DE102023117192A1

DE102023117192A1 - Messverfahren für Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen und Sensor auf Basis von Polymer-Nanokompositen

Info

Publication number: DE102023117192A1
Application number: DE102023117192.5A
Authority: DE
Inventors: Rajarajan Ramalingame; Olfa Kanoun
Original assignee: Nanosen GmbH
Current assignee: NANOSEN GMBH, DE
Priority date: 2023-06-29
Filing date: 2023-06-29
Publication date: 2025-01-02
Also published as: WO2025002505A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen, wobei das Verfahren eine, mit dem Sensor verbundene Messvorrichtung, ein Analysemodul, ein Parameteridentifizierungsmodul und ein Überwachungsmodul aufweist, wobei
a. in einem ersten Verfahrensschritt eine Auswahl von wenigstens drei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs erfolgt und nachfolgend die Impedanz des, in den ausgewählten Frequenzen angeregten, Sensors in dem ausgewählten Frequenzbereich mittels der Messvorrichtung gemessen wird und
b. in einem zweiten Verfahrensschritt eine Analyse der gemessenen Impedanzwerte zur Bestimmung eines Impedanzmodells des Sensors mittels des Analysemoduls erfolgt und
c. in einem dritten Verfahrensschritt mit dem Parameteridentifizierungsmodul eine Identifizierung des optimalen Erfassungsparameters auf der Grundlage des Impedanzmodells erfolgt, wobei der optimale Erfassungsparameter die höchste Empfindlichkeit und Selektivität für die Anregung des Sensors aufweist und
d. mittels des Überwachungsmoduls ein optimaler Abtastparameter für die Echtzeitüberwachung der Sensorantwort bei einer oder mehreren der ausgewählten Frequenzen verwendet wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Sensor auf Basis von Polymer-Nanokompositen mit einer Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht, wobei die Nanokomposit-Sensorschicht in eine Polymermatrix eingebettete elektrisch leitfähige Nanopartikel aufweist, wobei die Nanopartikel in zumindest einer Dimension einen Durchmesser kleiner als 130 nm aufweisen und wobei eine Elektrodenstruktur in Kontakt mit der Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht ist, wobei mittels der Elektrodenstruktur elektrische Signale, die von dem Sensor als Reaktion auf angelegte Reize erzeugt werden, messbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen und einen Sensor auf Basis von Polymer-Nanokompositen nach dem Oberbegriff des ersten und elften Patentanspruchs.
Im Bereich der Elektrochemie beruhen die Bewertung und die Leistungsanalyse verschiedener Systeme auf der Verwendung eines äquivalenten Impedanzmodells. Dieses Modell wird in der Regel durch die Anwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) erreicht, die bei der Untersuchung von Sensoren für medizinische Anwendungen, Gassensoren und elektrochemischen Systemen wie Batterien, Brennstoffzellen, Korrosionsprozessen und Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen weit verbreitet ist.
Konventionell wird die EIS über einen breiten Frequenzbereich gemessen, der typischerweise von einigen Millihertz bis zu einigen Megahertz reicht. Auf der Grundlage des resultierenden Nyquist-Diagramms wird ein äquivalentes Impedanzmodell entwickelt, um das untersuchte System darzustellen. Mit Hilfe einer Kurvenanpassung werden nachfolgend die aus dem Modell gewonnenen Daten mit den gemessenen Daten verglichen. Auf diese Weise lässt sich beurteilen, wie gut das Modell mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt, wobei das Verhalten und die Eigenschaften des Systems bewertet werden können. In bestimmten Fällen werden auch einzelne Parameter des Modells analysiert, um ihren Einfluss auf die Messgröße darzustellen.
Dies trägt zu einem tieferen Verständnis der Systemreaktion und der Rolle der einzelnen Parameter bei.
Auf dem Gebiet der elektrischen Impedanzspektroskopie, das über das Gebiet der Elektrochemie hinausgeht, liegt der Schwerpunkt auf der Analyse der elektrischen Eigenschaften verschiedener Systeme, die insbesondere resistive, kapazitive und induktive Komponenten umfassen. Diese Technik liefert Erkenntnisse über das elektrische Verhalten, die Materialeigenschaften und die Reaktion des untersuchten Systems.
