CN112729630A - 一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器及其制备方法,包括由纤维丝螺旋为柱状的柔性纤维衬底层,所述柔性纤维衬底层外包裹了用于黏附内侧导电结构层与所述柔性纤维衬底层的修饰层,所述修饰层外包裹了内侧导电结构层,所述内侧导电结构层采用的导电材料为片状结构,所述内侧导电结构层外包裹了外侧导电结构层,所述外侧导电结构层采用的导电材料为线状结构;以及通过旋涂‑浸渍工艺制备。本发明以纤维为柔性纤维衬底层,多相材料的双导电层结构,构筑纤维衬底层‑修饰层‑双导电层结构的层状传感结构,融合柔性纤维衬底与双导电层结构中多相材料的优势,实现柔性应变传感器线性度高、响应恢复速度快的效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域,具体是一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
近年来,发展柔性可延展、便携式器件已成为目前应变传感器研究中的一个热点,开发用于物联网、人工智能和可穿戴电子领域的柔性应变传感器是当前新型智能传感器的重要研究与应用方向。纤维是构成世界的基本物质之一,人体部分组织也是由纤维构成。随着纤维产业的进步和发展,如今的纤维材料在柔韧性、强度、阻燃性、电学等性能上已得到很大发展。新一代纤维已成为纺织织造、电子织物、智能织物和其他先进织物的基础,其具有多学科交叉和多技术交融的特点。对于柔性电子学来说,纤维提供了一种可替代技术方案,以纤维为基本单元设计制备的智能化器件和系统可作为信息和大数据采集获取、处理融合的手段之一。现有技术采用浸渍工艺将石墨烯纳米片/聚苯胺/硅橡胶复合材料集成于莱卡织物衬底上,制备了一种柔性织物应变传感器,实现了对手势姿态的监测和分类,但其应变电阻特性存在两个线性区间,线性度这一参数有待改善,一方面不利于数据处理,另一方面制约着应用深化。
近年来,将具有不同维度特征的材料通过敏化或改性的手段构建新型复合导电材料体系是柔性应变传感器发展的方向,如利用一维材料(纳米线、纳米管等)和二维材料进行复合材料体系设计,相比单一组分的导电材料,复合材料体系有利于融合两种材料的优势,使其在构筑柔性应变传感器时具备更好的传感特性,但选取何种材料进行复合能达到更好的效果,也需要材料的选取进行探寻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器及其制备方法,以解决现有手势监测的柔性应变传感器线性度特征不理想、难以满足人机交互及主从手操作系统应用中对于动作或形变信息快速实时探测需求的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,包括:
由纤维丝螺旋为柱状的柔性纤维衬底层,所述柔性纤维衬底层外包裹了用于黏附内侧导电结构层与所述柔性纤维衬底层的修饰层,所述修饰层外包裹了内侧导电结构层,所述内侧导电结构层采用的导电材料为片状结构,所述内侧导电结构层外包裹了外侧导电结构层,所述外侧导电结构层采用的导电材料为线状结构。
作为本发明进一步的方案:所述柔性纤维衬底层采用的柔性纤维选自氨纶纤维、棉包氨纶纤维、棉涤包芯纱纤维、聚酰胺纤维、涤纶纤维、丙烯酸纤维中的至少一种。
作为本发明进一步的方案:所述修饰层采用的材料为聚乙二醇、聚乙二醇脂肪酸酯、聚乙烯醇、硅烷偶联剂中的至少一种。
作为本发明进一步的方案:所述内侧导电结构层中导电材料采用石墨烯、氧化石墨烯、黑磷、二维导电聚合物,二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物中的一种。
作为本发明进一步的方案:所述二维导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩。
作为本发明进一步的方案:所述外侧导电结构层包含基体材料和导电材料,所述基体材料包括硅橡胶、聚二甲基硅氧烷;所述导电材料是以下单相材料:碳纳米管、金纳米线、银纳米线、铜纳米线、铂纳米线、金纳米棒,或是上述材料单相材料与炭黑、金纳米颗粒、银纳米颗粒种的至少一种组成的多相导电材料。
一种根据上述所述的柔性应变传感器的制备方法,包括如下步骤:
