柔性传感器正在加速走向可穿戴电子、智能汽车和人机交互等应用场景。如何在保持材料柔性与舒适性的同时，实现稳定、可靠的机械信号感知，是柔性电子领域持续关注的问题。

近日，武汉纺织大学等单位研究团队在 Advanced Functional Materials 发表题为 “Multifunctional 3D Fabric Sensors Enabled by Electromagnetic Induction” 的研究论文。研究团队基于三维间隔织物（3D spacer fabric），开发了一种非嵌入式磁电智能传感器 NEMIS（Non-Embedded Magnetoelectric Intelligent Sensor），并进一步展示了其在汽车安全监测及可穿戴传感等领域的应用潜力。

在材料微观形貌表征过程中，研究人员使用 Phenom Pharos 飞纳台式场发射扫描电镜对 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜进行了观察，为分析磁性颗粒在柔性基体中的分布提供了微观结构依据。

原文链接：

DOI:10.1002/adfm.202522295

设备型号：

Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜

从“嵌入式”到“非嵌入式”，重新设计柔性磁电传感器

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中。当材料受到外力作用时，弹性基体发生形变，引起内部磁性颗粒之间的相对位移和磁场变化，进而由线圈感知磁通量变化并产生感应电动势。

但这种结构也带来了新的问题：金属线圈与柔性基体之间容易产生相互约束，不仅会影响整体变形能力，磁性材料在持续形变过程中还可能出现磁轴方向变化，从而影响传感信号稳定性。

为此，研究人员提出了一种基于三维间隔织物的非嵌入式结构设计。

传感器由三部分组成：

顶层：铜线圈，用于感知磁通量变化；

中间层：3D 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。

铜线圈与磁性材料不再直接嵌入形成一体，而是通过间隔织物进行柔性连接。当受到压力时，中间织物发生压缩，使线圈与磁性层之间产生相对位移，从而改变穿过线圈的磁通量并产生感应电动势。

图1. NEMIS 非嵌入式柔性磁电传感器结构、工作原理及典型应用场景示意图

三层结构构建柔性磁电传感单元

在制备过程中，研究人员首先将 NdFeB 磁性颗粒分散于 Ecoflex 中，并与三维间隔织物结合形成磁性复合层；随后将铜线圈缝制在织物上层，最终完成整体磁化。

值得注意的是，研究团队选择在制备阶段使用未磁化的 NdFeB 颗粒，以减少磁性颗粒之间因相互吸引而造成的团聚问题。最终获得了由“铜线圈—间隔织物—NdFeB/Ecoflex”组成的三明治式结构。CT 三维重构结果也显示，NdFeB 颗粒能够分布在 Ecoflex 复合体系中。

图2. NEMIS 的制备过程、三层结构及 NdFeB/Ecoflex 复合材料三维结构表征

Phenom Pharos：观察磁性颗粒在柔性基体中的微观分布

对于这类复合磁性材料而言，NdFeB 颗粒在 Ecoflex 基体中的分布状态，是理解材料结构及后续传感性能的重要基础。

研究团队采用 Phenom Pharos 飞纳台式场发射扫描电镜对样品微观形貌进行了表征。论文 Figure 5a 分别展示了 20 wt.%、40 wt.%、60 wt.% 和 80 wt.% NdFeB 含量下复合薄膜的 SEM 图像，比例尺均为 800 μm。

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

这一微观表征结果为确认 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜的颗粒分布状态提供了直观依据，也为后续分析不同 NdFeB 含量对应的磁场强度及传感输出性能提供了结构层面的参考。

图3. 飞纳台式场发射扫描电镜观察不同 NdFeB 含量的 NdFeB/Ecoflex 复合薄膜微观形貌。随着 NdFeB 含量增加，复合膜中磁性颗粒数量逐渐增加，并呈较均匀分布

从材料组成到传感输出：性能如何变化？

在完成结构设计后，研究团队进一步系统研究了线圈匝数、压缩量、线圈面积、NdFeB 含量以及压缩频率等因素对电信号输出的影响。

实验结果表明，增加线圈匝数、增大压缩量和线圈面积，均可以增强输出信号；随着 NdFeB 含量提高，复合膜的磁场强度增强，传感器输出电信号也随之明显提高。同时，提高压缩频率会增加磁通变化速率，从而获得更强的感应电动势。

在循环稳定性方面，传感器经过 50,000 次压缩循环后仍能保持稳定的电信号输出。在特定极限实验条件下，NEMIS 的最大输出电压达到 319 μV。

图5. 不同结构及测试参数下 NEMIS 的电信号输出性能与 50,000 次循环稳定性测试

从汽车方向盘到智能鞋垫：柔性传感器走向实际场景

除了材料及器件性能测试，论文还进一步探索了 NEMIS 在真实场景中的应用。

研究团队将传感器安装在汽车方向盘上，构建了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 应用进行提醒。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%。

此外，NEMIS 还被用于：

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，该传感器能够在这些不同应用条件下成功采集电信号，体现出较好的多场景适配潜力。

图6. NEMIS 在方向盘握持检测、智能鞋垫以及座椅压力感知等场景中的应用展示

从微观结构到柔性智能传感

这项研究通过三维间隔织物，将铜线圈与柔性磁性材料进行非嵌入式组合，在保持结构柔性的同时，实现了基于电磁感应的压力信号转换。

传感器在 50,000 次循环测试中保持稳定输出，最大输出电压达到 319 μV，并已在汽车方向盘、制动踏板、座椅及可穿戴场景中进行了应用验证。研究团队认为，这种结构设计未来还有望进一步拓展至柔性触觉感知以及人机交互等领域。

在这一研究中，Phenom Pharos 飞纳台式场发射扫描电镜承担了 NdFeB/Ecoflex 复合材料的微观形貌观察任务。通过 SEM 成像，研究人员能够直观观察不同 NdFeB 含量下磁性颗粒在柔性基体中的分布，为复合材料结构分析及器件性能研究提供微观表征依据。