Hochauflösende Tastfolie dank Piezo-Transistoren
Empfindliche Sensoren aus Zinkoxid-Nanodrähten bringen Robotern das Fühlen bei.
Mit tausenden Bündeln aus Zinkoxid-Nanodrähten fertigten Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology in Atlanta eine flexible Sensorfolie. Mit dieser könnten schon bald die groben Greifer von Robotern einen empfindlichen Tastsinn erhalten. Grundlage dieser Tastfolie ist der piezoelektrische Effekt, der in den Zinkoxid-Bündeln bei mechanischem Druck zu kleinen Strompulsen führt. Analog zu den Pixel genannten Bildpunkten eines Displays bezeichneten die Forscher die einzelnen Sensoren als Taxel, die der Sensorfolie Eigenschaften verleihen, die mit dem Tastsinn von menschlichen Fingerspitzen vergleichbar sind.
Abb.: Durchsichtige und flexible Tastfolie, in der Tausende Bündel aus Zinkoxid-Nanodrähten empfindlich auf Druck reagieren. Jedes Bündel funktioniert dabei wie ein Transistor, in dem der piezoelektrische Strompuls einen größeren Strom schalten kann. (Bild: G. Meek)
Für ihre ersten Prototypen ließen Zhong Lin Wang und seine Kollegen von der Georgia School of Materials Science and Engineering Zinkoxid-Nanodrähte aus der Dampfphase auf einer Unterlage wachsen. Je 1500 dieser Nanodrähte fassten sie zu filigranen Bündeln zusammen. Insgesamt gelang so die Anordnung von 8464 Bündeln auf einem Quadratzentimeter Fläche. Damit erreichten sie eine Tastgenauigkeit von etwa einem Zehntel Millimeter. Zum Vergleich: In der Fingerspitze eines Menschens konzentrieren sich nur etwa 240 Tastrezeptoren auf einem Quadratzentimeter.
Dieses Areal von senkrecht ausgerichteten Zinkoxid-Bündeln umfassten die Wissenschaftler von beiden Seiten mit einer durchsichtigen, elektrisch leitfähigen Schicht aus Indiumzinnoxid. Sie ergänzten zusätzlich dünne Lagen aus Gold als Schottky-Kontakte, um die unter Drücken von etwa zehn Kilopascal erzeugten piezoelektrischen Pulse für ein messbares Tastsignal nutzen zu können. Im Prinzip funktionierte dabei jedes „Taxel“ wie ein Transistor: Der kleine piezoelektrische Strom von etwa 14 Mikroampere diente in der halbleitenden Zinkoxid-Struktur als Schaltspannung für einen größeren Stromfluss.
Den Fertigungsprozess dieser flexiblen Tastfolien beherrschten die Forscher so gut, dass sie in ihrem Labor einige hundert davon herstellen konnten. Geschützt mit einer Hülle aus dem Polymer Parylen zeigten sie selbst nach 1000 Biegevorgängen keine Schäden und funktionierten noch nach einem 24-stündigen Bad in einer Salzwasserlösung. Derzeit arbeiten Wang und Kollegen daran, die Bündel aus Zinkoxid-Nanodrähten weiter zu verkleinern. Das Ziel: nur ein einzelner Zinkoxid-Nanodraht pro Tastsensor. Wenn dies gelingen sollte, ließe sich die Empfindlichkeit mindestens um drei Größenordnungen steigern.
Angewendet werden könnten die Tastfolien etwa als künstliche Haut für Roboter, damit diese auch leicht zerbrechliche Objekte schonender greifen können. Interessant seien die Folien laut Wang auch für eine eindeutige und sichere Erkennung von Unterschriften. So könnten die Sensoren nicht nur den Schriftzug selbst, sondern auch Schreibdruck und Schreibgeschwindigkeit aufzeichnen. Dieses sind sehr individuelle Merkmale, die sich kaum von einem Fälscher imitieren lassen und in Zukunft bei Geldautomaten etwa die Eingabe einer vierstelligen PIN ersetzen könnten.
Jan Oliver Löfken
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