CN117582187A - 柔性可穿戴热敏传感器阵列及其制备方法和应用 - Google Patents

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瞿瑞祥
宋晓珂
陈福广
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Abstract

本发明涉及一种柔性可穿戴热敏传感器阵列及其制备方法和应用；该柔性可穿戴热敏传感器阵列包括通过平纹编织法交叉排布的柔性可穿戴热敏纤维和导电检测线，以及覆盖交叉排布区域的封装保护层；柔性可穿戴热敏纤维包括导电纤维以及包覆于导电纤维任意一端外表面的热敏涂层，热敏涂层以高分子聚合物为基体，且基体中包括有金属氧化物；热敏涂层的表面设置有外电极检测端，且外电极检测端位于导电检测线在热敏涂层的投影面积内，导电检测线通过外电极检测端与柔性可穿戴热敏纤维形成电连接。该柔性可穿戴热敏传感器阵列可以在长期穿戴过程中，灵敏、准确、实时的检测温度分布。

Description

柔性可穿戴热敏传感器阵列及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及温度传感设备技术领域，特别是涉及一种柔性可穿戴热敏传感器阵列及其制备方法和应用。
背景技术
体温是反映人体健康状况的一项重要指标，利用可穿戴温度传感器对术后患者的体温进行持续、无创的检测有利于改善预后、降低死亡率；此外，作为电子皮肤中触觉感知的重要组成部分，分布式温度传感器通过模拟人体密集分布的感受器使烧伤等疾病患者重获感知外界刺激的能力，极大的提高了患者的生活质量。由于体温波动变化较小，可穿戴温度传感器应该柔软、灵活、灵敏度高、生物相容性好、重量轻，自然的贴敷于皮肤表面并且具有足够高的分辨率。
根据响应原理不同，温度敏感材料可分为热敏材料、热阻材料和热电偶；其中，金属氧化物作为一种本征p型的氧化物半导体，具有优异的温度灵敏度(B值)、良好的化学稳定型和经济的成本。传统的金属氧化物热敏电阻阵列包括利用激光直写技术在聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性基板表面还原烧结的氧化镍传感材料、利用喷墨打印技术在聚酰亚胺薄膜上喷涂并煅烧固化的纳米氧化镍热敏电阻、在柔性基底表面固化的纳米氧化镍颗粒-柔性聚合物橡胶混合热敏材料等，这些在柔性基底表面制备得到的金属氧化物热敏电阻阵列具有高像素密度和温度灵敏度，但由于柔性基底具有致密和不透气的特性，在长期穿戴过程中，会增加不适感和患皮肤炎症的可能性。另外，传统的金属氧化物热敏电阻阵列容易受到应变和压力等外力作用的干扰，影响温度传感的准确率。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种柔性可穿戴热敏传感器阵列及其制备方法和应用，该柔性可穿戴热敏传感器阵列不仅具有良好的透气性和穿戴舒适性，而且不易开裂、力学性能优异，可以在长期穿戴过程中，灵敏、准确、实时的检测温度分布。
本发明公开了一种柔性可穿戴热敏传感器阵列，包括通过平纹编织法交叉排布的柔性可穿戴热敏纤维和导电检测线，以及覆盖交叉排布区域的封装保护层；
其中，所述柔性可穿戴热敏纤维包括导电纤维以及包覆于所述导电纤维任意一端外表面的热敏涂层，所述热敏涂层以高分子聚合物为基体，且所述基体中包括有金属氧化物；所述热敏涂层的表面设置有外电极检测端，且所述外电极检测端位于所述导电检测线在所述热敏涂层的投影面积内，所述导电检测线通过所述外电极检测端与所述柔性可穿戴热敏纤维形成电连接。
在一实施方式中，所述外电极检测端的数量为2个以上，所述外电极检测端的排布密度为6个/cm2-16个/cm2。
在一实施方式中，所述热敏涂层还满足以下条件中的至少一个：
(1)所述金属氧化物包括纳米氧化镍、纳米氧化铜、纳米氧化铝中的至少一种；所述高分子聚合物包括聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚偏氟乙烯中的至少一种；
(2)所述金属氧化物在所述热敏涂层中的质量分数为20％-50％；
(3)所述热敏涂层的厚度为10μm-100μm，所述导电纤维的直径为0.1mm-0.2mm。
在一实施方式中，所述导电纤维和所述导电检测线分别独立的选自钨丝、铜丝、不锈钢丝、碳纤维、镀铜尼龙或镀银尼龙。