S1:称取一定量修饰层材料加入到去离子水中,50~95℃下搅拌溶解,制得一定浓度的修饰层溶液;
S2:将柔性纤维衬底层置于上述修饰层溶液中浸渍处理5~30min,去离子水冲淋去除多余溶液,室温干燥,制备得到修饰层包裹的柔性纤维衬底层;
S3:将一定量内侧导电材料加入去离子水中,超声处理至材料均匀分散,得到内侧导电材料水溶液;
S4:将修饰层包裹的柔性纤维衬底层浸渍于制备好的内侧导电材料水溶液中5~30min,室温干燥后,重复上述浸渍操作若干次,直至内侧导电材料均匀、致密包裹于柔性纤维表面;
S5:将一定量内侧导电单相材料或两相材料按照一定比例溶于石脑油中,超声处理1~3h后搅拌处理0.5~2h,接着加入一定量的基体材料,继续搅拌处理0.5~2h,得到外侧导电材料溶液;
S6:将包裹有内侧导电材料的柔性纤维衬底层浸渍于制备好的外侧导电材料溶液中5~10min,真空干燥处理,制备得到用于手势姿态监测的柔性应变传感器。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明将柔性纤维衬底与双层导电复合材料融合起来构建应变传感体系制备柔性应变传感器,本发明中的柔性应变传感器利用高比表面积、骨架结构丰富的柔性纤维衬底层,发挥内层导电结构层中二维导电材料具有比表面积大、表面活性高、导电性优良的特征优势,引入可充当柔性纤维衬底与内层导电材料层有效媒介的修饰层,构筑一种具备环状主体结构和层层包覆导电结构的新型柔性应变传感结构,实现对微小形变信息的快速响应恢复特性,满足人们对于物理信息快速实时监测的需求,发展支撑新一代人工智能和物联网的高线性度、高可靠性柔性应变传感器,符合当前传感器往器件柔性化、应用集成化、系统智能化方向的发展趋势。
(2)本发明以鱼类感觉器官-侧线鳞为设计灵感,构筑应变传感器:鱼类身体两侧各有一条从鳃部到尾部的点状细线,即侧线,对低频声波和形变信息非常灵敏。侧线上的管道与鳞片连接并通往外界,侧线管道从上到下贯通鳞片,即构成侧线鳞。侧线器官是鱼类或水生两栖动物感受水压、振动、温度等信息的重要感受装置。以侧线鳞为仿生设计灵感,构筑由双导电层结构组成的应变传感结构,其中内侧结构导电材料为石墨烯等类鳞片材料,外侧结构导电材料为碳纳米管等类侧线材料,内外侧结构在应变作用下具备保持传感器中导电网络连续性的特征,当该柔性应变传感器处于拉伸作用时,内侧、外侧导电结构协同工作,外侧导电层中导电网络发生断裂时,内侧导电层中导电材料能够填充到断裂处,保持外侧导电网络的连续性,使得导电层能继续传导,削弱形变造成的传感器电阻的突变,确保应变与电阻关系的高线性,基于优异粘附性能修饰材料构建的修饰层有利于内侧、外侧导电结构的协同作用,有利于传感器机械和电学性能的提升,同时内侧、外侧导电结构中不同维度(二维、一维)导电材料体系设计有益于应变作用过程中导电路径的延续性和稳定性,可促进内侧、外侧结构以实现器件的高线性度和快速响应恢复速度。内外侧结构在应变作用下协同工作,得到响应恢复速度快、高线性度的柔性应变传感器,在实际应用中可集成于各个手指上达到手势动作监测的效果。
(3)采用简易可控的旋涂-浸渍工艺,本发明中的柔性应变传感器可通过简易可控的溶液浸渍-层层包裹工艺构建应变传感结构,性价比高,基于柔性纤维衬底可实现大规模制备;同时该应变传感器具有高线性度和快速响应恢复的特点,可用于数据手套、手势监测器件的集成设计制造,实现对手势动作的实时有效监测,在可穿戴电子、人机交互、灵巧手主从系统、遥操作系统等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明柔性应变传感器的层状结构示意图;
图2是本发明柔性应变传感器的横截面结构示意图;
图3是本发明实施例1的柔性应变传感器在不同应变加载卸载速度下的电阻动态响应曲线;
图4是实施例1的柔性应变传感器在10%拉伸应变下电阻响应曲线及其线性度的可决系数R2;
图5是实施例1的柔性应变传感器在30%拉伸应变下电阻响应曲线及其线性度的可决系数R2;
图6是实施例1的柔性应变传感器在50%拉伸应变下电阻响应曲线及其线性度的可决系数R2;
图7是实施例1的柔性应变传感器的响应时间曲线;
图8是实施例1的柔性应变传感器的长期稳定性曲线;
图9是实施例1的柔性应变传感器布置于人手指上用于监测不同手势姿态的响应曲线。
