Trotz ihres bisherigen Mangels an kommerziellem Erfolg bieten gedruckte piezoelektrische Sensoren jedoch einige klare Vorteile gegenüber ihren piezoresistiven Pendants. Könnten piezoelektrische Sensoren mit der Verbesserung von Fertigungstechniken und algorithmischer Datenanalyse zur Informationsgewinnung aus Hochfrequenzmessungen nun endlich den kommerziellen Durchbruch schaffen?
Besondere Merkmale
Da sie gedruckt und flexibel sind, bieten piezoelektrische und piezoresistive Sensoren gegenüber anorganischen Drucksensoren mehrere Vorteile. Sie sind leicht und kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbar, was eine ortsaufgelöste Druckmessung ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt ihr Dünnschichtformat die Installation an Orten, an denen Sensoren aus starren Materialien Schwierigkeiten haben könnten.
Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede zwischen den Sensortypen. Piezoresistive Sensoren sind relativ einfach herzustellen: Eine „kraftempfindliche Widerstandsschicht (FSR)“ aus leitfähigen Partikeln in einer elastomeren Matrix bildet einen druckabhängigen Leiter zwischen zwei vertikal gestapelten oder ineinandergreifenden Elektroden. Diese Sensoren verwenden kostengünstige Materialien, einfache Fertigungstechniken und sind relativ leicht zu kalibrieren.
Im Gegensatz dazu basieren gedruckte piezoelektrische Sensoren auf piezoelektrischen Polymeren wie PVDF:TRFE, die zu kristallinen Domänen mit Dipolen aushärten. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die Dipole dieser Domänen ausgerichtet, wodurch ein piezoelektrisches Material entsteht. Dieser zusätzliche Fertigungsschritt sowie ein komplexerer Kalibrierungsprozess haben dazu geführt, dass piezoresistive Sensoren bis heute die bevorzugte Wahl für gedruckte Drucksensoren darstellen.
Trotz dieser Nachteile weisen gedruckte piezoelektrische Sensoren einige klare Vorteile auf. Dazu gehört die Fähigkeit, hochfrequente Vibrationen zu erfassen, da sie im Vergleich zu piezoresistiven Materialien deutlich weniger Verformung benötigen, da die Elastomere nicht komprimiert werden müssen. Da piezoelektrische Sensoren zudem bei Kompression eine geringe Spannung erzeugen, benötigen sie nur sehr wenig Energie. Bei seltenen Messungen und der anschließenden drahtlosen Kommunikation können piezoelektrische Sensoren sogar genügend Energie gewinnen, um sich selbst zu versorgen.
Vielversprechende Anwendungen
Obwohl gedruckte piezoelektrische Sensoren bisher Schwierigkeiten hatten, sich auf dem Markt durchzusetzen, gewinnen sie langsam an Bedeutung für Anwendungen, die ihr wichtigstes Unterscheidungsmerkmal erfordern: die Fähigkeit, hochfrequente Vibrationen zu erkennen.
Eine Anwendungsmöglichkeit ist die Zustandsüberwachung zur Ermöglichung präventiver Instandhaltung. Durch die Installation von Dünnschicht-Piezosensoren an Industrieanlagen lassen sich Schwingungen erfassen, deren Amplituden- und Frequenzänderungen auf verschlissene Teile hinweisen können. Ein ähnliches Verfahren kann auch bei großen Bauwerken wie Brücken, Tunneln usw. angewendet werden, um frühzeitig vor Schäden und möglichen Einstürzen zu warnen.
Eine weitere besonders innovative Anwendung, entwickelt vom französischen CEA-LITEN, nutzt gedruckte piezoelektrische Bauelemente zur Batterieüberwachung. Ein dünnschichtiger, gedruckter piezoelektrischer Aktor erzeugt hochfrequente Ultraschallwellen, die sich durch die Batterie ausbreiten. Diese Wellen werden anschließend von einem piezoelektrischen Sensor mit sehr ähnlicher Architektur erfasst. Die Messung der Laufzeit der Wellen und ihrer Frequenzabhängigkeit ermöglicht die Echtzeitüberwachung der akustischen Dichte und somit des Batteriezustands.
Ein letztes Beispiel ist der Einsatz piezoelektrischer Sensoren zur Reifendrucküberwachung, entwickelt von Joanneum Research in Österreich unter der Marke Pizoflex. Hierbei liegt das Hauptmerkmal nicht in der Erfassung hochfrequenter Vibrationen, sondern in der Energiegewinnung. Ein Dünnschichtsensor wird im Reifen platziert und verhindert durch sein geringes Gewicht eine Unwucht des Rades. Er sammelt genügend Energie, um alle 30 Sekunden den Druckwert drahtlos zu übertragen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer komplexen Verkabelung in einem rotierenden Bauteil.
