SFB 1261:  Magnetoelektrische Sensoren: von Kompositmaterialien zu biomagnetischer Diagnose

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Biologie ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Medizin ; Physik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286471992

Das Hauptziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1261 ist die Untersuchung verschiedener magnetoelektrischer (ME) Sensorsysteme (sowie auch Aktuator-/Sendesysteme). Ein besonderer Fokus liegt dabei auf einer hohen Empfindlichkeit bei „biomagnetischen Frequenzen“ und deren Bewertung und Nutzung zur Lösung von medizinisch relevanten Problemen, für die es derzeit keine ausreichend guten nicht-magnetischen Alternativen gibt. In den ersten beiden Förderperioden haben ungekühlte und ungeschirmte ME-Sensorsysteme (und zugehörige Aktuatoransätze) ihr Potenzial zur Detektion schwacher magnetischer Signale, wie sie für biomedizinische Anwendungen benötigt werden, unter Beweis gestellt. Wir konnten verschiedene ME-basierte Messprinzipien etablieren, die von etwa 100 µT (maximale Amplitude) bis hinunter zu 1 pT/Hz0,5 (Amplitudendichtespektrum des Rauschens) bei höheren Frequenzen (z. B. 7 kHz) und 7,5 pT/Hz0,5 bei niedrigen Frequenzen (10 Hz) arbeiten. Damit können kardiologische Analysen mit Signalmittelungszeiten von etwa einer Minute ohne Kühlung durchgeführt werden. Die ME-Sensoren basieren auf ME-Kompositen, d. h. Kompositen, die aus mindestens einem magnetostriktiven und einem piezoelektrischen Bestandteil bestehen und mit Hilfe von MEMS-Technologie (micro-electro-mechanical systems) hergestellt wurden. Neben "direkten" biomagnetischen Signalen (z. B. vom menschlichen Herzen) wurden mehrere weitere medizinische Anwendungen identifiziert, bei denen magnetische Quellen (z. B. eine Spule, ein vibrierender Biegebalken mit magnetischem Material an den beweglichen Teilen oder magnetische Nanopartikel) an menschliche Aktivitäten oder biologische Prozesse im menschlichen Körper gekoppelt sind. Diese Anwendungen ermöglichen mehrere zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung der entsprechenden magnetischen Detektions- bzw. Sensor-/Aktuatorsysteme. So ermöglichen beispielsweise resonante magnetische Sensoren und Aktoren (Sender) mit Frequenzen oberhalb des Bereichs typischer akustischer Störungen (z. B. über 5 kHz) die Konstruktion von magnetischen Lokalisierungssystemen, die mit hoher Genauigkeit außerhalb und innerhalb des menschlichen Körpers arbeiten können. Das Forschungsprogramm zur Verfolgung dieser Ziele erfordert eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Medizin (Kardiologie, Neurologie, robotergestützte Chirurgie und Endoskopie). Das Arbeitsprogramm der dritten Förderperiode stellt zum einen sicher, dass das volle Potenzial der ME-Sensoren für die ausgewählten biomedizinischen Anwendungsfelder erforscht wird und zum anderen, dass die ME-Sensoren in den Anwendungsprojekten effektiv eingesetzt werden können. Dies wird völlig neue medizinische Diagnostik-Ansätze ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sonderforschungsbereiche
• Internationaler Bezug: Frankreich

