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柔性压力传感器在智能纺织品中的应用
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柔性压力传感器在智能纺织品中的应用

时间:2020-04-13 17:15:09

        摘要: 探讨柔性压力传感器在纺织品中的创新应用。先容了柔性压力传感器的工作原理、结构、工艺与性能,分析了当前柔性压力传感器的创新要点,及其在智能纺织品中的应用情况,分析了柔性压力传感器在智能纺织品中应用的局限性因素。认为:柔性压力传感器的柔性基底与薄膜以及其结构的创新研究,不仅是柔性压力传感器创新研究的重点,而且是推动柔性压力传感器与智能纺织品紧密结合的根本动力。dFr压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
       柔性压力传感器常用基底与薄膜材料柔性压力传感器是由柔性材料制成,用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件。其通过贴附于各种不同物体的表面,来感受物体的压力变化。柔性压力传感器除了具有刚性压力传感器的特点外,还具有良好的延展性、透明性、柔韧性,可自由弯曲折叠且方便穿戴或携带,能够快速、高效以及准确地感应到物体所受的压力变 化,在医疗健康、机器人“皮肤”、智能运动、智能服装以及生物力学领域有着广泛的应用前景。标准的柔性压力传感器一般由一片薄膜、一片柔性基底和内表铺设导体及半导体构成,如图 1所示。
柔性压力传感器基本设计
1. 1 柔性压力传感器常用基底材料
       柔性压力传感器的基底由具有质地较软、易弯折、轻便等属性的柔性材料制成。常见的柔性材料有:聚酰亚胺(以下简称 PI)、聚二甲基硅氧烷(以下简称 PDMS)、纸片、纺织材料等。PI 是综合性能非常佳的有机高分子材料之一,其具有很好的机械性能,优良的辐射性能,抗张强度高,长期使用温度可达 250 ℃,耐化学性药品,一般不溶于有机溶剂,对烯酸稳定等优点,但其耐水解性能较差[1]。
       目前,在较多柔性基底材料研究中,PDMS 方便易得、透明、化学稳定性及热稳定性好,在紫外光下,其黏附区和非黏附区的特征明显,使其表面可以很容易黏附电子材料,因而成为了首选基底材料。
 
 1. 2 柔性压力传感器常用薄膜材料
       柔性压力传感器根据其被测量信息的不同需求,其常用薄膜材料也不同。常用薄膜材料有纳米复合薄膜、透明导电氧化物薄膜、金属薄膜等。金属薄膜的优点在于可明显改变其表面特征,赋予其各种新的功能,而且基底柔软,易弯曲。透明导电氧化物薄膜不仅具有良好的导电性,而且可折叠、不易碎、便于运输、质量轻,具有可见光范围光学透明性[2]。纳米复合薄膜材料非常初在传感器上的使用是以超微颗粒为主。近年来,由于低维材料、列阵材料的广泛应用,碳纳米粉复合材料[3]、碳纳米管复合材料[4]、碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合阵列[5]等材料被广泛应用于传感器中。
 
2 柔性压力传感器在智能纺织品中的应用种类
2. 1 压阻式柔性压力传感器
       压阻式柔性压力传感器主要是将导电相,如碳纤维、碳纳米管、金属颗粒等,掺入到绝缘基底材料 PI、PDMS 等中制成柔性压阻材料[6]。压阻式柔性压力传感器是通过感应由外力造成的电阻变化而产生的电信号来直观读取外力的变化。当外力作用到传感器的感应点上时,其阻值与外力会呈负相关变化,即当压力趋为零时,阻值越大;压力越大,阻值越小。该类传感器种类繁多,基于器件单一和信号导出机制简单的特 点 ,成 为 目 前 运 用 非常 为 广 泛 的 一 类 压 力 传感器。 
 
