CN111227812A - 一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111227812A
CN111227812A CN202010049508.6A CN202010049508A CN111227812A CN 111227812 A CN111227812 A CN 111227812A CN 202010049508 A CN202010049508 A CN 202010049508A CN 111227812 A CN111227812 A CN 111227812A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
conductive
rope
flexible sensor
based flexible
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010049508.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111227812B (zh
Inventor
钟卫兵
王栋
柯弈名
蒋海青
丁新城
刘志豪
李唯昕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Fibers Technology Co ltd
Wuhan Textile University
Original Assignee
Wuhan Fibers Technology Co ltd
Wuhan Textile University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Fibers Technology Co ltd, Wuhan Textile University filed Critical Wuhan Fibers Technology Co ltd
Priority to CN202010049508.6A priority Critical patent/CN111227812B/zh
Publication of CN111227812A publication Critical patent/CN111227812A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111227812B publication Critical patent/CN111227812B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/1036—Measuring load distribution, e.g. podologic studies
    • A61B5/1038—Measuring plantar pressure during gait
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1118—Determining activity level
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/02—Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • D02G3/04—Blended or other yarns or threads containing components made from different materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/44—Yarns or threads characterised by the purpose for which they are designed
    • D02G3/441—Yarns or threads with antistatic, conductive or radiation-shielding properties
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04C—BRAIDING OR MANUFACTURE OF LACE, INCLUDING BOBBIN-NET OR CARBONISED LACE; BRAIDING MACHINES; BRAID; LACE
    • D04C1/00—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof
    • D04C1/02—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof made from particular materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04C—BRAIDING OR MANUFACTURE OF LACE, INCLUDING BOBBIN-NET OR CARBONISED LACE; BRAIDING MACHINES; BRAID; LACE
    • D04C1/00—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof
    • D04C1/06—Braid or lace serving particular purposes
    • D04C1/12—Cords, lines, or tows
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12—Carbon; Pitch
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/14—Carbides; Nitrides; Silicides; Borides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/20—Metallic fibres

