CN109724723B - 纺织材料基可穿戴压力传感器及其制备方法 - Google Patents
纺织材料基可穿戴压力传感器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种纺织材料基可穿戴压力传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。它包括上导电层、下导电层及位于两者之间的多孔压缩层，其中，上导电层、下导电层的材质均为电导率在10‑5～103S/cm之间的导电纤维，多孔压缩层为具备一个以上通孔且孔隙率不低于60％的弹性纺织材料。该传感器在具备高灵敏度的基础上，还具备高柔性及良好的透气性。在可穿戴纺织衣物领域具备较好的应用前景，同时，该制备方法简单便捷，适合工业化大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，属于传感器技术领域，具体地涉及一种纺织材料基可穿戴压力传感器及其制备方法。
背景技术
传统的硅基压力传感器由于其衬底不可弯曲变形的特点，导致其在生物医学和可穿戴设备等众多领域的使用少之又少。同时，许多领域都急需可弯曲变形的柔性衬底压力传感器以供使用。现有的硅基压阻式压力传感器的结构是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构
成惠斯顿电桥。通过惠斯顿电桥将外界压力导致四个压力敏感电阻的电阻值变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。但是这种结构的硅基压阻式压力传感器由于其是非柔性的，且生物兼容性不好，导致生物医学、可穿戴设备等很多领域都急需压力传感器的使用。
中国发明专利申请(申请公布号：CN105092118A，申请公布日：
2015-11-25)公开了一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器及其制备方法，该传感器包括柔性衬底、金属电极、网格状的石墨烯薄膜层：其中，金属电极固定连接在柔性衬底顶面的两端，石墨烯薄膜层覆盖并连接在柔性衬底和部分金属电极上，通过将柔性衬底设计成条形柱体，石墨烯薄膜层设计成网格状，使得其在受力的情况下，发生更明显的变形，以增大传感器的灵敏度。
电子皮肤作为新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，其通过在柔性衬底上制作敏感电子器件，模拟人类皮肤的传感功能，以期达到甚至超越皮肤的传感性能，从而在机器人、人工义肢、医疗检测和诊断等方面展现应用前景。常用的柔性电阻式传感器单元通常选用硅橡胶作为柔性基体，硅橡胶无毒无味、抵御严寒、不怕高温，具有好的柔性、优良的脱模性和拒水性，通常选用炭黑和碳纳米管作为填充材料，如中国发明专利申请(申请公布号：CN108469319A，申请公布日：2018-08-31)公开了一种柔性力敏传感器及其制备方法、阵列器件和应用。其提供了一种具有良好工艺性与较低成本的制备方法，制得的传感器通过选用PDMS制作微结构化的薄膜，使得PDMS的低杨氏模量提高了结构弹性，增强了柔性力敏传感器的可穿戴性和灵敏度；利用表面仿生的随机多层微结构，大幅增加了力敏传感器的灵敏度，增强了其对微小应力的传感能力，从而有助于将压阻式柔性力敏传感器应用到医疗监测等健康领域，使其能够实时监测诸如脉搏、呼吸等多种人体信号。但是其涉及MEMS磁控溅射或蒸镀工艺等复杂工艺，且制得的压阻式传感器件透气性较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种纺织材料基可穿戴压力传感器及其制备方法，该传感器在具备高灵敏度的基础上，还具备高柔性及良好的透气性。
为实现上述目的，本发明公开了一种纺织材料基可穿戴压力传感器，它包括上导电层、下导电层及位于两者之间的多孔压缩层，所述上导电层、下导电层的材质均为电导率在10-5～103S/cm之间的导电织物，所述多孔压缩层为具备一个以上通孔且孔隙率不低于60％的弹性纺织材料。
优选的，所述导电织物的电导率在10-4～102S/cm。
进一步地，所述导电织物为经导电高分子处理过的机织物、针织物或无纺织物，所述导电高分子包括聚吡咯类、聚苯胺类或聚噻吩类中的一种。
具体的是将机织物、针织物或无纺织物浸渍在导电高分子溶液中一段时间后，干燥即得导电织物，由于机织物、针织物或无纺织物的内部结构不同，导致导电高分子在其表面附着的状态和量都是不一样的，故最终的导电织物导电性能不一样。
进一步地，所述弹性纺织材料的压缩回弹率不低于98％，回复80％原形变的时间不超过500ms，即由弹性纺织材料制得的传感器的压缩回弹性比较好。
进一步地，所述弹性纺织材料为绝缘泡棉或绝缘聚酯的三维织物。
进一步地，所述传感器在受力状态下实现传感阻值从MΩ级到Ω级的变化，电阻值的变化倍数在10～104之间，即对压力感应比较灵敏；且对其进行1000次循环压缩测试后，所述传感器的压缩回复性不低于80％。同时，该传感器的透气性为10～1200mm/s，表现出良好的透气性。
为了更好的实现本发明的技术目的，本发明还公开了一种纺织材料基可穿戴压力传感器的制备方法，它包括取导电织物裁剪成正方形，选取两块分别作为传感器的上导电层和下导电层，再取弹性纺织材料置于上导电层和下导电层之间作为多孔压缩层，各层的边沿采用绝缘胶带贴合或纱线缝合并分别从上导电层、下导电层的边缘引出一个电极，两电极的两端分别连接万用表的两端。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明设计的压力传感器为全柔性织物编制的单点式压力传感器，相较于现阶段的半柔性器件，在具备较高灵敏度的基础上，可用于更精确的测量某一个单点微小位置的压力变化情况。
2、本发明设计的压力传感器对压力传感灵敏，在不同压力下，电阻值从MΩ级到Ω级的变化发生，实现10～104倍的变化灵敏度。
3、本发明设计的压力传感器结构简单，透气性及舒适性良好，且便于实现产业化生产。
附图说明
图1为本发明压力传感器的实物图；
图2为不同基材传感器对压力传感灵敏度曲线图；
图3为本发明压力传感器的循环压缩回复性测试曲线图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
选取电导率为2×10-2S/cm的聚吡咯导电全棉机织布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为2mm的绝缘泡棉为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用绝缘胶带将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从1KPa～2MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在5×105Ω，实现了电阻值400倍的变化。
