Entwicklung eines bionischen Infrarotsensors: Evaluation von Materialparametern und Sensorkonzepten

Abstract

Der schwarze Kiefernprachtkäfer <i>Melanophila acuminata</i> besitzt zwei paarig angeordnete infrarotsensitive Grubenorgane mit jeweils etwa 70 miniaturisierten IRSensillen.<br /> Jede dieser Sensillen bestehen aus einer komplex aufgebauten kutikulären Kugel, die aus einem äußeren exokutikukären Mantel und einem von mikrofluidischen Kanälen durchzogenen mesokutikulären Kern besteht.<br /> In eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer im unteren Bereich des Kerns ragt die Dendritenspitze eines mechanosensitiven Neurons. Eine Absorption einfallender IR-Strahlung führt zu einer Temperaturänderung der gesamten Kugel, die in einer thermischen Ausdehnung des Kerns und des darin enthaltenen Fluids resultiert. Durch diese Ausdehnung kommt es zu einer Druckerhöhung in der fluidgefüllten Kammer, die zu einer Membranauslenkung der terminalen Dendritenregion führt. <br /> Mithilfe dieses sogenannten photomechanischen Prinzips ist <i>M. acuminata</i> in der Lage absorbierte IR-Strahlung in ein schnelles mikromechanisches Ereignis umzuwandeln, das mit einem empfindlichen Mechanorezeptor registriert wird.<br /> Es wurden nach diesem biologischen Vorbild aufgebaute bionische Sensorprototypen entwickelt, anhand derer eine Evaluation verschiedener Absorber- und Sensorfluidmaterialien durchgeführt wurde. Die Prototypen bestanden jeweils aus einer fluidgefüllten Druckkammer, einem Absorber bzw. infrarotdurchlässigen Fenster und einer Membran, deren Auslenkung ausgelesen wurde.<br /> Im Rahmen der Arbeit konnten thermomechanische Materialparameter der Absorbermaterialien und der als Füllung verwendeten Fluide ermittelt werden, die einen besonders großen Einfluss auf die Stärke der Membranauslenkung, und damit auch auf die Stärke des Sensorsignals haben. So hat neben dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch der Wärmeübergangskoeffizient einen entscheidenden Einfluss auf die Signalstärke. Zudem konnten zwei Szenarien etabliert werden, die die komplexen Wärmeübergänge sowohl im biologischen Vorbild als auch im bionischen Sensor abbilden. In Abhängigkeit von der Verwendung eines Feststoffabsorbers oder eines Fluids als Absorptionsmedium unterschied sich der Einfluss der verschiedenen thermomechanischen Parameter deutlich voneinander.

The metathorax of the Black Fire Beetle <i>Melanophila acuminata</i> houses one pair of infrared (IR) pit organs with around 70 single infrared sensitive sensilla per organ.<br /> Each of these miniaturized dome shaped sensilla is built of a hard exocuticular shell and a microfluidic core consisting of spongy mesocuticle.<br /> In the lower area of the core a small fluid filled chamber is placed, that is innervated by a dendrite of a highly sensitive mechanoreceptor. Absorption of IR-radiation causes the whole sensilla to heat up, leading to an expansion of all the above described components. Due to the different thermal expansion coefficients of the materials, the expansion of the core is much higher than the expansion of the shell, causing a pressure increase in the core. This pressure deflects the terminal region of the dendrite in the fluid chamber which leads to the generation of action potentials. With this photomechanic principle the beetle is able to transform absorbed IR-radiation into a fast micromechanical event that is recorded by the mechanoreceptor.<br /> In this thesis the model of the IR-sensitive photomechanic sensilla was transferred to prototypes of biomimetic IR-sensors. These sensors where used to evaluate the applicability of different absorber materials and fluids. Each of these prototype sensors consisted of a fluidic pressure chamber, an absorber or IR-transmissive window and a deflectable membrane, whose deflection was measured. Within this thesis, thermomechanical properties of the used absorbers and fluids that have a major impact on the strength of the membrane deflection and therefore<br /> on the strength of the sensor signal were identified.<br /> Among these parameters the thermal expansion coefficient and the heat transfer coefficient have the highest impact on the signal strength. Additionally, two scenarios could be established that represent the complex heat transfer in the sensor as well as in the biological model. Depending on the use of solid and fluidic absorbers, there is a considerable difference in the effect of these parameters on the membrane deflection.