Wissenschaftlerinnen fertigen Sensoren auf Papier

Jenny Blackburn von der Purdue University inspiziert die mittels Kathodenzerstäubung hergestellten Papier-Sensoren. (Foto: Autumn Pratt)

IMPT | Kann man neue Ideen, die auf Papier entstehen, auch auf Papier produzieren? Ist es möglich, Sensoren für Computer oder Smartphones in ein Blatt Papier zu integrieren? An dieser Zukunftsvision arbeiten Wissenschaftlerinnen am Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT).

Papier ist ein umweltfreundlicher Rohstoff, nachhaltig, günstig und reichlich vorhanden. Doch lassen sich aus Papier auch technische Geräte herstellen? Ja, sagt Meriem Akin, die seit drei Jahren Papier als Rohstoff für die Produktionstechnik initiierend erforscht. Papier lasse sich beispielsweise löten, galvanisieren und fotolithografisch strukturieren. „Ich hätte anfangs selbst nicht gedacht, dass das funktioniert“, sagt Akin. „Aber Papier ist sehr flexibel und viel robuster, als man denkt.“

Für ihre Doktorarbeit am IMPT hat Akin einen kostengünstigen Sensor auf Papier-Basis entwickelt – einen sogenannten anisotrop magneto-resistiven (AMR) Sensor, der mithilfe eines schwachen Magnetfelds Rotationsbewegungen messen kann. AMR-Sensoren registrieren beispielsweise, ob ein Smartphone hochkant oder quer gehalten wird oder ob ein Laptop auf- oder zugeklappt ist.

Junge Unterstützerinnen aus dem Ausland

Gefertigt werden magneto-resistive Sensoren üblicherweise auf Halbleiter- und Polymerbasis – dieselbe Technologie auf Papier zu erforschen ist jedoch eine andere Welt. Das unkonventionelle Material fasziniert nicht nur Akin, sondern junge Wissenschaftler aus der ganzen Welt, darunter Autumn Pratt von der University of Idaho und Jenny Blackburn von der Purdue University. Die beiden Bachelorstudentinnen wurden in diesem Jahr von Akin für kurze Forschungsaufenthalte ans IMPT rekrutiert und halfen bei Fertigungs- und Charakterisierungsexperimenten des Papier-basierten AMR-Sensors.

Die amerikanischen Studentinnen untersuchten Papier unter dem Mikroskop, im Reinraum und als Sensorträger und machten faszinierende Beobachtungen: Dass sich beispielsweise das Präzisionsschneiden einer Papierstruktur unter dem Mikroskop wie das Schneiden eines Käsekuchens verhält, ist eine der amüsanten Anekdoten ihrer Forschungsberichte, erzählt Akin.

Außen einfach, innen vielfältig

Von außen mag ein Blatt Papier homogen und ungemein einfach wirken. Ein eingehender Ingenieursblick deckt jedoch eine Reihe von komplexen Eigenschaften auf, wie die stochastische dreidimensionale Verteilung der Faser über die Papieroberfläche, die Luftfüllung im Papier oder das Verformungsvermögen eines Papierblatts. „Das ist alles andere als ein klassisch ausgebildeter Ingenieur als Unterlage für die Herstellung von AMR-Mikrosensoren wählen würde“, sagt Meriem Akin.

Im Laufe der Promotionsarbeiten hat sie Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen der Papierbeschaffenheit und den magnetischen Schichten gewonnen – zum einen mittels Computermodellierung, zum anderen mit empirischen Untersuchungen. Übliche Fertigungsverfahren der Dünnfilmtechnik wie die Kathodenzerstäubung und Feinstrukturierung mittels Schattenmasken wurden für die Beschichtung der Papiersubstrate optimiert. Schließlich ist ein funktionierender Papier-basierter AMR-Sensor entwickelt worden, der Drehungen in der Ebene zwischen 0 und 180 Grad messen kann.

Papier als Werkstoff der Zukunft?

Ein gewöhnliches Blatt Druckerpapier ist etwa 80 Mikrometer dick. Siliziumsubstrat, auf dem Sensoren normalerweise hergestellt werden, misst dagegen rund 500 Mikrometer. Der Werkstoff Papier könnte also helfen, noch dünnere Mikrosensoren herzustellen als bisher.

Vor allem jedoch könnte Papier einer nachhaltigen Produktionstechnik dienen – schließlich sei Zellulose eine reichlich vorhandene und erneuerbare natürliche Ressource, sagt Akin. Da Papier einfach zugänglich und kostengünstig ist, könnte es beispielsweise für die additive Fertigung von Produktprototypen benutzt werden. Und Sensoren auf Papierbasis könnten bisher teure Technologien deutlich günstiger machen. „Mit Papier lässt sich so viel mehr herstellen als nur Einwegbecher und Zeitungen“, sagt Meriem Akin. „Ich hätte da noch viele Ideen für die Zukunft.“

von Susann Reichert

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Jenny Blackburn von der Purdue University inspiziert die mittels Kathodenzerstäubung hergestellten Papier-Sensoren. (Foto: Autumn Pratt)
  • Autumn Pratt von der University of Idaho charakterisiert den Papier-Sensor im Magnetfeld. (Foto: Jennifer Blackburn)
  • Detailansicht der Faserverteilung auf einer Papieroberfläche. (Foto: Meriem Akin, Alexander Kusch)
  • Erste Sensorgeneration: Anisotrop magneto-resistiver Sensorstreifen auf einem Papierträger. (Foto: Meriem Akin, Kai Wilken)
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