多層結構柔性壓力傳感織物的設計與性能

陳奕汛,吳 倩,李 倩,王進美

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院,西安 710048;2.西安工程大學 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)

智能可穿戴技術因其能夠實時交互穿戴者與環境之間的信息而具有巨大發展潛力,在醫療、運動、人工智能等領域有著廣泛應用[1-4],具有高靈敏度、優異穩定性、低成本和大面積制造工藝的柔性壓力傳感器成為當下研究熱點。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地位[8-9]。柔性電阻式壓力傳感器中織物的層次結構有助于在壓力下顯著增加織物之間的接觸面積[10]。此外,多層結構的設計能夠提供更多接觸面積并將應力分布到每一層,從而進一步提高傳感器靈敏度和線性度[11]。因此,設計開發高性能紡織傳感材料與織物組織結構已成為重要的研究方向,通過該研究可促進材料與結構的優化,提高性能的同時節約成本。

基于以上考慮,選用平紋組織棉布作為柔性基底,MWCNTs與PEDOT:PSS為導電材料制備具有分層結構的織物基柔性壓力傳感器,分析不同導電材料及傳感器自身層數結構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 數字萬用表、KEIT HLEY-2450數字源表、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)導電材料的選取。選用 MWCNTs 與PEDOT:PSS 作為制備敏感層的導電材料,PEDOT:PSS溶液具有高電導率、高機械強度、高可見光透射率和優越的穩定性等特點;MWCNTs具有很強的力學性能和導電性能。

(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導電油墨的制備。將MWCNTs和PEDOT:PSS(摻雜5wt%的DMSO)復配(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5 次該過程制得MWCNTs敏感層。分別使用PEDOT:PSS導電油墨與PEDOT:PSS/MWCNTs導電油墨重復上述流程制得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 結果與討論

2.1 傳感器壓阻效應與驗證

壓阻型壓力傳感器將力學信號轉化為電學信號,將壓力變化轉換成電阻和電流的變化。實驗傳感器設計原理如圖1所示,當受到外界壓力時,內部敏感層之間的接觸電阻會隨著外部結構變化而變化。如圖2所示,傳感器由鎳涂層織物和導電涂層織物構成。

圖1 傳感器設計原理圖

圖2 傳感器實物圖

電阻與壓力的曲線如圖3所示,電阻與壓力呈負相關。該試驗為后續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,是指傳感器在穩態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系,則靈敏度S是一個常數。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,當選用2層敏感層時,變化率斜率最大。故后續試驗均采用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。出現這種現象的原因是,在傳感器未受外力時,其敏感層之間接觸較少,空隙較大;當傳感器受到輕微外力時,結構發生形變造成敏感層之間產生接觸,內部空隙減小,導電材料之間產生導電通路,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

根據圖6～圖8數據比較可知,PEDOT:PSS敏感層在0～5 k Pa 壓強范圍內,該傳感器靈敏度高達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 可重復性

傳統傳感器采用剛性材料,壽命高,抗機械疲勞特性較好。但柔性壓力傳感器在使用達到一定限度后會出現失效等情況,故需對其可重復性進行考察。

由圖9可以看出,PEDOT:PSS 傳感器穩定性良好,在循環測試過程中傳感器響應基本保持一致,對前后區間放大看傳感器響應也基本保持一致,進一步證明了其穩定性。

圖9 PEDOT:PSS傳感器重復性測試

2.4 響應時間與恢復時間

響應時間是指傳感器從接收到輸入信號到產生輸出信號的時間間隔。傳感器在受到外力后,其狀態不會立刻做出改變,在一段時間后其響應信號達到穩定輸出值90%,這才稱為響應時間?；謴蜁r間是指迅速撤去外力后,傳感器恢復到受力前穩定值的時間間隔。

如圖10所示,當在傳感器上施加2 k Pa壓力并迅速撤去,PEDOT:PSS傳感器響應時間為84.26 ms,恢復時間為64.38 ms。能夠對外界變化快速感知并響應。

圖10 PEDOT:PSS傳感器響應時間

3 結 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 層敏感層的設計能夠提供更多接觸面積并將應力分布到每一層的多層結構。試驗得出以下結論:(1)在0～5 k Pa內,PEDOT:PSS傳感器靈敏度高達0.168 12 k Pa-1。(2)PEDOT:PSS傳感的響應時間為84.26 ms,恢復時間為64.38 ms,具有較好的可重復性。數據表明該傳感器性能良好,可以在柔性可穿戴設備領域以及醫療、運動檢測中得到廣泛應用。