柔性電子技術(shù)因其在人體生理信號監(jiān)測、柔性機器人與可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，其常見傳感機制主要包括電阻式、電容式、摩擦電式、壓電式。然而作為電學(xué)基本參數(shù)之一的電感很少被用作柔性傳感器件的響應(yīng)信號，這是因為相較于其他傳感機制而言，電感缺少相應(yīng)的力敏感材料。非晶絲由于其特殊的磁疇結(jié)構(gòu)，其阻抗對外磁場和應(yīng)力場極為敏感，是一種電感信號的力響應(yīng)材料，然而其硬而脆的特性很難滿足柔性電子器件軟而韌的要求。因此，如何將非晶絲柔性化且滿足柔性傳感器的性能要求成為了其向柔性電子領(lǐng)域拓展的技術(shù)難題。

近日，浙江大學(xué)秦發(fā)祥研究員團隊開發(fā)了一種用于手部復(fù)健監(jiān)測的新型感應(yīng)式傳感器，綜合利用了非晶絲的巨磁阻抗（GMI）/應(yīng)力阻抗（GSI）效應(yīng)和軟磁體（NdFeB@PDMS）的巨磁彈性效應(yīng)（GME），為柔性傳感器帶來的新的機制。該傳感器采用一種雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，下層為嵌有方螺旋結(jié)構(gòu)非晶絲的PDMS（SSAW&PDMS），上層為含有NdFeB微粒的PDMS泡沫(NdFeB@PDMS)，并沿著平面方向進行充磁。這種非晶絲構(gòu)型的引入和其與軟基體的復(fù)合巧妙地規(guī)避了非晶絲脆弱的缺點，還解決了輸出信號的單調(diào)性問題并拓寬了傳感范圍。而軟磁彈層的加入提高了傳感器的靈敏度。隨后，通過一個包含標準電容器的LC諧振電路，將傳感器的工作頻率從GHz范圍調(diào)整到MHz范圍，以補償頻率調(diào)整造成的性能下降。當(dāng)傳感器集成到商用分指板中時，它能夠動態(tài)監(jiān)測手部康復(fù)效果。

研究者采用Taylor-Ulitovsky法制備的玻璃包覆Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶絲作為電感傳感元件，其高磁場/應(yīng)力敏感性，優(yōu)異的軟磁性能，高機械強度等特點能夠滿足傳感器高靈敏度、高魯棒性的要求。同時相比于低模量的柔性材料，這種剛性傳感材料具備機械可逆且無滯后的優(yōu)勢。在對非晶絲單軸拉伸的應(yīng)力阻抗特性的研究中，發(fā)現(xiàn)其虛部（感抗）的靈敏度遠大于阻抗模量與實部，進一步驗證了利用電感信號作為傳感信號的可行性。

但是，這種硬而脆的力學(xué)特性使其很難單獨作為柔性傳感器件，將非晶絲嵌入軟基體中形成復(fù)合材料是將其柔性化的有效策略。然而，在研究中發(fā)現(xiàn)。直接將非晶絲嵌入到PDMS中，其傳感信號不滿足單調(diào)性的要求，給傳感信號的解析帶來麻煩。這種先增大后減小的趨勢源于其在受壓條件下磁疇結(jié)構(gòu)的變化。在壓應(yīng)力下，非晶絲的外殼磁疇會向軸向偏轉(zhuǎn)且在高壓應(yīng)力下磁疇運動被阻滯。相反，在拉應(yīng)力下，非晶絲的外殼磁疇會向周向偏轉(zhuǎn)，其對應(yīng)的周向磁導(dǎo)率單調(diào)下降。因此，我們設(shè)計了一種平面螺旋結(jié)構(gòu)，將具備這種結(jié)構(gòu)的非晶絲嵌入到PDMS中，利用PDMS的正泊松比壓脹特性，將作用在復(fù)合材料表面的壓力轉(zhuǎn)換成作用在非晶絲上的拉應(yīng)力，解決了傳感信號的單調(diào)性問題。但是，僅靠這種方式還沒有將非晶絲的傳感性能利用到機械。考慮到其磁敏特性，我們進一步設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)，這種雙層結(jié)構(gòu)包括嵌有螺旋結(jié)構(gòu)非晶絲的PDMS層（SSAW&PDMS）與填充有NdFeB微粒的PDMS泡沫層（NdFeB@PDMS）。

在對SSAW&PDMS的磁敏特性研究中發(fā)現(xiàn)，其GMI曲線滿足典型的雙峰特性。因此，在利用其GMI效應(yīng)的時候需要注意，其信號也必須滿足單調(diào)下降的條件才能在疊SSAW&PDMS層GSI效應(yīng)誘導(dǎo)下的單調(diào)下降的信號變化規(guī)律，才能實現(xiàn)傳感靈敏度的提升。由于磁彈體在受壓條件下，其磁通密度下降，因此必須將磁彈體的初始磁通密度調(diào)整到低于GMI曲線拐點對應(yīng)的磁場強度。通過調(diào)整NdFeB的摻量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NdFeB微粒的質(zhì)量分數(shù)為8 wt.%時傳感器的靈敏度。通過將該磁彈性層集成到系統(tǒng)中，靈敏度比 SSAW&PDMS 提高了約 178%。該傳感器信號漂移小，在階躍加載（ 115 kPa）下具有良好的加載-卸載一致性。同時，該傳感器具備響應(yīng)/恢復(fù)快速（40 ms），不同加載強度和頻率下信號穩(wěn)定，長時間循環(huán)加載高魯棒性（15000次循環(huán)）的出色性能。

為了進一步闡明傳感性能優(yōu)化的機理，對磁彈層的GME效應(yīng)進行了研究。在壓縮狀態(tài)下，微磁體的相對位置會發(fā)生變化，從而改變其中的偶極-偶極相互作用和退磁場。隨著磁性微粒摻量的提高，磁彈層的初始磁通密度及其壓縮前后的差值都會增大，這解釋了隨著摻量的提高傳感靈敏度先增加后降低的變化規(guī)律。

最后，利用人工構(gòu)筑LC諧振電路進一步提高傳感器件的應(yīng)力敏感度，在串聯(lián)680 pF的標準電容后，該傳感器的靈敏度達到6.6 %/kPa，并在0-100 kPa的應(yīng)力范圍內(nèi)具有的線性度（R2=0.99717）。將該傳感器集成到商用分指板上后，能夠?qū)⒅蟹制c病人手部肌力變化進行動態(tài)監(jiān)測，為康復(fù)訓(xùn)練計劃的制訂提供了數(shù)據(jù)支撐。

這些研究成果成功將非晶絲這種傳統(tǒng)材料拓展到了新型柔性傳感領(lǐng)域，同時充分利用了非晶絲的性能，包括導(dǎo)電性、高機械強度、軟磁性以及GMI和GSI效應(yīng)，給非晶絲的功能化提供了新的視角。同時，由于之前GME效應(yīng)的信號讀取依賴于電磁感應(yīng)原理，使其只對動態(tài)加載敏感，利用非晶絲的磁敏特性還賦予了GME效應(yīng)檢測靜壓的能力。

來源：傳感器專家網(wǎng)