CN109100062A - 一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法。该方法包括以下步骤：在塑料圆环上设计若干圆孔，将弹性纤维穿插缠绕成可控的三维的网状结构。利用静电沉积法在弹力纱线网络上负载炭黑层，形成导电网络。通过导电纤维网络间的有效接触形成导电结点，在节点处电流流动方向改变，缩小有效导电路径的长度，改变传感器电阻值,产生相应的电性能响应信号。本发明将可以控制的网状结构和高弹性导电纤维材料的优势结合起来，制作一种宽检测范围、高压缩性的压阻传感器。这种可以主动控制的弹性纤维网不受材料体积的限制，可以实现大幅度压缩。并且本发明方法获得的压阻传感器设计灵活，成本低，具有高灵敏度和高稳定性。

Description

一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法
技术领域
本发明属于压阻式传感器技术领域，具体的说是一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法。
背景技术
具有宽检测范围和高压缩性的压力传感器在未来的小型传感器设备中是非常需要的。各种压力感应机制包括晶体管传感，电容传感，压电传感，摩擦电传感[和压阻传感机制不断被应用于开发优秀性能的压力传感器的制造当中，尤其是压阻传感器，由于其简单的装置结构和较低的能量消耗而受到广泛的关注。
现有的压阻传感器主要包括导电聚合物薄膜以及各种柔性传感器等，这些传感器已经可以实现人们对高灵敏度的性能要求。但是目前现有的压阻传感器可应用的压力范围较窄：导电聚合物薄膜虽然可以用来检测大的压缩应力，然而它们是不灵敏的，不能检测小于 10KPa的压力。而最近兴起的柔性传感器虽然可以对低压应力进行精密检测，但大部分无法适用于相对的高压范围。
另一方面，电阻型传感器主要是基于体压阻和接触电阻的变化。受材料的压缩体积和不稳定的机械结构的限制，已知的传感器无法满足一些涉及到大幅度弹性压缩的新兴应用的需求。
发明内容
本发明提供了一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，该方法获得的宽检测范围、高压缩压阻式传感器具有设计灵活、制作简便,灵敏度高等优点，使用寿命长，造价低，且具有普适性，解决了现有压阻传感器的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将弹力纤维均匀缠绕于四周多孔的圆环上构造出三维纱网结构；
步骤二、将炭黑即CB加入到纤维素纳米晶须即CNC悬浮液中，将该混合物超声处理得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液；将炭黑即CB加入到壳聚糖即CS悬浮液中，将该混合物超声处理得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液；
步骤三、使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质；将清洁后的三维纱网结构浸入 CB@CNC悬浮液中，形成带负电荷的CB-纱线网络；然后将带负电荷的纱线网络浸入CB@CS 悬浮液中，形成带正电荷的CB+纱线网络。
步骤四、重复步骤三内容实现CB的完全沉积，将获得的负载导电层的三维纱网结构真空干燥以除去水分。
所述的三维纱网结构是由聚氨酯，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸醋,聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或多种组成的弹力纱线，该弹力纱线可以由多根纤维组成，多根同种纤维或多根异种纤维之间互相捻合，弹力纱线的长度为1-9m。
所述的圆环为聚乙烯，聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯材料中的一种，圆环的直径和高度根据传感范围而确定。
所述的三维纱网结构的网络接口处孔的排布规则为：孔的总排数为2-6排，每排孔的数量为8-30。
所述的三维纱网结构是通过弹力纱线穿插缠绕的方式进行控制的，具体方式为：弹力纱线在同排孔间或异排孔间进行穿插，按照“Z”字型，“X”字型，“V”字型，“井”字型方式穿插缠绕；不同区域内弹力纱线的空间密度相同或不同；聚乙烯圆环的全部区域被纱线缠绕成三维网络。
所述的步骤二中炭黑为超导电炭黑BP2000，呈颗粒状，平均粒径为30nm。
所述的步骤二中CB@CNC悬浮液的具体配置方法如下：将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。
所述的步骤二中CB@CS悬浮液的具体配置方法如下：将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。
所述的步骤四的具体方法如下：将三维纱网结构轮流浸渍于CB-悬浮液和CB+悬浮液中，循环次数80次，三维纱网结构在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB 的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。
本发明的有益效果为：本发明结合网状结构和弹性纱线材料的优势，制作一种宽检测范围、高压缩压阻传感器。所制造的传感器可以检测25Pa-20Kpa范围内的压缩应力，可承受的压应变可达97.4％。并且本发明方法获得的压阻传感器设计灵活，可人为调控其网络结构，满足不同需求的应用
