CN113624121A - 一种纤维式摩擦电应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维式摩擦电应变传感器，由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线或蛇形结构，所述纤维式摩擦电应变传感器，以旋转喷墨打印技术将螺旋线结构工作电极沉积于纤维基底上，在纤维基底层上制备摩擦电应变传感器，实现了在纤维基底层上快速构建螺旋线结构导电网络，保证器件具有高延展性和更大测试范围；而且纤维基底的摩擦电应变传感器具有轻质、低成本的特性，优异的穿戴体验和简单的制造工艺为后续纺织成大面积智能织物提供基础；同时，摩擦电应变传感器是一种自供能自驱动传感元件，不需要外加电源以实现应变检测，可穿戴智能电子产品领域具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其是一种纤维式摩擦电应变传感器。
背景技术
应变传感器的传感机理主要依赖于材料几何变化、压容和压阻等宏观机制，以及传感元件界面脱附、薄膜中的裂纹扩展和隧道效应等微观机制。近年来，在个性化健康监测、人体运动检测、人机界面、软机器人、虚拟现实技术等应用中,可皮肤安装和可穿戴的应变传感器作为核心器件发挥重要作用，其性能将影响柔性可穿戴设备的性质、性能与未来发展趋势。
纤维已成为纺织织造、智能织物的基础材料，以纤维为基本单元设计制备的智能化传感器件可用于信息采集、处理融合。纤维状应变传感装置能够实现外力的灵敏检测，在电子纺织品中的应用中具有广阔的前景。目前，大多数可拉伸纤维导体采用混纺或涂覆方法将弹性纤维与导电填料整合在一起，在外力作用下改变导电填料之间的接触状态。导电填料之间的接触决定导电性，在拉伸过程中，导电填料可能彼此分离，导致导电性下降。导电填料的填充会降低柔性纤维的延展性，影响柔性电子设备的穿戴体验。此外，摩擦起电效应将环境中的各形式机械能转换为电能，具有无污染、结构简单、低成本、可收集低频机械能等优点，是解决可穿戴电子元件能源问题的重要策略，摩擦电传感元件的设计和应用为可穿戴电子市场创造了广阔的前景。因此，具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器既具有纤维特有的轻质、舒适穿戴性和易于与织物集成的优良特性，又具有基于摩擦电的自供能传感特性，同时可拉伸螺旋线结构的设计保证了高弹性回复率、检测的灵敏性和稳定性。然而，如何在纤维表面快速、低成本构建稳定的可拉伸导电网络依旧是技术挑战。
纤维式摩擦电应变传感器通过旋转喷墨打印工艺在弹性纤维表面构筑螺旋线结构，分别解决了应变传感器在外反复作用下的导电性下降和加工工艺复杂成本高不利于批量生产的问题。从材料的角度采用高延展性的弹性聚合物纤维增大了测试范围，从器件的角度采用螺旋线结构工作电极保证了传感特性的稳定，从加工工艺角度旋转喷墨打印使制作工艺简单成本降低。
然而，尽管已经报道了若干纤维式应变传感器的制备方法，但以旋转喷墨打印为方法在纤维基底打印螺旋线结构工作电极的摩擦电应变传感器仍然存在三个主要的技术挑战，包括：1、在纤维基底上制备螺旋线结构电极需保证工作电极形成稳定导电网络。2、在纤维基底上制备的摩擦电应变传感器应具有优良的传感性能。3、制备的纤维式应变传感器应具有舒适的穿戴体验和良好穿戴性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种纤维式摩擦电应变传感器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种纤维式摩擦电应变传感器，由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层，其中，所述纤维基底层的材料为具有良好生物兼容性的柔性可拉伸聚合物(弹性聚合物纤维)，所述工作电极层的材料为导电材料，所述封装层的材料为柔性可拉伸聚合物，所述纤维基底层和工作电极层置于封装层内，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线或蛇形结构。
上述纤维式摩擦电应变传感器，在外力作用下所述工作电极层和封装层在拉伸挤压下产生应变，使得所述工作电极层和封装层的接触状态发生变化，所述工作电极层与封装层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生够表征所述应变的电学输出。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器，所述纤维基底层的材料为聚氨酯、硅胶、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚醚醚酮、聚甲醛和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器，所述工作电极层的材料为金属、合金、导电氧化物和/或碳基材料。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器，所述工作电极层的材料为金、银、铝、铜、氧化铟锡、纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、银纳米线、石墨烯、碳纳米管、活性炭、导电炭黑和/或Mxene。