CN109799013A

CN109799013A - 一种压阻式柔性传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN109799013A
Application number: CN201910078701.XA
Authority: CN
Inventors: 肖学良; 李思明; 董科; 张玲; 胡雨洁
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-05-24

Abstract

本发明公开了一种压阻式柔性传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器领域。该柔性传感器，包括依次层置设置的柔性PDMS黏性基底上层、柔性导电织物、金电极、柔性聚酰亚胺薄膜与柔性PDMS黏性基底底层。所述的基底层是由PDMS旋涂固化后成膜而得；所述的导电织物为导电机织物，是由镀银导电尼龙长丝为经纱，涤纶长丝为纬纱织得；所述金电极通过沉积于柔性聚酰亚胺薄膜上，形成柔性叉指金电极；金电极两端各连接一根导线。本发明极大提升了压阻式柔性传感器的灵敏度，扩大监测范围，提高监测重复性能。

Description

一种压阻式柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种压阻式柔性传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器领域。

背景技术

随着可穿戴和人造电子皮肤的发展，柔软性压力传感器因其在人机界面，生物医学监控和运动检测等领域中的潜在应用而受到广泛的关注。对于实际应用来说，高灵敏度的特点是压力传感器非常需要的，特别是在较低范围压力，用于检测微小活动(如接触，心跳，呼吸)引起的微妙的压力，此外还需要传感器具有透明、柔韧、高精确度、高重复性等特点，以满足不规则的皮肤表面。

迄今为止，许多报道的研究都集中在柔软的高灵敏度压力传感器上，这些传感器通过利用电容性，压电，摩擦生电和压阻传感机制。在这些各种传感器类型中，压阻式压力传感器的工作原理是，由基板和导电材料构成的压阻传感器将施加的压力信号或者机械力信号转化为电流信号或者电阻信号，电信号会随着压力信号的变化发生变化。由于其简单的感应机制，织造工艺的简单性以及低耗能性而被广泛研究。其多是在柔性基底上覆盖或嵌入导电材料，得到多层结构的压阻式传感器。导电材料可以是石墨烯、碳纳米管等纳米材料，也可以是金属或金属化材料。

现有的柔性基底材料有龙鳞甲(Dragon Skin)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、天然橡胶等，嵌入或涂覆石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒、金属丝等导电材料制得柔性传感器。但是此类传感器普遍存在柔性不足、感测范围小和灵敏度不高等缺点，造成穿戴不变、信号采集不准确等限制了其发展和应用。因此，需要一种高灵敏度、准确度，且制备工艺简单的柔性压阻式传感器。

发明内容

本发明的目的为克服上述技术的不足，提供一种柔性压阻式传感器及其制备方法，使用柔性导电织物作为导电材料，旨在提高柔性传感器灵敏度、精确度和检测范围等性能，解决制作成本非常高的问题。

本发明提供了一种压阻式柔性传感器，包括：PDMS薄膜形成的柔性基底，设置在所述柔性基底上的叉指电极，位于所述叉指电极上层的导电织物层，位于导电织物上层的PDMS薄膜上基底；以及与所述叉指电极层相连接的用于传导感应电阻的导线。

在本发明的一种实施方式中，所述导电织物以镀银导电尼龙长丝为经纱，以涤纶长丝为纬纱。

所述镀银导电尼龙长丝细度为80～100D/36F，涤纶长丝细度为50～70D/24F。

所述镀银导电尼龙长丝细度为100D/36F，涤纶长丝细度为70D/24F。

在本发明的一种实施方式中，所述PDMS预聚物为市场上所售基础凝胶和固化剂以8～10：1的质量比混合制备。

在本发明的一种实施方式中，所述PDMS预聚物为美国道康宁SYLGARD 184硅橡胶主剂A和固化剂B以10:1的质量比混合制备。

在本发明的一种实施方式中，所述的PDMS薄膜的厚度为0.8mm-1mm。

在本发明的一种实施方式中，所述导电织物组织结构为平纹、方平2×2、方平3×3或缎纹4/1的一种。

在本发明的一种实施方式中，所述导电织物的密度为：纬纱60～80/inch，经纱80～120/inch。

在本发明的一种实施方式中，所述的组织结构是指结构的密度(/inch)，具体包括：

(1)平纹织物，经密100，纬密分别为60，70，80；

(2)方平2×2织物，经密100，纬密分别为60，70，80；

(3)方平3×3织物，经密100，纬密分别为60，70，80；

(4)缎纹4/1织物，经密100，纬密分别为60，70，80。

在本发明的一种实施方式中，所述叉指电极为商业化电极，其金电极在2.3微米厚的聚酰亚胺(支承层)上进行光刻图案化；相邻指状物之间的间距为0.5mm，交叉指状电极的宽度为0.2mm，金电极大小为15×10mm。

