IGF-AiF 20135 BR
Abstract
In Printexray werden Druck- und Feuchtigkeitssensoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren auf textile Trägersubstrate appliziert und mit ELITEX®-Garnen kontaktiert. So entstehen durch die textilbasierte Verschaltung von CNT-Schichten großflächige Sensorarrays, die eine Druckverteilungsmessung oder die Messung einer Druckkraft über einen großflächigen Bereich erlauben. Eine eingebettete Schaltung zur Impedanzmessung misst gleichzeitig die Veränderung der Impedanz der Sensoren unter Last und wird als Schnittstelle zur Sensormatrix verwendet. Die Sensormatrix wurde sowohl für statische als auch für dynamische Druckbelastungszyklen charakterisiert. Mithilfe solcher textiler Druck- und Feuchtigkeitssensoren wird die Realisierung von atmungsaktiven, individuellen, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen sehr robusten und präzisen Sensorarrays für den Einsatz in der Medizin und Medizintechnik möglich.
In Printexray, pressure and moisture sensors based on carbon nanotubes were printed on textile substrates and contacted with ELITEX® yarns. The textile-based interconnection of CNT layers created large-area sensor arrays that allow pressure distribution measurement or the measurement of a pressure force over a large area. An embedded circuit for impedance measurement simultaneously measured the change in the impedance of the sensors under load and was used as an interface to the sensor matrix. The sensor matrix was characterized for both static and dynamic pressure load cycles. With such textile pressure and moisture sensors, it is possible to create breathable, individual, and in comparison to conventional solutions, very robust and precise sensor arrays for use in medicine and medical technology.
Aufgabenstellung
Printexray ist ein technologieorientiertes Forschungsthema, welches durch die Kombination von Druckdispersionsherstellung, Drucktechnik, Metallisierung von Garnen, leitfähiger Strukturierung textiler Flächen und der Verknüpfung von CNT-Kompositen mit Textilien zu neuartigen Produkten und Einsatzgebieten führt. Ziel ist es, Sensoren basierend auf CNTs auf textile Trägersubstrate zu drucken und mit ELITEX®-Garnen zu kontaktieren. Dies ermöglicht die Integration der Sensoren direkt im Textil, welches sich durch große Flexibilität, Abriebfestigkeit und Knickbruchstabilität auszeichnet, so dass ein solches Sensorarray die extremen mechanischen Anforderungen und die Präzision an sensorische Strukturen in smarten Textilien erfüllen kann.
Lösungsweg
Im Projekt war eine komplexe Technologie zur Kombination sensitiver präziser Schichten aus CNTs zu erarbeiten, die über eine robuste textile Matrix aus ELITEX®-Garnen ein nachgiebiges, hoch- und dauerbelastbares Sensorarray ergeben.
Nach Definition der Anforderungen für verschiedene Anwendungsfälle werden leitfähig strukturierte textile Flächen und deren Druckvorbehandlung entwickelt, gefolgt von Versuchen zum Drucken der Sensorstrukturen und deren Charakterisierung. Die textilen Sensorstrukturen werden web- oder sticktechnisch zu Sensorarrays (Abbildungen 1 und 2) verschaltet. Nur über die richtige Dimensionierung der Kontaktabstände zur Konzentration der CNTs in der gedruckten Schicht lassen sich die gewünschten Effekte auf die textilen Substrate übertragen. Der Kontaktabstand entscheidet maßgeblich über die benötigte Konzentration der CNTs und folglich über Abriebfestigkeit, Stabilität, Präzision und Preis des Sensors.
Ergebnis und Anwendungen
Zur Darstellung der erreichten Projektergebnisse wurde eine Drucksensormatrix mit 2×2 CNT-Nanokomposit-Sensoren mit Siebdruckverfahren auf ein mit PVA vorbehandeltes Textilmaterial gedruckt. Die kreisförmigen gestickten Interdigitalelektrodenstrukturen aus ELITEX® stellen den elektrischen Kontakt zur Drucksensormatrix und zur Signalaufbereitungsschaltung her. Eine eingebettete Impedanzmessschaltung misst die Veränderung der Impedanz der Sensoren unter Last.
Basierend auf den erzielten Ergebnissen ist es möglich, die gedruckten Polymerkomposite aus CNT auf leitfähigen Textilien als Sensormatrix zur Erfassung der Druckverteilung zu kombinieren. Die fertig gedruckten Drucksensoren auf leitfähigem Textil ebnen den Weg für verschiedene Produkte in den von KMU dominierten Textil- und Bekleidungsindustrien. Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften können die gedruckten Sensoren als Sitzlehnen und in funktionellen Bedienelementen in der Automobil-, Maschinen- und Flugzeugindustrie eingesetzt werden, wo die Sensoren der robusten Umgebung ausgesetzt werden können. Das gedruckte Sensorarray auf leitfähigem Textil kann als Sensormatte, orthopädische Matratze, medizinische Kleidung (z. B. Kompressionsstrümpfe, Sohlen) zur Überwachung der Patientenbewegungen in der medizinischen Industrie und auch für Prothesen für die Mensch-Maschine-Kommunikation verwendet werden.
Abb. 1: Nachweis der Funktion als drucksensitive gewebte Sensormatrix 
Abb. 2: Gestickte und gedruckte Interdigitalelektrodenstruktur
Ansprechpartner
Dr. Yvonne Zimmermann
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Forschungsstellen:
FS 1: Technische Universität Chemnitz, Institut für Mikrosystem- und Halbleitertechnik
FS 2: Technische Universität Chemnitz, Institut für Print- und Medientechnik
FS 3: Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e. V.
