Converse Magnetoelectric Resonators for Biomagnetic Field Sensing

Contact-less biomagnetic sensing constitutes the next frontier for advanced healthcare, bringing novel diagnostic abilities using multichannel magnetocardiography (MCG) and magnetoencephalography (MEG) either as a single source of information for rapid patient screening or in combination with established methods such as electrocardiography (ECG) and electroencephalography (EEG) as a source for additional patient information. The combination of established electrical with magnetic patient information potentially leads to novel tools for deep knowledge generation towards pathologies and early prevention of such. The main obstacle towards biomagnetic diagnosis using magnetic imaging techniques is the lack of easy applicable sensor technology which offers extremely low magnetic noise floors; realtime MCG measurements demand for lower than 10 pT/sqrt(Hz), reaching below 100 fT/sqrt(Hz) enables even MEG signal acquisition. Such extremely minute amplitudes that are six to seven orders lower than earth's permanent magnetic field, demand lowest noise sensor technology as the low frequency signal regime below about 1 kHz is strongly affected by omnipresent 1/f-noise. Magnetoelectric (ME) thin film composites consisting of a sputtered piezoelectric (PE) and an amorphous magnetostrictive (MS) layer are usually employed for measurements of magnetic fields passively, i.e. an AC magnetic field directly generates an ME voltage by mechanical coupling of the MS deformation to the PE phase. In order to achieve high field sensitivities, a magnetic bias field is required to operate at the maximum piezomagnetic coefficient of the MS phase. Additionally using mechanical resonances further enhances this direct ME effect size. Despite being able to directly detect very small field amplitudes on the order of 1 pT/sqrt(Hz) for magnetic fields of a frequency exactly matching mechanical resonances comes at the expense of available signal bandwidth, because of rather high resonator quality factors. Strong 1/f noise prevalent in the low frequency regime, makes DC or low frequency magnetic fields tedious to record in that regime using direct ME detection scheme. In the presented work the PE phase is actively excited, thus exploiting the converse ME effect, remedying the shortcomings of the direct effect. ME composites are demonstrated for use as precision sensors, capable of magnetic signal detection in the low frequency, low amplitude biomagnetic regime. The combination of the converse ME effect with high frequency acoustic resonances leads to high piezoelectric stresses generated within the composite, leading to large inverse magnetostriction and thus high sensitivity. A limit of detection (LOD) of 70 pT/sqrt(Hz) at 10 Hz is obtained with composites based on amorphous films of Iron-Cobalt-Silicon-Boron (FeCoSiB). Exploiting advanced magnetoelectric composites based on exchange biased FeCoSiB films (EB-FeCoSiB) LOD values reaching down to 17 pT/sqrt(Hz) at 10 Hz are demonstrated. A trial recording a healthy subjects human MCG signal using an advanced ME composite demonstrates the practical feasibility of biomagnetic measurements and paves the way for routine, realtime biomagnetic measurements in the future.Kontaktlose biomagnetische Diagnostik stellt die nächste Generation von Patientenmonitoring und bildgebender Diagnostik dar, sie ist in der Lage einen schnellen, kontaktlosen Überblick der Vitalfunktionen zu liefern. In Kombination mit etablierten Methoden wie Elektrokardiografie (EKG) und Elektroenzephalografie (EEG) entsteht ein zusätzliches Werkzeug zur Erlangung tieferer Informationen über Pathogenesen und ermöglichen somit eine frühzeitige Erkennung solcher. Die größte technische Hürde der biomagnetischen Diagnose stellt die Entwicklung einer anwenderfreundlichen, wartungsarmen Sensortechnologie dar. Diese Technologie muss über ein extrem niedriges magnetisches Rauschen von kleiner als 10 pT/sqrt(Hz) für Echtzeit Magnetokardiografie (MKG) und bis unter 100 fT/sqrt(Hz) für Magnetoenzephalografie (MEG) verfügen. Derartige Feldstärken von biomagnetischem Niveau sind etwa sechs bis sieben Größenordnungen geringer als das statische Erdmagnetfeld und dabei ebenfalls stets niederfrequent, unterhalb etwa 1 kHz. Damit liegen die relevanten Magnetfelder im Bereich des omnipräsenten 1/f-Rauschens. Magnetoelektrische Dünnschicht-Komposite werden üblicherweise passiv betrieben, indem ein magnetisches Wechselfeld direkt zu einer proportionalen ME-Spannung führt. Dies geschieht mittels magnetostriktiver Dehnung welche durch mechanische Kopplung auf ein Piezoelektrikum übertragen wird und dort eine elektrische Spannung über den direkten piezoelektrischen Effekt erzeugt. Um den größtmöglichen piezomagnetischen Koeffizienten zu erhalten, kommt zusätzlich ein statisches magnetisches Haltefeld zum Einsatz. Durch die Ausnutzung mechanischer Resonanzen wird die Oszillation verstärkt, diese Verstärkung führt in gleichem Maße zu einer Verstärkung des ME-Effekts. Auf diese Weise ist es möglich, magnetische Detektionsgrenzen von etwa 1 pT/sqrt(Hz) zu erreichen, weit im erforderlichen Bereich für Echtzeit MKG Messungen. Diese direkte Ausnutzung mechanischer Resonanzen von hohem Gütefaktor, bringt den wesentlichen Nachteil, dass die Bandbreite des ME Oszillators auf wenige Herz beschränkt ist, welches einer praktischen, breitbandigen Signalerfassung entgegen steht. In dieser Arbeit wird die piezoelektrische Materialphase direkt elektrisch angeregt, es wird der inverse ME-Effekt ausgenutzt. Dieser inverse ME Effekt stellt sich als vorteilhaft im Bezug auf den direkten ME-Effekt heraus, da eine rauscharme Operation ermöglicht wird. Magnetoelektrische Dünnschicht-Komposite werden als Präzisionssensoren zur Detektion von niederfrequenten magnetischen Kleinstsignalen untersucht. Die Kombination aus inversem ME-Effekt und der Ausnutzung hochfrequenter mechanischer Oszillationen führt zu starken mechanischen Verspannungen in der magnetostriktiven Phase und dadurch zu hoher Empfindlichkeit des Sensor-Komposites. Eine Detektionsgrenze von 70 pT/sqrt(Hz) bei einer Frequenz von 10 Hz wird unter Verwendung von magnetostriktiven Einfachlagen erreicht. Die Verwendung fortgeschrittener Mehrlagen-Materialsysteme führt zu einer weiteren Verringerung der Detektionsgrenze auf 17 pT/sqrt(Hz) bei 10 Hz. Schließlich wird in einer Feldstudie am gesunden Probanden eine Machbarkeit zur Detektion humaner MKG Signale gezeigt

NASA patent abstracts bibliography: A continuing bibliography. Section 2: Indexes (supplement 41)

A subject index is provided for over 5200 patents and patent applications for the period May 1969 through June 1992. Additional indexes list personal authors, corporate authors, contract numbers, NASA case numbers, U.S. patent class numbers, U.S. patent numbers, and NASA accession numbers