一种如上述的柔性可穿戴热敏传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：
将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉，然后进行固化处理形成热敏涂层，其中，所述复合油墨由热敏材料与高分子聚合物溶液混合得到；
在所述热敏涂层的表面间隔点涂银浆，然后进行干燥处理形成外电极检测端，得到柔性可穿戴热敏纤维；
通过平纹编织法将所述柔性可穿戴热敏纤维与导电检测线交叉排布，所述导电检测线与所述外电极检测端接触，然后进行固化处理使所述导电检测线与所述外电极检测端形成电连接；以及
在所述柔性可穿戴热敏纤维与所述导电检测线的交叉区域涂覆聚硅氧烷溶液，然后进行固化处理形成封装保护层。
在一实施方式中，在所述热敏涂层的表面间隔点涂银浆的步骤中，相邻的银浆之间的间距为1.5mm-2.5mm。
在一实施方式中，将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉的步骤中，提拉速度为15mm/min-40mm/min。
在一实施方式中，所述复合油墨还满足以下条件中的至少一个：
(1)所述热敏材料与所述高分子聚合物溶液的质量比为20∶79.95-50∶49.9；
(2)所述高分子聚合物溶液包括高分子聚合物和有机溶剂，所述高分子聚合物与所述有机溶剂的质量比为1∶5-1∶8，所述有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、磷酸三乙酯或二甲基亚砜中的至少一种；
(3)所述复合油墨中还包括有表面活性剂，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、硬脂酸聚氧乙烯酯或聚乙二醇双油酸酯中的至少一种，所述表面活性剂与所述金属氧化物的质量比为0.05∶20-0.1∶50。
一种如上述的柔性可穿戴热敏传感器阵列在检测温度分布中的应用。
一种温度分布式检测方法，包括如下步骤：将如上述的柔性可穿戴热敏传感器阵列覆盖于待测物的表面，然后将***检测电路与所述柔性可穿戴热敏传感器阵列中的导电纤维和导电检测线分别依次相连，通过测得的交点的电阻值计算该交点的温度，得到所述待测物表面的温度分布。
本发明提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列中，第一，通过编织方法将柔性可穿戴热敏纤维与导电检测线整合，不仅便于穿戴，还具有优异的柔韧性和透气性，可满足长期穿戴的需求；第二，可以通过改变外电极检测端的分布和间距，调节柔性可穿戴热敏传感器阵列中温度检测点的分布密度，满足分布式温度检测中高空间分辨率的需求；第三，由于柔性可穿戴热敏纤维中的热敏涂层包覆于导电纤维的外表面，因此，在单位体积内，热敏涂层厚度与横截面积的比值降低，根据公式R＝ρ*L/S可知，通过降低热敏涂层的厚度L，增加接触面积S，能够有效降低热敏涂层的电阻值R，便于检测；第四，热敏涂层中的金属氧化物具有较高的温度敏感特性，提升了测温精度和灵敏度，同时其较好的耐热性，扩大了温度检测的范围，使柔性可穿戴热敏纤维能够适用于多种检测环境；第五，热敏涂层中的高分子聚合物增加了热敏涂层的力学性能，尤其是柔韧性，因此，减少了外力作用对温度检测结果的干扰；第六，封装保护层包覆盖柔性可穿戴热敏纤维与导电检测线的交叉排布区域，可有效阻挡水汽等干扰物质，增加柔性可穿戴热敏传感器阵列响应稳定性的同时提升与待测物的兼容性；综上，本发明提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列不仅具有良好的透气性和穿戴舒适性，而且不易开裂、力学性能优异，可以在长期穿戴过程中，灵敏、准确、实时的检测温度分布，能够很好的应用于医疗领域中，例如实现体表温度的长时间实时分布式监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施方式的柔性可穿戴热敏传感器阵列的正视图；
图2为本发明一实施方式的柔性可穿戴热敏传感器阵列的左视图；
图3为本发明一实施方式的柔性可穿戴热敏传感器阵列的俯视图；
图4为实施例1提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列中的温度检测点在不同温度下的阻值响应校准曲线；
