Neue flexible Terahertz-Kamera ermöglicht sichere, präzise Inspektion komplexer Objektformen

Im heutigen digitalen Zeitalter ist der Einsatz von „Internet-of-Things“-Geräten (mit Software und Sensoren eingebettet) weit verbreitet. Dazu gehören drahtlose Geräte, autonome Maschinen, Wearable-Sensoren und Sicherheitssysteme. Aufgrund ihrer komplexen Strukturen und Eigenschaften besteht Bedarf, sie genau zu prüfen, um Sicherheit und Nutzen zu bewerten und potenzielle Defekte auszuschließen. Gleichzeitig muss eine Beschädigung des Geräts während der Inspektion vermieden werden.

Terahertz-Bildgebung

Terahertz (THz)-Bildgebung, basierend auf Strahlung mit Frequenzen zwischen 0,1 und 10 THz, ist eine solche zerstörungsfreie Methode, die aufgrund hoher Penetration, Auflösung und Sensitivität schnell an Beliebtheit gewinnt. Herkömmliche THz-Kameras sind jedoch sperrig und starr, was ihr Potenzial bei der Abbildung unebener Oberflächen begrenzt. Zudem machen ihr hoher Preis und mangelnde Vielseitigkeit in Sensorkonfigurationen sie zu einer eher unpraktischen Alternative – es werden anpassungsfähigere Sensoren benötigt.

Innovation: Flexibles THz-Sensor-Array

Ein Forscherteam der Tokyo Tech unter der Leitung von Associate Professor Yukio Kawano schloss diese Lücke, indem es ein flexibles, freistehendes THz-Sensor-Array entwickelte, das zur Abbildung blinder Enden unregelmäßig geformter Objekte genutzt werden kann.

„Angesichts der Vielfalt an Formen, Strukturen und Größen von Prüfobjekten müssen Kameradesign und Sensor an verschiedene Konfigurationen anpassbar sein. In unserer Studie haben wir eine einfache und kosteneffiziente Fertigungsmethode für THz-Kameras mit anpassbaren Formen entwickelt“, so Dr. Kawano.

Materialwahl und Fertigung

Das Material muss gute Absorption im THz-Spektrum und hohe Effizienz bei der Umwandlung von Emissionen in detektierbare elektrische Signale aufweisen. Daher wählten sie Kohlenstoffnanoröhren (CNT)-Filme, die auch gute mechanische Festigkeit und Flexibilität besitzen. Sie leiteten die CNT-Lösung durch einen Polyimid-Film mit laserinduzierten Schlitzen und einen Membranfilter unter Vakuum. Beim Trocknen blieb die CNT-Lösung als freistehende, suspendierte Struktur zwischen den Schichten des strukturierten Polyimid-Films erhalten. Weiterhin entwickelten sie einen einfachen Fertigungsprozess basierend auf der Selbstorganisation des CNT-Film-Arrays und seiner Fähigkeit, Elektroden an beiden Enden zu bilden.

Dazu verdampften sie Metallelektroden über den strukturierten Polyimid-Film. Zusammen erzeugten diese Prozesse ein THz-Kamera-Patch-Sheet mit mehreren Kameras. Interessanterweise konnte die Struktur des suspendierten CNT-Films durch Veränderung der Filterbedingungen und damit der Reibungskraft modifiziert werden, was den Prozess anpassbar macht.

Anwendungsdemonstration

Das Patch-Sheet konnte mit Schere in kleinere, portable und wearable Sensoren geschnitten werden, die auf der Oberfläche des Prüfobjekts angebracht werden können für bessere Abdeckung. Die Forscher demonstrierten industrielle Anwendungen, indem sie Risse, Verunreinigungen und ungleichmäßige Polymerbeschichtungen in einem Harz detektierten und visualisierten sowie Schlamm in einem gebogenen Rohr erkannten – was das Potenzial der Kamera für Qualitätskontrolloperationen unterstreicht.