Η έρευνά μου τα τελευταία δέκα χρόνια επικεντρώνεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη αισθητήρων απομακρυσμένης πρόσβασης που αποτελούνται από επιλεκτικά ανόργανα στρώματα (π.χ. στρώματα ζεόλιθου, TiO₂, κλπ) επάνω σε μαγνητοελαστικά υλικά.
 
Οι αισθητήρες είναι συσκευές μεγέθους της τάξεως του μικρού οι οποίες παράγουν ένα ηλεκτρικό σήμα σε απόκριση της μεταβολής μιας φυσικής παραμέτρου του περιβάλλοντος όπως η υγρασία, η πίεση, η συγκέντρωση αερίου, κλπ.
 
Τα μαγνητοελαστικά υλικά είναι ένας ιδιαίτερος τύπος μαλακών σιδηρομαγνητικών υλικών τα οποία παραμορφώνονται (μεταβάλλουν το σχήμα τους) κάτω από την εφαρμογή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Μπορούν να ρυθμιστούν έτσι ώστε να συντονίζονται με την εφαρμογή ενός εναλλασσόμενου πεδίου. Η συχνότητα συντονισμού εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού και τη γεωμετρία του. Οι αισθητήρες κατασκευάζονται με την σύνθεση των επιλεκτικών στρωμάτων επάνω σε μαγνητοελαστικά υμένια. Όταν η υπό-εξέταση φυσική περιβαλλοντική παράμετρος μεταβληθεί, το εκλεκτικό στρώμα αποκρίνεται μεταβάλλοντας τις ιδιότητες του μεταβάλλοντας ταυτόχρονα τη συχνότητα συντονισμού του μαγνητοελαστικού υμενίου. Ειδικά ηλεκτρονικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της συχνότητας συντονισμού και κάτω από κατάλληλη βαθμονόμηση, η φυσική παράμετρος μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια.
 
Όπως μπορεί να φανεί και από τις σχετικές δημοσιεύσεις στην παρούσα ιστοσελίδα, η ερευνητική μας ομάδα  σχεδίασε αισθητήρες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση περιβαλλοντικών / χημικών / βιολογικών παραμέτρων, όπως

• Συγκέντρωση αερίων (όπως CO₂, N₂, CH4 και άλλοι υδρογονάνθρακες,  πολικά μη πολικά μόρια).
• Μικρές αυξήσεις μάζας.
• Πίεση.
• Ροή ρευστού.
• Υγρασία.
• Καθίζηση αλάτων σε υδάτινα διαλύματα (όπως μπρουσίτης και οξαλικό ασβέστιο)
• Χρόνος πήξης αίματος.
• Βιο-ιατρικές παραμέτρους  (όπως συγκέντρωση γλυκόζης).
• Επιβλαβείς οργανικές ενώσεις

Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των μαγνητοελαστικών αισθητήρων είναι

• Οι πληροφορίες λαμβάνονται από απόσταση, χωρίς άμεσες φυσικές συνδέσεις, όπως καλώδια, ούτε τυχόν ειδικές απαιτήσεις ευθυγράμμισης.
• Χαμηλό κόστος υλικού περίπου 0,01 € που επιτρέπει τη χρήση τους σε αναλώσιμη βάση.
• Μικρές ποσότητες της τάξης των 10 μg μπορούν να μετρηθούν.
• Δεν υπάρχει ανάγκη για μπαταρίες ή τροφοδοσία αφού ανταποκρίνονται φυσικά σε εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία.
• Χρησιμοποιούνται χαμηλές συχνότητες (~ 100 kHz) που απαιτούν φθηνά ηλεκτρονικά.
• Χρησιμοποιούνται χαμηλά μαγνητικά πεδία(~10 G DC, 100 mG AC).

 Πιθανές εφαρμογές

• Εξαγωγή πληροφοριών από το σφραγισμένα εσωτερικά, αδιαφανή δοχεία, όπως συσκευασίες τροφίμων ή σωλήνες PVC.
• Μέτρηση μικρο-ποσοτήτων μη επεμβατικά (μικροζυγός)
• Αισθητήρες αερίων-υγρών
• Παρακολούθηση του χρόνου αντίδρασης των διαφόρων διαδικασιών, όπως καθίζηση, σχηματισμός νέων ουσιών, σκλήρυνση υλικού.