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用，所述全纤维基柔性传感器包括弹性导电绳芯和由导电纱线编织并包裹在所述弹性导电绳芯外周的传感层，所述绳芯的电阻低于所述传感层电阻。本发明采用弹性导电纱线，通过编绳法将应力传感器的电极层包裹于传感层中，以制备出集传感与电极复合于一体的“皮芯结构”线状传感材料，且可进一步将其直接与普通纱线或线状弹性体混织成片用作柔性压力传感电子器件，应用于检测人体生理健康(脉搏)和全范围运动(面部表情、发声、关节运动)等领域，且该线状传感材料具备结构简单、稳定性高，制备工艺简便、可重现性好、检测灵敏度高等特点。

Description

一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，尤其涉及一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用。
背景技术
随着人工智能的高速发展和智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。柔性应力传感器作为人造柔性电子器件的核心部分，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。其是否能实现高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测等性能是柔性可穿戴电子设备是否能广泛推广的关键。传统的柔性传感材料多为高分子基类柔性薄膜，由于材料自身的局限性，其只能实现部分柔性，从而限制了其发展应用，因此开发全柔性传感材料具有重要的研究意义。
目前，制造柔性应力传感器的主流方式是将传感器的形变转变为电阻值的变化，即压电阻型应力传感器。其中较为常用的制备方法是在柔性基底表面嵌入或覆盖一层导电材料，得到多层结构的应变传感器。导电材料可以是金属膜或导电纳米材料通过各种工艺组装得到导电薄膜。该类导电薄膜的均匀度不高，制得的压力传感器的可重现性较差。且传统的压力传感设备实现传感作用需三层结构(传感层、电极层、传感层)，其组成结构相对较复杂，因此可重复性较差，限制了多样化压力传感器的推广和应用。
此外，传统的柔性应力传感器的基底材料为表面平整的弹性薄膜，如聚甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、Dragon skin、橡胶等，其表面嵌入或覆盖的导电层均为平面结构。这种平面结构的传感器普遍存在灵敏度不够高，难以检测微小形变的缺点，限制了其发展和应用。因此，迫切需要一种高灵敏度，同时制备工艺简便的新型应力传感器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用，采用弹性导电纱线，通过编绳法将应力传感器的电极层包裹于传感层中，以制备出集传感与电极复合于一体的“皮芯结构”线状传感材料，且可进一步将其直接与普通纱线或线状弹性体混织成片用作柔性压力传感电子器件，应用于检测人体生理健康(脉搏)和全范围运动(面部表情、发声、关节运动)等，且该线状传感材料具备结构简单、稳定性高，制备工艺简便、可重现性好、检测灵敏度高等特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种全纤维基柔性传感器，所述全纤维基柔性传感器包括弹性导电绳芯和由导电纱线编织并包裹在所述弹性导电绳芯外周的传感层，所述弹性导电绳芯的电阻低于所述传感层电阻。
作为上述方案的进一步限定，所述弹性导电绳芯由多根导电纱线绞合编织而成，所述弹性导电绳芯的电阻低于所述传感层电阻的2～8％。
作为上述方案的进一步限定，所述弹性导电绳芯的直径为100～1000μm，伸长率大于等于0.01％。
作为上述方案的进一步限定，所述全纤维基柔性传感器的长度大于等于5cm，直径为0.1～5mm，伸长率大于等于0.01％，所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径为100～1500μm。
作为上述方案的进一步限定，所述导电纱线包括但不限于为混纺纱线或镀层纱线中的一种或两种组合。
作为上述方案的更进一步限定，所述混纺纱线由普通纤维与导电纤维混纺制得；所述普通纤维为天然纤维、合成纤维、再生纤维、无机纤维和人造纤维中的一种；所述导电纤维包括金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种。
作为上述方案的进一步限定，所述天然纤维包括但不限于为棉纤维、麻纤维、蚕丝纤维中的一种或多种；所述合成纤维包括但不限于为涤纶、氨纶、维纶、丙纶中的一种或多种；所述再生纤维包括但不限于为粘胶纤维、大豆纤维中的一种或多种；所述无机纤维包括但不限于为玻璃纤维。
作为上述方案的进一步限定，所述金属类导电纤维包括但不限于为金、银、铜、铁、铝、不锈钢中的任一种或多种形成的金属纤维；所述无机类导电纤维包括但不限于为石墨纤维、碳纤维、硅纤维、碳纳米管纤维中的任一种或多种；所述有机类导电纤维包括普通纤维及负载在所述普通纤维上的导电聚合物；所述复合类导电纤维包括但不限于为所述金属纤维、无机导电纤维、有机导电纤维及普通纤维中的任意两种或两种以上的纤维复合制成的纤维；所述掺杂类复合纤维由热塑性材料与导电材料共混后以熔融纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或静电纺丝法制得；所述镀层类复合纤维由导电材料在热塑性纤维表面经过涂层处理制成。
作为上述方案的进一步限定，所述热塑性材料包括但不限于为聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种；所述热塑性纤维由所述热塑性材料经过熔融纺丝或者湿法纺丝制得。
作为上述方案的进一步限定，所述镀层纱线包括普通纱线及经过涂层处理负载于所述普通纱线上的导电材料。
作为上述方案的进一步限定，所述导电材料选自单壁/多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、碳黑、石墨微片、金属纳米粒子、金属纳米线/片、液态金属、金属氧化物粉体、导电钛白粉、离子液体或导电聚合物中的一种；所述导电聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚苯硫醚、聚对亚苯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物的中的一种或多种。
