復合結構經編針織電容式傳感器設計及其性能

李露紅, 趙博宇, 叢洪蓮

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

近年來,智能可穿戴設備逐漸走入人們的生活,為人們帶來諸多便利,并且在醫療、軍事、航空航天等領域已經有了較多的應用,其中傳感器作為可穿戴設備的“心臟”,其柔性化是未來重點研究方向[1-3]。按照傳感原理的不同,傳感器可分為電阻式、電容式和壓電式,其中電容式傳感器因為具有體積小、結構簡單、損耗低、壓縮穩定好等優良特性而被廣泛研究[4]。早期提出的電容式傳感器由于器件笨重,變形程度小以及人體舒適感差等缺點而被逐漸淘汰,取而代之的是柔性電容式傳感器的發展。針織物具有質量輕、柔軟、彈性回復性好等特點[5],已被應用于柔性基底,這對發展柔性織物傳感器具有重要意義。

目前對柔性織物電容式傳感器的研究較少,主要集中在將導電薄膜或者導電改性紡織品作為電極,以絕緣織物、合成泡沫、硅膠等材料作為介質層,通過施加外力使介質層發生形變,從而改變電容值來實現傳感[6]。例如:肖淵等[7]在平紋棉織物上面貼附叉指形銅箔,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS) 封裝織物以及銅箔電極,制備織物基電容式柔性壓力傳感器;孫琬等[8]將導電布作為電極,以不同規格的經編間隔織物為介質層,組裝成織物壓力電容式傳感器;侯麗娟等[9]采用絲網印刷工藝將氧化碳納米管材料印刷在具有微結構的PDMS薄膜上,制得上下電極交叉垂直放置“三明治”結構的柔性壓力傳感器。上述電容式傳感器的電極材料暴露于外層,長期使用其表面會發生一定程度的氧化及導電物質剝落,從而影響織物的傳感性能,而且PDMS本身的透氣性很差,降低了人體舒適度。針織工藝可將導電紗線與織物結構相結合,促進服用性能和傳感性能的協調平衡發展,也為實現織物柔性傳感器實用化和產業化提供途徑[10]。

本文提出一種基于針織復合結構的柔性電容式傳感器,將雙面效應導電針織物作為柔性電極,其中雙面效應是指針織物的一面由導電紗線編織成導電面,而另一面為非導電面,構成織物兩面性能差異。其中非導電面置于表層接觸外物,起到保護內層電極的作用,并采用經編間隔織物作為介質層。此種針織物復合結構柔性傳感器具備傳感性能,同時又能夠提供良好的透氣性,大大提高其與人體的舒適配合度,促進織物基柔性電容傳感器的發展。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

22.2 tex鍍銀錦綸基紗線(青島志遠翔宇有限公司 )、12.2 tex錦綸/氨綸包覆紗(江蘇格瑞特紡織品有限公司)、19.4 tex棉紗(濰坊市裕邦紡織有限公司);(常熟富強經緯編織造有限公司)3種厚度(6、9、20 mm)的間隔織物,2塊20 mm×20 mm的木板和導線。

1.2 柔性電極的制備

針織柔性電容式傳感器通常將具有導電性能的針織物作為柔性電極覆蓋于絕緣介質層的上下表面,與介質層組裝形成三明治結構。目前的導電針織物通常是在普通織物表面涂覆導電物質,由于織物表面凹凸不平而影響涂覆均勻和牢固性,長時間使用后表面導電物質會掉落,從而影響傳感性能。本文采用織入法制備柔性電極,將導電紗線通過線圈串套的方式形成織物,結構較為緊密,可一定程度提高傳感器的性能和使用壽命[11]。

可穿戴式傳感器講究靈活輕便,器件形狀需要更為小巧,但是市場上現有的編織機器只能生產出大尺寸的柔性電極。而且在制備雙面效應織物電極時,為將2種具有不同性能的織物面銜接起來,紗線需要在上下針床來回編織,這樣的編織方法無法形成絕對意義上的雙面效應。本文選用江蘇金龍科技股份有限公司的電腦橫機進行編織,尺寸結構設計性高,生產高效便捷[12]。

橫機配有多個紗嘴以及呈銳角配置的針床,針床上的織針呈交錯配置,不同的紗嘴穿入不同的紗線,編織時紗嘴之間互不干擾,導電紗線僅在一個針床上成圈,非導電紗線在另一個針床上成圈,中間使用第3種紗線借助集圈結構在前后針床上來回編織,以此連接獨立編織的2個不同性能的織物面,編織過程如圖1所示,箭頭表示紗嘴行進方向。

