Sensorik : An Einsatzmöglichkeiten "mangelt es sicher nicht"

Bei bestimmten Materialien sind elektrische und mechanische Effekte eng miteinander verknüpft: So kann es etwa sein, dass das Material seine Form verändert, wenn man ein elektrisches Feld anlegt, oder dass umgekehrt ein elektrisches Feld entsteht, wenn man das Material verformt. Für viele technische Anwendungen sind solche elektromechanisch aktiven Materialien sehr wichtig.

Meist handelt es sich bei solchen Materialien um spezielle, anorganische Kristalle. Diese sind allerdings hart und spröde. Daher setzt man nun auch sogenannte ferroelektrische Polymere ein. Doch bevor es allzu sehr ins Detail geht: An der TU Wien wurden semikristalline Verbundsstoffe grundlegend untersucht und die Ergebnisse waren überraschend. Denn ab einer bestimmten Temperatur ändern sich die Eigenschaften dramatisch.

„Wenn man das mechanische Verhalten eines Materials mit Hilfe elektrischer Felder steuern kann, lassen sich damit etwa winzige Sensoren bauen“, sagt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. „Interessant ist das beispielsweise für Rasterkraftmikroskope, bei denen man eine winzige Spitze in Schwingung versetzt, um damit eine Oberfläche abzutasten und ein Bild zu erzeugen.“

Das Einsatzgebiet solcher Materialien lässt sich dramatisch erweitern, wenn es gelingt, solche elektromechanischen Eigenschaften nicht nur in starren Materialien hervorzurufen, sondern auch in flexiblen, weichen Materialien. Einerseits haben biegsame Materialien ein völlig anderes Schwingungsverhalten, das kann man beim Konstruieren winziger Sensoren ausnützen. Andererseits eröffnen solche Materialien auch Möglichkeiten, die bisher völlig undenkbar waren – etwa smarte Textilien, biegsame Energiespeicher oder Stromgeneratoren.

„Nur wenn wir diese grundlegenden Effekte verstehen, können wir auch erklären, wie mikroskopische und makroskopische Eigenschaften solcher Materialien miteinander zusammenhängen“, sagt Ulrich Schmid. „Wir arbeiten mit zahlreichen Projektpartnern zusammen, die solche Materialien dann einsetzen – in Rasterkraftmikroskopen, in Sensoren, in Chips. An Einsatzmöglichkeiten für diese spannende Materialphase mangelt es sicher nicht.“

Prof. Schmid ergänzt außerdem: „Im Bereich Smart Textiles könnte ich mir zum Beispiel Energy Harvester auf PVDF Basis vorstellen, die aus mechanischen Vibrationen, oder aus Bewegungsprofilen elektrische Energie wandeln, um zum Beispiel einen integrierten Sensor lokal mit Energie versorgen zu können. Sollte sich die Temperatur während dem Betrieb des Energy Harvesters ändern, werden sich auch die elektro-mechanischen Bauelementeigenschaften verändern, damit der Energie Output und somit müsste dann entsprechend die Power Management Elektronik dies mitberücksichtigen.“ Auch Infineon ist Partner in dem Projektkonsortium. Bei Infineon werden traditionell MEMS in Silizium-Mikrotechnik hergestellt. Weltmarktführer bei MEMS-Sensoren ist allerdings Bosch. Letzterer hat bereits mehr als 10 Milliarden Sensoren produziert.