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通過施加磁場，彎曲梁振動。一個(gè)永久帶電的駐極體（藍(lán)色）拉動彎曲梁。通過這種方式，他的振動變得更強(qiáng)，并且發(fā)出的電信號也更強(qiáng)。圖片來源：基爾大學(xué)

ECG（心電圖）等電信號測量可以顯示人腦或心臟的工作方式。除了電信號，磁信號還揭示了這些器官的活動。它們可以毫不費(fèi)力地在不接觸皮膚的情況下進(jìn)行測量。但特別微弱的信號需要高度靈敏的傳感器。來自基爾大學(xué)合作研究中心 1261“磁電傳感器”的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出懸臂傳感器的新概念，未來的目標(biāo)是測量心臟和大腦活動的這些低頻。極其小巧、節(jié)能的傳感器特別適用于醫(yī)療應(yīng)用或移動微電子。這是通過使用駐極體實(shí)現(xiàn)的。這種材料是永久帶電的，也用于助聽器或手機(jī)的麥克風(fēng)。研究團(tuán)隊(duì)在著名期刊 Nano Energy 的特刊中介紹了其傳感器概念。

更有效：將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能

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)專注于懸臂傳感器。它們由薄硅帶組成，在最簡單的情況下，它有兩層應(yīng)用：第一層響應(yīng)磁場（磁致伸縮材料），第二層可以發(fā)射電壓（壓電材料）。“如果發(fā)生磁場，第一層會變形，從而使整個(gè)條帶彎曲——就像游泳池里的跳水板一樣振動，”CRC 成員 Faupel 解釋了基本原理。由于變形，第二層發(fā)出可測量的電壓信號。

博士研究員 Marleen Schweichel 解釋說：“通過我們的新傳感器概念，我們尋找一種方法，通過賦予彎曲梁更大的動力，使這種機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換更加有效。” 彎曲梁振動得越多，發(fā)出的電信號就越強(qiáng)。

用于振動的硬質(zhì)材料

通常，塑料等所謂的軟材料會以低頻振動。振動因此顯著衰減，并且發(fā)出的信號非常微弱。對于硬質(zhì)材料，可以避免明顯的阻尼。然而，為此需要大量的材料，這幾乎無法適應(yīng)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，并在低頻振動——而且以更大的振幅振動，”Adelung 總結(jié)道，他們的發(fā)現(xiàn)有何特別之處.

駐極體材料：永久帶電

決定性因素是所謂的駐極體。研究小組在彎曲梁下方應(yīng)用了這種永久帶電材料。通常，振動彎曲梁會推回其原始位置。然而，由于其自然平衡應(yīng)力，駐極體向相反方向拉動彎曲梁，從而放大了梁的振動，從而放大了傳感器的電信號。

為了能夠盡可能準(zhǔn)確地讀取該信號，研究團(tuán)隊(duì)還將一種新的降噪方法集成到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 Mona Mintken 的說法，通過極快的測量，可以在噪聲之間“拾取”單個(gè)信號。

帶集成電源的傳感器

由于傳感器中使用了駐極體，因此不僅可以更好地測量低頻。類似于永磁體，無需電源即可產(chǎn)生自己的持久磁場，駐極體也會產(chǎn)生自己的永久電場。“因此，駐極體為傳感器提供了內(nèi)置電勢。傳感器本身不需要外部電源，可用于移動應(yīng)用，”博士研究員 Stefan Schr?der 解釋說。通過合作協(xié)議，他在美國麻省理工學(xué)院（MIT）花了三個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行研究，以進(jìn)一步改進(jìn)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，該工藝能夠高精度地沉積各個(gè)材料層。

“駐極體就像一種納米發(fā)電機(jī)，可以產(chǎn)生電能。理論上可以做到這一點(diǎn)超過 20 年，”材料科學(xué)家 Faupel 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)用來說也是令人興奮的，”Adelung 補(bǔ)充道。