本发明的另一目的在于提供所述的一种全纤维基柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、用绕管机将传感层用导电纱线分别绕于编织筒管上，以获得传感层用编绳绳股筒管；
S2、将多根导电纱线绞合编织成一束绳芯，再经绕管机将该绳芯用导电纱线绕于编织筒管上，从而获得编绳绳芯筒管；
S3、将传感层用编绳绳股筒管插在2～20锭编绳机的锭竿上；而绳芯筒管置于编绳机下部的铁锭上，绳芯筒管上的导电纱线从编绳机下部的中央孔内引入，从编织导纱孔引出，并与传感层用编绳绳股汇集；
S4、摇动手轮，锭子转动编织成线状传感材料混合编绳的始端；将线状传感材料混合编绳的始端绕牵引盘5～7道，合上离合器，开机编织，从而加工出线状传感材料混合编绳。
作为上述方案的进一步限定，步骤S4中，编织时保持各绳股间的张力平衡，所述传感层用编绳绳股之间相互交叉编织成线状传感材料混合编绳面子，线状传感材料的弹性导电绳芯则充填在线状传感材料混合编绳的中央；最后将编织成型的线状传感材料混合编绳从编绳机上引出，并缠绕于卷取辊上，加工成线状传感材料混合编绳。
本发明的再一目的在于提供所述的一种全纤维基柔性传感器的应用，将所述全纤维基柔性传感器与普通纱线或线状弹性体混织成片制作大面积柔性压力传感电子器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用弹性导电纱线，通过编绳法将应力传感器的电极层包裹于传感层中，以制备出集传感与电极复合于一体的“皮芯结构”线状传感材料，且可进一步将其直接与普通纱线或线状弹性体混织成片用作柔性压力传感电子器件，应用于检测人体生理健康(脉搏)和全范围运动(面部表情、发声、关节运动)等领域，且该线状传感材料具备结构简单、稳定性高，制备工艺简便、可重现性好、检测灵敏度高等特点。
(2)本发明通过调节纱线种类、纱线细度、纱线捻度及纱线含量等变量，采用绳编法实现对压力传感性能的调控，进而实现根据所需的压力传感性能快速制备出性能优异的线状传感材料，从而有助于推动智能可穿戴电子设备的发展。
(3)本发明提供的全纤维柔性传感器及其制备方法实现压力传感性能的原理在于：当线状传感材料的传感层在受到压力作用时，发生形变，传感区厚度随之发生变化，进而使得电阻发生变化，通过测试电阻大小即可转化为压力信号。本发明的线状传感材料性能稳定可靠、易调控，从而为性能多样化的压力传感器的制备提供有效途径。
附图说明
图1为本发明全纤维柔性传感器及其制备方法的结构示意图。
图2为将两根实施例1制得的全纤维基柔性传感器十字交叉叠加，在不同压力下测试得到的压力-电阻曲线.
图3为实施例38制得全纤维基柔性传感垫检测人体脚部受力点所呈现的压力分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明以下具体实施方式中，制得的全纤维基柔性传感器的传感性能测试方法为：
将所述以编绳法制备的“皮芯结构”线状传感材料的电极层连接在电化学工作站的工作电极上，对线状传感材料施加0.5V的电压，使用mark-10对其施加不同压力，测试得到相应压力-电流曲线。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
参照图1，本实施例提供一种全纤维基柔性传感器，所述全纤维基柔性传感器包括弹性导电绳芯1和由导电纱线编织并包裹在所述弹性导电绳芯1外周的传感层2，所述弹性导电绳芯1的电阻低于所述传感层2电阻的5％。
所述弹性导电绳芯由多根导电纱线绞合编织而成，所述弹性导电绳芯的直径为600μm，伸长率大于等于0.01％。
所述全纤维基柔性传感器的长度为5cm，直径为2mm，伸长率大于等于0.01％，所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径为300μm。
所述导电纱线为混纺纱线，由涤纶纤维与不锈钢纤维按照5:1混纺制得。
上述的一种全纤维基柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、用绕管机将传感层用导电纱线分别绕于编织筒管上，以获得传感层用编绳绳股筒管；
S2、将多根导电纱线绞合编织成一束绳芯，再经绕管机将该绳芯用导电纱线绕于编织筒管上，从而获得编绳绳芯筒管；
S3、将传感层用编绳绳股筒管插在16锭编绳机的锭竿上；而绳芯筒管置于编绳机下部的铁锭上，绳芯筒管上的导电纱线从编绳机下部的中央孔内引入，从编织导纱孔引出，并与传感层用编绳绳股汇集；
S4、摇动手轮，锭子转动编织成线状传感材料混合编绳的始端；将线状传感材料混合编绳的始端绕牵引盘5～7道，合上离合器，开机编织，编织时保持各绳股间的张力平衡，所述传感层用编绳绳股之间相互交叉编织成线状传感材料混合编绳面子，线状传感材料的弹性导电绳芯则充填在线状传感材料混合编绳的中央；最后将编织成型的线状传感材料混合编绳从编绳机上引出，并缠绕于卷取辊上，从而加工出线状传感材料混合编绳。
将两根本实施例制得的全纤维基柔性传感器十字交叉叠加，在不同压力下测试得到的压力-电阻曲线如图2所示。从图中结果可知，随着压力的增大，制得的传感材料的电阻减小。
实施例2-5
实施例2-5提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述弹性导电绳芯的直径，测试单根传感材料的断裂强力，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
Figure BDA0002370621610000071
由上表结果可知，线状传感材料中所述弹性导电绳芯的直径影响着所得包覆结构线状传感材料的断裂强力及其传感性能。综合表中数据可知，在其他条件不变的情况下，随着纱线绳芯直径的增加，所得全纤维柔性传感器及其制备方法的断裂强力得到增加，检测范围值(检测上限)增大，灵敏度增加。
实施例6-9
实施例6-9提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
Figure BDA0002370621610000072
Figure BDA0002370621610000081
