenden experimentellen und theoretischen Untersuchungen ist ein Operationsregime identifiziert wurden, welches einen zusätzlichen Anstieg der Sensitivität um bis zu 150 Prozent bewirkt. Aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs und Platzbedarfs ist beispielsweise eine effiziente Zustandsüberwachung sicherheitsrelevanter Anwendungen denkbar. Dabei wird die Integration der Sensoren auf unterschiedliche Substrate und Trägermaterialien durch die Bereitstellung einer Vielzahl an Integrationsszenarien dieser CNT-Sensoren gewährleistet.