图中:1-柔性纤维衬底层、2-修饰层、3-内侧导电结构层、4-外侧导电结构层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、2,本发明实施例中,一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,包括由纤维丝螺旋为柱状的柔性纤维衬底层1,所述柔性纤维衬底层外包裹了用于黏附内侧导电结构层3与所述柔性纤维衬底层1的修饰层2,所述修饰层外包裹了内侧导电结构层3,所述内侧导电结构层采用的导电材料为片状结构,所述内侧导电结构层外包裹了外侧导电结构层4,所述外侧导电结构层采用的导电材料为线状结构。
具体的,所述柔性纤维衬底层1采用的柔性纤维选自氨纶纤维、棉包氨纶纤维、棉涤包芯纱纤维、聚酰胺纤维、涤纶纤维、丙烯酸纤维中的至少一种,所述柔性纤维衬底层1具备高柔弹性,其由纤维丝螺旋排列成柱状,故表面疏松多孔,纤维骨架结构丰富,具有比表面积大的特点,有利于通过修饰层2的黏附作用实现导电结构层与衬底的粘附结合。
具体的,所述修饰层2是将修饰材料包裹于纤维衬底层上形成的,所述修饰层采用的原料为聚乙二醇、聚乙二醇脂肪酸酯、聚乙烯醇、硅烷偶联剂,所述硅烷偶联剂优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷,所述修饰层可促进导电结构层与衬底间的界面黏附作用,使柔性纤维衬底层1与双导电层结构更好的结合,以便充分发挥纤维衬底疏松多孔、骨架结构丰富的特点。
具体的,所述柔性应变传感器具有双导电层结构,其中所述内侧导电结构层3通过修饰层的作用粘附结合于纤维骨架上,感受外界形变信息时结构层中导电材料发生电学性能的变化,以感知形变信息,所述内侧导电结构层3中的导电材料的结构特征近似于鱼类鳞片,所述内侧导电结构层采用的材料为石墨烯、氧化石墨烯、黑磷、二维导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩,二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物如MXenes;
所述外侧导电结构层4中导电材料的结构特征近似于鱼类侧线器官,所述外侧导电结构层4包含基体材料和导电材料,所述基体材料包括硅橡胶、聚二甲基硅氧烷,所述导电材料是以下单相材料:碳纳米管、金纳米线、银纳米线、铜纳米线、铂纳米线、金纳米棒,或是上述材料单相材料与炭黑、金纳米颗粒、银纳米颗粒中的至少一种组成的多相导电材料;所述内外侧结构共同构成侧线鳞结构,当该柔性应变传感器处于拉伸作用时,内侧、外侧导电结构协同工作,外侧导电层中导电网络发生断裂时,内侧导电层中导电材料能够填充保持外侧导电网络的连续性,保持导电层传导继续进行,削弱形变造成的传感器电阻的突变,确保应变与电阻关系的高线性,因此使得本发明线性度高、响应恢复速度快。
一种根据上述所述的柔性应变传感器的制备方法,包括如下步骤:
S1:称取一定量修饰层材料加入到去离子水中,50~95℃下搅拌溶解,制得一定浓度的修饰层溶液;
S2:将柔性纤维衬底层置于上述修饰层溶液中浸渍处理5~30min,去离子水冲淋去除多余溶液,室温干燥,制备得到修饰层包裹的柔性纤维衬底层;
S3:将一定量内侧导电材料加入去离子水中,超声处理至材料均匀分散,得到内侧导电材料水溶液;
S4:将修饰层包裹的柔性纤维衬底层浸渍于制备好的内侧导电材料水溶液中5~30min,室温干燥后,重复上述浸渍操作若干次,直至内侧导电材料均匀、致密包裹于柔性纤维表面;
S5:将一定量内侧导电单相材料或两相材料按照一定比例溶于石脑油中,超声处理1~3h后搅拌处理0.5~2h,接着加入一定量的基体材料,继续搅拌处理0.5~2h,得到外侧导电材料溶液;
S6:将包裹有内侧导电材料的柔性纤维衬底层浸渍于制备好的外侧导电材料溶液中5~10min,真空干燥处理,制备得到用于手势姿态监测的柔性应变传感器。
以下为具体实施例:
实施例1:
S1:称取0.05g聚乙二醇作为修饰层材料加入到20mL去离子水中,80℃下搅拌溶解,制得浓度为2.5mg/mL的聚乙二醇的水溶液,作为修饰层溶液;
S2:将氨纶衬底层置于上述修饰层溶液中浸渍处理10min,去离子水冲淋去除多余溶液,室温干燥,制备得到聚乙二醇修饰层包裹的氨纶衬底层;