Die Impedanzspektroskopie wird teilweise zur elektrischen Charakterisierung von Sensoren auf der Basis von Polymer-Nanokompositen eingesetzt, die zur Messung physikalischer Reize wie Kraft, Druck, Dehnung, Temperatur und Feuchtigkeit verwendet werden können. Diese Sensoren werden über einen breiten Frequenzbereich charakterisiert, der von einigen Hertz bis zu mehreren Megahertz reicht. In der Literatur wird über den Einsatz der Impedanzspektroskopie in zweierlei Hinsicht berichtet. Zum einen als Charakterisierungswerkzeug zur Validierung gemessener Daten gegenüber simulierten Daten unter Verwendung eines Ersatzschaltungsmodells oder als Messverfahren, bei dem das gesamte Impedanzspektrum die Anregung des Sensors darstellt.
Der klassische Ansatz der Impedanzspektroskopie, bei der ein breiter Frequenzbereich durchlaufen wird, ist zeitaufwändig. Der Messvorgang kann mehrere Sekunden bis Minuten dauern, so dass er für die Echtzeitüberwachung der Sensorreaktion unpraktisch ist. Ursache ist die Frequenzabtastung, da bei der Impedanzspektroskopie die Abtastung über einen großen Frequenzbereich hinweg durchgeführt werden muss. Bei diesem Verfahren werden Impedanzmessungen an zahlreichen Punkten durchgeführt, was einen erheblichen Zeit- und Ressourcenaufwand erfordert. Der große Frequenzbereich trägt zur Gesamtdauer des Messverfahrens bei.
Diese Einschränkung erschwert die Erfassung dynamischer Veränderungen im Verhalten des Sensors.
Zudem ist die Komplexität der Implementierung der Impedanzspektroskopie in einem eingebetteten System (Embedded System) ein großer Nachteil. Die Hardware- und Softwareanforderungen für die genaue Messung der Impedanz bei mehreren Frequenzen können sehr umfangreich sein. Diese Komplexität aus Entwicklung, Integration und Wartung erhöht die Kosten und technischen Anforderungen, die mit der Integration eines solchen Systems in praktische Anwendungen verbunden sind.
Ein weiterer Nachteil liegt in der Beschränkung auf Einzelfrequenzmessungen. Durch die ausschließliche Messung bei einer bestimmten Frequenz können die Empfindlichkeit und Selektivität des Sensors beeinträchtigt werden. Verschiedene Sensorparameter können unterschiedliche Frequenzgänge haben, wobei bei der Analyse der Sensorleistung bei einer einzigen Frequenz wichtige Informationen verloren gehen können. Eine Einzelfrequenzmessung kann das Verhalten des Sensors nicht vollständig erfassen. Dies kann zu einer ungenauen Charakterisierung und suboptimalen Leistung, insbesondere einer unvollständigen Charakterisierung und einer Beeinträchtigung der Empfindlichkeit und Selektivität des Sensors führen.
Des Weiteren behindert die fehlende Echtzeitfähigkeit eine Anwendung in dynamischen Umgebungen, in denen eine sofortige und kontinuierliche Überwachung der Sensorreaktion erforderlich ist. Die Unfähigkeit, dynamische Veränderungen und Schwankungen im Sensorverhalten zu erfassen, schränkt die Effektivität bei bestimmten Anwendungen ein.
Aus der Druckschrift EP 3242128 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Verbundmaterials, wobei das Verbundmaterial aus einem mit elektrisch leitfähigen Nanopartikeln gefüllten Epoxidharz besteht, wobei mindestens eine elektrische Eigenschaft, wie die Impedanz des Verbundmaterials, durch eine mechanische Verformung beeinflusst wird.
Das Verbundmaterial ist in einen elektrischen Schaltkreis integriert, der ein elektrisches Signal aussendet, dessen Wert von der elektrischen Eigenschaft des Verbundmaterials abhängt, so dass bei Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts eine Warnmeldung ausgegeben wird. Die gemessene Eigenschaft des Sensors ist dabei insbesondere die elektrische Impedanz. Nachteilig sind die vielfachen Messungen in einem Bereich von 1 mV bis 220 V. Das bedingt viele Messungen und daher eine eingeschränkte Möglichkeit der Echtzeitüberwachung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren für Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen und einen Sensor auf Basis von Polymer-Nanokompositen zu entwickeln, welches einen einfachen konstruktiven Aufbau und ein zuverlässiges schnelles Messverfahren zur Zeitersparnis und Echtzeitfähigkeit bereitstellt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und elften Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen, wobei das Verfahren eine, mit dem Sensor verbundene Messvorrichtung, ein Analysemodul, ein Parameteridentifizierungsmodul und ein Überwachungsmodul aufweist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine Auswahl von wenigstens drei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs erfolgt und nachfolgend die Impedanz des, in den ausgewählten Frequenzen angeregten, Sensors in dem ausgewählten Frequenzbereich mittels der Messvorrichtung gemessen wird. Jedoch sind auch mehr Frequenzen innerhalb des Frequenzbereichs möglich.