由上表结果可知，线状传感材料中所述导电纱线的直径直接影响着所得包覆结构线状传感材料的断裂强力及其传感性能。综合表中数据可知，在其他条件不变的情况下，随着导电纱线直径的增加，制得的全纤维柔性传感器的断裂强力得到增加，检测范围值(检测上限)增大，灵敏度随导电纱线直径的增大呈现先增大后减小的趋势。
实施例10-13
实施例10-13提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述全纤维基柔性传感器的直径，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
Figure BDA0002370621610000082
由上表结果可知，线状传感材料中所述全纤维基柔性传感器的直径会直接影响所得包覆结构线状传感材料的断裂强力及其传感性能。综合表中数据可知，在其他条件不变的情况下，随着线状传感材料直径的增加，所得全纤维基柔性传感器的断裂强力得到增加，检测范围值(检测上限)增大，灵敏度随线绳直径的增大呈现先增大后减小的趋势。因此，在实际应用过程中，可根据需求调节线状传感材料的直径以获得不同断裂强力及压力传感性能的线状全纤维基柔性传感器。
实施例14-29
实施例14-29提供一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，所述全纤维基柔性传感器中所述导电纱线的种类，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
Figure BDA0002370621610000091
从上表结果可以看出，当编绳的直径一定时，通过调整纱线种类，得到了不同检测上限范围和灵敏度的线状传感材料。同时对比上表中结果可以看出，绳芯和传感层中导电纱线所用到的材料对制得的全纤维基柔性传感器的压力传感性能存在显著影响。因此可将不同种类导电纱线进行复合或者对纱线进行涂层处理，以制得具有不同检测上限和灵敏度的线状传感材料。因此，在实际应用中，可通过调整纱线种类，以获得不同压力传感性能的柔性压力传感器件，以满足不同的应力传感性能需求。
实施例30-37
实施例30-37提供了一种全纤维基柔性传感器，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述全纤维基柔性传感器中所述弹性导电绳芯、所述传感层中导电纱线的种类，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。
其中，金属类导电纱线均为金纱线，无机类导电纱线均为碳纤维纱线，有机类导电纱线均为表面附着聚吡咯的棉纱线，复合导电纱线均为表面附着聚吡咯的棉纤维与碳纤维混纺纱线，普通纱线均为涤纶纱线。
实施例 绳芯 传感层 检测上限(kPa) 灵敏度kPa<sup>-1</sup>
30 金属类导电纱线 有机类导电纱线 400 18.25
31 无机类导电纱线 有机类导电纱线 200 16.23
32 有机类导电纱线 有机类导电纱线 200 10.25
33 复合导电纱线 有机类导电纱线 100 9.23
34 无机类导电纱线 无机类导电纱线 200 9.65
35 有机类导电纱线 复合导电纱线 150 11.42
36 无机类导电纱线 复合导电纱线 300 17.22
37 复合导电纱线 复合导电纱线 100 8.36
由上表可以看出，当全纤维基柔性传感器的直径一定时，通过调整绳芯和传感层中导电纱线的组成，得到了不同检测上限范围和灵敏度的线状传感材料。对比各实施例结果可以看出，绳芯和传感层中导电纱线的组成会对制得的全纤维基柔性传感器件的压力传感性能产生显著影响。因此，在实际应用过程中，可通过调整绳芯和传感层的纱线种类，以制得不同传感性能的线状全纤维基柔性传感器，从而满足不同的应力传感性能需求，为多样化压力传感器的推广和应用提供新的方向。
实施例38
实施例38提供了一种由实施例1制得全纤维基柔性传感器编织而成的大面积压力传感垫，其编制方法如下：
利用机织平纹组织结构，将实施例1制得的全纤维基柔性传感材料与普通纱线(涤纶纱线)按照1:5的比例周期性地喂入织机构成织物经纱，并以同样的比例周期性地喂入织机构成织物纬纱，从而构成上下交织的典型平纹织物。由此制得的平纹织物中每个经纬纱交织点均为信号采集点，将每一根全纤维基柔性传感器中的电极与采集电路连接，用于检测人体脚部受力点。
本实施例制得的全纤维基柔性传感垫检测人体脚部受力点所呈现的压力分布图结果如图3所示。从图中所呈现的结果可以看出，当人体脚部踩压于传感垫上部是，脚部轮廓清晰可见，且可明显看出前脚掌和脚跟部采集的信号较为显著，这是由于脚部着力点主要位于前脚掌和脚跟部。由此表明可将本发明制得的全纤维基柔性传感器应用于人体临床诊断、健康评估、健康监控、柔性电子皮肤，甚至工业机器人等领域，以实现高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测等性能。
综上可知，本发明制备的包覆结构的线状全纤维基柔性传感器，基于弹性导电纱线较大的比表面积以及材料优异的性能特点，当受到外力刺激时，柔性高伸缩的纳米纤维纱线应力传感器显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。在人体监测***中，可实现从微弱压力的心率监测到较大压力的肢体运动监测。此外，本发明的制作工艺简便、成本低廉，有利于向大规模商业化全柔性应力传感器方向发展。
以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述全纤维基柔性传感器包括弹性导电绳芯和由导电纱线编织并包裹在所述弹性导电绳芯外周的传感层，所述绳芯的电阻低于所述传感层电阻。
2.根据权利要求1所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述弹性导电绳芯由多根导电纱线绞合编织而成，所述弹性导电绳芯的电阻低于所述传感层电阻的1～10％。
3.根据权利要求1或2所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述弹性导电绳芯的直径为100～1000μm，伸长率大于等于0.01％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述全纤维基柔性传感器的长度大于等于5cm，直径为0.1～5mm，伸长率大于等于0.01％，所述全纤维基柔性传感器中导电纱线的直径为100～1500μm。
