一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器及制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器及制備方法，以織物為原材料；經過惰性氣氛或惰性氣體為主的氣氛下的高溫熱處理過程得到保持原織物結構并且具有柔性及導電性的碳化織物；在碳化織物的兩端連接導線或集成無線發射接收模塊；使用彈性聚合物進行封裝得到柔性可穿戴應變傳感器。本發明所提供的基于織物的柔性可穿戴應變傳感器可以通過直接貼于皮膚或附著在衣物或其他可穿戴配件上實現人體關節運動、脈搏、微表情、呼吸、發聲或聲頻的可穿戴式檢測。該柔性可穿戴應變傳感器及其生產工藝流程具備綠色環保、制備簡便、低成本、柔性好、應變檢測范圍寬、靈敏度高、響應時間短、循環穩定性、耐久性好等特點，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器及制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及可穿戴傳感器技術領域，具體涉及一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，可穿戴電子設備發展快速，成為下一代電子產品開發的重要趨勢。作為可穿戴電子設備的重要分支，可穿戴應變傳感器應具有一定機械柔性、貼合性以及高可拉伸性、高靈敏度、快速響應性、高耐久性等特點以實現其可穿戴的特性以及其在個體醫療、運動檢測、人機互動、虛擬現實娛樂技術等方面的廣闊應用。而傳統基于半導體或金屬箔的應變傳感器通常為剛性且靈敏度低，無法滿足可穿戴應變傳感器的要求。目前報道的制備柔性應變傳感器件的技術方法主要包括兩類:1.對高性能的傳統脆性無機材料進行結構配置的優化;2.開發新型柔性電子材料如有機電子材料、金屬納米材料、納米碳材料及復合彈性電子材料等。相較于傳統材料結構配制優化技術的力學復雜性，新型柔性電子材料由于其自身的機械柔性、高導電性及低成本大批量生產的潛力成為柔性應變傳感器領域研究的熱點。如何制備綠色、低成本、低能耗同時具有優異性能的柔性應變傳感器件成為柔性可穿戴應變傳感器的產業化應用面臨的重要挑戰。
【發明內容】
[0003]本發明開發了一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其以織物(包括天然植物纖維織物如棉、麻織物，天然動物纖維織物如毛類、桑蠶絲類織物，人造纖維織物如再生纖維素纖維織物、纖維素酯纖維織物、再生蛋白質纖維織物，合成纖維織物)為原材料，經過惰性氣氛或惰性氣體為主的氣氛下的高溫熱處理過程得到保持原織物主要結構特征并具有柔性及導電性的碳化織物;在碳化織物的兩端連接導線或集成無線發射接收模塊，然后直接用作柔性傳感器或者使用彈性物質如彈性聚合物進行封裝得到柔性可穿戴應變傳感器。本發明所提供的基于織物的柔性可穿戴應變傳感器具備生產工藝綠色環保、制備簡便、低成本、柔性好、應變檢測范圍寬(可拉伸性高)、靈敏度高、響應時間短、循環穩定性及耐久性好等特點，并且該應變傳感器可以通過直接貼于皮膚或附著在衣物或配飾上實現人體關節運動(指關節、腕關節、肘關節、肩關節、胯關節、膝關節、踝關節等)、脈搏(橈動脈、頸動脈等)、微表情、呼吸、發聲或聲頻的可穿戴式檢測，并且其可以與信號處理及命令生成系統集成實現對人體運動的捕捉與重建。
[0004]本發明所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其采用以下技術方案，生產工藝流程為:
[0005](I)利用織物為原材料，可以是天然纖維織物、人造纖維織物或合成纖維織物；
[0006](2)經過惰性氣氛或惰性氣體為主的氣氛下的高溫熱處理過程得到具有柔性及導電性的碳化織物；
[0007](3)將碳化織物兩端連接導線或與無線發射接收模塊集成實現對信號的有線或無線接收；
[0008](4)直接用作或利用彈性聚合物進行封裝用作柔性可穿戴應變傳感器。
