CN109724724A - 压力分布式柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力分布式柔性传感器及其制备方法，属于纺织材料技术领域。由上至下它包括导电类弹性层、多孔弹性绝缘介质层及柔性电极板，其中，柔性电极板由基材及阵列排布在其表面的单元电极组成，单元电极为导电纱线纺织的面积在0.1cm×0.1cm～5cm×5cm之间的电极，导电类弹性层的电导率在10^‑4S/cm～10²S/cm之间，多孔弹性绝缘介质层的厚度为0.05mm～30mm，孔径在10^‑3mm～10mm。本发明设计的柔性传感器在大面积范围上对动态压力分布的检测显示出优越的性能，且简单便捷的结构、器件的全柔性化等特点使压力传感器拥有更加广泛的应用前景。

Description

压力分布式柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，属于纺织材料技术领域，具体地涉及一种压力分布式柔性传感器及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器是用来测量感知各种复杂表面的压力实时变化的柔性传感电子器件，一般由柔性衬底材料，柔性电极，柔性力敏薄膜组成，按照组合方式主要分为单点式压力传感器和阵列式压力传感器，其中，单点式压力传感器主要针对点目标，可用于实时精确测量某一个单点微小位置的压力变化情况，柔性阵列式压力传感器主要针对面目标，适用于检测复杂物体表面所受到的压力大小和压力分布状态。

目前，压力传感器根据其物理作用机理可以分为压电式(基于压电效应)、压阻式(基于电阻效应)、电容式(基于电容随极板距离变化)、半导体晶体管式(基于晶体管力敏效应)四种，基于柔性高分子基体材料和导电颗粒复合材料的柔性力敏薄膜因为具有材料易得、成本低廉、柔性化、环境适应性好、信号易于采集而备受青睐。

清华大学的王志峰博士利用了碳纳米管的良好导电性和超高的长径比特点，与高分子聚合物进行复合得到了灵敏度更高、柔性更好的力敏材料。并分别研究了碳纳米管在聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷中的分散效果和最佳配比，实验结果使最大电阻应变灵敏系数达到了44Ω/N，验证了基体材料泊松比对力敏材料的影响，最后设计制作了16×16单元的柔性力敏阵列压力传感器，如图1所示。

随着人工智能技术与互联网的发展，柔性压力传感器的发展已远不能满足人们的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种压力分布式柔性传感器及其制备方法，该传感器在具备高灵敏度的基础上，还能在大面积范围上对动态压力分布的检测显示出优越的性能。

为实现上述目的，本发明公开了一种压力分布式柔性传感器，由上至下它包括导电类弹性层、多孔弹性绝缘介质层及柔性电极板，所述柔性电极板由基材及阵列排布在其表面的单元电极组成，所述单元电极为导电纱线绣制的面积在0.1cm×0.1cm～5cm×5cm之间的电极，所述导电类弹性层的电导率在10^-4S/cm～10²S/cm之间，所述多孔弹性绝缘介质层的厚度为0.05mm～30mm，孔径在10^-3mm～10mm。

进一步地，所述基材为天然纤维、合成纤维或混纺纤维中的一种编织成的布料或者由水刺及针刺工艺制作的无纺布。该基材柔性较好。

进一步地，所述导电纱线为本领域常用导电纱线，如在无纺布表面镀一层导电金属制得，且导电纱线通过纺织领域中的绣制方式固定在基材上，在不影响导电性的基础上实现传感器的柔性设置。

进一步地，所述单元电极在基材表面的排布方式为4×4阵列。

进一步地，所述导电类弹性层为传统泡绵、橡胶或布料经导电高分子处理得到的导电织物，所述导电高分子包括聚吡咯类、聚苯胺类或聚噻吩类中的至少一种。

具体的是传统泡绵、橡胶或布料的表面及内部吸附导电高分子，赋予传统泡绵、橡胶或布料优良的导电性。其中由于泡绵、橡胶或布料内部结构的不同，其对导电高分子的吸附量也不一样，使得导电类弹性层的电导率不一样。

进一步地，所述多孔弹性绝缘介质层为绝缘尼龙网、贯穿性泡绵或通透型布料中的至少一种。

优选的，所述绝缘尼龙网的孔径为10^-2mm～10mm、厚度为0.5～5mm。

优选的，所述贯穿性泡绵的孔径为10^-3mm～10^-1mm、厚度为0.5～5mm。

优选的，所述通透型布料的孔径为10^-3mm～10mm、厚度为0.5～5mm。

多孔弹性绝缘介质层适宜的厚度，有助于传感器的回弹性。

进一步地，对传感器的单元电极施加1Kpa～1Mpa压力，传感器电阻值从MΩ级别变化为KΩ级别；同时对所有单元电极施加压力，每个单元电极会因为受力的不同而传导出不同的电阻值。

