CN113820049A - 一种织物压力传感器及其制备方法及织物压力传感器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种织物压力传感器，包括纤维基压敏层以及织物基压敏层，纤维基压敏层包括导电纱线以及包覆在导电纱线的表面的第一压敏涂层，织物基压敏层包括织物层以及在织物层上依次设置的电极层和第二压敏涂层，纤维基压敏层固定在织物基压敏层上。本发明具有良好的柔软性、耐疲劳性、透气性、灵敏度高以及准确率高的特点，解决了现有柔性传感器无法兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求的问题。相应地，本发明还提供了一种织物压力传感器制备方法及织物压力传感器阵列。

Description

一种织物压力传感器及其制备方法及织物压力传感器阵列
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，具体而言，涉及一种织物压力传感器及其制备方法及织物压力传感器阵列。
背景技术
近年来，随着人工智能、健康监测以及人机交互技术的发展，可穿戴器件逐渐成为研究热点。在实际应用中，柔性可穿戴器件具有更广阔的应用前景。以纤维和织物为基底制作的柔性器件为解决可穿戴器件穿着舒适性、贴合性差等问题提供了基础。
在现有技术中，柔性传感器一般包括纤维基压力传感器以及织物基压力传感器两种。纤维基压力传感器主要是通过将压敏的导电纱作为经纱或纬纱，然后与非导电纱织造成一体的柔性器件，或通过缝纫或刺绣等方式将导电纱固定在织物基材表面制备而成的柔性器件。此种纤维基压力传感器属于点接触，虽然耐疲劳性能好，但其存在灵敏度低的缺点。织物基压力传感器主要是通过在上下织物电极基材上涂覆一层压敏材料，再与中间隔离层组合而成的柔性器件，或将上下织物电极与中间压敏材料层组合成三明治结构的柔性器件。此种织物基压力传感器属于面接触，虽然灵敏度高，但其存在结构耐疲劳性能较差的缺点。
由此可见，现有柔性传感器要么灵敏度低，要么耐疲劳性能差，无法兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求，其结构有待改进。
发明内容
基于此，为了解决现有柔性传感器无法兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求的问题，本发明提供了一种织物压力传感器及其制备方法及织物压力传感器阵列，其具体技术方案如下：
一种织物压力传感器，包括纤维基压敏层以及织物基压敏层，所述纤维基压敏层包括导电纱线以及包覆在所述导电纱线的表面的第一压敏涂层，所述织物基压敏层包括织物层以及在所述织物层上依次设置的电极层和第二压敏涂层，所述纤维基压敏层固定在所述织物基压敏层上。
通过结合点接触的纤维基压力传感器以及面接触的织物基压力传感器的优点，所述织物压力传感器具有良好的柔软性、耐疲劳性、透气性、灵敏度高以及准确率高的特点，解决了现有柔性传感器无法兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求的问题。
进一步地，所述第一压敏涂层为包括聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒以及金属纳米颗粒的导电复合物。
进一步地，所述第一压敏涂层通过浸渍方式、浸轧方式或多次涂覆方式包覆在所述导电纱线的表面。
进一步地，所述第一压敏涂层的基体由热固性高分子材料制成。
进一步地，所述第一压敏涂层的厚度范围为10μm-1500μm。
一种织物压力传感器制备方法，包括如下步骤：
将聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒以及金属纳米颗粒按照预设比例混合均匀以得到导电复合物；
将所述导电复合物包覆在导电纱线的表面，得到纤维基压敏层；
先将电极层设置在织物层上，再将所述导电复合物设置所述电极层上，得到织物基压敏层；
将所述纤维基压敏层固定在所述织物基压敏层上，得到所述织物压力传感器。
通过所述织物压力传感器制备方法，无需注模脱模等复杂过程即可以连续化制备织物压力传感器，提高了生产效率，适合规模化生产。由于无需注模脱模等复杂过程，通过所述织物压力传感器制备方法，可以降低织物压力传感器的制备成本，并使制备获得的织物压力传感器可同时兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求，
进一步地，所述导电复合物的聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒与金属纳米颗粒的质量比为10-20：3-10：1-4，混合温度为20℃-28℃，混合时间为2h-8h。
进一步地，所述纤维基压敏层直接或通过绝缘织物固定在所述织物基压敏层上。
