CN110160562B - 一种基于织物的电容式传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于织物的电容式传感器，一种基于织物的电容式传感器，包括电极层a和电极层b，电极层a与电极层b之间设置有织物介电层，电极层a、电极层b及织物介电层均通过封装材料固化封装，电极层a和电极层b均连接有导线。本发明还公开了上述基于织物的电容式传感器的制造方法，先对织物介电层进行前处理，再将织物介电层浸渍在分散液中超声后取出；通过3D打印机打印模具，并将导电铜箔粘贴在织物介电层的表面，再放置到模具内，并将模具夹紧；制备封装材料后浇注到模具内，静置后，将上述模具放置到固化炉内进行固化处理，最终制得基于织物的电容式传感器。本发明解决了现有的电容式传感器柔性差、造价成本高的问题。
Description
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子器件技术领域，涉及一种基于织物的电容式传感器，本发明还涉及上述电容式传感器的制造方法。
背景技术
智能纺织品是将电子技术与织物高度融合的一种纺织品，其在保持传统纺织品的基本功能外，还具备监测、信息处理及通讯等功能，因而在军事、航空航天、医疗保健和休闲娱乐等领域有着广阔的应用前景。智能纺织品一般由传感器、执行器、数据处理、通信和电源等部分组成，传感器是智能纺织品实现人体与外界交互的关键，这就要求传感器具有良好的柔性、高的灵敏度及快速响应等特性。传统的传感器大多由金属和半导体构成，与织物耦合性差，直接集成后无法随织物一起变形，影响织物的柔性及穿着舒适性。
目前，可穿戴传感器的信号转换机制主要有压阻、电容和压电三种。电容式传感器具有动态响应特性好、空间分辨率高、可重复性强等特点，且在多维力检测时不涉及解耦问题，数据后处理容易，因而广泛地应用于可穿戴设备，进而实现应变、触觉、压力等的测量。然而，现有的基于织物的传感器制造工艺复杂、成本高，不仅影响了织物本身性能，而且制备后的传感器不易弯曲、难以清洗。因此，探索柔性化、短流程、低成本、清洁环保的基于织物的传感器的制备方法，并能保持织物的柔软舒适、可清洗、易弯曲等性能，是当前可穿戴智能纺织品发展的热点和难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于织物的电容式传感器，解决了现有的电容式传感器柔性差、造价成本高的问题。
本发明的另一目的是提供上述基于织物的电容式传感器的制造方法，解决了现有的电容式传感器制造工艺复杂的问题。
本发明所采用的一种技术方案是，一种基于织物的电容式传感器，包括电极层a和电极层b，电极层a与电极层b之间设置有织物介电层，电极层a、电极层b及织物介电层均通过封装材料固化封装，电极层a和电极层b均连接有导线。
本发明的特点还在于：
织物介电层为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种。
电极层a和电极层b均包括至少两个导电铜箔，导电铜箔呈线性阵列设置，电极层a的导电铜箔和电极层b的导电铜箔相互垂直，每个电极层a的导电铜箔间距为3～5mm，每个电极层b的导电铜箔间距为3～5mm。
导电铜箔的长度为40～60mm、宽度为3～7mm、厚度为30～40μm。
封装材料由聚合物和固化剂以质量比为5～15:1组成，聚合物为聚二甲基硅氧烷；固化剂为道康宁184硅橡胶固化剂。
本发明所采用的另一种技术方案是，上述基于织物的电容式传感器的制造方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将织物介电层浸渍在体积分数为75％的酒精中进行超声处理，采用去离子水对超声后的织物介电层进行清洗后静置风干；
步骤2、将干燥后的织物介电层浸渍在分散液中，再依次进行超声处理、静置风干，采用熨斗将干燥后的织物介电层熨平；
步骤3、在熨平后的织物介电层的上表面和下表面均粘贴导电铜箔，并将上表面的导电铜箔和下表面的导电铜箔均通过导线引出；
步骤4、通过3D打印机对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物进行打印处理，得到模具，模具与织物介电层相匹配，将粘贴导电铜箔的织物介电层放置到模具内，通过木工夹将模具夹紧；
步骤5、配制封装材料，通过真空抽滤机将封装材料内的气泡除去，再浇注至模具内，室温下静置1h；
步骤6、将静置后的模具放置到固化炉内进行固化处理，室温冷却后取下木工夹和模具，得到基于织物的电容式传感器。
本发明的特点还在于：
步骤1中，超声处理的功率为50～80W、时间为10～30min；步骤2中，超声处理的功率为40～70W、时间为20～40min。
步骤2中的分散液由导电材料、分散剂及溶剂以质量比为0.01～0.1:0.2～3:100组成，导电材料在分散液中的固含量为0.01-0.1wt％；导电材料为炭黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银、纳米铜、纳米金、纳米镍、导电聚合物中的任意一种；溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇中的任意一种，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
