Die Arbeitsgruppe energieautarke Sensorsysteme befasst sich mit verschiedenen Themen im Bereich drahtlose Sensoren. Dabei werden alle Bereiche eingeschlossen, wie Sensoren selbst, Regelung, Überwachung, Kommunikation und Energieversorgung. Die Arbeitsgruppe zielt auf low-power Systeme ab, die z. B. im Bereich Predictive Maintenance, genutzt werden können um ein System oder einen Status zu überwachen, zu lokalisieren und zu beobachten. Besonders aktiv ist die Arbeitsgruppe dabei in den Bereichen Industrie 4.0 und Umweltanwendungen, bedient aber den gesamten IoT Sektor.

Ausgewählte Publikationen:

1. S. Naifar, S. Bradai, C. Viehweger, O. Kanoun: "Investigation of the magnetostrictive effect in a terfenol-D plate under a non-uniform magnetic field by atomic force microscopy", Materials & Design, 2016
2. S. Bradai, S. Naifar: "Finite element analysis of combined magnetoelectric- electrodynamic vibration energy converter", Journal of Physics: Conference Series, Volume 660, conference 1,  Dec. 2015
3. S. Bradai, S. Naifar, Chr. Viehweger, O. Kanoun, G. Litak: "Nonlinear analysis of an electrodynamic broadband energy harvester", The European Physical Journal Special Topics. - 224. 2015, 14, S. 2919 - 2927
4. S. Bradai, S. Naifar, Chr. Viehweger, O. Kanoun: "Response analysis of a nonlinear magnetoelectric energy harvester under harmonic excitation", The European Physical Journal Special Topics. - 224. 2015, 14, S. 2897 - 2907
5. S. Khriji, D. El Houssaini, M.W. Jmal, C. Viehweger, M. Abid, O. Kanoun: "Precision irrigation based on wireless sensor network", IET Science, Measurement and Technology, Volume 8, Issue 3, 2014, Pages 98-106
6. Chr. Viehweger, T. Keutel, L .Kasper, T. Pfeifer, O. Kanoun: „System Design and Energy Management for Indoor Solar Energy Harvesting Under Consideration of Spectral Characteristics of Solar Cells”, International Journal of Measurement Technologies and Instrumentation Engineering (IJMTIE) - 3 . 2013 , 1 , 1-15
7. X. Zhao, T. Keutel, M. Baldauf, O. Kanoun: "Energy harvesting for a wireless-monitoring system of overhead high-voltage power lines", IET Generation, Transmission & Distribution, Volume 7, Issue 2, February 2013, p. 101 – 107
8. N. Ben Amor, O. Kanoun: “Availability of Vibration Energy for Supply of Hearing Aids”, Transactions on Systems, Signals & Devices, Vol. 4, No. 4, 2009
9. O. Kanoun: “Energy-management for Power Aware Portable Sensor Systems”, Transactions on Systems, Signals & Devices, Vol. 3, No. 4, 2008, ISSN 1861-5252

                                           

Technologische Fortschritte in der Mikro- und Nanotechnologie bieten vielversprechende Möglichkeiten für neue Sensoren und Sensorprinzipien. Polymer-Nanoverbundstoffe sind auf großes Interesse gestoßen und haben aufgrund ihrer größeren Empfindlichkeit und einfachen Verarbeitbarkeit in verschiedenen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen eine bedeutende praktische Anwendung gefunden. Darüber hinaus haben die außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften und die Möglichkeit, die Materialeigenschaften von Polymer-Nanokompositen, die intelligente Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) enthalten, einzustellen, bei der Entwicklung dieser neuartigen Sensoren eine große Anziehungskraft.

Auch wenn die Homogenität des Films keine absolute Voraussetzung für seine Funktionalität ist, ist seine Reproduzierbarkeit von großem Interesse. Die Synthese und Herstellung von Nanokompositen ist entscheidend für das Erreichen einzigartiger Sensoreigenschaften, von der Dispersionsqualität bis zur Abscheidung. Zur Optimierung der empfindlichen Schichten sind verschiedene Charakterisierungen erforderlich, um ihre morphologischen, mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften zu bestimmen.

Diese auf Polymer-Nanokompositen basierenden Sensoren können kritische physikalische Eigenschaften wie Dehnung/Spannung, Druck, Temperatur, Lösungsmittel oder Dämpfe erkennen, indem sie die auf physikalische Faktoren reagierende Leistung von leitfähigen Netzwerken nutzen. Darüber hinaus konzentrieren wir uns auf die Verwendung von RFID-Chips, um drahtlose und autonome Sensorsysteme auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanokompositen mit integrierten RFID-Chips zu realisieren, die mit UHF-Frequenz arbeiten, um Dehnung und Temperatur in verschiedenen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Ziviltechnik und Industrie 4.0 zu überwachen.

