Les mesures de signaux électriques telles que l'ECG (électrocardiogramme) peuvent montrer comment fonctionne le cerveau ou le cœur humain. A côté des signaux électriques, les signaux magnétiques révèlent également quelque chose sur l'activité de ces organes. Ils pouvaient être mesurés avec peu d'effort et sans contact avec la peau. Mais les signaux particulièrement faibles nécessitent des capteurs très sensibles. Les scientifiques du Centre de recherche collaboratif 1261 "Capteurs magnétoélectriques" de l'Université de Kiel ont maintenant développé un nouveau concept de capteurs en porte-à-faux, dans le but futur de mesurer ces basses fréquences de l'activité cardiaque et cérébrale. L'extrêmement petit, les capteurs économes en énergie sont particulièrement bien adaptés aux applications médicales ou à la microélectronique mobile. Ceci est rendu possible par l'utilisation d'électrets. Un tel matériau est chargé électriquement en permanence, et est également utilisé dans les microphones des appareils auditifs ou des téléphones portables. L'équipe de recherche a présenté son concept de capteur dans une édition spéciale de la célèbre revue Nano Energy.

Encore plus efficace :convertir l'énergie mécanique en énergie électrique

L'équipe de recherche dirigée par le professeur Rainer Adelung, groupe de travail « nanomatériaux fonctionnels, " et le professeur Franz Faupel, groupe de travail des matériaux multi-composants, se concentre sur les capteurs en porte-à-faux. Ceux-ci sont constitués d'une fine bande de silicium, qui dans le cas le plus simple a deux couches appliquées :la première répond aux champs magnétiques (matériau magnétostrictif), et le second peut émettre une tension électrique (matériau piézoélectrique). « Si un champ magnétique se produit, la première couche se déforme et plie ainsi toute la bande qui vibre comme un plongeoir dans une piscine, " a expliqué le membre du CRC Faupel le principe de base. En raison de la déformation, la deuxième couche émet un signal de tension mesurable.

"Avec notre nouveau concept de capteur, nous avons cherché un moyen de rendre cette conversion d'énergie mécanique en énergie électrique encore plus efficace, en donnant plus d'impulsion à la poutre de flexion, " a expliqué la doctorante Marleen Schweichel. Plus la poutre de flexion vibre, plus le signal électrique émis est fort.

Matériau dur fait pour vibrer

Normalement, les matériaux dits mous comme les plastiques vibrent à basse fréquence. Les vibrations sont ainsi fortement amorties, et le signal émis est très faible. Avec des matériaux durs, un amortissement important peut être évité. Cependant, une masse de matière plus importante est nécessaire à cet effet, qui peut difficilement tenir dans les petites dimensions de la technologie des capteurs. « Avec notre approche, nous avons pu faire en sorte qu'une petite poutre de flexion en matériau dur se comporte comme un matériau mou, et vibrez à basse fréquence, et en plus, à une amplitude encore plus grande, " a résumé Adelung ce qui est si spécial dans leurs découvertes.

Matériaux électret :chargés électriquement en permanence

Le facteur décisif était le soi-disant électret. L'équipe de recherche a appliqué ce matériau chargé électriquement en permanence sous la poutre de courbure. Normalement, la poutre de flexion vibrante repousse dans sa position d'origine. Cependant, en raison de son stress auto-équilibrant, l'électret tire le faisceau de flexion dans le sens inverse, et amplifie ainsi la vibration du faisceau - et donc le signal électrique du capteur.

Afin de pouvoir lire ce signal le plus précisément possible, l'équipe de recherche a également intégré une nouvelle approche de réduction du bruit dans son concept de capteur alternatif. Avec une mesure extrêmement rapide, les signaux individuels peuvent être « captés » entre le bruit, selon la première auteure Mona Mintken du groupe de travail « nanomatériaux fonctionnels ».

Capteur avec alimentation intégrée

Grâce aux électrets utilisés dans les capteurs, il n'y a pas que les basses fréquences qui peuvent être mieux mesurées. Semblable aux aimants permanents, qui créent leur propre champ magnétique persistant sans alimentation électrique, les électrets créent également leur propre champ électrique permanent. "L'électret donne ainsi au capteur un potentiel électrique intégré. Le capteur lui-même ne nécessite alors aucune alimentation externe, et peut être utilisé pour les applications mobiles, " a expliqué le doctorant Stefan Schröder. Grâce à un accord de coopération, il a passé trois mois de recherche au Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis, afin d'améliorer encore les couches d'électret spéciales requises. Faire cela, il a utilisé le procédé dit iCVD (initiator Chemical Vapor Deposition), qui permet de déposer des couches de matériau individuelles avec une grande précision.

"Les électrets fonctionnent comme une sorte de nanogénérateur, qui génère de l'énergie électrique. Et peut le faire théoriquement depuis plus de vingt ans, " a déclaré le scientifique des matériaux Faupel. " Les capteurs avec une alimentation intégrée dans de si petites tailles sont également passionnants pour les applications dans le domaine de l'Internet des objets, qui relie décentralisée, systèmes électroniques autonomes, " a ajouté Adelung.