Sensorik Flexibler Näherungssensor auch für große Oberflächen

Per Siebdruck erstellen Fraunhofer-Forscher Näherungssensoren aus Silikon und Kohlenstoffnanoröhrchen. Die dünne und damit flexible Silikonschicht soll die Position von sich nähernden Menschen und Gegenständen lokalisieren können.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

In Zeiten von Industrie 4.0 werden die Kommunikationsmöglichkeiten zwischen dem Menschen und Maschinen immer weiterentwickelt. Besonders das Verfahren der gedruckten Elektronik eröffnet hier neue Optionen. Dessen hat sich auch das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA bedient und eine neue Form der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI, Human-Machine-Interface) entwickelt: Es handelt sich um einen Näherungssensor, der schichtweise aus Silikon und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) aufgebaut wird. Er soll Objekte nicht nur erkennen, sondern auch deren Position ermitteln können. Nach Aussage der Entwickler eignet sich die dünne und flexible Silikonschicht auch für die Verwendung auf großen Oberflächen, nicht zuletzt, weil sie sich in großen Mengen kostengünstig produzieren lasse.

Sensor macht Oberflächen intelligent

„Der Näherungssensor erkennt alles, was elektrisch leitfähig ist. Sobald sich ein Objekt nähert, ändert sich das elektrische Feld“, erklärt IPA-Wissenschaftler Florian Bodny. Vermuten würde man diese Intelligenz zunächst nicht von der transparenten Silikonschicht, auf der schwarze viereckige Flächen aufgedruckt sind. Doch was zunächst wie einfache Farbe wirkt, sind in Wirklichkeit unzählige mikroskopisch kleine Kohlenstoffnanoröhrchen, die in der Lage sind, Objekte in ihrer Nähe zu lokalisieren. Dass das funktioniert, zeigt sich spätestens dann, wenn eine Auswertungselektronik an die Folie angeschlossen wird: Bewegt man nun eine Hand über die Sensorschicht, leuchtet die Lampe auf. „Und wenn wir eine Fläche aus mehreren Sensorelementen zusammensetzen, dann können wir nicht nur das Objekt erkennen, sondern auch dessen Position bestimmen“, weiß Bodny zu berichten.

Als Herstellungsverfahren entschieden sich die Wissenschaftler für den Siebdruck. Demnach erfolgt der Aufbau des Sensors in Schichten: Auf eine Lage Silikon folgt eine Lage Silikon-CNT-Gemisch. Beide Materialien sind elastisch, flexibel und weisen eine hohe Umweltstabilität auf. Die Methode sei schnell und komme ohne aufwendige Vorbereitungen aus, bestätigt Bodny. Weiterhin sei es möglich, große Flächen zu bedrucken und die Sensoren in großen Stückzahlen herzustellen. „Der Sensor lässt sich einfach anbringen, ist vielseitig und erzeugt nur geringe Materialkosten“, sagt Bodny.

Geringe Herstellungskosten

In einer Versuchsreihe haben die Forscher analysiert, welche Parameter für die Genauigkeit der Detektion entscheidend sind. Dabei fanden sie heraus, dass die Konzentration des Aktivmaterials den größten Einfluss hat. An zweiter Stelle steht die Schichtdicke, gefolgt von der Fläche des Sensors. „Um ein Objekt auf 8 mm Entfernung zu detektieren, sind beispielsweise drei Druckschichten, eine Konzentration von 1,5 Massenprozent und 36 cm² Fläche notwendig“, erläutert Bodny.

Einsatzmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler für ihre Entwicklung viele. Beispielsweise als künstliche Haut bei Robotern: „Servicerobotern könnte es damit ermöglicht werden, die Hand auszustrecken, wenn sie eine Person erkennen“, glaubt Bodny. Auch im Bereich Smart Home gebe es viele Einsatzmöglichkeiten, etwa für Lampen oder Türen, die an- oder aufgehen, sobald ein Mensch davor steht. Mit seiner Elastizität sei der Sensor außerdem zur Unfallprävention geeignet, beispielsweise auf Arbeits- und Schutzkleidung. Die Wissenschaftler überlegen auch, ihn in der Medizintechnik für Exoskelette einzusetzen. „Der Sensor ist ab sofort erhältlich. Wir suchen noch nach Partnern aus Industrie und Forschung, die ihn testen und weiterentwickeln wollen“, erklärt Bodny.

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