S3:0.05g石墨烯内侧导电材料加入20mL去离子水中,超声处理至材料均匀分散,制得石墨烯水溶液,作为内侧导电材料水溶液;
S4:将聚乙二醇修饰层包裹的氨纶衬底层浸渍于制备好的石墨烯水溶液中10min,室温干燥后,重复上述浸渍操作7次,直至石墨烯内侧导电材料均匀、致密包裹于氨纶衬底层表面;
S5:将0.12g炭黑、0.06g碳纳米管溶于石脑油中,超声处理2h后搅拌处理0.5h,接着加入2g硅橡胶基体材料,继续搅拌处理1.5h,制得外侧导电结构层所需的外侧导电材料溶液;
S6:将包裹有石墨烯内侧导电材料的氨纶衬底层浸渍于S5步骤中制备好的外侧导电材料溶液中5min,真空干燥处理,制备得到基于氨纶衬底层的柔性应变传感器。
实施例2
S1:称取0.05g聚乙二醇脂肪酸酯作为修饰层材料加入到20mL去离子水中,80℃下搅拌溶解,制得浓度为2.5mg/mL的聚乙二醇脂肪酸酯的水溶液,作为修饰层溶液;
S2:将棉包氨纶纤维衬底层置于上述修饰层溶液中浸渍处理10min,去离子水冲淋去除多余溶液,室温干燥,制备得到聚乙二醇脂肪酸酯修饰层包裹的棉包氨纶纤维衬底层;
S3:0.05g氧化石墨烯内侧导电材料加入20mL去离子水中,超声处理至材料均匀分散,制得氧化石墨烯水溶液,作为内侧导电材料水溶液;
S4:将聚乙二醇脂肪酸酯修饰层包裹的氨纶衬底层浸渍于制备好的氧化石墨烯水溶液中10min,室温干燥后,重复上述浸渍操作7次,直至氧化石墨烯内侧导电材料均匀、致密包裹于棉包氨纶纤维衬底层表面;
S5:将0.12g炭黑、0.06g银纳米线溶于石脑油中,超声处理2h后搅拌处理0.5h,接着加入2g聚二甲基硅氧烷基体材料,继续搅拌处理1.5h,制得外侧导电结构层所需的外侧导电材料溶液;
S6:将包裹有氧化石墨烯内侧导电材料的棉包氨纶衬底层浸渍于S5步骤中制备好的外侧导电材料溶液中5min,真空干燥处理,制备得到基于棉包氨纶衬底层的柔性应变传感器。
实施例3
S1:称取0.05g聚乙烯醇作为修饰层材料加入到20mL去离子水中,95℃下搅拌溶解,制得浓度为2.5mg/mL的聚乙烯醇的水溶液,作为修饰层溶液;
S2:将棉涤包芯纱纤维衬底层置于上述修饰层溶液中浸渍处理10min,去离子水冲淋去除多余溶液,室温干燥,制备得到聚乙烯醇修饰层包裹的棉涤包芯纱纤维衬底层;
S3:0.05g MXenes内侧导电材料加入20mL去离子水中,超声处理至材料均匀分散,制得MXenes水溶液,作为内侧导电材料水溶液;
S4:将聚乙烯醇修饰层包裹的棉涤包芯纱衬底层浸渍于制备好的MXenes水溶液中10min,室温干燥后,重复上述浸渍操作7次,直至MXenes内侧导电材料均匀、致密包裹于棉涤包芯纱纤维衬底层表面;
S5:将0.12g银纳米颗粒、0.06g金纳米棒溶于石脑油中,超声处理2h后搅拌处理0.5h,接着加入2g硅橡胶基体材料,继续搅拌处理1.5h,制得外侧导电结构层所需的外侧导电材料溶液;
S6:将包裹有包裹有MXenes内侧导电材料的棉涤包芯纱衬底层浸渍于S5步骤中制备好的外侧导电材料溶液中5min,真空干燥处理,制备得到基于棉涤包芯纱衬底层的柔性应变传感器。
图3是实施例1制备的柔性应变传感器在不同应变加载卸载速度下的电阻动态响应曲线,其在不同加载卸载速度时应变电阻曲线保持得较稳定,未发现较大漂移和不稳定现象。
图4、图5、图6分别是实施例1制备的柔性应变传感器在10%、30%、50%拉伸应变下电阻响应曲线及其线性度的可决系数R2,如图最小二乘线性拟合所示,该传感器线性度可决系数均大于0.992,说明其具有线性度参数优异,即拉伸状态下应变电阻曲线具有较好的线性。
图7是实施例1制备的柔性应变传感器的响应时间曲线,响应时间约为60ms,响应速度可满足实时形变监测的要求。
图8是实施例1制备的柔性应变传感器在30%循环拉伸应变时的长期稳定性曲线。应变加载初期,电阻出现小幅度的漂移,之后基本趋于稳定,表明其具有较好的长期稳定性和耐久性。
图9是实施例1制备的柔性应变传感器布置于人手指上用于监测不同手势姿态的响应曲线,如图9,随着手指弯曲程度的增加,电阻曲线出现了两个阶梯状响应,且阶梯范围内电阻较稳定,可用于数据手套、手势监测器件的集成设计,实现对手势动作的实时有效监测,在可穿戴电子、人机交互、灵巧手主从系统、遥操作系统等领域具有广泛的应用前景。
