Meget følsomme sensorer til at måle hjerte- og hjerneaktivitet

Elektriske signalmålinger såsom EKG (elektrokardiogram) kan vise, hvordan den menneskelige hjerne eller hjerte fungerer. Ved siden af ​​elektriske signaler afslører magnetiske signaler også noget om disse organers aktivitet. De kunne måles med en lille indsats og uden hudkontakt. Men de særligt svage signaler kræver meget følsomme sensorer. Forskere fra Collaboraive Research Center 1261 "Magnetoelectric Sensors" ved Kiel University har nu udviklet et nyt koncept for cantilever-sensorer, med det fremtidige mål at måle disse lave frekvenser af hjerte- og hjerneaktivitet. De ekstremt små, energieffektive sensorer er særligt velegnede til medicinske applikationer eller mobil mikroelektronik. Dette er gjort muligt ved brug af elektreter. Sådant materiale er permanent elektrisk ladet, og bruges også i mikrofoner til høreapparater eller mobiltelefoner. Forskerholdet præsenterede sit sensorkoncept i en særudgave af det anerkendte tidsskrift Nano Energy.

Endnu mere effektiv:at konvertere mekanisk energi til elektrisk energi

Forskerholdet ledet af professor Rainer Adelung, arbejdsgruppe "funktionelle nanomaterialer, " og professor Franz Faupel, arbejdsgruppe af multikomponentmaterialer, fokuserer på cantilever-sensorer. Disse består af en tynd siliciumstrimmel, som i det enkleste tilfælde har to lag påført:det første reagerer på magnetiske felter (magnetostriktivt materiale), og den anden kan udsende en elektrisk spænding (piezoelektrisk materiale). "Hvis der opstår et magnetfelt, det første lag deformeres og bøjer dermed hele strimlen – som vibrerer som et vippebræt ved en swimmingpool, " forklarede CRC medlem Faupel det grundlæggende princip. På grund af deformationen, det andet lag udsender et målbart spændingssignal.

"Med vores nye sensorkoncept, vi søgte efter en måde at gøre denne omdannelse af mekanisk energi til elektrisk energi endnu mere effektiv, ved at give bøjningsstrålen mere fremdrift, " forklarede doktorgradsforsker Marleen Schweichel. Jo mere bøjningsstrålen vibrerer, jo stærkere det udsendte elektriske signal.

Hårdt materiale lavet til at vibrere

Normalt, såkaldte bløde materialer som plast vibrerer med en lav frekvens. Vibrationen dæmpes således betydeligt, og det udsendte signal er meget svagt. Med hårde materialer, betydelig dæmpning kan undgås. Imidlertid, der kræves en større masse materiale til dette formål, som næsten ikke kan passe ind i sensorteknologiens små dimensioner. "Med vores tilgang, vi var i stand til at få en lille bøjningsbjælke lavet af hårdt materiale til at opføre sig som et blødt materiale, og vibrere ved lave frekvenser – og hvad mere er, med en endnu større amplitude, " opsummerede Adelung, hvad der er så specielt ved deres resultater.

Elektretmaterialer:permanent elektrisk ladet

Det afgørende var den såkaldte elektret. Forskerholdet anvendte dette permanent elektrisk ladede materiale under bøjningsstrålen. Normalt, den vibrerende bøjningsbjælke skubber tilbage til sin oprindelige position. Imidlertid, på grund af dets selvudlignende stress, elektreten trækker bøjningsstrålen i den modsatte retning, og derved forstørrer strålens vibration - og dermed sensorens elektriske signal.

For at kunne læse dette signal så nøjagtigt som muligt, forskerholdet integrerede også en ny tilgang til støjreduktion i dets alternative sensorkoncept. Med en ekstrem hurtig måling, de enkelte signaler kan "opfanges" mellem støjen, ifølge førsteforfatter Mona Mintken fra arbejdsgruppen "funktionelle nanomaterialer."

Sensor med integreret strømforsyning

Takket være de elektreter, der bruges i sensorerne, det er ikke kun lave frekvenser, der kan måles bedre. Svarende til permanente magneter, som skaber deres eget vedvarende magnetfelt uden strømforsyning, elektreter skaber også deres eget permanente elektriske felt. "Elektreten giver derved sensoren et indbygget elektrisk potentiale. Selve sensoren kræver så ingen ekstern strømforsyning, og kan bruges til mobile applikationer, " forklarede doktorgradsforsker Stefan Schröder. Gennem en samarbejdsaftale, han brugte tre måneder på at forske ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA, for yderligere at forbedre de nødvendige specielle elektretlag. For at gøre det, han brugte den såkaldte iCVD (initiator chemical vapor deposition) proces, som gør det muligt at afsætte individuelle materialelag med høj præcision.

"Elektreterne fungerer som en slags nanogenerator, som genererer elektrisk energi. Og kan gøre dette teoretisk i over tyve år, " sagde materialeforsker Faupel. "Sensorer med en integreret strømforsyning i så små størrelser er også spændende til applikationer inden for tingenes internet, som forbinder decentralt, autonome elektroniske systemer, " tilføjede Adelung.