柔性電子設備擴展了人類便捷、舒適地感知環境的能力。其中，柔性磁場傳感器對于檢測外部磁場的變化至關重要。然而，目前最先進的柔性磁電子器件尚無法同時實現低檢測限和寬檢測范圍，這限制了其應用潛力。

據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的李潤偉和劉宜偉研究員領導的團隊在Advanced Science期刊上發表了題為“Wearable Magnetic Field Sensor with Low Detection Limit and Wide Operation Range for Electronic Skin Applications”的論文，報道了一種柔性磁場傳感器，其傳感范圍從22 nT到400 mT，檢測限低至22 nT。與目前的柔性磁場傳感器技術相比，該磁場傳感器的檢測范圍至少提高了一個數量級，達到了七個數量級。該傳感器被設計為懸臂梁結構，可容納柔性永磁復合材料和非晶磁線，使其對低磁場具有敏感性。為了檢測高磁場，研究人員探索了非晶磁線的巨磁阻抗（GMI）效應對磁場方向的各向異性。受益于傳感器的機械柔性及其寬泛的檢測范圍，研究人員展示了其在地磁導航、非觸控式交互、康復設備以及提供高磁場暴露警告的安全界面等智能可穿戴設備方面的應用潛力。

考慮到交互性通常是通過手指指向感興趣的物體或觸摸智能手機屏幕來實現的，因此將柔性磁場傳感器應用于手指上（圖1a）是有啟示意義的。圖1b顯示了柔性磁場傳感器的測量原理。

圖1 寬范圍磁場檢測和低檢測限的柔性非晶線磁場傳感器

當磁場較小時（不足以將容納GMI線的懸臂梁向磁場方向彎曲），傳感機理基于磁性非晶線的GMI效應。此時，懸臂梁本身的形狀保持不變。當磁場增加時，非晶磁線變得磁飽和。此時，磁場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，懸臂梁沿磁場方向彎曲。非晶線與磁場之間的角度也會發生相應變化，導致傳感器飽和阻抗發生變化。這樣，依靠懸臂梁在磁場方向上的彎曲即可實現更強的磁場檢測。

柔性磁場傳感器的制造工藝流程如圖1c所示，其中包括制造一個機械柔性懸臂梁結構，以容納鈷（Co）基非晶線和柔性永磁體。

其機械穩定性源自由具有優異拉伸性能的液態金屬互連連接的非晶磁線的柔性。鈷線和液態金屬互連被封裝在由聚酰亞胺制成的懸臂結構中。柔性永磁體基于分散在彈性體基質（PDMS）中的剛性磁顆粒（NdFeB，9 wt%），并被放置于懸臂結構的一端。傳感器結構采用PDMS封裝，以確保機械完整性和生物相容性。

最終懸臂結構的傳感器如圖1d所示。非晶線和液態金屬互連分布在懸臂梁的兩側（圖1e）。在初始狀態下，傳感器懸臂呈彎曲狀，如圖1f所示。整個傳感單元結構緊湊，甚至可以無縫集成到裝飾性美甲中，使其能夠實時檢測寬范圍的磁場。同時，它還具有良好的柔性，可以承受不同方向的彎曲（圖1g和1h），這與該技術在智能皮膚和智能紡織品方面的應用息息相關。

接下來，研究人員對所制造的柔性磁場傳感器的結構與性能進行了表征，如圖2所示。

圖2 柔性磁場傳感器的表征

研究人員還測試了柔性磁場傳感器對不同強度磁場的檢測性能，如圖3所示。與之前報道的不同類型的柔性磁場傳感器相比，本研究所提出的傳感器具有最低的檢測限（遠低于其它傳感器），并且可以實現跨越七個數量級的磁場檢測范圍。

圖3 柔性磁場傳感器對不同強度磁場的響應

研究人員將柔性磁場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用。這種智能可穿戴設備可以幫助人們實時感知環境磁場，例如實現地磁導航。當安裝有傳感器的手指移動時，非晶線與地磁場之間的角度發生變化，從而使傳感器的阻抗最大變化2.7%（圖4b）。在手指運動過程中，實時測量傳感器的阻抗并將其輸入計算機，可實現人機界面的非觸控式交互。

此外，圖4d演示了磁場傳感器的阻抗（電流阻力）如何響應脈沖而變化。這些阻抗變化可以準確識別脈沖波形內標記為P1、P2和P3峰的關鍵峰值。通過這種設置，可穿戴設備可以有效地捕獲和分析脈搏，為健康監測或其他應用提供有價值的數據。在圖4e中，研究人員展示了智能磁敏可穿戴設備在安全和安保應用中的應用潛力。當接近強磁場源時傳感器阻抗的增加如圖4f所示。

圖4 可穿戴磁場傳感器的應用場景

綜上所述，這項研究提出了一種可穿戴磁場傳感器，其檢測限低至22 nT，工作范圍從22 nT到400 mT。當暴露于不同方向的磁場時，所提出的傳感器單元受益于非晶線的巨磁阻抗效應和磁阻抗響應的各向異性。當磁場較小時，傳感器依靠非晶線的磁阻抗效應實現高精度磁場測量。當磁場變強時，就會使非晶線飽和。此時，懸臂梁結構將磁場的變化轉化為柔性磁體與磁場之間的相互作用力。這將驅動懸臂梁彎曲，從而改變非晶線與磁場之間的角度。利用其磁響應的各向異性，傳感器可以在飽和后繼續測量磁場。基于這種設計，該磁場傳感器可以輕松檢測日常生活中出現的各種類型的磁場。總之，這項研究成果有望為可穿戴磁場傳感設備在交互式電子、生物電子、安全和安保中的應用開辟令人興奮的發展前景。

審核編輯：黃飛

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