澳门大学周冰朴等:可穿戴微磁柱式磁场传感器及其在智能信息交互中的应用

Magnetized Micropillar-Enabled Wearable Sensors for Touchless and Intelligent Information Communication 

Qian Zhou, Bing Ji, Fengming Hu, Jianyi Luo, Bingpu Zhou*

Nano-Micro Letters (2021)13: 197 

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00720-5

本文亮点

1提出了一种可穿戴电容式磁场传感器,该传感器可以通过互不重叠的电容信号识别磁场的大小和方向并应用于非接触式智能信息交互
2. 传感器具有高至1.3 T⁻¹的灵敏度检测限可达1 mT,良好的机械稳定性(超过1万次循环)。
3. 传感器可作为高效、高容量的三进制信息接口,实现可编程、非接触式的隐秘信息交互,如摩斯电码、盲文通信、多级指令输出等。
内容简介

近年来,柔性可穿戴传感器已在人机交互、智能通讯等领域展现出巨大的应用潜力。通过信息感知、译码、传递等过程,柔性可穿戴传感器可作为便捷的信息交互接口。为实现便捷、高效、高容量的智能信息交互,柔性传感器需要将输入或检测的信号转换成为多级输出。同时,提高信息传输的安全性也是非常必要的。然而,能满足以上需求的柔性可穿戴传感器至今仍然是一个挑战。澳门大学周冰朴课题组与五邑大学罗坚义课题组合作,设计提出了一种基于倾斜柔性微磁柱阵列(tilted flexible micromagnet array, t-FMA)的电容式磁场传感器,并将其应用于智能信息交互界面。基于磁扭矩作用下t-FMA的双向弯曲能力,该传感器可以同时识别磁场的大小和方向。优化后的传感器灵敏度超过1.3 T⁻¹,检测限低至1 mT,且机械稳定性极佳。通过组合磁极,该传感器被成功应用于高效、非接触式、可编程的信息交互系统,如摩斯电码和盲文通信等。该传感器可同步识别磁场方向和大小的特点,进一步使传感器阵列成为一个大容量的信息转换器,用于隐藏的信息交互(如编码身份信息识别)和多控制指令输出。
图文导读

I 非接触式智能通信系统的组成和原理

电容式磁场传感器主要由磁化的倾斜微柱阵列介电层和柔性电极组成(图1a)。通过设计倾斜微柱的磁化强度(M)的方向和大小,t-FMA可以在外磁场下实现双向驱动变形能力。在磁扭矩(τ)的驱动下,t-FMA可以在外磁场的不同磁极下发生双向偏转,使得电极间距的变化和传感器所产生的电容信号分成两个不重叠的区域(图1b)。该传感器不仅可感知不同强度的磁场,还可以通过正负电容信号来识别磁场方向;因此,磁场的北极、南极和空缺可被编码为“+1”、“-1”和“0”,构成高容量的三进制信息系统(图1c)。相对于简单的开启/关闭外部刺激(即二进制编码系统),三进制编码系统使磁场作为高容量的信息载体,在人机交互系统中实现高效的信息传递。得益于磁场的不可见性,大量的隐秘信息可以在一个小型集成化磁体阵列(柔性永磁体或电磁铁)的磁场中进行编码。利用传感器对磁场大小和方向的同步识别,传感器阵列即可作为解码器对嵌入代码进行分析,进一步提取信息,而无需大量的传感器单元和复杂的解码过程。

图1. (a, b) 柔性磁场传感器(智能信息交互界面)的组成和传感机制。(c) 非接触式、可编程、高容量信息交互系统。

II 柔性磁场传感性能表征

基于优化的柔性磁微柱结构(t-FMAb@MPS)良好的双向变形能力,传感器展现出高至1.4 T⁻¹ (-225 ~ -1 mT)、1.3 T⁻¹ (1 ~ 20 mT)、4.5 T⁻¹ (20 ~ 200 mT)的灵敏度(图2a-c)。该传感器可作为穿戴设备,实时监测外部磁场的方向和大小(图2d)。同时,传感器可以稳定地实时监测电磁铁产生的磁场(±1 ~ ±40 mT)并且展现出快速的响应、恢复时间(~ 100 ms,图2e)。基于NdFeB/PDMS良好的弹性以及稳定的磁性能,传感器在高达一万次循环测试后,仍然展现出良好的检测稳定性(图2f)。相对于其他柔性磁场传感器,如各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、磁阻抗(GMI)和霍尔传感器等,该电容式磁场传感器不仅可以实现磁场大小和方向的同步监测,还具有超低功耗的特点(例如,在低至50 mV的交流电压下,该传感器仍可以稳定地检测磁场信号,图2g)。

