CN113654695A - 新型氨纶纤维应变式电阻传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型氨纶纤维应变式电阻传感器件及其制备方法，其中氨纶纤维应变式电阻传感器件包括基底层、导电层和封装层；在导电层两端固定引出导电金属铜线。通过分析传感器两端的电阻性质，可以得到传感器此时的力学状态。本发明灵敏度高且具有较宽的感应范围，能够对外界作用做出快速及时的响应，在智能织物、医疗康复、可穿戴设备等领域具有一定的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，具体涉及一种新型氨纶纤维应变式电阻传感器及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子技术的发展，面对各种复杂的应用场景，人们对柔性传感器的性能提出越来越高的要求。其中，使用最普遍的柔性力敏电阻传感器按照所处理力学信号的不同可以分为压阻式力敏电阻传感器和应变式力敏电阻传感器，分别与检测压力信号和检测拉伸信号对应。然而，受到器件微结构的限制，对于使用单一材料制备的柔性力敏电阻传感器，往往很难同时实现高的检测灵敏度和宽的感应范围。
MXene是一类二维无机化合物。这些材料通常由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成，其表面有羟基和末端氢，这种结构使之有着过渡金属碳化物的金属导电性。在柔性力敏传感器件领域，MXene作为一种优良的导电材料得到了广泛的应用。然而，MXene材料本身存在一定的脆性，在承受较大外力时易受到不可逆的损伤。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种新型氨纶纤维应变式电阻传感器及其制备方法，解决单一材料的力敏电阻传感器不能同时实现高灵敏度和宽感应范围的问题。
技术方案：本发明提供的新型氨纶纤维应变式电阻传感器，包括基底层、导电层、封装固定层和导线电极；基底层、导电层和封装固定层由内到外依次设置，导线电极分别与导电层的两端连接，用于导电层电信号的引出。
所述基底层采用六股编织的氨纶包覆纱纤维制成。
所述导电层由重复滴涂的MXene材料组成。
所述封装固定层为水性聚氨酯涂层。
所述导线电极为铜导线电极，通过银极胶与导电层粘合。
本发明所述的氨纶纤维应变式电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，基底层的制作；
取一根氨纶包覆纱，将其等分成多段氨纶包覆纱，将等分成多段的氨纶包覆纱再编织成一根多股绳，形成编织后的氨纶包覆纱；
步骤2，导电层的制作；
加热台温度设置为50℃，将编织后的氨纶包覆纱放在加热台上，使用MXene悬浮液对编织后的氨纶包覆纱进行滴涂，待溶液自然蒸干后，再次滴涂并蒸干，如此重复共3次；得到覆盖导电层的氨纶包覆纱；
步骤3，导线电极的制作；
取覆盖导电层的氨纶包覆纱，在氨纶包覆纱上靠近两端的位置分别缠绕铜导线作为导线电极，再在绕线处均匀涂覆导电银极胶，并置于50℃的加热台上，待银极胶凝固。
步骤4，滴涂水性聚氨酯覆盖导电层及银极胶，置于通风处等待水性聚氨酯干燥，即得到氨纶纤维应变式电阻传感器。
进一步的，步骤1中基底层的制作具体为：将一根氨纶包覆纱等分成六段氨纶包覆纱，每三段一编，按麻花辫的手法编织成一根三股绳，再将两根三股绳拧成一根六股绳，形成编织后的氨纶包覆纱。
有益效果：本发明能够实现对宽范围的拉升信号的高灵敏度检测，当拉伸应变不超过40％时，传感器样品的GF值为5.82，当拉伸应变在40％～50％范围内时，传感器样品的GF值为46.61；本发明的传感器基底采用六股编织的氨纶包覆纱纤维，六股编织的方式很大程度地保留了单股氨纶包覆纱的表面积，保证了传感器的强度和灵敏度；本发明在快速的拉伸释放过程中可以做到及时响应，本发明具有良好的稳定性；本发明制作过程简单，使用原料少，器件灵敏度高，可重复性好，在智能织物、医疗康复、可穿戴设备等领域具有一定的应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的表面扫描电镜照片。
图3是本发明的一种应用展示。
图4是本发明传感器与外部测量电路连接图。
图5是在不同手势下采集到的本发明传感器的电阻变化图。
其中，1、基底层；2、导电层；3、封装固定层。
具体实施方法
下面结合附图对本发明进行进一步说明
如图1所示，本发明提供的新型氨纶纤维应变式电阻传感器，包括基底层、导电层、封装固定层和导线电极；基底层、导电层和封装固定层由内到外依次设置，导线电极分别与导电层的两端连接，用于导电层电信号的引出。
其中，基底层使用六股编织的氨纶包覆纱纤维制成，编织方法是先将三股氨纶包覆纱纤按麻花辫的手法编织成氨纶包覆纱纤麻花辫，再将两根氨纶包覆纱纤麻花辫拧成一股绳。
导电层使用5mg/ml的MXene悬浮液重复滴涂三次制成，每次滴涂应覆盖氨纶包覆纱基底，这样做可以使MXene悬浮液充分浸润氨纶包覆纱基底，使得氨纶包覆纱能够被MXene充分覆盖，使器件具有更好的导电性。图1中只展示了基底层、导电层和封装固定层，并没有展示出导线电极及其与导电层的连接关系。MXene凝固后应避免过长时间加热，因为MXene具有脆性，长时间加热可能会破坏结构，使导电能力下降。