2. 2 电容式柔性压力传感器
       电容式柔性压力传感器通常是以一种镀金属的薄膜或者金属薄膜作为电容器的电极。其可以将感受到的外界压力变化转换为一种电信号,主要通过感受外界压力从而产生电容,靠电容改变来获得相应的电信号[7]。电容式柔性压力传感器的工作原理是:当外界给予一定的压力时,其镀金属的或者金属的薄膜会感受到压力从而变形,此时薄膜与固定电极之间的电容随之发生变化,从而输出相应的电信号。这种柔性压力传感器具有较高的响应速度和动态范围,且对力的变化敏感度较高,所以其可以在较低耗能的情况下,完成对微小静态力的精确检测[8]。
 
 2. 3 压电式柔性压力传感器
       压电式柔性压力传感器主要由压电敏感材料,如聚偏氟乙烯等组成,其运用压电材料实现压力对电信号的转换。其工作原理是:压电系数越高,压电敏感材料的能量转化率越高,其转化的电信号就越强。压电式柔性压力传感器是运用压电材料实现压力对电信号转换的传感器。这类柔性压力传感器的灵敏度、精确度、压电系数以及响应速度较高,因此主要作为柔性触摸传感器被广泛使用[9]。 
 
2. 4 适用性
       压阻式、电容式以及压电式柔性压力传感器的结构示意图如图 2 所示。
三种柔性压力传感器结构示意图
       由于不同柔性压力传感器有其自身适用范围的限制,其在智能纺织品与智能服装中的应用种类也具有一定的局限性。压阻式、电容式以及压电式柔性压力传感器都具有使用限制范围小、灵敏度、精确度高等特点,因此均可适用于智能纺织品尤其是智能服装中。
 
 3 柔性压力传感器的创新研究状况
       柔性压力传感器结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量,解决了传感器的小型化、集成化、智能化发展问题,这些新型 柔 性 压 力 传 感 器 在 智 能 服 装 中 有 着 重 要 作用[10]。但目前对于柔性基底、薄膜等用于柔性压力传感器的材料制备技术工艺水平还不成熟,在成本、适用范围、使用寿命等方面还存在问题[11]。常用柔性基底存在不耐高温的缺点,导致柔性基底与薄膜材料间应力大、黏附力弱。柔性传感器的组装、排列、集成和封装技术也还有待进一步提高[12]。为了获得高性能的柔性压力传感器,研究者们在传感器的材料、结构及器件设计等方面进行了一系列的创新型研究工作。
 
 3. 1 柔性压力传感器材料设计
       GAO Lei 等人开发了一种全纸基压阻式(以下简称 APBP)压力传感器,这种压力传感器是基于以银镀纳米线 AgNws 为传感器的薄膜,以纳米纤维素纸 NCP 为基底,用于印刷电极。APBP压力传感器在 1. 5 kPa 的范围内具有很高的灵敏度。0. 03 kPa~30. 2 kPa,在弯曲状态下可保持良好的性能,可安装于人体皮肤,对人生理(如动脉心脉,咽喉发声)进行监测,成功应用于软性电子皮肤对外界的反应。其具有成本低、工艺简单、制备速度快、易于焚烧处理等优点[13]。LIU Kangning 等以聚苯胺涂层织物的好特层次结构,较大的表面粗糙度和高导电率的交织物电极作为活性材料,构建了高性能、柔性、全织物压电式压力传感器。该传感器具有超高灵敏度,宽线性(<4. 5 kPa)46. 48 kPa-1,快速响应/弛豫时间(7 ms/16 ms)和低检测限(0. 46 Pa)等优点,在人体压力检测中有实际应用[14]。
 
 3. 2 柔性压力传感器结构设计
       ZHOU J W 等人设计了一种基于夹层压电驻极体结构的柔性贴片。其具有高等效压电系数(4 050 Pc/N),可选择性地实行驱动或传感功能。作为传感器,压力检测限为 1. 84 Pa,灵敏度高,稳定性好[15]。
 
       YU Zhenzhong 等设计了一种由两个图形化的 PPY/PDMS 薄膜和不同方向的锯齿形阵列面对面叠而成,其核心是横杆设计。其工作原理为,两片 PPY/PDMS 薄膜之间的电阻变化由其所受压力引起,当传感器受到外力作用时,PDMS膜上的矩形列阵会产生相当大的弹性变形,从而导致两片 PPY/PDMS 之间的接触区增大。接触电 阻 会 显 著 降 低 。 相 反 ,当 外 力 释 放 时 ,两 种PPY/PDMS 薄膜都恢复了原来的形状,导致导电面积减小。
 
