柔性電子技術(shù)因其在人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人與可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，其常見(jiàn)傳感機(jī)制主要包括電阻式、電容式、摩擦電式、壓電式。然而作為電學(xué)基本參數(shù)之一的電感很少被用作柔性傳感器件的響應(yīng)信號(hào)，這是因?yàn)橄噍^于其他傳感機(jī)制而言，電感缺少相應(yīng)的力敏感材料。非晶絲由于其特殊的磁疇結(jié)構(gòu)，其阻抗對(duì)外磁場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)極為敏感，是一種電感信號(hào)的力響應(yīng)材料，然而其硬而脆的特性很難滿(mǎn)足柔性電子器件軟而韌的要求。因此，如何將非晶絲柔性化且滿(mǎn)足柔性傳感器的性能要求成為了其向柔性電子領(lǐng)域拓展的技術(shù)難題。

近日，浙江大學(xué)秦發(fā)祥研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于手部復(fù)健監(jiān)測(cè)的新型感應(yīng)式傳感器，綜合利用了非晶絲的巨磁阻抗（GMI）/應(yīng)力阻抗（GSI）效應(yīng)和軟磁體（NdFeB@PDMS）的巨磁彈性效應(yīng)（GME），為柔性傳感器帶來(lái)的新的機(jī)制。該傳感器采用一種雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下層為嵌有方螺旋結(jié)構(gòu)非晶絲的PDMS（SSAW&PDMS），上層為含有NdFeB微粒的PDMS泡沫(NdFeB@PDMS)，并沿著平面方向進(jìn)行充磁。這種非晶絲構(gòu)型的引入和其與軟基體的復(fù)合巧妙地規(guī)避了非晶絲脆弱的缺點(diǎn)，還解決了輸出信號(hào)的單調(diào)性問(wèn)題并拓寬了傳感范圍。而軟磁彈層的加入提高了傳感器的靈敏度。隨后，通過(guò)一個(gè)包含標(biāo)準(zhǔn)電容器的LC諧振電路，將傳感器的工作頻率從GHz范圍調(diào)整到MHz范圍，以補(bǔ)償頻率調(diào)整造成的性能下降。當(dāng)傳感器集成到商用分指板中時(shí)，它能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手部康復(fù)效果。

研究者采用Taylor-Ulitovsky法制備的玻璃包覆Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶絲作為電感傳感元件，其高磁場(chǎng)/應(yīng)力敏感性，優(yōu)異的軟磁性能，高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)能夠滿(mǎn)足傳感器高靈敏度、高魯棒性的要求。同時(shí)相比于低模量的柔性材料，這種剛性傳感材料具備機(jī)械可逆且無(wú)滯后的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)非晶絲單軸拉伸的應(yīng)力阻抗特性的研究中，發(fā)現(xiàn)其虛部（感抗）的靈敏度遠(yuǎn)大于阻抗模量與實(shí)部，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用電感信號(hào)作為傳感信號(hào)的可行性。

但是，這種硬而脆的力學(xué)特性使其很難單獨(dú)作為柔性傳感器件，將非晶絲嵌入軟基體中形成復(fù)合材料是將其柔性化的有效策略。然而，在研究中發(fā)現(xiàn)。直接將非晶絲嵌入到PDMS中，其傳感信號(hào)不滿(mǎn)足單調(diào)性的要求，給傳感信號(hào)的解析帶來(lái)麻煩。這種先增大后減小的趨勢(shì)源于其在受壓條件下磁疇結(jié)構(gòu)的變化。在壓應(yīng)力下，非晶絲的外殼磁疇會(huì)向軸向偏轉(zhuǎn)且在高壓應(yīng)力下磁疇運(yùn)動(dòng)被阻滯。相反，在拉應(yīng)力下，非晶絲的外殼磁疇會(huì)向周向偏轉(zhuǎn)，其對(duì)應(yīng)的周向磁導(dǎo)率單調(diào)下降。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種平面螺旋結(jié)構(gòu)，將具備這種結(jié)構(gòu)的非晶絲嵌入到PDMS中，利用PDMS的正泊松比壓脹特性，將作用在復(fù)合材料表面的壓力轉(zhuǎn)換成作用在非晶絲上的拉應(yīng)力，解決了傳感信號(hào)的單調(diào)性問(wèn)題。但是，僅靠這種方式還沒(méi)有將非晶絲的傳感性能利用到機(jī)械。考慮到其磁敏特性，我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu)，這種雙層結(jié)構(gòu)包括嵌有螺旋結(jié)構(gòu)非晶絲的PDMS層（SSAW&PDMS）與填充有NdFeB微粒的PDMS泡沫層（NdFeB@PDMS）。

在對(duì)SSAW&PDMS的磁敏特性研究中發(fā)現(xiàn)，其GMI曲線滿(mǎn)足典型的雙峰特性。因此，在利用其GMI效應(yīng)的時(shí)候需要注意，其信號(hào)也必須滿(mǎn)足單調(diào)下降的條件才能在疊SSAW&PDMS層GSI效應(yīng)誘導(dǎo)下的單調(diào)下降的信號(hào)變化規(guī)律，才能實(shí)現(xiàn)傳感靈敏度的提升。由于磁彈體在受壓條件下，其磁通密度下降，因此必須將磁彈體的初始磁通密度調(diào)整到低于GMI曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)調(diào)整NdFeB的摻量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NdFeB微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 wt.%時(shí)傳感器的靈敏度。通過(guò)將該磁彈性層集成到系統(tǒng)中，靈敏度比 SSAW&PDMS 提高了約 178%。該傳感器信號(hào)漂移小，在階躍加載（ 115 kPa）下具有良好的加載-卸載一致性。同時(shí)，該傳感器具備響應(yīng)/恢復(fù)快速（40 ms），不同加載強(qiáng)度和頻率下信號(hào)穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)加載高魯棒性（15000次循環(huán)）的出色性能。

為了進(jìn)一步闡明傳感性能優(yōu)化的機(jī)理，對(duì)磁彈層的GME效應(yīng)進(jìn)行了研究。在壓縮狀態(tài)下，微磁體的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，從而改變其中的偶極-偶極相互作用和退磁場(chǎng)。隨著磁性微粒摻量的提高，磁彈層的初始磁通密度及其壓縮前后的差值都會(huì)增大，這解釋了隨著摻量的提高傳感靈敏度先增加后降低的變化規(guī)律。

最后，利用人工構(gòu)筑LC諧振電路進(jìn)一步提高傳感器件的應(yīng)力敏感度，在串聯(lián)680 pF的標(biāo)準(zhǔn)電容后，該傳感器的靈敏度達(dá)到6.6 %/kPa，并在0-100 kPa的應(yīng)力范圍內(nèi)具有的線性度（R2=0.99717）。將該傳感器集成到商用分指板上后，能夠?qū)⒅蟹制c病人手部肌力變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃的制訂提供了數(shù)據(jù)支撐。

這些研究成果成功將非晶絲這種傳統(tǒng)材料拓展到了新型柔性傳感領(lǐng)域，同時(shí)充分利用了非晶絲的性能，包括導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度、軟磁性以及GMI和GSI效應(yīng)，給非晶絲的功能化提供了新的視角。同時(shí)，由于之前GME效應(yīng)的信號(hào)讀取依賴(lài)于電磁感應(yīng)原理，使其只對(duì)動(dòng)態(tài)加載敏感，利用非晶絲的磁敏特性還賦予了GME效應(yīng)檢測(cè)靜壓的能力。

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