Science News (in English)

 

Outreach News (in German)

In the future, highly-sensitive sensors could be able to detect magnetic signals from the body in order to draw conclusions on heart or brain functions. In contrast with established electrical measurement techniques, they would achieve contactless measurement, i.e. without direct skin contact. At present, such measurements are still associated with considerable expense and effort. This is because the sensors must be cooled dramatically, or shielded against other magnetic fields. Now, researchers at Kiel University built an important basis for biomagnetic diagnostics. In the Collaborative Research Center (CRC) 1261 "Magnetoelectric Sensors: From Composite Materials to Biomagnetic Diagnostics", they are researching the development of magnetic field sensors, which in the long-term - with better spatial resolution - could be easily put to use in medical practice. The interdisciplinary research team developed a magnetic field sensor system that not only includes the detection of a magnetic signal, but also its processing. The researchers presented their results in the journal Scientific Reports.

Full press release can be found at: http://www.uni-kiel.de/pressemeldungen

Our new phase noise analyzer FSWP from Rohde & Schwarz has just arrived. With this measurement device the phase noise (and also the amplitude noise) of both one-port and two-port devices under test (DUT) can be measured. One-port measurements are particularly necessary for the noise characterization of the oscillators used for the excitation of our sensors. However, the main feature of this device is the additional radio frequency (RF) source for so-called additive phase noise measurements, e.g. two-port measurements. Thus, we are now able to comprehensively analyze our new surface acoustic wave (SAW) magnetic field sensors [Kit 2018] regarding their noise behaviour. Last but not least the FSWP greatly supports the development of low-noise sensor electronics.

 

[Kit 2018] A. Kittmann, P. Durdaut, S. Zabel, J. Reermann, J. Schmalz, B. Spetzler, D. Meyners, N. X. Sun, J. McCord, M. Gerken, G. Schmidt, M. Höft, R. Knöchel, F. Faupel, and E. Quandt: Wide Band Low Noise Love Wave Magnetic Field Sensor System; Scientific Reports, vol. 8, no. 278, January 2018; http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-18441-4

A highlight, especially for the team of the projects B2 and B6 of the CRC 1261, was the magnetic measurement of nerve signals with a 304 SQUID vector magnetometer at the PTB in Berlin. For further development and also for optimization of our uncooled magnetoelectric (ME) sensors, a better understanding of spectral power distribution and signal strength of nerve signals is of particular interest. Since the magnetic field of human nerve pulses is quite low, only signal amplitudes in the fT range from the deep nerve are measurable. The project B6 intensively prepared these measurements, since an earlier attempt at measuring the signals had completely failed. Finally, Christin Bald and Eric Elzenheimer succeeded in measuring nerve signals magnetically, which also fits to the current electrical gold standard (electroneurography). Signal amplitudes were subject dependent and ranged from 17 fT to 60 fT in a frequency range from 100 Hz to 1 kHz. The required averaging time was in the range of minutes, while for current ME sensors significantly longer averaging times are expected to be necessary.

 

Ron-Marco Friedrich recently reported on great progress the project project B7. Here, the aim is the detection of magnetically labeled cells for biomaterial scaffold characterization and first measurements of the magnetic field and localization of magnetic nanoparticles were successful. For the measurement, an ME sensor samples space over a surface with magnetic nanoparticles (Fig. 1). The magnetic field is measured and the inverse problem is solved to localize the sources of that magnetic field (Fig. 2).

Fig. 1: Sampling of the surface with magnetic nanoparticles using an ME sensor. The magnetic moment is aligned with the AC magnetic field.

 

   
Fig. 2: a) Reference sample with magnetic nanoparticles (red), b) Measured magnetic field (red – positive, blue - negative), c) Reconstructed sources of the magnetic field.

Good news from our central project Z2. Alexander Teplyuk (project Z2) has finished a new scheme for mounting and characterization of our cantilever-based ME sensors. Instead of of permanenty fixing the cantilevers on a mouning plate (as we did it so far), we can contact the cantilevers now in a non-permanent manner. This allows to adjust the resonance frequency of our sensors in an easy way. Consequently, sensor characterisation with a predetermined center frequency is possible now.

