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CN105841601B - 一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器及制备方法 - Google Patents

一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器及制备方法，以织物为原材料；经过惰性气氛或惰性气体为主的气氛下的高温热处理过程得到保持原织物结构并且具有柔性及导电性的碳化织物；在碳化织物的两端连接导线或集成无线发射接收模块；使用弹性聚合物进行封装得到柔性可穿戴应变传感器。本发明所提供的基于织物的柔性可穿戴应变传感器可以通过直接贴于皮肤或附着在衣物或其他可穿戴配件上实现人体关节运动、脉搏、微表情、呼吸、发声或声频的可穿戴式检测。该柔性可穿戴应变传感器及其生产工艺流程具备绿色环保、制备简便、低成本、柔性好、应变检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、循环稳定性、耐久性好等特点，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及可穿戴传感器技术领域，具体涉及一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，可穿戴电子设备发展快速，成为下一代电子产品开发的重要趋势。作为可穿戴电子设备的重要分支，可穿戴应变传感器应具有一定机械柔性、贴合性以及高可拉伸性、高灵敏度、快速响应性、高耐久性等特点以实现其可穿戴的特性以及其在个体医疗、运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面的广阔应用。而传统基于半导体或金属箔的应变传感器通常为刚性且灵敏度低，无法满足可穿戴应变传感器的要求。目前报道的制备柔性应变传感器件的技术方法主要包括两类：1.对高性能的传统脆性无机材料进行结构配置的优化；2.开发新型柔性电子材料如有机电子材料、金属纳米材料、纳米碳材料及复合弹性电子材料等。相较于传统材料结构配制优化技术的力学复杂性，新型柔性电子材料由于其自身的机械柔性、高导电性及低成本大批量生产的潜力成为柔性应变传感器领域研究的热点。如何制备绿色、低成本、低能耗同时具有优异性能的柔性应变传感器件成为柔性可穿戴应变传感器的产业化应用面临的重要挑战。
发明内容
本发明开发了一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其以织物(包括天然植物纤维织物如棉、麻织物，天然动物纤维织物如毛类、桑蚕丝类织物，人造纤维织物如再生纤维素纤维织物、纤维素酯纤维织物、再生蛋白质纤维织物，合成纤维织物)为原材料，经过惰性气氛或惰性气体为主的气氛下的高温热处理过程得到保持原织物主要结构特征并具有柔性及导电性的碳化织物；在碳化织物的两端连接导线或集成无线发射接收模块，然后直接用作柔性传感器或者使用弹性物质如弹性聚合物进行封装得到柔性可穿戴应变传感器。本发明所提供的基于织物的柔性可穿戴应变传感器具备生产工艺绿色环保、制备简便、低成本、柔性好、应变检测范围宽(可拉伸性高)、灵敏度高、响应时间短、循环稳定性及耐久性好等特点，并且该应变传感器可以通过直接贴于皮肤或附着在衣物或配饰上实现人体关节运动(指关节、腕关节、肘关节、肩关节、胯关节、膝关节、踝关节等)、脉搏(桡动脉、颈动脉等)、微表情、呼吸、发声或声频的可穿戴式检测，并且其可以与信号处理及命令生成系统集成实现对人体运动的捕捉与重建。
本发明所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其采用以下技术方案，生产工艺流程为：
(1)利用织物为原材料，可以是天然纤维织物、人造纤维织物或合成纤维织物；
(2)经过惰性气氛或惰性气体为主的气氛下的高温热处理过程得到具有柔性及导电性的碳化织物；
(3)将碳化织物两端连接导线或与无线发射接收模块集成实现对信号的有线或无线接收；
(4)直接用作或利用弹性聚合物进行封装用作柔性可穿戴应变传感器。
