适用于电子皮肤的柔性磁场传感器的测量原理

柔性电子设备扩展了人类便捷、舒适地感知环境的能力。其中，柔性磁场传感器对于检测外部磁场的变化至关重要。然而，目前最先进的柔性磁电子器件尚无法同时实现低检测限和宽检测范围，这限制了其应用潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的李润伟和刘宜伟研究员领导的团队在Advanced Science期刊上发表了题为“Wearable Magnetic Field Sensor with Low Detection Limit and Wide Operation Range for Electronic Skin Applications”的论文，报道了一种柔性磁场传感器，其传感范围从22 nT到400 mT，检测限低至22 nT。与目前的柔性磁场传感器技术相比，该磁场传感器的检测范围至少提高了一个数量级，达到了七个数量级。该传感器被设计为悬臂梁结构，可容纳柔性永磁复合材料和非晶磁线，使其对低磁场具有敏感性。为了检测高磁场，研究人员探索了非晶磁线的巨磁阻抗（GMI）效应对磁场方向的各向异性。受益于传感器的机械柔性及其宽泛的检测范围，研究人员展示了其在地磁导航、非触控式交互、康复设备以及提供高磁场暴露警告的安全界面等智能可穿戴设备方面的应用潜力。

考虑到交互性通常是通过手指指向感兴趣的物体或触摸智能手机屏幕来实现的，因此将柔性磁场传感器应用于手指上（图1a）是有启示意义的。图1b显示了柔性磁场传感器的测量原理。

图1 宽范围磁场检测和低检测限的柔性非晶线磁场传感器

当磁场较小时（不足以将容纳GMI线的悬臂梁向磁场方向弯曲），传感机理基于磁性非晶线的GMI效应。此时，悬臂梁本身的形状保持不变。当磁场增加时，非晶磁线变得磁饱和。此时，磁场和磁体块之间的相互作用力增大到难以忽视的程度。在磁力的影响下，悬臂梁沿磁场方向弯曲。非晶线与磁场之间的角度也会发生相应变化，导致传感器饱和阻抗发生变化。这样，依靠悬臂梁在磁场方向上的弯曲即可实现更强的磁场检测。

柔性磁场传感器的制造工艺流程如图1c所示，其中包括制造一个机械柔性悬臂梁结构，以容纳钴（Co）基非晶线和柔性永磁体。

其机械稳定性源自由具有优异拉伸性能的液态金属互连连接的非晶磁线的柔性。钴线和液态金属互连被封装在由聚酰亚胺制成的悬臂结构中。柔性永磁体基于分散在弹性体基质（PDMS）中的刚性磁颗粒（NdFeB，9 wt%），并被放置于悬臂结构的一端。传感器结构采用PDMS封装，以确保机械完整性和生物相容性。

最终悬臂结构的传感器如图1d所示。非晶线和液态金属互连分布在悬臂梁的两侧（图1e）。在初始状态下，传感器悬臂呈弯曲状，如图1f所示。整个传感单元结构紧凑，甚至可以无缝集成到装饰性美甲中，使其能够实时检测宽范围的磁场。同时，它还具有良好的柔性，可以承受不同方向的弯曲（图1g和1h），这与该技术在智能皮肤和智能纺织品方面的应用息息相关。

接下来，研究人员对所制造的柔性磁场传感器的结构与性能进行了表征，如图2所示。

图2 柔性磁场传感器的表征

研究人员还测试了柔性磁场传感器对不同强度磁场的检测性能，如图3所示。与之前报道的不同类型的柔性磁场传感器相比，本研究所提出的传感器具有最低的检测限（远低于其它传感器），并且可以实现跨越七个数量级的磁场检测范围。

图3 柔性磁场传感器对不同强度磁场的响应

研究人员将柔性磁场传感器安装到手指上（图4a和4c）或集成到装饰美甲中（图4e），以展示其在日常生活中的应用。这种智能可穿戴设备可以帮助人们实时感知环境磁场，例如实现地磁导航。当安装有传感器的手指移动时，非晶线与地磁场之间的角度发生变化，从而使传感器的阻抗最大变化2.7%（图4b）。在手指运动过程中，实时测量传感器的阻抗并将其输入计算机，可实现人机界面的非触控式交互。

此外，图4d演示了磁场传感器的阻抗（电流阻力）如何响应脉冲而变化。这些阻抗变化可以准确识别脉冲波形内标记为P1、P2和P3峰的关键峰值。通过这种设置，可穿戴设备可以有效地捕获和分析脉搏，为健康监测或其他应用提供有价值的数据。在图4e中，研究人员展示了智能磁敏可穿戴设备在安全和安保应用中的应用潜力。当接近强磁场源时传感器阻抗的增加如图4f所示。

图4 可穿戴磁场传感器的应用场景

综上所述，这项研究提出了一种可穿戴磁场传感器，其检测限低至22 nT，工作范围从22 nT到400 mT。当暴露于不同方向的磁场时，所提出的传感器单元受益于非晶线的巨磁阻抗效应和磁阻抗响应的各向异性。当磁场较小时，传感器依靠非晶线的磁阻抗效应实现高精度磁场测量。当磁场变强时，就会使非晶线饱和。此时，悬臂梁结构将磁场的变化转化为柔性磁体与磁场之间的相互作用力。这将驱动悬臂梁弯曲，从而改变非晶线与磁场之间的角度。利用其磁响应的各向异性，传感器可以在饱和后继续测量磁场。基于这种设计，该磁场传感器可以轻松检测日常生活中出现的各种类型的磁场。总之，这项研究成果有望为可穿戴磁场传感设备在交互式电子、生物电子、安全和安保中的应用开辟令人兴奋的发展前景。