实施例2
选取电导率为2×10-2S/cm的聚吡咯导电涤纶经编布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为2mm的绝缘聚酯三维织物为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用绝缘胶带将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从500Pa～1.5MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在1×105Ω，实现了电阻值2000倍的变化。
实施例3
选取电导率为2×10-2S/cm的聚噻吩导电聚酯无纺布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为2mm的绝缘聚酯三维织物为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用绝缘胶带将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从500Pa～1.5MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在1×105Ω，实现了电阻值2000倍的变化。
实施例4
选取电导率为2×10-2S/cm的聚吡咯导电聚酯无纺布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为2mm的绝缘泡棉为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用绝缘胶带将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从1KPa～2MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在5×104Ω，实现了电阻值4000倍的变化。
实施例5
选取电导率为2×10-2S/cm的聚吡咯导电聚酯无纺布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为2mm的绝缘聚酯三维织物为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用绝缘胶带将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从800Pa～1.2MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在2×104Ω，实现了电阻值1000倍的变化。
实施例6
选取电导率为2×10-2S/cm的聚苯胺导电聚酯无纺布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为1mm的绝缘泡棉为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用绝缘胶带将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从3KPa～1.2MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在5×105Ω，实现了电阻值400倍的变化。
实施例7
选取电导率为2×10-2S/cm的聚吡咯导电聚酯无纺布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为1mm的绝缘泡棉为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用普通纱线将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从500Pa-2.3MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在4×103Ω，实现了电阻值50000倍的变化。
实施例8
选取电导率为2×10-2S/cm的聚苯胺导电聚酯无纺布，将其裁剪为正方形，选取两块作为传感器的上导电层和下导电层。裁取厚度为1mm的绝缘聚酯三维织物为同样大小，将其置于上导电层与下导电层之间，用普通纱线将三层的边缘封好，封装时注意上导电层和下导电层之间不存在接触。分别从上导电层和下导电层的边缘引出打印电极，接通在万用表的两端，组成传感器。
当对上述传感器未施加电压时电表读数为无穷大，对传感器施加竖直方向压力时，随着压力从2KPa～2MPa变化，电表读数从最开始的2×108Ω，到最终读数稳定在4×105Ω，实现了电阻值500倍的变化。
如图1所示，其为本发明制得的压力传感器实物，其上导电层、下导电层均为纺织柔性织物，满足可穿戴器件的全柔性要求，而且该全织物传感器的透气性较好，其透气性可达10～1200mm/s。
如图2所示，其表示当上下导电层的基材为不同材质或不同制备工艺制备的织物时，由于织物自身结构的不同，导致其经导电高分子处理后的导电性不同，故带来不同的压力传感效应。
图3为对实施例1制得的传感器施加压力，并进行多次循环压缩后传感器的压缩回复性，由图3可知，该传感器的回复性较好。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种纺织材料基可穿戴压力传感器，它包括上导电层、下导电层及位于两者之间的多孔压缩层，所述上导电层、下导电层的材质均为电导率在10-5～103S/cm 之间的导电织物，所述多孔压缩层为孔隙率不低于60％、厚度为2mm的绝缘泡棉；
所述导电织物为经导电高分子处理过机织物、针织物或无纺织物，当施加相同的压力时，由于导电织物自身结构的不同，导致导电性不同。
2.根据权利要求1所述纺织材料基可穿戴压力传感器，其特征在于：所述导电高分子包括聚吡咯类、聚苯胺类或聚噻吩类中的一种。
3.根据权利要求1或2所述纺织材料基可穿戴压力传感器，其特征在于：所述绝缘泡棉的压缩回弹率不低于98％，且回复80％原形变的时间不超过500ms。
4.根据权利要求1或2所述纺织材料基可穿戴压力传感器，其特征在于：所述传感器在受力状态下实现传感阻值从MΩ 级到Ω 级的变化，电阻值的变化倍数在10～104 之间，且对其进行1000 次循环压缩测试后，所述传感器的压缩回复性不低于80％。
5.一种权利要求1 所述纺织材料基可穿戴压力传感器的制备方法，它包括取导电织物裁剪成正方形，选取两块分别作为传感器的上导电层和下导电层，再取绝缘泡棉置于上导电层和下导电层之间作为多孔压缩层，各层的边沿采用绝缘胶带贴合或纱线缝合并分别从上导电层、下导电层的边缘引出一个电极，两电极的两端分别连接万用表的两端。
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