柔性電子設(shè)備擴(kuò)展了人類便捷、舒適地感知環(huán)境的能力。其中，柔性磁場(chǎng)傳感器對(duì)于檢測(cè)外部磁場(chǎng)的變化至關(guān)重要。然而，目前最先進(jìn)的柔性磁電子器件尚無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)低檢測(cè)限和寬檢測(cè)范圍，這限制了其應(yīng)用潛力。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的李潤(rùn)偉和劉宜偉研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為“Wearable Magnetic Field Sensor with Low Detection Limit and Wide Operation Range for Electronic Skin Applications”的論文，報(bào)道了一種柔性磁場(chǎng)傳感器，其傳感范圍從22 nT到400 mT，檢測(cè)限低至22 nT。與目前的柔性磁場(chǎng)傳感器技術(shù)相比，該磁場(chǎng)傳感器的檢測(cè)范圍至少提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了七個(gè)數(shù)量級(jí)。該傳感器被設(shè)計(jì)為懸臂梁結(jié)構(gòu)，可容納柔性永磁復(fù)合材料和非晶磁線，使其對(duì)低磁場(chǎng)具有敏感性。為了檢測(cè)高磁場(chǎng)，研究人員探索了非晶磁線的巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)方向的各向異性。受益于傳感器的機(jī)械柔性及其寬泛的檢測(cè)范圍，研究人員展示了其在地磁導(dǎo)航、非觸控式交互、康復(fù)設(shè)備以及提供高磁場(chǎng)暴露警告的安全界面等智能可穿戴設(shè)備方面的應(yīng)用潛力。
考慮到交互性通常是通過(guò)手指指向感興趣的物體或觸摸智能手機(jī)屏幕來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此將柔性磁場(chǎng)傳感器應(yīng)用于手指上（圖1a）是有啟示意義的。圖1b顯示了柔性磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量原理。
圖1 寬范圍磁場(chǎng)檢測(cè)和低檢測(cè)限的柔性非晶線磁場(chǎng)傳感器
當(dāng)磁場(chǎng)較小時(shí)（不足以將容納GMI線的懸臂梁向磁場(chǎng)方向彎曲），傳感機(jī)理基于磁性非晶線的GMI效應(yīng)。此時(shí)，懸臂梁本身的形狀保持不變。當(dāng)磁場(chǎng)增加時(shí)，非晶磁線變得磁飽和。此時(shí)，磁場(chǎng)和磁體塊之間的相互作用力增大到難以忽視的程度。在磁力的影響下，懸臂梁沿磁場(chǎng)方向彎曲。非晶線與磁場(chǎng)之間的角度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致傳感器飽和阻抗發(fā)生變化。這樣，依靠懸臂梁在磁場(chǎng)方向上的彎曲即可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁場(chǎng)檢測(cè)。
柔性磁場(chǎng)傳感器的制造工藝流程如圖1c所示，其中包括制造一個(gè)機(jī)械柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)，以容納鈷（Co）基非晶線和柔性永磁體。
其機(jī)械穩(wěn)定性源自由具有優(yōu)異拉伸性能的液態(tài)金屬互連連接的非晶磁線的柔性。鈷線和液態(tài)金屬互連被封裝在由聚酰亞胺制成的懸臂結(jié)構(gòu)中。柔性永磁體基于分散在彈性體基質(zhì)（PDMS）中的剛性磁顆粒（NdFeB，9 wt%），并被放置于懸臂結(jié)構(gòu)的一端。傳感器結(jié)構(gòu)采用PDMS封裝，以確保機(jī)械完整性和生物相容性。
最終懸臂結(jié)構(gòu)的傳感器如圖1d所示。非晶線和液態(tài)金屬互連分布在懸臂梁的兩側(cè)（圖1e）。在初始狀態(tài)下，傳感器懸臂呈彎曲狀，如圖1f所示。整個(gè)傳感單元結(jié)構(gòu)緊湊，甚至可以無(wú)縫集成到裝飾性美甲中，使其能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)寬范圍的磁場(chǎng)。同時(shí)，它還具有良好的柔性，可以承受不同方向的彎曲（圖1g和1h），這與該技術(shù)在智能皮膚和智能紡織品方面的應(yīng)用息息相關(guān)。
