CN115096479B - 一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，包括传感模块和检测模块；感模块包括一个电容式柔性传感单元，柔性传感模块包括具有微结构的两层柔性电极和两层柔性介电层由上至下依次叠放微金字塔阵列电极、电纺丝膜介电层、微柱阵列介电层和微凹槽阵列电极，所述顶部和底部的柔性电极采用负载一维和二维导电材料的硅基弹性体组成，柔性介电层由负载纳米颗粒的电纺丝膜和具有微结构的硅基弹性体组成；检测模块包括用于将电容式柔性传感单元由压力引起的电容变化转换为相对应的电信号的电路元件、电信号检测元件以及供电、储能模块。本发明通过电极微结构设和引入双介电层提高传感器灵敏度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器和可穿戴设备技术领域，具体涉及一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备。
背景技术
可穿戴电子设备是指可以作为附件或植入物佩戴在身体上的智能电子设备，包括生理监测器、生物医学传感器、能量转换和存储系统等人机交互装置。由于硬质器件与人体适配性差，影响舒适度和用户体验，因此要开发柔性可穿戴设备。柔性可穿戴设备的核心部件是柔性传感器，根据传感机理可以分为电阻式、电容式和自供电式等多种传感类型。其中电容式柔性传感器具有高灵敏、快响应、无温漂、无迟滞、低能耗、容易批量化等的特点。但进一步提高灵敏度、响应性和稳定性仍是该领域不断追求的方向。同时，现有电容式压力传感主要集中在传感器的制备和优化，而测试方法需要使用LCR数字电桥等大型设备，不适合大众化使用和可穿戴的需求，因此小型化和可穿戴式的一体化设备仍有待开发。
发明内容
为了克服以上技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，通过电极微结构设和引入双介电层提高传感器灵敏度和稳定性，并通过电路设计集成可穿戴设备，能够用于人体吞咽、脉搏、心跳等生理指标和压力分布的实时、长期监测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，包括传感模块和检测模块；
所述感模块包括一个电容式柔性传感单元，所述柔性传感模块包括具有微结构的两层柔性电极和两层柔性介电层，其结构为由上至下依次叠放微金字塔阵列电极、电纺丝膜介电层、微柱阵列介电层和微凹槽阵列电极，顶部和底部的柔性电极采用负载一维和二维导电材料的硅基弹性体组成，柔性介电层由负载纳米颗粒的电纺丝膜和具有微结构的硅基弹性体组成；
所述检测模块包括用于将所述电容式柔性传感单元由压力引起的电容变化转换为相对应的电信号的电路元件、电信号检测元件以及供电、储能模块。
所述顶部和底部柔性电极所使用的材料采用同时负载一维导电材料(如碳纳米管(CNTs)、银纳米线(AgNWs))和二维导电材料(如无机化合物MXene、石墨烯)的硅基弹性体(如聚二甲基硅氧烷、Ecoflex)。
所述一维导电材料与二维导电材料的质量比为1:1～15:1，负载的导电材料与硅基弹性体的质量比为1:4～1:7。
所述上下两层柔性电极材料除了具有导电性外，还具有整齐的金字塔结构或凹槽微阵列。
所述双层微结构的柔性介电层，分别包括含有负载纳米颗粒(如银纳米颗粒)的热塑性聚氨酯电纺丝介电层和用硅基弹性体制作的微柱阵列介电层。
所述负载纳米颗粒的电纺丝膜厚度为10～100μm，具有微结构的硅基弹性体厚度为10～400μm，两层柔性电极厚度为10～400μm。
所述柔性电极通过两端打磨后的漆包线(直径小于100μm)作为导线引出，与检测模块相连。
所述检测模块可同时检测多组传感器的数据。
单个传感模块的尺寸小于1cm×1cm，检测模块的尺寸小于8cm×8cm，可通过阵列化实现多组传感器组合制备和同时检测。
所述可穿戴压力传感设备制备的成品传感器件使用生物性透气胶带封装，用于贴附于体表或服饰。
本发明的有益效果：
