Planare polymer-optische Sensornetzwerke zur 2D Dehnungsmessung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörn Ostermann; Professor Dr. Bernhard Roth
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Messsysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444745111

Dieses Projekt widmet sich der Realisierung großflächiger, planar-optischer Sensornetzwerke in dünnen Polymerfolien zur räumlich aufgelösten Messung physikalischen Größen. Beispielhaft wird hierbei die Dehnung – generell Formänderung - betrachtet. Solche Sensornetzwerke stellen langfristig ein neuartiges Pendant zu polymer-elektronischen oder klassisch faserbasierten Sensornetzwerken dar und bieten Vorteile bei Multiplexing sowie Kosten- und Ressourceneffizienz. Die im Rahmen des SFB/TRR 123 – PlanOS (Projekt C02) erfolgreich demonstrierten Konzepte für planar-optische, polymerbasierte Dehnungssensoren sollen nun erstmals zu einem vollständig integrierten Sensornetzwerk für die Erfassung von Dehnung und daraus ableitbarer Größen in zwei Dimensionen weiterentwickelt werden. Das Ziel ist ein nach Möglichkeit nahezu vollpolymeres Sensornetzwerk in einer dünnen Folie, das unter Ausnutzung rein optischer Prinzipien zur verteilten, sensitiven Erfassung von Dehnung einsetzbar ist. Dabei ergeben sich zwei sehr unterschiedliche Herausforderungen: (i) Zum einen müssen die Sensorkonzepte weiter erforscht werden, vor allem im Hinblick auf die erreichbare Sensitivität, die Integrationsdichte, die Reproduzierbarkeit und die Kompatibilität aller beteiligten Prozesse (Heißprägen, Rakeln, Bonden, Laminieren und Sputtern) sowie mögliche Kreuzkorrelationen. Neben der mit steigender Integrationsdichte höheren Komplexität der Netzwerkwerke ist die Implementierung geeigneter Kalibrierkonzepte eine wichtige Herausforderung, die auch eine Erfassung und etwaige Kompensation zusätzlicher Größen wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur mittels geeigneter Systemaus-legung und/oder Beschichtung erfordert. (ii) Zum anderen ergeben sich Herausforderungen aus Sicht der Signalauskopplung und -verarbeitung. So ist die in polymer-optischen Systemen erreichbare Präzision der hergestellten Komponenten geringer als die von Glaskomponenten. Das erfordert Signalmodelle der für polymerbasierte Netzwerke geeigneten Komponenten (Lichtquellen, Detektoren, Wellenleiter, Koppler und Sensoreinheiten), um deren Tauglichkeit für verschiedene Netzwerkarchitekturen zu bewerten. Es soll erforscht werden, welcher Zusammenhang zwischen der Systemoptimierung hinsichtlich Extraktion der Sensordaten aus der Polymerfolie, technischer Herstellbarkeit und optischer Qualität einerseits und der Funktionalität des Netzwerks andererseits besteht. Die wissenschaftlichen Herausforderungen sind daher die Entwicklung von polymeren, planar-optischen Sensorsystemen zur ortsaufgelösten 2D Dehnungsmessung, die signaltheoretische Beschreibung und Charakterisierung der notwendigen Komponenten, die Auslegung und Realisierung geeigneter Netzwerkarchitekturen sowie die erreichbaren Sensitivitäten und Spezifitäten. Sie sollen durch die Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen Roth (polymer-optische Sensorkonzepte) und Ostermann (Netzwerktechnologien und Datenverarbeitung in polymer-optischen Sensornetzwerken) gemeistert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen