高度敏感的傳感器可測量心臟和大腦的活動(dòng)

電信號測量(例如ECG(心電圖))可以顯示人腦或心臟的工作方式。除了電信號，磁信號還揭示了有關(guān)這些器官活動(dòng)的信息?？梢院敛毁M(fèi)力地進(jìn)行測量，并且無需皮膚接觸。但是，特別弱的信號需要高度靈敏的傳感器。來自基爾大學(xué)協(xié)作研究中心1261“磁電傳感器”的科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種懸臂傳感器的新概念，其未來目標(biāo)是測量心臟和大腦活動(dòng)的低頻頻率。極小，節(jié)能的傳感器特別適合醫(yī)療應(yīng)用或移動(dòng)微電子產(chǎn)品。這通過使用駐極體來實(shí)現(xiàn)。這種材料是永久帶電的 并且還用于助聽器或移動(dòng)電話的麥克風(fēng)。研究團(tuán)隊(duì)在著名期刊《納米能源》的特別版中介紹了其傳感器概念。

由“功能納米材料”工作組Rainer Adelung教授和多組分材料工作組Franz Faupel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)致力于懸臂傳感器。它們由一條薄的硅帶組成，在最簡單的情況下，需要施加兩層：第一層響應(yīng)磁場(磁致伸縮材料)，第二層可以發(fā)出電壓(壓電材料)。CRC成員Faupel解釋說：“如果發(fā)生磁場，第一層會(huì)變形，從而彎曲整個(gè)條帶，并像游泳池的跳水板一樣振動(dòng)。” 由于變形，第二層發(fā)出可測量的電壓信號。

博士后研究員Marleen Schweichel解釋說：“借助我們的新傳感器概念，我們正在尋找一種方法，通過賦予彎曲束更多的動(dòng)力來使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能更加有效。” 彎曲梁振動(dòng)越多，發(fā)出的電信號越強(qiáng)。

振動(dòng)的硬質(zhì)材料

通常，諸如塑料之類的所謂軟材料以低頻振動(dòng)。因此，振動(dòng)被顯著衰減，并且發(fā)射的信號非常微弱。使用硬質(zhì)材料，可以避免明顯的阻尼。然而，為此目的需要較大數(shù)量的材料，這幾乎不能適合傳感器技術(shù)的小尺寸。“通過我們的方法，我們能夠使由硬質(zhì)材料制成的小型彎曲梁表現(xiàn)得像軟質(zhì)材料，并在低頻下振動(dòng)，而且振幅更大，而且還具有更大的振動(dòng)性，” Adelung總結(jié)說，他們的發(fā)現(xiàn)如此特別。

駐極體材料：永久帶電

決定性因素是所謂的駐極體。研究團(tuán)隊(duì)將這種永久帶電的材料施加在彎曲梁的下方。通常，振動(dòng)彎曲梁會(huì)推回其原始位置。但是，由于其自??身的平衡應(yīng)力，駐極體沿相反的方向拉動(dòng)彎曲的光束，從而放大了光束的振動(dòng)，從而放大了傳感器的電信號。

為了能夠盡可能準(zhǔn)確地讀取此信號，研究團(tuán)隊(duì)還將一種新的降噪方法集成到了其替代傳感器概念中。根據(jù)“功能納米材料”工作組的第一作者蒙娜·明特肯(Mona Mintken)的說法，通過極其快速的測量，可以在噪聲之間“拾取”各個(gè)信號。

帶有集成電源的傳感器

得益于傳感器中使用的駐極體，不僅低頻可以更好地進(jìn)行測量。類似于永久磁鐵，無需電源即可產(chǎn)生自己的永久磁場，駐極體也會(huì)產(chǎn)生自己的永久電場。博士研究員史蒂芬·施羅德(StefanSchröder)解釋說：“因此，駐極體為傳感器提供了內(nèi)置的電勢。傳感器本身就不需要外部電源，并且可以用于移動(dòng)應(yīng)用。” 通過一項(xiàng)合作協(xié)議，他花了三個(gè)月的時(shí)間在麻省理工學(xué)院(MIT)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步改善所需的特殊駐極體層。為此，他使用了所謂的iCVD(引發(fā)劑化學(xué)氣相沉積)工藝，該工藝可使各個(gè)材料層以高精度進(jìn)行沉積。

材料科學(xué)家Faupel說：“駐極體就像一種納米發(fā)電機(jī)一樣工作，它可以產(chǎn)生電能。從理論上講，可以做到二十多年。” Adelung補(bǔ)充說：“具有如此小尺寸的集成電源的傳感器，對于連接分散的自主電子系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用也很令人興奮。”