织物基底的柔性温度传感器研制与测试

郭 华,宋金亚, 张 翔, 李海霞

(1.上海电子信息职业技术学院,上海 201411； 2.上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200444；3.上海航天智能装备有限公司,上海 201112)

0 引 言

温度传感器是将与温度有关的物理量转换为可被测量系统识别的信号进行温度测量的器件[1～3]。与传统的刚性温度传感器相比,柔性温度传感器因为具有机械坚固性、生物相容性、多功能以及舒适性等优点,引起不同行业的关注,成为近些年来研究的热点[1～3]。可穿戴的柔性温度传感器因其柔韧、轻薄等优势,适合于在机器人、医疗保健、运动员与消防员的生理参数监测等方面的应用[1,4～9]。到目前为止,制备方式简单、灵敏度高、舒适度高的可穿戴柔性温度传感器仍然是研究人员关注的重点[1]。基于此,本文研制了一种新型的柔性温度传感器。

1 主要材料的选取

1.1 基底材料

柔性温度传感器所用的基底材料主要包括聚氨酯(PU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、纸张和织物等[1,3,10～15]。其中,热膨胀系数大、响应高以及兼具柔韧性等特点使PDMS成为广泛选用的基底材料,但和其它聚合物如PU、PI、PET等一样,制作的聚合物薄膜基底透气性和亲肤性差,而纸张吸湿性强、耐久性差,所以它们都不太适于用来制作真正可穿戴的温度传感器的基底[1]。纺织织物因为具有轻薄、柔软、坚固、可变形等特点,具备高透气性和亲肤性,可反复清洗,是可穿戴温度传感器基底的合适选择[1,16～19]。

1.2 热敏材料

在已公开的成果中,柔性温度传感器所用的热敏材料主要有热敏导体和热敏油墨,其中热敏导体主要包括碳纳米材料、金属、导电聚合物材料等,热敏油墨主要包括金属油墨、碳纳米管或石墨烯油墨、导电聚合物油墨等[1,3,20,21]。导电聚合物因具有独特的电、磁、光学性质而受到科技界的关注,如聚(3,4—乙烯二氧噻吩)—聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT︰PSS),具有柔韧性、可穿戴性、可水洗性,且抗疲劳,还表现出接近金属的高导电性[1,3,9,22,23]。由于基于导电聚合物的温度传感器易于合成[1,3],因此，本文制作的温度传感器使用以PEDOT︰PSS为主要成分的油墨来制作热敏传感层。

2 传感器的制作

2.1 织物基底

基底采用棉纺市场购买的普通纯棉织物,基于笔者所在团队前期相关工作,先对其进行改性处理,过程如图1所示,获得传感器所用织物基底,改性处理所用溶液的主要成分为聚(4—乙烯基吡啶)、SU—8光刻胶、1,4—二氧六环、无水乙醇[16～19]。

图1 织物基底预处理工艺简图

2.2 电 极

喷墨打印方法可通过微米大小的喷墨喷嘴,以胶体或化学溶液的形式在各种基材上精确沉积大量的材料,形成导电线或单个液滴,可获得不同的打印层厚度,图案的形状、精度可控,生产效率高,成本低,是一种经济、快速的方法[1,24,25]。铜电极是通过在织物基底上先喷墨打印硝酸银催化剂然后在镀铜溶液中化学镀铜而获得的,过程如图2所示,经过60 min镀铜后得到的电极实物如图3所示,其中镀铜溶液的主要成分为五水硫酸铜、四水酒石酸钾钠、甲醛水溶液、2,2′—联吡啶、氢氧化钠及去离子水[16～19]。

图2 铜电极制备工艺简图

图3 铜电极实物

2.3 热敏层

使用上海幂方电子科技有限公司MP1100 Prtronic微电子打印机进行点胶打印,步骤如下：

1)点胶前的准备：将温度传感层墨水装入墨水管中,选用直径为0.16 mm的针头,并与点胶组件组装在一起,放入微电子打印机中,将打印有两根电极的织物基底固定在基板上。