第①階段紗嘴1穿入鍍銀錦綸基紗線,并從左往右依次將紗線喂入前針床的織針,形成緯平針組織結構,一橫列編織完畢后,紗嘴1停至最右端;第②階段紗嘴3穿入棉紗在后針床編織平針組織結構,編織一橫列結束后,紗嘴3停至最右端,與紗嘴1保持一定間距;第③階段錦綸/氨綸包覆紗作為中間層紗線穿入紗嘴2,編織一橫列時使用到的織針在前后針床上成交錯位置,并采用集圈結構將2個面層連接起來;第④～⑥階段重復編織動作,不同的是所有紗嘴行進方向由左往右變為由右往左,一個循環結束后紗嘴回到原始位置,進行下一個循環的編織。

采用圖1所述的編織工藝,制備出雙面效應針織柔性電極,其織物結構圖如圖2所示。

圖1 編織工藝圖Fig. 1 Weaving process diagram

圖2 雙面效應導電織物電極的結構圖Fig. 2 Structural diagram of electrode lined in double-sided effect conductive fabric

1.3 間隔織物電容式傳感器的制備

電容式傳感器是一種基于平行金屬板電容器結構的傳感器,本文以間隔織物作為中間介質層,將編織的導電針織物作為分布于介質層上下表面的柔性電極,織物的非導電面置于外層,導電面置于里層,起到平行金屬板的作用,與介質層表面接觸,導線接觸導電面,從傳感器兩端引出,制成具有一定厚度的織物電容器,制備過程如圖3所示。

圖3 電容式傳感器的制備過程示意圖Fig. 3 Schematic diagram of preparation process of capacitive sensor

1.4 電力學性能測試

柔性織物電容式傳感器的工作原理是當織物受到外力作用時,織物內的間隔絲發生彎曲,使得上下柔性電極之間的距離產生變化,電容值也隨之發生更改。若忽略織物電極兩端的場邊效應,可用下式表示各個變量之間的數學關系[13]：

式中:ε0為電容空間介電常數,F/m,數值為8.854×10-12F/m;εr為相對介電常數,F/m;S為2柔性電極正對有效面積,m2;d為電極間距離,m。

本文實驗中采用E43.504型微機控制電子萬能試驗機(美特斯美特斯工業系統(中國)有限公司)作為壓縮儀器,TH2830型LCR數字電橋(同惠電子有限公司)為電容測量儀器,實驗溫度為 23.9 ℃, 濕度為76%。通過預實驗發現,壓縮儀器中的壓縮盤屬于金屬材質,壓縮過程中產生了寄生電容,影響了最終電容值的測量。為減少這一因素對實驗結果的影響,將具有一定厚度的木板貼覆在金屬壓縮盤上,根據作用力與反作用力原理,木板的增加并不會影響最后力學性能指標的測量。

將電容式傳感器放置于壓縮盤的中心位置,數字電橋的正負電極夾頭夾住從電容式傳感器兩端引出的導線,并將其數據采集頻率設置為1 kHz,測試過程如圖4所示。根據FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品壓縮性能 第2部分 連續壓縮特性的測定》進行壓縮實驗,將壓縮模式設置為等速壓縮,速率為2 mm/min。間隔織物壓縮可分為3個階段:第1階段應變范圍為0%～25%,屬于線性壓縮階段,產生彈性彎曲;第2階段應變范圍在25%～60%之間,此階段隨著壓縮距離的增加,織物壓縮剛度有所減小,相比較于第1階段更易被壓縮;第3階段間隔織物的壓縮剛度顯著增大,可壓縮距離減小,此時織物相當于一個密集的纖維體,隨著應力的增大,壓縮距離卻不會再顯著增加[14]。本文實驗設置應變值為介質層厚度的10%～60%,并同步記錄應力和電容值。

圖4 壓縮測試實驗平臺Fig. 4 Experimental platform of compression test

針對本文中基于針織復合結構的織物電容式傳感器,重點研究介質層即間隔織物厚度對電容式傳感器性能的影響,主要表征指標有靈敏度、線性度和遲滯性。靈敏度一般采用每千帕壓力范圍內引起的電容變化表征,即電容相對變化率和應力的比值,通過下式[15]計算。

式中:S為電容式傳感器靈敏度,kPa-1;C為某一壓縮應力下的電容值,F;C0為電容初始值,F;△C為電容變化值,F;△P為應力變化值,kPa。

電容式傳感器受力后會產生彈性誤差,因此導致其在輸入量從小到大(正行程)及輸入量從大到小(反行程)變化的過程中,輸入-輸出特性曲線出現不重合的現象,一般采用遲滯誤差即電容式傳感器加載和卸載時電容變化率與應力載荷關系曲線的高度差來表征這一現象,通常以最大遲滯誤差EH來表示,通過下式[7]計算。