In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt eine Analyse der gemessenen Impedanzwerte zur Bestimmung eines Impedanzmodells des Sensors mittels des Analysemoduls.
Nachfolgend erfolgt in einem dritten Verfahrensschritt mit dem Parameteridentifizierungsmodul eine Identifizierung des optimalen Erfassungsparameters auf der Grundlage des Impedanzmodells, wobei der optimale Erfassungsparameter die höchste Empfindlichkeit und Selektivität für die Anregung des Sensors aufweist. Im vierten Schritt wird mittels des Überwachungsmoduls ein optimaler Abtastparameter für die Echtzeitüberwachung der Sensorantwort bei einer oder mehreren der ausgewählten Frequenzen verwendet.
Bevorzugt umfasst die Impedanzmessung die folgenden Schritte:

a. ein zeit-/frequenzveränderliches Strom- oder Spannungssignal, das unter Verwendung der Diskreten Fourier-Transformation (DFT) behandelt wird, um frequenzabhängige Komponenten abzuleiten,
b. Verarbeitung der frequenzabhängigen Komponenten zur Berechnung des frequenzabhängigen Impedanz Spektrums Z(f),
c. Analyse des Impedanz Spektrums Z(f) mittels einer Signalverarbeitungseinheit, um die Schlüsselparameter des Sensors zu erhalten.

Die Erfassung und Analyse der Sensorausgabe erfolgt derart, dass zunächst der zu prüfende Sensor ohne äußere Anregungssignale mit einem zeitlich/frequenzmäßig variierenden Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt und der entsprechende Spannungs- oder Stromimpuls gemessen wird. Diese Signale werden dann mit Hilfe von Signalanalysetechniken wie der diskreten Fourier-Transformation (DFT) aufgetrennt, um die entsprechende frequenzabhängige Spannung U(f) und den Strom I(f) zu extrahieren, die die Grundlage für die Berechnung von Z(f) bilden, oder direkt die frequenzabhängige Verstärkung und Phase zu extrahieren. Der typischerweise genutzte Frequenzbereich geht von 1 Hz bis 100 MHz. Er kann je nach Sensoreffekt und Sensordimension erweitert werden. Diese Analyse liefert Einblicke in das komplexe elektrische Verhalten des Polymer-Nanokomposit Sensoren.
Das gewonnene Impedanz Spektrum wird dann mit einer Signalverarbeitungseinheit verarbeitet. Diese könnte vorteilhafter Weise z. B. auf einem Ersatzschaltkreismodell (ECM), einem neuronalen Netz (NN), einer Berechnung der verteilten Relaxationszeiten (DRT), einer Berechnung der differentiellen Impedanz Analyse (DIA) oder einer Kombination dieser und anderer Signalverarbeitungsmethoden der Impedanzspektroskopie, z. B. digitalen Filtern, basieren. Jedes dieser Verfahren kann verschiedene Schlüsselindikatoren liefern, wie z. B. verschiedene elektrische Parameter von ECM, verschiedene Merkmale und maschinelle Lernmodelle von NN, Verteilung der Zeitkonstanten von DRT und lokales Ersatzschaltbildmodell von DIA. Diese Schlüsselindikatoren werden dann verwendet, um die gewünschte Messgröße des Sensors zu verfolgen und zu messen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind die drei oder mehr ausgewählten Frequenzen gleichmäßig innerhalb des Frequenzbereichs verteilt.
Das Impedanzmodell umfasst bevorzugt einen Serienwiderstand (Rs), einen Parallelwiderstand (Rp) und eine Parallelkapazität (Cp).
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann das Impedanzmodell ein Element mit konstanter Phase (a) als Ersatz für die Parallelkapazität (Cp) im Falle eines gedrückten halbkreisförmigen Nyquist-Plots umfassen.
Der optimale Erfassungsparameter wird bevorzugt durch Auswertung der Empfindlichkeit und Selektivität jedes Parameters im Impedanzmodell bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Echtzeitüberwachung der Sensorantwort in den ausgewählten Frequenzen unter Verwendung einer eingebetteten Schaltung durchgeführt.
Die Admittanz und/oder die Permittivität und/oder die Dielektrizitätskonstante und/oder die Kapazität des Sensors werden bevorzugt auf Basis von Polymer-Nanokompositen in dem vorbestimmten Frequenzbereich gemessen.
Der erfindungsgemäße Sensor auf Basis von Polymer-Nanokompositen weist eine Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht auf, wobei die Nanokomposit-Sensorschicht in eine Polymermatrix eingebettete elektrisch leitfähige Nanopartikel auf, wobei die Nanopartikel in zumindest einer Dimension einen Durchmesser kleiner als 130 nm aufweisen. Eine Elektrodenstruktur ist in Kontakt mit der Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht, wobei mittels der Elektrodenstruktur elektrische Signale, die von dem Sensor als Reaktion auf angelegte Reize erzeugt werden, messbar sind. Besonders bevorzugt haben die Nanopartikel in zumindest einer Dimension einen Durchmesser weniger als 100 nm. Diese Nanopartikel sind für die Bereitstellung der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit verantwortlich. Sie können metallisch, kohlenstoffbasiert oder eine Kombination aus beidem sein.
Die Polymermatrix der Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht gehört zu einer oder mehreren der folgenden Polymergruppen, insbesondere zu den duroplastischen, thermoplastischen, vernetzten, elastomeren, biologisch abbaubaren und/oder leitfähigen Polymeren. Die Auswahl der Polymermatrix hängt von den spezifischen Anforderungen und der gewünschten Leistung des Sensors ab.
Die Elektrodenstruktur ist in einer Ausgestaltung in Form einer parallelen Plattenelektrodenstruktur, bei der die Sensorschicht zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet ist, ausgebildet.
Alternativ kann die Elektrodenstruktur in Form einer interdigitalen Elektrodenstruktur ausgebildet sein, bei der die Sensorschicht auf der Elektrode angebracht oder abgelagert ist, um einen elektrischen Kontakt herzustellen.
Die vorgenannten zwei Haupttypen von Elektrodenstrukturen werden üblicherweise in Sensorkonstruktionen verwendet. Der erste Typ, die parallele Plattenelektrodenstruktur ist derart ausgebildet, dass die Sensorschicht zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet ist. Diese Konfiguration gewährleistet, dass das elektrische Feld gleichmäßig über die Sensorschicht verteilt ist. Der zweite Typ ist die verzahnte Elektrodenstruktur, bei der die Elektroden in einem ineinandergreifenden Muster angeordnet sind. Bei dieser Konfiguration wird die Sensorschicht auf die Elektroden aufgebracht oder abgeschieden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Für die Herstellung dieser Elektrodenstrukturen werden je nach dem gewünschten Substrat und den Anforderungen des Sensors verschiedene Techniken eingesetzt.
Das Nanokomposit-Material des Sensors kann unter Verwendung von Techniken wie Lösungsmischen, Schmelzmischen, In-situ-Polymerisation, Elektrospinnen, schichtweises Auftragen und Einschlusspolymerisation synthetisiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Nanokomposit-Sensor unter Verwendung von Techniken wie Spin-Coating, Dip-Coating, Spray-Coating, Schicht-für-Schicht-Abscheidung, Filament-Winding, Drop-Casting, Mold-Casting, Elektrospinning, Laser-Reduktion, Hold-Pressing, 3D-Druck, Siebdruck und Inkjet-Druck hergestellt.
Die Elektroden der Elektrodenstruktur werden bevorzugt unter Verwendung von Techniken wie physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, Siebdruck, Fotolithografie, Tintenstrahldruck, Galvanisierung oder Laserablation hergestellt.
Die Wahl der Beschichtungstechnik hängt von Faktoren wie dem gewünschten Sensordesign, der Substratkompatibilität und den Herstellungsanforderungen ab
Die vorgeschlagene Erfindung bietet mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik und insbesondere dem klassischen Ansatz zur Impedanzmessung in Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen. Zum einen ist der klassische Ansatz, bei dem die Impedanzspektroskopie über einen breiten Frequenzbereich durchgeführt wird, zeitaufwändig. Die Datenerfassung dauert in der Regel mehrere Sekunden bis Minuten und ist daher für die Echtzeitüberwachung von Sensorreaktionen unpraktisch. Im Gegensatz dazu verwendet das erfindungsgemäße Verfahren ein Minimum von insbesondere drei ausgewählten Frequenzen. Das führt zu schnelleren Messzeiten ohne Einbußen bei der Genauigkeit.
Des Weiteren erfordert der klassische Ansatz komplexe eingebettete Systeme (Embedded System) zur Durchführung von Impedanzspektroskopie-Messungen. Diese Komplexität schränkt die praktische Umsetzung des Messverfahrens ein, insbesondere bei Anwendungen, die eine Echtzeitüberwachung erfordern. Die erfindungsgemäße Lösung verkürzt den Prozess des Messverfahrens und ermöglicht die Verwendung weniger komplexer eingebetteter Schaltungen, ohne die Leistung des Sensors zu beeinträchtigen.
Darüber hinaus bietet die angewandte Mehrfachfrequenz-Messung zusätzliche Vorteile. Durch die gleichzeitige Messung der Impedanz bei mehreren Frequenzen ist es möglich, den optimalen Messparameter zu ermitteln, der die höchste Empfindlichkeit und Selektivität gegenüber den Anregungen des Sensors aufweist. Dieser Messparameter ist entscheidend für die genaue Charakterisierung und Überwachung der Sensorreaktion.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht 1 zwischen einer parallelen Plattenelektrodenstruktur 2. Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Sensors in Form einer Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht 1 in Kombination mit einer verzahnten Elektrodenstruktur 3.
In 3 ist die Messsequenz dargestellt, die die verschiedenen Parameter des Sensors liefert. Dazu erfolgt eine Berechnung in einer Recheneinheit 4 und die Weitergabe an eine Signalverarbeitungseinheit 5. Mittels der Signalverarbeitungseinheit 5 werden die Schlüsselindikatoren 6 ermittelt.
In 4 ist ein Plot dargestellt, der die Korrelation zwischen den verschiedenen Parametern der Sensorantwort und dem Anregungssignal zeigt. Einige oder alle diese Parameter werden gemäß 5 einer Signalverarbeitungseinheit 5 zugeführt, die die Messgröße 7 liefert.
In 6 ist ein typisches Nyquist-Diagramm des auf Polymer-Nanokompositen basierenden Sensors dargestellt, wobei die Kurven mit einer Variante mit paralleler Kapazität und einer Variante mit konstantem Phasenelement dargestellt sind. Ein typisches Ersatzschaltbild für die Variante mit paralleler Kapazität und konstantem Phasenelement ist in 7 dargestellt. 8 zeigt eine Darstellung eines typischen realen Verlaufs der Impedanzkurve, aufgetragen gegen den Logarithmus der Frequenz, wobei mindestens drei Frequenzen gewählt wurden, die in verschiedenen Frequenzdekaden äquidistant sind. In 9 ist ein Diagramm dargestellt, das die Korrelation zwischen den verschiedenen Parametern des Ersatzschaltbildes und der gemessenen Größe zeigt.
In den 6 bis 9 wird ein Beispiel für die Verwendung von ECM als Signalverarbeitungseinheit näher erläutert. Die frequenzabhängige Impedanz des Sensors wird ermittelt, und es wird ein Nyquist-Diagramm erstellt (6), dass die komplexe Impedanz des Sensors anzeigt. Die Nyquist-Darstellung zeigt drei Parameter von Interesse: Serienwiderstand (Rs), Parallelwiderstand (Rp), Parallelkapazität (Cp). In bestimmten Fällen kann die Nyquist-Darstellung eine gedrückte halbkreisförmige Form aufweisen, was auf das Vorhandensein eines Konstant-Phasen-Elements (CPE) anstelle von Cp hinweist. Durch eine sorgfältige Analyse des Nyquist-Diagramms und die Extraktion der relevanten Parameter kann eine umfassende ECM erstellt werden ( 7), um die elektrische Reaktion des auf einem Polymer-Nanokomposit basierenden Sensors darzustellen.
Um eine umfassende Analyse des auf Polymer-Nanokompositen basierenden Sensors zu gewährleisten, werden mindestens drei Frequenzen für die drei Parameter ausgewählt (wie in 8 dargestellt). Diese Parameter (siehe 9) werden dann verwendet, um die Reaktion des Sensors bei einer oder mehreren der ausgewählten Frequenzen zu messen. Durch dieses Verfahren werden sowohl die Empfindlichkeit als auch die Selektivität des Sensors für einen bestimmten Erfassungsparameter erheblich verbessert. Diese Verstärkung ermöglicht eine präzisere und genauere Messung der Reaktion des Sensors auf die gewünschten Anregungssignale. Folglich wird die Gesamtleistung des Sensors und seine Fähigkeit, bestimmte Anregungssignale in Echtzeit zu erkennen und zu unterscheiden, erheblich verbessert.
Außerdem kann das Messverfahren mit verschiedener Impedanz relevanten Größen durchgeführt werden. Dazu gehören die komplexe Admittanz (G* = 1/Z*), das dielektrische Modul (M* = jωZ*) und die Kapazität (K* = 1/M*). Um die Wirksamkeit des Verfahrens zu erhöhen, können zwei oder mehr Frequenzen gewählt werden. Durch die Einbeziehung mehrerer Frequenzen kann ein robusteres und genaueres Modell erzielt werden, was zu einer verbesserten Genauigkeit, Empfindlichkeit und Selektivität des Sensors führt.
Zusätzlich zur Empfindlichkeit und Selektivität ermöglicht das Verfahren die Analyse und Überwachung verschiedener anderer Eigenschaften des Sensors. Zu diesen Eigenschaften gehören Linearität, Alterungseigenschaften, Homogenität und vieles mehr. Durch die Anwendung desselben Verfahrens kann ein umfassendes Verständnis der Leistung und des Verhaltens des Sensors erreicht werden, was eine gründliche Bewertung und Optimierung seiner Gesamtfunktionalität ermöglicht.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird ein optimiertes Messverfahren für Sensoren auf der Basis von Polymer-Nanokompositen bereitgestellt, das sich auf eine gleichzeitige Impedanzmessungen bei mehreren Frequenzen in einem festgelegten Frequenzbereich konzentriert, wobei die Frequenzen auf die Anregung des Sensors abgestimmt sind.
Verfahrensgemäß wird ein umfassender Satz von Impedanzwerten gemessen, die verschiedenen Eigenschaften des Polymer-Nanokomposits darstellen.
Mittels der Analyse der gemessenen Impedanzen werden verschiedene Parameter innerhalb eines Impedanzmodells abgeleitet, welche das Verhalten des Polymer-Nanokomposit-Sensors exakt darstellen. Jeder Parameter ist einem bestimmten Merkmal oder einer Eigenschaft des Sensors zugeordnet. Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen den Parametern und der gewünschten Sensorleistung kann der Parameter identifiziert werden, der den größten Einfluss auf das Erreichen des gewünschten Ergebnisses ausübt.
Dieser ermittelte Parameter, der so genannte optimale Erfassungsparameter, wird dann als Schlüsselfaktor für den Betrieb des Sensors und für die Leistungsoptimierung verwendet. Durch die Überwachung des optimalen Sensorparameters werden die Nachteile der üblichen Messverfahren stark minimiert und die Gesamtleistung von Sensoren auf der Basis von Polymer-Nanokompositen maximiert.
Bezugszeichenliste

1: Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht
2: Plattenelektrodenstruktur
3: Elektrodenstruktur
4: Recheneinheit
5: Signalverarbeitungseinheit
6: Schlüsselindikatoren
7: Messgröße

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3242128 A1 [0010]

Claims

Messverfahren für Sensoren auf Basis von Polymer-Nanokompositen, wobei das Verfahren eine, mit dem Sensor verbundene Messvorrichtung, ein Analysemodul, ein Parameteridentifizierungsmodul und ein Überwachungsmodul aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a. in einem ersten Verfahrensschritt eine Auswahl von wenigstens drei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs erfolgt und nachfolgend die Impedanz des, in den ausgewählten Frequenzen angeregten, Sensors in dem ausgewählten Frequenzbereich mittels der Messvorrichtung gemessen wird und dass b. in einem zweiten Verfahrensschritt eine Analyse der gemessenen Impedanzwerte zur Bestimmung eines Impedanzmodells des Sensors mittels des Analysemoduls erfolgt und dass c. in einem dritten Verfahrensschritt mit dem Parameteridentifizierungsmodul eine Identifizierung des optimalen Erfassungsparameters auf der Grundlage des Impedanzmodells erfolgt, wobei der optimale Erfassungsparameter die höchste Empfindlichkeit und Selektivität für die Anregung des Sensors aufweist und dass d. mittels des Überwachungsmoduls ein optimaler Abtastparameter für die Echtzeitüberwachung der Sensorantwort bei einer oder mehreren der ausgewählten Frequenzen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzmessung die folgenden Schritte umfasst: a. ein zeit-/frequenzveränderliches Strom- oder Spannungssignal, das unter Verwendung der Diskreten Fourier-Transformation (DFT) behandelt wird, um frequenzabhängige Komponenten abzuleiten, b. Verarbeitung der frequenzabhängigen Komponenten zur Berechnung des frequenzabhängigen Impedanz Spektrums Z(f), c. Analyse des Impedanz Spektrums Z(f) mittels einer Signalverarbeitungseinheit, um die Schlüsselparameter des Sensors zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit ein Ersatzschaltungsmodell zum Extrahieren verschiedener elektrischer Parameter und/oder ein neuronales Netzwerk zum Extrahieren verschiedener Merkmale und das Anwenden von Modellen des maschinellen Lernens oder eine Analyse der verteilten Relaxationszeiten zum Bestimmen der Verteilung der Zeitkonstanten oder eine differentielle Impedanz Analyse zum Ableiten eines lokalen Ersatzschaltungsmodells umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei oder mehr ausgewählten Frequenzen gleichmäßig innerhalb des Frequenzbereichs verteilt sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzmodell einen Serienwiderstand (Rs), einen Parallelwiderstand (Rp) und eine Parallelkapazität (Cp) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzmodell ein Element mit konstanter Phase (a) als Ersatz für die Parallelkapazität (Cp) im Falle eines gedrückten halbkreisförmigen Nyquist-Plots umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Erfassungsparameter durch Auswertung der Empfindlichkeit und Selektivität jedes Parameters im Impedanzmodell bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Echtzeitüberwachung der Sensorantwort in den ausgewählten Frequenzen unter Verwendung einer eingebetteten Schaltung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Admittanz und/oder die Permittivität und/oder die Dielektrizitätskonstante und/oder die Kapazität des Sensors auf Basis von Polymer-Nanokompositen in dem vorbestimmten Frequenzbereich gemessen wird.
Sensor auf Basis von Polymer-Nanokompositen zur Durchführung eines Messverfahrens nach Anspruch 1 mit einer Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanokomposit-Sensorschicht in eine Polymermatrix eingebettete elektrisch leitfähige Nanopartikel aufweist, wobei die Nanopartikel in zumindest einer Dimension einen Durchmesser kleiner als 130 nm aufweisen und dass eine Elektrodenstruktur in Kontakt mit der Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht ist, wobei mittels der Elektrodenstruktur elektrische Signale, die von dem Sensor als Reaktion auf angelegte Reize erzeugt werden, messbar sind.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix der Polymer-Nanokomposit-Sensorschicht zu einer oder mehreren der folgenden Polymergruppen gehört: duroplastische, thermoplastische, vernetzte, elastomere, biologisch abbaubare und leitfähige Polymere.
Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur in Form einer parallelen Plattenelektrodenstruktur, bei der die Sensorschicht zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet ist, ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur in Form einer interdigitalen Elektrodenstruktur ausgebildet ist, bei der die Sensorschicht auf der Elektrode angebracht oder abgelagert ist, um einen elektrischen Kontakt herzustellen.
Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanokomposit-Material unter Verwendung von Techniken wie Lösungsmischen, Schmelzmischen, In-situ-Polymerisation, Elektrospinnen, schichtweises Auftragen und Einschlusspolymerisation synthetisiert wird.
Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanokomposit-Sensor unter Verwendung von Techniken wie Spin-Coating, Dip-Coating, Spray-Coating, Schicht-für-Schicht-Abscheidung, Filament-Winding, Drop-Casting, Mold-Casting, Elektrospinning, Laser-Reduktion, Hold-Pressing, 3D-Druck, Siebdruck und Inkjet-Druck hergestellt wird.
Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Elektrodenstruktur unter Verwendung von Techniken wie physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, Siebdruck, Fotolithografie, Tintenstrahldruck, Galvanisierung oder Laserablation hergestellt werden.