Highlights aus dem Bereich der flexiblen Sensoren

Insbesondere die folgenden Sensoren und Themen werden entwickelt und intensiv untersucht:

• Charakterisierung von Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis und biokompatiblen organischen Materialien 
• Synthese und Herstellung von Polymer-Nanokompositen und Biokompositfilmen  
• Fortgeschrittene Techniken zur Charakterisierung von Nanokompositen wie SEM, FTIR, Raman-Spektroskopie

Ausgewählte Publikationen:

1. Rajendran, Dhivakar, et al. (2022) “Role of Solvent Polarity on Dispersion Quality and Stability of Functionalized Carbon Nanotubes” in Journal of Composites Science. - MDPI AG. - 6. 2022, 1, 26.
2. A. Bouhamed et al. (2022), “Collaborative Filler Network for Enhancing the Performance of BaTiO3/PDMS Flexible Piezoelectric Polymer Composite Nanogenerators,” Sensors, vol. 22, no. 11, p. 4181, doi: 10.3390/s22114181.
3. Kanoun, Olfa et al. (2021). “Review on Conductive Polymer/CNTs Nanocomposites Based Flexible and Stretchable Strain and Pressure Sensors,” in Sensors. - MDPI AG. - 21. 2021, 2, 341.
4. Bouhamed, Ayda et al. (2021). “Customising hydrothermal properties of inkjet printed sensitive films by functionalization of carbon nanotubes,” in Nanotechnology. - IOP Publishing. - 32. 2021, 10, 105708.
5. Sanli, A., & Kanoun, O. (2020). Electrical impedance analysis of carbon nanotube/epoxy nanocomposite-based piezoresistive strain sensors under uniaxial cyclic static tensile loading. Journal of Composite Materials, 54(6), 845-855.
6. R. Ramalingame, et al. (2019). “Temperature Self-Compensated Strain Sensors based on MWCNT/ Graphene Hybrid Nanocomposite” in Journal of Composites Science, vol. 3 (4), 96.
7. Patent: Benchirouf, A., Kanoun, O. (2018): Hybrid Nanocomposite Material, Sensor Comprizing a Hybrid Nanocomposite Material, and Method for Producing same, DE102018116141.7, WO/2020/007417, 4th of July 2018

Die Forschungsvision der Gruppe Elektrochemische Sensoren (ECS) innerhalb der MST ist die Entwicklung kostengünstiger, empfindlicher, einfach zu bedienender und tragbarer elektrochemischer (Bio-)Sensoren und Sensor-Array-Systeme zur Überwachung eines breiten Spektrums von Zielen in den Bereichen Umwelt und Biomedizin. In dieser Hinsicht sind die beiden Kernbereiche unserer elektrochemischen Sensoren die einfache und kostengünstige Herstellung von Elektroden und die Modifizierung der Elektrodenoberfläche mit neuartigen Nanomaterialien und Nanokompositen auf der Basis von Graphen, schwarzem Phosphoren, CNTs, Polymeren, Komplexen auf Oxamidbasis und metallischen Nanopartikeln durch verschiedene Strategien, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Die innovativen Elektroden, die mit chemisch und morphologisch abgestimmten Nanomaterialien funktionalisiert sind, werden durch elektrochemische Methoden, einschließlich zyklischer Voltammetrie und EIS, sowie durch physikalische Charakterisierungsmethoden wie AFM, SEM, FTIR und Raman-Spektroskopie umfassend charakterisiert.

Unsere Sensoren, die auf verschiedenen Detektionsprinzipien wie Rechteckwelle, Differentialpulsvoltammetrie und EIS beruhen, finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, z. B. bei der Überwachung von Nitrat und Nitrit im Boden, in Aquaponikanlagen, bei der Überwachung von gelöstem Sauerstoff, pH-Wert und Biomasse in Bioreaktoren sowie beim Nachweis von Pestiziden, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus hat die Gruppe mehrere Arbeiten über Biosensoren zur Überwachung von Krebs-Biomarkern und pathogenen Bakterien veröffentlicht.

Abgesehen von den Einzelsensoren verfügen wir über umfangreiche Forschungserfahrung in der Entwicklung von Sensor-Arrays durch die Integration von Techniken des maschinellen Lernens zur Überwachung verschiedener Schadstoffe in einer einzigen Plattform, z. B. künstlicher Geruchssinn (elektronische Nase) und künstlicher Geschmackssinn (elektronische Zunge).  Um Portabilität und Echtzeitanwendungen zu gewährleisten, werden miniaturisierte und kostengünstige Potentiostaten und Impedanzmessgeräte entwickelt, die verschiedene elektrochemische Methoden mit hoher Genauigkeit messen können.