式中:△Ymax為正反行程輸出的最大差值;yFS為輸出滿量程值。重復性是指電容式傳感器的輸入量按照同一變化方向進行多次重復測試的特征曲線重合程度,重合程度越高,說明該電容式傳感器的重復性越好,在實際應用過程中的耐用性越好,是表征電容式傳感器良好傳感性能的重要指標[2]。

2 結果與討論

2.1 電容式傳感器電力學性能分析

圖5示出電容式傳感器的應變-電容曲線?？芍?隨著壓縮應變值增加,電容均逐漸增大。當介質層厚度為6 mm和9 mm時,應變小于30%,電容值增加趨勢平緩,應變大于30%時,電容值的增大趨勢較為急劇;厚度為20 mm時,電容式傳感器的電容值隨著應變值持續增加。

圖5 不同厚度介質層電容式傳感器的應變-電容曲線Fig. 5 Strain-capacitance curve, of capacitive sensor for different thickness dielectric layers

2.2 電容式傳感器靈敏度分析

圖6示出不同厚度介質層電容式傳感器的靈敏度?？梢园l現,隨著應變值的增大,電容式傳感器的靈敏度均逐漸增加,電容式傳感器靈敏度呈現出2段不同的輸出特性。第1階段為線性壓縮階段,應變值范圍屬于10%～30%,此過程符合胡克定律,由于介質層本身的厚度較小,間隔絲表現出小形變狀態[16],相對電容變化率較小,靈敏度較低,在0～30 kPa范圍內,6 mm和9 mm電容式傳感器靈敏度達到0.004 kPa-1,電容隨應力變化增加的程度較小,20 mm電容式傳感器在0～15 kPa應力范圍內,靈敏度達到0.045 kPa-1,此數值是大于6 mm和9 mm電容式傳感器靈敏度的,這是因為厚度越大,相同應變值下的壓縮距離越多,電容值變化的程度增加。

圖6 不同厚度介質層電容式傳感器的靈敏度Fig. 6 Sensitivity of capacitive sensors fordifferent thickness dielectric layers

第2階段為應力屈服階段,處于應變值40%～60%范圍,此階段的靈敏度較第1階段增加快,這是因為隨著應力的增大,受力的間隔絲失去穩定形態而產生彈性彎曲變形,使得織物厚度減小。此時較小的作用力就能夠使織物產生較大形變,織物剛度有所減小,相對而言織物更容易被壓縮,靈敏度因此增大,并且此階段的電容式傳感器靈敏度隨著介質層厚度的增加而逐漸增大。文獻[5]將棉織物作為介質層,電容式傳感器電極采用銅箔,并用PDMS進行封裝,在0.75～125 kPa的應力加載下,電容式傳感器的靈敏度達到0.94×10-3kPa-1,可與本文厚度20 mm電容式傳感器在15～50 kPa內的靈敏度0.091 kPa-1相比較。

2.3 電容式傳感器線性度分析

線性度是描述傳感器靜態特性的一個重要指標,以被測輸入量處于穩定狀態為前提。在規定條件下,傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差(△Ymax)與滿量程輸出(Y)的百分比稱為線性度E,又稱非線性誤差,該值越小,表明線性特性越好。可用下式[17]計算:

實際應用中,由于各種因素的影響,電容式傳感器的數值輸出并不具備y=ax這種理性線性特征,因此為研究電容式傳感器輸出特性的線性誤差而對其數據曲線進行直線擬合。擬合直線的方法有端點直線法、端點平移直線法和最小二乘法,其中最小二乘法由于擬合精度高而被廣泛應用[18],因此本文采用最小二乘法對電容式傳感器的2個階段進行y=ax+b線性擬合,計算出每個階段的線性度,分別用E1、E2表示。

由表1所示的各階段線性度及應變數據可知,電容式傳感器在第1階段均表現出良好的線性特性,這是由于此階段處于線性壓縮階段,電容隨應力增加呈現近似線性的變化,而且第1階段的線性度隨著厚度的增加而降低。隨著應力的增加,電容式傳感器進入第2階段,間隔絲受力失穩產生彈性彎曲,線性度逐漸變差。

表1 電容式傳感器各階段線性度及應變范圍Tab. 1 Linearity and strain range of capacitive sensor at each stages

