Mikrofluide Filme messen Drücke schneller
Transparenter Prototyp erreicht hohe Empfindlichkeit – günstige Massenfertigung mit lithografischen Methoden möglich
Vom Touchscreen bis zur Roboterhand finden kapazitive und piezoelektrische Drucksensoren immer mehr Anwendungsfelder. Mit einer eingekapselten Flüssigkeit konnten Entwickler der University of California in Davis die Reaktionszeiten der Druckmessung deutlich verkürzen. Ihr transparenter und flexibler Prototyp eines mikrofluiden Films reagiert dabei empfindlicher als der Tastsinn der menschlichen Haut.
Abb.: Aufbau des mikrofuiden Drucksensors, der eine hohe Sensitivität bei Reaktionszeiten von wenigen Millisekunden erreicht. (Bild: T. Pan, AFM)
Um Druckänderungen innerhalb weniger Mikrosekunden messen zu können, wählten Tingrui Pan und seine Kollegen vom Department of Biomedical Engineering eine elektrische leitfähige Flüssigkeit mit geringer Viskosität. Die besten Ergebnisse erzielten sie mit Ethylenglycol, das sie in einer nur 100 Mikrometer dünnen Schicht zwischen flexiblen Folien aus Polythylenterephthalat (PET) einschlossen. Mit lithografischen Methoden beschichteten sie die Innenseiten der PET-Folien mit hauchdünnen Elektroden aus Indiumzinnoxid (ITO). Zusätzlich sorgten winzige Säulen zwischen den Folien für einen ausreichenden Abstand zwischen den oberen und unteren Elektroden.
Berührte man diesen transparenten und flexiblen Sensor an einer Stelle, wurde die Flüssigkeit dort zur Seite gedrückt. Eine lokale Änderung des elektrischen Widerstands war die Folge, die sich mit einer räumlichen Auflösung von bis zu einem Millimeter über die ITO-Elektroden messen ließ. Wegen der geringen Viskosität floss das Ethylenglycol bei nachlassendem Druck sehr schnell wieder zurück. Das ermöglichte die Messung schneller Druckänderungen mit Frequenzen von über 100 Hertz.
Um die hohe Empfindlichkeit von bis zu 0,45 kPa-1 zu demonstrieren, legten Pan und Kollegen einen mikrofluiden Film von der Größe einer Briefmarke auf die Pulsader am Handgelenk. Verblüffend genau zeigten die Messdaten nicht nur den Pulsschlag, sondern auch die systolische und diastolische Phase des Herzschlags. Mit einer anderen Folie von der Größe eines Smartphone-Displays belegten sie die Multitouch-Fähigkeit. Ohne Probleme konnte der Sensor die gleichzeitige Berührung mit fünf Fingerspitzen voneinander unterscheiden.
In allen wichtigen Eigenschaften von Sensitivität bis zur Reaktionszeit können diese mikrofluiden Filme mit anderen Sensorkonzepten mithalten oder sie gar übertreffen. Daher sind die Entwickler überzeugt, dass diese Technologie in vielen Bereichen von der Medizintechnik über Touchscreens bis zur elektronischen Sensorhaut für Roboter genutzt werden könnte. Zuvor müsste jedoch noch die Langzeitstabilität belegt werden, die auf einer stabilen Verkapselung der flüssigen Schicht beruht.
Jan Oliver Löfken
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