多层结构柔性压力传感织物的设计与性能

陈奕汛,吴 倩,李 倩,王进美

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院,西安 710048;2.西安工程大学 省部共建智能纺织材料与制品国家重点实验室(培育),西安 710048)

智能可穿戴技术因其能够实时交互穿戴者与环境之间的信息而具有巨大发展潜力,在医疗、运动、人工智能等领域有着广泛应用[1-4],具有高灵敏度、优异稳定性、低成本和大面积制造工艺的柔性压力传感器成为当下研究热点。其中织物基柔性压力传感器能够更好地贴附于目标物体上,不仅具有良好的信号获取能力,还具有透气、透湿、柔软等穿戴舒适性[5-6]。

柔性压力传感器从原理上可划分为压阻式、电容式和压电式[7]。与传统压力传感器相同,压力的变化会引起上述传感器的电阻、电容和电压的变化。其中,压阻式传感器在近年来的研究中占主导地位[8-9]。柔性电阻式压力传感器中织物的层次结构有助于在压力下显著增加织物之间的接触面积[10]。此外,多层结构的设计能够提供更多接触面积并将应力分布到每一层,从而进一步提高传感器灵敏度和线性度[11]。因此,设计开发高性能纺织传感材料与织物组织结构已成为重要的研究方向,通过该研究可促进材料与结构的优化,提高性能的同时节约成本。

基于以上考虑,选用平纹组织棉布作为柔性基底,MWCNTs与PEDOT:PSS为导电材料制备具有分层结构的织物基柔性压力传感器,分析不同导电材料及传感器自身层数结构对传感器性能的影响。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试剂:聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),德国贺利式公司;多壁碳纳米管(multi-walled CNTs,MWCNTs),上海麦克林生化科技有限公司;二甲基亚砜(DMSO),天津市富余精细化工有限公司;十二烷基苯磺酸钠;平纹组织棉布;镍铜涂层织物;PET 胶。

试验仪器:KEITHLEY-DMM6500 数字万用表、KEIT HLEY-2450数字源表、SSL-J螺旋式拉压测试台(温州韦度量具仪器有限公司)、SL-200N 数显推拉力计、漩涡振荡仪。

1.2 柔性织物压力传感器的制备

(1)织物组织的前期准备。用去离子水清洗平纹组织棉布并用烘箱烘干,将棉布分别裁剪成2 c m×2 c m和3.5 c m×3.5 c m 作为织物基底,将镍铜涂层织物裁剪成2 c m×6 c m 和2 c m×2 c m 作为传感器电极。

(2)导电材料的选取。选用 MWCNTs 与PEDOT:PSS 作为制备敏感层的导电材料,PEDOT:PSS溶液具有高电导率、高机械强度、高可见光透射率和优越的稳定性等特点;MWCNTs具有很强的力学性能和导电性能。

(3)M WCNTs溶液的制备。取0.03 g MWCNTs粉末与0.03 g十二烷基苯磺酸钠粉末在10 mL 去离子水中超声分散30 min。

(4)PEDOT:PSS 导电油墨的制备。将PEDOT:PSS溶液与5wt%的DMSO 溶液混合,取9 g PEDOT:PSS溶液与0.45 g DMSO溶液混合,振荡10 min。

(5)MWCNTs/PEDOT:PSS导电油墨的制备。将MWCNTs和PEDOT:PSS(掺杂5wt%的DMSO)复配(比例1∶4),取9 g PEDOT:PSS溶液与0.45 g DMSO溶液混合,振荡5 min 制成混合溶液,取0.027 g MWCNTs粉末加入溶液,在水中超声分散30 min。

(6)传感器敏感层的制备。将前期准备的2 c m×2 c m 棉布浸渍在MWCNTs 溶液中10 min,并在120 ℃的烘箱中干燥10 min,重复5 次该过程制得MWCNTs敏感层。分别使用PEDOT:PSS导电油墨与PEDOT:PSS/MWCNTs导电油墨重复上述流程制得PEDOT:PSS与PEDOT:PSS/M WCNTs敏感层。

(7)柔性压力传感器的组装制备。用3.5 c m×3.5 c m棉布作为传感器上下基底,6 c m×6 c m 镍铜涂层织物作为上下电极,PET 胶作为黏合层,在上下电极之间交替堆叠2层敏感层和2层2 c m×2 c m 镍铜涂层织物。