2.4 電容式傳感器壓縮回復性分析

電容式傳感器的介質層為間隔織物,內部間隔絲構成的獨特結構使其具有良好的壓縮回復性。但是隨著壓縮距離的增加,間隔絲彎曲程度也逐漸變大,此過程間隔絲會產生不同程度的機械損傷,壓縮回復性因而變差,從而使電容式傳感器的傳感性能遭到破壞。用電容式傳感器在加載卸載過程中的電容變化率差值對其進行表示,測試結果如圖7所示。

從圖7中可看出,3種厚度介質層的電容式傳感器的加載曲線和卸載曲線幾乎重疊在一起,說明三者的壓縮回復性較好,在外力解除后,仍具有良好的傳感性能。厚度為6 mm的電容式傳感器在應力值達到48.86 kPa時出現了最大高度差,此時電容式傳感器壓縮回復性最差,電容變化率的差值為0.014;厚度為9 mm的電容式傳感器在應力值為48.46 kPa時出現最大高度差,此時的電容變化率差值為0.015;在應力值21.22 kPa處,厚度為 20 mm 的電容式傳感器出現最大電容變化率差值。3種不同厚度介質層的電容式傳感器均在最大應變值處出現最大電容變化率差值,并隨著介質層厚度的增加,差值愈大。

圖7 不同厚度介質層電容式傳感器的壓縮回復性Fig. 7 Compression resilience of capacitive sensor for different thickness dielectric layers

2.5 電容式傳感器重復性測試

電容式傳感器的重復性與介質層的抗壓回彈性和壓縮疲勞性密切相關,隨著壓縮次數增加,織物初始厚度減小,造成每一次的初始電容值變大,從而產生重復性誤差[8]。對不同厚度介質層電容式傳感器的應變值為10%、30%和50%進行重復10次的連續壓縮實驗,測試結果如圖8所示。從圖中可看出,相同應變值下的10次連續循環應力加載與卸載過程中輸出的電容曲線變化整體相一致。在10%應變下,由于6 mm和9 mm電容式傳感器的壓縮距離較小,應力加載和卸載過程中,電容式傳感器的間距變化程度較低,電容輸出曲線不穩定。厚度為 20 mm 的電容式傳感器在不同應變值下的電容輸出曲線產生的波動較小,曲線更為順滑,重復性較前二者更好。

2.6 電容式傳感器遲滯性分析

對不同規格電容式傳感器的靈敏度和線性度進行分析不難發現,介質層厚度的增加對電容式傳感器性能的提高是有益的。選用厚度為20 mm的電容式傳感器進行應力值為0～22 kPa的加載卸載,探究其遲滯性能,測試結果如圖9所示。

圖9 不同厚度介質層電容式傳感器的重復性Fig. 9 Repeatabilityof capacitive sensor for different thickness dielectric layers

從圖9中可看出,電容式傳感器的加載曲線和卸載曲線具有高度差,且在應力值為8.79 kPa處出現最大遲滯誤差為16.2%,具有一定的傳感性能。這是因為隨著電容式傳感器厚度的增加,介質層內部的間隔絲抗彎剛度越差,施加外力過程中易于壓縮,但撤去力后難以迅速回到初始狀態,使加載與卸載過程中的電容式傳感器輸入輸出電學特性不一致,從而產生遲滯性誤差。

圖9 電容式傳感器遲滯性Fig. 9 Hysteresis of capacitive sensor

3 結 論

本文通過在3種不同厚度經編間隔織物上黏附雙面效應柔性電極來制備針織復合結構柔性電容式傳感器,并進行了電力學性能測試,得出以下結論:

1)電容式電容式傳感器在壓縮第1階段時,電容增加趨勢平緩,第2階段下呈現急劇增長的特征。電容式傳感器具有較好的線性度,并且第1階段的線性度要好于處于第2階段時的線性度。第1階段時,織物厚度愈小,電容式傳感器的線性特性越好。當應變值處于10%～60%范圍內時,電容式傳感器的靈敏度整體趨勢隨著應變值的增加而增加,介質層厚度越大,靈敏度增加愈快。

2)3種規格電容式傳感器在不同應變值下的連續重復壓縮輸出的電容曲線形狀相似,說明所設計的電容式傳感器具有良好穩定的傳感性能。但是隨著壓縮次數的增加,間隔織物的厚度會逐漸降低,造成初始電容值一直在改變,從而造成穩定性誤差,而且厚度增加使得內部間隔絲抗彎剛度降低,加大了傳感滯后性,這將在后續工作中對介質層的選擇進行更為系統的研究。

3)雙面效應柔性電極的針織電容式傳感器在大應力時具有較好的靈敏度,有望在肢體運動和健康監測等領域中得到實際應用。為進一步提高實際應用中的耐久性,將在后續的研究中對一體成形的雙面效應針織電容式傳感器進行探索。