CN110926661B - 一种柔性织物压力与应变复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于，包括自上而下依次叠放的上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物，所述上导电层织物和下导电层织物均为以镀金属导电纱线为纬纱、弹性纱线为经纱织成，所述绝缘层织物为以非导电性纱线为纬纱、非导电性弹性纱线为经纱织成，所述上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物在经纱的两端通过表里换层三层组织连接成一个整体，所述镀金属导电纱线的末端作为所述柔性织物压力与应变复合传感器的电极引线。本发明有效提升了现有电容式织物传感器的结构稳定性，并有利于快速规模化制备，且不仅可实现对压力的检测，同时可实现对应变的检测。

Description

一种柔性织物压力与应变复合传感器

技术领域

本发明涉及一种柔性织物压力与应变复合传感器，属于纺织与柔性电子技术领域。

背景技术

与传统的刚性传感器相比，柔性传感器具有可变形、尺寸适应性强、人机交互性好等优点。随着可穿戴技术与机器人技术的迅速发展，将柔性传感器嵌入或整合到具有柔软、轻质透气、可拉伸弯曲等特性的织物上制成柔性织物传感器，能够顺应穿着者或机器人的身躯，可以应用于人体运动监测、软体机器人皮肤、医学生理信号监测和人机交互等领域。

织物传感器根据其传感原理主要分为电阻式和电容式。其中，电阻式织物传感器基于力或应变施加时导电材料的电阻值的变化对力或应变进行测量，而电容式织物传感器则是利用两平行极板间的电容随力或应变的变化而变化的原理进行测量。电容式织物传感器通常以导电织物为电容器极板，以非导电弹性材料为间隔层，具有结构简单、灵敏度与空间分辨率高的特点，并基本保留了纺织品原有的柔软、易变形、舒适等特性。目前，电容式织物传感器多将电容器极板与间隔层以夹叠黏合的方法进行成形，例如，Atalay O等人报道了一种以机织或针织导电织物为电容器极板、带有微孔的硅胶弹性体为介电层的电容式织物传感器(Atalay O,et al.,Advanced Materials Technologies,2018,3,1700237)。在该电容式织物传感器中，作为电容器极板的导电织物与作为介电层的硅胶弹性体利用硅胶膜以辊压的方式进行夹叠黏合成形。然而，由于通常所采用的黏结材料与作为电容器极板的导电织物的物理特性(如热膨胀系数、杨氏模量、泊松比等)存在明显差别，易使电容器极板与介电层在使用过程中在外界光、热、机械等作用下产生分层剥离现象或在黏结材料层形成裂纹。另外，该电容式织物传感器的电极引线以利用透明胶带粘结到导电织物表面的方式与传感器进行连接，连接处的机械性能欠佳，易导致电极引线脱落。基于上述原因，这类结构的电容式织物传感器在长时间使用后功能易产生失效，且存在制备流程繁琐，难以规模化加工的问题。此外，所采用的黏结材料存在透气性差的缺点，不利于长时间贴附于人体皮肤表面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：电容式织物传感器的电容器极板与介电层在使用过程中容易产生分层剥离现象、电极引线易脱落、以及制备流程繁琐、难以规模化加工的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了包括传感区域和设在传感区域两端的第一连接部和第二连接部，所述传感区域包括自上而下依次叠放的上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物，所述上导电层织物和下导电层织物均以镀金属导电纱线为纬纱、非导电弹性纱线为经纱织成，所述绝缘层织物以绝缘纱线为纬纱、非导电性弹性纱线为经纱织成，所述第一连接部和第二连接部为通过表里换层三层组织连接上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物的经纱的两端形成的整体，所述上导电层织物和下导电层织物的导电纱线的末端作为柔性织物压力与应变复合传感器的电极引线。

优选地，所述上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物具有相同的幅宽。

优选地，所述上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物具有相同的经密。

优选地，所述所述镀金属导电纱线所镀金属材料包括以下项中的至少一项：银、铜、镍、铝、锌、金。

优选地，所述非导电弹性纱线为氨纶长丝纱或聚对苯二甲酸丙二醇酯长丝纱或聚对苯二甲酸丙二醇酯短纤纱或聚对苯二甲酸丁二醇酯长丝纱或聚对苯二甲酸丁二醇酯短纤纱或由以上项中的至少二项构成的复合纱。

