CN115901028A - 具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器及其制备方法，属于触觉传感器的技术领域，其中触觉传感器包括TPU热熔粘附层、上电极层、下电极层及电解质层；TPU热熔粘附层与下电极层为一体结构，电解质层位于上电极层和下电极层之间；TPU热熔粘附层、上电极层、下电极层及电解质层均为多孔纤维结构。电极与电解质均是通过静电纺丝工艺获得的具有高透气，透湿性的多孔纤维结构，可以有更好的柔性，与复杂表面贴附更好，灵敏度更高；在下电极上构筑了一层TPU热熔胶膜，可以在不影响传感器透气性与柔性的前提下牢固的与人体皮肤进行贴合，不需要额外的胶水等，最大程度上降低了贴合对传感灵敏度的影响，提高了穿戴中的舒适性。
Description
技术领域
本发明属于触觉传感器的技术领域，尤其是涉及一种具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器及其制备方法。
背景技术
随着可穿戴设备、机器人和生物医学电子设备的快速发展，触觉传感器因其在健康监测、疾病诊断、运动检测等方面的灵活应用而引起了广泛关注。在过去几年中，研究人员研究了各种超高灵敏度、超快响应时间和优异稳定性压力传感器的方法。然而已报道的大部分传感器是基于实心结构，不具有透气性、透湿性，长期佩戴后会使皮肤出现红肿、发炎的现象；并且无法与复杂曲面的皮肤紧密贴合，影响信号的采集。并且，目前传感器与皮肤的贴合基本依靠胶带，双面胶等，会严重影响传感器件的柔性、透气性，佩戴的舒适性与信号采集的精确度。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器及其制备方法，以缓解上述的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面
本发明提供了一种具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器，包括TPU热熔粘附层、上电极层、下电极层及电解质层；TPU热熔粘附层与下电极层为一体结构，电解质层位于上电极层和下电极层之间；TPU热熔粘附层、上电极层、下电极层及电解质层均为多孔纤维结构。
第二方面
本发明提供了一种触觉传感器的制备方法，用于制备上述具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器，包括如下步骤：
将TPU热熔膜溶液通过静电纺丝工艺纺织成膜，形成TPU热熔粘附层；
将TPU溶液使用静电纺丝工艺直接纺于TPU热熔粘附层上，形成TPU纤维结构，再将金属纳米线使用静电纺丝工艺喷涂于TPU纤维表面形成导体，以做传感器的下电极层；
使用静电纺丝工艺将混合有离子的TPU溶液纺成具有多孔的电解质，形成电解质层；
使用静电纺丝工艺将TPU溶液纺成TPU纤维，然后将金属纳米线喷涂于TPU纤维表面，成为上电极层。
进一步地，TPU热熔膜的制备包括如下步骤：
将油性增粘剂、丙烯酸酯、DMSO、DMF和THF按照重量为0.1～0.2：0.1～0.2：1～2：4～6：1～6的比例加入烧杯中，形成混合溶液；
将TPU颗粒按照10～15wt.％重量加入上述混合溶液中，放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解；
使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为15～25KV电压，0.01～0.5ml/min的速度,纺丝0.5～1小时后获得TPU热熔膜。
进一步地，上电极层和下电极层中TPU纤维基电极的制备包括如下步骤：
将DMSO、DMF和THF按照重量为1～2：4～5：4～5的比例加入烧杯中，形成混合溶液；
将TPU颗粒按照10～20wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解；
使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为8～15KV电压，0.1～0.2ml/min的速度,纺丝1～2小时后获得TPU纤维层；
配置1～5wt.％的金属纳米线水溶液，然后使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为5～10KV电压，0.4～0.5ml/min的速度，纺丝5min～10min后获得TPU电极。
进一步地，电解质层的制备包括如下步骤：
将DMSO、DMF和THF按照重量为1～2:4～5:4～5的比例加入烧杯中，形成混合溶液；
将TPU颗粒按照10～20wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后再将富含离子的离子液体或盐溶液按照0～20wt.％加入上述混合溶液中，放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解；
然后使用安装有19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为25～35KV电压，0.001～0.005ml/min的速度,纺丝10～20小时后获得IL/TPU纤维电解质。
相对于现有技术，本发明提供的一种具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器及其制备方法具有以下优势：
