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。
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
内容简介
图文导读
I 非接触式智能通信系统的组成和原理
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。
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。
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。
IV 基于三进制编码的人机交互系统
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
本文第一作者
柔性可穿戴传感器，人机交互界面。
▍主要研究成果
本文第一作者
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
本文通讯作者
柔性电子，表界面科学，微流控芯片。
▍主要研究成果
▍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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