Miniatursensor: „Er kann bei vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen“

02.07.2012

Professor Franz Faupel; © www.facebook.com/
BevisPhotography

Magnetpartikel durch den menschlichen Körper verfolgen – das ist ein mögliches Einsatzgebiet eines neuen Sensors, der von Professor Franz Faupel und seinem Team an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelt wurde. Was ihn von anderen Sensoren unterscheidet und welchen Nutzen er für die Medizintechnik haben kann, erfuhr COMPAMED.de im Gespräch mit dem Projektleiter.

COMPAMED.de: Wir funktioniert der Sensor?

Franz Faupel: Der Sensor hat einen sehr kleinen 120 Mikrometer langen schwingenden Balken, ähnlich einer Feder – er hat ungefähr die Dicke eines Haares, ist also winzig klein. Auf diesem Balken ist ein spezielles Material aufgedampft. Dieses Material ist magnetostriktiv, eine amorphe Eisen-Kobalt-Silizium-Bor-Legierung. Diese Legierung hat die Eigenschaft, dass, wenn man ein Magnetfeld anlegt, sie die Form ändert. Die Schicht dehnt sich entweder aus oder zieht sich zusammen, je nach Legierung und Richtung des Magnetfeldes. Diese Formänderung nennt man Magnetostriktion. Sie führt dazu, dass das Material im Magnetfeld weicher oder härter wird. Man kann sich das anschaulich vorstellen, wenn man an eine Stimmgabel denkt, bei der sich die Frequenz ändert. Also die Geschwindigkeit, mit der der Schwinger schwingt, wird langsamer oder schneller. Die Idee ist, dass sich durch ein angelegtes Magnetfeld in dieser speziellen metallischen Legierung die Härte ändert. In einem starken Magnetfeld wird die Schicht weicher, sie schwingt langsamer, und bei einem schwachen Magnetfeld ist es genau umgekehrt. Die Veränderung der Schwingungsfrequenz kann man sehr genau messen, wodurch man in der Lage ist, auch sehr kleine Magnetfelder zu messen.

Ein Prototyp des neuen Magnetfeldsensors. Die eigentliche Sensorspitze am linken Ende des Siliziumchips ist mit dem bloßen Auge kaum zu sehen; © Björn Gojdka

COMPAMED.de: Zu welchem Zweck wurde der Minisensor entwickelt, nur für die Medizin?

Faupel: Nein, wir sind Materialwissenschaftler und Physiker und wir haben den Sensor entwickelt, ohne ausschließlich medizinische Anwendungen vor Augen zu haben. Er kann also durchaus bei vielen verschiedenen Anwendungen, die einen Magnetfeldsensor benötigen, zum Einsatz kommen.

COMPAMED.de: Der Sensor soll aber auch dabei helfen, Medikamente gezielt im Körper freizusetzen. Wie soll das gehen?

Faupel: Es gibt in der Medizin verschiedene Anwendungen, bei denen Medikamente verwendet werden, die mit Magnetpartikeln markiert sind. Sie werden im Körper gezielt an einen bestimmten Ort transportiert und in einem Magnetfeld freigesetzt. Der Sensor könnte dazu dienen, solche markierten magnetischen Substanzen im Körper zu detektieren und den Weg durch den Körper zu verfolgen. Der Sensor selbst ist natürlich außerhalb des Körpers.

Die Idee zu dem neuen Sensorkonzept kam Björn Gojdka durch seine vorigen Arbeiten am Rasterkraftmikroskop. Dort werden die winzigen Federbalken zum Abtasten von Oberflächen genutzt; © Björn Gojdka

COMPAMED.de: Wo lag die Schwierigkeit, ein solch miniaturisiertes Gerät zu entwickeln?

Faupel: Wir wollten etwas entwickeln, das voll integrierbar ist. Die Schwierigkeit war, dass es ein Messprinzip sein sollte, das ohne externes Magnetfeld auskommt. Bei den meisten Sensoren braucht man bislang ein zweites Magnetfeld, um den Sensor in einen günstigen Arbeitspunktbereich zu bringen, damit er die nötige Empfindlichkeit aufweist. Unser Sensor kommt ohne ein solches externes Magnetfeld aus und ist damit überhaupt erst integrierbar. Ein anderer Punkt ist, dass er anders als andere Sensoren, die nur eine geringe Bandbreite haben – das heißt, die Frequenzen der magnetischen Wechselfelder, die sie messen können, liegen in einem ganz engen Bereich – Magnetfelder in einem weiten Frequenzbereich messen und auch statische Magnetfelder nachweisen kann, bis hin zu Magnetfeldern, die sich mit sehr hohen Frequenzen verändern. Das können viele Sensoren nicht.

Der beschichtete Balken des Magnetfeldsensors ist nur 125µm lang. Das Prinzip des Sensors eignet sich zur Miniaturisierung und hat ein großes Anwendungspotenzial. (Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme); © American Institute of Physics

COMPAMED.de: In welche Geräte könnte er zum Beispiel integriert werden?

Faupel: Das entscheiden wir nicht. Wir sind in erster Linie Wissenschaftler, wir haben den Sensor entwickelt und unser Wissen publiziert und der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt. Wir haben zwar einen Demonstrator gebaut, um das Messprinzip zu zeigen und arbeiten momentan noch daran die Empfindlichkeit des Sensors und die Messergebnisse zu verbessern, aber wir wollen es nicht selber kommerzialisieren.

Das Interview führte Simone Ernst.
COMPAMED.de