一种织物压力传感器阵列，包括上述所述的织物压力传感器。
由于所述织物压力传感器同时兼顾了灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求，故而所述织物压力传感器阵列适合应用在比如智能鞋垫、智能鞋、智能坐垫、智能呼吸带等各类智能纺织品中。
进一步地，所述织物压力传感器阵列还包括中间织物隔离层，所述织物压力传感器还包括绝缘织物，所述织物压力传感器的纤维基压敏层以及织物基压敏层均包括多个，多个所述纤维基压敏层相互平行且多个所述纤维基压敏层设在所述绝缘织物上，多个所述织物基压敏层相互平行，所述中间织物隔离层设在所述织物基压敏层与所述绝缘织物之间。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明一实施例中一种织物压力传感器未被施加压力时的剖面结构示意图；
图2是本发明一实施例中一种织物压力传感器被施加压力时的剖面结构示意图；
图3是本发明一实施例中一种织物压力传感器的整体结构示意图一；
图4是本发明一实施例中一种织物压力传感器的整体结构示意图二；
图5是本发明一实施例中一种织物压力传感器阵列的整体结构示意图；
图6是本发明一实施例中一种织物压力传感器在压力作用下的电阻信号示意图。
附图标记说明：
1、纤维基压敏层；2、织物基压敏层；3、绝缘织物；4、中间织物隔离层；5、透孔；110、导电纱线；120、第一压敏涂层；210、织物层；220、电极层；230、第二压敏涂层。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
如图1以及图2所示，本发明一实施例中的一种织物压力传感器，包括纤维基压敏层1以及织物基压敏层2，所述纤维基压敏层1包括导电纱线110以及包覆在所述导电纱线110的表面的第一压敏涂层120，所述织物基压敏层2包括织物层210以及在所述织物层210上依次设置的电极层220和第二压敏涂层230，所述纤维基压敏层1固定在所述织物基压敏层2上。
具体而言，所述导电纱线110用于输出电极，所述第一压敏涂层120用于感应压力变化，所述电极层220设置在织物层210上，所述第二压敏涂层230设置在所述电极层220上。所述纤维基压敏层1与所述织物基压敏层2呈交叉设置，所述导电纱线110以及电极层220均与信号采集模块电连接，所述信号采集模块通过检测所述导电纱线110以及电极层220反馈的电阻值来计算所述织物压力传感器所承受压力值。
如图6所示，所述织物压力传感器在施加压力的情况下，其输出电阻随着压力的增大而减小。当卸载压力后，所述织物压力传感器的输出电阻恢复到初始电阻。根据图6可以看出，本发明所述的织物压力传感器的输出电阻变化范围大，具有灵敏度高、分辨力高以及耐疲劳性能好的特点。经上百次循环施压后，所述织物压力传感器的性能仍保持95％以上。
通过结合点接触的纤维基压力传感器以及面接触的织物基压力传感器的优点，所述织物压力传感器具有良好的柔软性、耐疲劳性、透气性、灵敏度高以及准确率高的特点，解决了现有柔性传感器无法兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求的问题。
在其中一个实施例中，所述导电纱线110为金属导电纱线110、无机导电纱线110、有机导电纱线110中的一种或金属导电纱线110、无机导电纱线110、有机导电纱线110中两种以上的复合导电纱线110。所述金属导电纱线110包括但不限于为镀银导线、不锈钢导线、镀铜导线中的一种或多种。所述无机导电纱线110包括但不限于为碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维中的一种或多种。所述有机类导电纱线110包括但不限于为聚吡咯导线、聚噻吩导线、聚苯胺导线的一种或多种。
优选地，所述导电纱线110的基材为弹性纱线或非弹性纱线。
在其中一个实施例中，所述第一压敏涂层120为包括聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒以及金属纳米颗粒的导电复合物，所述第一压敏涂层120通过浸渍方式、浸轧方式或多次涂覆方式包覆在所述导电纱线110的表面。
在其中一个实施例中，所述第一压敏涂层120的基体由热固性高分子材料制成。具体而言，所述所述第一压敏涂层120的基体为热固性高分子材料制成制成的弹性体或非弹性体。
在其中一个实施例中，所述第一压敏涂层120的厚度范围为10μm-1500μm。
一种织物压力传感器制备方法，包括如下步骤：
将聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒以及金属纳米颗粒按照预设比例混合均匀以得到导电复合物；
将所述导电复合物包覆在导电纱线110的表面，得到纤维基压敏层1；
先将电极层220设置在织物层210上，再将所述导电复合物设置所述电极层220上，得到织物基压敏层2；