5.根据权利要求4所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述导电纱线包括但不限于为混纺纱线或镀层纱线中的一种或两种组合。
6.根据权利要求5所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述混纺纱线由普通纤维与导电纤维混纺制得；所述普通纤维为天然纤维、合成纤维、再生纤维、无机纤维和人造纤维中的一种；所述导电纤维包括金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述天然纤维包括但不限于为棉纤维、麻纤维、蚕丝纤维中的一种或多种；所述合成纤维包括但不限于为涤纶、氨纶、维纶、丙纶中的一种或多种；所述再生纤维包括但不限于为粘胶纤维、大豆纤维中的一种或多种；所述无机纤维包括但不限于为玻璃纤维。
8.根据权利要求6所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述金属类导电纤维包括但不限于为金、银、铜、铁、铝、不锈钢中的任一种或多种形成的金属纤维；所述无机类导电纤维包括但不限于为石墨纤维、碳纤维、硅纤维、碳纳米管纤维中的任一种或多种；所述有机类导电纤维包括普通纤维及负载在所述普通纤维上的导电聚合物；所述复合类导电纤维包括但不限于为所述金属纤维、无机导电纤维、有机导电纤维及普通纤维中的任意两种或两种以上的纤维复合制成的纤维；所述掺杂类复合纤维由热塑性材料与导电材料共混后以熔融纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或静电纺丝法制得；所述镀层类复合纤维由导电材料在热塑性纤维表面经过涂层处理制成。
9.根据权利要求8所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述热塑性材料包括但不限于为聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种；所述热塑性纤维由所述热塑性材料经过熔融纺丝或者湿法纺丝制得。
10.根据权利要求5所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述镀层纱线包括普通纱线及经过涂层处理负载于所述普通纱线上的导电材料。
11.根据权利要求8所述的一种全纤维基柔性传感器，其特征在于，所述导电材料选自单壁/多壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、碳黑、石墨微片、金属纳米粒子、金属纳米线/片、液态金属、金属氧化物粉体、导电钛白粉、离子液体或导电聚合物中的一种；所述导电聚合物选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚苯硫醚、聚对亚苯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物的中的一种或多种。
12.根据权利要求1～11任一项所述的一种全纤维基柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、用绕管机将传感层用导电纱线分别绕于编织筒管上，以获得传感层用编绳绳股筒管；
S2、将多根导电纱线绞合编织成一束绳芯，再经绕管机将该绳芯用导电纱线绕于编织筒管上，从而获得编绳绳芯筒管；
S3、将传感层用编绳绳股筒管插在2～20锭编绳机的锭竿上；而绳芯筒管置于编绳机下部的铁锭上，绳芯筒管上的导电纱线从编绳机下部的中央孔内引入，从编织导纱孔引出，并与传感层用编绳绳股汇集；
S4、摇动手轮，锭子转动编织成线状传感材料混合编绳的始端；将线状传感材料混合编绳的始端绕牵引盘5～7道，合上离合器，开机编织，从而加工出线状传感材料混合编绳。
13.根据权利要求12所述的一种全纤维基柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S4中，编织时保持各绳股间的张力平衡，所述传感层用编绳绳股之间相互交叉编织成线状传感材料混合编绳面子，线状传感材料的弹性导电绳芯则充填在线状传感材料混合编绳的中央；最后将编织成型的线状传感材料混合编绳从编绳机上引出，并缠绕于卷取辊上，加工成线状传感材料混合编绳。
14.一种全纤维基柔性传感器的应用，其特征在于，将权利要求1～11任一项所述的全纤维基柔性传感器或权利要求12-13任一项所述的制备方法制得的全纤维基柔性传感器与普通纱线或线状弹性体混织成片制作大面积柔性压力传感电子器件。
CN202010049508.6A 2020-01-16 2020-01-16 一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用 Active CN111227812B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010049508.6A CN111227812B (zh) 2020-01-16 2020-01-16 一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010049508.6A CN111227812B (zh) 2020-01-16 2020-01-16 一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111227812A true CN111227812A (zh) 2020-06-05
CN111227812B CN111227812B (zh) 2022-10-11

Family

ID=70877891

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010049508.6A Active CN111227812B (zh) 2020-01-16 2020-01-16 一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111227812B (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112816528A (zh) * 2021-02-01 2021-05-18 合肥艾创微电子科技有限公司 一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法