在本发明的一种实施方式中，所述光刻图案化的图案为梳指型和/或圆形图案。

在本发明的一种实施方式中，所述的导线为铜线，所述的导线通过锡焊与金电极两端连接。

本发明的第二个目的是提供一种制备所述的压阻式柔性传感器的方法，包括如下步骤：

(1)配制PDMS溶液，通过将基础凝胶和固化剂(美国道康宁SYLGARD 184硅氧烷弹性体)以8～10：1的质量比置于培养皿混合后的液体搅拌5～7分钟后放入真空干燥箱内，在10～20mm汞柱的真空下脱气5～10分钟得到PDMS溶液；

(2)将步骤(1)中的PDMS溶液旋涂于载玻片上，在40℃的条件下固化5小时后，将PDMS膜从载玻片上剥离，得到由粘性的PDMS薄膜，厚度为0.8mm-1mm；

(3)制备导电织物：以规格为100D/36F的导电镀银尼龙长丝为经纱，以规格为70D/24F的涤纶长丝为纬纱，通过小样机打样，控制织物的组织结构与密度；

(4)将铜导线通过焊锡方法与叉指金电极两端连接；

(5)封装：将带有导线的叉指金电极(下层为柔性聚酰亚胺薄膜，上层为金电极)和导电织物封装在两片大小相同的PDMS薄膜中，得到柔性压阻式传感器。

有益效果：本发明提供了一种压阻式柔性传感器及其制备方法，由柔性导电织物作为导电材料，传感器的压阻行为源于“压”(增加的接触点面积)和“放”(降低的接触点面积)过程中导电织物与叉指电极之间接触点面积的变化，因此尺寸可以做的非常小(长度和宽度均可小于1cm)，厚度小于1.80mm，解决了现有技术的小型化困难，且制作成本低。与现有技术相比，具有较高的灵敏度、精确度和较大的监测范围，可用于按压、弯曲等力的监测。监测范围为0-20kPa，压缩灵敏度可达0.264kPa^-1，具有极佳的重复性，压缩1000次后数据准确。由于其小型化，可用于人体手指按压、弯曲以及呼吸等生理信号的监测，可用于制备监测人体健康的可穿戴设备和智能机器人等领域。

附图说明

图1为本发明柔性压阻式传感器的结构示意图；

图2为本发明涤纶长丝(a)与导电镀银尼龙长丝(b)微观结构图；

图3本发明导电织物实物图；其中，(a)平纹(b)，方平2×2(c)，方平3×3，(d)缎纹4/1；其中，S+P表示经纱为镀银尼龙丝，纬纱为涤纶长丝；60、70。80表示纬密；标尺的尺寸为1mm；

图4为本发明基于不同织物的柔性传感器的应力-电阻曲线图；其中，(a)平纹(b)，方平2×2(c)，方平3×3，(d)缎纹4/1；

图5为本发明的压阻式柔性传感器压缩电阻比曲线图(以平纹100×60为例)；

图6本发明的压阻式柔性传感器压缩1000次前后电阻比曲线图(以平纹100×60为例)。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供所述的柔性压阻式传感器的制备方法，包括以下步骤：

如图1所示，本发明的压阻式柔性传感器的结构自上向下依次包括PDMS薄膜、导电织物、叉指金电极和PDMS薄膜；所述叉指金电极上设置导线。

该压阻式柔性传感器的制备过程具体如下：

(1)导电织物的制备：以规格为100D/36F的导电镀银尼龙长丝为经纱，以规格为70D/24F的涤纶长丝为纬纱，通过小样机打样，控制织物的组织结构与密度；在本实施例中，控制织物的组织结构与密度为平纹100×60；

(2)PDMS膜制备：将基础凝胶和固化剂(美国道康宁SYLGARD 184硅氧烷弹性体)以10：1的质量比混合后的液体搅拌5分钟后，在10～20mm汞柱的真空环境下脱气5～10分钟得到PDMS溶液；将PDMS溶液旋涂于载玻片上，在40℃的条件下固化5小时后，将PDMS膜从载玻片上剥离，得到由粘性的PDMS薄膜，厚度为0.8mm-1mm；