接下來(lái)，研究人員對(duì)所制造的柔性磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了表征，如圖2所示。
圖2 柔性磁場(chǎng)傳感器的表征
研究人員還測(cè)試了柔性磁場(chǎng)傳感器對(duì)不同強(qiáng)度磁場(chǎng)的檢測(cè)性能，如圖3所示。與之前報(bào)道的不同類型的柔性磁場(chǎng)傳感器相比，本研究所提出的傳感器具有最低的檢測(cè)限（遠(yuǎn)低于其它傳感器），并且可以實(shí)現(xiàn)跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)的磁場(chǎng)檢測(cè)范圍。
圖3 柔性磁場(chǎng)傳感器對(duì)不同強(qiáng)度磁場(chǎng)的響應(yīng)
研究人員將柔性磁場(chǎng)傳感器安裝到手指上（圖4a和4c）或集成到裝飾美甲中（圖4e），以展示其在日常生活中的應(yīng)用。這種智能可穿戴設(shè)備可以幫助人們實(shí)時(shí)感知環(huán)境磁場(chǎng)，例如實(shí)現(xiàn)地磁導(dǎo)航。當(dāng)安裝有傳感器的手指移動(dòng)時(shí)，非晶線與地磁場(chǎng)之間的角度發(fā)生變化，從而使傳感器的阻抗最大變化2.7%（圖4b）。在手指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器的阻抗并將其輸入計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的非觸控式交互。
此外，圖4d演示了磁場(chǎng)傳感器的阻抗（電流阻力）如何響應(yīng)脈沖而變化。這些阻抗變化可以準(zhǔn)確識(shí)別脈沖波形內(nèi)標(biāo)記為P1、P2和P3峰的關(guān)鍵峰值。通過(guò)這種設(shè)置，可穿戴設(shè)備可以有效地捕獲和分析脈搏，為健康監(jiān)測(cè)或其他應(yīng)用提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。在圖4e中，研究人員展示了智能磁敏可穿戴設(shè)備在安全和安保應(yīng)用中的應(yīng)用潛力。當(dāng)接近強(qiáng)磁場(chǎng)源時(shí)傳感器阻抗的增加如圖4f所示。
圖4 可穿戴磁場(chǎng)傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景
綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種可穿戴磁場(chǎng)傳感器，其檢測(cè)限低至22 nT，工作范圍從22 nT到400 mT。當(dāng)暴露于不同方向的磁場(chǎng)時(shí)，所提出的傳感器單元受益于非晶線的巨磁阻抗效應(yīng)和磁阻抗響應(yīng)的各向異性。當(dāng)磁場(chǎng)較小時(shí)，傳感器依靠非晶線的磁阻抗效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高精度磁場(chǎng)測(cè)量。當(dāng)磁場(chǎng)變強(qiáng)時(shí)，就會(huì)使非晶線飽和。此時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為柔性磁體與磁場(chǎng)之間的相互作用力。這將驅(qū)動(dòng)懸臂梁彎曲，從而改變非晶線與磁場(chǎng)之間的角度。利用其磁響應(yīng)的各向異性，傳感器可以在飽和后繼續(xù)測(cè)量磁場(chǎng)。基于這種設(shè)計(jì)，該磁場(chǎng)傳感器可以輕松檢測(cè)日常生活中出現(xiàn)的各種類型的磁場(chǎng)。總之，這項(xiàng)研究成果有望為可穿戴磁場(chǎng)傳感設(shè)備在交互式電子、生物電子、安全和安保中的應(yīng)用開辟令人興奮的發(fā)展前景。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202304525
延伸閱讀：
《可穿戴技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》
《柔性混合電子（FHE）技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》
《柔性/印刷電子技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》
《電子織物和智能服飾技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》
《電子皮膚貼片技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
