棉織物/聚二甲基硅氧烷復合介電層柔性壓力傳感器制備

肖 淵， 李紅英， 李 倩， 張 威， 楊鵬程

(1. 西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048； 2. 西安市現代智能紡織裝備重點實驗室， 陜西 西安 710048)

智能紡織品是將紡織品與電子技術等高度融合的一類新型紡織品，該紡織品具有感知與反應功能，在健康監測、安全防護、軍事、娛樂等方面極具發展潛力[1-3]。智能紡織品主要由傳感器、致動器、控制單元及導電線路[4-5]組成。傳感器作為智能紡織品的核心部件之一，是實現信息傳感交互的關鍵。根據工作原理的不同，常見傳感器可分為電阻式[6]、電容式[7]、壓電式[8]等。由于電容式傳感器具有結構簡單、靈敏度高、重復性強等特點，在很多領域得到了廣泛的應用，但常見的電容式傳感器多由金屬及半導體材料制備而成，柔韌性低，造成織物穿著舒適性降低。因此，實現織物基電容式傳感器的柔性化制備是該領域的研究熱點。

目前，常見的織物基電容式柔性壓力傳感器制備方法主要有織造、涂層和印刷等，主要采用導電纖維、紗線、織物、薄膜等柔性材料為電容極板[9-10]，以低模量且不導電的織物、合成泡沫、硅膠、聚氨酯等材料作為介電層[11-12]。通過在傳感器導電層或介電層中添加電學性能良好的材料，或構建具有微結構的介電層以實現傳感器靈敏度、重復性和壓力響應范圍等參數的調控。孫琬等[13]以不同經編間隔織物為傳感器介電層，用導電布制備了柔性電極；Sabereh等[14]在滌綸織物上涂覆聚3, 4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽導電涂層，采用纖維素、聚酰胺納米纖維與聚乙烯醇納米纖維3種材料通過靜電紡絲制備形成傳感器介電層；Ozgur等[15]以2層導電織物與純硅橡膠以及利用糖粒和鹽晶體通過固體顆粒浸出法制備的具有微孔結構的硅橡膠介電層組裝形成平行板電容傳感器。上述織物基電容式傳感器及微結構介電層制備過程存在工藝復雜，成本高等不足之處,因此如何制備成本低、工藝簡單的特殊微結構介電層織物基柔性傳感器成為該領域研究的焦點。本文通過擬用叉指形導電銅箔貼附于織物兩側作為傳感器電極層，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封裝電極層及織物形成織物/PDMS復合結構柔性介電層，制備三明治型電容式柔性壓力傳感器，以期制備可在手指間歇觸壓及微小質量測試上均可準確識別和反饋的傳感器。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

導電銅箔(厚度為0.03 mm，深圳市標質膠粘制品有限公司)，平紋純棉機織物(面密度約為130 g/m2。對織物進行預處理，將織物放置于0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中煮30 min，去除織物表面附著的油脂，去離子水浸泡清洗，再熨平晾干)，聚二甲基硅氧烷(PDMS, Dow Corning Sylgard184，將質量比為10∶1的PDMS主劑和固化劑注入燒杯中常溫下攪拌均勻后，靜置30 min去除氣泡),氫氧化鈉(AR≥96.0%，天津市大茂化學試劑廠)。

1.2 傳感器制備

織物/PDMS復合介電層三明治型電容式傳感器的設計依據平行板電容器原理：傳感器受外力加載時，復合介電層被壓縮，兩極板間距減小，傳感器輸出電容增加；外力釋放，復合介電層回彈，兩極板間距增大，傳感器電容恢復到初始值。其工作原理如圖1所示。傳感器受載范圍及傳感器的電容變化范圍受織物的種類及結構等的影響，不同種類織物的介電常數及三維結構對傳感器的性能均有影響，本文基于常見的平紋棉織物做研究。