Laufende Projekte

• A01 - Magnetostriktive Multilagen für magnetoelektrische Sensoren (Teilprojektleiter McCord, Jeffrey ;  Meyners, Dirk )
• A02 - Mechanisch weiche Mikro- und Makrokomposite für tragbare Geräte (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Adelung, Rainer ;  Ameri, Ph.D., Tayebeh ;  Faupel, Franz )
• A04 - ΔE-Effekt-Sensoren (Teilprojektleiter Faupel, Franz ;  Rieger, Robert ;  Spetzler, Benjamin )
• A06 - Mikrostruktur und strukturelle Änderungen von magnetoelektrischen Sensoren (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Kienle, Lorenz ;  Murphy, Bridget )
• A07 - Elektrisch modulierte magnetoelektrische Sensoren (Teilprojektleiter Quandt, Eckhard )
• A08 - Modellierung von magnetoelektrischen Sensoren (Teilprojektleiterin Gerken, Martina )
• A09 - Oberflächenwellenmagnetfeldsensoren (Teilprojektleiter Lofink, Fabian ;  Quandt, Eckhard )
• A10 - Magnetisches Rauschen von magnetoelektrischen Sensoren (Teilprojektleiter McCord, Jeffrey ;  Wulfinghoff, Stephan )
• B01 - Sensor-Rauschverhalten und analoger Systementwurf (Teilprojektleiter Bahr, Andreas ;  Höft, Michael ;  Knöchel, Reinhard ;  Rieger, Robert )
• B02 - Digitale Signalverarbeitung (Teilprojektleiter Bergholz, Robert ;  Ellrichmann, Mark ;  Schmidt, Gerhard )
• B09 - Magnetoelektrische Sensoren zur Bewegungsdetektion und -analyse (Teilprojektleiter Maetzler, Walter ;  Schmidt, Gerhard )
• B10 - Magnetoelektrische Sensoren für kardiologische Anwendungen (Teilprojektleiter Frey, Norbert ;  Schmidt, Gerhard )
• B12 - Bioinspirierte Nanokomposite zur Früherkennung von Komplikationen in der Magen-Darm-Chirurgie (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Altintas, Zeynep ;  Gerken, Martina ;  Gundlach, Jan-Paul )
• B13 - Magnetoelektrische 3D-Kartierung in der Gastrointestinaldiagnostik (Teilprojektleiter Ellrichmann, Mark ;  Lofink, Fabian )
• MGK - Integriertes Graduiertenkolleg (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Gerken, Martina ;  Laufs, Ph.D., Helmut ;  Maetzler, Walter ;  McCord, Jeffrey )
• Z01 - Herstellung magnetoelektrischer MEMS Sensoren (Teilprojektleiter Gojdka, Björn ;  Lofink, Fabian ;  Meyners, Dirk ;  Niekiel, Florian )
• Z02 - Charakterisierung magnetoelektrischer Sensoren (Teilprojektleiter Höft, Michael ;  Rieger, Robert ;  Schmidt, Gerhard )
• Z03 - Zentrale Verwaltungsprojekt (Teilprojektleiter Quandt, Eckhard ;  Schmidt, Gerhard )
• Ö - Projekt wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Enzingmüller, Carolin ;  Kampschulte, Lorenz ;  Parchmann, Ilka )

Abgeschlossene Projekte

• A03 - Resonante magnetoelektrische Sensoren (Teilprojektleiter Quandt, Eckhard ;  Wagner, Bernhard )
• A05 - Piezotronische magnetoelektrische Sensoren (Teilprojektleiter Adelung, Rainer )
• B03 - Inverse Lösungen für die Lokalisation biomagnetischer Aktivität im Herzen und Hirn (Teilprojektleiter Siniatchkin, Michael ;  Stephani, Ulrich )
• B05 - Individualisierte tiefe Hirnstimulation (Teilprojektleiter Deuschl, Günther ;  Höft, Michael )
• B06 - Multimodale Kartierung von Nervpathologien mittels magnetoelektrischer Sensoren (Teilprojektleiter Laufs, Ph.D., Helmut ;  Schmidt, Gerhard )
• B07 - 3D-Detektion magnetisch markierter Zellen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Faupel, Franz ;  Selhuber-Unkel, Ph.D., Christine )
• T01 - Individualisierte tiefe Hirnstimulation (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Deuschl, Günther ;  Helmers, Ann-Kristin ;  Höft, Michael )

• Antragstellende Institution: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• Beteiligte Institution: Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT); IPN - Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik; an der Universität Kiel
• Beteiligte Hochschule: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg; Technische Universität Ilmenau
• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Eckhard Quandt, bis 9/2021; Professor Dr.-Ing. Gerhard Schmidt, seit 9/2021