图5为实施例1提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列中柔性可穿戴热敏纤维在弯曲情况下的阻值变化曲线；
图6为实施例1提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列中柔性可穿戴热敏纤维在压力作用下的阻值变化曲线；
图7为实施例1提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列中各个温度检测点的分布示意图；
图8为实施例1提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列中各个温度检测点的阻值响应图。
图中：10、柔性可穿戴热敏纤维；20、热敏涂层；30、导电检测线；40、外电极检测端；50、封装保护层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更详细的描述。但是，应当理解，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式或实施例。相反地，提供这些实施方式或实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式或实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”的可选范围包括两个或两个以上相关所列项目中任一个，也包括相关所列项目的任意的和所有的组合，所述任意的和所有的组合包括任意的两个相关所列项目、任意的更多个相关所列项目、或者全部相关所列项目的组合。
如图1-图3所示，本发明提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列包括通过平纹编织法交叉排布的柔性可穿戴热敏纤维10和导电检测线30，以及覆盖交叉排布区域的封装保护层50。本发明通过编织方法将柔性可穿戴热敏纤维10与导电检测线30整合，不仅便于穿戴，还具有优异的柔韧性和透气性，可满足长期穿戴的需求。
具体的，本发明的柔性可穿戴热敏传感器阵列中，柔性可穿戴热敏纤维10包括导电纤维以及包覆于导电纤维任意一端外表面的热敏涂层20，热敏涂层20以高分子聚合物为基体，且基体中包括有金属氧化物。热敏涂层20的表面设置有外电极检测端40，且外电极检测端40位于导电检测线30在热敏涂层20的投影面积内，导电检测线30通过外电极检测端40与柔性可穿戴热敏纤维10形成电连接。
首先，由于柔性可穿戴热敏纤维10中的热敏涂层20包覆于导电纤维的外表面，因此，在单位体积内，热敏涂层20厚度与横截面积的比值降低，根据公式R＝ρ*L/S可知，通过降低热敏涂层的厚度L，增加接触面积S，能够有效降低热敏涂层的电阻值R，便于检测。
其次，热敏涂层20中的高分子聚合物增加了热敏涂层20的力学性能，尤其是柔韧性，因此，减少了外力作用对温度检测结果的干扰；热敏涂层20中的金属氧化物具有较高的温度敏感特性，提升了测温精度和灵敏度，同时其较好的耐热性，扩大了温度检测的范围，使柔性可穿戴热敏纤维10能够适用于多种检测环境。
再次，可以通过改变外电极检测端40的分布和间距，调节柔性可穿戴热敏传感器阵列中温度检测点的分布密度，满足分布式温度检测中高空间分辨率的需求。
另外，封装保护层50包覆盖柔性可穿戴热敏纤维10与导电检测线30的交叉排布区域，可有效阻挡水汽等干扰物质，增加柔性可穿戴热敏传感器阵列响应稳定性的同时提升与待测物的兼容性。
在一实施方式中，热敏涂层20中的金属氧化物包括纳米氧化镍、纳米氧化铜、纳米氧化铝中的至少一种；由于纳米氧化镍具有高电阻温度系数和出色的化学稳定性，优选的，金属氧化物包括纳米氧化镍。
为了使热敏涂层20兼具优异的力学性能，并能够灵敏、准确、快速的检测温度，金属氧化物在热敏涂层20中的质量分数为20％-50％，包括但不限于20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。
在一实施方式中，热敏涂层20中的高分子聚合物包括聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚偏氟乙烯中的至少一种。
为了进一步降低热敏涂层20的电阻，从而提高测温的灵敏度，热敏涂层20的厚度为10μm-100μm，包括但不限于10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。
