Las mediciones de señales eléctricas, como el ECG (electrocardiograma), pueden mostrar cómo funciona el cerebro o el corazón humanos. Junto a las señales eléctricas, las señales magnéticas también revelan algo sobre la actividad de estos órganos. Se pueden medir con poco esfuerzo y sin contacto con la piel. Pero las señales especialmente débiles requieren sensores muy sensibles. Los científicos del Centro de investigación colaborativa 1261 "Sensores magnetoeléctricos" de la Universidad de Kiel han desarrollado un nuevo concepto para los sensores en voladizo, con el objetivo futuro de medir estas bajas frecuencias de actividad cardíaca y cerebral. El extremadamente pequeño, Los sensores energéticamente eficientes son especialmente adecuados para aplicaciones médicas o microelectrónica móvil. Esto es posible gracias al uso de electrets. Dicho material está permanentemente cargado eléctricamente, y también se utiliza en micrófonos para audífonos o teléfonos móviles. El equipo de investigación presentó su concepto de sensor en una edición especial de la reconocida revista Nano Energy.

Aún más efectivo:convertir energía mecánica en energía eléctrica

El equipo de investigación dirigido por el profesor Rainer Adelung, grupo de trabajo "nanomateriales funcionales, "y el profesor Franz Faupel, grupo de trabajo de materiales multicomponente, se centra en los sensores en voladizo. Estos consisten en una delgada tira de silicona, que en el caso más simple tiene aplicadas dos capas:la primera responde a campos magnéticos (material magnetoestrictivo), y el segundo puede emitir un voltaje eléctrico (material piezoeléctrico). "Si se produce un campo magnético, la primera capa se deforma y, por lo tanto, dobla toda la tira, que vibra como un trampolín en una piscina, "explicó el miembro de CRC Faupel el principio básico. Debido a la deformación, la segunda capa emite una señal de voltaje medible.

"Con nuestro nuevo concepto de sensor, buscamos una manera de hacer que esta conversión de energía mecánica en energía eléctrica sea aún más efectiva, dando más ímpetu a la viga de flexión, "explicó la investigadora doctoral Marleen Schweichel. Cuanto más vibra la viga de flexión, cuanto más fuerte sea la señal eléctrica emitida.

Material duro hecho para vibrar.

Normalmente, los llamados materiales blandos, como los plásticos, vibran a baja frecuencia. La vibración se amortigua así significativamente, y la señal emitida es muy débil. Con materiales duros, Se puede evitar una amortiguación significativa. Sin embargo, se requiere una mayor masa de material para este propósito, que difícilmente puede caber en las pequeñas dimensiones de la tecnología de sensores. "Con nuestro enfoque, pudimos hacer que una pequeña viga de flexión hecha de material duro se comportara como un material blando, y vibrar a bajas frecuencias, y lo que es más, en una amplitud aún mayor, Adelung resumió lo que tiene de especial sus hallazgos.

Materiales electret:permanentemente cargados eléctricamente

El factor decisivo fue el llamado electret. El equipo de investigación aplicó este material con carga eléctrica permanente debajo de la viga de flexión. Normalmente, la viga de flexión vibratoria empuja de nuevo a su posición original. Sin embargo, debido a su estrés autoequilibrante, el electret tira de la viga de flexión en la dirección opuesta, y por lo tanto magnifica la vibración del rayo y, por lo tanto, la señal eléctrica del sensor.

Para poder leer esta señal con la mayor precisión posible, el equipo de investigación también integró un nuevo enfoque hacia la reducción del ruido en su concepto de sensor alternativo. Con una medición extremadamente rápida, las señales individuales se pueden "captar" entre el ruido, según la primera autora Mona Mintken del grupo de trabajo "nanomateriales funcionales".

Sensor con fuente de alimentación integrada

Gracias a los electrets utilizados en los sensores, no son solo las bajas frecuencias las que se pueden medir mejor. Similar a los imanes permanentes, que crean su propio campo magnético persistente sin una fuente de alimentación, Los electrets también crean su propio campo eléctrico permanente. "El electret le da al sensor un potencial eléctrico incorporado. El sensor en sí no requiere una fuente de alimentación externa, y se puede utilizar para aplicaciones móviles, "explicó el investigador de doctorado Stefan Schröder. A través de un convenio de cooperación, pasó tres meses investigando en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en los Estados Unidos, con el fin de mejorar aún más las capas de electret especiales requeridas. Para hacerlo utilizó el proceso denominado iCVD (iniciador de deposición química en fase de vapor), lo que permite depositar capas de material individuales con alta precisión.

"Los electrets funcionan como una especie de nanogenerador, que genera energía eléctrica. Y puede hacer esto teóricamente durante más de veinte años, ", dijo el científico de materiales Faupel." Los sensores con una fuente de alimentación integrada en tamaños tan pequeños también son interesantes para aplicaciones en el área de Internet de las cosas, que conecta de forma descentralizada, sistemas electrónicos autónomos, "añadió Adelung.