将所述纤维基压敏层1固定在所述织物基压敏层2上，得到所述织物压力传感器。
具体而言，所述固定方式包括机织、针织、缝纫、刺绣或粘贴等。
通过所述织物压力传感器制备方法，无需注模脱模等复杂过程即可以连续化制备织物压力传感器，提高了生产效率，适合规模化生产。由于无需注模脱模等复杂过程，通过所述织物压力传感器制备方法，可以降低织物压力传感器的制备成本，并使制备获得的织物压力传感器可同时兼顾灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求，
在其中一个实施例中，所述导电复合物的聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒与金属纳米颗粒的质量比为10-20：3-10：1-4，混合温度为20℃-28℃，混合时间为2h-8h。
在其中一个实施例中，所述纤维基压敏层1可直接固定在所述织物基压敏层2上或通过绝缘织物3固定在所述织物基压敏层2上。
下面将结合具体实施例对本发明所述一种织物压力传感器制备方法的实施方案进行详细描述。
实施例1：
一种织物压力传感器制备方法，包括以下步骤：
将聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒和纳米铜颗粒按照质量比16：5：3混合，并在室温下机械搅拌8小时，得到导电复合物；
将镀银导电纱线110通过装有所述导电复合物的涂覆装置，制备得到纤维基压敏层1；
先将导电金属材料通过丝网印刷的方式设置在织物层210上，制备得到电极层220，再在电极层220表面印刷所述导电复合物，制备得到织物基压敏层2；
将纤维基压敏层1通过缝纫的方式固定在织物基压敏层2上，制备得到压力传感器。
其中，所述涂覆装置的涂覆孔径为0.8mm，所述纤维基压敏层1与所述织物基压敏层2呈交叉设置。
在未施加压力的情况下，所述纤维基压敏层1的第一压敏涂层120与所述织物基压敏层2的第二压敏涂层230是微接触或不接触。当对所述纤维基压敏层1施加压力时，由于所述纤维基压敏层1的第一压敏涂层120与织物基压敏层2的第二压敏涂层230之间的距离和接触面积会发生变化，因此输出的电阻也会发生变化。对所述纤维基压敏层1施加的压力越大，输出电阻越小。
实施例2：
一种织物压力传感器制备方法，包括以下步骤：
将聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒和纳米铜颗粒按照质量比8：3：2混合，并在室温下机械搅拌8小时，然后得到导电复合物；
将不锈钢导电纱线110通过装有所述导电复合物的涂覆装置，制备得到纤维基压敏层1；
先将导电金属材料通过喷涂的方式设置在织物层210上，制备得到电极层220，再在电极层220表面印刷所述导电复合物，制备得到织物基压敏层2；
将所述纤维基压敏层1通过刺绣的方式固定在织物基压敏层2上。
其中，所述涂覆装置的涂覆孔径为1.0mm，所述纤维基压敏层1与所述织物基压敏层2呈交叉设置。
实施例3：
一种织物压力传感器制备方法，包括以下步骤：
将聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒和纳米铜颗粒按照质量比16：5：3混合，并在室温下机械搅拌8小时，然后得到导电复合物。
将镀银导电纱线110通过装有所述导电复合物的涂覆装置，制备得到纤维基压敏层1；
先将导电金属材料通过丝网印刷的方式设置在织物层210上，制备得到电极层220，再在电极层220表面印刷所述导电复合物，得到织物基压敏层2；
先将所述纤维基压敏层1作为纬纱，通过机织的方式将其织入绝缘织物3中，再将所述绝缘织物3与织物基压敏层2缝纫在一起。
其中，涂覆孔径为0.8mm，所述纤维基压敏层1与所述织物基压敏层2呈交叉设置。
在以上实施例中，所述交叉设置是指所述纤维基压敏层1的长度方向与所述织物基压敏层2的长度方向呈纵横交叉设置。具体而言，所述纤维基压敏层1的第一压敏涂层120与织物基压敏层2的第二压敏涂层230呈纵横交叉设置。
如图3所示，在根据实施例1和实施例2所述的织物压力传感器制备方法制备得到的织物压力传感器中，所述纤维基压敏层1通过缝纫或刺绣的方式固定在第二压敏涂层230上，所述纤维基压敏层1的第一压敏涂层120与织物基压敏层2的第二压敏涂层230是微接触或不接触的。
如图4所示，在根据实施例3所述的织物压力传感器制备方法制备得到的织物压力传感器中，所述纤维基压敏层1通过绝缘织物3固定在织物基压敏层2上。在施加压力的情况下，所述纤维基压敏层1的第一压敏涂层120与织物基压敏层2的第二压敏涂层230之间的距离和接触面积会发生变化，导致其输出电阻会发生变化。输出电阻随着压力的增大而减小。对所述纤维基压敏层1施加的压力越大，输出电阻越小。
一种织物压力传感器阵列，包括上述所述的织物压力传感器。
