人體活動所産生包括應變和溫度等大量的生理信号是醫療健康、運動監測的重要數據來源，利用柔性可穿戴設備實現應變和溫度的感知意義重大。柔性傳感器是柔性可穿戴設備的核心部件，其發(fā)展趨勢是集成(chéng)化和多功能(néng)化。發(fā)展柔性應變-溫度雙模态傳感器，實現應變和溫度等信号的監測以及區分，并同時兼具高的分辨率仍是一個難點。

　　Co基磁性非晶絲具有優異的軟磁性能(néng)和巨磁阻抗效應（GMI），可以實現對(duì)磁場的高靈敏探測，是發(fā)展柔性多功能(néng)傳感器的理想材料之一。前期，中科院磁性材料與器件實驗室柔性磁電功能(néng)材料與器件團隊李潤偉研究員和劉宜偉研究員基于磁性非晶絲設計與發(fā)展了仿生觸覺傳感器與自供電彈性應變傳感器，并在機器人假肢的觸覺感知、運動捕捉的智能(néng)服裝方面(miàn)實現應用（Science Robotics. 2018, 3, eaat0429；Nano Energy, 2022, 92, 106754）。在此基礎上，以磁性非晶絲爲敏感材料，通過(guò)設計具有管狀異質結構的雙模态傳感器實現了單一傳感器對(duì)應變和溫度的靈敏監測和實時區分。該傳感器具有獨立的應變和溫度感知機制。一方面(miàn)，結合磁彈性體的磁彈效性和Co基非晶絲的巨磁阻抗效應可以實現應變靈敏探測；另一方面(miàn)，用于阻抗輸出的熱電偶線圈具有顯著的塞貝克效應，可以同時實現溫度的檢測。基于獨立的感應機制，溫度和應變信号之間不存在相互耦合，後(hòu)續通過(guò)信号讀取電路可實現溫度和應變信号的實時區分和輸出。

　　該研究中雙模态傳感器的應變-磁轉換單元中具有磁彈效應的磁彈性體提供随應變而變化的磁場，通過(guò)内置的Co基磁性非晶絲，能(néng)夠靈敏感知微小變化的磁場，從而輸出變化的阻抗，實現應變的感知。此外，該工作巧妙地設計了具有雙功能(néng)的Cu-CuNi熱電偶線圈，不僅可以實現阻抗的輸出，而且本身具有的塞貝克效應可以實現對(duì)溫度的感知。進(jìn)一步地，通過(guò)調控應變-磁轉換單元的不同區域的相對(duì)模量，即磁彈性管和非磁性彈性管的相對(duì)模量，可以控制磁場變化快慢，從而能(néng)夠實現應變靈敏度的可調。該傳感器可實現0.05%的應變和0.1 ℃的低探測極限，5.29和54.9 μV/℃的較高應變和溫度感知靈敏度。此外，該研究也從模拟和實驗上對(duì)該雙模傳感器的應變-溫度信号輸出的耦合和相互幹擾進(jìn)行了驗證。分别測試了雙模傳感器在不同應變下的溫度輸出信号和不同溫度下的應變輸出信号，發(fā)現該傳感器具有的管狀異質結構能(néng)夠有效避免應變對(duì)溫度的幹擾，且磁性非晶絲和磁粉的磁性能(néng)在低于居裡(lǐ)溫度下具有的良好(hǎo)的溫度穩定性可以确保溫度對(duì)應變感知幾乎沒(méi)有影響。

　　最後(hòu)，該研究將(jiāng)所設計的管狀線型雙模傳感器與織物集成(chéng)，可以同時用于人體微小應變的探測，比如呼吸和吞咽等檢測，也可用于膝蓋彎曲等較大應變的探測，同時也能(néng)實現體溫或環境溫度的實時監測，在健康監測、智慧醫療以及人機交互領域具有良好(hǎo)的應用前景。

　　該工作近期以題爲“Dual mode strain-temperature sensor with high stimuli discriminability and resolution for smart wearables”在線發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI：org/10.1002/adfm.202214907）上。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器研制項目（52127803）、國(guó)家自然科學(xué)基金項目（51971233、U20A6001）、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項目（M-0152）、中科院國(guó)際合作重點項目（174433KYSB20190038、174433KYSB20200013）、浙江省自然科學(xué)基金（LD22E010002）等項目的支持。

圖1（a）雙模傳感器的感應機制，（b）具有管狀異質結構的雙模傳感器傳感器制備流程，（c）應變-磁轉換單元中磁彈性管的微觀形貌，（d-i）具有磁彈效應的磁彈性管不同磁化方向(xiàng)磁化具有不同的磁性能(néng)，（j-m）雙模傳感器外觀和柔性展示

圖2 雙模傳感器的應變感知性能(néng)

圖3 雙模傳感器的溫度感知性能(néng)

圖4 雙模傳感器對(duì)應變和溫度刺激的獨立感知

圖5 雙模傳感器的應用

　　（磁材實驗室 肖恢芸）