The video above shows how easy it is to install and contact the ME cantilevers with the new measurement setup. By using a simple torque wrench, it is possible to ajust the claming force which dircetly influcenes the resonance frequency. This allows to characterize a large set of sensors with exactly the same resonance behaviour.

Alexander Teplyuk (project Z2) had improved the head scanner with respect to scanning speed, robustness, and saftety means. It is ready now to be used for patient measurements. First evaluations have been performed in close cooperation with our medical project B5.

The scanner has reached the next level ...

 

Furthermore, a head phantom for emulation of a network of connected sources in the brain has been designed in close cooperation with the rearchers from project B3. Small coils can be arbitrarily placed at designated postions. This allows us to generate a variety of source configurations and we are able now to create the corresponding magentic fields on the surface of our artifical head.

 
  Schematic of an magnetoelectric cantilever sensor the magnified region represents the layer stacking of piezolectric (AlN), and the self biased magnetostrictive stack (Ta, Cu, MnIr, FeCoSiB). The arrow represents the bias field orientation.

For his work about magnetoelectric sensors in medical engineering Dr. Enno Lage, post doc at Kiel University, received an award for young researchers from the German Society for Materials Science (DGM, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde). The prize was awarded at the annual conference of the DGM in Darmstadt on September 26th 2016. It honors outstanding achievements of young researchers in material science.

During his PhD, Enno Lage conducted his research on highly sensitive magnetoelectric sensors within the collaborative research center “Magnetoelectric Composites” at the Faculty of Engineering.

Those sensors show their highest sensitivity in presence of well-defined magnetic bias fields. For vector sensors and in densely arranged sensor-arrays each component needs an individually oriented bias field. Thus, the sources of bias fields, either generated with electromagnetic coils or with permanent magnets, are detrimental in terms of miniaturization.

In order to overcome these limitations, the researchers utilized the exchange bias effect which is well established in magneto-resistive sensing. The challenge in their approach was the precise adjustment of the bias field. The orientation of the internal bias field is crucial for the sensitivity. If one would simply substitute the external bias field by an internal field with same orientation and strength, the sensors would show a vanishingly small response and hence an alternative orientation had to be considered. Additionally, if the field is too large the sensitivity decreases, if it is too small the sensor behaves partially unbiased.

The followed approach led to the successful realization of self-biased magnetoelectric sensors and was suitable to combine sensor elements for vector sensing.

Corresponding publication:

Lage, E., Kirchhof, C., Hrkac, V., Kienle, L., Jahns, R., Knöchel, R., Quandt, E. and Meyners, D., 2012. Exchange biasing of magnetoelectric composites. Nature materials, 11(6), pp.523-529.

Lage, E., Woltering, F., Quandt, E. and Meyners, D., 2013. Exchange biased magnetoelectric composites for vector field magnetometers. Journal of Applied Physics, 113(17), p.17C725.

Lage, E., Urs, N.O., Röbisch, V., Teliban, I., Knöchel, R., Meyners, D., McCord, J. and Quandt, E., 2014. Magnetic domain control and voltage response of exchange biased magnetoelectric composites. Applied Physics Letters, 104(13), p.132405.

Today (September 15th, 2016) the inventors Robert Jahns, Holger Runkowske, and Reinhard Knöchel were informed from the European Patent Office that their idea on the "tuning fork" sensor principle is protected now by the European patent EP 2 811 314 B1. Congratulations to the inventors!