本发明综合运用模板法和静电纺丝法制备具有微结构的两层柔性电极和两层柔性介电层的电容式柔性压力传感器，再通过电路设计集成可穿戴设备，可以将所述柔性传感单元由压力引起的电容变化转换为相对应的电信号并通过手机输出，可实现单一位点和多位点的压力传感。
进一步的，该智能传感设备体型小巧、柔软舒适、成本低廉，易于实现小型化和可穿戴效果，实用性强，产业化和应用前景广阔。
进一步的，传感模块的结构为由上至下依次叠放微金字塔阵列电极、电纺丝膜介电层、微柱阵列介电层和微凹槽阵列电极，微结构的电极和介电层可以增加压缩过程中的介电层高度变化量，从而增加检测范围。电纺丝膜介电层中加入纳米材料，可以有效提高介电常数，从而提高灵敏度。这种四层结构的排列方式是经过优化的，可以在宽的传感范围内维持较高灵敏度，并且可以通过调节两层介电层的厚度实现灵敏度的可调性，器件制备工艺简单，具有很好的应用前景。
附图说明：
图1为基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备的结构原理框图；
图2为本发明的电容式柔性压力传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例1的压力响应测试结果；
图4为本发明实施例1对不同大小的动态压力循环加载的响应测试结果；
图5为本发明实施例2的用于多个传感器同时检测的集成阵列模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，包括传感模块和检测模块；
所述感模块包括一个电容式柔性传感单元，所述柔性传感模块包括具有微结构的两层柔性电极和两层柔性介电层，其结构为由上至下依次叠放微金字塔阵列电极、电纺丝膜介电层、微柱阵列介电层和微凹槽阵列电极，所述顶部和底部的柔性电极采用负载一维和二维导电材料的硅基弹性体组成，柔性介电层由负载纳米颗粒的电纺丝膜和具有微结构的硅基弹性体组成；
所述检测模块包括用于将所述电容式柔性传感单元由压力引起的电容变化转换为相对应的电信号的电路元件、电信号检测元件以及供电、储能模块。
实施例1
(1)取2g热塑性聚氨酯和20μL银纳米颗粒，加到5mL N,N-二甲基甲酰胺和5mL四氢呋喃的混合溶液中，室温下磁力搅拌4小时使其混合均匀后进行静电纺丝，参数设置为：纺丝速度0.2mL/h，工作电压20kV，工作距离15cm。为了避免纳米颗粒团聚，纺丝时间控制在10分钟以内，使其快速成膜。将获得的掺有银纳米颗粒的热塑性聚氨酯纳米纤维膜作为上层介电层。
(2)按质量比10:1称取液态聚二甲基硅氧烷前驱体和固化剂并混合均匀，将该溶液滴在激光刻蚀的微柱阴模硅模具上，制备微柱阵列，静置5分钟后在80℃固化3小时，制得的微柱膜作为下层介电层。
(3)取1g聚二甲基硅氧烷溶液置于培养皿中，然后称量0.16gCNTs和0.02g MXene，分别少量多次加到培养皿中，进行物理混合，得到半固体状的柔性电极复合材料。
(4)将所得柔性电极复合材料置于激光刻蚀的金字塔阴模硅模具上，制备金字塔阵列，然后将柔性电极材料在硅模具上轻轻按压并刮平，80℃加热3小时使其完全固化，从而制备上微结构化电极层。
(5)将所得柔性复合电极材料置于凹槽的阴模砂纸上，然后轻轻按压并刮平，80℃加热3小时使其完全固化，从而制备下微结构化电极层。
(6)按照图2的方式组装四层结构的电容式传感器，并将导线(如两端打磨的漆包线)贴附于上下电极层两侧，并用生物性透气胶带封装传感器，漏出线头备用。
(7)设计含有信号采集电路、信号转换元件、信号传输元件和供电/储能模块的小型化电容测试装置(可以固定在衣物上)。将上述步骤制备的传感器与可穿戴电容测试装置结合，使用万能材料试验机对其连续施加压力，并测试其响应性，测得的压力-电容响应曲线如图3所示，可以看出在0～60kPa的宽传感范围内可以维持较高的灵敏度1.8148kPa-1，并可分段响应500kPa以内较宽范围压力。图4是柔性电容式压力传感器对不同压力的响应情况和多次加载下的动态循环稳定性。
实施例2
(1)按照实施例1步骤(1)～(5)制备传感器的各层膜。