2)点胶图形的绘制：点击Component design,命名为温度传感器,再点击+Add Layer,设置Layer name为温度传感层,Nozzle Options为Dispensing glue,Needle size为160 μm。然后使用矩形画图,绘制成如图4中两条电极之间的图形。

3)温度传感层的点胶：设置点胶气压为7.5 kPa,点胶速度为1 mm/s,进行点胶。点胶完成后,加热100 ℃,时间为20 min,得到温度传感器器件如图4所示。

图4 温度传感器器件实物

3 表征与测试

3.1 铜电极表征

镀铜电极的SEM图如图5所示,从图中可以看出,织物纤维上的铜纳米颗粒附着均匀,排布致密,可确保良好的导电性能。

3.2 铜电极附着力测试

为了进一步验证镀铜层与织物基底的附着性能,利用同样的工艺制作了不同形状的电极并进行了剥离测试,所用样品及测量部位编号如图6所示。

图6 附着力测试样品及测量部位编号

测试前用万用表测量①～④位置处的条状镀铜电阻并记录,测试时先将样品用胶带固定在桌面上,然后用3M胶带粘贴在样品表面,并挤出样品与胶带间的空气,之后迅速揭去胶带,反复测试100次,再次测量各位置的电阻[26]。图7所示为样品2的万用表电阻测量示数,所有测量结果如表1所示。

图7 电阻测量

表1 附着力测试前后条状镀铜的电阻Ω

从测量结果可以看出,剥离测试前后镀铜电极的电阻几乎没有发生变化,证明了镀层与纯棉基底的附着力良好。

3.3 性能测试

将温度传感器放入干燥箱中,温度传感器的两端电极与万用表相连,万用表调至欧姆档,读取温度传感器的电阻,将干燥箱中的温度由室温(注：测试时间为夏季7月份)升至85 ℃,由电热偶读取相应的温度及对应的电阻,记录数据,如图8所示。并根据平均电阻温度系数TCR(平均)=(R-R0)/(R0×ΔT)获得不同温度区间的TCR(平均)曲线如图9所示。

图8 不同温度下电极间电阻

从图8和图9中可以看到,从35～52 ℃的温度区间内,温度传感器的TCR(平均)值在0.02 ℃-1以上,灵敏度较高,当温度超过57 ℃后,温度传感器的TCR(平均)值维持在0.01 ℃-1左右,灵敏度下降。

3.4 弯曲稳定性测试

将温度传感器放置在上海幂方电子科技有限公司FT1100弯折测试仪上,弯折1100次,再次测试温度传感器的性能[18,19]。获得的结果如图10和图11所示。

图10 弯曲测试后不同温度下电极间电阻

图11 弯曲测试后不同温度区间的TCR(平均)

从图10和图11中可以看出,在弯折1100次后,从35～63 ℃的温度区间内,温度传感器的TCR(平均)值在0.02 ℃-1以上,灵敏度较高,当温度超过70 ℃后,温度传感器的TCR(平均)值维持在0.01 ℃-1左右,灵敏度下降。综合对比弯曲测试前后的结果不难发现,在35～52 ℃的温度范围内,该款温度传感器的灵敏度较高,具有潜在的应用价值。

4 结束语

经过改性处理的纯棉衬底,在其上通过喷墨打印机打印硝酸银溶液获得电极图案,棉布放入镀铜溶液后在银离子的催化作用下电极发生化学镀铜,从而获得铜电极,然后使用微电子打印机点胶打印主要成分为PEDOT︰PSS的热敏传感层,成功制备了柔性温度传感器。经过测试发现,该种传感器的铜电极与织物基底的附着力良好,从弯曲测试前后的数据可知,传感器在35～52 ℃的温度范围内有较高的灵敏度,有望在医疗保健、体育运动、消防等行业中为相关人员提供可穿戴的温度实时测量和检测设备,为柔性温度传感器的深入研究和产品开发提供一定的参考。