 

Nachfolgend finden Sie die wichtigsten Details zu spezifischen Sensoren und Themen, die in der Gruppe Elektrochemische Sensoren erforscht und entwickelt werden

• Sensoren zur Überwachung von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit
• Sensoren für verschiedene organische und anorganische Verunreinigungen
• Sensoren für Bakterien, Krebs und andere Krankheiten
• Sensoren für die Überwachung von Gasen und VOCs
• Künstlicher Geruchssinn und Geschmackssinn (Sensorarray und maschinelles Lernen)
• Finite-Elemente-Simulationen
• Tragbare Elektronik und eingebettete Systeme

Vollständige Publikationsliste aus dem Bereich elektrochemische Sensoren

Ausgewählte Veröffentlichungen:

1. Nasraoui, Salem, Ammar Al-Hamry, T. I. Madeira, Sami Ameur, D. R. T. Zahn, Mounir Ben Ali, and Olfa Kanoun. "Structural characterization and electrochemical performance of laser-induced graphene: Insights into electron transfer kinetics and 4-aminophenol sensing." Diamond and Related Materials (2023):110207,doi: 10.1016/j.diamond.2023.110207  
2. Al-Hamry, Ammar, Tianqi Lu, Jing Bai, Anurag Adiraju, Tharun K. Ega, L. G. Paterno, Igor A. Pašti, and Olfa Kanoun. "Versatile sensing capabilities of layer-by-layer deposited polyaniline-reduced graphene oxide composite-based sensors." Sensors and Actuators B: Chemical 390 (2023): 133988, doi: 10.1016/j.snb.2023.133988
3. Adiraju, Anurag, Rohan Munjal, Christian Viehweger, Ammar Al-Hamry, Amina Brahem, Jawaid Hussain, Sanhith Kommisetty, Aditya Jalasutram, Christoph Tegenkamp, and Olfa Kanoun. "Towards Embedded Electrochemical Sensors for On-Site Nitrite Detection by Gold Nanoparticles Modified Screen Printed Carbon Electrodes." Sensors 23, no. 6 (2023): 2961, doi: 10.3390/s23062961
4. Jaradat, Hussamaldeen, Ammar Al-Hamry, Mohammed Ibbini, Najla Fourati, and Olfa Kanoun. "Novel Sensitive Electrochemical Immunosensor Development for the Selective Detection of HopQ H. pylori Bacteria Biomarker." Biosensors 13, no. 5 (2023):527 ,doi: 10.3390/bios13050527
5. Alnaimi, A.; Al-Hamry, A.; Makableh, Y.; Adiraju, A.; Kanoun, O. Gold Nanoparticles-MWCNT Based Aptasensor for Early Diagnosis of Prostate Cancer. Biosensors 2022, 12, 1130, doi:10.3390/bios12121130.
6. Anurag, Adiraju, Ammar Al?Hamry, Yashwanth Attuluri, Saravanan Palaniyappan, Guntram Wagner, Doreen Dentel, Christoph Tegenkamp, and Olfa Kanoun. "Optimized Reduction of a Graphene Oxide?MWCNT Composite with Electrochemically Deposited Copper Nanoparticles on Screen Printed Electrodes for a Wide Range of Detection of Nitrate." ChemElectroChem 10, no. 3 (2023): e202200945, doi: 10.1002/celc.202200945
7. Lu, T.; Al-Hamry, A.; Hao, J.; Liu, Y.; Qu, Y.; Kanoun, O. Machine Learning-Based Multi-Level Fusion Framework for a Hybrid Voltammetric and Impedimetric Metal Ions Electronic Tongue. Chemosensors 2022, 10, 474, doi:10.3390/chemosensors10110474.
8. Brahem, A.; Al-Hamry, A.; Gross, M.A.; Paterno, L.G.; Ali, M.B.; Kanoun, O. Stability Enhancement of Laser-Scribed Reduced Graphene Oxide Electrodes Functionalized by Iron Oxide/Reduced Graphene Oxide Nanocomposites for Nitrite Sensors. J. Compos. Sci. 2022, 6, 221, doi:10.3390/jcs6080221.
9. Nasraoui, S.; Ameur, S.; Al-Hamry, A.; Ben Ali, M.; Kanoun, O. Development of an Efficient Voltammetric Sensor for the Monitoring of 4-Aminophenol Based on Flexible Laser Induced Graphene Electrodes Modified with MWCNT-PANI. Sensors 2022, 22, 833, doi:10.3390/s22030833.

Die Gruppe "Smart Wearables" konzentriert sich auf die Entwicklung und Integration von tragbaren Systemen zur Überwachung menschlicher Aktivitäten und zur Feststellung des Gesundheitszustands. Zu diesem Zweck untersucht diese Gruppe den Prozess der Entwicklung eines am Körper befestigten Sensornetzes (BASN) und dessen notwendige Signalverarbeitung. Es werden mehrere Technologien und Untersuchungen in dieser Richtung durchgeführt.