[0009]本發明所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，所采用的織物原材料可以是天然纖維織物包括天然植物纖維織物如棉、麻織物，天然動物纖維織物如毛類、桑蠶絲類織物;人造纖維織物如再生纖維素纖維織物、纖維素酯纖維織物、再生蛋白質纖維織物;合成纖維織物。
[0010]本發明所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，織物原材料經過經過惰性氣氛或惰性氣體為主的氣氛下的高溫熱處理得具有柔性及導電性的碳化織物，其中的惰性氣體可以是氮氣或氬氣，其中的高溫熱處理溫度在200-3000 °C，其中的柔性及導電性碳化織物仍具有原織物的主要結構特征。
[0011]本發明所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其在碳化織物兩端連接的導線可以是導電金屬線或金屬片或其他導電材料，用于封裝的彈性聚合物可以是硅基彈性聚合物或橡膠或熱塑性聚合物等。
[0012]本發明與現有的應變傳感器相比，具有以下優點:
[0013](I)所采用的織物原材料來源廣泛、價格低廉、編織結構多樣化；
[0014](2)所采用的制備工藝簡單、綠色環保；
[0015](3)所述的柔性可穿戴應變傳感器性能優異，具體而言，其柔性好、應變檢測范圍寬(可拉伸性高)、靈敏度高、響應時間短、循環穩定性及耐久性好等特點，并且該應變傳感器可以通過直接貼于皮膚或附著在衣物或者配飾上實現人體關節運動(指關節、腕關節、肘關節、肩關節、胯關節、膝關節、踝關節等)、脈搏(橈動脈、頸動脈等)、微表情、呼吸、發聲或聲頻的可穿戴式檢測，并且其可以與信號處理及命令生成系統集成實現對人體運動的捕捉與重建。
[0016](4)本發明所述的柔性可穿戴應變傳感器在個人醫療監測、人體運動檢測、人機互動、虛擬現實娛樂技術等方面表現出廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明織物基柔性可穿戴應變傳感器的生產工藝流程圖。
[0018]圖2為本發明織物基柔性可穿戴應變傳感器柔性、可拉伸性展示圖。
[0019]圖3為本發明所述高溫熱處理所得碳材料的透射電子顯微鏡圖。
[0020]圖4為本發明織物基柔性可穿戴應變傳感器用于檢測手指關節運動、腕關節運動、肘關節、膝關節運動、踝關節運動、脈搏、呼吸(胸腔擴張)、微表情、聲帶發聲、音頻聲波的實物展示圖。
[0021]圖5為本發明織物基柔性可穿戴應變傳感器與與信號處理及命令生成系統集成實現對人體上肢運動的重建展示圖。
[0022]圖6為碳化平紋結構真絲織物應變傳感器的應變檢測機理圖示。
【具體實施方式】
[0023]為了更清楚地展現本發明，以下結合實施例及附圖對本發明進行進一步的描述。此處所述的實施例不用于限定本發明而只是對本發明進行更直觀的解釋說明。
[0024]實施例1:以具有平紋結構的真絲織物為原材料制備柔性可穿戴應變傳感器
[0025]將具有平紋結構(經紗由多根加捻的蠶絲纖維組成、瑋紗由多根平行的蠶絲纖維組成)的真絲織物在以氬氣為主的氬氣氫氣(氬氣氫氣流量比例10:1)混合氣氛下或氮氣氛圍下，950°C下高溫熱處理得到保持平紋結構的碳化織物(具體升溫程序為首先以10°C/min的升溫速率升到150°C保持60min，然后以5°C/min的升溫速率升到350°C保持180min，然后以3°C/min的升溫速率升到950°C保持90min，然后自然降溫至室溫)，該升溫程序下得到的碳化織物具有較高的導電性(其面電阻約為140 Ω /□);然后將碳化織物沿著經紗方向剪成矩形并在其兩端使用導電銀膠連接銅導線，然后使用Ecoflex(—種硅膠)對其進行封裝得柔性可穿戴應變傳感器。具體制備工藝流程圖見附圖1。該柔性應變傳感器展現優異的柔性如可以對其加捻、打結，并表現出優異的可拉伸性(其拉伸應變可達500% )(見附圖2)。值得提出的是，經過高溫熱處理得到的碳化織物表現出多晶石墨的微觀結構(見附圖3)，這是其具有高導電性的原因。上述制備得到的柔性應變傳感器可用于檢測人體大尺度運動如關節運動和小尺度運動如脈搏、呼吸、微表情、聲帶發聲，具體實施圖例展示見附圖4。另外，該柔性可穿戴應變傳感器可以信號處理及命令生成系統集成實現對人體運動的重建，具體關于上肢運動重建的圖例展示見附圖5。