模具包括相匹配的第一压板和第二压板，第一压板的长度和宽度均不小于70mm，第一压板的本体设置有矩形通孔，第二压板的长度和宽度均不小于70mm，第二压板的本体设置有与通孔相对的凹槽。
步骤5中，固化处理的温度为60～90℃，时间为60～120min。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明一种基于织物的电容式传感器，是基于平行板电容器的原理，设计了“三明治”结构，即以纺织物为介电层，导电铜箔为上下电极，结构简单；织物具有轻质低模量、高柔性、高弹性、低成本等特点，且本身具备独特的微结构，该结构能使传感器更易压缩变形，从而提高传感器的灵敏度；由于织物材料的介电常数较低，本发明的传感器通过渗流方式在织物材料中混入导电材料来改善织物的介电常数，进而提高传感器的检测灵敏度。
(2)、本发明基于织物的电容式传感器的制造方法，是基于平行板电容器原理，将改性处理后的织物作为介电层，结合织物独特的微结构提高了传感器的检测灵敏度；本发明基于织物的电容式传感器的制造方法，工艺简单、成本低、能耗低，且传感器成型后可直接与纺织品缝合，可实现对人体生理信号的实时监测，为织物传感器的制备开辟一条新路径。
附图说明
图1是本发明一种基于织物的电容式传感器的结构示意图；
图2是本发明一种基于织物的电容式传感器的俯视图；
图3是本发明模具的第一压板的结构示意图；
图4是本发明模具的第二压板的结构示意图；
图5是本发明一种基于织物的电容式传感器的模具封装示意图；
图6是本发明一种基于织物的电容式传感器的质量均匀性验证图。
图中，1.电极层a，2.织物介电层，3.封装材料，4.电极层b，5.模具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明涉及一种基于织物的电容式传感器，如图1、2所示，包括电极层a1和电极层b4，电极层a1与电极层b4之间设置有织物介电层2，电极层a1、电极层b4及织物介电层2均通过封装材料3固化封装，电极层a1和电极层b4均连接有导线；电极层a1和电极层b4均包括至少两个导电铜箔，导电铜箔呈线性阵列设置，电极层a1的导电铜箔和电极层b4的导电铜箔相互垂直，每个电极层a1的导电铜箔间距为3～5mm，每个电极层b4的导电铜箔间距为3～5mm；其中，导电铜箔的长度为40～60mm、宽度为3～7mm、厚度为30～40μm。
其中，织物介电层2为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种；封装材料3由聚合物和固化剂以质量比为5～15:1组成，聚合物为聚二甲基硅氧烷；固化剂为道康宁184硅橡胶固化剂。
本发明一种基于织物的电容式传感器的工作原理如下：
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0(8.854×10-12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关，如式(1)所示。
C＝ε0εrA/δ (1)
通过改变(1)式中δ、A、εr三个参量中任意一个，均会引起电容量的变化，据此可将电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
本发明的传感器为变极距型电容式传感器，将基于织物的电容式传感器的导线与放大滤波模块输入端连接，放大滤波模块依次连接数模转换模块输入端、MCU处理模块输入端及蓝牙模块。当外部压力作用于基于织物的传感器上时，电极层a1和电极层b2的极板间距产生变化，进而引起电容量的改变；放大滤波模块将基于织物的传感器的电容量变化转换为电信号变化即电压信号，电压信号经数模转换模块后转换为数字信号，再经过MCU处理模块将数字信号传输给蓝牙模块，蓝牙模块再将其发送给上位机即移动终端。对上述信号进行分析和标定后，就能得出外界非电信号的值及其变化，从而达到测量外部压力的目的。
本发明还涉及上述基于织物的电容式传感器的制造方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将织物介电层2浸渍在体积分数为75％的酒精中进行超声处理，采用去离子水或超纯水对超声后的织物介电层2进行清洗后静置风干；
其中，超声处理的功率为50～80W、时间为10～30min；
步骤2、将干燥后的织物介电层2浸渍在分散液中，再依次进行超声处理、静置风干，采用熨斗将干燥后的织物介电层2熨平；
其中，超声处理的功率为40～70W、时间为20～40min；分散液由导电材料、分散剂及溶剂以质量比为0.01～0.1:0.2～3:100组成，导电材料在分散液中的固含量为0.01-0.1wt％；导电材料为炭黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银、纳米铜、纳米金、纳米镍、导电聚合物中的任意一种；溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇中的任意一种；分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