由于所述织物压力传感器同时兼顾了灵敏度和结构耐疲劳性能两方面要求，故而所述织物压力传感器阵列适合应用在比如智能鞋垫、智能鞋、智能坐垫、智能呼吸带等各类智能纺织品中。
在其中一个实施例中，所述织物压力传感器阵列还包括中间织物隔离层4，所述织物压力传感器还包括绝缘织物3，所述织物压力传感器的纤维基压敏层1以及织物基压敏层2均包括多个，多个所述纤维基压敏层1相互平行且多个所述纤维基压敏层1设在所述绝缘织物3上，多个所述织物基压敏层2相互平行，所述中间织物隔离层4设在所述织物基压敏层2与所述绝缘织物3之间。
具体而言，如图5所示，所述织物压力传感器阵列为三层结构，上层为呈纵列设置的纤维基压敏层1，中间层为中间织物隔离层4，下层为呈横列设置的织物基压敏层2。多个所述纤维基压敏层1固定在绝缘织物3上。所述中间织物隔离层4包括多个呈圆形的透孔5，透孔5的空间为5mm，以在增强所述织物压力传感器阵列的透气性的同时，使得上层的纤维基压敏层1可与下层的织物基压敏层2接触。
上层的纤维基压敏层1、中间层的织物隔离层以及下层的织物基压敏层2可通过机织、针织、刺绣、缝纫和粘贴等方式连接在一起。相邻两个所述纤维基压敏层1的间隔距离为2cm，相邻两个所述织物基压敏层2的间隔距离为2cm。
在施加压力的情况下，上层的纤维基压敏层1通过中间织物隔离层4的透孔5与下层的织物基压敏层2接触。当卸载压力后，上层的纤维基压敏层1与下层的织物基压敏层2在中间织物隔离层4的作用下呈分离状态。
所述织物压力感应阵列通过行列扫描采集每个交叉点的位置信息，可以监测使用者的姿态，其可应用于智能鞋垫和智能坐垫。当所述织物压力感应阵列应用于智能鞋垫时，可以监测人体的坐、站、走和跑等姿势；当织物压力感应阵列应用于智能坐垫时，可以监测人体的坐姿，判断使用者是否翘二郎腿或驼背等姿态。
由于所述织物压力传感阵列包含中间织物隔离层4，通过所述中间织物隔离层4中的通孔，所述织物压力传感阵列不仅可以在增强所述织物压力传感器阵列的透气性的同时，使得上层的纤维基压敏层1可与下层的织物基压敏层2接触，还可以提高织物压力传感器的耐疲劳性能，减少邻近传感单元的干扰信号，大大提高了检测的准确率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种织物压力传感器，其特征在于，包括纤维基压敏层以及织物基压敏层，所述纤维基压敏层包括导电纱线以及包覆在所述导电纱线的表面的第一压敏涂层，所述织物基压敏层包括织物层以及在所述织物层上依次设置的电极层和第二压敏涂层，所述纤维基压敏层固定在所述织物基压敏层上。
2.如权利要求1所述的一种织物压力传感器，其特征在于，所述第一压敏涂层为包括聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒以及金属纳米颗粒的导电复合物。
3.如权利要求1所述的一种织物压力传感器，其特征在于，所述第一压敏涂层通过浸渍方式、浸轧方式或多次涂覆方式包覆在所述导电纱线的表面。
4.如权利要求1所述的一种织物压力传感器，其特征在于，所述第一压敏涂层的基体由热固性高分子材料制成。
5.如权利要求1所述的一种织物压力传感器，其特征在于，所述第一压敏涂层的厚度范围为10μm-1500μm。
6.一种织物压力传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒以及金属纳米颗粒按照预设比例混合均匀以得到导电复合物；
将所述导电复合物包覆在导电纱线的表面，得到纤维基压敏层；
先将电极层设置在织物层上，再将所述导电复合物设置所述电极层上，得到织物基压敏层；
将所述纤维基压敏层固定在所述织物基压敏层上，得到所述织物压力传感器。
7.如权利要求6所述的一种织物压力传感器制备方法，其特征在于，所述导电复合物的聚氨基甲酸酯、炭黑颗粒与金属纳米颗粒的质量比为10-20：3-10：1-4，混合温度为20℃-28℃，混合时间为2h-8h。
8.如权利要求7所述的一种织物压力传感器制备方法，其特征在于，所述纤维基压敏层直接或通过绝缘织物固定在所述织物基压敏层上。
9.一种织物压力传感器阵列，其特征在于，包括权利要求1至5任何一项所述的织物压力传感器。
10.如权利要求9所述的一种织物压力传感器阵列，其特征在于，所述织物压力传感器阵列还包括中间织物隔离层，所述织物压力传感器还包括绝缘织物，所述织物压力传感器的纤维基压敏层以及织物基压敏层均包括多个，多个所述纤维基压敏层相互平行且多个所述纤维基压敏层设在所述绝缘织物上，多个所述织物基压敏层相互平行，所述中间织物隔离层设在所述织物基压敏层与所述绝缘织物之间。
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CN115607142A (zh) * 2022-10-13 2023-01-17 青岛大学 一种全纤维基压力监测系统

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