《Sensors and Actuators A: Physical》：A Flexible Wireless Passive LC Inductive Pressure Sensor Exploiting the Synergy of Fe–Si–Al Magnetic Thin Film and Porous Foam for Wearable Detection
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•本文提出了一种集成铁-硅-铝（Fe–Si–Al）磁性薄膜和三聚氰胺多孔泡沫的无线无源LC感应式压力传感器，成功实现了超高灵敏度和宽压力检测范围的兼顾。•高磁导率磁性薄膜与可压缩多孔泡沫的协同设计有效增强了磁耦合和电感调制能力，从而提升了灵敏度、信号稳定性和无线传输性能。•通
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本文提出了一种集成铁-硅-铝（Fe–Si–Al）磁性薄膜和三聚氰胺多孔泡沫的无线无源LC感应式压力传感器，成功实现了超高灵敏度和宽压力检测范围的兼顾。
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高磁导率磁性薄膜与可压缩多孔泡沫的协同设计有效增强了磁耦合和电感调制能力，从而提升了灵敏度、信号稳定性和无线传输性能。
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通过系统的仿真优化和实验验证，所开发的传感器表现出优异的柔韧性、环境稳定性和可靠的生理运动监测能力，表明其在可穿戴健康监测领域具有潜力和广阔的应用前景。
引言
柔性电子技术的最新进展为高性能柔性压力传感器的开发奠定了坚实基础，这类传感器目前已广泛应用于可穿戴健康监测 [1]、智能机器人 [2]、人机交互 [3] 和电子皮肤 [4] 等领域。传统的电阻式和电容式压力传感器在灵敏度和响应方面已取得显著改进，但它们通常依赖于有线供电和信号传输，在复杂环境和动态变形过程中容易受到干扰，这限制了其在长期稳定监测和自由佩戴场景中的应用。然而，无线无源传感技术通过电磁耦合实现能量和信号的无线传输，无需内部电源或物理连接，为构建高度集成、长寿命的柔性传感系统提供了一种有效途径 [5]、[6]、[7]、[8]、[9]。在各种无线无源传感技术中，基于电感-电容（LC）谐振原理的压力传感器因其结构简单、易于集成和抗电磁干扰能力强而受到广泛关注。这些传感器通常通过外部压力调制等效电容或电感参数，引起谐振频率偏移从而实现无线检测 [10]、[11]、[12]。
目前，大多数研究集中在电容式LC压力传感器 [13]、[14]、[15] 上，这些传感器通过引入微结构介电层来提高灵敏度，例如微金字塔结构 [16]、微柱结构 [17] 和多孔弹性体 [18]。这些结构可通过压缩变形在低压范围内显著提升响应灵敏度，但其介电性能对环境湿度极为敏感。此外，在高压力下结构变得更为致密，导致灵敏度显著下降，从而限制了同时保持高灵敏度和宽测量范围的能力。相比之下，感应式LC压力传感器通过调节磁路特性实现压力传感，对环境湿度不敏感，具有优越的环境适应性。Yan等人 [19] 提出了一种采用感应原理的无线压力传感系统，由LC传感单元和信号处理电路组成。该传感单元采用三层复合设计：螺旋线圈、可压缩层和铁氧体层。系统通过追踪谐振频率变化实现压力传感，并将频率信号转换为电压输出，从而能够精确检测人体微小运动，为智能可穿戴设备提供了一种新方法。该系统展示了最大166.8 kHz/kPa的灵敏度。此外，Lin等人 [20] 报道了一种基于可调有效磁导率微结构铁磁薄膜的感应式压力传感器。该传感器采用LC谐振设计，包含微加工螺旋线圈和集成纤毛阵列的聚合物薄膜，可实现可调磁导率特性。该传感器观测到的最大灵敏度为457.6 kHz/kPa。当受到外部压力时，聚合物薄膜上的弹性铁磁纤毛发生压缩，增强了薄膜的磁导率，磁导率的变化影响传感元件的电感，从而导致谐振频率偏移。然而，现有感应式传感器由于其结构设计中缺乏可压缩多孔功能层，电感调制能力有限，仍面临灵敏度不足和检测范围有限的问题。因此，将高可压缩多孔结构与感应式LC传感机制相结合，并通过结构变形与磁耦合的协同调控实现灵敏度和检测范围的同步提升，仍然是亟待解决的关键挑战。
为应对这些挑战，本文提出了一种由三聚氰胺多孔泡沫和高磁导率铁-硅-铝（Fe–Si–Al）磁性薄膜协同增强的无线无源LC柔性感应式压力传感器。该传感器以聚酰亚胺（PI）作为柔性基底，集成螺旋电感和平板电容器以实现LC谐振电路，并引入三聚氰胺多孔泡沫作为可压缩间隔层。在所提出的感应传感架构中，Fe–Si–Al磁性薄膜作为关键的磁调制元件，而三聚氰胺多孔泡沫则作为高度可压缩的机械间隔层。在外部压力下，多孔泡沫发生渐进式压缩，显著减小了磁性薄膜与电感线圈之间的间隙。由此产生的线圈-薄膜间距变化调制了线圈的磁耦合和等效电感，从而产生显著的谐振频率偏移。在本工作中，协同效应来源于多孔泡沫的压力-位移转换与Fe–Si–Al薄膜的磁调制的耦合，而非简单地将两种独立传感机制相结合。这使得高灵敏度与宽测量范围的成功集成成为可能。
章节摘要
传感器设计与制备
本研究设计的柔性LC压力传感器如图1(a)所示。它由聚酰亚胺薄膜上的LC谐振电路、三聚氰胺多孔泡沫和Fe–Si–Al磁性薄膜组成。串联连接的感应螺旋线圈和平板电容器构成LC谐振器。位于底部的铁-硅-铝磁性薄膜具有宽频范围内的高磁导率和低磁阻抗特性。铁-硅-铝材料由
结果与讨论
为评估LC柔性压力传感器在无源无线条件下的压力感知能力，使用了激励与信号采集单元（矢量网络分析仪，E3567A，Ceyear）、可控压力加载装置（万能试验机）、传感器和读出天线进行测试。在测试过程中，读出天线通过同轴线连接到网络分析仪。通过机械测试系统对传感器施加一系列预定义力，
结论
本研究开发并制造了一种基于LC谐振原理的高灵敏度、宽范围无线无源柔性感应式压力传感器。该传感器以聚酰亚胺（PI）薄膜作为柔性基底，集成螺旋电感线圈和平板电容器构成LC谐振电路。通过引入三聚氰胺多孔泡沫和高磁导率铁-硅-铝磁性薄膜，该传感器实现了宽压力检测范围和高分辨率。
CRediT作者贡献声明
董佩梅：资金获取。程旭东：监督指导。梁人航：论文撰写—初稿撰写。胡怡：形式分析。许千城：数据整理。金向军：调查研究。孙志平：调查研究。孟俊浩：资源提供。董志成：形式分析。薛震宇：验证。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何已知的与本文所报告工作相关的竞争财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到浙江省自然科学基金（项目编号：LQ23F010014）、全国大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202510356070）以及浙江省大学生科技创新活动计划（项目编号：2025R409C056和2024R409C053）的资助。
梁人航 目前在中国计量大学攻读通信工程专业硕士学位，位于中国杭州。其当前研究兴趣包括压力传感器和柔性无源无线传感器。
梁人航|胡怡|许千城|孟俊浩|金向军|孙志平|董志成|薛震宇|董佩梅|程旭东