为了使导电纤维表面的热敏涂层20更均匀，优选的，导电纤维的直径为0.1mm-0.2mm，包括但不限于，0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm或0.20mm。
在一实施方式中，导电纤维和导电检测线30分别独立的选自钨丝、铜丝、不锈钢丝、碳纤维、镀铜尼龙或镀银尼龙。
为了更全面的检测待测物表面的温度分布，在一实施方式中，外电极检测端40的数量为2个以上，优选的，外电极检测端40的数量为3个以上，包括但不限于4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、25个、30个、35个、40个、45个或50个。
当将本发明提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列应用于模拟人体温度感受器检测外界温度分布，外电极检测端40的排布密度大于人体温度感受器的分布密度；在一实施方式中，外电极检测端40的排布密度为6个/cm2-16个/cm2，包括但不限于，外电极检测端40的排布密度为6个/cm2、7个/cm2、8个/cm2、9个/cm2、10个/cm2、11个/cm2、12个/cm2、13个/cm2、14个/cm2、15个/cm2、16个/cm2；从而更好的模拟人体温度感受器检测外界温度分布。
综上，本发明提供的柔性可穿戴热敏传感器阵列不仅具有良好的透气性和穿戴舒适性，而且不易开裂、力学性能优异，可以在长期穿戴过程中，灵敏、准确、实时的检测温度分布，能够很好的应用于医疗领域中，例如实现温度的长时间实时分布式监测。
本发明还提供了一种如上述的柔性可穿戴热敏传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：
S10，将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉，然后进行固化处理形成热敏涂层20，其中，所述复合油墨由热敏材料与高分子聚合物溶液混合得到；
S20，在热敏涂层20的表面间隔点涂银浆，然后进行干燥处理形成外电极检测端40，得到柔性可穿戴热敏纤维10；
S30，通过平纹编织法将柔性可穿戴热敏纤维10以及导电检测线30交叉排布，导电检测线与所外电极检测端40接触，然后进行固化处理使导电检测线30与外电极检测端40形成电连接；
S40，在柔性可穿戴热敏纤维10以及导电检测线30的交叉区域涂覆聚硅氧烷溶液，然后进行固化处理形成封装保护层50。
步骤S10中，在将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉的步骤之前，先将导电纤维依次进行前处理和表面硅烷化处理，将导电纤维进行前处理的步骤能够使去除导电纤维表面的杂质，将导电纤维进行表面硅烷化处理能够提高复合油墨与导电纤维之间的粘附力，从而在导电纤维的表面形成牢固且稳定的热敏涂层20。
在一实施方式中，将导电纤维进行前处理具体包括以下步骤：先将导电纤维浸入50vol％-60vol％乙醇溶液中超声清洗，取出经去离子水冲洗后再浸入5.0wt％-10.0wt％稀硫酸溶液中超声清洗，取出经去离子水冲洗，最后进行干燥。
在一实施方式中，将导电纤维进行表面硅烷化处理具体包括以下步骤：将导电纤维的任意一端浸入硅烷混合溶液中3s-5s，然后取出晾干，反复若干次后，将导电纤维置于烘干箱中干燥，在导电纤维的一端形成硅烷膜。应予说明的是，热敏涂层20形成于导电纤维带有硅烷膜的一端。
在一实施方式中，硅烷混合溶液中包括有水、乙醇以及硅烷化试剂；包括但不限于，硅烷化试剂包括1，1，1，3，3，3，-六甲基二硅烷、双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、N-(特丁基二甲基硅烷基)-N-甲基三氟乙酰胺或三甲基硅烷咪唑中的至少一种；优选的，水、乙醇以及硅烷化试剂的质量比为(80-90)∶(5-15)∶(1-5)。
优选的，热敏材料、高分子聚合物溶液的质量比为20∶79.95-50∶49.9，包括但不限于20∶79、30∶70、40∶60或50∶49.9，从而使热敏涂层20兼具优异的力学性能和灵敏、准确、快速的温度检测性能。