优选地，所述非导电弹性纱线的旦数相同。

优选地，所述非导电性弹性纱线为尼龙长丝纱或尼龙短纤纱或涤纶长丝纱或涤纶短纤纱。

优选地，所述上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物为平纹织物。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将构成电容式织物传感器的上导电层织物、绝缘层织物和下导电层织物在经向的两端通过表里换层三层组织连接成一个整体，并以织造上、下导电层织物的镀金属导电纱线作为电极引线，有效提升了电容式织物传感器的结构稳定性，避免了长期使用产生的电容器极板与绝缘层的分层剥离现象，提升了电极引线与电容器极板连接处的机械性能，并且有利于快速规模化制备；另外，电容器极板与绝缘层均由织物制成，用于人体穿戴时具有透气性好的优点，适宜于长时间贴附于人体皮肤表面；同时，三层织物的经纱均为弹性纱线，在沿经向的面内拉伸作用下上、下导电层织物的面积及绝缘层的厚度均会发生变化，继而使电容产生变化，因此本发明的织物传感器不仅可实现对压力的检测，同时可实现对应变的检测。

附图说明

图1为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器的立体结构示意图；

图2为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器传感区域的立体结构图；

图3为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器第一连接部的立体结构图；

图4为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器传感区域的组织图；

图5为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器传感区域的横向截面图；

图6为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器两端第一连接部与第二连接部的组织图；

图7为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器两端第一连接部与第二连接部的横向截面图；

图8为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器在单次加压过程中电容随压力的变化情况图，横轴为压力，单位为N；纵轴为电容变化率，单位为％；

图9为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器在单次拉伸过程中电容随应变的变化情况，横轴为应变；纵轴为电容变化率，单位为％；

图10为本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器在循环加压—减压3000周期的过程中电容随时间的变化情况，横轴为时间，单位为s；纵轴为电容变化率，单位为％。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明中的镀金属导电纱线所镀金属材料为银、铜、镍、铝、锌、金等导电金属材料，本实施例中选用镀银导电材料。如图1所示，本发明一种柔性织物压力与应变复合传感器为电容式柔性传感器包括自上而下依次叠放的上导电层织物12、绝缘层织物7、下导电层织物13以及两端的第一连接部5和第二连接部6。其中，上导电层织物12、绝缘层织物7与下导电层织物13构成了柔性织物压力与应变复合传感器11的传感区域2，如图2所示。上导电层织物12为以线密度为880旦(1旦＝1克/9000米)的第一镀银涤纶长丝纱3为纬纱、线密度为560旦的氨纶长丝纱1为经纱织成，上导电层织物12为平纹织物结构。下导电层织物13为以线密度为880旦的第二镀银涤纶长丝纱4为纬纱、线密度560旦的氨纶长丝纱1为经纱织成，下导电层织物13为平纹织物结构。其中，第一镀银涤纶长丝纱3形成了作为电容器上极板的上导电层织物12中的导电层，第二镀银涤纶长丝纱4形成了作为电容器下极板的下导电层织物13中的导电层。上导电层织物12和下导电层织物13的幅宽均为25mm。上导电层织物12和下导电层织物13的经密均为76根/10cm，纬密均为140根/10cm。上导电层织物12中的纬纱为一根第一镀银涤纶长丝纱3连续穿织并紧密排列于平纹结构中，下导电层织物13中的纬纱为一根第二镀银涤纶长丝纱4连续穿织并紧密排列于平纹结构中，因此上导电层织物12和下导电层织物13均可视为电阻基本保持不变的柔性导电板。绝缘层织物7位于上导电层织物12和下导电层织物13中间，将上导电层织物12和下导电层织物13隔开，作为电容器的绝缘介质。绝缘层织物7为以线密度为740旦的尼龙长丝纱10为纬纱、线密度为560旦的氨纶长丝纱1为经纱织成，绝缘层织物7为平纹织物结构。绝缘层织物7的幅宽为25mm，绝缘层织物7的经密为76根/10cm，纬密为210根/10cm。如图3所示，上导电层织物12、绝缘层织物7和下导电层织物13在作为经纱的氨纶长丝纱1的两端分别采用线密度为740旦的尼龙长丝纱10作纬纱，通过表里换层三层组织各连接成一个整体，以形成第一连接部5和第二连接部6，第一连接部5和第二连接部6的结构相同，使上导电层织物12、绝缘层织物7和下导电层织物13结合成结构稳定的柔性织物压力与应变复合传感器11。