进一步地，所述传感器用于检测单位面积上1Kpa～10Mpa的压力。

为了更好的实现本发明的目的，本发明还公开了上述压力分布式柔性传感器的制备方法，它包括柔性电极板的制备过程，具体为取导电纱线按照横纵交替的方式绣制成为电极阵列，将每一横纵行各接出一根导线，作为单元电极的正负极；

再取形状、大小相同的导电类弹性层与多孔弹性绝缘介质层完整贴合，并采用绝缘胶带或纱线分别将边缘缝合，将其置于制备好的柔性电极板上，继续采用绝缘胶带或纱线将柔性电极板与多孔弹性绝缘介质层的边沿缝合，并将柔性电极板上所有单元电极的正负极导出分别接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、本发明设计了一种纺织柔性大面积传感器件，其灵敏度高，可实现单个传感器在不同压力下电阻值的变化，且电阻值发生10～10³倍数的变化。

2、本发明设计的柔性大面积传感器件可以高效精确检测出压力区域分布状况，可将其用于智能穿戴领域用于采集人体灵敏的动作信息，从而为人体的医疗、保健等提供充分的评判依据。

3、本发明设计的柔性大面积传感器件已经达到工业生产的条件，可实现批量化规范生产。

附图说明

图1为现有技术中柔性阵列压力传感器实物图；

图2为本发明传感器接受外界压力模拟测试的实物图；

图3为图2中传感器的压力感应信号；

图4为本发明传感器的剖视图；

图5为本发明传感器的单元传感测试曲线。

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10^-2S/cm的表面镀覆有聚吡咯的导电橡胶，将其裁剪为正方形，对其进行裁边处理后，留做第一层导电类弹性层；再裁取同样大小的厚度为1mm，孔径在0.5mm的绝缘泡棉作为第二层多孔弹性绝缘介质层，并采用绝缘胶带将第一层、第二层边缘完整缝合，将贴合好的前两层采用柔性胶带贴合在第三层集成绣制电极层上，并将柔性电极板的所有单元电极的正负极导出分别接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。对该传感器板施压，当未达到临界压力时，所有的电表示数都为无穷大，当达到临界压力40Kpa后继续施压，在不同区域感受的压力不同，该处的电表示数也不同，从而实现了实时压力分布的检测，其中压力变化引起的阻值变化在∞～10³Ω之间，实现了高灵敏度压力传感。

实施例2

选取电导率在10^-3S/cm的表面镀覆有聚吡咯的导电泡绵，将材料裁制为正方形方块，对其进行裁边处理后，留做第一层。再裁取同样大小的厚度为1mm，孔径也在0.5mm的绝缘泡棉，作为传感器的第二层。使用柔性胶带将第一、二层边缘完整贴合。将贴合好的前两层用柔性胶带贴合在第三层集成绣制电极层上，并将柔性电极板的所有单元的正负极分别导出接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。对该传感器板施压，当未达到临界压力时，所有的电表示数都为无穷大，当达到临界压力约为56Kpa后，继续施压，在不同区域感受的压力不同，该处的电阻示数也不同，从而实现了实时压力分布的检测。且当达到临界压力后，压力不同的部位，区域内的电阻值也不同；压力相同的部位，其电阻值也一样。这些电路在受压力后同时接通，传输出其各自电阻值，从而可以对应出该部位的受力值。其中压力变化导致的阻值变化在∞～10³Ω之间，实现了高灵敏度压力传感。

实施例3

选取电导率在0.05S/cm的表面镀覆有聚苯胺的导电泡绵，将材料裁制为正方形方块，对其进行裁边处理后，留做第一层。再裁取同样大小的厚度为1mm，孔径也在0.5mm的绝缘泡棉，作为传感器的第二层。使用柔性胶带将第一、二层边缘完整贴合。将贴合好的前两层用柔性胶带贴合在第三层集成绣制电极层上，并将柔性电极板的所有单元的正负极分别导出接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。对该传感器板施压，当未达到临界压力时，所有的电表示数都为无穷大，当达到临界压力约为20Kpa后，继续施压，在不同区域感受的压力不同，该处的电阻示数也不同，从而实现了实时压力分布的检测。其中压力变化导致的阻值变化在∞～10³Ω之间，实现了高灵敏度压力传感。

实施例4

选取电导率在0.0073S/cm的表面镀覆有聚吡咯的涤纶平纹导电布，将材料裁制为正方形方块，对其进行裁边处理后，留做第一层。再裁取同样大小的厚度为1mm，孔径也在0.5mm的绝缘泡棉，作为传感器的第二层。使用柔性胶带将第一、二层边缘完整贴合。将贴合好的前两层用柔性胶带贴合在第三层集成绣制电极层上，并将柔性电极板的所有单元的正负极分别导出接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。对该传感器板施压，当未达到临界压力时，所有的电表示数都为无穷大，当达到临界压力约为20Kpa后，继续施压，在不同区域感受的压力不同，该处的电阻示数也不同，从而实现了实时压力分布的检测。其中压力变化导致的阻值变化在∞～4×10³Ω之间，实现了高灵敏度压力传感。

