用于可穿戴电子设备的柔性磁敏材料和器件的进展
文摘
2024-06-12 10:00
上海
柔性电子器件是一类尖端电子器件，以其柔软、可弯曲、可拉伸和可卷曲的特性而著称。这种柔性使其能够适应各种曲面和复杂形状，因而应用广泛，例如可穿戴技术、医疗保健、智能电子皮肤、物联网(IoT)、军事安全和娱乐(人机交互)。柔性电子器件在可穿戴电子设备中有着广泛的应用，为可穿戴设备提供了关键功能和创新。例如，柔性传感器可以监测生理数据，如心率、体温、血氧饱和度和运动状态。这种监测对于健康跟踪、疾病管理和医疗诊断至关重要当集成到纺织品中创建智能纺织品时，它们可以监测体温、汗液成分和运动状态等信息，并将这些数据传输到云端进行分析。这些创新对提升用户体验和生活质量以及推动医疗保健领域的进步具有深远影响。此外，柔性磁敏器件是一类独特的电子器件，结合了柔性电子器件和磁性材料的特性。作为电子外皮，磁感应元件特别适合用于非接触式人机交互。这些器件通常由磁性元件和柔性基板组成，因此在各个领域都具有独特的性能和应用潜力，例如：(a)定位和导航。柔性磁阻传感器可集成到智能手表和健身追踪器等可穿戴设备中，提供定位和导航功能。它们通过检测地球磁场的变化，实现指南针应用和计步器。(b)健康监测和生物识别。磁性皮肤贴片可用于监测肌肉活动，为理疗、体育训练和医疗保健提供有价值的数据。此外，柔性磁电子设备还能监测各种健康参数，如心率、呼吸模式和肌肉活动，使其在医疗诊断和病人监测方面具有重要价值。(c)手势控制。磁敏可穿戴手套可检测手部动作和手势。这样，用户就可以通过手部动作控制各种设备，使其成为虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用的理想选择。(d)触觉反馈。可穿戴磁性触觉反馈设备允许用户通过可穿戴设备感受振动、触摸或压力。这一功能在游戏、沉浸式体验和无障碍技术中非常有价值。柔性磁敏材料和器件为增强可穿戴电子设备的功能提供了大量机会。这些进步实现了新的功能，增强了用户体验，促进了可穿戴技术领域的不断发展。不断发展的应用使可穿戴电子设备的用途更加广泛，能够满足医疗保健、娱乐和运动等领域的各种需求。可穿戴电子设备、数字医疗保健、物联网和仿人机器人等新兴领域凸显了对能够在曲面和软物体上记录信号的柔性设备的需求。特别是柔性磁敏器件，由于能够结合柔性电子器件和磁电子器件的优势(如重塑能力、顺应性、非接触式传感和导航能力)，因此备受关注。要开发功能完善的柔性磁性器件，必须解决几个关键挑战。这些挑战包括确定如何使磁性材料具有柔性甚至弹性，了解磁性薄膜的物理性质在外部应变和应力作用下如何变化，以及设计和制造柔性磁敏器件。近年来，在应对这些挑战方面取得了重大进展。本研究旨在及时、全面地概述柔性磁敏器件的最新发展。其中包括讨论柔性磁性材料的制造和机械规定、柔性磁传感器的原理和性能，以及它们在可穿戴电子设备中的应用。此外，还讨论了该领域未来的发展趋势和挑战。相关报道以“Advances in flexible magnetosensitive materials and devices for wearable electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟、刘宜伟、巫远招研究员为综述通讯作者。Figure 1. Flexible magnetosensitive materials, devices, and applications.Figure 2. (a) Topography of magnetic films deposited directly on elastic substrates, such as PDMS. (b) Surface image of magnetic films deposited on pre-strained PDMS. (c) Layered crystal structure of mica. (d) Summary of typical flexible oxide films grown on mica substrates. (e) Fabrication process of the freestanding single crystalline films by dissolving the sacrificial layer.Figure 3. Fabrication of rolled-up single-layer ferromagnetic nanomembranes.Figure 4. (a) Printable GMR sensors and devices. Schematics of the fabrication process of the GMR paste. (b) Printed GMR sensors that conform to the finger and their performance. (c) Schematics of the cassette-based roll-to-roll modular sputter system, and the deposited GMR multilayer on a 0.2 × 100 m2 PET web.Figure 5. Printable and self-healable AMR sensors.本研究概述了柔性磁敏材料和可穿戴电子设备领域的最新进展。首先，介绍了制造柔性磁敏材料(包括金属和氧化物磁性材料)的方法。此外，还探讨了应力/应变对柔性FM 和 AFM材料磁性能的影响，重点关注 MA 和磁畴结构等方面。此外，还概述了增强柔性磁敏材料稳定性的策略。此外，还全面概述了柔性磁敏器件的类型、结构和功能原理，以及它们在可穿戴电子设备领域的应用。柔性磁敏器件具有柔性、高灵敏度和非接触式检测等固有优势，在地磁导航、人机交互和类人触觉传感等多个领域展现出广阔的应用前景。尽管取得了重大进展，但柔性磁敏材料和器件的大规模生产和应用仍面临诸多挑战。一些主要挑战包括：(a)性能兼容性。磁性材料通常由金属、合金和氧化物组成，其伸展性有限，约为 2%。平衡灵敏度、线性度和量程等性能参数也具有挑战性。(b)坚固性。可穿戴设备会受到各种环境条件的影响，如潮湿、高温、多维变形和潮湿。确保柔性磁敏材料和设备的稳定性仍然是一大挑战。(c)高密度。增加传感器阵列的密度会导致串扰增加。然而，柔性高密度磁传感器阵列也面临着一些挑战。(d)多功能性。虽然柔性磁传感器主要用于检测磁场和压力，但进一步实现多功能集成仍是一项挑战。未来应探索新型柔性磁敏材料、传感技术和系统集成策略，以开发多功能集成柔性磁传感器。这将扩大其在可穿戴电子设备中的应用。Advances in flexible magnetosensitive materials and devices for wearable electronicshttps://doi.org/10.1002/adma.202311996*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