本实施例的柔性织物压力与应变传感器的制备步骤如下：

(1)以氨纶长丝纱1为经纱，将经纱分为三组，分别用1、2、3……，一、二、三……和I、II、III……来表示上导电层织物12、绝缘层织物7和下导电层织物13中的每根经纱；

(2)将氨纶长丝纱1按照图4所示的织物组织图穿入织机对应综框的综丝中，其中41为下导电层织物13的经组织点，42为绝缘层织物7的经组织点，43为上导电层织物12的经组织点，44为传感区域织物的纬组织点。

(3)上导电层织物12的纬纱采用第一镀银涤纶导电纱线3，下导电层织物13的纬纱采用第二镀银涤纶导电纱线4，绝缘层织物7的纬纱采用尼龙长丝纱10，按照图4所示的织物组织图与经纱交织；

(4)上导电层织物12、绝缘层织物7和下导电层织物13的基础组织选择平纹组织，均以氨纶长丝纱1作为经纱，保证每层织物的缩率近似，使每层织物的表面平整，织造顺利。其中各层经、纬纱的排列比为1:1；

(5)上导电层织物12、绝缘层织物7和下导电层织物13共由三个系统的经纱和三个系统的纬纱构成，各独立系统的经、纬纱交织形成织物的表层、中层和里层。柔性织物压力与应变复合传感器11的传感区域2的横向截面图如图5所示。三层之间只在作为经纱的氨纶长丝纱1的两端采用线密度为740旦的尼龙长丝纱10作纬纱，通过表里换层三层组织连接成一个整体，以形成第一连接部5和第二连接部6。第一连接部5和第二连接部6的织物组织图如图6所示，其中61为下导电层织物13的经组织点，62为上导电层织物12的经组织点，63为层与层之间的连接点，64为绝缘层织物7的经组织点，65为第一连接部5和第二连接部6的织物的纬组织点；第一连接部5和第二连接部6的横向截面图如图7所示；

(6)将未织入上导电层织物12的第一镀银涤纶长丝纱3的末端8在上导电层织物12外预留出一定长度，将未织入下导电层织物13的第二镀银涤纶长丝纱4的末端9在下导电层织物13外预留出一定长度，作为柔性织物压力与应变复合传感器11的电极引线。

根据上述制备步骤，在本实施例的柔性织物压力与应变复合传感器11中，上导电层织物12和下导电层织物13的面积相同，中间由绝缘层织物7隔开。根据平行板电容器的电容公式，有：C＝εS/d，其中C为电容，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。由于绝缘层织物7由具有弹性的氨纶长丝纱1与尼龙长丝纱10织造而成，在厚度方向上具有一定的弹性，当垂直于柔性织物压力与应变复合传感器11的表面施加压力时，绝缘层织物7的厚度将发生改变，相当于d随着压力大小而发生变化，继而柔性织物压力与应变复合传感器11的电容也随之变化，因此可根据上述原理并结合柔性织物压力与应变复合传感器11的构造实现对压力的测量。另外，由于氨纶长丝纱1具有良好的弹性，当柔性织物压力与应变复合传感器11因受到拉伸而产生应变时，上导电层织物12和下导电层织物13的面积均会随应变变化而变化，即S改变，同时由于柔性织物压力与应变复合传感器11受到拉伸，上导电层织物12和下导电层织物13之间的距离d也会相应减小，柔性织物压力与应变复合传感器11的电容将随之变化，因此也可根据上述原理结合柔性织物压力与应变复合传感器11的构造实现对应变的测量。