       接触电阻就会恢复到原来的形状[16],具体如图 3 所示。
PDMS 薄膜和 PPY/PDMS 薄膜柔性压力传感器结 构示意图
3. 3 柔性压力传感器器件设计
       王瑞荣等提出了一种微结构 PDMS 为介质层的柔性阵列压力传感器,采用微电子机械系统MEMS 工艺实现了传感器电极的制备,采用三明治的结构实现了柔性阵列压力传感器的制备。其采用微结构 PDMS 为介质层明显提高了传感器的灵敏度,当介质层厚度为 0. 5 mm 时,0 kPa~5 kPa 和 5 kPa~20 kPa 下传感器的灵敏度分别为0. 18 kPa-1和 0. 02 kPa-1,同时传感器具有良好的重复性(>1 000 次)、快速的响应时间(<200 ms)和低的检测极限(约为 5. 5 Pa)。该传感器能够准确、灵活地监测外部压力的变化和分布,适用于未来智能机器人中电子皮肤的应用[17]。
 
       史瑞龙等研制了一种基于微结构银纳米线的柔性透明电容式压力传感器。其与具有平面结构的纯 PDMS 介电层相比,具有较高的灵敏度(0. 831 kPa-1,<0. 5 kPa-1),较低的检测限,良好的稳定性与耐久性。通过讨论导电填料含量和图案化微结构的增强传感机制,制作了用作柔性和透明可穿戴触摸键盘系统的 5×5 传感阵列[18],如图 4 所示。
可溶电容式传感器结构及性能测试示意图
3. 4 创新成果
       目前已经研制出了一些基于新型材料与结构的高性能、低成本的柔性压力传感器。这些创新型柔性压力传感器通过对传感器材料、结构以及器件设计的创新研究,提高了柔性压力传感器的灵敏度,解决了柔性压力传感器成本高、适用范围小以及寿命短等问题,并且进一步提高了柔性压力传感器的灵敏度与精确度,促进了柔性压力传感器的发展。对柔性压力传感器材料、结构和器件设计的创新研究,是推动柔性压力传感器发展的根本动力。
 
 4 柔性压力传感器在智能纺织品中的应用现状
       智能纺织品是一种以智能材料为基础的纺织品与现代信息集合的产物。它是将纺织品与现代电子技术、纳米技术、材料科学以及生物科学等技术相结合,使传统纺织品的性能大幅度提升,从而推进现代纺织品的科技进展[19]。柔性压力传感器在智能纺织品和智能服装中的应用领域主要包括医疗健康和运动防护两大类。
 
 4. 1 医疗健康领域
       基于柔性压力传感器的智能纺织品与智能服装在日常生活中,一般是通过蓝牙与手机建立通讯,其主要功能为测量一些行走步数、心率和皮肤导电率等日常参数,或通过加速度传感器测量人在睡眠时的姿态,从而反映睡眠质量[20]。将智能纺织品应用到医疗领域,可为医生提供病人的实际情况,从而制定更适合的治疗方案,也为医生及时掌握病人情况提供便利。目前,可穿戴传感器已经应用于监测部分疾病,既可以作为预防性手段防止突发疾病的发生,又可以作为辅助性治疗手段和监测手段有利于人体的康复[21]。MIN S D 等提出了一种简化结构的织物电容式呼吸传感器[22],用于由导电织物和聚酯组成的呼吸监测系统。在监测过程中,呼吸速率由TCRS 中两个织物板之间的距离变化决定,该距离变化测量腹部直径随呼吸运动而变化的力。该纺织传感器在监测呼吸频率方面取得了优异的效果;但是也存在着一些问题,如清洗方法和针对不同人群的制造。
 
