Optisch auslesbarer Drucksensor auf Basis einer nanostrukturierten Membran

Abstract:
Es wird ein Drucksensor vorgestellt, der auf der Verformung einer periodisch nanostrukturierten Membran beruht. Der Sensor besteht aus einer flexiblen Membran aus Polydimethylsiloxan (PDMS), die mit einer optischen Wellenleiterschicht aus TiO2 Nanopartikeln versehen ist. Diese ca. 0,2 mm² große runde Membran schließt einen ca. 22 mm³ Hohlraum in einem ebenfalls aus PDMS gefertigten Gehäuse gegenüber der Umgebung ab. Eine Druckdifferenz zwischen den zwei Seiten der Membran verursacht eine Verformung dieses flexiblen photonischen Kristalls und damit durch die Dehnung der Membran und die Änderung des Betrachtungswinkels eine Verschiebung der Resonanzen im Spektrum. In einer bildgebenden, spektrometerfreien Messung mit gekreuzten Polarisationsfiltern wird die Verschiebung der Resonanzen als Farbänderung sichtbar gemacht. Es werden die Farbverläufe auf der gewölbten Membran für zwei Druckniveaus (3000 Pa und 4000 Pa) für jeweils 40 s aufgezeichnet. Für die drei Farbkanäle wird die Detektionsgrenze (limit of detection, LOD) bei Mittelung über die gesamte Membran bestimmt. Es ergeben sich LOD-Werte von 1506 Pa (roter Farbkanal), 167 Pa (grün) und 710 Pa (blau). Weiterhin werden die LOD-Werte ortsaufgelöst für 10 µm x 10 µm große Mittelungsquadrate ausgewertet. Der beste erreichte LOD-Wert beträgt 79 Pa. Ein solcher optisch auslesbarer Sensor ist insbesondere interessant für die Messung des Augeninnendrucks. Hierbei ist ein LOD von unter 200 Pa ausreichend.