3D-gedruckte Faser-Sensoren mit komplexen, beweglichen Teilen

Sensoren sind für die Steuerung aller technologischen Prozesse unerlässlich und finden sich in vielen Bereichen, von einfachen Haushaltsgeräten, tragbaren Geräten bis hin zu Weltraumanwendungen. Nur gut kontrollierte Prozesse können optimiert werden. Der ideale Sensor ist hochempfindlich, nicht störanfällig und lässt sich leicht in den jeweiligen Prozess integrieren. In diesem Kontext haben miniaturisierte Sensoren an der Spitze von Lichtwellenleitern großes Potenzial. Die Sensoren haben einen geringen Platzbedarf, können verschiedene Parameter erfassen und benötigen keine externe Energieversorgung. Für die Herstellung dieser faserbasierten Sensoren ist die Zwei-Photonen-Polymerisation die perfekte Fertigungsmethode. Grundsätzlich kann mit dieser Technologie jedes Design auf der Mikroskala hergestellt werden. Allerdings sind die meisten Strukturen statisch und die gedruckten Teile können nach der Herstellung nicht bewegt werden.

3D-gedruckte Scharniere und Drehachsen für eine neue Sensorgeneration

Wissenschaftler des Air Force Institute of Technology in Dayton, Ohio, haben eine neue Generation von Sensoren auf der Basis von Lichtwellenleitern mit dynamisch drehbaren Teilen entwickelt. Sie konstruierten raffinierte 3D-Designs von Mikroscharnieren und dynamisch beweglichen Teilen, die mittels Stützstrukturen in einem einzigen Schritt gedruckt wurden. Das clevere Design mitsamt 3D-Druckstrategie ermöglichen es, anspruchsvolle Sensoren wie einem Fabry-Pérot-Sensor mit erhöhter Empfindlichkeit zu fertigen und auch neuartige Sensorkonzepte zu realisieren wie z.B. ein auf eine optische Faser gedruckten 3D Rotor für Durchflussmessungen.

Fabry-Pérot-Sensor mit höherer Empfindlichkeit

Fabry-Pérot-Resonatoren sind wahrscheinlich das bekannteste Beispiel für faserbasierte Miniatursensoren. Ihre Funktion beruht auf der Interferenz von monochromatischem Licht, das zwischen halbdurchlässigen, spiegelnden Oberflächen im Inneren des Resonators zirkuliert. Kleinste Distanzänderungen, die das Licht hier zurücklegt, führen zu einem veränderten Interferenzsignal des Sensors. Dabei nimmt die Empfindlichkeit mit dem Reflexionsvermögen der Innenflächen des Resonators zu. Je mehr Licht eingefangen wird, desto schärfer ist die spektrale Antwort, die als Qualitätsfaktor der Messung resultiert.
Mit ihrem neuen Herstellungsansatz für dynamisch drehbare Teile konnte das Dayton-Team die Sensorempfindlichkeit enorm steigern. Dafür entwickelten sie einen Fabry-Pérot-Resonator mit einer Kappe, die sich, mit einem kleinen Mikroscharnier am Hauptkörper befestigt, öffnen und schließen lässt. Dieser kleine Designtrick ermöglicht es, die Innenwände des Resonators mit einer reflektierenden Metallschicht zu beschichten und den Hohlraum in einem zweiten Schritt zu schließen. Das resultierende Fabry-Pérot-Interferometer zeigte einen im Vergleich zu einem unbeschichteten Sensor um zwei Größenordnungen verbesserten Qualitätsfaktor.

3D-gedruckte Mikrorotoren für Strömungsmessungen

Die neue Druckstrategie dient nicht nur der Verbesserung bestehender Sensorkonzepte. Auch neue Sensorkonzepte mit dynamisch beweglichen Teilen konnten so entwickelt werden. In einem zweiten Projekt druckten die Forscher einen kleinen Rotor per 3D-Druck auf die Facette einer optischen Faser. Die vom Rotor reflektierten Lichtimpulse konnten ausgelesen und der Sensor so zur Analyse von Durchflussraten genutzt werden.
Mit dem neuen Konzept einer 3D-Mikrofabrikation für dynamisch bewegliche Teile zeigen die Forscher, wie damit bestehende Sensoren verbessert und der Weg für ganz neue miniaturisierte Sensorkonzepte geebnet werden kann.

Sind Sie an weiterführenden Einblicken in dieses spannende Forschungsprojekt interessiert? Dann lesen Sie hier die komplette wissenschaftliche Publikation: https://doi.org/10.1002/adpr.202100359 und https://doi.org/10.1021/acsami.2c01033

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Information zum Video

Video 1: Gerenderte Animation des 3D-gedruckten Durchflusssensors auf einer optischen Faser. Der Rotor ist exzentrisch auf der Faserfacette montiert. Das Sensorsignal wird durch reflektiertes Licht des Faserkerns erzeugt und ermöglicht Anwendungen zur Durchflussmessung.