Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-963488
Schlagmann, Moritz
Otto, Thomas ; Mertig, Michael (Gutachter)
Biocompatible Capacitive Sensor for Smart Farming
Kurzfassung in deutsch
Die Vereinten Nationen prognostizieren ein mögliches Wachstum der Weltbevölkerung auf 9,7 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050. Dies führt zu einem steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln, bei gleichzeitig begrenzten Ressourcen. Um eine nachhaltigere Lebensmittelproduktion zu ermöglichen, ist integrated pest management für die Zukunft der Landwirtschaft unerlässlich. Neuartige, biokompatible und miniaturisierte Sensoren ermöglichen dafür, die direkte Messung an der Pflanze. Insbesondere die Messung von Blattfeuchte kann einem Frühwarnsystem dienen.In dieser Arbeit wird ein kapazitiver, miniaturisierter und biokompatibler Sensor zur Messung von Blatt- und Luftfeuchtigkeit erforscht. Die Signalwandler sind planare integrierte interdigitale Elektroden (IDE), die mit einer feuchteempfindlichen Schicht bedeckt sind. Die Wechselwirkung von Wasser mit der sensitiven Schicht verändert die relative Permittivität der Sensorschicht. Bei der Sensorschicht handelt es sich um das biokompatible Parylene C, das auch als Passivierungsschicht gegen Feuchtigkeit und aggressive Chemikalien dient. Parallel dazu wird das Standardmaterial Polyimid getestet, da es kostengünstig ist und sich eignet, die Sensoreigenschaften vergleichbar zu charakterisieren. Zunächst wird der Sensor modelliert und entworfen. Der Signalpfad mit dem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) wird erläutert. Ein analytisches Modell wird kurz beschrieben, während ein Finite-Elemente-Modell (FEM) verwendet wird, um die Sensorgeometrie für die relative Empfindlichkeit zu optimieren. Die modellierten Ergebnisse werden mit gemessenen Daten verifiziert. Zunächst wird die Grundkapazität gemessen. Mit einem ASIC wird die dynamische Antwort des Sensors auf wechselnde relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Außerdem werden Stresstests bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur durchgeführt. Die Parylene Sensoren werden unter einer kondensierenden Atmosphäre getestet. Des Weiteren werden zytotoxische Tests durchgeführt, um die Biokompatibilität nachzuweisen. Die Charakterisierung und der Vergleich der Parylene C Sensoren mit Polyimid Sensoren beweisen das Funktionsprinzip des Sensor-Material-Systems unter Laborbedingungen. Der Kondensationstest zeigt, dass das System unter relevanten Bedingungen funktioniert. Die FEM-Modellverifizierung zeigt, dass modellierte und gemessene Daten sich aufgrund einer Prozessabweichung in der Herstellung unterscheiden. Durch die Optimierung werden die Elektrodenbreite und der Abstand vergrößert, um die relative Empfindlichkeit zu verdoppeln. Mit Parylene C Sensoren wird die Blattnässedauer von Gurken im Gewächshaus gemessen. Als Teil eines Entscheidungshilfesystems für Landwirte wird ein Algorithmus zur Taupunktunterschreitung vorgeschlagen. Außerdem wird der Sensor in einen teilweise biologisch abbaubaren Sensorknoten integriert. Diese Entwicklungen eröffnen das Feld für die Messung des Mikroklimas von Pflanzen und für eine intelligente, präzise Landwirtschaft. Darüber hinaus ebnet das Modell des Sensors den Weg für andere kapazitive Sensorsysteme mit neuen Materialien oder Geometrien und die ergänzende Integration eines Mikrocontrollers oder zusätzlicher MEMS-Sensoren.
Kurzfassung in englisch
The world population is continuously growing. The United Nations projects a possible growth of 9.7 billion by 2050. Therefore, food demand is increasing while the available resources are limited, and negative environmental impacts must be reduced. To enable sustainable food production processes, integrated pest management is integral to agriculture’s future. Novel biocompatible and miniaturized sensors allow a new base of data acquisition by direct measurement at the plant. Leaf wetness, especially, can give an early warning for fungus diseases.This work presents a capacitive, miniaturized, and biocompatible sensor for leaf wetness and humidity sensing. The signal transducers are planar integrated interdigitated electrodes (IDE) topped with a sensitive layer. The interaction of water in the environment changes the relative permittivity of the sensing layer. The sensing layer is the biocompatible Parylene C. It is not only a sensing but also a passivation layer against moisture and aggressive chemicals. In parallel, the standard material Polyimide was tested, because it is cost-efficient and a good fi t to comparably characterize the sensor.
First, the sensor was modeled and designed. The signal path with the application-specific integrated circuit (ASIC) was explained. An analytical model was briefly described, while a finite element model (FEM) was used to optimize the sensor geometry for relative sensitivity. The modeled results were verified with measured data. The capacitive humidity sensors were characterized by an inductance, capacitance, and resistance (LCR) meter to measure the base capacitance. An ASIC measured the sensor’s dynamic response to changing relative humidity levels in air. Furthermore, stress tests at high humidity and temperature were conducted. Parylene sensors were tested under a condensing atmosphere to achieve relevant conditions, and cytotoxic tests were done to prove biocompatibility.
The characterization and comparison of the Parylene C sensors with Polyimide sensors proved the working principle of the sensor-material system under lab conditions. The stress tests showed the behavior at high humidity and temperature. The condensation tests proved that it worked under relevant conditions. The FEM model verification showed that modeled and measured data differed because of a process deviation. With an adjusted FEM geometry, the results correlated well with the measured values. The optimization increased the electrode width and gap to double the relative sensitivity. Parylene C sensors measured the leaf wetness duration of cucumber leaves in the greenhouse, and the dew point depression algorithm was proposed for a decision support system for farmers. Additionally, the sensor was integrated into a biodegradable sensor node for testing in arable farming conditions. These developments open the fi eld to measure the microclimate of plants and for smart, precision farming. Furthermore, the model of the sensor paves the way for other capacitive sensing systems with new materials or geometries and the supplementary integration of a microcontroller or additional MEMS sensors.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Opto Electronic Systems (Honorarprofessor) | |
| Fakultät: | Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Otto, Thomas | |
| DOI: | doi:10.60687/2025-0054 | |
| SWD-Schlagwörter: | Kapazitiver Sensor , Landwirtschaft , Finite-Elemente-Methode | |
| DDC-Sachgruppe: | Ingenieurwissenschaften, Landwirtschaft | |
| Sprache: | englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 29.01.2025 |
