人工磁受體是人類與周圍環境互動的一種有待探索的全新技術。該技術通過將磁場傳感器嵌入柔軟有彈性的薄膜來構建磁敏電子皮膚。然而磁敏電子皮膚往往僅限于面內傳感，無法作為交互式可穿戴電子產品的開關或邏輯元件。本文發展了一種基于柔性自旋閥的新型磁響應平臺，其具有面外磁場傳感特性，可應用于非接觸式交互電子設備。該技術基于全金屬 Co / Pd 基自旋閥，其中合成反鐵磁體具有垂直磁各向異性。該柔性磁傳感器可作為瞬時和永久（閉鎖）開關的邏輯元件。即使彎曲半徑小于 3.5 mm，開關也能保持其性能，并能承受數百次循環的重復彎曲。將柔性開關集成在皮膚互動電子產品中，可應用于非接觸式人機界面，具有使用方便，節能以及對外部磁干擾不敏感的特性。該技術為電子皮膚提供了新功能，并為成熟的皮膚上非觸摸交互式電子產品發展奠定了基礎。

這一研究成果 《Flexible Magnetoreceptor with Tunable Intrinsic Logic for On-Skin Touchless Human-Machine Interfaces》，發表在頂級期刊 《Advanced Functional Materials》上。
 

（原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101089）

在這一研究成果中，作者演示了第一個在平面外磁場下工作的柔性磁阻自旋閥開關。通過調整復雜層堆棧中的磁交換耦合，實現了自旋閥 Spin valve（SV）作為鎖存（或永久）開關和瞬時開關工作。在這種情況下，磁阻功能元件可以使用單個材料科學平臺執行基本邏輯操作（永久或臨時開關）。

平面外磁場下工作的柔性磁阻自旋閥開關

如圖 1 所示，在 125μm 厚的 PEN 膜上制備的自旋閥器件能夠承受 3.5 mm 的彎曲以及超過 600 個循環的重復彎曲測試，而不會犧牲其磁阻性能。這項研究成果展示了該技術在實現皮膚上交互式磁電設備方面的優勢，該設備無接觸、節能（瞬時開關）且對外部磁干擾（閉鎖開關）不敏感。

在這項研究工作中，作者使用飛納電鏡的拉伸臺，對制備的柔性材料自旋閥轉換器進行動態壓縮彎曲，并使用飛納大倉室掃描電鏡 Phenom XL 對材料自旋閥的形貌進行表征。
 

  

利用拉伸臺的壓縮功能，擠壓使材料彎曲，觀察了不同曲率半徑下形貌的變化（如圖 2c-d），為了評估其機械性能，通過將膜的兩端從其初始平坦狀態移動到更靠近，直到達到 3.5mm 的最大彎曲半徑，來彎曲柔性自旋閥開關。
 

柔性自旋閥在彎曲時的機械和磁阻性能測試
 

圖 2a 顯示了彎曲狀態下樣品的側視圖，照片根據樣品曲率半徑的變化進行顏色編碼。如圖 2b 為不同曲率半徑的金屬堆疊中的相應應變。從圖 2c 中可以看出，彎曲至 4mm 曲率半徑的樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示沒有出現裂紋或分層。金屬疊層保持牢固地附著在聚合物膜上。在 4mm 的彎曲半徑下，金屬層堆疊經歷約 1.5% 的拉伸應變。 從圖 2d 中可以看出，當樣品進一步彎曲至 3.5 mm 半徑時，金屬層破裂。
 

金屬薄膜在彎曲到 3.5 mm 曲率半徑時發生開裂

結合圖 3 相關數據，可以看出當接近 3.5 mm 彎曲半徑時，樣品電阻的增加是由金屬膜中周期性斷裂模式的出現引起的。然而，在樣品被壓平后，裂紋閉合，這導致樣品電阻的部分恢復。

這項技術擴展了磁受體電子皮膚的功能，超越了基本的接近感和定向感測。通過調整自旋閥的傳感層和參考層之間的交換偏置強度，使能夠嵌入瞬時和鎖存操作模式，從而降低了外部邏輯電路的復雜性。平面外磁場的明確解釋提供了直觀的開關邏輯狀態，并簡化了設備的使用。這種新型柔性磁感受功能元件顯示出在人機界面或虛擬現實和增強現實應用中的巨大潛力。