圖1 傳感器工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of sensor

織物/PDMS復合結構傳感器制備工藝流程主要由3步組成：一是銅箔貼附織物表面，二是PDMS封裝銅箔及織物，三是引出測試端子，如圖2所示。

圖2 傳感器制備工藝流程圖Fig.2 Flowchart of sensor preparation process

具體流程為：首先將2片叉指形導電銅箔以空間互成的交叉狀貼附在織物上下面，并將其放置在裝夾模具中；然后對傳感器進行封裝，將PDMS緩慢澆注到裝夾織物基傳感器的模具中，靜置1 h除氣泡后放入固化爐70 ℃固化2 h，得到封裝好的傳感器；最后焊接引線，制得傳感器樣品，上下位置表示傳感器正反面，PDMS將傳感器封裝成一個整體，傳感器表面光滑透明，傳感器與織物無縫結合，整體尺寸為43 mm×23 mm，叉指形導電銅箔陣列單元共32個，每個陣列單元尺寸為3 mm×3 mm。

1.3 傳感器結構表征與性能測試

1.3.1 傳感器結構與形貌表征

用Quanta-450-FEG型掃描電子顯微鏡對傳感器復合結構截面及形貌進行表征。

1.3.2 傳感器性能測試

對織物/PDMS復合結構傳感器的靈敏度、遲滯性和穩定性及手指彎折和觸壓應用進行測試。

傳感器的靈敏度采用每千帕壓力范圍內引起的電容變化進行表征，計算公式如(1)所示。

(1)

式中：S為傳感器靈敏度，kPa-1；C0為傳感器初始電容，pF；C為施加力后電容的輸出量，pF；ΔC為傳感器輸出電容變化量，pF；P為所施加載荷，kPa。

傳感器遲滯性采用加載與卸載時電容變化率與載荷關系曲線的高度差來表征。通常以最大遲滯誤差表示，計算如公式(2)所示。

(2)

式中：EH為最大遲滯誤差，%；Δymax為正反行程輸出的最大差值；YFs為輸出滿量程值。

采用ZQ-21B-1型手動拉力試驗機，將傳感器平放在拉力機的上下壓塊中間，并用紙片蓋住接線端露出焊點處，實現傳感器0～500 N內壓力加載，分度值為0.1 N；采用自組裝的帶步進式電機壓塊對傳感器進行同一壓力往復加載，實現傳感器的穩定性測試；采用VICTOR 4091C型LCR數字電橋，將夾頭夾住傳感器測試端子，測試傳感器電容值。

手指彎折不同角度測試，采用膠帶將傳感器固定于手指關節處，隨手指關節彎曲0°～90°不同的角度，每間隔30°采集10個數據點，求取平均值，測試傳感器對人體手指彎曲響應。手指觸壓測試，用雙面膠將傳感器貼于鼠標左鍵上方，食指每間隔10 s觸壓、抬起，連續4次，測試傳感器對人體手指觸壓響應。

2 結果與討論

2.1 傳感器復合結構形貌分析

傳感器復合截面微觀形貌照片如圖3所示。

圖3 織物/PDMS復合結構傳感器截面微觀形貌SEM照片Fig.3 Microstructure of sensor cross-section of fabric/ PDMS composite structure. (a) Sensor cross-sectional; (b) Partial enlarged view of dielectric layer

從圖3可看出，傳感器由上下PDMS封裝層，上下銅箔電極層及織物/PDMS復合介電層5部分構成，復合介電層處PDMS包覆織物紗線并填充在織物紗線間隙；為進一步觀察復合介電層微觀結合結構，從介電層局部放大圖可看到PDMS包覆纖維且纖維之間存在微小空隙。