高分子聚合物溶液包括高分子聚合物和有机溶剂，为了使热敏材料以及高分子聚合物更加均匀的分散于复合油墨中，在一实施方式中，有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、磷酸三乙酯或二甲基亚砜中的至少一种；优选的，高分子聚合物与有机溶剂的质量比为1∶5-1∶8，包括但不限于1∶5、1∶6、1∶7或1∶8。
为了进一步提高热敏材料在复合油墨中的分散均匀性，复合油墨中还包括有表面活性剂，表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、硬脂酸聚氧乙烯酯或聚乙二醇双油酸酯中的至少一种，表面活性剂与金属氧化物的质量比为0.05∶20-0.1∶50。
在一实施方式中，表面活性剂以表面活性剂水溶液的形式加入到复合油墨中，表面活性剂水溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L。
为了进一步降低热敏涂层20的电阻，从而提高测温的灵敏度，将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉的步骤中，提拉速度为15mm/min-40mm/min，包括但不限于15mm/min、20mm/min、25mm/min、30mm/min、35mm/min或40mm/min。
进行固化处理形成热敏涂层20的步骤具体包括，将导电纤维放入烘箱内进行固化干燥，固化干燥的温度为80℃-120℃。
步骤S20中，在一实施方式中，在热敏涂层20的表面间隔点涂银浆的步骤中，相邻的银浆之间的间距为1.5mm-2.5mm。
进行干燥处理形成外电极检测端40的步骤中，干燥的温度为70℃-90℃，时间为5min-15min。
步骤S30中，进行固化处理的步骤中，固化的温度为70℃-90℃，时间为40min-80min。
步骤S40，聚硅氧烷溶液包括聚硅氧烷和交联固化剂，在一实施方式中，聚硅氧烷包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、氨基硅氧烷、环甲基硅氧烷中的至少一种；交联固化剂包括二苯基氨基甲酸丁酯、甲基三乙氧基硅烷、甲基三丙氧基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷中的至少一种；为了使封装保护层50更加致密，从而能够更好的隔绝水汽等干扰物质，聚硅氧烷与交联固化剂的质量比为10∶1-30∶1。
在一实施方式中，进行固化形成封装保护层50的步骤具体包括：将导电纤维置于烘箱中进行固化，固化的温度为70℃-90℃，时间为0.5h-1.5h。
为了避免聚硅氧烷与交联固化剂提前发生交联反应，将聚硅氧烷与交联固化剂混合后，在室温下搅拌均匀，然后置于1℃-8℃中冷藏保存。
本发明还提供了如上述的柔性可穿戴热敏传感器阵列在检测温度分布中的应用。在一实施方式中，温度分布为人体表面的温度分布。
本发明还提供了一种温度分布式检测方法，包括如下步骤：将如上述的柔性可穿戴热敏传感器阵列覆盖于待测物的表面，然后将***检测电路与柔性可穿戴热敏传感器阵列中的导电纤维和导电检测线30分别依次相连，通过测得导电纤维上交点的电阻值计算该交点的温度，得到待测物表面的温度分布。
以图1为例，当将***检测电路与导电纤维的a端、导电检测线30的c端或e端相连时，检测到的电阻为温度检测点g的电阻，从而能够计算得到温度检测点g的温度；
当将***检测电路与导电纤维的a端、导电检测线30的d端或f端相连时，检测到的电阻为温度检测点h的电阻，从而能够计算得到温度检测点h的温度；
当将***检测电路与导电纤维的b端、导电检测线30的c端或e端相连时，检测到的电阻为温度检测点i的电阻，从而能够计算得到温度检测点i的温度；
当将***检测电路与导电纤维的b端、导电检测线30的d端或f端相连时，检测到的电阻为温度检测点j的电阻，从而能够计算得到温度检测点j的温度。
以下，将通过以下具体实施例对柔性可穿戴热敏传感器阵列及其制备方法和应用做进一步的说明。
实施例1
将直径为0.15mm，纯度为99.99％的不锈钢丝和直径为140D的镀银尼龙导线浸入55vol％的酒精溶液中超声清洗，1min后用去离子水冲洗，再浸入7.5wt％的稀硫酸溶液中超声清洗，1min后用去离子水进行冲洗，超声清洗的功率为180w，放入干燥箱中干燥1天。