CN113174670A (zh) * 2021-04-27 2021-07-27 华中科技大学 一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法
CN113358729A (zh) * 2021-06-22 2021-09-07 武汉纺织大学 纤维状可穿戴汗液传感器的封装结构
CN113512816A (zh) * 2021-04-20 2021-10-19 东华大学 一种可机洗可编织的电发热复合纱
CN113737523A (zh) * 2021-09-09 2021-12-03 天津工业大学 一种高强度柔性拉力传感纤维绳的制备方法
CN113790741A (zh) * 2020-05-25 2021-12-14 武汉纺织大学 多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用
CN114322742A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 东南大学 新型纤维式电阻型应变传感器及其制备方法
WO2022089510A1 (zh) * 2020-11-02 2022-05-05 香港理工大学 可拉伸的导电纱线及其制造方法
CN114507914A (zh) * 2022-01-27 2022-05-17 闽都创新实验室 一种通过湿法纺丝制备特种电传感纤维的方法
CN115161803A (zh) * 2022-06-30 2022-10-11 中国科学院工程热物理研究所 一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法
CN116766734A (zh) * 2023-08-23 2023-09-19 苏州迪天机器人自动化有限公司 一种柔性高灵敏触觉传感器的制作工艺

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1430765A (zh) * 2000-04-03 2003-07-16 布鲁内尔大学 导电的压力敏感纺织品
US20040057176A1 (en) * 2002-06-28 2004-03-25 North Carolina State University Fabric and yarn structures for improving signal integrity in fabric-based electrical circuits
GB0621491D0 (en) * 2006-10-27 2006-12-06 Studio 1 Ventures Ltd Textile pressure sensor
US20060281382A1 (en) * 2005-06-10 2006-12-14 Eleni Karayianni Surface functional electro-textile with functionality modulation capability, methods for making the same, and applications incorporating the same
US20090085444A1 (en) * 2005-05-05 2009-04-02 Rodrigo Alvarez Icaza Rivera Dielectric elastomer fiber transducers
JP2011074512A (ja) * 2009-09-29 2011-04-14 Fukui Prefecture ｅ−テキスタイル用導電糸およびそれを用いた織編物
CN103221798A (zh) * 2010-11-22 2013-07-24 伊顿公司 压力感应软管
US20170036066A1 (en) * 2015-08-05 2017-02-09 Tony CHAHINE Garment with stretch sensors
JP2017120860A (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 帝人株式会社 組紐状圧電素子、組紐状圧電素子を用いた布帛状圧電素子およびそれらを用いたデバイス
CN107167180A (zh) * 2017-05-19 2017-09-15 北京邮电大学 一种弹性纤维传感器及其制备方法
US20180113032A1 (en) * 2016-10-11 2018-04-26 North Carolina State University Flexible stretchable capacitive sensor
CN207619571U (zh) * 2017-06-28 2018-07-17 费伯（上海）网络科技有限公司 一种压阻纤维、纱线及压阻传感器和织物
CN108560250A (zh) * 2018-04-24 2018-09-21 中国人民解放军总医院 一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用
US20190096540A1 (en) * 2015-07-16 2019-03-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Sheath-core fibers for superelastic electronics, sensors, and muscles
CN109964326A (zh) * 2016-11-18 2019-07-02 三井化学株式会社 压电基材、传感器、执行元件、生物体信息获取设备、及压电纤维结构体

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1430765A (zh) * 2000-04-03 2003-07-16 布鲁内尔大学 导电的压力敏感纺织品
