Advanced Functional Materials:基于折纸磁薄膜的全柔性磁电式振动传感器

振动是自然界最普遍的现象之一,振动信号中蕴含着丰富的信息,可以用于表征声音、运动状态、人体生理信息和机器运行状态等。磁电式振动传感器是检测振动最常用的方法之一,这类传感器能够兼容较宽的湿度和温度范围,具有寿命长和耐用性高等优良特性。小型化和柔性化是磁电式振动传感器发展的重要方向,然而具有特定磁极序列的柔性永磁体限制了全柔性磁电式传感器的实现。

天津大学生物医学柔性电子实验室的黄显教授团队通过折纸工艺实现的磁性增强和可编程磁极序列的柔性NdFeB永磁薄膜,结合柔性电子技术首次实现了一种全柔性微机电系统(MEMS)磁电式振动传感器。在此研究中,团队将一个柔性磁振子置于由多层柔性线圈、环形柔性磁薄膜和弹性薄膜构成的结构中。其中,环形磁膜通过折纸工艺实现,多层柔性线圈由柔性电子加工工艺制备而成。折纸环形磁薄膜的引入不仅调节了磁场的整体分布,使磁场能够覆盖整个线圈所在的区域,还使器件整体的磁场强度增加了291%以上。该传感器能够提供1 Hz至10 kHz的频率响应范围,在1.7 kHz时传感器的灵敏度为0.59 mV/μm。传感器能够灵活安装在皮肤和机器表面,实现动作检测、人工智能语音识别、生理信号监测和机器状态评估等多种应用。由于这一全柔性的MEMS传感器能够承受重复的弯曲和变形,因此更适用于在弯曲表面和可变形物体表面进行多种参数的测量。

研究者相信,此项研究为现有的多模态机械传感器和能量采集器件提供了更多的选择,将会启发更多生物传感、物理传感和能量采集器件的研究。类似的传感器可以结合多种传感方式和能量采集方式,从而在无电池的情况下持续工作。此外,通过部署大量类似的传感器能够实现分布式传感,从而实现机器状态评估、健康监测、康复训练和语音帮助等应用。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001553)上。 论文的第一作者为天津大学的博士生赵一聪和硕士生高胜寒,通讯作者为天津大学的黄显教授。该研究项目得到了国家自然科学基金和天津大学自主创新基金的支持。