顶级期刊《AFM》｜飞纳电镜+拉伸台助力可穿戴电子设备研究

PHENOM

案例分享

人工磁受体是人类与周围环境互动的一种有待探索的全新技术。该技术通过将磁场传感器嵌入柔软有弹性的薄膜来构建磁敏电子皮肤。然而磁敏电子皮肤往往仅限于面内传感，无法作为交互式可穿戴电子产品的开关或逻辑元件。本文发展了一种基于柔性自旋阀的新型磁响应平台，其具有面外磁场传感特性，可应用于非接触式交互电子设备。该技术基于全金属 Co / Pd 基自旋阀，其中合成反铁磁体具有垂直磁各向异性。该柔性磁传感器可作为瞬时和永 久（闭锁）开关的逻辑元件。即使弯曲半径小于 3.5 mm，开关也能保持其性能，并能承受数百次循环的重复弯曲。将柔性开关集成在皮肤互动电子产品中，可应用于非接触式人机界面，具有使用方便，节能以及对外部磁干扰不敏感的特性。该技术为电子皮肤提供了新功能，并为成熟的皮肤上非触摸交互式电子产品发展奠定了基础。

这一研究成果 《Flexible Magnetoreceptor with Tunable Intrinsic Logic for On-Skin Touchless Human-Machine Interfaces》，发表在顶 级 期刊 《Advanced Functional Materials》上。

（原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101089）

在这一研究成果中，作者演示了第 一个在平面外磁场下工作的柔性磁阻自旋阀开关。通过调整复杂层堆栈中的磁交换耦合，实现了自旋阀 Spin valve（SV）作为锁存（或永 久）开关和瞬时开关工作。在这种情况下，磁阻功能元件可以使用单个材料科学平台执行基本逻辑操作（永 久或临时开关）。

平面外磁场下工作的柔性磁阻自旋阀开关

如图 1 所示，在 125μm 厚的 PEN 膜上制备的自旋阀器件能够承受 3.5 mm 的弯曲以及超过 600 个循环的重复弯曲测试，而不会牺牲其磁阻性能。这项研究成果展示了该技术在实现皮肤上交互式磁电设备方面的优势，该设备无接触、节能（瞬时开关）且对外部磁干扰（闭锁开关）不敏感。

在这项研究工作中，作者使用飞纳电镜的拉伸台，对制备的柔性材料自旋阀转换器进行动态压缩弯曲，并使用飞纳大仓室扫描电镜 Phenom XL 对材料自旋阀的形貌进行表征。

利用拉伸台的压缩功能，挤压使材料弯曲，观察了不同曲率半径下形貌的变化（如图 2c-d），为了评估其机械性能，通过将膜的两端从其初始平坦状态移动到更靠近，直到达到 3.5mm 的最 大弯曲半径，来弯曲柔性自旋阀开关。

柔性自旋阀在弯曲时的机械和磁阻性能测试

图 2a 显示了弯曲状态下样品的侧视图，照片根据样品曲率半径的变化进行颜色编码。如图 2b 为不同曲率半径的金属堆叠中的相应应变。从图 2c 中可以看出，弯曲至 4mm 曲率半径的样品的扫描电子显微镜（SEM）图像显示没有出现裂纹或分层。金属叠层保持牢固地附着在聚合物膜上。在 4mm 的弯曲半径下，金属层堆叠经历约 1.5% 的拉伸应变。 从图 2d 中可以看出，当样品进一步弯曲至 3.5 mm 半径时，金属层破裂。

金属薄膜在弯曲到 3.5 mm 曲率半径时发生开裂

结合图 3 相关数据，可以看出当接近 3.5 mm 弯曲半径时，样品电阻的增加是由金属膜中周期性断裂模式的出现引起的。然而，在样品被压平后，裂纹闭合，这导致样品电阻的部分恢复。

这项技术扩展了磁受体电子皮肤的功能，超越了基本的接近感和定向感测。通过调整自旋阀的传感层和参考层之间的交换偏置强度，使能够嵌入瞬时和锁存操作模式，从而降低了外部逻辑电路的复杂性。平面外磁场的明确解释提供了直观的开关逻辑状态，并简化了设备的使用。这种新型柔性磁感受功能元件显示出在人机界面或虚拟现实和增强现实应用中的巨大潜力。