劉 紅,王 航,李煜天,田明偉

(青島大學紡織服裝學院,山東青島 266071)

0 前言

在智能化時代背景下,安全防護的數(shù)字化具有重要意義[1]。現(xiàn)有的安防監(jiān)測傳感器存在質硬、服用性能不佳、與紡織品集成性差等問題,一方面無法滿足礦井勘探的舒適性要求,另一方面也會限制工人的施工。因此,開發(fā)柔性可穿戴器件礦井勘探用智能服裝具有重要價值。

柔性可穿戴傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器笨重易脆、力學性能和承受變形能力差的缺點,并且具有尺寸小、重量輕、易于集成并且耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點[2]。根據(jù)感應機理的不同,柔性可穿戴傳感器可以分為:電容式、電阻式、摩擦發(fā)電式、磁敏式以及壓電式[3-6],其中電容式傳感器因結構簡單、低功耗、低壓檢測限、快速動態(tài)響應等優(yōu)點,已引起廣泛的研究興趣[7]。目前,制備柔性可穿戴電容傳感器的柔性材料主要包括聚合物彈性體、凝膠、紡織材料(纖維、紗線、織物)等[8-10]。聚合物薄膜基、凝膠基和紡織基傳感器具有很好的柔軟性和傳感性能[11-13],在智能可穿戴電子領域具有重要研究意義[14, 15]。

紡織材料優(yōu)良的可穿戴性能使得發(fā)展一種紡織基的電容式壓力傳感器用以監(jiān)測人體受到的外界刺激,成為智能可穿戴領域的研究熱點。但是,由于常用的紡織材料可壓縮量程小和保形性差等問題,導致紡織基的電容式壓力傳感器存在監(jiān)測范圍小和耐久性差等缺陷。因此,研發(fā)一種具有大的監(jiān)測量程和高耐久的紡織基電容式壓力傳感器仍然是一個挑戰(zhàn)。本文利用鍍鎳銅機織物和針織物分別作為電極和介電層,設計出一種針織基電容式傳感器,并對針織物基電容式傳感器的形貌特征、傳感性能、舒適性進行測試分析,較聚合物彈性體薄膜基更符合柔性可穿戴電子設備的要求。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

緯平針織物(面密度160 g/m2,紹興夏帆紡織品有限公司),鍍鎳銅織物(方阻≤0.05 Ω/sq,東莞市萬江創(chuàng)科電子廠)。

1.2 壓力傳感電子織物的制備

全紡織基柔性電子織物制備流程,如圖1所示。

圖1 全紡織基柔性電子織物制備示意

a) 裁剪合適尺寸的針織物作為中間介電層。單點傳感器中針織物介電層尺寸為1×1 cm2,傳感器陣列中尺寸為9×9 cm2。

b) 將鍍鎳銅機織物激光切割成目標尺寸方便組裝測試。設置激光直寫儀的切割速度和功率分別為30 mm/s和35 W。將商用鍍鎳銅織物放入激光直寫儀進行切割得到合適的組裝尺寸以方便評估傳感性能。對于單位點傳感器樣品,電極尺寸為1 cm×1 cm。傳感陣列選用5×5(25個單位點),每個單位點直徑尺寸為1 cm,兩個單位點電極間隔1 cm,共切割8個電極條分別作為陣列的上下電極,每個電極條尺寸為9 cm×1 cm(不包含導線長度)。

c) 將切割好的鍍鎳銅機織物電極和針織物中間介電層組裝制備得到針織基非接觸/觸覺雙模態(tài)傳感器。

1.3 測試與表征

a) 掃描電子顯微鏡(SEM)測試: 采用德國Carl Zeiss公司型號為ZEISSEVO18的掃描電子顯微鏡對鍍鎳銅織物電極和針織物介電層的表觀形態(tài)進行分析。工作電壓和距離分別設定為20 kV和10.0 mm。

b) 傳感器性能測試:采用北京溪谷高分子科技有限公司的ECA200A型數(shù)字電橋測試儀測試針織物基傳感器的傳感性能,測試頻率100 kHz。

c) 傳感器壓力性能測試:采用東莞市智取精密儀器有限公司型號ZQ-990B的電子萬能試驗機對針織物基傳感器進行施壓,量程50 N。

d) 傳感器透濕性能測試:采用寧波紡織儀器廠的YG601 H-Ⅱ型織物透濕儀測試針織物基傳感器的透濕性。

e) 傳感器透氣性能測試:采用寧波紡織儀器廠型號為YG461 E-Ⅲ的全自動透氣量儀測試針織物基傳感器的透氣性。

2 結果與討論

2.1 介電層材料表面結構分析

針織物基傳感器的SEM圖像如圖2所示。從圖2(a)和(b)中可以清楚地觀察到具有均勻緯平針織線圈結構的中間介電層和經(jīng)緯紗一上一下交織的平紋機織結構的鍍鎳銅織物電極。另外,圖2(b)中的倍數(shù)放大插圖顯示鎳和銅兩種金屬元素均勻包裹在纖維上,賦予電極優(yōu)越的導電性能。由2(c)和(d)可知,針織物中間介電層和鍍鎳銅電極厚度較薄,分別為460,100 μm,這使得兩者組裝得到的針織物基傳感器仍保留輕薄柔軟的特點,并且紡織基固有的透濕透氣性給予該傳感器優(yōu)越的穿戴舒適性能。