将上导电层织物12的第一镀银涤纶长丝纱3的末端8和下导电层织物13的第二镀银涤纶长丝纱4的末端9连接LCR电桥，通过LCR电桥对柔性织物压力与应变复合传感器11的电容随压力或应变的变化规律进行测量。图8示出了压力从0N到30N的变化过程中，柔性织物压力与应变复合传感器11电容变化率((测试后电容-测试前电容)/测试前电容×100％)的测量结果图。图9示出了应变从0到40％的变化过程中，柔性织物压力与应变复合传感器11电容变化率的测量结果图。图10是压力在0N—30N—0N范围内循环施加3000周期的过程中，柔性织物压力与应变复合传感器11电容变化率的测量结果图。

由图8可以看出，在压力从0N到30N的施加过程中，柔性织物压力与应变复合传感器11的电容发生单调变化。在0N到5N的压力范围内，电容值以较快的速率由初始值开始增加，电容变化率曲线具有较大的斜率；在压力达到5N之后，随着压力的进一步增加，极板间织物的厚度变化率逐渐降低，织物的厚度逐渐接近其最小值，柔性织物压力与应变复合传感器11的电容随压力增加而增加的速率降低。对柔性织物压力与应变复合传感器11的电容随压力变化的上述测量数据进行拟合，在此基础上构建柔性织物压力与应变复合传感器11的电容变化率—压力关系模型，即可实现柔性织物压力与应变复合传感器11对施加的压力的测量。

由图9可以看出，在应变从0到40％的施加过程中，柔性织物压力与应变复合传感器11的电容发生单调变化。在0到4％的应变范围内，电容值以较快的速率由初始值开始增加，电容变化率曲线具有较大的斜率；在应变达到4％之后，随着应变的进一步增加，极板间织物的厚度变化率逐渐降低，电容产生变化的主要因素为拉伸状态下极板面积的增大，柔性织物压力与应变复合传感器11的电容值随应变的增加而增加的速率降低。对柔性织物压力与应变复合传感器11的电容随压力变化的上述测量数据进行拟合，在此基础上构建柔性织物压力与应变复合传感器11的电容变化率—应变关系模型，即可实现柔性织物压力与应变复合传感器11对产生的应变的测量。

由图10可以看出，在循环加压—减压3000周期的过程中，柔性织物压力与应变复合传感器11在各测试周期中的电容变化特性具有良好的重复性，电容变化率曲线上的极大值(对应压力的极大值)能够保持稳定，表明柔性织物压力与应变复合传感器11具有良好的弹性回复性和电力学稳定性。

Claims (8)

1.一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：包括传感区域(2)和设在传感区域(2)两端的第一连接部(5)和第二连接部(6)，所述传感区域(2)包括自上而下依次叠放的上导电层织物(12)、绝缘层织物(7)和下导电层织物(13)，所述上导电层织物(12)和下导电层织物(13)均以镀金属导电纱线为纬纱、非导电性弹性纱线为经纱织成，所述绝缘层织物(7)以绝缘纱线为纬纱、非导电性弹性纱线为经纱织成，所述第一连接部(5)和第二连接部(6)为通过表里换层三层组织连接上导电层织物(12)、绝缘层织物(7)和下导电层织物(13)的经纱的两端形成的整体，所述上导电层织物(12)和下导电层织物(13)的导电纱线的末端作为柔性织物压力与应变复合传感器(11)的电极引线。

2.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述上导电层织物(12)、绝缘层织物(7)和下导电层织物(13)具有相同的幅宽。

3.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述上导电层织物(12)、绝缘层织物(7)和下导电层织物(13)具有相同的经密。

4.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述镀金属导电纱线所镀金属材料包括以下项中的至少一项：银、铜、镍、铝、锌、金。

5.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述非导电性弹性纱线为氨纶长丝纱(1)或聚对苯二甲酸丙二醇酯长丝纱或聚对苯二甲酸丙二醇酯短纤纱或聚对苯二甲酸丁二醇酯长丝纱或聚对苯二甲酸丁二醇酯短纤纱或由以上项中的至少二项构成的复合纱。

6.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述非导电性弹性纱线的旦数相同。

7.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述非导电性弹性纱线为尼龙长丝纱或尼龙短纤纱或涤纶长丝纱或涤纶短纤纱。

8.如权利要求1所述的一种柔性织物压力与应变复合传感器，其特征在于：所述上导电层织物(12)、绝缘层织物(7)和下导电层织物(13)均为平纹织物。

Images