US20040057176A1 (en) * 2002-06-28 2004-03-25 North Carolina State University Fabric and yarn structures for improving signal integrity in fabric-based electrical circuits
US20090085444A1 (en) * 2005-05-05 2009-04-02 Rodrigo Alvarez Icaza Rivera Dielectric elastomer fiber transducers
US20060281382A1 (en) * 2005-06-10 2006-12-14 Eleni Karayianni Surface functional electro-textile with functionality modulation capability, methods for making the same, and applications incorporating the same
GB0621491D0 (en) * 2006-10-27 2006-12-06 Studio 1 Ventures Ltd Textile pressure sensor
JP2011074512A (ja) * 2009-09-29 2011-04-14 Fukui Prefecture ｅ−テキスタイル用導電糸およびそれを用いた織編物
CN103221798A (zh) * 2010-11-22 2013-07-24 伊顿公司 压力感应软管
US20190096540A1 (en) * 2015-07-16 2019-03-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Sheath-core fibers for superelastic electronics, sensors, and muscles
US20170036066A1 (en) * 2015-08-05 2017-02-09 Tony CHAHINE Garment with stretch sensors
JP2017120860A (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 帝人株式会社 組紐状圧電素子、組紐状圧電素子を用いた布帛状圧電素子およびそれらを用いたデバイス
US20180113032A1 (en) * 2016-10-11 2018-04-26 North Carolina State University Flexible stretchable capacitive sensor
CN109964326A (zh) * 2016-11-18 2019-07-02 三井化学株式会社 压电基材、传感器、执行元件、生物体信息获取设备、及压电纤维结构体
CN107167180A (zh) * 2017-05-19 2017-09-15 北京邮电大学 一种弹性纤维传感器及其制备方法
CN207619571U (zh) * 2017-06-28 2018-07-17 费伯（上海）网络科技有限公司 一种压阻纤维、纱线及压阻传感器和织物
CN108560250A (zh) * 2018-04-24 2018-09-21 中国人民解放军总医院 一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GUANGMING CAI，等: "Large-Scale Production of Highly Stretchable CNT/Cotton/", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *
MAYUE SHI，等: "A SINGLE-ELECTRODE WEARABLE TRIBOELECTRIC", 《IEEE》 *
RAVINDER REDDY K,DENG: "Highly Sensitive, Rugged, and Wearable Fabric Strain", 《ADVANCED MATERIALS INTERFACES》 *
WEIBING ZHONG,等: "Continuously Producible Ultrasensitive Wearable Strain Sensor", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *
XINGHU FU，等: "A curvature sensor based on tapered triple cladding quartz", 《2017 2ND INTERNATIONAL CONFERENCE OF FIBRE-OPTIC AND PHOTONIC SENSORS FOR INDUSTRIAL AND SAFETY APPLICATIONS》 *
刘翠，等: "聚吡咯／聚烯烃弹性体纳米纤维压力传感器", 《高分子材料科学与工程》 *
王栋，等: "纤维材料与可穿戴技术的融合与创新", 《纺织学报》 *
蔡倩文，等: "纬编针织柔性传感器结构及其导电性能", 《纺织学报》 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113790741A (zh) * 2020-05-25 2021-12-14 武汉纺织大学 多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用
CN113790741B (zh) * 2020-05-25 2024-06-07 武汉纺织大学 多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用
WO2022089510A1 (zh) * 2020-11-02 2022-05-05 香港理工大学 可拉伸的导电纱线及其制造方法
CN112816528A (zh) * 2021-02-01 2021-05-18 合肥艾创微电子科技有限公司 一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法
