Small丨基于磁-应力阻抗和磁弹耦合效应的新型感应式手部康复压力传感器

发布者:杨旸发布时间:2024-04-30浏览次数:10

柔性电子技术因其在人体生理信号监测、柔性机器人与可穿戴设备等领域的广泛应用而备受关注,其常见传感机制主要包括电阻式、电容式、摩擦电式、压电式。然而作为电学基本参数之一的电感很少被用作柔性传感器件的响应信号,这是因为相较于其他传感机制而言,电感缺少相应的力敏感材料。非晶丝由于其特殊的磁畴结构,其阻抗对外磁场和应力场极为敏感,是一种电感信号的力响应材料,然而其硬而脆的特性很难满足柔性电子器件软而韧的要求。因此,如何将非晶丝柔性化且满足柔性传感器的性能要求成为了其向柔性电子领域拓展的技术难题。


近日,浙江大学秦发祥研究员团队开发了一种用于手部复健监测的新型感应式传感器,综合利用了非晶丝的巨磁阻抗(GMI/应力阻抗(GSI)效应和软磁体(NdFeB@PDMS)的巨磁弹性效应(GME),为柔性传感器带来的新的机制。该传感器采用一种双层结构设计,下层为嵌有方螺旋结构非晶丝的PDMSSSAW&PDMS),上层为含有NdFeB微粒的PDMS泡沫(NdFeB@PDMS),并沿着平面方向进行充磁。这种非晶丝构型的引入和其与软基体的复合巧妙地规避了非晶丝脆弱的缺点,还解决了输出信号的单调性问题并拓宽了传感范围。而软磁弹层的加入提高了传感器的灵敏度。随后,通过一个包含标准电容器的LC谐振电路,将传感器的工作频率从GHz范围调整到MHz范围,以补偿频率调整造成的性能下降。当传感器集成到商用分指板中时,它能够动态监测手部康复效果。

1. 传感器制造关键工艺示意图


研究者采用Taylor-Ulitovsky法制备的玻璃包覆Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶丝作为电感传感元件,其高磁场/应力敏感性,优异的软磁性能,高机械强度等特点能够满足传感器高灵敏度、高鲁棒性的要求。同时相比于低模量的柔性材料,这种刚性传感材料具备机械可逆且无滞后的优势。在对非晶丝单轴拉伸的应力阻抗特性的研究中,发现其虚部(感抗)的灵敏度远大于阻抗模量与实部,进一步验证了利用电感信号作为传感信号的可行性。

2. Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶丝的形貌、机械和阻抗特性


但是,这种硬而脆的力学特性使其很难单独作为柔性传感器件,将非晶丝嵌入软基体中形成复合材料是将其柔性化的有效策略。然而,在研究中发现。直接将非晶丝嵌入到PDMS中,其传感信号不满足单调性的要求,给传感信号的解析带来麻烦。这种先增大后减小的趋势源于其在受压条件下磁畴结构的变化。在压应力下,非晶丝的外壳磁畴会向轴向偏转且在高压应力下磁畴运动被阻滞。相反,在拉应力下,非晶丝的外壳磁畴会向周向偏转,其对应的周向磁导率单调下降。因此,我们设计了一种平面螺旋结构,将具备这种结构的非晶丝嵌入到PDMS中,利用PDMS的正泊松比压胀特性,将作用在复合材料表面的压力转换成作用在非晶丝上的拉应力,解决了传感信号的单调性问题。但是,仅靠这种方式还没有将非晶丝的传感性能利用到机械。考虑到其磁敏特性,我们进一步设计了一种双层结构,这种双层结构包括嵌有螺旋结构非晶丝的PDMS层(SSAW&PDMS)与填充有NdFeB微粒的PDMS泡沫层(NdFeB@PDMS)。

3. 解决信号单调性的方法与机制


在对SSAW&PDMS的磁敏特性研究中发现,其GMI曲线满足典型的双峰特性。因此,在利用其GMI效应的时候需要注意,其信号也必须满足单调下降的条件才能在叠SSAW&PDMSGSI效应诱导下的单调下降的信号变化规律,才能实现传感灵敏度的提升。由于磁弹体在受压条件下,其磁通密度下降,因此必须将磁弹体的初始磁通密度调整到低于GMI曲线拐点对应的磁场强度。通过调整NdFeB的掺量发现,当NdFeB微粒的质量分数为8 wt.%时传感器的灵敏度最高。通过将该磁弹性层集成到系统中,灵敏度比 SSAW&PDMS 提高了约 178%。该传感器信号漂移小,在阶跃加载(最大 115 kPa)下具有良好的加载-卸载一致性。同时,该传感器具备响应/恢复快速(40 ms),不同加载强度和频率下信号稳定,长时间循环加载高鲁棒性(15000次循环)的出色性能。

4. SSAW&NdFeB@PDMS的传感性能


为了进一步阐明传感性能优化的机理,对磁弹层的GME效应进行了研究。在压缩状态下,微磁体的相对位置会发生变化,从而改变其中的偶极-偶极相互作用和退磁场。随着磁性微粒掺量的提高,磁弹层的初始磁通密度及其压缩前后的差值都会增大,这解释了随着掺量的提高传感灵敏度先增加后降低的变化规律。

5. NdFeB@PDMS的巨磁弹效应


最后,利用人工构筑LC谐振电路进一步提高传感器件的应力敏感度,在串联680 pF的标准电容后,该传感器的灵敏度达到6.6 %/kPa,并在0-100 kPa的应力范围内具有极高的线性度(R2=0.99717)。将该传感器集成到商用分指板上后,能够将中分偏瘫病人手部肌力变化进行动态监测,为康复训练计划的制订提供了数据支撑。

6. 基于电感式传感器的康复分指板


这些研究成果成功将非晶丝这种传统材料拓展到了新型柔性传感领域,同时充分利用了非晶丝的独特性能,包括导电性、高机械强度、软磁性以及GMIGSI效应,给非晶丝的功能化提供了新的视角。同时,由于之前GME效应的信号读取依赖于电磁感应原理,使其只对动态加载敏感,利用非晶丝的磁敏特性还赋予了GME效应检测静压的能力。


相关成果以“A Novel Induction-Type Pressure Sensor based on Magneto-Stress Impedance and Magnetoelastic Coupling Effect for Monitoring Hand Rehabilitation”为题发表在Small上。本工作第一作者为博士生朱子豪,秦发祥研究员为本文的通讯作者,合作作者还包括博士Diana Estevez、冯唐锋、韦慧杰、王云飞,博士生陈彦霖、李云龙,硕士生王雨辰,杭州电子科技大学的赵利忠研究员以及巴基斯坦哈比卜大学的Syed Arsalan Jawed教授。


原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202400797





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