圖2 針織物基傳感器的SEM圖像

2.2 壓力傳感性能分析

針織物基電容傳感器的壓力響應性能如圖3所示。電容變化量隨著壓力的增強逐漸減小,與壓力呈非線性關系。可能是由于中間針織層在壓力作用下被壓實緊密,厚度變形逐漸減小,相應輸出電容變化量也隨之逐漸減小,如圖3(a)。針織基電容傳感器承壓高達400 kPa,在0～30,30～300,300～400 kPa范圍內,該傳感器的靈敏度分別為1.26×10-3,2.46×10-3,4.42×10-4kPa-1。對傳感器進行一個400 kPa的加/卸壓測試,圖3(b)顯示雙模態(tài)針織基傳感器在加/卸壓產(chǎn)生的最大遲滯率為21.41%,遲滯性較小,猜測產(chǎn)生遲滯性的原因可能是針織物中纖維毛羽間的相互纏連。

圖3 針織物基電容傳感器壓力相應性能

針織物基電容傳感器也表現(xiàn)出了優(yōu)異的微壓檢測能力,見圖4。從圖4(a)可知,當重量為60 mg(5.88 Pa)的小紙片放置在傳感器上,傳感器有明顯電容變化響應,相對電容變化率為2%。由圖4(b)可知,針織基傳感器在105,132 ,200 kPa這3種不同壓力刺激下的相對電容變化率分別為24.44%,32.30%,49.49%。結果證明針織基傳感器具有穩(wěn)定的壓力響應性能,并且能夠清晰分辨出不同壓力的刺激。針織基傳感器在重復加卸壓(約150 kPa)超過8 000次循環(huán)(一個循環(huán)約2 s)后,沒有明顯的電容信號漂移,進一步證明雙模態(tài)針織基傳感器具有優(yōu)秀的耐久性和穩(wěn)定性,如圖4(c)所示。

圖4 針織物基電容傳感器和低壓響應及耐久性能

為探索針織物基傳感陣列的壓力空間分布識別性能,將重物放置于傳感陣列33單元點處,如圖5所示,由于傳感陣列各單位點之間存在串擾行為,重物所產(chǎn)生的壓力分布由傳感器陣列33單位點呈減小趨勢向四周擴散,可以清晰呈現(xiàn)重物的壓力分布,并精確定位重物所在位置。

圖5 雙模態(tài)針織物基傳感陣列的多位點壓力響應性能

2.3 服用性能分析

為進一步探討雙模態(tài)針織物基傳感器的穿戴舒適性能,如圖6所示,對比研究了5×5針織物基和PDMS基傳感陣列的透濕透氣性能。由圖6(a)可知, PDMS基傳感器和針織物基傳感陣列的透濕性分別為 4.40 g/(m2·h)和168.20 g/(m2·h),對比發(fā)現(xiàn)針織物基傳感器的透濕性是PDMS基傳感陣列的38倍,透濕性能突出。另外,從圖6(b)可觀察到,PDMS基傳感器和針織物基傳感陣列的透氣性分別為 3.18 mm/s和537.86 mm/s,針織物基傳感器的透氣性是PDMS基傳感陣列的169倍,透氣性能優(yōu)異。結果證明雙模態(tài)針織基傳感陣列具有良好的穿著舒適性。

圖6 針織物基傳感器和PDMS基傳感器的透濕性和透氣性

3 全紡織基柔性電子織物在安全防護領域中的應用

3.1 智能壓力感知手套應用

可識別物體特征的觸覺技術在人機交互及體育運動訓練中具有重要價值。針織物基電容式壓力傳感器可實現(xiàn)與紡織品的有效集成,具有柔軟、舒適、高靈敏性等特征。根據(jù)人體工效學原理,將針織物基電容式傳感器設計為手部握力傳感器,可完成抓握、按壓等監(jiān)測,壓力采集簡單、高效,在搬運重物、攀爬運動中工人手部發(fā)力監(jiān)測具有重要意義。

以手部按壓為例,如圖7所示,將手部完全按壓于桌面,可清晰顯示手部細節(jié),包括手掌壓力、手指部位壓力分布等?？芍?該電子織物可監(jiān)測手部用力時的壓力,顯像分辨率高,在運動識別、健康監(jiān)測、人機交互等領域具有實際應用價值。

圖7 智能壓力感知手套及手部施壓壓力監(jiān)測效果

3.2 智能壓力感知訓練毯應用

記錄訓練過程中步態(tài)特征,對分析石油工人動作具有重要意義。針織物基電容傳感器具有大規(guī)模、批量化生產(chǎn)等特點,可集成于紡織品中,制備形成智能壓力感知訓練毯。智能壓力感知地毯可清晰顯示足底壓力分布和臀部壓力分布,基于獲得的數(shù)據(jù),可分析行走狀態(tài)、坐姿等。

4 結論

本文介紹了一款基于電容效應的全紡織基柔性電子織物,由鍍鎳機織物和針織物分別作為電極和中間介電層構成,擁有良好的透氣和透濕性,分別為168.20 g/m2h、537.86 mm/s。具有檢測范圍大(<400 kPa),高靈敏度(0.000 44～0.002 5 kPa-1)、耐久性好(8 000次壓力循環(huán))等優(yōu)點,可充分感知和記錄石油勘探工人運動過程體能數(shù)據(jù),如速度、壓力等。該傳感器與紡織品的集成性高,在礦井勘探領域及其他領域具有廣闊的應用前景。