2 结果与讨论

2.1 传感器压阻效应与验证

压阻型压力传感器将力学信号转化为电学信号,将压力变化转换成电阻和电流的变化。实验传感器设计原理如图1所示,当受到外界压力时,内部敏感层之间的接触电阻会随着外部结构变化而变化。如图2所示,传感器由镍涂层织物和导电涂层织物构成。

图1 传感器设计原理图

图2 传感器实物图

电阻与压力的曲线如图3所示,电阻与压力呈负相关。该试验为后续的柔性压力传感器性能研究提供了参考。测试样品为0.3 wt% MWCNTs 敏感层,PEDOT:PSS敏感层,MWCNTs/PEDOT:PSS(1∶4)敏感层。

图3 电阻与压力拟合曲线

2.2 灵敏度

灵敏度是传感器的一个重要性能参数,是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δy对输入量变化Δx的比值。它是输出—输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。否则,它将随输入量的变化而变化。其大小可以反映出传感器的动态敏感程度。压力传感器的灵敏度表示为:

式中:S表示压力传感器的灵敏度;RP表示传感器受到压力后的电阻;R0表示传感器初始电阻的值;ΔR表示传感器电阻变化量;ΔP表示传感器受到的压力变化量。

从图4看出,当选用2层敏感层时,变化率斜率最大。故后续试验均采用2 层敏感层。从图5 可以看出,在压力为0～5 k Pa时,电阻变化率增速较快;而在压力为5～15 k Pa时,电阻变化率增速随压力增大而逐渐变慢;在压力为15～30 k Pa时,电阻变化率增速趋于平缓。出现这种现象的原因是,在传感器未受外力时,其敏感层之间接触较少,空隙较大;当传感器受到轻微外力时,结构发生形变造成敏感层之间产生接触,内部空隙减小,导电材料之间产生导电通路,电阻变化率开始增大;随着压力不断增大,敏感层充分接触且导电通路趋于饱和,故电阻变化率增速开始减小直至为0。

图4 不同层数CNT 敏感层传感器电阻变化率

图5 3种材料传感器电阻变化率

根据图6～图8数据比较可知,PEDOT:PSS敏感层在0～5 k Pa 压强范围内,该传感器灵敏度高达0.168 12 k Pa-1。

图6 CNT 传感器灵敏度

图7 PEDOT:PSS传感器灵敏度

图8 CNT 和PEDOT:PSS 1∶4掺杂传感器灵敏度

2.3 可重复性

传统传感器采用刚性材料,寿命高,抗机械疲劳特性较好。但柔性压力传感器在使用达到一定限度后会出现失效等情况,故需对其可重复性进行考察。

由图9可以看出,PEDOT:PSS 传感器稳定性良好,在循环测试过程中传感器响应基本保持一致,对前后区间放大看传感器响应也基本保持一致,进一步证明了其稳定性。

图9 PEDOT:PSS传感器重复性测试

2.4 响应时间与恢复时间

响应时间是指传感器从接收到输入信号到产生输出信号的时间间隔。传感器在受到外力后,其状态不会立刻做出改变,在一段时间后其响应信号达到稳定输出值90%,这才称为响应时间。恢复时间是指迅速撤去外力后,传感器恢复到受力前稳定值的时间间隔。

如图10所示,当在传感器上施加2 k Pa压力并迅速撤去,PEDOT:PSS传感器响应时间为84.26 ms,恢复时间为64.38 ms。能够对外界变化快速感知并响应。

图10 PEDOT:PSS传感器响应时间

3 结 论

使用M WCNT 与PEDOT:PSS制作了3种不同的柔性压阻式压力传感器,2 层敏感层的设计能够提供更多接触面积并将应力分布到每一层的多层结构。试验得出以下结论:(1)在0～5 k Pa内,PEDOT:PSS传感器灵敏度高达0.168 12 k Pa-1。(2)PEDOT:PSS传感的响应时间为84.26 ms,恢复时间为64.38 ms,具有较好的可重复性。数据表明该传感器性能良好,可以在柔性可穿戴设备领域以及医疗、运动检测中得到广泛应用。