Le misurazioni dei segnali elettrici come l'ECG (elettrocardiogramma) possono mostrare come funziona il cervello o il cuore umano. Oltre ai segnali elettrici, anche i segnali magnetici rivelano qualcosa sull'attività di questi organi. Potrebbero essere misurati con poco sforzo e senza contatto con la pelle. Ma i segnali particolarmente deboli richiedono sensori altamente sensibili. Gli scienziati del Centro di ricerca collaborativo 1261 "Sensori magnetoelettrici" dell'Università di Kiel hanno ora sviluppato un nuovo concetto per i sensori a sbalzo, con l'obiettivo futuro di misurare queste basse frequenze dell'attività cardiaca e cerebrale. L'estremamente piccolo, i sensori ad alta efficienza energetica sono particolarmente adatti per applicazioni mediche o microelettronica mobile. Ciò è reso possibile dall'uso di elettreti. Tale materiale è permanentemente caricato elettricamente, ed è utilizzato anche nei microfoni per apparecchi acustici o telefoni cellulari. Il team di ricerca ha presentato il suo concetto di sensore in un'edizione speciale della rinomata rivista Nano Energy.

Ancora più efficace:convertire l'energia meccanica in energia elettrica

Il gruppo di ricerca guidato dal professor Rainer Adelung, gruppo di lavoro "nanomateriali funzionali, " e il professor Franz Faupel, gruppo di lavoro di materiali multicomponenti, si concentra sui sensori a sbalzo. Sono costituiti da una sottile striscia di silicio, che nel caso più semplice ha due strati applicati:il primo risponde ai campi magnetici (materiale magnetostrittivo), e il secondo può emettere una tensione elettrica (materiale piezoelettrico). "Se si verifica un campo magnetico, il primo strato si deforma e quindi piega l'intera fascia, che vibra come un trampolino in una piscina, " ha spiegato il membro CRC Faupel il principio di base. A causa della deformazione, il secondo strato emette un segnale di tensione misurabile.

"Con il nostro nuovo concetto di sensore, abbiamo cercato un modo per rendere ancora più efficace questa conversione dell'energia meccanica in energia elettrica, dando più impulso al raggio di flessione, " ha spiegato il ricercatore di dottorato Marleen Schweichel. Più il raggio di flessione vibra, più forte è il segnale elettrico emesso.

Materiale duro fatto per vibrare

Normalmente, i cosiddetti materiali morbidi come la plastica vibrano a bassa frequenza. La vibrazione viene così notevolmente smorzata, e il segnale emesso è molto debole. Con materiali duri, si può evitare uno smorzamento significativo. Però, a tale scopo è necessaria una massa maggiore di materiale, che difficilmente si adatta alle piccole dimensioni della tecnologia dei sensori. "Con il nostro approccio, siamo stati in grado di fare in modo che una piccola trave di piegatura in materiale duro si comportasse come un materiale morbido, e vibrare a basse frequenze e per di più, ad un'ampiezza ancora maggiore, " ha riassunto Adelung cosa c'è di così speciale nelle loro scoperte.

Materiali elettreti:permanentemente caricati elettricamente

Il fattore decisivo era il cosiddetto elettrete. Il team di ricerca ha applicato questo materiale permanentemente caricato elettricamente sotto il raggio di flessione. Normalmente, la trave di piegatura vibrante spinge indietro nella sua posizione originale. Però, a causa del suo stress auto-equilibrante, l'elettrete tira il raggio di flessione nella direzione opposta, e quindi amplifica la vibrazione del raggio e quindi il segnale elettrico del sensore.

Per poter leggere questo segnale nel modo più accurato possibile, il team di ricerca ha anche integrato un nuovo approccio alla riduzione del rumore nel suo concetto di sensore alternativo. Con una misurazione estremamente veloce, i singoli segnali possono essere "raccolti" tra il rumore, secondo la prima autrice Mona Mintken del gruppo di lavoro "nanomateriali funzionali".

Sensore con alimentatore integrato

Grazie agli elettreti utilizzati nei sensori, non sono solo le basse frequenze che possono essere misurate meglio. Simile ai magneti permanenti, che creano il proprio campo magnetico persistente senza alimentazione, anche gli elettreti creano il proprio campo elettrico permanente. "L'elettrete fornisce quindi al sensore un potenziale elettrico incorporato. Il sensore stesso quindi non richiede alimentazione esterna, e può essere utilizzato per applicazioni mobili, " ha spiegato il dottorando Stefan Schröder. Attraverso un accordo di cooperazione, ha trascorso tre mesi di ricerca presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti, al fine di migliorare ulteriormente gli strati speciali di elettrete richiesti. Fare così, ha usato il cosiddetto processo iCVD (iniziatore chimico di deposizione da vapore), che consente di depositare i singoli strati di materiale con elevata precisione.

"Gli elettreti funzionano come una specie di nanogeneratore, che genera energia elettrica. E può farlo teoricamente per oltre vent'anni, " ha affermato lo scienziato dei materiali Faupel. "I sensori con un alimentatore integrato di dimensioni così ridotte sono interessanti anche per le applicazioni nell'area dell'Internet delle cose, che collega decentralizzato, sistemi elettronici autonomi, " ha aggiunto Adelung.