封装固定层使用的是水性聚氨酯，水性聚氨酯应包裹住整个传感器件，只露出铜导线电极。
本发明传感器电阻变化的原理是，由于绝缘的氨纶纤维表面存在导电的MXene涂层，可以将它视为弯曲的导电膜结构包裹在器件外部。而氨纶纤维在外部拉力作用下会发生形变，由于MXene涂层与氨纶纤维紧密贴合，MXene涂层的完整性会遭到破坏，内部的导电通道发生断裂与重组，产生的微裂纹的数目与宽度也会发生变化。由于微裂纹的产生及其数目、宽度的变化，MXene涂层中的导电微粒接触点数量、接触点面积非线性地减小，导致电阻率的增加。随着应变的增加，本发明传感器整体电阻会发生非线性增加。
图2是传感器样品的表面扫描电镜照片，在500um的尺度下，可以看出，经过重复滴涂MXene悬浮液的氨纶包覆纱表面覆盖一层水性聚氨酯。如图3所示的一种本发明传感器的一种具体应用展示，将五根氨纶纤维应变式传感器两端固定在手指关节处，所述五根氨纶纤维应变式传感器的长度分别与五根手指的长度相匹配。五根氨纶纤维应变式传感器与外部测量电路连接，通过对五根氨纶纤维应变式传感器共计十个端口的电学信号的处理分析，可以稳定精准的判断各个手指的状态以达到手势判别、人机交互等目的。具体五根氨纶纤维应变式传感器与外部测量电路连接图如图4所示，展示了灵动微电子公司的MM32单片机采样电阻的电路图，R1～5为待检测电阻，即对应固定在手指上的五根氨纶纤维应变式传感器，R6～10为固定阻值的参考电阻，取47千欧。电路采样原理为分压式检测，将5V的VCC通过电阻分压后得到电压信号，通过单片机ADC-DMA传入RAM中供单片机CPU读取，单片机将检测到的数据串口通讯发送至PC机，在PC端利用MATLAB做数据的可视化处理，如图5展示的是各种手势下得到的数据显示图。
本发明的新型氨纶纤维应变式电阻传感器的制备方法：
步骤1，基底层的制作；
取一根长度约为待制传感器长度六倍的氨纶包覆纱，六等分后每三股一编，按麻花辫的手法编织，再将两根三股绳拧成一根六股绳，将编织好的六股绳在水中浸润一下，方便之后将MXene的浸润。
步骤2，滴涂MXene导电层；
将加热台调至50℃左右，待温度稳定后，将编好的氨纶包覆纱放置在加热台上，用橡胶滴管取5mg/ml的MXene悬浮液滴在绳子上，使氨纶包覆纱被黑色的MXene溶液完全浸润，静置，待MXene凝固，待表面观察不到明显的水分后，再次滴涂MXene悬浮液，如此重复共3次左右。
步骤3，导线电极的制作
取滴涂好MXene后的六股氨纶包覆纱，用两根铜导线在绳子两端约8mm的范围内各缠绕5周左右，再在绕线处均匀涂覆一层导电银极胶，仍将传感器置于50℃的加热台上，待银极胶凝固，注意银极胶在不凝固时不会导电。
步骤4，包覆水性聚氨酯
首先，取一定量的水性聚氨酯溶液于培养皿中，将凝固后并粘结好导电银极和铜线的传感器样品浸于水性聚氨酯溶液中，使之完全浸润后取出，在通风干燥待水性聚氨酯干燥，形成对传感器的封装和固定。之后，便得到制作好的新型氨纶纤维应变式电阻传感器。
Claims (7)
1.新型氨纶纤维应变式电阻传感器，其特征在于，包括基底层、导电层、封装固定层和导线电极；基底层、导电层和封装固定层由内到外依次设置，导线电极分别与导电层的两端连接，用于导电层电信号的引出。
2.根据权利要求1所述新型氨纶纤维应变式电阻传感器，其特征在于，所述基底层采用六股编织的氨纶包覆纱纤维。
3.根据权利要求1所述新型氨纶纤维应变式电阻传感器，其特征在于，所述导电层由重复滴涂的MXene材料组成。
4.根据权利要求1所述新型氨纶纤维应变式电阻传感器，其特征在于，所述封装固定层为水性聚氨酯涂层。
5.根据权利要求1所述新型氨纶纤维应变式电阻传感器，其特征在于，所述导线电极为铜导线电极，通过银极胶与导电层粘合。
6.新型氨纶纤维应变式电阻传感器的制备方法，其特征在于，其制作过程包括以下步骤：
步骤1，基底层的制作；
取一根氨纶包覆纱，将其等分成多段氨纶包覆纱，将等分成多段的氨纶包覆纱再编织成一根多股绳，形成编织后的氨纶包覆纱；
步骤2，导电层的制作；
将编织后的氨纶包覆纱放在加热台上，使用MXene悬浮液对编织后的氨纶包覆纱进行滴涂，待溶液自然蒸干后，再次滴涂并蒸干，如此重复共3次；得到覆盖导电层的氨纶包覆纱；
步骤3，导线电极的制作；
取覆盖导电层的氨纶包覆纱，在氨纶包覆纱上靠近两端的位置分别缠绕铜导线作为导线电极，再在绕线处均匀涂覆导电银极胶，并置加热台上，待银极胶凝固。
步骤4，滴涂水性聚氨酯覆盖导电层及银极胶，等待水性聚氨酯干燥，即得到氨纶纤维应变式电阻传感器。
7.根据树种要求6所述新型氨纶纤维应变式电阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中具体为：将一根氨纶包覆纱等分成六段氨纶包覆纱，每三段一编，按麻花辫的手法编织成一根三股绳，再将两根三股绳拧成一根六股绳，形成编织后的氨纶包覆纱。
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| CN114295698B (zh) * | 2021-12-31 | 2024-02-02 | 东南大学 | 新型纤维式汗液离子检测传感器及其制备方法 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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