Metingen van elektrische signalen zoals het ECG (elektrocardiogram) kunnen laten zien hoe het menselijk brein of hart werkt. Naast elektrische signalen zeggen magnetische signalen ook iets over de activiteit van deze organen. Ze konden met weinig inspanning en zonder huidcontact worden gemeten. Maar de bijzonder zwakke signalen vereisen zeer gevoelige sensoren. Wetenschappers van het Collaboraive Research Center 1261 "Magnetoelectric Sensors" aan de Kiel University hebben nu een nieuw concept ontwikkeld voor cantilever-sensoren, met het toekomstige doel om deze lage frequenties van hart- en hersenactiviteit te meten. De extreem kleine, energiezuinige sensoren zijn bijzonder geschikt voor medische toepassingen of mobiele micro-elektronica. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van elektreten. Dergelijk materiaal is permanent elektrisch geladen, en wordt ook gebruikt in microfoons voor hoortoestellen of mobiele telefoons. Het onderzoeksteam presenteerde zijn sensorconcept in een speciale editie van het gerenommeerde tijdschrift Nano Energy.

Nog effectiever:mechanische energie omzetten in elektrische energie

Het onderzoeksteam onder leiding van professor Rainer Adelung, werkgroep "functionele nanomaterialen, " en professor Franz Faupel, werkgroep van meercomponentenmaterialen, richt zich op cantilever-sensoren. Deze bestaan ​​uit een dunne siliconen strip, die in het eenvoudigste geval twee lagen heeft aangebracht:de eerste reageert op magnetische velden (magnetostrictief materiaal), en de tweede kan een elektrische spanning afgeven (piëzo-elektrisch materiaal). "Als er een magnetisch veld optreedt, de eerste laag vervormt en buigt zo de hele strook - die trilt als een duikplank bij een zwembad, " legde CRC-lid Faupel het basisprincipe uit. Door de vervorming, de tweede laag zendt een meetbaar spanningssignaal uit.

"Met ons nieuwe sensorconcept we hebben gezocht naar een manier om deze omzetting van mechanische energie in elektrische energie nog effectiever te maken, door de buigbalk meer impuls te geven, ", legt doctoraatsonderzoeker Marleen Schweichel uit. Hoe meer de buigstraal trilt, hoe sterker het uitgezonden elektrische signaal.

Hard materiaal gemaakt om te trillen

Normaal gesproken, zogenaamde zachte materialen zoals kunststoffen trillen met een lage frequentie. De trillingen worden zo aanzienlijk gedempt, en het uitgezonden signaal is erg zwak. Met harde materialen, aanzienlijke demping kan worden vermeden. Echter, hiervoor is een grotere massa materiaal nodig, die nauwelijks passen in de kleine afmetingen van de sensortechnologie. “Met onze aanpak we waren in staat om een ​​kleine buigbalk van hard materiaal te laten gedragen als een zacht materiaal, en trillen bij lage frequenties - en wat meer is, met een nog grotere amplitude, " vatte Adelung samen wat er zo bijzonder is aan hun bevindingen.

Electretmaterialen:permanent elektrisch geladen

Doorslaggevend was het zogenaamde elektreet. Het onderzoeksteam bracht dit permanent elektrisch geladen materiaal onder de buigbalk aan. Normaal gesproken, de trillende buigbalk duwt terug in zijn oorspronkelijke positie. Echter, door zijn zelf-equilibrerende spanning, de elektreet trekt de buigbalk in de tegenovergestelde richting, en vergroot daardoor de trilling van de straal - en dus het elektrische signaal van de sensor.

Om dit signaal zo nauwkeurig mogelijk te kunnen lezen, het onderzoeksteam integreerde ook een nieuwe benadering van ruisonderdrukking in zijn alternatieve sensorconcept. Met een extreem snelle meting, de individuele signalen kunnen tussen de ruis worden "opgepikt", volgens eerste auteur Mona Mintken van de werkgroep 'functionele nanomaterialen'.

Sensor met geïntegreerde voeding

Dankzij de elektreten die in de sensoren worden gebruikt, het zijn niet alleen lage frequenties die beter kunnen worden gemeten. Net als bij permanente magneten, die hun eigen persistente magnetische veld creëren zonder stroomvoorziening, elektreten creëren ook hun eigen permanente elektrische veld. "De elektreet geeft de sensor daarbij een ingebouwd elektrisch potentiaal. De sensor zelf heeft dan geen externe voeding nodig, en kan worden gebruikt voor mobiele toepassingen, ", legt promovendus Stefan Schröder uit. Via een samenwerkingsovereenkomst hij heeft drie maanden onderzoek gedaan aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten, om de benodigde speciale elektreetlagen verder te verbeteren. Om dit te doen, hij gebruikte het zogenaamde iCVD (initiator chemical vapor deposition) proces, waardoor afzonderlijke materiaallagen met hoge precisie kunnen worden gedeponeerd.

"De elektreten werken als een soort nanogenerator, die elektrische energie opwekt. En kan dit theoretisch meer dan twintig jaar doen, ", aldus materiaalwetenschapper Faupel. "Ook voor toepassingen op het gebied van Internet of Things zijn sensoren met een geïntegreerde voeding in zulke kleine afmetingen spannend, die decentrale, autonome elektronische systemen, ", voegde Adelung eraan toe.