柔性磁电传感器微观形貌表征：飞纳电镜 Phenom Pharos G2 应用案例

武汉纺织大学等单位研究团队在《Advanced Functional Materials》发表研究论文，开发了基于三维间隔织物的非嵌入式磁电智能传感器 NEMIS。飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜用于观察不同 NdFeB 含量的 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜，研究重点是比较磁性颗粒数量及其在柔性基体中的分布变化。

研究对象与结构设计

传统柔性磁电传感器通常将导电线圈直接嵌入 Ecoflex、TPU 或水凝胶等柔性材料。原文指出，金属线圈与柔性基体之间的相互约束可能影响整体变形能力，磁性材料持续形变时还可能出现磁轴方向变化。研究团队据此提出基于三维间隔织物的非嵌入式设计。

NEMIS 由三部分组成：顶层铜线圈用于感知磁通量变化，中间三维间隔织物提供弹性压缩与回弹空间，底层 NdFeB/Ecoflex 柔性磁性复合膜提供磁场。制备时，研究人员先把 NdFeB 颗粒分散于 Ecoflex 中并与间隔织物结合，再把铜线圈缝制在织物上层，最后完成整体磁化。制备阶段使用未磁化颗粒，以减少颗粒之间因相互吸引造成的团聚问题。

图1  NEMIS 制备过程、三层结构及 NdFeB/Ecoflex 复合材料三维结构表征

扫描电镜表征任务与样品变量

研究团队采用飞纳电镜 Phenom Pharos G2 对复合薄膜微观形貌进行观察。论文 Figure 5a 对比了 NdFeB 含量为 20 wt.%、40 wt.%、60 wt.% 和 80 wt.% 的四组样品，扫描电镜图像比例尺均为 800 μm。

该表征任务关注两个问题：不同 NdFeB 含量下视野中的磁性颗粒数量如何变化，以及颗粒在 Ecoflex 柔性基体中的分布状态。

扫描电镜表征结果

原文说明，扫描电镜图像中的白色区域对应 NdFeB 颗粒。随着 NdFeB 添加量由 20 wt.% 增加到 80 wt.%，视野中的磁性颗粒数量明显增加；研究结果显示，这些颗粒能够较均匀地分布在 Ecoflex 膜内部。

该结果为确认 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜的颗粒分布状态提供了直观依据，并为后续分析不同 NdFeB 含量对应的磁场强度及传感输出性能提供结构层面的参考。

图2  飞纳电镜 Phenom Pharos G2 观察不同 NdFeB 含量的 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜

结构参数与输出性能

研究团队进一步考察线圈匝数、压缩量、线圈面积、NdFeB 含量和压缩频率。实验结果显示，增加线圈匝数、压缩量和线圈面积均可增强输出信号；NdFeB 含量提高时，复合膜磁场强度增强，输出电信号随之提高；压缩频率提高会增加磁通变化速率，从而获得更强的感应电动势。

循环测试中，传感器经过 50,000 次压缩循环后仍保持稳定的电信号输出。在原文所述的特定极限实验条件下，NEMIS 最大输出电压达到 319 μV。

图3  NEMIS 在不同结构和测试参数下的电信号输出与循环测试结果

应用场景验证

研究团队将 NEMIS 安装在汽车方向盘上，构建三通道握持检测系统。当驾驶员双手离开方向盘时，系统可以通过 Android 应用提醒。在 300 次随机按压测试中，三通道方向盘握持检测的分类准确率超过 92%。

论文还展示了汽车制动踏板压力采集、智能鞋垫、座椅坐垫与靠背以及人体关节运动监测等场景，研究结果显示传感器能够在这些不同应用条件下采集电信号。

图4  NEMIS 在汽车与可穿戴场景中的应用验证

Phenom Pharos G2 在研究中的具体作用

在本案例中，飞纳电镜 Phenom Pharos G2 用于 NdFeB/Ecoflex 复合材料的微观形貌观察。SEM 图像使研究人员能够比较四种 NdFeB 含量下的磁性颗粒数量及分布变化，为材料结构分析和后续传感性能研究提供微观表征依据。

资料来源

研究论文 DOI：10.1002/adfm.202522295