CN112461896A - 一种湿度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿度传感器，包括RFID芯片和织物天线，所述RFID芯片的PAD部分与织物天线进行电连接；所述织物天线以嵌花技术将导电纱线通过织造的方式在基底面料上形成天线图案造型，当织物天线的基底面料的含水率变化时，传感器体系表现出来的背散射能量发生改变，通过测量发生的改变获得基底面料的含水率实现对湿度的测量。本发明还涉及上述湿度传感器的制造方法。本发明实现了湿度传感器的无源化。
Description
技术领域
本发明涉及湿度检测技术领域，特别是涉及一种湿度传感器及其制造方法。
背景技术
湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换为电信号的装置，通常可以分为陶瓷类、半导体类和聚合物类。
随着科技的发展，特别是随着可穿戴式设备技术的发展，人们需要各类传感器可以用来监测人体各类生理活动信号。而传统传感器多为硬质传感器，用于长时间与人体直接接触的环境时存在明显的局限。这就给各类柔性传感器带来了越来越多的机会，特别是在运动和健康医疗领域有着广阔的应用前景。
目前开发的应用于纺织/可穿戴领域的柔性传感器通常可以分为：
一、使用导电纱线作为电极，通过织造或刺绣等方式形成带织物传感器。
如专利CN110042544A公开的一种具有湿度传感功能的纺织品，是一种含有导电的不锈钢纤维的针织品。当织物吸/放湿时，其电阻率发生变化，通过测量其电阻率变化即可实现湿度测量。但这种针织品感湿模块部分纱线中需要混入大量的不锈钢纤维，影响针织品的舒适性。如专利CN102121163A公开的一种具有湿度传感器功能的针织品，是一种利用织造技术在织物基底上织成两条间隔开的传导电极。当基底织物吸/放湿时，其电阻率改变。
二、通过织造的方式将柔性导电聚合物嵌入纺织品中
T.Kinkeldei,C.Zysset,KH Cherenack and G.Troster,A TEXTILE INTEGRATEDSENSOR SYSTEM FOR MONITORING HUMIDITYAND TEMPERATURE,Transducers'11,Beijing,China,June 5-9,2011。该文章报道了一种基于柔性聚酰亚胺基板的传感器系统，该系统包含一个金电阻温度传感器(RTDs)和一个导电聚合物(PEDOT-PSS)湿度传感器。传感器是用织布机将条状单个传感带织入普通织物。刚性传感器难以有效的与纺织品融合，因此在舒适性上存在不足。如专利CN108169295A以及CN204514847U制备的膜状柔性湿度传感器，因其形状特点，也不容易将此类传感器按照编织方法织入织物中，且也不能很好的与织物贴合，故不能很好的体现柔性湿度传感器的应用价值。
三、印刷或涂层方法
Woven Temperature and Humidity Sensors on Flexible Plastic Substratesfor E-Textile Applications.Giorgio Mattana,Thomas Kinkeldei,DavidLeuenberger.IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.13,NO.10,OCTOBER 2013。该文章介绍了一种在柔性塑料条纹上实现的织物温湿度传感器。介绍了两种不同的传感器制作技术:一种是传统的光刻制版技术；第二种方法，即喷墨印刷，是一种有效的、低成本的替代方法。获得的温度和湿度传感器，可以很容易地集成在织物中使用传统的织机。专利US4932464披露了一种湿气和露水检测传感器，包括非织造织物和湿度敏感电阻物质炭黑，以基本上连续和分散的状态粘附到所述非织造织物上，并且在湿气和露水检测传感器中形成多个细小空隙。由于存在多个空隙，故而在不同含水量状态下其电阻发生改变。
四、无纺制备方法
High Sensitive Wearable Textile-based Humidity Sensor made of High-strength,Singlewalled Carbon Nanotube(SWCNT)/Poly(Vinyl Alcohol)(PVA)Filaments Gengheng Zhou,Joon-Hyung Byun,Youngseok Oh,etal.,ACS AppliedMaterials&Interfaces。该文章报告了一种可穿戴的基于织物的湿度传感器首次使用高强度和超硬SWCNT/PVA细丝通过湿纺工艺。通过对水分子的吸收，使PVA分子链膨胀，通过调节管间距离来调节丝中导电的SWCNT网络。SWCNT/PVA长丝在潮湿条件下的直径可以是在干燥条件下的两倍之多。将纤维传感器缝在疏水织物上，在喷水后，其电阻显著增加。
五、湿敏纱线
PLA/Carbon Nanotubes Multifilament Yarns for Relative HumidityTextile Sensor.Eric Devaux,Carole Aubry,Christine Campagne,MarylineRochery.Journal of Engineered Fibers and Fabrics.Volume 6,Issue 3–2011。文章将聚乳酸(PLA)与4wt.％的碳纳米管(CNTs)混合，采用熔融纺丝法生产导电多丝，用于湿度检测。由于电导率的变化，这种柔性传感器可以检测到水分的存在。
前述各种制备湿度传感器的方法总的来说，主要是通过测量含水率不同时电阻率的变化来感知湿度的变化，因此均需要外部电源，另外，部分方法系统复杂，制作难度较大，使用受限。其中，有些方法只适合梭织的方法，且导电基材刚度大，严重降低织成织物的舒适性，且存在耐久性差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种湿度传感器及其制造方法，实现传感器的无源化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种湿度传感器，包括RFID芯片和织物天线，所述RFID芯片的PAD部分与织物天线进行电连接；所述织物天线以嵌花技术将导电纱线通过织造的方式在基底面料上形成天线图案造型，当织物天线的基底面料的含水率变化时，所述湿度传感器表现出来的背散射能量发生改变，通过测量发生的改变获得基底面料的含水率实现对湿度的测量。
