基於折紙磁薄膜的全柔性磁電式振動傳感器

振動是自然界最普遍的現象之一,振動信號中蘊含著豐富的信息,可以用於表征聲音、運動狀態、人體生理信息和機器運行狀態等。磁電式振動傳感器是檢測振動最常用的方法之一,這類傳感器能夠兼容較寬的濕度和溫度范圍,具有壽命長和耐用性高等優良特性。小型化和柔性化是磁電式振動傳感器發展的重要方向,然而具有特定磁極序列的柔性永磁體限制瞭全柔性磁電式傳感器的實現。

鑒於此,天津大學生物醫學柔性電子實驗室的黃顯教授團隊通過折紙工藝實現的磁性增強和可編程磁極序列的柔性永磁薄膜,結合柔性電子技術首次實現瞭一種全柔性磁電式振動傳感器在此研究中,團隊將一個柔性磁振子置於由多層柔性線圈、環形柔性磁薄膜和彈性薄膜構成的結構中(圖1a)。其中,環形磁膜通過折紙工藝實現,多層柔性線圈由柔性電子加工工藝制備而成(圖1b)。該傳感器能夠靈活安裝在皮膚和機器表面,實現動作檢測、語音識別、生理信號監測和機器狀態評估等多種傳感功能(圖1c)。由於這一全柔性的微機電傳感器(MEMS)能夠承受重復的彎曲和變形,因此更適用於彎曲表面和可變形物體(圖1d)。

基於折紙磁薄膜的全柔性磁電式振動傳感器
圖1 全柔性磁電式振動傳感器概念圖

團隊對器件的磁場特性進行瞭仿真與測量(圖2a-d),實驗結果表明,折紙環形磁膜的引入不僅調節瞭磁場的整體分佈,使磁場能夠覆蓋整個線圈所在的區域,並使器件整體的磁場強度增加瞭291%以上。此外,團隊構建瞭器件的振動模型,在理論層面分析瞭器件結構的有效性(圖2e)。

基於折紙磁薄膜的全柔性磁電式振動傳感器
圖2 全柔性磁電式振動傳感器的特性

團隊展示瞭該器件在動作檢測、語音識別(圖3a-d)、生理信號傳感(圖3e-f)、農業環境監測以及機器狀態評估等多種場景下的應用,展示瞭器件的多功能性。也展示瞭柔性電子技術與人工智能技術相結合,進行語音和機器狀態識別的可能性。

基於折紙磁薄膜的全柔性磁電式振動傳感器
圖3 全柔性磁電式振動傳感器的應用場景

文中提出的全柔性MEMS傳感器為現有的多模態機械傳感器和能量采集器件提供瞭更多的選擇,可能會啟發更多生物傳感、物理傳感和能量采集器件的研究。

文章鏈接:

Yicong Zhao, Shenghan Gao, Xin Zhang, Wenxing Huo, Hang Xu, Cheng Chen, Jiao Li, Kexin Xu, Xian Huang. Fully Flexible Electromagnetic Vibration Sensors with Annular Field Confinement Origami Magnetic Membranes. Advanced Functional Materials. 2020, 2001553. (https://doi.org/10.1002/adfm.202001553)

課題組鏈接:

http://www.tjubmfe.com

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