Magnetized Micropillar-Enabled Wearable Sensors for Touchless and Intelligent Information Communication Qian Zhou, Bing Ji, Fengming Hu, Jianyi Luo, Bingpu ZhouNano-Micro Letters (2021)13: 197 https://doi.org/10.1007/s40820-021-00720-5
本文亮点
1. 提出了一种可穿着电容式磁场传感器，该传感器可以通过互不重叠的电容旗子暗记识别磁场的大小和方向并运用于非打仗式智能信息交互。2. 传感用具有高至1.3 T⁻¹的灵敏度，检测限可达1 mT，良好的机器稳定性(超过1万次循环)。3. 传感器可作为高效、高容量的三进制信息接口，实现可编程、非打仗式的隐秘信息交互，如摩斯电码、盲文通信、多级指令输出等。
内容简介
澳门大学周冰朴课题组与五邑大学罗坚义课题组互助，设计提出了一种基于倾斜柔性微磁柱阵列(tilted flexible micromagnet array, t-FMA)的电容式磁场传感器，并将其运用于智能信息交互界面。基于磁扭矩浸染下t-FMA的双向波折能力，该传感器可以同时识别磁场的大小和方向。优化后的传感器灵敏度超过1.3 T⁻¹，检测限低至1 mT，且机器稳定性极佳。通过组合磁极，该传感器被成功运用于高效、非打仗式、可编程的信息交互系统，如摩斯电码和盲文通信等。该传感器可同步识别磁场方向和大小的特点，进一步使传感器阵列成为一个大容量的信息转换器，用于隐蔽的信息交互(如编码身份信息识别)和多掌握指令输出。
图文导读
I 非打仗式智能通信系统的组成和事理
电容式磁场传感器紧张由磁化的倾斜微柱阵列介电层和柔性电极组成(图1a)。通过设计倾斜微柱的磁化强度(M)的方向和大小，t-FMA可以在外磁场下实现双向驱动变形能力。在磁扭矩(τ)的驱动下，t-FMA可以在外磁场的不同磁极下发生双向偏转，使得电极间距的变革和传感器所产生的电容旗子暗记分成两个不重叠的区域(图1b)。该传感器不仅可感知不同强度的磁场，还可以通过正负电容旗子暗记来识别磁场方向；因此，磁场的北极、南极和空缺可被编码为“+1”、“-1”和“0”，构成高容量的三进制信息系统(图1c)。相对付大略的开启/关闭外部刺激(即二进制编码系统)，三进制编码系统使磁场作为高容量的信息载体，在人机交互系统中实现高效的信息通报。得益于磁场的不可见性，大量的隐秘信息可以在一个小型集成化磁体阵列(柔性永磁体或电磁铁)的磁场中进行编码。利用传感器对磁场大小和方向的同步识别，传感器阵列即可作为解码器对嵌入代码进行剖析，进一步提取信息，而无需大量的传感器单元和繁芜的解码过程。
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) 非打仗式、可编程、高容量信息交互系统。
II 柔性磁场传感性能表征
基于优化的柔性磁微柱构造(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)。该传感器可作为穿着设备，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)并且展现出快速的相应、规复韶光(~ 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，仍旧展现出良好的检测稳定性(图2f)。相对付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的互换电压下，该传感器仍可以稳定地检测磁场旗子暗记，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浸染下的变革。(c) 磁场传感器在不同磁场下的电容旗子暗记。(d) 穿着后的传感器对环境中不同磁场的实时相应。(e) 传感器在电磁铁产生的不同磁场强度下的稳定性。(f) 传感器的疲倦测试(超过10000次循环)。(g) 不同事情电压下传感器对磁场(~ 65 mT)的相应。
III 非打仗式、高效、可编程摩斯密码和盲文信息交互系统
基于对磁场方向的识别能力，该传感器可以作为可穿着式旗子暗记引发器，实现非打仗式的摩斯密码通信。这种通信系统只需大略地切换磁场方向而无需利用打仗模式下的敲击和长按来输出摩斯密码旗子暗记，因此可以实现高效、快速、便携的信息交互(图3a)。该通信系统可为分外人群(如措辞不便的人)供应一种便利的信息互换办法。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旗子暗记，实现快捷高效的摩斯密码和盲文信息交互(图3c-f)。其余，这种盲文信息交互系统可避免利用大量的数字前缀(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。
图3. (a) 非打仗式摩斯密码通信系统。(b) 实时摩斯密码信息输出单词“Water”。(c) 可编程摩斯电码传输“Nice tomeet you”。(d) 非打仗式、高效、方便和可编程盲文交互系统的事理图。(e) 微型电磁铁阵列和柔性传感阵列图示。(f) 实时检测并解码的盲文信息“HELLO 2021”。
IV 基于三进制编码的人机交互系统
相对付其他的可引发信息源(比如压力、温度、湿度等)，磁场除了具有强度还具有方向，因此它可以作为一种高容量的信息载体并许可这些信息储存在小尺寸的磁铁阵列(如柔性磁铁)中用于高效、隐秘的信息交互。个中，北极(N)、南极(S)以及空缺的磁场信息分别编码为“+1”、“-1”和“0”，构成一种三进制编码体系来实现大容量的信息交互。得益于传感器对磁场大小和方向的高灵敏识别，传感器阵列可以作为解码器，对所编码的信息(如隐蔽图案、身份信息等)进行解码剖析并提取所隐蔽的信息，亦可一定程度上担保信息交互的安全性(图4a-f)。同时，我们的传感器还可作为高容量的旗子暗记引发器，以三进制编码磁场作为勉励来输出多位编码掌握指令。基于三进制编码输入，单个传感器可以输出27条3位编码指令。一样平常情形下，这些指令可充分覆盖和掌握目标(如机器人)的各种动作，如移动、跳跃、下蹲等(图4g-h)。
图4. (a) 基于磁场的三进制信息编码系统。(b) 作为运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(隐蔽图案“A”和 “M”的磁场信息)的磁场分布和传感器阵列读取的电容旗子暗记分布。(d) 加密身份信息识别系统。(e-f) 得到的电容旗子暗记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。