实施例5

选取电导率在0.05S/cm的表面镀覆有聚吡咯的棉质经编导电布，将材料裁制为正方形方块，对其进行裁边处理后，留做第一层。再裁取同样大小的厚度为1mm，孔径也在0.4mm的尼龙网，作为传感器的第二层。使用柔性胶带将第一、二层边缘完整贴合。将贴合好的的前两层用柔性胶带贴合在第三层集成绣制电极层上，并将柔性电极板的所有单元的正负极分别导出接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。对该传感器板施压，当未达到临界压力时，所有的电表示数都为无穷大，当达到临界压力约为100Kpa后，继续施压，在不同区域感受的压力不同，该处的电阻示数也不同，从而实现了实时压力分布的检测。其中压力变化导致的阻值变化在∞～10²Ω之间，实现了高灵敏度压力传感。

实施例6

选取电导率在0.05S/cm的表面镀覆有聚吡咯的PET无纺导电布，将材料裁制为正方形方块，对其进行裁边处理后，留做第一层。再裁取同样大小的厚度为1mm，孔径也在0.01mm的织物，作为传感器的第二层。使用柔性胶带将第一、二层边缘完整贴合。将贴合好的的前两层用柔性胶带贴合在第三层集成绣制电极层上，并将柔性电极板的所有单元的正负极分别导出接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。对该传感器板施压，当未达到临界压力时，所有的电表示数都为无穷大，当达到临界压力约为10Kpa后，继续施压，在不同区域感受的压力不同，该处的电阻示数也不同，从而实现了实时压力分布的检测。其中压力变化导致的阻值变化在∞～5×10²Ω之间，实现了高灵敏度压力传感。

图2为对本发明制备的大面积传感器施加压力，图3为大面积传感器在受压各部位的传感信号，具体体现为各处受压不一致，故电信号表现的也不一致。图4为本发明制得的大面积传感器内部各单元电极矩阵排布方式。

图5为控制柔性电极板、导电类弹性层及多孔弹性绝缘介质层的材质，以及柔性电极板上单元电极的表面积等变量，得到的传感器压力与电信号之间的关系，由图5可知，控制其它变量，当单元电极的表面积较小时，其对压力传感的灵敏度较低，随着单元电极的表面积增大，传感器对压力传感的灵敏度也增大。然而当控制单元电极的表面积，柔性电极板的材质，多孔弹性绝缘介质层的材质时，在适宜的范围内导电类弹性层的电导率越高，传感器对压力传感的灵敏度也越高。

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 (8)

1.一种压力分布式柔性传感器，由上至下它包括导电类弹性层、多孔弹性绝缘介质层及柔性电极板，所述柔性电极板由基材及阵列排布在其表面的单元电极组成，所述单元电极为导电纱线绣制成的面积在0.1cm×0.1cm～5cm×5cm之间的电极，所述导电类弹性层的电导率在10^-4S/cm～10²S/cm之间，所述多孔弹性绝缘介质层的厚度为0.05mm～30mm，孔径在10^-3mm～10mm。

2.根据权利要求1所述压力分布式柔性传感器，其特征在于：所述基材为天然纤维、合成纤维或混纺纤维中的一种编织成的布料或者由水刺及针刺工艺制作的无纺布。

3.根据权利要求1或2所述压力分布式柔性传感器，其特征在于：所述单元电极在基材表面的排布方式为4×4阵列。

4.根据权利要求1所述压力分布式柔性传感器，其特征在于：所述导电类弹性层为传统泡绵、橡胶或布料经导电高分子处理得到的导电织物，所述导电高分子包括聚吡咯类、聚苯胺类或聚噻吩类中的至少一种。

5.根据权利要求1所述压力分布式柔性传感器，其特征在于：所述多孔弹性绝缘介质层为绝缘尼龙网、贯穿性泡绵或通透型布料中的至少一种。

6.根据权利要求1所述压力分布式柔性传感器，其特征在于：对传感器的单元电极施加1Kpa～1Mpa压力，传感器电阻值从MΩ级别变化为KΩ级别；同时对所有单元电极施加压力，每个单元电极会因为受力的不同而传导出不同的电阻值。

7.根据权利要求6所述压力分布式柔性传感器，其特征在于：所述传感器用于检测单位面积上1Kpa～10Mpa的压力。

8.一种权利要求1所述压力分布式柔性传感器的制备方法，它包括柔性电极板的制备过程，具体为取导电纱线按照横纵交替的方式绣制成为电极阵列，将每一横纵行各接出一根导线，作为单元电极的正负极；

再取形状、大小相同的导电类弹性层与多孔弹性绝缘介质层完整贴合，并采用绝缘胶带或纱线分别将边缘缝合，将其置于制备好的柔性电极板上，继续采用绝缘胶带或纱线将柔性电极板与多孔弹性绝缘介质层的边沿缝合，并将柔性电极板上所有单元电极的正负极导出分别接在电脑端口，制得了通过大面积的接通式电路收集处理传感信息以实现压力传感的柔性传感器。