本发明所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，所采用的织物原材料可以是天然纤维织物包括天然植物纤维织物如棉、麻织物，天然动物纤维织物如毛类、桑蚕丝类织物；人造纤维织物如再生纤维素纤维织物、纤维素酯纤维织物、再生蛋白质纤维织物；合成纤维织物。
本发明所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，织物原材料经过经过惰性气氛或惰性气体为主的气氛下的高温热处理得具有柔性及导电性的碳化织物，其中的惰性气体可以是氮气或氩气，其中的高温热处理温度在200-3000℃，其中的柔性及导电性碳化织物仍具有原织物的主要结构特征。
本发明所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其在碳化织物两端连接的导线可以是导电金属线或金属片或其他导电材料，用于封装的弹性聚合物可以是硅基弹性聚合物或橡胶或热塑性聚合物等。
本发明与现有的应变传感器相比，具有以下优点：
(1)所采用的织物原材料来源广泛、价格低廉、编织结构多样化；
(2)所采用的制备工艺简单、绿色环保；
(3)所述的柔性可穿戴应变传感器性能优异，具体而言，其柔性好、应变检测范围宽(可拉伸性高)、灵敏度高、响应时间短、循环稳定性及耐久性好等特点，并且该应变传感器可以通过直接贴于皮肤或附着在衣物或者配饰上实现人体关节运动(指关节、腕关节、肘关节、肩关节、胯关节、膝关节、踝关节等)、脉搏(桡动脉、颈动脉等)、微表情、呼吸、发声或声频的可穿戴式检测，并且其可以与信号处理及命令生成系统集成实现对人体运动的捕捉与重建。
(4)本发明所述的柔性可穿戴应变传感器在个人医疗监测、人体运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面表现出广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明织物基柔性可穿戴应变传感器的生产工艺流程图。
图2为本发明织物基柔性可穿戴应变传感器柔性、可拉伸性展示图。
图3为本发明所述高温热处理所得碳材料的透射电子显微镜图。
图4为本发明织物基柔性可穿戴应变传感器用于检测手指关节运动、腕关节运动、肘关节、膝关节运动、踝关节运动、脉搏、呼吸(胸腔扩张)、微表情、声带发声、音频声波的实物展示图。
图5为本发明织物基柔性可穿戴应变传感器与与信号处理及命令生成系统集成实现对人体上肢运动的重建展示图。
图6为碳化平纹结构真丝织物应变传感器的应变检测机理图示。
具体实施方式
为了更清楚地展现本发明，以下结合实施例及附图对本发明进行进一步的描述。此处所述的实施例不用于限定本发明而只是对本发明进行更直观的解释说明。
实施例1：以具有平纹结构的真丝织物为原材料制备柔性可穿戴应变传感器
将具有平纹结构(经纱由多根加捻的蚕丝纤维组成、纬纱由多根平行的蚕丝纤维组成)的真丝织物在以氩气为主的氩气氢气(氩气氢气流量比例10:1)混合气氛下或氮气氛围下，950℃下高温热处理得到保持平纹结构的碳化织物(具体升温程序为首先以10℃/min的升温速率升到150℃保持60min，然后以5℃/min的升温速率升到350℃保持180min，然后以3℃/min的升温速率升到950℃保持90min，然后自然降温至室温)，该升温程序下得到的碳化织物具有较高的导电性(其面电阻约为140Ω/□)；然后将碳化织物沿着经纱方向剪成矩形并在其两端使用导电银胶连接铜导线，然后使用Ecoflex(一种硅胶)对其进行封装得柔性可穿戴应变传感器。具体制备工艺流程图见附图1。该柔性应变传感器展现优异的柔性如可以对其加捻、打结，并表现出优异的可拉伸性(其拉伸应变可达500％)(见附图2)。值得提出的是，经过高温热处理得到的碳化织物表现出多晶石墨的微观结构(见附图3)，这是其具有高导电性的原因。上述制备得到的柔性应变传感器可用于检测人体大尺度运动如关节运动和小尺度运动如脉搏、呼吸、微表情、声带发声，具体实施图例展示见附图4。另外，该柔性可穿戴应变传感器可以信号处理及命令生成系统集成实现对人体运动的重建，具体关于上肢运动重建的图例展示见附图5。