图2. (a) 传感器的光学和扫描电镜图像。(b) 传感器的电极间距在外磁场作用下的变化。(c) 磁场传感器在不同磁场下的电容信号。(d) 穿戴后的传感器对环境中不同磁场的实时响应。(e) 传感器在电磁铁产生的不同磁场强度下的稳定性。(f) 传感器的疲劳测试(超过10000次循环)。(g) 不同工作电压下传感器对磁场(~ 65 mT)的响应。

III 非接触式、高效、可编程摩斯密码和盲文信息交互系统

基于对磁场方向的识别能力,该传感器可以作为可穿戴式信号激发器,实现非接触式的摩斯密码通信。这种通信系统只需简单地切换磁场方向而无需利用接触模式下的敲击和长按来输出摩斯密码信号,因此可以实现高效、快速、便携的信息交互(图3a)。该通信系统可为特殊人群(如语言不便的人)提供一种便利的信息交流方式。同时,基于可编程的电磁场,该传感器也可以用于高效且可编程的信息传输,如通过输入电压来远程编码正负磁场信号,实现快捷高效的摩斯密码和盲文信息交互(图3c-f)。另外,这种盲文信息交互系统可避免使用大量的数字前缀(用于区分数字和字母),从而极大地提高盲文信息交互的效率和设备的便携性。

图3. (a) 非接触式摩斯密码通信系统。(b) 实时摩斯密码信息输出单词“Water”。(c) 可编程摩斯电码传输“Nice tomeet you”。(d) 非接触式、高效、方便和可编程盲文交互系统的原理图。(e) 微型电磁铁阵列和柔性传感阵列图示。(f) 实时检测并解码的盲文信息“HELLO 2021”。

IV 基于三进制编码的人机交互系统

相对于其他的可激发信息源(比如压力、温度、湿度等),磁场除了具有强度还具有方向,因此它可以作为一种高容量的信息载体并允许这些信息储存在小尺寸的磁铁阵列(如柔性磁铁)中用于高效、隐秘的信息交互。其中,北极(N)、南极(S)以及空缺的磁场信息分别编码为“+1”、“-1”和“0”,构成一种三进制编码体系来实现大容量的信息交互。得益于传感器对磁场大小和方向的高灵敏识别,传感器阵列可以作为解码器,对所编码的信息(如隐藏图案、身份信息等)进行解码分析并提取所隐藏的信息,亦可一定程度上保证信息交互的安全性(图4a-f)。同时,我们的传感器还可作为高容量的信号激发器,以三进制编码磁场作为激励来输出多位编码控制指令。基于三进制编码输入,单个传感器可以输出27条3位编码指令。一般情况下,这些指令可充分覆盖和控制目标(如机器人)的各种动作,如移动、跳跃、下蹲等(图4g-h)。

图4. (a) 基于磁场的三进制信息编码系统。(b) 作为应用展示的柔性磁铁阵列和传感器阵列实物图。(c) 柔性磁体阵列(隐藏图案“A”和 “M”的磁场信息)的磁场分布和传感器阵列读取的电容信号分布。(d) 加密身份信息识别系统。(e-f) 获得的电容信号分布和的解码后相应的身份信息。(g) 基于单个传感单元的多级指令输出系统。(h) 通过传感器输出的3位编码指令展示。

作者简介

周倩

本文第一作者

澳门大学 博士研究生

主要研究领域

柔性可穿戴传感器,人机交互界面。

主要研究成果

以第一作者在Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文4篇。

冀冰

本文第一作者

澳门大学 博士研究生

主要研究领域

柔性电子材料与可穿戴传感器,表面增强拉曼散射。

主要研究成果

以第一作者在Advanced Materials, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Journal of Materials Chemistry C等期刊发表论文6篇。

周冰朴

本文通讯作者

澳门大学 助理教授

主要研究领域

柔性电子,表界面科学,微流控芯片。

主要研究成果

近年来主要围绕微纳结构的力电学性能、表界面调控及微流体芯片等关键科学及技术问题开展研究,系统探讨可穿戴传感器件的性能优化、场景应用及基于功能化表界面的微尺度流体行为设计。作为课题负责人主要承担澳门科学技术发展基金、广东省科技厅-澳门科学技术发展基金联合计划等项目。迄今在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Lab on a Chip, Nano Energy, Biosensors & Bioelectronics等期刊发表论文60余篇。

Email: bpzhou@um.edu.mo

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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