(3)将铜导线通过焊锡方法与叉指金电极两端连接；

(4)封装：将带有导线的叉指金电极(设置在柔性聚酰亚胺薄膜上的金电极)和导电织物封装在两片大小相同的PDMS薄膜中，得到柔性压阻式传感器。

实施例2：

分别按照表1的结构参数制备织物，再将制备的织物按照实施例1的方式封装柔性压阻式传感器。

表1导电织物的结构参数

众所周知，织物图案和交织密度决定了每单位面积的交叉点的密度。在经纱和纬纱的相同交织密度下，与方平和缎纹织物相比，平纹织物相对更紧密。从图4可以看出，与方平2×2织物、方平3×3织物和缎面4/1织物相比，平纹织物的应力-电阻关系相对平整。原因是平纹织物的相对紧密的结构，其厚度在压缩期间缓慢变化。对于方平2×2织物，方平3×3织物和缎面4/1织物，电阻比(R/R₀)在应力超过1kPa后几乎不会变化，这表明平纹织物是柔性传感器的合适导电织物。图4显示，四种织物在低于1kPa的应力下的R/R₀值与应力呈线性关系，从图像上表现出几乎直线的下降，表明它们对微小压缩的高灵敏度。

使用胜利数字万用表(VC890C+)和手动拉伸试验机(ALJ-50HB)分别对制得的柔性传感器的特征参数，例如柔性传感***的灵敏度和可重复性进行测试。在测试过程中，将传感***的两极连接到万用表的电阻测试端，传感器放在两个压缩盘(样品测试区域为1cm²)之间进行压缩测试，并分别记录相应的值。

结果如图5～6所示。在应力0～3KPa的范围内，灵敏度为0.264KPa^－1，,随着应力增加，灵敏度降低(图5)。压缩测试重复1000次，千次压缩后的电阻率变化与压缩前变化几乎一致，具有很好的重复性和稳定性。

对比例1：

具体实施方式同实施例1，区别在于，以针织布代替镀银尼龙丝和涤纶的织物。对制备获得的压阻式传感器性能进行测定，结果显示，针织物显示出不稳定的环交织结构，并且易于在整个厚度和平面内方向上变形。此外，自卷曲和易于分离的性能赋予针织物在传感器制造中的困难。而且，在高外部压缩力之后，线圈很容易移位。这些因素都对基于针织物的柔性传感器的重复性和滞后性具有很大影响。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种压阻式柔性传感器，其特征在于，包括：PDMS薄膜形成的柔性基底，设置在所述柔性基底上的叉指电极，位于所述叉指电极上层的导电织物层，位于导电织物上层的PDMS薄膜上基底；所述叉指金电极上设置导线；所述导电织物以镀银导电尼龙长丝为经纱，以涤纶长丝为纬纱。

2.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述镀银导电尼龙长丝细度为80～100D/36F，涤纶长丝细度为50～70D/24F。

3.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述PDMS预聚物为基础凝胶和固化剂以8～10：1的质量比混合制备而成。

4.根据权利要求1或3所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述的PDMS薄膜的厚度为0.8mm-1mm。

5.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述导电织物的密度为：纬纱60～80/inch，经纱80～120/inch。

6.根据权利要求1或5所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述导电织物组织结构为平纹、方平2×2、方平3×3或缎纹4/1的一种。

7.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述叉指电极进行了光刻图案化；所述光刻图案化的图案为梳指型和/或圆形图案。

8.一种制备权利要求1～7任一所述压阻式柔性传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)配制PDMS溶液，通过将基础凝胶和固化剂以8～10：1的质量比置于培养皿混合后的液体搅拌5～7分钟后放入真空干燥箱内，在10～20mm汞柱的真空下脱气5～10分钟得到PDMS溶液；

(2)将步骤(1)中的PDMS溶液旋涂于载玻片上，在35～40℃的条件下固化4～6小时后，将PDMS膜从载玻片上剥离，得到由粘性的PDMS薄膜，厚度为0.8mm-1mm；

(3)制备导电织物：以导电镀银尼龙长丝为经纱，以涤纶长丝为纬纱制备导电织物；

(4)将铜导线通过焊锡方法与叉指金电极两端连接；

(5)封装：将带有导线的叉指金电极和导电织物封装在两片大小相同的PDMS薄膜中，得到柔性压阻式传感器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述镀银导电尼龙长丝细度为80～100D/36F，涤纶长丝细度为50～70D/24F。

10.权利要求1～7任一所述的压阻式柔性传感器在智能服装、机器人、医疗、军事领域检测方面的应用。