电极与电解质均是通过静电纺丝工艺获得的具有高透气，透湿性的多孔纤维结构，可以有更好的柔性，与复杂表面贴附更好，灵敏度更高；在下电极上构筑了一层TPU热熔胶膜，可以在不影响传感器透气性与柔性的前提下牢固的与人体皮肤进行贴合，不需要额外的胶水等，最大程度上降低了贴合对传感灵敏度的影响，提高了穿戴中的舒适性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器的整体结构示意图(图中最上层为上电极层，中间为电解质层，最下层为TPU热熔粘附层及下电极层)；
图2为本发明上电极层和下电极层的电镜图；
图3为本发明TPU热熔粘附层的电镜图；
图4为本发明各个部分及现有材料的透气性对比图；
图5为本发明性能测试图a(压力范围为0～280kPa，灵敏度为8.14kPa～1)；
图6为本发明性能测试图b(响应时间为25ms)；
图7为本发明性能测试图c(施加压强，具有良好阶梯响应)；
图8为本发明性能测试图d(120％拉伸率的传感器具有良好稳定性，在0～15％的拉伸应变下稳定性不变；而具有50％拉伸率传感器的稳定性较差)。
图9为本发明TPU热熔胶膜剥离力测试图；
图10为本发明常规下的状态图；
图11为本发明施加压力下的状态图；
图12为本发明的电路图；
图13为本发明用于腿部膝关节弯曲的监测图；
图14为本发明用于腿部膝关节内旋的监测图；
图15为本发明用于腿部膝关节外旋的监测图；
图16为本发明用于腿部长时间走路的监测图；
图17为本发明用于腿部长时间跑步的监测图；
图18为本发明为实施例与对比例的图表(IL/TPU电解质中IL的量不同选取0wt.％，5wt.％，10wt.％，15wt.％，20wt.％几种，获得不同灵敏度的传感器)。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内单元的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一方面，传感器结构：
该传感器由四层结构组成，分别为TPU热熔粘附层，上下电极层与电解质层。TPU热熔粘附层与下电极层为一体结构，电解质被上下电极夹在中间成为三明治结构。这四层均是通过静电纺丝工艺获得的多孔纤维结构，使得传感器具有微孔结构，可以保证传感器件具有良好的透气与透湿性。TPU热熔粘附层在常温状态下没有粘性，是固态的，但在高温状态下会熔化，并且双面具有粘性，因其结构的特性，在将传感器与皮肤贴合后仍能保持被粘接材料的透气性能，并且不会影响传感器件的柔性。
第二方面，传感器制备工艺：
首先将TPU热熔膜溶液通过静电纺丝工艺纺织成膜，然后将TPU溶液使用静电纺丝工艺直接纺于TPU热熔膜上，再将金属纳米线使用静电纺丝工艺喷涂于TPU纤维表面形成导体做传感器的下电极层。这样获得的下电极层与TPU热熔膜为一体式结构，可以保证传感器件与皮肤贴合的紧密性；
使用静电纺丝工艺将混合有离子的TPU溶液纺成具有多孔的电解质；这样获得的电解质富含阴阳离子，具有很高的稳定性，长期暴露于空气中不会失/吸水，机械性能不会衰退，从而保证了传感器的高稳定性；并且电解质中的阴阳离子会使传感器基于超级电容原理，使其具有高灵敏度与高抗干扰能力
使用静电纺丝工艺将TPU溶液纺成TPU纤维，然后将金属纳米线喷涂于TPU纤维表面，成为上电极层；
电解质与电解质组合成传感器件，然后将传感器与皮肤贴合，使用吹风机吹热风于传感器表面30～60s，使TPU热熔膜熔解，在传感器与皮肤贴合后，冷却30～120s后，传感器与皮肤就可以紧密、完好贴合。
传感器的透气性：使用静电纺丝工艺制备的电解质不仅超薄而且还具有微纤维结构，使得传感器具有尼龙布料一样的透气性，使得传感器在不伤害皮肤的前提下长期与人体皮肤接触，提升传感器的寿命与监测信号的精度与稳定性。
传感器的尺寸与形状可调与可裁剪：传感器的形状与尺寸可以根据需求快速调整，满足个性化需要；并且传感器在结构与性能不被破坏的前提下可以任意裁剪。
具有自贴附性与高透气性的超薄柔性触觉传感器单元的制备流程：
TPU热熔膜的制备：将油性增粘剂、丙烯酸酯、DMSO、DMF和THF按照重量为0.1～0.2:0.1～0.2：1～2:4～6:1～6加入烧杯中后混合，然后将TPU颗粒按照10～15wt.％重量加入上述混合溶液中，放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解，然后使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为15～25KV电压，0.01～0.5ml/min的速度,纺丝0.5～1小时后获得TPU热熔膜；
TPU纤维基电极的制备：DMSO、DMF和THF按照重量为1～2:4～5:4～5加入烧杯中后混合，然后将TPU颗粒按照10～20wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解，然后使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为8～15KV电压，0.1～0.2ml/min的速度,纺丝1～2小时后获得TPU纤维层；然后将1～5wt.％的金属纳米线水溶液使用静电纺丝机，然后使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为5～10KV电压，0.4～0.5ml/min的速度,纺丝5min～10min后获得TPU电极；
IL/TPU电解质层的制备：DMSO、DMF和THF按照重量为1～2:4～5:4～5加入烧杯中后混合，然后将TPU颗粒按照10～20wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后再将富含离子的离子液体或盐溶液按照0～20wt.％加入上述混合溶液中，放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解，然后使用安装有19g针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为25～35KV电压，0.001～0.005ml/min的速度,纺丝10～20小时后获得IL/TPU纤维电解质；
