Piezoresistive and plasmonic sensors utilizing the swelling of hydrogels

The use of hydrogels for novel micromechanical sensors and actuators has been the focus of the Research Training Group (RTG) 1865 "Hydrogel-Based Microsystems", which was funded by the German Research Foundation from 2013 to 2023. The RTG pursued two objectives: (i) researching the scientific basis for novel and application-specific hydrogel materials with properties that are essential for their use in sensors and actuators, and (ii) applying these specially tailored materials to specific microsystems. To achieve this goal, a number of challenges still need to be overcome that currently hinder or even prevent the use of hydrogels in technical applications. On the other hand, the development of improved materials and manufacturing processes is necessary to make hydrogels suitable for practical applications (relevant functionality; high sensitivity, selectivity and long-term stability; fast response time). This article focuses on research findings of the RTG with regard to materials, sensor principles, measurement methods, and special applications in which the use of hydrogels promises innovative solutions. This applies, for example, to tailored hydrogels for chemical and biochemical sensors, pressure-compensated hydrogel sensors with advanced long-term stability, piezoresistive and plasmonic transducers to sense the hydrogel swelling, and sensor switches.

Die Nutzung von Hydrogelen für neuartige mikromechanische Sensoren und Aktoren stand im Mittelpunkt des Graduiertenkollegs (GRK) 1865 „Hydrogel-basierte Mikrosysteme“, das von 2013 bis 2023 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde. Das GRK verfolgte zwei Ziele: (i) die Erforschung der wissenschaftlichen Grundlagen für neuartige und anwendungsspezifische Hydrogelmaterialien mit Eigenschaften, die für ihren Einsatz in Sensoren und Aktoren unerlässlich sind, und (ii) die Anwendung dieser speziell zugeschnittenen Materialien in spezifischen Mikrosystemen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen noch eine Reihe von Herausforderungen bewältigt werden, die derzeit den Einsatz von Hydrogelen in technischen Anwendungen behindern oder sogar verhindern. Andererseits ist die Entwicklung verbesserter Materialien und Herstellungsverfahren notwendig, um Hydrogele für praktische Anwendungen geeignet zu machen (relevante Funktionalität; hohe Empfindlichkeit, Selektivität und Langzeitstabilität; schnelle Ansprechzeit). Dieser Artikel konzentriert sich auf Forschungsergebnisse des GRK in Bezug auf Materialien, Sensorprinzipien, Messmethoden und spezielle Anwendungen, in denen der Einsatz von Hydrogelen innovative Lösungen verspricht. Dies gilt beispielsweise für maßgeschneiderte Hydrogele für chemische und biochemische Sensoren, druckkompensierte Hydrogel-Sensoren mit verbesserter Langzeitstabilität, piezoresistive und plasmonische Wandler zur Erfassung der Hydrogelquellung sowie Sensorschalter.