A "tuning fork" sensor basically consists of two ME sensors, which are arranged on top and at the bottom of a mounting block. The inverse orientation of the individual sensors with respect to the suspension point (FR-4 substrate in the picture below) leads to distinguishable output signals for magnetic and vibrational excitations. If a magnetic field is applied to the tuning fork, the cantilevers are bent in opposite directions (e.g. both away from the centre, black arrows). The outputs of the upper and lower cantilevers are opposite in phase with respect to a common ground and thus produce a differential-mode signal. In the case of vibrational coupling, the cantilevers are predominantly bent in the same direction (green arrows) and produce co-phase signals of the two sensor outputs (common mode). The comparison of a tuning fork sensor with a single cantilever sensor (see figure below) reveals that the tuning fork shows a limit of detection of approximately 500 fT/Hz1/2 – a very good LOD for magnetoelectric thin film sensors - whereas the individual magnetoelectric cantilevers, similar to those of which the tuning fork is composed, have sensitivities of approximately 5 pT/Hz1/2. With superimposed white noise the effect of the tuning fork is even more distinct. Whereas the tuning fork experiences an increase in noise level of about a factor of roughly 4, the single magnetoelectric sensor shows a rise of approximately two decades.

   
Magnetoelectric tuning fork sensor (a). LOD plots of tuning fork setup (c) in comparison to a single sensor (b) with and without additional superimposed wideband noise. The dashed auxiliary lines indicate the noise level and the LOD. The resonance frequency was 958 Hz.

 

 

Wofür brauchen wir Magnetfeldsensoren und wie werden sie eigentlich hergestellt? Drei Tage lang gaben SFB-Mitglieder Einblicke in ihre Forschung und die Arbeit im Kieler Nanolabor an der Technischen Fakultät. Zwei Virtual-Reality (VR)-Brillen machten den Reinraum und sein Equipment virtuell erlebbar. Normalerweise können ihn nur Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in besonderen Schutzanzügen betreten. Wer eine der Brillen aufsetzte, konnte das 360-Grad-Video eines virtuellen Rundgangs durch das Labor sehen und sich dort gewissermaßen frei umschauen. 

Die Brillen sorgten für viel Aufmerksamkeit und wurden von Jung und Alt mit Begeisterung ausprobiert. Die beiden Freundinnen Hannah und Camille aus Kiel haben richtig gut aufgepasst, was im Video passierte: „Die Wissenschaftler haben ganz viele Platten in einen Schrank geschoben und einer hat am Computer gearbeitet“, erklärt die 12-jährige Hannah, was sie gesehen hat. „Und die hatten alle Masken auf, weil sonst Staub auf die Sensoren kommt und das würde alles verändern“, ergänzt Freundin Camille, 11 Jahre.

„Das war toll, in so einem Raum zu sein und die Sachen dort direkt zu sehen“, sagte der 11-jährige Jannes aus Jevenstedt. Auch Mutter Katrin zeigte sich beeindruckt von den Brillen: „Gerade für Kinder sind die bestimmt hilfreich, um Inhalte zu vermitteln.“ „Der Eindruck ist natürlich viel plastischer, als wenn man sich das in einem Buch anschauen würde – solche Techniken sollten viel mehr eingesetzt werden“, lautete Florians Fazit, der zurzeit an der CAU in Physikalischer Chemie promoviert. 

Begleitend zu den VR-Brillen erklärte Carolin Enzingmüller vom Projekt SOP mit ihrem Team von Promovierenden aus verschiedenen Arbeitsgruppen, wie im Reinraum Magnetfeldsensoren hergestellt werden. Anhand eines Demonstrators zeigten sie, wie die fertigen Sensoren aussehen könnten und wie sie reagieren, wenn ein handelsüblicher Magnet – zum Beispiel von einer Magnettafel – in ihre Nähe kommt. Verschiedene Ausstellungsplakate visualisierten mögliche medizinische Anwendungen wie die Messung von Herzaktivitäten oder die verbesserte Stimulierung des Gehirns bei Parkinson-Erkrankten. 

„Das Publikum war ganz bunt gemischt, von jung bis alt“, so Enzingmüllers Bilanz nach drei Tagen Kieler Woche. „Vor allem die VR-Brillen haben die Leute angezogen. Viele fanden es spannend, sich virtuell in einen Raum umzuschauen, in dem man sonst als Laie nicht hereinkommt. Aber auch zu den Aspekten der medizinischen Anwendung gab es viele Nachfragen.“ Auf der Nacht der Wissenschaft am 28. September soll eine erweiterte Form der Ausstellung an der technischen Fakultät gezeigt werden.