步骤3、在熨平后的织物介电层2的上表面和下表面均粘贴导电铜箔，并将上表面的导电铜箔和下表面的导电铜箔均通过导线引出；
步骤4、通过3D打印机对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物进行打印处理，得到模具5，模具5与织物介电层2相匹配，将粘贴导电铜箔的织物介电层2放置到模具5内，通过木工夹将模具5夹紧，如图5所示；
其中，如图3、4所示，模具5包括相匹配的第一压板和第二压板，第一压板的长度和宽度均不小于70mm，第一压板的本体设置有矩形通孔，第二压板的长度和宽度均不小于70mm，第二压板的本体设置有与通孔相对的凹槽；
步骤5、制备封装材料3，通过真空抽滤机将封装材料3内的气泡除去，再浇注至模具5内，室温下静置1h；
其中，固化处理的温度为60～90℃，时间为60～120min；
步骤6、将静置后的模具5放置到固化炉内进行固化处理，室温冷却后取下木工夹和模具5，得到基于织物的电容式传感器。
实施例1
步骤1、选取平纹织物，裁剪成70mm×70mm规格，将平纹织物浸渍在体积分数为75％的酒精中超声10min，超声功率为80W；取出超声后的平纹织物采用去离子水进行清洗后，静置风干；
步骤2、将干燥后的平纹织物浸渍在石墨烯分散液中，再将上述平纹织物超声20min，超声功率为40W，静置风干，将风干后的平纹织物通过熨斗熨平；
其中，分散液由石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮及去离子水以质量比为0.01:0.2:100混合组成，其中石墨烯在分散液中的固含量为0.01wt％；
步骤3、在熨平后的平纹织物的上表面和下表面均粘贴导电铜箔，导电铜箔的长度为40mm、宽度为3mm、厚度为30μm，导电铜箔均远离平纹织物边沿，平纹织物上表面的导电铜箔和下表面的导电铜箔相互垂直，且均通过导线引出；
步骤4、通过3D打印机对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物进行打印处理，得到模具5，模具5与平纹织物相匹配，将粘贴导电铜箔的平纹织物放置到模具5内，通过木工夹将模具5夹紧；
其中，模具5包括相匹配的第一压板和第二压板，第一压板的长度和宽度均不小于70mm，第一压板的本体设置有矩形通孔，第二压板的长度和宽度均不小于70mm，第二压板的本体设置有与通孔相对的凹槽；
步骤5、将聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶以质量比为10:1制备封装材料3，通过真空抽滤机将封装材料3内的气泡除去，再浇注至模具5内，室温下静置1h；
步骤6、将静置后的模具5放置到60℃的固化炉内进行固化120min，室温冷却后取下木工夹和模具5，得到基于织物的电容式传感器。
实施例2、
该基于织物的电容式传感器的制造方法同实施例1，不同之处在于：
织物介电层2为斜纹织物；
步骤1中，超声处理的时间为15min，功率为80W；
步骤2中，超声处理的时间为25min，功率为50W；
分散液由碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮及去离子水以质量比为0.03:0.7:100混合组成，碳纳米管在分散液中的固含量为0.03wt％；
导电铜箔的长度为45mm，宽度4mm；
步骤5中，聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶的质量比为5:1；
步骤6中，固化处理的时间为90min，温度为70℃。
实施例3、
该基于织物的电容式传感器的制造方法同实施例1，不同之处在于：
织物介电层2为缎纹织物；
步骤1中，超声处理的时间为20min，功率为70W；
步骤2中，超声处理的时间为30min，功率为60W；
分散液由导电炭黑、聚乙烯吡咯烷酮及去离子水以质量比为0.05:1.25:100混合组成，导电炭黑在分散液中的固含量为0.05wt％；
导电铜箔的长度为50mm，宽度为5mm；
步骤5中，聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶的质量比为8:1；
步骤6中，固化处理的时间为105min，温度为65℃。
实施例4、
该基于织物的电容式传感器的制造方法同实施例1，不同之处在于：
步骤1中，超声处理的时间为25min，功率为60W；
步骤2中，超声处理的时间为35min，功率为70W；
分散液由纳米银、聚乙烯吡咯烷酮及去离子水以质量比为0.07:2:100混合组成，纳米银在分散液中的固含量为0.07wt％；
导电铜箔的长度为55mm，宽度为6mm；
步骤5中，聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶的质量比为13:1；
