Mätningar av elektriska signaler som EKG (elektrokardiogram) kan visa hur människans hjärna eller hjärta fungerar. Bredvid elektriska signaler avslöjar magnetiska signaler också något om aktiviteten hos dessa organ. De kunde mätas med liten ansträngning och utan hudkontakt. Men de särskilt svaga signalerna kräver mycket känsliga sensorer. Forskare från Collaboraive Research Center 1261 "Magnetoelektriska sensorer" vid Kiel University har nu utvecklat ett nytt koncept för cantileversensorer, med det framtida målet att mäta dessa låga frekvenser av hjärt- och hjärnaktivitet. Den extremt små, energieffektiva sensorer är särskilt väl lämpade för medicinska applikationer eller mobil mikroelektronik. Detta möjliggörs genom användning av elektroner. Sådant material är permanent elektriskt laddat, och används också i mikrofoner för hörapparater eller mobiltelefoner. Forskargruppen presenterade sitt sensorkoncept i en specialutgåva av den berömda tidskriften Nano Energy.

Ännu mer effektivt:att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi

Forskargruppen som leds av professor Rainer Adelung, arbetsgrupp "funktionella nanomaterial, "och professor Franz Faupel, arbetsgrupp av multikomponentmaterial, fokuserar på cantileversensorer. Dessa består av en tunn kiselband, som i det enklaste fallet har två lager applicerade:det första svarar på magnetfält (magnetostriktivt material), och den andra kan avge en elektrisk spänning (piezoelektriskt material). "Om ett magnetfält uppstår, det första lagret deformeras och böjer därmed hela remsan - som vibrerar som en dykbräda vid en pool, "förklarade CRC -medlemmen Faupel grundprincipen. På grund av deformationen, det andra lagret avger en mätbar spänningssignal.

"Med vårt nya sensorkoncept, vi sökte efter ett sätt att göra denna omvandling av mekanisk energi till elektrisk energi ännu mer effektiv, genom att ge böjbalken mer fart, "förklarade doktorandforskaren Marleen Schweichel. Ju mer böjstrålen vibrerar, ju starkare den utsända elektriska signalen.

Hårt material för att vibrera

I vanliga fall, så kallade mjuka material som plast vibrerar med låg frekvens. Vibrationen dämpas således avsevärt, och den utsända signalen är mycket svag. Med hårda material, betydande dämpning kan undvikas. Dock, en större massa material krävs för detta ändamål, som knappast får plats i sensorteknikens små dimensioner. "Med vårt tillvägagångssätt, vi kunde få en liten böjbalk av hårt material att bete sig som ett mjukt material, och vibrerar vid låga frekvenser - och vad mer, vid en ännu större amplitud, "sammanfattade Adelung vad som är så speciellt med deras fynd.

Elektretmaterial:permanent elektriskt laddade

Den avgörande faktorn var den så kallade elektret. Forskargruppen applicerade detta permanent elektriskt laddade material under böjningsbalken. I vanliga fall, den vibrerande böjstrålen skjuts tillbaka till sitt ursprungliga läge. Dock, på grund av sin självutjämnande stress, elektret drar böjbalken i motsatt riktning, och förstorar därigenom strålningens vibration - och därmed sensorns elektriska signal.

För att kunna läsa denna signal så exakt som möjligt, forskargruppen integrerade också en ny strategi för brusreducering i sitt alternativa sensorkoncept. Med en extremt snabb mätning, de enskilda signalerna kan "plockas upp" mellan bruset, enligt författaren Mona Mintken från arbetsgruppen "funktionella nanomaterial."

Sensor med integrerad strömförsörjning

Tack vare de elektroner som används i sensorerna, Det är inte bara låga frekvenser som kan mätas bättre. Liknar permanentmagneter, som skapar sitt eget ihållande magnetfält utan strömförsörjning, electrets skapar också sitt eget permanenta elektriska fält. "Elektret ger därmed sensorn en inbyggd elektrisk potential. Sensorn själv kräver då ingen extern strömförsörjning, och kan användas för mobila applikationer, "förklarade doktorandforskaren Stefan Schröder. Genom ett samarbetsavtal han tillbringade tre månader med att forska vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA, för att ytterligare förbättra de nödvändiga speciella elektretskikten. Att göra så, han använde den så kallade iCVD-processen (initiator chemical vapor deposition), vilket gör att enskilda materiallager kan avsättas med hög precision.

"Elektret fungerar som en slags nanogenerator, som genererar elektrisk energi. Och kan göra detta teoretiskt i över tjugo år, "sa materialvetaren Faupel." Sensorer med en integrerad strömförsörjning i så små storlekar är också spännande för applikationer inom sakernas internet, som förbinder decentraliserat, autonoma elektroniska system, "tillade Adelung.