本发明结构新颖,运行稳定,本发明在使用时,以以高柔韧性、比表面积大、疏松多孔状纤维为柔性纤维衬底层1,以鱼类感觉器官侧线鳞结构为启发,在衬底周围构筑双导电层结构的复合导电材料体系,构筑纤维衬底层-修饰层-双导电层结构的层状传感结构的全新应变传感体系,融合柔性纤维衬底与双导电层结构中多相材料的优势,可将物理形变信息转换成可用输出电信号的柔性应变传感器,本发明传感器的双导电层结构具有协同作用,当外侧导电层中导电网络发生断裂时,内侧导电层中导电材料通过填充保持外侧导电网络的连续性,削弱形变造成的传感器电阻的突变,确保应变与电阻关系的高线性,因此使得本发明线性度高、响应恢复速度快,通过图3-9可以看出本发明所制得的柔性应变传感器响应快、线性度参数优且稳定;且制备过程采用简易可控的旋涂-浸渍工艺,容易实现大规模制备,降低工业领域的制备成本。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,其特征在于,包括:
由纤维丝螺旋为柱状的柔性纤维衬底层(1),所述柔性纤维衬底层外包裹了用于黏附内侧导电结构层(3)与所述柔性纤维衬底层(1)的修饰层(2),所述修饰层外包裹了内侧导电结构层(3),所述内侧导电结构层采用的导电材料为片状结构,所述内侧导电结构层外包裹了外侧导电结构层(4),所述外侧导电结构层采用的导电材料为线状结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,其特征在于,所述柔性纤维衬底层(1)采用的柔性纤维选自氨纶纤维、棉包氨纶纤维、棉涤包芯纱纤维、聚酰胺纤维、涤纶纤维、丙烯酸纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,其特征在于,所述修饰层(2)采用的材料为聚乙二醇、聚乙二醇脂肪酸酯、聚乙烯醇、硅烷偶联剂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,其特征在于,所述内侧导电结构层(3)中导电材料采用石墨烯、氧化石墨烯、黑磷、二维导电聚合物,二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物中的一种。
5.根据权利要求5所述的一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,其特征在于,所述二维导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩。
6.根据权利要求1所述的一种用于手势姿态监测的柔性应变传感器,其特征在于,所述外侧导电结构层(4)包含基体材料和导电材料,所述基体材料包括硅橡胶、聚二甲基硅氧烷;所述导电材料是以下单相材料:碳纳米管、金纳米线、银纳米线、铜纳米线、铂纳米线、金纳米棒,或是上述材料单相材料与炭黑、金纳米颗粒、银纳米颗粒种的至少一种组成的多相导电材料。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的柔性应变传感器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:称取一定量修饰层材料加入到去离子水中,50~95℃下搅拌溶解,制得一定浓度的修饰层溶液;
S2:将柔性纤维衬底层置于上述修饰层溶液中浸渍处理5~30min,去离子水冲淋去除多余溶液,室温干燥,制备得到修饰层包裹的柔性纤维衬底层;
S3:将一定量内侧导电材料加入去离子水中,超声处理至材料均匀分散,得到内侧导电材料水溶液;
S4:将修饰层包裹的柔性纤维衬底层浸渍于制备好的内侧导电材料水溶液中5~30min,室温干燥后,重复上述浸渍操作若干次,直至内侧导电材料均匀、致密包裹于柔性纤维表面;
S5:将一定量内侧导电单相材料或两相材料按照一定比例溶于石脑油中,超声处理1~3h后搅拌处理0.5~2h,接着加入一定量的基体材料,继续搅拌处理0.5~2h,得到外侧导电材料溶液;
S6:将包裹有内侧导电材料的柔性纤维衬底层浸渍于制备好的外侧导电材料溶液中5~10min,真空干燥处理,制备得到用于手势姿态监测的柔性应变传感器。
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