Die Forscher Engincan Tekin, Ming Cao und Ajay Giri Prakash Kottapallivon der Universität Groningen nutzten den BMF microArch S240 ,um die ersten vollständig gedruckten MEMS-Durchflusssensoren herzustellen, die auf der tatsächlichen Geometrie von Dichtungswhiskern basieren – dabei erreichten sie in einem einstufigen Prozess eine Auflösung von unter 10 µm.
Die Herausforderung
Robben können die hydrodynamischen Spuren ihrer Beute in dunklem, tiefem Wasser allein mithilfe ihrer Schnurrhaare verfolgen – eine Fähigkeit, die auf der einzigartigen wellenförmigen Geometrie der Schnurrhaare beruht, welche selbst erzeugte Vibrationsgeräusche unterdrückt und schwache Signale aus dem Nachlauf verstärkt. Forscher am Institut für bioinspirierte MEMS und biomedizinische Geräte der Universität Groningen haben sich zum Ziel gesetzt, diese Funktionalität in einem funktionsfähigen MEMS-Strömungssensor nachzubilden.
Die Herausforderung: Bisherige biomimetische Schnurrhaarsensoren basierten auf vereinfachten, idealisierten Modellen. Das Team wollte mit hochauflösenden 3D-Scans der Schnurrhaare von echten Seehunden, Kegelrobben und Seelöwen arbeiten – und diese mit ausreichender Präzision herstellen, um die artspezifischen Oberflächenwellen und elliptischen Querschnitte zu bewahren, die der Geometrie ihre Bedeutung verleihen.
Herkömmliche Fertigungsverfahren reichten dafür nicht aus. Sie erforderten additive Fertigung im Mikrometerbereich.
Der Ansatz
Das Team setzte den microArch S240 von Boston Micro Fabrication ein, der mittels Projektions-Mikrostereolithografie (PµSL) skalierte Whisker-Geometrien aus HTL-Harz mit einer Schichtdicke von 10 µm druckte – und dabei eine morphologische Genauigkeit erzielte, die sowohl visuell als auch durch quantitative Strukturmessungen bestätigt wurde.
Parallel dazu stellten sie eine weiche, nachgiebige Sensorbasis her – einen künstlichen Follikel-Sinus-Komplex (FSC) – unter Verwendung einer maßgeschneiderten Harzmischung aus PDMS-ähnlichem Harz und dem UTL-Harz von BMF im Verhältnis 70:30. Der S240 druckte den FSC, einschließlich interner Mikrokanäle mit einer Breite von nur 500 µm und 20 µm breiten gewellten Schichten, ohne Stützstrukturen. Anschließend wurde Graphen-Nanoplättchen-Tinte (GNP) durch Kapillarwirkung in die Kanäle eingeleitet, um die piezoresistiven Sensorelemente zu bilden – wodurch ein vollständig gedruckter, funktionsfähiger MEMS-Sensor in einem einzigen Arbeitsgang fertiggestellt wurde.
Die Ergebnisse
Die Sensoren zeigten eine hohe Dehnungsempfindlichkeit (Dehnungskoeffizienten von 16,57 bei Zug und 10,67 bei Druck), eine stabile Leistung über 3.000 Zyklen hinweg sowie die Fähigkeit, Schwingungsauslenkungen von nur 0,5 µm bei Frequenzen von bis zu 70 Hz zu erfassen.
Bei vergleichenden Strömungstests wiesen Sensoren, die mit Schnurrhaaren von Seehunden und Kegelrobben – die sich durch ihre charakteristische wellenförmige Morphologie auszeichnen – ausgestattet waren, ein 5- bis 10-mal höheres Signal-Rausch-Verhältnis auf als solche mit glatten Seelöwen-Schnurrhaaren, was die Millionen Jahre alte evolutionäre Konstruktion in einem gedruckten MEMS-Bauteil bestätigt.
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