 

Auch in diesem Jahr präsentiert sich die Uni Kiel auf der Kieler Woche mit einem eigenen Vortrags- und Ausstellungszelt. Vom 16.-18. Juni wird der SFB dort zeigen, wie sie extrem empfindliche magnetische Sensoren erforschen, zum Beispiel für die Messung von Herzströmen. Zu sehen ist eine interaktive Touchstele sowie eine Virtual-Reality-Brille, mit der Besucherinnen und Besucher den Reinraum an der Technischen Fakultät virtuell betreten können. Hier werden die empfindlichen Sensoren unter besonderen Bedingungen in fast staubfreier Umgebung hergestellt.

Das Zelt der Uni Kiel lädt Groß und Klein während der gesamten Kieler Woche (16.-24.6.) zu leicht verständlichen, wissenschaftlichen Vorträgen, Sprachkursen und viele Mitmachangeboten aus allen Fachgebieten der Uni ein.

Weitere Infos und Standort an der Kiellinie: 

www.uni-kiel.de/live/index.php?page=standort

Unter nahezu staubfreien Bedingungen forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des SFB im Reinraum der Technischen Fakultät an Sensoren. Betreten können sie ihn nur in speziellen Schutzanzügen. Ein neues 360-Grad-Video des SFB gibt nicht nur einen Einblick in ihre tägliche Arbeit, sondern zeigt auch den Reinraum in Rundumperspektive. Erleben lässt sich das nicht nur online und auf der Touchstele des SFB. Mit speziellen Virtual-Reality-Brillen kann nun jeder den Reinraum gewissermaßen virtuell betreten. Fast einen Tag lang drehte dort ein Kamerateam und ließ sich von Mitgliedern des SFB zeigen, welche Schritte nötig sind, um Sensoren herzustellen. Zum ersten Einsatz kamen die 360-Grad-Videoaufnahmen im April diesen Jahres auf dem Stand der Universität Kiel auf der Hannover Messe.  

 360-Grad-Video

 

 

Wie Sensoren hergestellt werden, die Gehirnaktivität messen, konnten Mädchen beim diesjährigen Girls‘ Day am 26. April an der Technischen Fakultät erfahren. Das Angebot stieß auf großes Interesse und war bereits frühzeitig ausgebucht: 9 Mädchen aus der 7. und 8. Klasse nahmen daran teil. SFB-Mitglied Rahel Rahlves zeigte den Teilnehmerinnen unter anderem, wie im Reinraum aus Siliziumscheiben Sensoren hergestellt werden und warum der SFB daran forscht. Anschließend durften die Nachwuchswissenschaftlerinnen sich selbst an die Arbeit machen: Per Photolithographie strukturierten sie die Oberfläche der Scheiben, um ihnen so ihre charakteristischen Eigenschaften zu verleihen. Nach dem Beschichten in der Sputteranlage sägten sie schließlich selbst einzelne Chips aus – natürlich komplett im speziellen Reinraum-Schutzanzug wie die „echten“ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. „Die Mädels waren sehr interessiert und haben jede Menge Fragen gestellt“, so das Fazit von Rahel Rahlves. Am Ende gab es für alle ein Teilnahmezertifikat und den selbst hergestellten Chip als Kettenanhänger zum Mitnehmen.

Mit seiner digitalen Ausstellung präsentierte sich der SFB 1261 vom 13.-15. März bei den Studieninformationstagen der Uni Kiel. „Die Entwicklung von Magnetfeldsensoren ist ein tolles Beispiel dafür, was man mit einem Abschluss in Materialwissenschaft oder Elektrotechnik alles machen kann“, sagt Lars Thormählen, Promotionsstudent bei Professor Eckhard Quandt im Projekt A1 „Magnetostrictive Multilayers for Magnetoelectric Sensors“. Zusammen mit der Fachschaft Ingenieurswissenschaften betreute er den Stand des SFBs im Foyer des Audimax und stellte Interessierten das Forschungsvorhaben und passende Studienmöglichkeiten vor. „Die Stele ist ein tolles Hilfsmittel, um direkte Einblicke in die Arbeit unseres SFBs zu geben.“ Anhand der Bilder und Texte auf dem interaktiven Touchbildschirm, entwickelt vom Outreach-Projekt, konnten Schülerinnen und Schüler sich aber auch selbstständig über den SFB, die Erforschung von Sensoren und ihre Entwicklung im Kieler Reinraum informieren. Über 15.000 Besucherinnen und Besucher nutzen die diesjährigen Studieninformationstage, um sich einen Überblick über das gesamte Studienangebot der Uni Kiel zu verschaffen. 

