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。

鉴于此,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永磁薄膜,结合柔性电子技术首次实现了一种全柔性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(图1a)。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(图1b)。该传感器能够灵活安装在皮肤和机器表面,实现动作检测、语音识别、生理信号监测和机器状态评估等多种传感功能(图1c)。由于这一全柔性的微机电传感器(MEMS)能够承受重复的弯曲和变形,因此更适用于弯曲表面和可变形物体(图1d)。

基于折纸磁薄膜的全柔性磁电式振动传感器
图1 全柔性磁电式振动传感器概念图

团队对器件的磁场特性进行了仿真与测量(图2a-d),实验结果表明,折纸环形磁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,并使器件整体的磁场强度增加了291%以上。此外,团队构建了器件的振动模型,在理论层面分析了器件结构的有效性(图2e)。

基于折纸磁薄膜的全柔性磁电式振动传感器
图2 全柔性磁电式振动传感器的特性

团队展示了该器件在动作检测、语音识别(图3a-d)、生理信号传感(图3e-f)、农业环境监测以及机器状态评估等多种场景下的应用,展示了器件的多功能性。也展示了柔性电子技术与人工智能技术相结合,进行语音和机器状态识别的可能性。

基于折纸磁薄膜的全柔性磁电式振动传感器
图3 全柔性磁电式振动传感器的应用场景

文中提出的全柔性MEMS传感器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,可能会启发更多生物传感、物理传感和能量采集器件的研究。

文章链接:

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)

课题组链接:

http://www.tjubmfe.com

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