Autoren: Dr. Bernhard Brunner, Marie-Luise Righi, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg

Dehnbare Sensoren für smarte Textilien

13.5.2019

Das Fraunhofer ISC entwickelt Dehnungs- und Drucksensoren auf der Basis extrem elastischer dielektrischer Elastomere (DES) speziell für den Einsatz in Textilien. DES sind eine neue Klasse mechanischer Sensoren zur Messung von Verformungen, Kräften und Drücken. Sie eignen sich aufgrund ihrer hohen Elastizität, Weichheit und Flexibilität besonders gut für die Integration in Gewebe oder Gewirke.

Sensorkomponenten und Integration in Textilien

DES bestehen aus dünnen Elastomerfolien, die eine Stärke von nur 0,5 Millimetern haben, und hochelastischen Elektrodenflächen auf beiden Seiten der Folie. Dadurch entsteht ein elastischer Kondensator. Diese speziellen Flächenelektroden bestehen aus elektrisch leitfähigen Partikeln, die in eine elastische Matrix integriert sind. Bei Zugbelastung oder Verformung vergrößert sich die Oberfläche, während gleichzeitig die Dicke der Sensorfolie abnimmt. Die damit verbundene Kapazitätserhöhung wird als Messsignal weiterverarbeitet und lässt sich mit der Verformung korrelieren.

Siliconkautschuk bietet durch chemische Vernetzung große Variationsmöglichkeiten für die Festigkeit. Dadurch kann das Material des Sensors an spezifische Anforderungen in Bezug auf die jeweilige Anwendung bzw. die verwendeten Textilien angepasst werden. Die Textilintegration wird durch Verkleben in das Textil erreicht. Das Messsignal wird über ebenfalls integrierte leitfähige Garne weitergeleitet.

Die Sensortypen

DES können eingesetzt werden, um Verformungen und Dehnungen um bis zu 100 Prozent zu messen, selbst auf gekrümmten Oberflächen. Lineare Deformationen, z. B. die Haltung des menschlichen Rückens, können detektiert werden. Druckbelastungen können durch spezielle Profile hoch empfindlich (ab 10 kPa) gemessen werden. Darüber hinaus lassen sich sogar Sensorarrays durch das Strukturieren der Elektroden auf dem Elastomerfilm aufbauen. Zu diesem Zweck werden die Elektroden ein- oder zweidimensional in Segmente unterteilt und elektrisch separat aktiviert. Dadurch kann die auf den Film wirkende Kraft genau lokalisiert oder eine Druckverteilung erfasst werden.

Einsatzgebiete

Flexible, elastische und hochintegrierbare Sensoren eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Beginnend mit der dreidimensionalen Fußdruckmessung in einem Strumpf, um Druckgeschwüren vorzubeugen, entwickelte das Fraunhofer ISC Sensorkonzepte für die dreidimensionale Druckmessung, die in Arbeitshandschuhe integriert sind, tragbare Druckmessmatten für eine transportable Belastungsmessung oder für die Steuerung von Spielen und die Kontrolle beim Fitnesstraining, Kollisionserkennung in Mensch-Maschine-Schnittstellen, integrierte Schalter in Textilien und gekrümmten Oberflächen, Sitzbezüge zur Belastungsmessung sowie Sensoren zur Erkennung von Haltungsfehlern des menschlichen Rückens. Nachdem der Machbarkeitsnachweis erbracht wurde, sind DES gut vorbereitet zur weiteren Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen.

© Fraunhofer ISC
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