Hydrogelbasierte, bistabile Sensorschalter zur energieautarken Überwachung und Steuerung von Feuchte

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Konzept und dem Aufbau eines leistungslosen, feuchtesensitiven Schwellwertschalters auf Grundlage des BIZEPS-Konzepts (Binary-Zero-Power-Sensor).

Für die sensorische Funktion des Schwellwertschalters wird ein feuchtesensitives Hydrogel auf Balken aus Federblech oder auf Siliziumbiegeplatten strukturiert aufgebracht. Das Hydrogel quillt oder entquillt bei Änderung der umgebenden Feuchte und stellt dabei durch die Volumenänderung mittels des Bimorph-Effekts mechanische Energie zur Auslenkung von Balken oder Platten bereit. Aktuell detektieren Sensoren Einflussgrößen kontinuierlich und benötigen dabei eine Auswertungs- sowie Steuerungselektronik. Mit einem energieautarken Sensorschalter, der ein binäres Schaltverhalten zeigt, kann auf die Auswertungs- und Steuerungselektronik verzichtet werden. Dabei soll der Sensorschalter jeweils einen von zwei möglichen stabilen Schaltzuständen annehmen können.
Schwerpunkte dieser Arbeit sind die Realisierung des Sensors mit seiner Schaltfunktion, dessen Miniaturisierung und die Modellierung auf Basis der Balken- sowie Plattentheorie. Die Schalthysterese des Sensorschalters wird durch eine Axialkraft erzeugt, welche dabei entweder durch eine entsprechende Druckkraft (Makrodemonstrator) oder durch die Abscheidung einer Dünnschicht auf die Biegeplatte (MEMS-Demonstrator) erzeugt wird. Durch Erweiterung der mechanischen Modelle um diese Axialkraftkomponente kann das charakteristische Schaltverhalten eines bistabilen Schwellwertschalters abgebildet werden.