(2)为精细化测量不同位置的压力分布，将两个电极层裁剪后职称多个条形电极，尺寸根据识别单元的大小需求确定，条形电极的宽度等于单个识别单元的边长，然后按图5组装电极。
(3)设计含有信号采集电路、信号转换元件、信号传输元件和供电/储能模块的小型化电容测试装置(可以固定在衣物上)和阵列化检测算法，分别实现4×4和8×8的多个传感器阵列同时检测，实现可穿戴设备对体表力学分布状况的实时监测。
Claims (6)
1.一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，其特征在于，包括传感模块和检测模块；
所述传感模块包括一个电容式柔性传感单元，所述柔性传感单元包括具有微结构的两层柔性电极和两层柔性介电层，其结构为由上至下依次叠放微金字塔阵列电极、电纺丝膜介电层、微柱阵列介电层和微凹槽阵列电极，顶部和底部的柔性电极采用负载一维和二维导电材料的硅基弹性体组成，柔性介电层由负载纳米颗粒的电纺丝膜和具有微结构的硅基弹性体组成；
所述检测模块包括用于将所述电容式柔性传感单元由压力引起的电容变化转换为相对应的电信号的电路元件、电信号检测元件以及供电、储能模块；
所述一维导电材料与二维导电材料的质量比为1:1~15:1，负载的导电材料与硅基弹性体的质量比为1:4~1:7；
所述两层柔性介电层，分别包括含有负载纳米颗粒的热塑性聚氨酯电纺丝介电层和用硅基弹性体制作的微柱阵列介电层；
所述顶部和底部柔性电极所使用的材料采用同时负载一维导电材料、二维导电材料的硅基弹性体；
所述设备制备工艺如下：
（1）取2 g热塑性聚氨酯和20 μL银纳米颗粒，加到5 mL N,N-二甲基甲酰胺和5 mL 四氢呋喃的混合溶液中，室温下磁力搅拌4小时使其混合均匀后进行静电纺丝，参数设置为：纺丝速度0.2 mL/h，工作电压20 kV，工作距离15 cm；将获得的掺有银纳米颗粒的热塑性聚氨酯纳米纤维膜作为上层介电层；
（2）按质量比10:1称取液态聚二甲基硅氧烷前驱体和固化剂并混合均匀，将该溶液滴在激光刻蚀的微柱阴模硅模具上，制备微柱阵列，静置5分钟后在80℃固化3小时，制得的微柱膜作为下层介电层；
（3）取1g聚二甲基硅氧烷溶液置于培养皿中，然后称量0.16 g CNTs和0.02 g MXene，分别少量多次加到培养皿中，进行物理混合，得到半固体状的柔性电极复合材料；
（4）将所得柔性电极复合材料置于激光刻蚀的金字塔阴模硅模具上，制备金字塔阵列，然后将柔性电极材料在硅模具上轻轻按压并刮平，80℃加热3小时使其完全固化，从而制备上微结构化电极层；
（5）将所得柔性复合电极材料置于凹槽的阴模砂纸上，然后轻轻按压并刮平， 80℃加热3小时使其完全固化，从而制备下微结构化电极层；
（6）组装四层结构的电容式传感器，并将导线贴附于上下电极层两侧，并用生物性透气胶带封装传感器，漏出线头备用。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，其特征在于，所述负载纳米颗粒的电纺丝膜厚度为10~100 μm，具有微结构的硅基弹性体厚度为10~400 μm，两层柔性电极厚度为10~400 μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，其特征在于，所述柔性电极通过两端打磨后的漆包线作为导线引出，与检测模块相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，其特征在于，所述检测模块可同时检测多组传感器的数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，其特征在于，单个传感模块的尺寸小于1 cm×1 cm，检测模块的尺寸小于8 cm×8 cm，可通过阵列化实现多组传感器组合制备和同时检测。
6.根据权利要求1所述的一种基于电容式柔性传感器的可穿戴压力传感设备，其特征在于，所述可穿戴压力传感设备制备的成品传感器件使用生物性透气胶带封装，用于贴附于体表或服饰。
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