附图说明
图1a是本发明压阻网络结构的一种角度示意图；
图1b是本发明压阻网络结构的另一种角度示意图；
图2a是本发明压阻网络中负载炭黑导电层前纱线的SEM图；
图2b是本发明压阻网络中负载炭黑导电层前后纱线的SEM图
图3a是本发明压阻网络压阻变化原理示意图；
图3b是本发明压阻网络电流路径变化过程的示意图
图4是实施例的产物在不同应变下的电阻变化率；
图5是本发明压阻网络的电流变化值在低压区域(＜1500Pa)反复施加和释放一定压力后的循环曲线；
图6是本发明压阻网络的电流变化值在高压区域(＞7500Pa)反复施加和释放一定压力后的循环曲线。
具体实施方式
一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，该方法包括以下步骤：
参阅图1a、图1b—图6，步骤一、将弹力纤维均匀缠绕于四周多孔的圆环上构造出三维纱网结构；
所述的纱网组成材料为弹力纱线，该弹力纱线可以由多根纤维组成，所述多根同种纤维之间互相捻合，弹力纱线的长度为1-9m。
所述的圆环为聚乙烯材料，圆环的直径和高度根据传感范围而确定，圆环的直径可以为32mm，高度可以为11.5mm。
所述的三维纱网结构的网络接口处孔的排布规则为：孔的总排数为2-6排，每排孔的数量为8-30。孔的排列数量、排列位置以及孔间间距可以根据不同需要进行灵活调控。
所述的三维纱网结构是通过弹力纱线穿插缠绕的方式进行控制的，具体方式为：弹力纱线在同排孔间或异排孔间进行穿插，按照“Z”字型，“X”字型，“V”字型，“井”字型方式穿插缠绕；不同区域内弹力纱线的空间密度相同或不同；聚乙烯圆环的全部区域被纱线缠绕成三维网络。纱线的疏密、走向以及排布可以人为调控。
所述的可控的三维纱网结构通过孔的排布方式以及弹力纱线穿插缠绕方式共同调节决定。
本发明三维弹性网络压阻传感器是由弹力纱线缠绕而成多根压阻纤维,形成的结构如图1a和图1b所示，弹力纱线外层包裹炭黑导电层，图2a和图2b为弹力纱线负载炭黑导电层的SEM图，对比可知炭黑导电层在弹力纱线上得到均匀负载。如图3a和图3b所示，本发明的工作机理在于当三维弹性网络发生压缩形变时，彼此交错的PU弹力线间接触增加， CB导电层出现导电结点，在导电结点处电流的流动方向发生改变使得导电路径缩短。电路总电阻减小导致传感器的电导率上升，对应变刺激呈现响应行为。当压缩释放时，三维弹性网络迅速回弹，电导率恢复到原有数值。当整个三维弹性网络被人为控制为均匀结构时，可以用以下公式对本发明弹力纱线因受压而电阻变化的现象进行示意性的解释。
设在压缩过程中传感器的电阻为Rp，由于人为控制纱线的均匀分布，且在压缩的过程中，下方未受应变的网络其纱线密度保持不变。因此，压缩过程中电阻值满足公式(1)。
其中ρ是传感器的电阻率,单位为(Ω·mm)，X0是传感器高度,单位为(mm)，X是压缩量,单位为(mm)，S是传感器横面积,单位为(mm2)。
在压缩的过程中，ρ与S保持不变，采用积分思想计算电阻值，则下压过程中电阻值及电阻变化率如公式(2)、(3)所示：
其中r为单位横截面积的电阻，单位为(Ω)，R0和RP表示无施加压力和施加压力后的传感器电阻，单位为(Ω)。
所述的三维弹性网络接口处孔的排布规则：孔的总排数为2-6排，每排孔的数量为8-30。可以根据不同需要进行灵活调控。
所述的一种弹力纱线穿插缠绕的方式：纱线可以在同排孔间或异排孔间进行穿插，可以按照“Z”字型，“X”字型，“V”字型，“井”字型等方式穿插缠绕。不同区域内纱线的空间密度可相同或不同，为10-60cm-2。聚乙烯圆环的大部分区域或全部区域被纱线缠绕成三维网络。
步骤二、将炭黑即CB加入到纤维素纳米晶须即CNC悬浮液中，将该混合物超声处理得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液；将炭黑即CB加入到壳聚糖即CS悬浮液中，将该混合物超声处理得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液；
所述的步骤二中CB@CNC悬浮液的具体配置方法如下：将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。
所述的步骤二中CB@CS悬浮液的具体配置方法如下：将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。
步骤三、使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质；将清洁后的三维纱网结构浸入 CB@CNC悬浮液中，形成带负电荷的CB-纱线网络；然后将带负电荷的纱线网络浸入CB@CS 悬浮液中，形成带正电荷的CB+纱线网络。
步骤四、重复步骤三内容实现CB的完全沉积，将获得的负载导电层的三维纱网结构真空干燥以除去水分。
所述的步骤四的具体方法如下：将三维纱网结构轮流浸渍于CB-悬浮液和CB+悬浮液中，循环次数80次，三维纱网结构在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB 的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。
下面通过具体实施例对实验样本进行描述。
实施例一