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器，所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯、尼龙和/或聚四氟乙烯。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器，所述工作电极层具有螺旋线结构，所述纤维基底层的纤维直径为0.5-3mm，旋转喷墨打印以200Hz出墨频率、10转/min的旋转速度和10mm/min的水平位移速度打印50匝工作电极层，纤维基底层下方用90℃的加热平台进行墨迹烘干。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器，所述工作电极层的螺旋线结构为单螺旋线结构、双平行螺旋线结构、双交叉螺旋线结构、多平行螺旋线结构、多交叉螺旋线结构、单蛇形线结构、双平行蛇形线结构、双交叉蛇形线结构、多平行蛇形线结构和/或多交叉蛇形线结构。
上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，基于旋转喷墨打印技术制造出具有螺旋线或蛇形导电结构的摩擦电应变传感器。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，基于旋转喷墨打印技术将具有优异导电性的螺旋线结构电极打印在固定在转台上的纤维基底表面，螺旋线结构的良好伸缩性大幅度提升应变传感器的测试范围。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，所述旋转喷墨打印技术为单通道旋转喷墨打印、多通道旋转喷墨打印和/或阵列旋转喷墨打印。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，具体步骤为：
(1)将原始纤维基底在乙醇和去离子水中分别超声清洗15min，并在氮气流中干燥，获得干燥洁净的纤维基底；
(2)将步骤(1)所得的纤维基底进行氧气等离子体预处理，在100Hz功率下处理1min，获得具有活性表面的纤维基底；
(3)利用旋转喷墨打印技术在步骤(2)所得的纤维基底表面上打印螺旋线结构的工作电极；
(4)将步骤(3)所得的具有螺旋线结构工作电极的纤维基底放置于120℃烤箱中，烘烤10min，获得稳定工作电极层；
(5)将步骤(4)所得的具有螺旋线结构的纤维基底(3)放置于中空模具中；
(6)注入封装层材料并固化；
(7)将固化后的纤维从模具中脱出，从而获得具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，所述步骤(2)中纤维基底材料为弹性聚合物纤维基底材料，在氧气等离子体预处理后，需要进行表面功能化处理，包括但不限于官能团修饰。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，所述步骤(3)中将步骤(2)所得的纤维基底(3)两端通过夹具(2)固定于旋转轴(1)上，以10转/min的旋转速度正向或反向旋转，在气控装置控制下，喷墨打印喷头(4)在-8Pa压力下以200Hz出墨频率在纤维基底(3)上打印工作电极层，所述纤维基底(3)下方放置可调加热平台5，在90℃对打印于纤维基底的墨迹进行烘干。
优选的，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，所述旋转轴(1)固定于水平位移平台(6)上，可通过控制位移平台6平移距离调控有效打印长度，可通过控制位移平台(6)移动速度进而调节螺旋线间距，可通过控制旋转轴(1)旋转时间调控螺旋线匝数，可通过相同位置喷墨打印次数控制工作电极层厚度；可通过控制不同位置喷墨打印螺旋线数量和螺旋线旋转方向调控工作电极层形态。
有益效果：
上述纤维式摩擦电应变传感器，以旋转喷墨打印技术将螺旋线结构工作电极沉积于纤维基底上，在纤维基底层上制备摩擦电应变传感器，实现了在纤维基底层上快速构建螺旋线结构导电网络，保证器件具有高延展性和更大测试范围，对于制备可穿戴智能电子产品具有深远影响；此外，通过调控旋转喷墨打印工艺参数可有效控制螺旋线结构和形态，包括但不限于整体长度、螺旋线间距、匝数、工作电极宽度和厚度、螺旋线数量、旋转方向等，加工工艺简单、成本低、可批量生产；而且纤维基底的摩擦电应变传感器具有轻质、低成本的特性，优异的穿戴体验和简单的制造工艺为后续纺织成大面积智能织物提供基础；同时，摩擦电应变传感器是一种自供能自驱动传感元件，不需要外加电源以实现应变检测，可穿戴智能电子产品领域具有很大的应用前景。
附图说明
图1是本发明提出的具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器的旋转喷墨打印制备过程图；
图2是本发明提出的螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器结构示意图。
图中：1：旋转轴；2：夹具；3：纤维基底；4：喷墨打印喷头；
5：加热平台；6：位移平台；7：纤维基底层；8：工作电极层；
9：封装层
具体实施方式
实施例1
