多層結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感織物的設(shè)計與性能

陳奕汛,吳 倩,李 倩,王進(jìn)美

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710048;2.西安工程大學(xué) 省部共建智能紡織材料與制品國家重點實驗室(培育),西安 710048)

智能可穿戴技術(shù)因其能夠?qū)崟r交互穿戴者與環(huán)境之間的信息而具有巨大發(fā)展?jié)摿?在醫(yī)療、運(yùn)動、人工智能等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-4],具有高靈敏度、優(yōu)異穩(wěn)定性、低成本和大面積制造工藝的柔性壓力傳感器成為當(dāng)下研究熱點。其中織物基柔性壓力傳感器能夠更好地貼附于目標(biāo)物體上,不僅具有良好的信號獲取能力,還具有透氣、透濕、柔軟等穿戴舒適性[5-6]。

柔性壓力傳感器從原理上可劃分為壓阻式、電容式和壓電式[7]。與傳統(tǒng)壓力傳感器相同,壓力的變化會引起上述傳感器的電阻、電容和電壓的變化。其中,壓阻式傳感器在近年來的研究中占主導(dǎo)地位[8-9]。柔性電阻式壓力傳感器中織物的層次結(jié)構(gòu)有助于在壓力下顯著增加織物之間的接觸面積[10]。此外,多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠提供更多接觸面積并將應(yīng)力分布到每一層,從而進(jìn)一步提高傳感器靈敏度和線性度[11]。因此,設(shè)計開發(fā)高性能紡織傳感材料與織物組織結(jié)構(gòu)已成為重要的研究方向,通過該研究可促進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,提高性能的同時節(jié)約成本。

基于以上考慮,選用平紋組織棉布作為柔性基底,MWCNTs與PEDOT:PSS為導(dǎo)電材料制備具有分層結(jié)構(gòu)的織物基柔性壓力傳感器,分析不同導(dǎo)電材料及傳感器自身層數(shù)結(jié)構(gòu)對傳感器性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑:聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),德國賀利式公司;多壁碳納米管(multi-walled CNTs,MWCNTs),上海麥克林生化科技有限公司;二甲基亞砜(DMSO),天津市富余精細(xì)化工有限公司;十二烷基苯磺酸鈉;平紋組織棉布;鎳銅涂層織物;PET 膠。

試驗儀器:KEITHLEY-DMM6500 數(shù)字萬用表、KEIT HLEY-2450數(shù)字源表、SSL-J螺旋式拉壓測試臺(溫州韋度量具儀器有限公司)、SL-200N 數(shù)顯推拉力計、漩渦振蕩儀。

1.2 柔性織物壓力傳感器的制備

(1)織物組織的前期準(zhǔn)備。用去離子水清洗平紋組織棉布并用烘箱烘干,將棉布分別裁剪成2 c m×2 c m和3.5 c m×3.5 c m 作為織物基底,將鎳銅涂層織物裁剪成2 c m×6 c m 和2 c m×2 c m 作為傳感器電極。

(2)導(dǎo)電材料的選取。選用 MWCNTs 與PEDOT:PSS 作為制備敏感層的導(dǎo)電材料,PEDOT:PSS溶液具有高電導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度、高可見光透射率和優(yōu)越的穩(wěn)定性等特點;MWCNTs具有很強(qiáng)的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。

(3)M WCNTs溶液的制備。取0.03 g MWCNTs粉末與0.03 g十二烷基苯磺酸鈉粉末在10 mL 去離子水中超聲分散30 min。

(4)PEDOT:PSS 導(dǎo)電油墨的制備。將PEDOT:PSS溶液與5wt%的DMSO 溶液混合,取9 g PEDOT:PSS溶液與0.45 g DMSO溶液混合,振蕩10 min。

(5)MWCNTs/PEDOT:PSS導(dǎo)電油墨的制備。將MWCNTs和PEDOT:PSS(摻雜5wt%的DMSO)復(fù)配(比例1∶4),取9 g PEDOT:PSS溶液與0.45 g DMSO溶液混合,振蕩5 min 制成混合溶液,取0.027 g MWCNTs粉末加入溶液,在水中超聲分散30 min。

(6)傳感器敏感層的制備。將前期準(zhǔn)備的2 c m×2 c m 棉布浸漬在MWCNTs 溶液中10 min,并在120 ℃的烘箱中干燥10 min,重復(fù)5 次該過程制得MWCNTs敏感層。分別使用PEDOT:PSS導(dǎo)電油墨與PEDOT:PSS/MWCNTs導(dǎo)電油墨重復(fù)上述流程制得PEDOT:PSS與PEDOT:PSS/M WCNTs敏感層。

(7)柔性壓力傳感器的組裝制備。用3.5 c m×3.5 c m棉布作為傳感器上下基底,6 c m×6 c m 鎳銅涂層織物作為上下電極,PET 膠作為黏合層,在上下電極之間交替堆疊2層敏感層和2層2 c m×2 c m 鎳銅涂層織物。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器壓阻效應(yīng)與驗證