将长度为1m的聚氨酯弹力纤维按“Z”型自上而下均匀穿插缠绕于多孔聚乙烯圆环上构造出三维纱网结构,其中圆环直径为32mm，高度为11.5mm，网络接孔按照4*20的矩阵阵列均匀排布。配置炭黑悬浮液将0.2448g超导电炭黑BP2000(CB)加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。将0.2448g CB加入到800mL 浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为 200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。再使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质。将清洁后的纱网浸入CB@CNC悬浮液中。形成带负电荷的CB- 纱网结构。然后将带负电荷的弹力线浸入CB@CS悬浮液悬浮液中。形成带正电荷的CB+纱网结构。重复80个循环浸渍过程，纱网在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。。
实施例二
将长度为1m的聚氨酯弹力纤维按“Z”型自上而下均匀穿插缠绕于多孔聚乙烯圆环上构造出三维纱网结构,其中圆环直径为32mm，高度为11.5mm，网络接孔按照4*20的矩阵阵列均匀排布。配置炭黑悬浮液将0.2448g超导电炭黑BP2000(CB)加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。将0.2448g CB加入到800mL 浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为 200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。再使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质。将清洁后的纱网浸入CB@CNC悬浮液中。形成带负电荷的CB- 纱网结构。然后将带负电荷的弹力线浸入CB@CS悬浮液悬浮液中。形成带正电荷的CB+纱网结构。重复80个循环浸渍过程，纱网在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。。
实施例三
将长度为9m的聚氨酯弹力纤维按“Z”型自上而下均匀穿插缠绕于多孔聚乙烯圆环上构造出三维纱网结构,其中圆环直径为32mm，高度为11.5mm，网络接孔按照4*20的矩阵阵列均匀排布。配置炭黑悬浮液将0.2448g超导电炭黑BP2000(CB)加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。将0.2448g CB加入到800mL 浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为 200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。再使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质。将清洁后的纱网浸入CB@CNC悬浮液中。形成带负电荷的CB-纱网结构。然后将带负电荷的弹力线浸入CB@CS悬浮液悬浮液中。形成带正电荷的CB+纱网结构。重复80个循环浸渍过程，纱网在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。。
实施例四
将长度为3m的聚氨酯弹力纤维按“X”型自上而下均匀穿插缠绕于多孔聚乙烯圆环上构造出三维纱网结构,其中圆环直径为32mm，高度为11.5mm，网络接孔按照4*20的矩阵阵列均匀排布。配置炭黑悬浮液将0.2448g超导电炭黑BP2000(CB)加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。将0.2448g CB加入到800mL 浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为 200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。再使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质。将清洁后的纱网浸入CB@CNC悬浮液中。形成带负电荷的CB-纱网结构。然后将带负电荷的弹力线浸入CB@CS悬浮液悬浮液中。形成带正电荷的CB+纱网结构。重复80个循环浸渍过程，纱网在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。。
实施例五
将长度为3m的聚氨酯弹力纤维按“Z”型自上而下穿插缠绕于多孔聚乙烯圆环上构造出三维纱网结构,其中圆环直径为32mm，高度为11.5mm，网络接孔排成4排，横向孔间距相等。每排孔的数量依次为10,14,18,22按照上疏下密的等差阵列排布，纵向孔间距相等。配置炭黑悬浮液将0.2448g超导电炭黑BP2000(CB)加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC 悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。再使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质。将清洁后的纱网浸入CB@CNC悬浮液中。形成带负电荷的CB-纱网结构。然后将带负电荷的弹力线浸入CB@CS悬浮液悬浮液中。形成带正电荷的CB+纱网结构。重复80个循环浸渍过程，纱网在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。
