Development and characterization of flexible and stretchable substrates with integrated sensors

• Entwicklung und Charakterisierung von flexiblen und dehnbaren Substraten mit integrierten Sensoren

Fischer, Ronald; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor); Ohm, Jens-Rainer (Thesis advisor); Seidl, Karsten (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Dehnbare Elektronik ist bereits durch ihre Anwendung mechanischen Spannungen unterlegen. Damit die Elektronik diese Dehnungen mitmacht, muss sie entsprechend ausgelegt und durch einen geeigneten Herstellungsprozess sicher im Substratmaterial verankert werden. Hierfür wird ein Transferprozess von mäanderförmigen Mikrostrukturen in extra weiches PDMS gewählt. Die Bindung wird dabei durch ein spezielles Linkermolekül erreicht. Werden weitere Komponenten, wie Sensorchips, in solche Systeme integriert, muss ein besonderes Augenmerk auf die Belastung des Chips, seine elektrische Kontaktierung sowie dem Übergang von Chip zu Substrat gelegt werden. Durch eine Deckschicht aus PDMS auf dem Chip kann einerseits die Belastung dieses Übergangs reduziert werden und andererseits der Chip vorm Herausfallen aus dem Substrat sowie vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Damit sich die Chips den von außen vorgegebenen Verformungen anpassen können, müssen diese ebenfalls flexibel sein. Daher werden Chips durch Schleifprozesse auf wenige zehn Mikrometer gedünnt und somit flexibilisiert. Jedoch führen Dehnungen des Gesamtsystems zu mechanischen Belastungen im Chip, die starke Signalschwankungen der Sensoren verursachen können. Anhand von kapazitiven CMOS Drucksensoren wird gezeigt, dass solche Effekte durch Stapeln zweier identischer Sensoren und Anwenden eines geeigneten Algorithmus eliminiert werden können. Dieser Algorithmus vergleicht die Messwerte, welche von mechanischen Spannungen abhängen, mit einem spannungsfreien Aufbau und stellt daraus eine Kompensationsgleichung auf. Somit werden nicht nur mechanische Belastungen durch Dehnung des Gesamtsystems, sondern auch jegliche unerwünschten Einflüsse auf die Sensoren kompensiert. Eine Anwendung als künstliche Haut weist auf weitere Herausforderungen bei der Integration von dehnbarer Elektronik und Sensorchips in Systeme hin.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]