Entwicklung von Drucksensorkonzepten auf Basis von Parameteränderungen an photonischen Kristallen zur Kleinstdruckmessung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Problemstellung der Druckmessung von geringen Druckdifferenzen im Bereich bis ca. 3000 Pascal (Pa). Dies sind Druckdifferenzen, wie sie z. B. im Inneren des menschlichen Auges auftreten, weshalb diese Arbeit auch mit dem Fernziel der Realisierung eines implantierbaren Drucksensors für das Auge durchgeführt wurde. Im Speziellen ging es hierbei um eine Druckmessung mittels mechanischer Verformung einer Membran und die Wandlung dieses mechanischen in ein optisches Signal. Diese Wandlung geschah über den Einsatz planarer photonischer Kristallstrukturen. Die Verformung einer Membran, die ein abgeschlossenes Referenzvolumen gegenüber dem zu messenden Druckniveau begrenzte, wurde in der ersten der beiden in dieser Arbeit untersuchten Methoden genutzt. Der photonische Kristall auf ihrer Oberfläche wurde verformt und so sowohl die Periodizität, also auch Bestrahlungswinkel und Hochindexmaterialstruktur, geändert. Diese Änderung schlug sich in einer lokalen Änderung der Modenstruktur nieder, welche durch entsprechende Filterverfahren als Farbmuster sichtbar gemacht wurden. Speziell für diesen Sensor wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode zur Herstellung eines sehr flexiblen, gleichzeitig aber auch stabilen planaren photonischen Kristalls entwickelt. Nur mit einem solchen Kristall ließ sich eine wiederholte starke Verformung ohne Verschleiß des Kristalls in ein Farbmuster umwandeln. Der Kristall basiert auf einer nanostrukturiert geprägten Polymermembran, die über ein Spinncoat-Verfahren eine Hochindexschicht zur Wellenleitung aus Hochindexnanopartikeln erhält. In der zweiten Methode zur Druckmessung wurde die Verformung einer Polymermembran durch den zu messenden Druck dazu genutzt, die Membran gegen eine plane Fläche zu pressen. Die Größe der Berührungsfläche stand hierbei in Korrelation zum anliegenden Druck. Um die Auswertbarkeit der Fläche zu verbessern, wurde die plane Oberfläche mit einem planaren photonischen Kristall versehen. Durch die Berührung der Membran entstand an dieser Stelle eine starke Erhöhung des für die Moden im Kristall effektiven Brechungsindex, da die Membran selbst einen deutlich höheren Brechungsindex aufwies als das vorher präsente Gasvolumen. So ergab sich eine starke lokale Modenverschiebung, welche sich wiederum mit entsprechender Filterung als starker Farbkontrast sichtbar machen ließ. Für beide Methoden konnten Sensoren hergestellt werden, deren Sensorfläche einen Durchmesser in der Größenordnung eines Millimeters besaßen. Hierdurch wurde gezeigt, dass sie, was die Größendimensionen angeht, für einen möglichen Einsatz als implantierbarer Augeninnendrucksensor in Frage kamen. Auch konnten erfolgreich wiederholt Druckkurven mit diesen Sensoren aufgenommen werden. Zu den in dieser Arbeit nicht mehr gelösten Herausforderungen gehören materialtechnische Probleme. Durch die Membran konnten über die Zeit Gase und Flüssigkeiten diffundieren, was eine Dekalibrierung des Sensors zur Folge hatte. Dies müsste durch andere Materialien für die Membran oder eine Versiegelung stark reduziert werden. Eine weitere Herausforderung für die Zukunft ist in der zweiten Messmethode die Adhäsion der Membran zum planaren photonischen Kristall. Diese sorgt dafür, dass bei einem abfallenden Druck die Berührungsfläche nicht im gleichen Maß kleiner wurde, wie sie beim Druckanstieg anwuchs. Eine Veränderung der Materialien oder der Oberflächeneigenschaften sowohl des Kristalls als auch der Membran könnten dieses Problem lösen.
This thesis deals with the problem of pressure measurement of low-pressure differences in the range up to approx. 3000 Pascal (Pa). These are pressure differences, as they occur for instance inside the human eye, which is why this work was also carried out with the long-term goal of realizing an implantable pressure sensor for the eye. In particular, it deals with pressure measurement by means of mechanical deformation of a membrane and the conversion of this mechanical signal into an optical signal. This conversion takes place through the use of planar photonic crystal structures. The deformation of a membrane, which limited a reference volume against the pressure level to be measured, was used in the first of the two methods investigated in this work. The photonic crystal on its surface was deformed, changing the periodicity, as well as the irradiation angle and the high-index material structure. These changes were reflected in a local change in the mode structure, which has been made visible as a colour pattern using an appropriate filtering process. Especially for this sensor a method for the production of a very flexible, but at the same time stable, planar photonic crystal was developed in scope of this work. Only with such a crystal a strong repetitive deformation could be converted into a colour pattern without damage to the crystal. The crystal was based on a nano-structured embossed polymer membrane, which was given a high-index layer from high-index nanoparticles using a spin-coat process as a waveguide. In the second method of pressure measurement, the deformation of a polymer membrane, which is caused by the pressure to be measured, was used to press the membrane against a flat surface. The size of the contact area is related to the pressure applied. In order to improve the evaluability of the contact surface, the planar surface was provided with a planar photonic crystal. The membrane touching the photonic crystal surface resulted in a strong increase in the effective refractive index for the modes in the crystal in that area, since the membrane itself had a significantly higher refractive index than the gas volume previously present. This creates a strong local mode shift, which in turn could be made visible as a strong colour contrast with appropriate filtering. For both methods it was possible to produce sensors with a sensor area diameter in the order of a millimetre. This showed that they would be suitable for usage as an implantable intraocular pressure sensor in terms of size. Pressure curves could also be successfully recorded repeatedly with these sensors. Problems in terms of the materials belong to the challenges not solved in this thesis. Gases and liquids could diffuse through the membrane over time, which resulted in a decalibration of the sensor. This would have to be greatly reduced by using other materials for the membrane or sealing of the surface. Another challenge for the future is the adhesion of the membrane to the planar photonic crystal in the second measurement method. This ensures that when the pressure drops, the contact surface does not become smaller to the same extent as it grew when the pressure increased. Changing the materials or the surface properties of both the crystal and the membrane could solve this problem.
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