测量心脏和大脑活动的高灵敏度传感器
2019-10-15 15:32:47   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

通过施加磁场，弯曲梁震动。永久带电的驻极体（蓝色）带动弯曲梁。这样弯曲梁的震动变得更加明显并发出电子信号（图片来源：基尔大学）

电子信号测量比如说ECG（心电图）能说明人体大脑或者心脏的工作情况。除了电子信号，磁场信号也能反映这些器官的活动，它们测量起来毫不费力并且不需要皮肤接触。但是这些非常微弱的信号需要极其敏感的传感器测量。据麦姆斯咨询报道，来自基尔大学“电磁传感器”合作研究中心提出了一种悬臂传感器的新概念，未来的目标就是测量大脑和心脏活动的低频信号。这种微小、节能的传感器十分适合医疗应用或移动微电子产品。驻极体的使用让这种传感器的实现成为可能。这种材料是永久带电的，也常用于助听器和手机的麦克风。研究团队在著名杂志《纳米能源》（Nano Energy）的特别版中介绍了他们的传感器概念。

研究团队由“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，专注于悬臂传感器的研究。传感器包含一条薄硅带，在最简单的情况下有两层材料组成：一层响应磁场（磁致伸缩材料），第二层能产生电压（压电材料）。“如果有磁场出现，第一层材料就会变形，从而弯曲整个条带——就像游泳池旁的跳水板一样弯曲，”CRC成员Faupel解释基本原理说。由于形变，第二层材料产生一个可被测量的电压信号。

“根据新的传感器概念，我们通过研究如何给弯曲梁更多动力，使这种机械能到电能的转换变得更加高效。”博士研究人员Marleen Schweichel解释说。弯曲梁震动幅度越大，发出的电子信号越强烈。

一般来说，我们所说的软材料，比如塑料，以低频率震动。因此震动被明显减幅，以致发出的信号十分微弱。利用硬材料，明显的减幅能够被阻止，然而，这种方法需要更多的材料，这就不符合这种传感器的小尺寸了。“我们的技术能用硬材料制作出具有软材料特点的小弯曲梁，能在低频率下振动并且振动的幅度更大。”Adelung总结到这项研究的特点说。

研究的决定性因素是被称为“驻极体”的部分。研究团队在弯曲梁下放置了这种永久带电的材料。通常情况下，振动的弯曲梁会被推至初始位置，然而，由于自身平衡应力的影响，驻极体将弯曲梁推向相反的方向，从而放大弯曲梁的振动，也就放大了传感器的电子信号。

为了尽可能准确读取信号，研究团队还在减少干扰的备选传感器方案中加入了一项新方法。来自“功能纳米材料”组的第一作者Mona Mintken介绍道，极其快速的测量能在噪声中“拾取”各个信号。

由于驻极体在传感器中的应用，不仅仅低频信号能被更好地测量了。就像不用能源供应就能产生永久磁场的永磁体一样，驻极体能产生它们自己的永久电场。“因此驻极体给了传感器内置的电势能。传感器本身不需要外部能源供应，并且能被用于移动应用中，”博士研究员Stefan Schr?der解释说。通过一项合作协议，他在美国的麻省理工学院进行了3个月的研究，为更好地优化所需的驻极体层。为了达到该目的，他使用了iCVD（initiator chemical vapour deposition引发剂化学气相沉积）技术，让不同的材料层以更高精度进行沉积。

“驻极体就像纳米发电机那样产生电能，理论上能持续20年以上，”材料科学家Faupel说。“带有内置电源，尺寸又这么小的传感器在物联网方面的应用也很让人兴奋，它们能连接分散的自主电子系统。”Adelung补充到。