实施例2：碳化平纹结构真丝织物应变传感器的应变检测机理
首先对碳化平纹结构真丝织物应变传感器进行预拉伸，拉伸方向的纱线断裂，垂直于拉伸方向的纱线中的微米蚕丝铺展开，见附图6(a)。利用已预拉伸应变传感器进行应变检测过程中预拉伸产生的拉伸方向断裂的纱线随着应变的施加接触点减少导致电阻增大实现对应变的检测，而对于垂直拉伸方向的纱线中微米蚕丝的铺展保证在大应变下的导电通路从而带来很大的检测应变，见附图6(b-d)。
实施例3：棉纤维织物及人造纤维(莫代尔)织物高温热处理程序及导电性
棉纤维织物及莫代尔织物在以氩气为主的氩气氢气(氩气氢气流量比例10:1)混合气氛下或氮气氛围下，以3℃/min的升温速率升温至900℃或1050℃然后保持200min，可得到具有高导电性的保持原有织物结构的碳化织物。对于碳化棉纤维织物其面电阻约为80Ω/□(900℃处理)，对于碳化莫代尔织物其面电阻分别约为5.5Ω/□(900℃处理)和1.8Ω/□(1050℃处理)。

Claims (7)

1.一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括一碳化织物导电层、与碳化织物导电层两端连接的导线或无线发射接收模块与碳化织物的集成，将所得结构直接用作柔性可穿戴应变传感器或者使用弹性物质进行封装得到柔性可穿戴应变传感器；所述碳化织物为真丝织物、棉纤维织物及莫代尔织物，具体的碳化过程为：将具有平纹结构的真丝织物在惰性气氛或惰性气体为主的气氛下，首先以10℃/min的升温速率升到150℃保持60min，然后以5℃/min的升温速率升到350℃保持180min，然后以3℃/min的升温速率升到950℃保持90min，自然降温至室温处理得到的保持平纹结构的碳化织物；棉纤维织物及莫代尔织物在惰性气氛或惰性气体为主的氛围下，以3℃/min的升温速率升温至900℃或1050℃然后保持200min，得到具有高导电性的保持原有织物结构的碳化织物。
2.根据权利要求1所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，所述弹性物质包括弹性聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其特征在于：所述碳化织物两端连接的导线可以是导电金属线或金属片或其他导电材料，其他导电材料包括碳导电胶。
4.按照权利要求2所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其特征在于：所述弹性聚合物是指具有一定柔性和可拉伸性的聚合物，选自硅基弹性聚合物、橡胶或热塑性聚合物。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于织物的柔性可穿戴应变传感器，其特征在于：所述的柔性可穿戴应变传感器在操作电压小于1V的电压下工作。
6.一种制备如权利要求1-5任一项所述的基于织物的柔性可穿戴应变传感器的方法，其特征在于，具体生产工艺流程包括以下步骤：
1)选取真丝织物或棉纤维织物及莫代尔织物为原材料；
2)在惰性气氛或惰性气体为主的气氛下，以10℃/min的升温速率升到150℃保持60min，然后以5℃/min的升温速率升到350℃保持180min，然后以3℃/min的升温速率升到950℃保持90min，然后自然降温至室温处理得到的保持平纹结构的碳化真丝织物；在在惰性气氛或惰性气体为主的氛围下，以3℃/min的升温速率升温至900℃或1050℃然后保持200min，得到具有高导电性的保持原有织物结构的碳化织物；
3)将所得的碳化织物两端连接导线或与无线发射接收模块集成实现对信号的有线或无线接收；
4)直接利用步骤3)得到的碳化织物或者利用弹性聚合物对其进行封装得到柔性可穿戴应变传感器；
5)将生产制备得到的柔性可穿戴应变传感器通过直接贴于皮肤或附着在衣物或配饰上实现可穿戴。
7.根据权利要求6所述的一种制备基于织物的柔性可穿戴应变传感器的方法，其特征在于：步骤2)的惰性气体可以是氮气或氩气，其中的柔性及导电性碳化织物仍具有织物原材料的主要结构特征。
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