超薄柔性GMR电子皮肤，实现非接触式交互和压力传感
2024-08-17 11:52:34   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

过去二十年来，可穿戴电子设备的普及率急速增长，尤其是人机界面（HMI）应用。其中，能够监测人体健康、跟踪运动和活动，并作为人机界面的电子皮肤得到了广泛关注。这些电子皮肤大多是在模拟皮肤特征的同时保留其自然特质。柔性磁传感器，如巨磁阻（GMR）、隧道磁阻（TMR）、各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻抗（GMI）和霍尔传感器等，已成为快速发展的人机界面领域的重要组成部分。这些柔性磁传感器为人类拓展感知（即磁感知）开辟了新途径。

GMR传感器因其电阻的显著变化而成为磁检测领域的主流技术之一。目前，柔性GMR传感器主要通过在超薄箔上沉积Co/Cu、Py/Cu或Pd/Co叠层来制造。然而，这种配置对小磁场的灵敏度有限。此外，传统制造柔性GMR传感器需要在聚合物衬底和刚性支撑之间引入牺牲层。分离过程通常是手工操作，效率低下，进而使大规模生产变得复杂。此外，现有GMR传感器尚未充分利用阵列传感器配置所带来的优势。

据麦姆斯咨询介绍，中国科学院空天信息创新研究院的研究人员在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇题为“An ultrathin, rapidly fabricated, flexible giant magnetoresistive electronic skin”的论文。该研究利用对小磁场敏感的柔性GMR传感器阵列，开发了一种新型磁电子非接触式交互系统。该柔性磁传感器阵列利用电化学分层工艺制造，能成功将超薄薄膜从刚性衬底上剥离，而不降低性能。这种分层工艺高效、快速，不会对电子系统造成损坏。经过调整的GMR自旋阀结构提供了低于80 Oe的有效磁场。该柔性GMR传感器能够实现90°的弯曲角度，并在多次重复弯曲中表现出耐久性。此外，研究人员还探索了柔性GMR传感器阵列作为智能精密磁电子皮肤的应用潜力。将柔性GMR传感器与磁电子皮肤集成在一起，成功展示了非接触式交互以及感知接触压力的能力。这些器件都表现出了强大的性能，代表着向完全集成磁电子皮肤方向迈出了重要的一步。

（a）典型电化学分层过程示意图；（b）NaCl溶液中，在低电阻硅晶片上制备PI电子箔的示意图；（c）阴极和阳极电化学反应示意图；（d）展示了1.6 cm x 1.6 cm GMR传感器脱层过程；（e）施加10~20 V电压时的平均脱层时间；（f）当NaCl浓度从0.02 M增加到5.43 M（过饱和）时的平均脱层时间。

柔性GMR器件的结构和磁特性

（a）利用柔性GMR传感器阵列进行非接触式交互的示意图；（b）指压柔性GMR传感器阵列和磁电子皮肤的示意图；（c）手指接近左上角时GMR传感器阵列的磁响应；（d）利用柔性GMR传感器阵列进行压力传感的示意图；（e, h）对柔性GMR传感器阵列和磁电子皮肤施加61.36 g和180.89 g的压力；（g）压力传感装置的图像；（f, i）施加61.36 g和180.89 g压力时的磁响应。

总结来说，本研究开发了一种简单而快速的方法，可从超薄薄膜中电化学分层柔性电子系统。利用这种方法，制作出了第一个具有自旋阀结构且对小磁场灵敏度有所提高的柔性GMR传感器阵列。由于这种微电子制造工艺可以直接应用于硅片，因此在超薄PI箔上成功实现了磁电子纳米结构的光刻图案化，并且，分离的电子系统能够保持完好无损。

这种磁电子皮肤特别轻便，可在任何表面上贴合，并且弯曲90°也不会降低性能。这项技术展示了在智能电子皮肤和医疗植入物等应用领域的巨大潜力。此外，还展示了非接触式交互应用，将这种磁电子皮肤置于指尖，通过移动手指就能执行各种指令。通过在柔性GMR阵列上堆叠Ecoflex和磁电子皮肤，还可以实现高空间分辨率压力传感。其压力测量范围和灵敏度可通过改变Ecoflex和磁电子皮肤层的厚度来调节。

未来的进一步研究将集中在优化GMR器件性能、最小化磁滞，以及探索压力测量范围、灵敏度、Ecoflex厚度和磁电子皮肤层之间的关系。此外，还将优化与其他电子元件（如无线读出和遥感）的电气和机械接口。磁电子器件与超薄功能器件（包括太阳能电池、晶体管和温度传感器阵列）的集成，将赋能具有更多功能的集成电子皮肤。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00716-2

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