施例六
按照实施例三中的方法得到压阻网络传感器,正反两面粘贴24*24*0.1mm的铜片覆盖，用银胶粘合铜导线以消除接触电阻，利用数字测力计测试传感器所受的压力,测力计下端固定，并通过电动位移控制台实施微小压力，将上下两片薄膜所接的导线连接到数字源表测试不同压力下的电阻值（输出电压恒定为1V）压力传感器的灵敏度被定义为
ΔP是变化的施加压力，计算测量值，并绘制施加压力与电阻变化率的函数。如图4所示。传感器的最大应变可以达到90％以上。并且传感器的电导率随应变量产生良好的线性变化。这种传感器的稳定结构决定了该传感器具有通过传感器电阻率的改变来准确预估形变量的特性。
实施例七
将压阻网络传感器两端接数字源表,分别施加。0-1250Pa范围内不同的压力,测试相应的循环电流曲线,将所得多条曲线绘制成I-t图,如图5所示,可以看出传感器可以测量的最小压力可以达到25Pa，随着压力增加,响应电流信号变得更加明显。
实施例八
将压阻网络传感器两端接数字源表,分别施加。5000-20000Pa范围内不同的压力,测试相应的循环电流曲线,将所得多条曲线绘制成I-t图,如图6所示,可以看出传感器可以测量的最大压力可以达到20000Pa，在不同的压强值下信号峰的强度以及形状彼此不同。压强越大，电流的峰越尖锐。

Claims (9)

1.一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将弹力纤维均匀缠绕于四周多孔的圆环上构造出三维纱网结构；
步骤二、将炭黑即CB加入到纤维素纳米晶须即CNC悬浮液中，将该混合物超声处理得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液；将炭黑即CB加入到壳聚糖即CS悬浮液中，将该混合物超声处理得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液；
步骤三、使用乙醇清洗三维纱网结构以除去表面物质；将清洁后的三维纱网结构浸入CB@CNC悬浮液中，形成带负电荷的CB-纱线网络；然后将带负电荷的纱线网络浸入CB@CS悬浮液中，形成带正电荷的CB+纱线网络。
步骤四、重复步骤三内容实现CB的完全沉积，将获得的负载导电层的三维纱网结构真空干燥以除去水分。
2.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的三维纱网结构是由聚氨酯，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸醋,聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或多种组成的弹力纱线，该弹力纱线可以由多根纤维组成，多根同种纤维或多根异种纤维之间互相捻合，弹力纱线的长度为1-9m。
3.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的圆环为聚乙烯，聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯材料中的一种，圆环的直径和高度根据传感范围而确定。
4.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的三维纱网结构的网络接口处孔的排布规则为：孔的总排数为2-6排，每排孔的数量为8-30。
5.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的三维纱网结构是通过弹力纱线穿插缠绕的方式进行控制的，具体方式为：弹力纱线在同排孔间或异排孔间进行穿插，按照“Z”字型，“X”字型，“V”字型，“井”字型方式穿插缠绕；不同区域内弹力纱线的空间密度相同或不同；聚乙烯圆环的全部区域被纱线缠绕成三维网络。
6.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的步骤二中炭黑为超导电炭黑BP2000，呈颗粒状，平均粒径为30nm。
7.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的步骤二中CB@CNC悬浮液的具体配置方法如下：将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CNC悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带负电的CB@CNC悬浮液。
8.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的步骤二中CB@CS悬浮液的具体配置方法如下：将0.2448g CB加入到800mL浓度为0.613mg.mL-1的CS悬浮液中，将该混合物超声处理30分钟，其中搅拌器转速为200r/min，功率为1200w，最终得到完全悬浮的带正电的CB@CS悬浮液。
9.根据权利要求1所述的一种通过控制三维导电纱网结构制造压阻传感器的方法，其特征在于，所述的步骤四的具体方法如下：将三维纱网结构轮流浸渍于CB-悬浮液和CB+悬浮液中，循环次数80次，三维纱网结构在每10次浸渍循环后进行干燥处理，将最终获得的负载CB的三维导电纱网在真空下于80℃燥箱中干燥6h。
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