按照5∶5∶90的体积比，将硅烷化试剂三甲基硅烷咪唑、无水乙醇加入到去离子水中，搅拌均匀后制成硅烷混合溶液；将导电纤维的一端浸入硅烷混合溶液中，3s后拿出晾干，反复浸入涂覆2次后，放入100℃烘箱内干燥1小时，在导电纤维表面形成透明的硅烷膜。
将1g聚偏氟乙烯溶解于8g二甲基甲酰胺中，振荡混合均匀后得到透明粘稠的聚偏氟乙烯溶液，将800mg氧化镍纳米颗粒(麦克林公司，纳米颗粒直径为30nm，纯度为99.5％)、7.5mg浓度为0.1mol/L的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵水溶液溶解于1g聚酰亚胺膜溶液中搅拌混合均匀，制成热敏复合油墨。将导电纤维经硅烷化处理后的一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉，镀膜提拉的速度为20mm/min，放入烘箱内分别在80℃和120℃条件下固化干燥1小时，在导电纤维的表面形成热敏涂层20，得到表面均匀黑色的热敏涂层20。
在热敏涂层20的表面以2mm间距均匀点涂银浆，然后在80℃条件下烘干10min，在热敏涂层20的表面形成多个外电极检测端40，得到柔性可穿戴热敏纤维10。
利用平纹纺织的方法使7根镀银尼龙导线与2根柔性可穿戴热敏纤维10交叉缝合，其中镀银尼龙长丝为经线方向，可穿戴热敏纤维为纬线方向，镀银尼龙长丝与可穿戴热敏纤维表面外电极检测端40相接触，纺织完成后放入烘箱内80℃干燥1h。
将高分子聚合物聚二甲基硅氧烷硅氧烷和交联固化剂二苯基氨基甲酸丁酯按照15：1的质量比混合，得到粘性液体搅拌5min，制成高分子聚合物膜溶液，放入冰箱冷藏保存1天后，将交叉区域浸入高分子聚合物膜溶液中，其中镀银尼龙长丝两端裸露的电信号引出端和柔性可穿戴热敏纤维10的电信号输出端不与高分子聚合物膜溶液相接触，取出后放入80℃烘箱中固化1小时形成封装保护层50，得到柔性可穿戴热敏传感器阵列。
使用时，将实施例1制备的柔性可穿戴热敏传感器阵列固定在待测对象表面，利用源表分别与不同的柔性可穿戴热敏纤维10中裸露的不锈钢丝和镀银尼龙导线相连，检测对应交叉处的温度检测点电阻值，记录时间为60s。该电阻值与温度检测点表面的温度呈现指数函数相关性，根据仪器测得的阻值变化情况即可推算出待测物体表面的温度分布。
测试例
用于温度检测的柔性可穿戴热敏纤维10的校准曲线
将实施例1制备得到的柔性可穿戴热敏传感器阵列放置于加热台中，记录其中一个温度检测点在20℃-80℃的温度范围内的阻值变化特性，阻值响应校准曲线如图4所示，其线性关系为其中R表示该温度检测点的阻值，温度响应灵敏度B值为3839K，T表示柔性可穿戴热敏纤维10表面的绝对温度，相关系数R2＝0.9917。
抗弯曲特性测试
在柔性可穿戴热敏传感器阵列使用过程中会由于人体运动或皮肤褶皱导致柔性可穿戴热敏纤维10产生弯曲变形。采用柔性拉伸装置对柔性可穿戴热敏纤维10进行重复1000次的推拉过程，以本发明实施例1制备的柔性可穿戴热敏纤维10测定室温下纤维重复弯曲180°时的阻值变化特性，测试结果如图5所示。
由图5可知，实施例1制备得到的柔性可穿戴热敏传感器阵列中的柔性可穿戴热敏纤维10在整体弯曲180°时的阻值变化率不超过0.7％，柔性可穿戴热敏纤维在25℃时的温度灵敏度＞2.61％·C-1，可见，柔性可穿戴热敏传感器阵列对穿戴过程中常见的弯曲变形具有一定的抗干扰性。
抗压力特性
在柔性可穿戴热敏传感器阵列使用过程中可能受到挤压、按压等多种压力作用导致柔性可穿戴热敏纤维10产生形变。采用万能试验机对热敏纤维的单个温度检测点重复施加1N压力循环测试1000次，以本发明实施例1制备的热敏纤维测定室温下压力作用导致阻值变化特性，如图6所示。
由图6可知，柔性可穿戴热敏纤维10在1N压力的重复作用下阻值变化率不超过0.28％，相比与热敏纤维在25℃时的温度灵敏度＞2.61％·C-1，实验结果表明穿戴过程中的压力作用不会对该发明的温度检测造成明显干扰。
将2*7阵列的柔性可穿戴热敏传感器阵列固定在手套的中指，并将柔性可穿戴热敏传感器阵列与装有热水的10ml玻璃瓶相接触。两根热敏纤维的分布示意图如图7所示，其响应分别如图8(a)和图8(b)所示。两根柔性可穿戴热敏纤维10中序号1和2的温度检测点由于和玻璃瓶直接接触，产生较大的温度响应，阻值变化率较大；3-7号温度检测点由于未与玻璃瓶直接接触，温度响应相比较小，且随着与玻璃瓶距离的增加，响应逐渐降低。表明该柔性可穿戴热敏传感器阵列可以用于测定分布式的温度变化。