CN112816528B (zh) * 2021-02-01 2024-04-09 合肥艾创微电子科技有限公司 一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法
CN113512816A (zh) * 2021-04-20 2021-10-19 东华大学 一种可机洗可编织的电发热复合纱
CN113174670A (zh) * 2021-04-27 2021-07-27 华中科技大学 一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法
CN113358729B (zh) * 2021-06-22 2024-03-12 武汉纺织大学 纤维状可穿戴汗液传感器的封装结构
CN113358729A (zh) * 2021-06-22 2021-09-07 武汉纺织大学 纤维状可穿戴汗液传感器的封装结构
CN113737523A (zh) * 2021-09-09 2021-12-03 天津工业大学 一种高强度柔性拉力传感纤维绳的制备方法
CN114322742A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 东南大学 新型纤维式电阻型应变传感器及其制备方法
CN114507914B (zh) * 2022-01-27 2023-12-05 闽都创新实验室 一种通过湿法纺丝制备特种电传感纤维的方法
CN114507914A (zh) * 2022-01-27 2022-05-17 闽都创新实验室 一种通过湿法纺丝制备特种电传感纤维的方法
CN115161803A (zh) * 2022-06-30 2022-10-11 中国科学院工程热物理研究所 一种测量应力应变的柔性压电纤维及其制备方法
CN116766734A (zh) * 2023-08-23 2023-09-19 苏州迪天机器人自动化有限公司 一种柔性高灵敏触觉传感器的制作工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN111227812B (zh) 2022-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111227812B (zh) 一种全纤维基柔性传感器及其制备方法与应用
Liu et al. Recent progress on smart fiber and textile based wearable strain sensors: materials, fabrications and applications
CN109355715B (zh) 一种基于纳米纤维包芯纱的可拉伸多模式传感器及其制备方法
Yan et al. Flexible strain sensors fabricated using carbon-based nanomaterials: A review
Qi et al. Weavable and stretchable piezoresistive carbon nanotubes-embedded nanofiber sensing yarns for highly sensitive and multimodal wearable textile sensor
Yan et al. Recent progress on fabrication of carbon nanotube-based flexible conductive networks for resistive-type strain sensors
CN109307565A (zh) 一种可感应压力的柔性电子皮肤及其制备方法
CN108560250A (zh) 一种基于导电纤维的柔性应变传感器的制备方法及其应用
Pan et al. Highly sensitive and durable wearable strain sensors from a core-sheath nanocomposite yarn
CN106894133A (zh) 一种电阻式可拉伸多维力传感纱线
US20190072440A1 (en) Fibre-based sensor for yarn
CN113201802B (zh) 拉力传感纤维、纱线、织物及拉力传感纤维制备方法
CN108035032A (zh) 一种三维间隔机织结构压力传感织物及其制备方法
CN107385623A (zh) 一种柔性应变传感机织物及其制作工艺
Hou et al. Smart fibers and textiles for emerging clothe-based wearable electronics: materials, fabrications and applications
CN113174670A (zh) 一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法
CN113215682A (zh) 温度传感纤维、纱线、织物及温度传感纤维制备方法
Zhang et al. Weaving a magnificent world: 1D fibrous electrodes and devices for stretchable and wearable electronics
CN113607309A (zh) 一种可拉伸牛角瓜纤维石墨烯柔性传感器
Dou et al. Hierarchical and coaxial yarn with combined conductance stability and sensing capability for wearable electronics
CN117516765A (zh) 全织物电容式压力传感器及其制备方法
CN112082675B (zh) 一种弹性阵列压力传感器
CN114108152B (zh) 一种兼具应变传感和拉伸电阻稳定的多层次结构复合纱的制备方法
CN114622317B (zh) 一种电阻式应变传感包覆纱及其制备方法
CN114739280B (zh) 一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant