Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Empfindliches Sensorsystem für Magnetfelder

Die Oberflächenwellensensoren, die Forschende im Kieler SFB 1261 entwickelt haben, sollen langfristig biomagnetische Felder detektieren können.
Die Oberflächenwellensensoren, die Forschende im Kieler SFB 1261 entwickelt haben, sollen langfristig biomagnetische Felder detektieren können.

Sensoren die über dem Körper schweben und erkennen ob Herz und Hirn richtige arbeiten. Diese Science-Fiction-Idee könnte bald Realität werden.

Bei manchen Diagnosen wie einem Verdacht auf Herzinfarkt muss es schnell gehen. Die Herzaktivität lässt sich zum Beispiel mit einem Elektrokardiogramm (EKG) untersuchen, bei dem direkt auf die Haut geklebte Elektroden die vom Herzen erzeugten elektrischen Signale messen.

Einfacher könnten eines Tages magnetische Messungen sein. Im Vergleich zu den etablierten elektrischen Messverfahren wären sie in der Lage, kontaktlos zu messen. Auch ließen sich die Sensoren während der Messung bewegen und Signalveränderungen exakt lokalisieren.

Zwar existieren bereits Sensoren, die biomagnetische Signale des Körpers messen können, sie funktionieren jedoch nur mit supraleitenden Materialien. Dazu muss die Umgebungstemperatur aufwendig auf -197 Grad Celsius heruntergekühlt werden.

Eine wichtige Grundlage in Richtung biomagnetischer Diagnostik konnten jetzt Forschende im Sonderforschungsbereich 1261 der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) schaffen.

Die Mitglieder des interdisziplinären Teams entwickelten einen Oberflächenwellensensor, auch SAW-Sensor genannt (engl. Surface Acoustic Wave) und beschrieben das nötige elektronische Messsystem, in das er integriert ist. Denn für ein sinnvolles Messergebnis kommt es auch darauf an, wie die aufgenommenen Signale verarbeitet und ausgelesen werden.

Den SAW-Sensor stellten die Forschenden mithilfe von Dünnschichttechnik, Lithographie und Ätzverfahren im Kompetenzzentrum Nanosystemtechnik der CAU her. Sein Kernstück ist ein spezielles magnetisches Material. Es ist magnetostriktiv, reagiert also auf Magnetfelder, indem es seine elastischen Eigenschaften ändert und weicher wird.

»Wir lassen Schallwellen über die Oberfläche des Sensors laufen. Tritt ein Magnetfeld auf, wird die Welle im magnetischen Material langsamer«, erklärt Anne Kittmann, Doktorandin der Materialwissenschaft im SFB. Über die Änderung der Geschwindigkeit lässt sich ablesen, wie stark das Magnetfeld ist. »Ähnlich ist es bei Eisenbahngleisen: Legt man sein Ohr direkt auf die Schiene, kann man einen kommenden Zug früher hören. Denn über das Metall ist der Schall schneller als in der Luft.«

Medizinische Anwendung verlangt aber noch höhere Empfindlichkeit

Bis biomagnetische Sensoren wie der des Kieler SFBs in der medizinischen Praxis verwendet werden können, müssen sie allerdings noch kleiner und empfindlicher werden, zum Beispiel durch die Anpassung des Sensoraufbaus oder den Einsatz weiterer Methoden aus der Signalverarbeitung.

Eine Magnetfeldstärke im Piko- bis Femtoteslabereich (ein Billionstel Tesla) messen zu können, ist das langfristige Ziel der Forschenden. Die Erkenntnisse sind außerdem vielversprechend, um sie aufgrund der breiten Frequenzbereiche, die magnetische Signale aufweisen, auf andere Anwendungen der Magnetfeldsensorik zu übertragen, zum Beispiel auf Stromsensoren für die Elektromobilität.

Ihre Ergebnisse stellten sie im Fachmagazin »Scientific Reports« vor.