Αρχή λειτουργείας

Οι Μαγνητοελαστικοί αισθητήρες λεπτών υμενίων μπορούν να θεωρηθούν ως το μαγνητικό ανάλογο μιας καμπάνας: σε απόκριση προς ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, ο αισθητήρας «ηχεί» όπως ένα κουδούνι, εκπέμποντας τόσο μαγνητική ροή όσο και ακουστική ενέργεια με χαρακτηριστική συχνότητα συντονισμού. Η μαγνητική ροή ή η ακουστική ενέργεια μπορεί να ανιχνευθεί από απόσταση, εξωτερικά από περιοχή δοκιμής, χρησιμοποιώντας ένα πηνίο λήψης ή ένα μικρόφωνο. Από τις αλλαγές στην χαρακτηριστική συχνότητα συντονισμού του αισθητήρα, πολλαπλές περιβαλλοντικές παράμετροι μπορούν να μετρηθούν.

Σε συνδυασμό με μικροπορώδεις ανόργανες μεμβράνες με επιλεκτικές ιδιότητες προσρόφησης, τα μαγνητοελαστικά υμένια μπορούν να μετατραπούν σε ευαίσθητους βιο-χημικούς αισθητήρες. Ανάλογα με την εφαρμογή, οι μπορεί να είναι μεγέθους από μικρόμετρο έως και  διαστάσεων χιλιοστού.

Τρέχοντα Αποτελέσματα

Στις περισσότερες εφαρμογές, έχουμε χρησιμοποιήσει με επιτυχία μαγνητοελαστικούς αισθητήρες ως μικροζυγούς  για την παρακολούθηση αλλαγής μικρομαζών in-situ. Ωστόσο, στην περίπτωση όπου χρησιμοποιήθηκαν λεπτές μεμβράνες ζεόλιθου ως το εκλεκτικό στρώμα, ανακαλύψαμε ότι η προσρόφηση αερίου οδηγεί σε μεταβολές της εσωτερικής τάσης στον κρύσταλλο του ζεόλιθου και επομένως και στο σήμα του αισθητήρα. Αυτή η πληροφορία χρησιμοποιήθηκε, με τη βοήθεια θεωρητικών μοντέλων και υπολογιστικών τεχνικών για να εξαχθούν οι τιμές  αυτών των εσωτερικών τάσεων έναντι προσρόφηση διαφόρων αερίων. Τα αποτελέσματα είναι ενδιαφέροντα, επειδή εξηγούν διάφορες ιδιότητες των ζεολιθικών μεμβρανών που ήταν δύσκολο να εξηγηθούν πριν.

Μελλοντικά σχέδια

Η τεχνολογία των αισθητήρων έχει κάνει μεγάλες προόδους τα τελευταία είκοσι έτη, χάρη στη χρήση των νέων έξυπνων υλικών και τη βελτίωση του χαρακτηρισμού και σχεδιασμού των υλικών αυτών. Πιστεύω ότι η χρήση των μαγνητοελαστικών αισθητήρων δεν έχει αναπτυχθεί πλήρως και υπάρχει περισσότερη δουλειά ως προς τη χρήση τους για την τηλεπισκόπηση στο εσωτερικό σωλήνων, κλειστών δεξαμενών και άλλα περιβάλλοντα όπου η φυσική διείσδυση των καλωδίων δεν είναι δυνατή. Μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η μη καταστροφική και μη επεμβατική ανίχνευσή των ελαστικών ιδιοτήτων των υλικών.

Μελλοντικά, το εργαστήριό μας μπορεί να αναπτύξει τις εξής δυο τεχνολογίες:

1) Μη καταστροφική, in situ μέτρηση των εσωτερικών τάσεων σε περιστρεφόμενα πτερύγια κινητήρων αεροσκαφών, ενώ ο κινητήρας είναι σε πλήρη λειτουργία. Η υλοποίηση μιας τέτοιας ιδέας είναι δυνατή με την απομακρυσμένη φύση ανιχνεύσεως των μαγνητοελαστικών αισθητήρων, και ως εκ τούτου δεν υπάρχει ανάγκη για τη φυσική επαφή με τον αισθητήρα που μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας στη λεπίδα. Η ανίχνευση είναι δυνατή με τη βοήθεια ενός εξωτερικου σταθερού πηνίου, δείτε το παρακάτω βίντεο (κάντε κλικ επάνω στην εικόνα):

2) Μη καταστρεπτική, in situ μέτρηση της εσωτερικής πίεσης των ρευστών σε κλειστά αεροστεγή περιβάλλοντα, όπως υγραέριο σε σωλήνες προκειμένου να καθοριστούν πιθανές διαρροές στο δίκτυο σωληνώσεων.