将电极与电解质进行组装获得传感单元。
传感器表面与汗液，氢氧化钠或水的接触角均大于90°，说明传感器具有良好疏汗性，可以防止汗液进入；
在传感器被拉伸后疏水角未减小，说明传感器使用中疏水性未降低；
传感器的透气性远远高于PDMS，医用胶带等，与尼龙布料接近，可以在不伤害皮肤的前提下长时间与皮肤接触；
传感器具有良好生物兼容性，与皮肤长时间接触后不会使皮肤发炎等，但透气性差的医用胶带，Ecoflex会使皮肤发炎
在将具有高粘性传感器与皮肤或亚克力板贴合后，具有很好的强度，剥离力可达4.5N，可以挂起50g的砝码，剥离力大小与VHB胶带在一个数量级。具体地，TPU热熔粘附层常温下为固态网状结构，使用吹风机加热档吹5～10秒，就可以有粘性，冷却5秒左右就可以与皮肤紧密、无间隙结合，其粘性和3M VHB胶带在同一个数量级(剥离力约为4.6N)。在取下时，使用吹风机加热档吹5～10秒既可以取下。
压力传感器的工作原理：上下电极层与IL/TPU纤维电解质层组成传感器，当有压力施加于传感器上时，传感器的电极层与纤维电解质层均会在压力的作用下发生变形，从而导致电解质层与电极的接触面积变大，距离减小，引起电容的增加；当压力消失时，上、下电极电解质层又会恢复原状，电容也会恢复原值。电容的变化可以转变为电信号传输给后续处理电路，从而监测到力的大小。
电极与纤维电解质层形成电极或电解质界面，当电极层与电解质层的两面接触时，在外界电源的作用下，电极的内部表面电荷会从电解质中吸附离子，这些离子在电极或电解质界面的电解质一侧形成一个电荷数量与电极内表面荷电电荷数量相等，且符号与其相反的界面层，由于电极或电解质界面上存在着电位差，使得两层电荷都不能越界而彼此中和，因此形成结构稳定的赝电容。
传感器的应用：制备的传感器具有良好的灵敏度，可以很好地用于腿部膝关节弯曲监测；内旋；外旋；长时间走路；长时间跑步。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器，其特征在于，包括TPU热熔粘附层、上电极层、下电极层及电解质层；
TPU热熔粘附层与下电极层为一体结构，电解质层位于上电极层和下电极层之间；
TPU热熔粘附层、上电极层、下电极层及电解质层均为多孔纤维结构。
2.一种触觉传感器的制备方法，用于制备权利要求1中具有贴附性和透气性的柔性触觉传感器，其特征在于，包括如下步骤：
将TPU热熔膜溶液通过静电纺丝工艺纺织成膜，形成TPU热熔粘附层；
将TPU溶液使用静电纺丝工艺直接纺于TPU热熔粘附层上，形成TPU纤维结构，再将金属纳米线使用静电纺丝工艺喷涂于TPU纤维表面形成导体，以做传感器的下电极层；
使用静电纺丝工艺将混合有离子的TPU溶液纺成具有多孔的电解质，形成电解质层；
使用静电纺丝工艺将TPU溶液纺成TPU纤维，然后将金属纳米线喷涂于TPU纤维表面，成为上电极层。
3.根据权利要求2所述的触觉传感器的制备方法，其特征在于，TPU热熔膜的制备包括如下步骤：
将油性增粘剂、丙烯酸酯、DMSO、DMF和THF按照重量为0.1～0.2：0.1～0.2：1～2：4～6：1～6的比例加入烧杯中，形成混合溶液；
将TPU颗粒按照10～15wt.％重量加入上述混合溶液中，放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解；
使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为15～25KV电压，0.01～0.5ml/min的速度,纺丝0.5～1小时后获得TPU热熔膜。
4.根据权利要求2所述的触觉传感器的制备方法，其特征在于，上电极层和下电极层中TPU纤维基电极的制备包括如下步骤：
将DMSO、DMF和THF按照重量为1～2：4～5：4～5的比例加入烧杯中，形成混合溶液；
将TPU颗粒按照10～20wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解；
使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为8～15KV电压，0.1～0.2ml/min的速度,纺丝1～2小时后获得TPU纤维层；
配置1～5wt.％的金属纳米线水溶液，然后使用安装有9～19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为5～10KV电压，0.4～0.5ml/min的速度，纺丝5min～10min后获得TPU电极。
5.根据权利要求2所述的触觉传感器的制备方法，其特征在于，电解质层的制备包括如下步骤：
将DMSO、DMF和THF按照重量为1～2:4～5:4～5的比例加入烧杯中，形成混合溶液；
将TPU颗粒按照10～20wt.％的比例加入到上述混合溶液中，然后再将富含离子的离子液体或盐溶液按照0～20wt.％加入上述混合溶液中，放于60～70℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2～3小时，直至所有TPU颗粒完全溶解；
然后使用安装有19G针头的5ml或10ml的注射器将溶液吸入其中，并安装于静电纺丝设备上，并将参数设置为25～35KV电压，0.001～0.005ml/min的速度,纺丝10～20小时后获得IL/TPU纤维电解质。
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