如图2所示，所述纤维式摩擦电应变传感器，由内而外依次为纤维基底层7、工作电极层8和封装层9，其中，所述纤维基底层的材料为高延展性和高弹性回复率的聚合物纤维，所述工作电极层的材料为导电材料，所述封装层的材料为具有良好生物兼容性的柔性可拉伸聚合物，所述纤维基底层和工作电极层置于封装层内，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线结构。所述纤维基底层的材料为聚氨酯(也可以是硅胶、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚醚醚酮、聚甲醛和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯)，所述工作电极层的材料为石墨烯(也可以是金、银、铝、铜、氧化铟锡、纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、银纳米线、碳纳米管、活性炭、导电炭黑和/或Mxene)，所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷(也可以是聚对二甲苯、尼龙和/或聚四氟乙烯)。
所述工作电极层具有单螺旋线结构(也可以为双平行螺旋线结构、双交叉螺旋线结构、多平行螺旋线结构、多交叉螺旋线结构、单蛇形线结构、双平行蛇形线结构、双交叉蛇形线结构、多平行蛇形线结构和/或多交叉蛇形线结构)，所述纤维基底层的纤维直径约为1.5mm，旋转喷墨打印以200Hz的出墨频率、10转/min的旋转速度和10mm/min的水平位移速度打印50匝工作电极层，纤维基底层下方用90℃的加热平台进行墨迹烘干。
上述螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器，在外力作用下工作电极层产生应变，使得所述工作电极层的电阻发生变化，使得电学输出对应发生变化，从而实现了电学输出与应变关系的对应，通过电学输出实现应变的表征。
如图1所示，上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，基于旋转喷墨打印技术将具有优异导电性的螺旋线结构电极打印在固定在转台上的纤维基底表面，所述旋转喷墨打印技术为单通道旋转喷墨打印(也可以为多通道旋转喷墨打印和/或阵列旋转喷墨打印)，所述纤维式摩擦电应变传感器通过旋转喷墨打印技术将螺旋线结构的工作电极层打印在固定在转台上的纤维基底层表面，通过高弹性纤维基底层和可拉伸螺旋线结构工作电极层使摩擦电应变传感器具有更大的测量范围，上述螺旋线结构工作电极层的喷墨打印厚度对摩擦电应变传感器的电学输出具有影响。而且纤维基底层的摩擦电应变传感器加工工艺简单成本低，易于大批量加工制作，同时器件质轻有舒适的穿戴体验。具体制备步骤如下：
步骤1：将干燥清洁的纤维基底3通过夹具2固定于旋转轴1上。
步骤2：喷墨打印喷头4在气控装置控制下在-8Pa压力下以200Hz的出墨频率在纤维基底3上进行喷墨打印。
步骤3：控制位移平台6移动速度、距离调控螺旋线间距和打印长度。控制旋转轴1旋转时间调控螺旋线匝数。控制相同位置旋转喷墨打印次数调控工作电极厚度。控制不同位置旋转喷墨打印次数和打印方向调控螺旋线数量和形态。在一个示例中，旋转轴1以10转/min的旋转速度旋转，位移平台6以10mm/min移动，旋转时间为5min，正向旋转打印1次，可得到总长度为5cm，间距为1mm，共50匝的螺旋线工作电极层。
步骤4：纤维基底3下方放置加热平台5，在90℃对打印于纤维基底的墨迹进行烘干。
步骤5：将步骤4所得的具有螺旋线结构工作电极的纤维基底放置于120℃烤箱中，烘烤10min，获得稳定工作电极层。
步骤6：将步骤5所得的具有螺旋线结构的纤维基底放置于中空模具(例如，商用细管)中，注入封装层材料并固化。
步骤7：将固化后的纤维从模具中脱出，从而获得具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器。
上述纤维式摩擦电应变传感器：
1、采用弹性聚合物纤维基底和可拉伸的螺旋线结构工作电极，具有更高的延展性和弹性回复率，应变传感器具有更大的测试范围。
2、采用旋转喷墨打印技术打印螺旋线结构工作电极在纤维基底表面，具有制备简单，成本低廉等优点，同时纤维基底摩擦电应变传感器具有质轻、穿戴舒适等优良特性。
3、采用螺旋线结构工作电极的摩擦电应变传感器，具有良好的延展性和高弹性回复率，可以大范围测量应变情况，并且在多次应变-恢复循环后保持较好的循环性能，具有稳定性好、寿命长的特点。
4、采用纤维基底的摩擦电应变传感器具有舒适的穿戴体验，增加了用户的舒适度。
5、在外力作用下工作电极层产生应变，使得所述工作电极层的电阻发生变化，使得电学输出对应发生变化，从而实现了电学输出与应变关系的对应，通过电学输出实现应变的表征。
6、螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器对于可穿戴智能电子产品具有广泛的应用前景。
上述具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器经过编织集成可作为智能手套使用。智能手套是人机交互实现灵巧操作的核心部件，深入研究人手动作捕捉和人手动作识别是实现智能手套的基础。螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器纺织于手套中可实现自供电传感，无需外部刚性能源，灵敏稳定捕捉手部运动，质轻和舒适的穿戴体验也提高了智能手套功能性和穿戴性。