壓阻型壓力傳感器將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號,將壓力變化轉(zhuǎn)換成電阻和電流的變化。實驗傳感器設(shè)計原理如圖1所示,當(dāng)受到外界壓力時,內(nèi)部敏感層之間的接觸電阻會隨著外部結(jié)構(gòu)變化而變化。如圖2所示,傳感器由鎳涂層織物和導(dǎo)電涂層織物構(gòu)成。

圖1 傳感器設(shè)計原理圖

圖2 傳感器實物圖

電阻與壓力的曲線如圖3所示,電阻與壓力呈負(fù)相關(guān)。該試驗為后續(xù)的柔性壓力傳感器性能研究提供了參考。測試樣品為0.3 wt% MWCNTs 敏感層,PEDOT:PSS敏感層,MWCNTs/PEDOT:PSS(1∶4)敏感層。

圖3 電阻與壓力擬合曲線

2.2 靈敏度

靈敏度是傳感器的一個重要性能參數(shù),是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。它是輸出—輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系,則靈敏度S是一個常數(shù)。否則,它將隨輸入量的變化而變化。其大小可以反映出傳感器的動態(tài)敏感程度。壓力傳感器的靈敏度表示為:

式中:S表示壓力傳感器的靈敏度;RP表示傳感器受到壓力后的電阻;R0表示傳感器初始電阻的值;ΔR表示傳感器電阻變化量;ΔP表示傳感器受到的壓力變化量。

從圖4看出,當(dāng)選用2層敏感層時,變化率斜率最大。故后續(xù)試驗均采用2 層敏感層。從圖5 可以看出,在壓力為0～5 k Pa時,電阻變化率增速較快;而在壓力為5～15 k Pa時,電阻變化率增速隨壓力增大而逐漸變慢;在壓力為15～30 k Pa時,電阻變化率增速趨于平緩。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是,在傳感器未受外力時,其敏感層之間接觸較少,空隙較大;當(dāng)傳感器受到輕微外力時,結(jié)構(gòu)發(fā)生形變造成敏感層之間產(chǎn)生接觸,內(nèi)部空隙減小,導(dǎo)電材料之間產(chǎn)生導(dǎo)電通路,電阻變化率開始增大;隨著壓力不斷增大,敏感層充分接觸且導(dǎo)電通路趨于飽和,故電阻變化率增速開始減小直至為0。

圖4 不同層數(shù)CNT 敏感層傳感器電阻變化率

圖5 3種材料傳感器電阻變化率

根據(jù)圖6～圖8數(shù)據(jù)比較可知,PEDOT:PSS敏感層在0～5 k Pa 壓強(qiáng)范圍內(nèi),該傳感器靈敏度高達(dá)0.168 12 k Pa-1。

圖6 CNT 傳感器靈敏度

圖7 PEDOT:PSS傳感器靈敏度

圖8 CNT 和PEDOT:PSS 1∶4摻雜傳感器靈敏度

2.3 可重復(fù)性

傳統(tǒng)傳感器采用剛性材料,壽命高,抗機(jī)械疲勞特性較好。但柔性壓力傳感器在使用達(dá)到一定限度后會出現(xiàn)失效等情況,故需對其可重復(fù)性進(jìn)行考察。

由圖9可以看出,PEDOT:PSS 傳感器穩(wěn)定性良好,在循環(huán)測試過程中傳感器響應(yīng)基本保持一致,對前后區(qū)間放大看傳感器響應(yīng)也基本保持一致,進(jìn)一步證明了其穩(wěn)定性。

圖9 PEDOT:PSS傳感器重復(fù)性測試

2.4 響應(yīng)時間與恢復(fù)時間

響應(yīng)時間是指傳感器從接收到輸入信號到產(chǎn)生輸出信號的時間間隔。傳感器在受到外力后,其狀態(tài)不會立刻做出改變,在一段時間后其響應(yīng)信號達(dá)到穩(wěn)定輸出值90%,這才稱為響應(yīng)時間。恢復(fù)時間是指迅速撤去外力后,傳感器恢復(fù)到受力前穩(wěn)定值的時間間隔。

如圖10所示,當(dāng)在傳感器上施加2 k Pa壓力并迅速撤去,PEDOT:PSS傳感器響應(yīng)時間為84.26 ms,恢復(fù)時間為64.38 ms。能夠?qū)ν饨缱兓焖俑兄㈨憫?yīng)。

圖10 PEDOT:PSS傳感器響應(yīng)時間

3 結(jié) 論

使用M WCNT 與PEDOT:PSS制作了3種不同的柔性壓阻式壓力傳感器,2 層敏感層的設(shè)計能夠提供更多接觸面積并將應(yīng)力分布到每一層的多層結(jié)構(gòu)。試驗得出以下結(jié)論:(1)在0～5 k Pa內(nèi),PEDOT:PSS傳感器靈敏度高達(dá)0.168 12 k Pa-1。(2)PEDOT:PSS傳感的響應(yīng)時間為84.26 ms,恢復(fù)時間為64.38 ms,具有較好的可重復(fù)性。數(shù)據(jù)表明該傳感器性能良好,可以在柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域以及醫(yī)療、運(yùn)動檢測中得到廣泛應(yīng)用。