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用于测量心脏和大脑活动的高灵敏度传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/11/5

通过施加磁场,弯曲梁振动。一个永久带电的驻极体(蓝色)拉动弯曲梁。通过这种方式,他的振动变得更强,并且发出的电信号也更强。图片来源:基尔大学


ecg(心电图)等电信号测量可以显示人脑或心脏的工作方式。除了电信号,磁信号还揭示了这些器官的活动。它们可以毫不费力地在不接触皮肤的情况下进行测量。但特别微弱的信号需要高度灵敏的传感器。来自基尔大学合作研究中心 1261“磁电传感器”的科学家们现在已经开发出悬臂传感器的新概念,未来的目标是测量心脏和大脑活动的这些低频。极其小巧、节能的传感器特别适用于医疗应用或移动微电子。这是通过使用驻极体实现的。这种材料是永久带电的,也用于助听器或手机的麦克风。研究团队在著名期刊 nano energy 的特刊中介绍了其传感器概念。


更有效:将机械能转化为电能

由“功能纳米材料”工作组rainer adelung教授和多组分材料工作组franz faupel教授领导的研究团队专注于悬臂传感器。它们由薄硅带组成,在最简单的情况下,它有两层应用:第一层响应磁场(磁致伸缩材料),第二层可以发射电压(压电材料)。“如果发生磁场,第一层会变形,从而使整个条带弯曲——就像游泳池里的跳水板一样振动,”crc 成员 faupel 解释了基本原理。由于变形,第二层发出可测量的电压信号。


博士研究员 marleen schweichel 解释说:“通过我们的新传感器概念,我们寻找一种方法,通过赋予弯曲梁更大的动力,使这种机械能向电能的转换更加有效。” 弯曲梁振动得越多,发出的电信号就越强。


用于振动的硬质材料

通常,塑料等所谓的软材料会以低频振动。振动因此显着衰减,并且发出的信号非常微弱。对于硬质材料,可以避免明显的阻尼。然而,为此需要大量的材料,这几乎无法适应传感器技术的小尺寸。“通过我们的方法,我们能够使由硬质材料制成的小型弯曲梁表现得像软质材料,并在低频振动——而且以更大的振幅振动,”adelung 总结道,他们的发现有何特别之处.


驻极体材料:永久带电

决定性因素是所谓的驻极体。研究小组在弯曲梁下方应用了这种永久带电材料。通常,振动弯曲梁会推回其原始位置。然而,由于其自然平衡应力,驻极体向相反方向拉动弯曲梁,从而放大了梁的振动,从而放大了传感器的电信号。


为了能够尽可能准确地读取该信号,研究团队还将一种新的降噪方法集成到其替代传感器概念中。根据“功能纳米材料”工作组的第一作者 mona mintken 的说法,通过极快的测量,可以在噪声之间“拾取”单个信号。


带集成电源的传感器

由于传感器中使用了驻极体,因此不仅可以更好地测量低频。类似于永磁体,无需电源即可产生自己的持久磁场,驻极体也会产生自己的永久电场。“因此,驻极体为传感器提供了内置电势。传感器本身不需要外部电源,可用于移动应用,”博士研究员 stefan schr?der 解释说。通过合作协议,他在美国麻省理工学院(mit)花了三个月的时间进行研究,以进一步改进所需的特殊驻极体层。为此,他使用了所谓的 icvd(引发剂化学气相沉积)工艺,该工艺能够高精度地沉积各个材料层。


“驻极体就像一种纳米发电机,可以产生电能。理论上可以做到这一点超过 20 年,”材料科学家 faupel 说。“具有如此小尺寸的集成电源的传感器对于连接分散的自主电子系统的物联网领域的应用来说也是令人兴奋的,”adelung 补充道。


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