       LEAL A G[23]等设计了一种用于同时测量呼吸和心率的聚合物光纤 POF 传感器的研制。该传感器作为一种智能纺织解决方案嵌入用户衣服中。此外,还提出了一种信号处理技术,可以在不受身体运动影响的情况下,在使用者胸部不同位置获得呼吸和心率。在频域内对传感器信号进行了处理和分析,并采用了不同的滤波器。结果显示:呼吸和心率的误差分别低于每分钟 2次和每分钟 4 次呼吸,即使用户正在进行周期性的身体运动,如步态诱发的运动。因此,所提出的基于 POF 的智能纺织品是一种低成本、高精度的解决方案,可以很容易地应用于家庭患者的远程监控,而不会干扰他们的日常活动。传感器嵌入弹性带示意图及胸部传感器位置示意图如图 5所示。
传感器嵌入弹性带示意图及胸部传感器位置 示意图
       AU Koyama 等设计了一种新型智能纺织品,它采用单模异质芯光纤传感器监测心跳和呼吸,并通过编织设计了智能纺织品[24]。异质芯光纤与羊毛织物结合在一起。这种新型织物可以检测到变化。形状可以融入衣服中,这样的衣服可以给穿着者带来舒适感,为了同时监测心跳和呼吸,可将织物缝在衣服上,感知胸部运动产生的微小负荷变化以及生命体征。
 
 4. 2 运动防护
       智能纺织品应用于运动防护可大大降低由于运动不当所造成的人体损伤情况[25]。防护服装的总发展趋势是全面防护,实现由单一危险因素防护到多种危害因素的综合防护[26]。智能服装通过传感器能够测量人体四肢关键肌腱群之间以及皮肤之间的压力,能够评估肌肉收缩舒张状况和肢体位置;同时,智能服装能够测量运动员姿态并判断姿态的准确性,通过反馈及时调整训练方案,促进运动员提高成绩[27]。
 
       TAKEDA R 等[28]利用可穿戴传感器区分人体的运动状态并正确评价运动动作的正误。在此过程中,主要通过加速度传感器和陀螺仪测量出髋部、膝盖、脚踝这三个部位屈伸的角度,与摄像机采集系统进行对照,同时对比左右腿部位的检测状况,依据角度曲线对人体姿态做出诊断。
 
       Textronics 企业生产了一款工程化无缝运动内衣 Numetrex Whit,其采用镀银尼龙和棉质莱卡面料。这款内衣在特定区域包含集成的针织传感器,可通过内衣中针织面料的压力直接检测心率[29]。
 
       2003 年,DEROSSI D 等制作了一个带有嵌入式的紧身衣和手套。碳负载橡胶传感器。这些智能服装记录手臂和上躯干的运动以及手指的运动。图 6 显示在躯干弯曲时,位于左右两侧的传感器将以相反的方式变化[30]。
身体弯曲及紧身衣(右)输出信号图
4. 3 研究方向
       柔性压力传感器作为智能纺织品中的重要部件,其在医疗健康与运动防护方面主要作用为检测呼吸、心率以及运动状态,其精确率与稳定性虽然已具有显著成果,但在清洗以及智能纺织品的融合度方面还不够完善,且价格偏高,需要通过对柔性压力传感器材料、结构以及器件方面的创新研究,使其易于清洗、不易损坏且增强其与智能纺织品与智能服装的融合度,使穿着佩戴者更加的舒适。 
 
5 结语
       柔性压力传感器能精确、快速地感应到周围环境中的微弱压力变化,其对智能纺织品与智能服装的发展产生了巨大影响,提高了人们的生活质量,增加了服装的功能性。柔性压力传感器的创新不仅仅带动了材料、电子、化工等领域的创新与发展,更加带动了智能纺织品与智能服装的创新与变革。但由于其自身材料、结构以及器件等的限制,其目前在智能纺织品方面的应用范围较小,在与智能纺织品的融合度方面还不够完善,在应用中还存在不易清洗,穿着舒适度不高等问题。因此,设计和开发适用于智能纺织品的新型材料、结构以及器件的柔性压力传感器,提高柔性传感器性能方面还需探索与研究。
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