对比例1
对比例1参照实施例1进行，不同之处在于，将热敏涂层20替换为氧化铜薄膜。对对比例1制得的柔性可穿戴热敏传感器阵列进行测试，发现温度响应灵敏度B值为2105K。
实施例2
将直径为0.1mm，纯度为99.99％的铜丝和直径为140D的镀银尼龙导线浸入55vol％的酒精溶液中超声清洗，1min后用去离子水冲洗，再浸入7.5wt％的稀硫酸溶液中超声清洗，1min后用去离子水进行冲洗，超声清洗的功率为180w，放入干燥箱中干燥1天。
按照1：9：90的体积比，将硅烷化试剂三甲基硅烷咪唑、无水乙醇加入到去离子水中，搅拌均匀后制成硅烷混合溶液；将导电纤维的一端浸入硅烷混合溶液中，5s后拿出晾干，反复浸入涂覆3次后，放入100℃烘箱内干燥1小时，在导电纤维表面形成透明的硅烷膜。
将1g聚对苯二甲酸乙二醇酯溶解于8g二甲基甲酰胺中，振荡混合均匀后得到透明粘稠的对苯二甲酸乙二醇酯溶液，将400mg氧化镍纳米颗粒(麦克林公司，纳米颗粒直径为30nm，纯度为99.5％)、7.5mg浓度为0.1mol/L的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵水溶液溶解于1g聚酰亚胺膜溶液中搅拌混合均匀，制成热敏复合油墨。将导电纤维经硅烷化处理后的一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉，镀膜提拉的速度为30mm/min，放入烘箱内分别在80℃和120℃条件下固化干燥1小时，在导电纤维的表面形成热敏涂层20，得到表面均匀黑色的热敏涂层20。
在热敏涂层20的表面以2mm间距均匀点涂银浆，然后在80℃条件下烘干10min，在热敏涂层20的表面形成多个外电极检测端40，得到柔性可穿戴热敏纤维10。
利用平纹纺织的方法使7根镀银尼龙导线与2根柔性可穿戴热敏纤维10交叉缝合，其中镀银尼龙长丝为经线方向，可穿戴热敏纤维为纬线方向，镀银尼龙长丝与可穿戴热敏纤维表面外电极检测端40相接触，纺织完成后放入烘箱内80℃干燥1h。
将高分子聚合物聚二甲基硅氧烷硅氧烷和交联固化剂二苯基氨基甲酸丁酯按照10：1的质量比混合，得到粘性液体搅拌5min，制成高分子聚合物膜溶液，放入冰箱冷藏保存1天后，将交叉区域浸入高分子聚合物膜溶液中，其中镀银尼龙长丝两端裸露的电信号引出端和柔性可穿戴热敏纤维10的电信号输出端不与高分子聚合物膜溶液相接触，取出后放入80℃烘箱中固化1小时形成封装保护层50，得到柔性可穿戴热敏传感器阵列。
对实施例2制得的柔性可穿戴热敏传感器阵列进行测试，发现抗压力实验中阻值变化率为0.52％，抗弯曲实验中阻值变化率为1.07％。
实施例3
实施例3参照实施例1进行，不同之处在于，热敏材料、高分子聚合物溶液的质量比为20：79。
对实施例3制得的柔性可穿戴热敏传感器阵列进行测试，发现柔性可穿戴热敏传感器阵列的温度灵敏度B值为2450K，抗压力实验中阻值变化率为0.13％，抗弯曲测试中阻值变化率为0.4％。
实施例4
实施例4参照实施例1进行，不同之处在于，热敏材料、高分子聚合物溶液的质量比为50：49。
对实施例4制得的柔性可穿戴热敏传感器阵列进行测试，发现柔性可穿戴热敏传感器阵列的灵敏度B值为3924K，抗压力实验中阻值变化率为0.55％，抗弯曲测试中阻值变化超过1.21％。
实施例5
实施例5参照实施例1进行，不同之处在于，镀膜提拉的速度为15mm/min，热敏涂层20的厚度为10μm。
对实施例5制得的柔性可穿戴热敏传感器阵列进行测试，发现同一位置温度检测点的阻值约为实施例1的0.3倍，抗压力实验中阻值变化率为0.32％，抗弯曲实验中阻值变化率为0.81％。
实施例6
实施例6参照实施例1进行，不同之处在于，镀膜提拉的速度为28mm/min，热敏涂层20的厚度为55μrm。
对实施例6制得的柔性可穿戴热敏传感器阵列进行测试，发现同一位置温度检测点的阻值约为实施例1的1.7倍，抗压力实验中阻值变化率为0.25％，抗弯曲实验中阻值变化率为0.62％。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔性可穿戴热敏传感器阵列，其特征在于，包括通过平纹编织法交叉排布的柔性可穿戴热敏纤维和导电检测线，以及覆盖交叉排布区域的封装保护层；