2.2 傳感器性能分析

2.2.1 靈敏度分析

對傳感器施加0～580 kPa載荷，測試結果如圖4所示。

圖4 傳感器靈敏度測試Fig.4 Sensor sensitivity test

從圖4可看出，所制備的傳感器在0～580 kPa范圍內，電容變化隨加載壓力的升高而增大，傳感器靈敏度呈現3段不同的輸出特性。在0～0.75 kPa的低壓范圍內，靈敏度為8.66×10-3kPa-1，線性擬合度R2=0.977 4，電容明顯增加，曲線斜率最大，該階段織物/PDMS復合微孔結構受壓縮閉合，主要表現為傳感器厚度變小；在0.75～125 kPa中壓范圍內，靈敏度為0.94×10-3kPa-1，R2=0.898 9，電容增加減緩，該階段織物/PDMS復合彈性體被壓縮；在125～580 kPa高壓范圍內，靈敏度為0.43×10-3kPa-1，R2=0.979 1，該階段織物/PDMS彈性體在壓力加載到一定范圍后，受壓變形緩慢，靈敏度降低。文獻[15]中研究的導電機織物作為電極層的傳感器采用純硅橡膠作為介電層時，在0～100 kPa的壓力加載下，傳感器靈敏度為0.7×10-3kPa-1，可與本文傳感器在0.75～125 kPa內的靈敏度0.94×10-3kPa-1相比較。

2.2.2 遲滯性分析

對傳感器在0～580 kPa范圍內進行加載和卸載，測試結果如圖5所示。從圖可看出，傳感器的加載曲線與卸載曲線存在一定的高度差，且在壓力為85.5 kPa處出現了最大高度差，傳感器遲滯達到最大，根據式(2)計算最大遲滯誤差約5.5%。遲滯性的存在可能是由于復合織物/PDMS介電層在受力變形過程中，PDMS之間相互摩擦及其本身的遲滯效應和織物經緯紗線之間壓縮不均勻造成的。

圖5 傳感器遲滯性Fig.5 Sensor hysteresis

2.2.3 重復性分析

傳感器重復性測試，對傳感器施加0～580 kPa的往復壓力，測試3次，結果如圖6所示。

圖6 傳感器重復性Fig.6 Sensor repeatability

從圖6可看出，3次往復輸出電容曲線整體形狀相似，在0～125 kPa范圍壓力內傳感器的重復性較好，在125～580 kPa范圍壓力內傳感器的重復性較差。造成重復性誤差主要是由于傳感器的復合彈性微孔介電層隨著受載的增大，彈性體之間相互摩擦力加大以及PDMS本身的遲滯效應引起。

2.2.4 穩定性分析

步進式往復壓塊對傳感器施加循環載荷約100次，測試傳感器的穩定性，結果如圖7所示。

圖7 傳感器穩定性Fig.7 Sensor stability. (a) 100 cycles test; (b) Partial enlarged view of loop test

從圖7(a)可看出，傳感器電容變化整體呈現周期性尖銳的帶狀形態，峰值之間存在約0.05 pF的差異。圖7(b)為循環測試局部放大圖，傳感器輸出電容值隨壓力加載卸載呈周期性變化，曲線形狀相似。表明織物/PDMS柔性壓力傳感器具有一定的穩定性。

2.3 傳感器應用分析

傳感器手指彎折，手指觸壓測試結果如圖8所示。

圖8 傳感器應用測試結果Fig.8 Application test result of sensor.

從圖8(a)可看出隨手指彎曲角度的增加，電容值增加幅度逐漸變大，指關節彎曲角度越大，傳感器電極間的間距越小，因此電容值增大，但隨之標準偏差也增大，可能是傳感器在指關節彎曲時有效受力面積存在差異引起。從圖8(b)可看出，在連續4次的觸壓、抬起過程中，傳感器電容輸出與時間變化呈近似方波狀，且具有良好的重復性及穩定性，表明傳感器對手指接觸及抬起有清晰的感知和反饋能力，有望應用電子皮膚，健康監測等方面。

3 結 論

本文通過在平紋棉織物上下表面貼附叉指形導電銅箔，PDMS封裝織物及銅箔，自形成織物/PDMS復合結構介電層的方法制備出一種織物基電容式柔性壓力傳感器。織物特殊的三維微結構與PDMS復合，形成彈性微孔多復合材料介電層，有效提高了傳感器的靈敏度和壓力響應范圍，且制備工藝簡單、成本低。在0～0.75、0.75～125及125～580 kPa壓力下，傳感器靈敏度分別為8.66×10-3，0.94×10-3和0.43×10-3kPa-1；傳感器最大遲滯誤差為5.5%，具有一定的重復性及穩定性。柔性壓力傳感器對手指彎折及手指間歇觸壓測試均可準確識別和反饋，有望在電子皮膚、健康監測等可穿戴領域的實際應用中起到重要作用。