Am 21. und 22. Februar 2018 besuchte der SFB 1261 drei Berliner Forschungsstandorte.

An der medizinischen Klinik für Kardiologie der Charité gaben Prof. Dr. Park und Dr. Skurk einen Einblick in diagnostische und therapeutische Verfahren der modernen Herzmedizin. Danach besichtigte das SFB-Team unter anderem die geschirmte Messkammer, in der Messungen am Herzen mithilfe von SQUID-Sensoren durchgeführt werden. 

An der technischen Universität berichteten Prof. Dr. Blankertz und Prof. Dr. Müller aus ihrer Forschung im Bereich der Brain Computer Interfaces (BCIs), also Schnittstellen zwischen Computer und dem menschlichen Gehirn. Die Wissenschaftler stellten unter anderem dar, wie Daten aus EEG-Messungen verwendet werden können, um Gedanken in Steuersignale zu übersetzen. 

An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) werden diverse magnetische Messverfahren weiterentwickelt. Das SFB-Team bekam einen Einblick in die Untersuchung magnetischer Nanopartikel, die in der Medizin beispielweise als Kontrastmittel in der Magnetresonanzbildgebung oder in der Krebstherapie zum Einsatz kommen. Ein Highlight war schließlich die Führung durch den „magnetisch ruhigsten Raum der Erde“, eine sowohl passiv als auch aktiv geschirmte Kammer aus sieben Schalen aus Metallen mit hoher Permeabilität. Ein Schirmfaktor von bis zu 2∙106 bei 0,01 Hz ermöglicht es, kleinste Magnetfelder hochauflösend zu messen - sogar das einer tickenden Armbanduhr. 

Wir danken allen Forschenden für die interessanten Einblicke in ihre herausragende Arbeit!

Die vom Outreach-Projekt entwickelte digitale Ausstellung zum SFB 1261 gibt es nun auch in einer Webseiten-Variante. Interessierte können sich so bequem von zuhause aus über die Forschungsbereiche des SFB 1261 informieren. Die Webseite ist für den Einsatz auf mobilen Endgeräten optimiert und kann so auch an Schulen eingesetzt werden. Erreichbar ist sie über den Menüpunkt „Microsite“ auf der SFB-Homepage oder über folgenden Link: http://info.sfb1261.de/de/ 

Am 29. September 2017 fand die zweite Auflage der Europäischen Nacht der Wissenschaft in der KielRegion statt. Der SFB 1261 zeigte in Plön „Wissenschaft zum Anfassen“: Erstmals konnten sich Besucherinnen und Besucher über die neue interaktive Touch-Säule darüber informieren, wie im SFB hochempfindliche Magnetfeldsensoren entstehen und im Rahmen von medizinischen Messungen eingesetzt werden. Die Touch-Säule wird zukünftig auch bei weiteren Outreach-Veranstaltungen dabei sein.

 

Contact

sfb1261@tf.uni-kiel.de

Chairman:

Prof. Dr. Eckhard Quandt

Kiel University
Institute for Materials Science

 

Interner Server

 

CAU

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Christ.-Albrechts-Platz 4
D-24118 Kiel

UKSH

University Hospital Schleswig-Holstein, Campus Kiel (UKSH)

Arnold-Heller-Straße 3
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ISIT

Fraunhofer Institute for Silicon Technology, Itzehoe (ISIT)

Fraunhoferstrasse 1
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IPN

IPN - Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik an der Universität Kiel

Olshausenstraße 62 
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