大家好！今天来了解一项可穿戴磁场传感器研究——《Wearable Magnetic Field Sensor with Low Detection Limit and Wide Operation Range for Electronic Skin Applications》发表于《Advanced Science》。在如今这个科技日新月异的时代，柔性电子设备越来越受到关注，而磁场传感器更是其中的关键部分。但以往的技术在检测限和工作范围上存在局限。不过别担心，本文所介绍的传感器就解决了这个问题。它的设计独具匠心，检测限低至22 nT，工作范围还很广，从22 nT到400 mT，在电子皮肤应用上潜力巨大哦！
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言
柔性电子设备为人类感知环境带来了便利，其中柔性磁场传感器对于检测外部磁场变化至关重要。然而，现有的柔性磁电子器件难以同时具备低检测限和大工作范围，限制了其应用潜力。本文将介绍一种新型的可穿戴磁场传感器，它具有低检测限和宽工作范围的优势，在电子皮肤应用中展现出了良好的前景。
二、可穿戴磁场传感器的设计理念
（一）设计思路
考虑到交互操作常通过手指指向或触摸屏幕实现，将柔性磁场传感器应用于手指是很有意义的。当磁场较小时，传感机制基于磁性非晶态线的巨磁阻抗（GMI）效应；当磁场增大时，悬臂梁会在磁场与磁块的相互作用力下弯曲，利用非晶态线对磁场方向的各向异性来实现更大磁场的检测。
（二）制备过程
传感器的制备过程包括制作容纳非晶态Co基微线和柔性永磁体的机械柔性悬臂梁结构。悬臂梁结构由聚酰亚胺制成，非晶态线和液体金属互连分布在悬臂梁两侧。柔性永磁体由分散在PDMS中的NdFeB硬磁性颗粒制成，放置在悬臂梁一端。整个传感器结构用PDMS封装，以确保机械完整性和生物相容性。最终的传感器在初始状态下悬臂是弯曲的，并且具有良好的柔韧性，能够集成在装饰指甲中实现宽范围磁场的实时检测。
三、传感器性能研究
（一）非晶态线的特性
1、微观结构与成分
通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察，非晶态线具有光滑的玻璃纤维包裹，主要由Cr、Fe和Co组成。
2、磁性能
测量不同直径非晶态线的磁滞回线，发现其具有软磁性材料的特征，饱和磁场约为2.5mT。30 μm的线具有最高的磁导率，其GMI效应与方位动态磁导率的低场敏感性相关，因此表现出更好的GMI性能，所以选择该尺寸的非晶态线用于传感器制备。
（二）传感器的性能表征
1、频率响应
研究非晶态线在不同驱动频率和电流下的阻抗变化。随着驱动频率增加（0.5kHz-5MHz），在1mA驱动电流下，非晶态线的MI效应从近乎0%增加到最大值58%。当非晶态线集成到传感器结构中时，其频率响应发生变化，以聚酰亚胺为基板的集成传感器在1mA驱动电流下，MI响应先增加后减小，在3MHz时达到最大值28%。
2、应力影响
测试不同弯曲条件下非晶态线阻抗随磁场的变化，发现最大阻抗变化率随角度减小而降低。同时研究不同基板材料（聚酰亚胺（PI）、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU））对传感器在应力下机械性能的影响。聚酰亚胺材料具有最高的杨氏模量（1.3GPa），以其为基板的传感器在3MHz驱动频率和1mA驱动电流下具有最高的MI响应（27%）。
3、悬臂梁长度和磁体位置影响
探讨不同长度（1-5cm）悬臂梁对磁场的响应，发现MI效应随悬臂梁长度增加而增加，在3MHz驱动频率和1mA驱动电流下，从20%增加到35%。考虑到可穿戴设备的尺寸要求，选用3cm长的悬臂梁。研究磁体在悬臂梁上不同位置（顶部、中部、尾部）对传感器性能的影响，发现磁体靠近悬臂梁顶部时，MI效应增强，在3MHz驱动频率和1mA驱动电流下，从22%增加到28%。
4、磁体成分影响
表征不同PDMS和NdFeB组成的柔性磁体的磁滞回线，随着NdFeB含量从33wt%降低到9wt%，磁体的饱和磁化强度从35.5降低到8.7emug⁻¹，传感器在高场的测量范围增加。例如，PDMS:NdFeB为10:1（9wt% NdFeB）时，传感器可检测到约450mT的磁场，而PDMS:NdFeB为2:1（33wt% NdFeB）时，只能检测到约200mT的磁场。