[0026]實施例2:碳化平紋結構真絲織物應變傳感器的應變檢測機理
[0027]首先對碳化平紋結構真絲織物應變傳感器進行預拉伸，拉伸方向的紗線斷裂，垂直于拉伸方向的紗線中的微米蠶絲鋪展開，見附圖6(a)。利用已預拉伸應變傳感器進行應變檢測過程中預拉伸產生的拉伸方向斷裂的紗線隨著應變的施加接觸點減少導致電阻增大實現對應變的檢測，而對于垂直拉伸方向的紗線中微米蠶絲的鋪展保證在大應變下的導電通路從而帶來很大的檢測應變，見附圖6(b_d)。
[0028]實施例3:棉纖維織物及人造纖維(莫代爾)織物高溫熱處理程序及導電性
[0029]棉纖維織物及莫代爾織物在以氬氣為主的氬氣氫氣(氬氣氫氣流量比例10:1)混合氣氛下或氮氣氛圍下，以3°C/min的升溫速率升溫至900°C或1050°C然后保持200min，可得到具有高導電性的保持原有織物結構的碳化織物。對于碳化棉纖維織物其面電阻約為80Ω /□ (900°C處理)，對于碳化莫代爾織物其面電阻分別約為5.5 Ω /□ (900°C處理)和1.8Q/D(1050°C 處理)。
【主權項】
1.一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其特征在于:該應變傳感器包括一碳化織物導電層、與碳化織物導電層兩端連接的導線或無線發射接收模塊與碳化織物的集成，將所得結構直接用作柔性可穿戴應變傳感器或者使用彈性物質進行封裝得到柔性可穿戴應變傳感器。2.根據權利要求1所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其特征在于:所述彈性物質包括彈性聚合物。3.根據權利要求1所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其特征在于:所述碳化織物兩端連接的導線可以是導電金屬線或金屬片或其他導電材料，其他導電材料包括碳導電膠。4.根據權利要求2所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其特征在于:所述彈性聚合物是指具有一定柔性和可拉伸性的聚合物，選自硅基彈性聚合物、橡膠或熱塑性聚合物。5.根據權利要求1-4所述的一種基于織物的柔性可穿戴應變傳感器，其特征在于:所述的柔性可穿戴應變傳感器可在操作電壓小于IV的電壓下工作。6.—種制備如權利要求1-5任一項所述的基于織物的柔性可穿戴應變傳感器的方法，其特征在于，具體生產工藝流程包括以下步驟: 1)選取織物為原材料； 2)在惰性氣氛或惰性氣體為主的氣氛下，加熱升溫處理得到具有柔性及導電性的碳化織物； 3)將碳化織物兩端連接導線或與無線發射接收模塊集成實現對信號的有線或無線接收； 4)直接利用步驟3)得到的碳化織物或者利用彈性聚合物對其進行封裝得到柔性可穿戴應變傳感器； 5)將生產制備得到的柔性可穿戴應變傳感器通過直接貼于皮膚或附著在衣物或配飾上實現可穿戴。7.根據權利要求6所述的制備基于織物的柔性可穿戴應變傳感器的方法，其特征在于:所采用的織物原材料可以是天然纖維織物、人造纖維織物或合成纖維織物。8.根據權利要求7所述的制備基于織物的柔性可穿戴應變傳感器的方法，其特征在于:天然纖維織物包括天然植物纖維織物和天然動物纖維織物，天然植物纖維織物選自棉或麻織物，天然動物纖維織物選擇毛類或絲類織物;人造纖維織物選自再生纖維素纖維織物、纖維素酯纖維織物或再生蛋白質纖維織物。9.根據權利要求7所述的制備基于織物的柔性可穿戴應變傳感器的方法，其特征在于:步驟2)的惰性氣體可以是氮氣或氬氣，其中的加熱處理溫度在200-3000°C，其中的柔性及導電性碳化織物仍具有織物原材料的主要結構特征。
【文檔編號】G01B7/16GK105841601SQ201610264707
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】張瑩瑩, 王春雅
【申請人】清華大學