所述基底面料采用基底纱线织造而成，所述基底纱线包括天然纤维、合成纤维和再生纤维。
所述导电纱线包括金属、金属镀层聚合物、导电聚合物、包含或覆盖金属或导电聚合物或纳米碳材的聚合物、以及液态金属聚合物复合体。
所述RFID芯片和织物天线的连接区域的正反两面均采用涂层的方法进行封装。
所述涂层的材质为环氧基、丙烯酸基、聚氨酯基或有机硅基化合物的混合物。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种上述的湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动导电纱线进行编织，而基底纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘，使得每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面，并把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来；
(2)将RFID芯片的pad部分与导电纱线连接形成通路，得到湿度传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种上述的湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动基底纱线和导电纱线进行编织，使得每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面，并把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来；
(2)将RFID芯片的pad部分与导电纱线连接形成通路，得到湿度传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种上述的湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动基底纱线进行编织，同时导电纱线导纱器参与垫纱形成浮线构成图案，浮线存在于织物的两面，无须弯纱成圈；
(2)将RFID芯片的pad部分与导电纱线连接形成通路，得到湿度传感器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明基于RFID天线圈覆盖部位基材的湿度变化而导致其信号读取差异，实现湿度的测量，由于RFID信号测量过程中不需要额外的能源供应，从而实现传感器的无源化。本发明测量过程无接触，可以实现较远距离(最远10米)的信号读取。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种湿度传感器，包括RFID芯片和织物天线，所述RFID芯片的两端通过导电粘合剂与织物天线进行电连接；所述织物天线以嵌花技术将导电纱线通过织造的方式在由基底纱线制造而成的基底面料上形成天线图案造型。
本实施方式的湿度传感器可以作为一种非接触式的自动识别技术，RFID芯片为超微型小标签技术，标签中保存有约定格式的电子数据，而存储在芯片中的数据，由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的处理器，进行信息解读并进行相关的管理。本实施方式中使用织物天线取代传统RFID的线圈天线或基带天线，这种织物天线是以嵌花技术将各种导电纱线通过织造的方式在基底面料上形成特定的天线图案造型。，当织物天线的基底面料的含水率变化时，RFID芯片表现出来的背散射能量发生改变，通过测量发生的改变获得基底面料的含水率实现对湿度的测量。
本实施方式的原料包括基底纱线和导电纱线，其中：
基底纱线由已知各种天然、合成及再生纤维组成，包括但不限于，棉、麻、丝、毛、涤纶、锦纶、腈纶、芳纶、粘胶、醋酯等纯纺或混纺纱线。导电纱线由各种含导电材质纱线组成，含有包括但不限于，金属、金属镀层聚合物、导电聚合物、包含或覆盖金属或导电聚合物或纳米碳材的聚合物、以及液态金属聚合物复合体。
制造方法如下：
通过织造的方法制备出面料，而这块面料的基底部分有基底纱线构成，导电纱线则在这块基底部分上构成了所需的各种造型。其次，将RFID芯片的pad部分与导电纱线构成连接形成通路。
其中，织造的工艺选用嵌花工艺，嵌花是一种选针与纱线变换相结合的一种提花技术。其优势在于，在一横列上，导纱器对选择的最后一针比如基底纱垫纱后就停止了运动，之后另一把导纱器带动另一种导电纱线继续编织成，最后有前述导纱器带动基底纱继续编织。这个过程可以根据设计的导电纱图案进行多次重复。
将RFID芯片的pad部分与导电纱线构成连接的目的是确保天线与芯片产生电连接，其可以使用诸如焊接，导电胶粘接等方法实现。对RFID芯片及其与织物天线连接区域使用涂层的方法封装起来，涂层的材质可以是环氧基、丙烯酸基、聚氨酯基或有机硅基化合物的混合物。
由此可见，使用这种编织方法，在获得期望造型图案时，可以保证导电纱线的连续性，不剪线，织物背面也无浮线；原料来源广泛，比如镀银尼龙纱线和不锈钢纱线均有商业化产品出售；产品应用方式灵活，既可以单独作为传感器使用，又可以作为嵌有传感器的面料的一部分，同时也可以通过“织可穿”工艺制成含有传感器的服装；除了用作湿度传感器的一部分，织物天线也可以起到代替已有RFID天线，比如线圈天线和基带天线的作用；本实施方式的湿度传感器可以使用现有的设备进行生产，生产效率高，成本低，制得的传感器具有良好的服用舒适性，耐久性好，使用时间长。
下面通过四个实施例来进一步说明本发明。
实施例1：
RFID芯片与织物天线两者之间通过导电粘合剂粘接产生电连接。同时，连接区域正反两面的部分均采用聚氨酯涂层覆盖。
织物天线的制造过程：
原料：基底纱线：纯棉纱线32s/1，导电纱线：镀银尼龙纱线。
设备：全自动电脑横机