可见，通过旋转喷墨打印技术获得的具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器易于与织物集成，从而成为一体化自供电应变传感系统，可应用于虚拟现实手部运动同步识别。相对于大多数纤维基传感器，具有更大的测试范围，同时旋转喷墨打印制造工艺简单、成本低易于批量制造，螺旋线结构工作电极的设计使摩擦电传感器具有高延展性和高弹性恢复率，且作为一种自供能传感元件，摩擦电应变传感器易于与纺织品集成，满足纺织品所需的灵活性、舒适性和轻便性，具有穿戴舒适度高易于与织物集成等优点，对于可穿戴智能电子产品的发展具有深远影响。
综上，本申请基于旋转喷墨打印技术实现了在曲面的纤维基底上制备具有螺旋线结构工作电极的摩擦电应变传感器，而且这种弹性聚合物纤维基底具有更高的延展性，可具有更大的测试范围；而且具有轻质、低成本的特性，优异的穿戴体验和简单的制造工艺易于后续纺织成大面积智能织物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层，其中，所述纤维基底层的材料为具有良好生物兼容性的柔性可拉伸聚合物，所述工作电极层的材料为导电材料，所述封装层的材料为柔性可拉伸聚合物，所述纤维基底层和工作电极层置于封装层内，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线或蛇形结构。
2.根据权利要求1所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述纤维基底层的材料为聚氨酯、硅胶、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚醚醚酮、聚甲醛和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯；所述工作电极层的材料为金属、合金、导电氧化物和/或碳基材料；所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯、尼龙和/或聚四氟乙烯。
3.根据权利要求2所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述工作电极层的材料为金、银、铝、铜、氧化铟锡、纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、银纳米线、石墨烯、碳纳米管、活性炭、导电炭黑和/或Mxene。
4.根据权利要求1所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述工作电极层具有螺旋线结构，所述纤维基底层的纤维直径为0.5-3mm，旋转喷墨打印以200Hz出墨频率、10转/min的旋转速度和10mm/min的水平位移速度打印50匝工作电极层，纤维基底层下方用90℃的加热平台进行墨迹烘干。
5.根据权利要求1所述的纤维式摩擦电应变传感器，其特征在于：所述工作电极层的螺旋线结构为单螺旋线结构、双平行螺旋线结构、双交叉螺旋线结构、多平行螺旋线结构、多交叉螺旋线结构、单蛇形线结构、双平行蛇形线结构、双交叉蛇形线结构、多平行蛇形线结构和/或多交叉蛇形线结构。
6.权利要求1所述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：基于旋转喷墨打印技术制造出具有螺旋线或蛇形导电结构的摩擦电应变传感器。
7.根据权利要求6所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：具体步骤为：
(1)将原始纤维基底在乙醇和去离子水中分别超声清洗15min，并在氮气流中干燥，获得干燥洁净的纤维基底；
(2)将步骤(1)所得的纤维基底进行氧气等离子体预处理，在100Hz功率下处理1min，获得具有活性表面的纤维基底；
(3)利用旋转喷墨打印技术在步骤(2)所得的纤维基底表面上打印螺旋线结构的工作电极；
(4)将步骤(3)所得的具有螺旋线结构工作电极的纤维基底放置于120℃烤箱中，烘烤10min，获得稳定工作电极层；
(5)将步骤(4)所得的具有螺旋线结构的纤维基底(3)放置于中空模具中；
(6)注入封装层材料并固化；
(7)将固化后的纤维从模具中脱出，从而获得具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器。
8.根据权利要求7所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中纤维基底材料为弹性聚合物纤维基底材料，在氧气等离子体预处理后，需要进行表面功能化处理，包括但不限于官能团修饰。
9.根据权利要求7所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中将步骤(2)所得的纤维基底(3)两端通过夹具(2)固定于旋转轴(1)上，以10转/min的旋转速度正向或反向旋转，在气控装置控制下，喷墨打印喷头(4)在-8Pa压力下以200Hz出墨频率在纤维基底(3)上打印工作电极层，所述纤维基底(3)下方放置可调加热平台5，在90℃对打印于纤维基底的墨迹进行烘干。
10.根据权利要求9所述的纤维式摩擦电应变传感器的制备方法，其特征在于：所述旋转轴(1)固定于水平位移平台(6)上，可通过控制位移平台6平移距离调控有效打印长度，可通过控制位移平台(6)移动速度进而调节螺旋线间距，可通过控制旋转轴(1)旋转时间调控螺旋线匝数，可通过相同位置喷墨打印次数控制工作电极层厚度；可通过控制不同位置喷墨打印螺旋线数量和螺旋线旋转方向调控工作电极层形态。
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