Können Drehachsen und Scharniere auf der Mikroskala den Weg für optimierte oder neue Sensorkonzepte ebnen? Genau das haben Wissenschaftler des Air Force Institute of Technology in Dayton (Ohio) bewiesen, indem sie miniaturisierte 3D-Sensoren mit dynamisch beweglichen Teilen auf optische Fasern gedruckt haben. Die integrierten Scharniere und Mikroachsen ermöglichen neue Sensorkonzepte wie Mikrorotoren für die Strömungserfassung und verbesserte Sensoren, weil damit sonst unerreichbare Teilen des Sensors beschichtet werden können.
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.





Video 2: Die Drucksimulation des auf eine optische Faser gedruckten Strömungssensors zeigt, wie mit 3D-Druck Drehachsen und Scharniere für Mikrostrukturen realisiert werden können. Das Video wurde aus der Druckvorschau der Nanoscribe-Software DeScribe aufgezeichnet.
GIF: Konzept und REM-Aufnahmen des auf eine optische Faser gedruckten Fabry-Pérot-Resonators. Die bewegliche Kappe ermöglicht die Beschichtung der Innenseiten des Resonators mit einer reflektierenden Metallschicht, was die Sensorempfindlichkeit deutlich erhöht. Bild: Ein Copyright-Hinweis befindet sich am Ende dieser News.
Quelle der Videos und Bilder:
Williams, Chandrahalim, et al. (2022), Adv. Photonics Res., 3: 2100359, DOI: 10.1002/adpr.202100359
Williams, Chandrahalim, et al. (2022), ACS Applied Materials & Interfaces 14 (17), DOI: 10.1021/acsami.2c01033