编织时，在基底纱区域，机头带动基底纱进行编织，而导电纱的织针此时不进行编织，停留在区域边缘。同样的，在导电纱区域，机头带动导电纱进行编织，而基底纱的织针此时不进行编织，停留在区域边缘。这样每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面。由于编织时，基底纱和导电纱对应不同的导纱器，为了将两个不同区域边缘纵行相连，两种纱需要在区域间的同一根针上形成连接组织。把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来，可采用线圈、集圈、添纱或双线圈等方式实现。
实施例2：
图1为传感器整体示意图，其中1为RFID芯片，2为织物天线，两者之间通过导电粘合剂粘接产生电连接。同时，连接区域正反两面的部分均采用丙烯酸酯涂层覆盖。
织物天线的制造过程：
原料：基底纱线：涤纶FDY纱线70D/72f，导电纱线：镀银尼龙纱线。
设备：全自动电脑横机
编织时，在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动基底纱线和导电纱线进行编织，使得每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面，并把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来。
实施例3：
图2为传感器整体示意图，其中1为RFID芯片，2为织物天线，两者之间通过焊接产生电连接。同时，连接区域正反两面的部分均采用聚氨酯涂层覆盖。
织物天线的制造过程：
原料：基底纱线：纯棉纱线32s/1，导电纱线：不锈钢纱线KTFB 100/1。
设备：全自动电脑横机
编织时，在基底纱区域，机头带动基底纱进行编织，而导电纱的织针此时不进行编织，停留在区域边缘。在导电纱区域，机头带动基底纱线和导电纱线进行编织，使得每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面，并把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来。在如图所示导电纱图形区域内，导电纱在织物正面成圈形成图案，而在图形空白区域的织物反面，导电纱形成浮线，不成圈编入织物，保证纱线的连续。由于编织时，基底纱和导电纱对应不同的导纱器，为了将两个不同区域边缘纵行相连，两种纱需要在区域间的同一根针上形成连接组织。把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来，可采用线圈、集圈、添纱或双线圈等方式实现。
实施例4：
图3为传感器整体示意图，其中1为RFID芯片，2为织物天线，两者之间通过焊接产生电连接。同时，连接区域正反两面的部分均采用丙烯酸酯涂层覆盖。
织物天线的制造过程：
原料：基底纱线：涤纶FDY纱线70D/72f，导电纱线：镀银不锈钢纱线KTFB 100/1。
设备：全自动电脑横机
编织时，在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动基底纱线进行编织，同时导电纱线导纱器参与垫纱形成浮线构成图案，浮线可以存在于织物的两面，无须弯纱成圈。
Claims (8)
1.一种湿度传感器，其特征在于，包括RFID芯片和织物天线，所述RFID芯片的PAD部分与织物天线进行电连接；所述织物天线以嵌花技术将导电纱线通过织造的方式在基底面料上形成天线图案造型，当织物天线的基底面料的含水率变化时，所述湿度传感器表现出来的背散射能量发生改变，通过测量发生的改变获得基底面料的含水率实现对湿度的测量。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述基底面料采用基底纱线织造而成，所述基底纱线包括天然纤维、合成纤维和再生纤维。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述导电纱线包括金属、金属镀层聚合物、导电聚合物、包含或覆盖金属或导电聚合物或纳米碳材的聚合物、以及液态金属聚合物复合体。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述RFID芯片和织物天线的连接区域的正反两面均采用涂层的方法进行封装。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，其特征在于，所述涂层的材质为环氧基、丙烯酸基、聚氨酯基或有机硅基化合物的混合物。
6.一种如权利要求1-5中任一所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动导电纱线进行编织，而基底纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘，使得每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面，并把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来；
(2)将RFID芯片的pad部分与导电纱线连接形成通路，得到湿度传感器。
7.一种如权利要求1-5中任一所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动基底纱线和导电纱线进行编织，使得每一横列由几种线圈组成就有几种不同的纱线覆盖在织物的反面，并把一个横列中各导纱器引导的纱所编织的线圈连接起来；
(2)将RFID芯片的pad部分与导电纱线连接形成通路，得到湿度传感器。
8.一种如权利要求1-5中任一所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底纱区域，机头带动基底纱线进行编织，而导电纱线的织针此时不进行编织，停留在区域边缘；在导电纱区域，机头带动基底纱线进行编织，同时导电纱线导纱器参与垫纱形成浮线构成图案，浮线存在于织物的两面，无须弯纱成圈；
(2)将RFID芯片的pad部分与导电纱线连接形成通路，得到湿度传感器。
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