其中，所述柔性可穿戴热敏纤维包括导电纤维以及包覆于所述导电纤维任意一端外表面的热敏涂层，所述热敏涂层以高分子聚合物为基体，且所述基体中包括有金属氧化物；所述热敏涂层的表面设置有外电极检测端，且所述外电极检测端位于所述导电检测线在所述热敏涂层的投影面积内，所述导电检测线通过所述外电极检测端与所述柔性可穿戴热敏纤维形成电连接。
2.根据权利要求1所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列，其特征在于，任意一根所述柔性可穿戴热敏纤维中外电极检测端的数量为2个以上，所述交叉排布区域中所述外电极检测端的排布密度为6个/cm2-16个/cm2。
3.根据权利要求1所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列，其特征在于，所述热敏涂层还满足以下条件中的至少一个：
(1)所述金属氧化物包括纳米氧化镍、纳米氧化铜、纳米氧化铝中的至少一种；所述高分子聚合物包括聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚偏氟乙烯中的至少一种；
(2)所述金属氧化物在所述热敏涂层中的质量分数为20％-50％；
(3)所述热敏涂层的厚度为10μm-100μm，所述导电纤维的直径为0.1mm-0.2mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列，其特征在于，所述导电纤维和所述导电检测线分别独立的选自钨丝、铜丝、不锈钢丝、碳纤维、镀铜尼龙或镀银尼龙。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉，然后进行固化处理形成热敏涂层，其中，所述复合油墨由热敏材料与高分子聚合物溶液混合得到；
在所述热敏涂层的表面间隔点涂银浆，然后进行干燥处理形成外电极检测端，得到柔性可穿戴热敏纤维；
通过平纹编织法将所述柔性可穿戴热敏纤维与导电检测线交叉排布，所述导电检测线与所外电极检测端接触，然后进行固化处理使所述导电检测线与所述外电极检测端形成电连接；以及
在所述柔性可穿戴热敏纤维与所述导电检测线的交叉区域涂覆聚硅氧烷溶液，然后进行固化处理形成封装保护层。
6.根据权利要求5所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列的制备方法，其特征在于，在所述热敏涂层的表面间隔点涂银浆的步骤中，相邻的银浆之间的间距为1.5mm-2.5mm。
7.根据权利要求5所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列的制备方法，其特征在于，将导电纤维的任意一端浸入复合油墨中进行镀膜提拉的步骤中，提拉速度为15mm/min-40mm/min。
8.根据权利要求5所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列的制备方法，其特征在于，所述复合油墨还满足以下条件中的至少一个：
(1)所述热敏材料与所述高分子聚合物溶液的质量比为20∶79.95-50∶49.9；
(2)所述高分子聚合物溶液包括高分子聚合物和有机溶剂，所述高分子聚合物与所述有机溶剂的质量比为1∶5-1∶8，所述有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、磷酸三乙酯或二甲基亚砜中的至少一种；
(3)所述复合油墨中还包括有表面活性剂，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、硬脂酸聚氧乙烯酯或聚乙二醇双油酸酯中的至少一种，所述表面活性剂与所述金属氧化物的质量比为0.05∶20-0.1∶50。
9.一种如权利要求1-4任一项所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列在检测温度分布中的应用。
10.一种温度分布式检测方法，其特征在于，包括如下步骤：将如权利要求1-4任一项所述的柔性可穿戴热敏传感器阵列覆盖于待测物的表面，然后将***检测电路与所述柔性可穿戴热敏传感器阵列中的导电纤维和导电检测线分别依次相连，通过测得的交点的电阻值计算该交点的温度，得到所述待测物表面的温度分布。
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