Post-doc onderzoeker Shivaram Arunachalam keek dan ook naar de dierenwereld voor het ontwikkelen van een nieuwe in situ realtime flowsensor, die met een combinatie van 3D en inkjetprinting kan worden gemaakt. Deze sensor is relatief goedkoop, werkt zonder batterijen en kan mogelijk met hernieuwbare materialen worden samengesteld. Half september hield hij een online lezing over zijn onderzoek.
Stromingssensoren worden in de procesindustrie al lange tijd breed toegepast. Er zijn dan ook talloze elektromechanische (MEM) varianten beschikbaar, die gebruik maken van halfgeleider-elektronica. De fabricage van deze sensoren is tijdrovend en duur, omdat er cleanrooms met speciale, toegewijde apparatuur nodig zijn met fouttoleranties op nanometerniveau, maar ook door een wereldwijd tekort aan halfgeleiderchips. Bovendien zijn ze niet duurzaam. Bij de productie worden doorgaans schadelijke chemicaliën gebruikt.
Nanomasts
Vissen hebben ook flowsensoren, waardoor ze kunnen zwemmen in stromend water. Zij zijn uiteraard niet afhankelijk zijn van elektronica. Aan beide zijden van het lichaam hebben ze zogeheten ‘nanomasten’: zintuigen die bestaan uit microscopisch kleine haartjes die elektrische zenuwstroompjes opwekken, waarmee de vis voelt hoe het water langs zijn lichaam stroomt.
“Deze structuur kunnen we repliceren om een flowsensor te maken”, zegt Arunachalam. “Daarbij detecteert een ‘mast’ van flexibel polymeermateriaal de beweging, waarbij een inkjetgeprinte piëzoresistieve rekdraad wordt vervormd, die daardoor elektriciteit opwekt, afhankelijk van de stroming.”
Deze sensoren zijn te produceren met een 3D- of inkjetprinter. Dat is kosteneffectief en verkort de prototypingtijd. Wel is hiervoor een bijzonder precieze printer nodig met een stapgrootte van slechts 10 micron. “Dit is ideaal voor het printen van elektronica.”
Uitdagingen
Eerste tests met de nieuwe sensor tonen aan dat het werkt. Het onderzoek staat echter pas in de kinderschoenen. Een grote uitdaging is het voorkomen van oxidatie van de op metalen gebaseerde inkten onder inwerking van de te meten vloeistoffen. “We proberen de sensor tussen twee transparante lagen in te bedden. Idealiter moeten we de levensduur daarmee tot zeker vijf jaar kunnen verlengen, maar zo ver zijn we nog niet.” Verder is er nog werk nodig aan het verbeteren van de printtechniek, zodat de resultaten constenter zijn, de geringe commerciële beschikbaarheid van de inkten, de noodzaak om op een volledig glad oppervlak te printen, de kwetsbaarheid van de printkoppen en de geringe temperatuurbestendigheid van flexibele substraten. Arunachalam verwacht dat die in de toekomst eerder van onconventionele materialen zulen worden gemaakt. Grafeen is volgens hem een goede kanshebber.
“Uiteindelijk is het de bedoeling de flowsensor te integreren in het systeem van balvormige multisensoren (‘motes’) die zijn ontwikkeld door TU/e en Antea Group voor gebruik in chemische reactoren.” De motes, ter grootte van golfballen, bevatten op dit moment al een acceleratiemeter, een gyroscoop een magnetometer. De flowsensor zou hieraan een welkome toevoeging zijn. “We hopen midden 2022 een werkend prototype te hebben”, aldus Arunachalam.
Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met Hanzehogeschool Groningen.
Beeld bovenaan: Damsea/Shutterstock