四、磁场检测性能
（一）宽范围检测
通过亥姆霍兹线圈设置，证明传感器能对0-600 mT的磁场产生响应。以22 nT为增量增加磁场，传感器的MI效应约增加0.1%，可检测低至22 nT的磁场，检测范围跨越7个数量级，在22 nT-400mT范围内具有可测量的响应。
（二）角度敏感性
由于非晶态线对水平和垂直磁场的各向异性，传感器对不同角度的磁场响应不同，在磁场中旋转时会发生明显的周期性变化，表明传感器能感知磁场的角度变化。
（三）稳定性和重复性
通过对200mT磁场进行1000次循环测试，发现传感器的MI效应无明显下降，具有良好的长期稳定性。
制备三个相同的传感器进行测试，结果表明传感器具有较好的重复性。
五、应用展示
（一）地磁导航
将传感器应用于手指或集成在装饰指甲上，当手指移动时，传感器与地磁场的夹角变化，可实现地磁导航。例如，在计算机游戏中，通过测量传感器阻抗的变化来控制汽车的行驶方向，理论精度约为0.4°，每180°阻抗变化约0.5Ω。
（二）人体脉搏监测
在手臂上附着一个小的柔性磁铁，传感器可检测到由于脉搏引起的磁铁移动所产生的磁场变化，从而监测人体脉搏。通过分析传感器阻抗的变化，可以识别脉搏波形中的关键峰值。
（三）强磁场预警
当传感器接近强磁场源（如强永磁体）时，传感器的阻抗增加，当磁场强度超过200mT时，系统可发出警告信号，用于安全防护，避免人体长时间暴露在强磁场中。
六、结论
本文介绍的可穿戴磁场传感器具有低检测限（22nT）和宽工作范围（22nT-400mT）的优点。通过利用非晶态线的巨磁阻抗效应和各向异性，实现了在不同磁场强度下的高精度测量。传感器具有良好的机械灵活性，可应用于皮肤或集成在智能穿戴设备中，在地磁导航、人体脉搏监测和强磁场预警等方面展示出了潜在的应用价值，为可穿戴磁场传感设备在交互电子、生物电子、安全和安保等领域的应用开辟了新的前景。
七、一起来做做题吧
1、柔性电子设备的重要应用之一是作为（ ）的组件或贴合在人体皮肤上。
A. 智能穿戴设备
B. 医疗检测设备
C. 通信设备
D. 计算机设备
2、现代电子皮肤（E - skin）设备通过提供额外感知能力来扩展我们皮肤的自然能力，以下哪种不是其提供的额外感知能力？（ ）
A. 声音
B. 温度
C. 光学
D. 方向
3、可穿戴磁场传感器的测量原理是当磁场较小时基于（ ）效应，磁场增大时利用悬臂梁弯曲和非晶态线对磁场方向的各向异性。
A. 巨磁阻抗（GMI）
B. 霍尔
C. 磁阻
D. 磁致伸缩
4、传感器的悬臂梁结构由（ ）制成，它具有良好的机械稳定性和柔韧性。
A. 聚酰亚胺
B. 聚碳酸酯
C. 聚氨酯
D. 聚苯乙烯
5、在对非晶态线的研究中，哪种直径的非晶态线具有最高的磁导率和最佳的 GMI 性能？（ ）
A. 20μm
B. 30μm
C. 50μm
D. 100μm
6、以不同基板材料制备传感器时，在 3 MHz 驱动频率和 1 mA 驱动电流下，哪种基板材料的传感器具有最高的 MI 响应？（ ）
A. 聚酰亚胺（PI）
B. 聚碳酸酯（PC）
C. 聚氨酯（PU）
D. 都一样
7、传感器能检测的最低磁场强度是（ ）
A. 2 nT
B. 22 nT
C. 220 nT
D. 2 mT
8、传感器对磁场的检测范围跨越（ ）个数量级。
A. 5
B. 6
C. 7
D. 8
9、将传感器应用于手指或装饰指甲上，在计算机游戏中可用于控制汽车行驶方向，其理论精度约为（ ）
A. 0.1°
B. 0.4°
C. 1°
D. 2°
10、当传感器用于强磁场预警时，设定的磁场强度阈值是（ ）
A. 100 mT
B. 200 mT
C. 300 mT
D. 400 mT
参考文献：
Li S, et al. Wearable Magnetic Field Sensor with Low Detection Limit and Wide Operation Range for Electronic Skin Applications. Adv Sci (Weinh). 2024 Oct;11(37):e2304525.