步骤6中，固化处理的时间为75min，温度为75℃。
实施例5、
该基于织物的电容式传感器的制造方法同实施例1，不同之处在于：
步骤1中，超声处理的时间为30min，功率为50W；
步骤2中，超声处理的时间为40min，功率为70W；
分散液由纳米铜、聚乙烯吡咯烷酮及乙二醇以质量比为0.1:3:100混合组成，纳米铜在分散液中的固含量为0.1wt％；
导电铜箔的长度为60mm，宽度为7mm；
步骤5中，聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶的质量比为15:1；
步骤6中，固化处理的时间为60min，温度为80℃。
上述实施例中的实施例5为最佳实施例，制得的基于织物的电容式传感器更易压缩变形，从而提高了传感器的灵敏度。
采用数字电容计对基于织物的电容式传感器进行测量，得到基于织物的电容式传感器的静态电容为12.9pF，当用手与传感器表面接触时，基于织物的电容式传感器的电容值发生改变，如图6所示。对采集的数据点进行拟合，得到y＝0.056x+12.91曲线，从图6可以得出，手与传感器的覆盖面积与传感器电容值呈线性变化，表明基于织物的电容式传感器的表面均匀。
Claims (5)
1.一种基于织物的电容式传感器的制造方法，其特征在于，包括电极层a(1)和电极层b(4)，所述电极层a(1)与电极层b(4)之间设置有织物介电层(2)，所述电极层a(1)、电极层b(4)及织物介电层(2)均通过封装材料(3)固化封装，所述电极层a(1)和电极层b(4)均连接有导线；
所述织物介电层(2)为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种；
所述电极层a(1)和电极层b(4)均包括至少两个导电铜箔，所述导电铜箔呈线性阵列设置，所述电极层a(1)的导电铜箔和电极层b(4)的导电铜箔相互垂直，每个所述电极层a(1)的导电铜箔间距为3～5mm，每个所述电极层b(4)的导电铜箔间距为3～5mm；
所述导电铜箔的长度为40～60mm、宽度为3～7mm、厚度为30～40μm；
所述封装材料(3)由聚合物和固化剂以质量比为5～15:1组成，所述聚合物包括聚二甲基硅氧烷；所述固化剂包括道康宁184硅橡胶固化剂；
具体按照以下步骤实施：
步骤1、将所述织物介电层(2)浸渍在体积分数为75％的酒精中进行超声处理，采用去离子水对超声后的织物介电层(2)进行清洗后静置风干；
步骤2、将干燥后的所述织物介电层(2)浸渍在分散液中，再依次进行超声处理、静置风干，采用熨斗将干燥后的织物介电层(2)熨平；
步骤3、在熨平后的所述织物介电层(2)的上表面和下表面均粘贴导电铜箔，并将上表面的所述导电铜箔和下表面的所述导电铜箔均通过导线引出；
步骤4、通过3D打印机对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物进行打印处理，得到模具(5)，所述模具(5)与织物介电层(2)相匹配，将粘贴导电铜箔的所述织物介电层(2)放置到模具(5)内，通过木工夹将所述模具(5)夹紧；
步骤5、制备封装材料(3)，通过真空抽滤机将封装材料(3)内的气泡除去，再浇注至所述模具(5)内，室温下静置1h；
步骤6、将静置后的所述模具(5)放置到固化炉内进行固化处理，室温冷却后取下木工夹和模具(5)，得到基于织物的电容式传感器。
2.如权利要求1所述的基于织物的电容式传感器的制造方法，其特征在于，步骤1中，所述超声处理的功率为50～80W、时间为10～30min；步骤2中，所述超声处理的功率为40～70W、时间为20～40min。
3.如权利要求1所述的基于织物的电容式传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤2中的分散液由导电材料、分散剂及溶剂以质量比为0.01～0.1:0.2～3:100组成，所述导电材料在分散液中的固含量为0.01-0.1wt％；所述导电材料为炭黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银、纳米铜、纳米金、纳米镍、导电聚合物中的任意一种；所述溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇中的任意一种；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
4.如权利要求1所述的基于织物的电容式传感器的制造方法，其特征在于，所述模具(5)包括相匹配的第一压板和第二压板，所述第一压板的长度和宽度均不小于70mm，所述第一压板的本体设置有矩形通孔，所述第二压板的长度和宽度均不小于70mm，所述第二压板的本体设置有与通孔相对的凹槽。
5.如权利要求1所述的基于织物的电容式传感器的制造方法，其特征在于，步骤6中，所述固化处理的温度为60～90℃，时间为60～120min。
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