棉織物/聚二甲基硅氧烷復(fù)合介電層柔性壓力傳感器制備

肖 淵， 李紅英， 李 倩， 張 威， 楊鵬程

(1. 西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安市現(xiàn)代智能紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048)

智能紡織品是將紡織品與電子技術(shù)等高度融合的一類(lèi)新型紡織品，該紡織品具有感知與反應(yīng)功能，在健康監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)、軍事、娛樂(lè)等方面極具發(fā)展?jié)摿1-3]。智能紡織品主要由傳感器、致動(dòng)器、控制單元及導(dǎo)電線路[4-5]組成。傳感器作為智能紡織品的核心部件之一，是實(shí)現(xiàn)信息傳感交互的關(guān)鍵。根據(jù)工作原理的不同，常見(jiàn)傳感器可分為電阻式[6]、電容式[7]、壓電式[8]等。由于電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但常見(jiàn)的電容式傳感器多由金屬及半導(dǎo)體材料制備而成，柔韌性低，造成織物穿著舒適性降低。因此，實(shí)現(xiàn)織物基電容式傳感器的柔性化制備是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，常見(jiàn)的織物基電容式柔性壓力傳感器制備方法主要有織造、涂層和印刷等，主要采用導(dǎo)電纖維、紗線、織物、薄膜等柔性材料為電容極板[9-10]，以低模量且不導(dǎo)電的織物、合成泡沫、硅膠、聚氨酯等材料作為介電層[11-12]。通過(guò)在傳感器導(dǎo)電層或介電層中添加電學(xué)性能良好的材料，或構(gòu)建具有微結(jié)構(gòu)的介電層以實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度、重復(fù)性和壓力響應(yīng)范圍等參數(shù)的調(diào)控。孫琬等[13]以不同經(jīng)編間隔織物為傳感器介電層，用導(dǎo)電布制備了柔性電極；Sabereh等[14]在滌綸織物上涂覆聚3, 4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽導(dǎo)電涂層，采用纖維素、聚酰胺納米纖維與聚乙烯醇納米纖維3種材料通過(guò)靜電紡絲制備形成傳感器介電層；Ozgur等[15]以2層導(dǎo)電織物與純硅橡膠以及利用糖粒和鹽晶體通過(guò)固體顆粒浸出法制備的具有微孔結(jié)構(gòu)的硅橡膠介電層組裝形成平行板電容傳感器。上述織物基電容式傳感器及微結(jié)構(gòu)介電層制備過(guò)程存在工藝復(fù)雜，成本高等不足之處,因此如何制備成本低、工藝簡(jiǎn)單的特殊微結(jié)構(gòu)介電層織物基柔性傳感器成為該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。本文通過(guò)擬用叉指形導(dǎo)電銅箔貼附于織物兩側(cè)作為傳感器電極層，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封裝電極層及織物形成織物/PDMS復(fù)合結(jié)構(gòu)柔性介電層，制備三明治型電容式柔性壓力傳感器，以期制備可在手指間歇觸壓及微小質(zhì)量測(cè)試上均可準(zhǔn)確識(shí)別和反饋的傳感器。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

導(dǎo)電銅箔(厚度為0.03 mm，深圳市標(biāo)質(zhì)膠粘制品有限公司)，平紋純棉機(jī)織物(面密度約為130 g/m2。對(duì)織物進(jìn)行預(yù)處理，將織物放置于0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中煮30 min，去除織物表面附著的油脂，去離子水浸泡清洗，再熨平晾干)，聚二甲基硅氧烷(PDMS, Dow Corning Sylgard184，將質(zhì)量比為10∶1的PDMS主劑和固化劑注入燒杯中常溫下攪拌均勻后，靜置30 min去除氣泡),氫氧化鈉(AR≥96.0%，天津市大茂化學(xué)試劑廠)。

1.2 傳感器制備

織物/PDMS復(fù)合介電層三明治型電容式傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)平行板電容器原理：傳感器受外力加載時(shí)，復(fù)合介電層被壓縮，兩極板間距減小，傳感器輸出電容增加；外力釋放，復(fù)合介電層回彈，兩極板間距增大，傳感器電容恢復(fù)到初始值。其工作原理如圖1所示。傳感器受載范圍及傳感器的電容變化范圍受織物的種類(lèi)及結(jié)構(gòu)等的影響，不同種類(lèi)織物的介電常數(shù)及三維結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的性能均有影響，本文基于常見(jiàn)的平紋棉織物做研究。

圖1 傳感器工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of sensor

織物/PDMS復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器制備工藝流程主要由3步組成：一是銅箔貼附織物表面，二是PDMS封裝銅箔及織物，三是引出測(cè)試端子，如圖2所示。

圖2 傳感器制備工藝流程圖Fig.2 Flowchart of sensor preparation process

具體流程為：首先將2片叉指形導(dǎo)電銅箔以空間互成的交叉狀貼附在織物上下面，并將其放置在裝夾模具中；然后對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，將PDMS緩慢澆注到裝夾織物基傳感器的模具中，靜置1 h除氣泡后放入固化爐70 ℃固化2 h，得到封裝好的傳感器；最后焊接引線，制得傳感器樣品，上下位置表示傳感器正反面，PDMS將傳感器封裝成一個(gè)整體，傳感器表面光滑透明，傳感器與織物無(wú)縫結(jié)合，整體尺寸為43 mm×23 mm，叉指形導(dǎo)電銅箔陣列單元共32個(gè)，每個(gè)陣列單元尺寸為3 mm×3 mm。

1.3 傳感器結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

1.3.1 傳感器結(jié)構(gòu)與形貌表征

用Quanta-450-FEG型掃描電子顯微鏡對(duì)傳感器復(fù)合結(jié)構(gòu)截面及形貌進(jìn)行表征。

1.3.2 傳感器性能測(cè)試

對(duì)織物/PDMS復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度、遲滯性和穩(wěn)定性及手指彎折和觸壓應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。

傳感器的靈敏度采用每千帕壓力范圍內(nèi)引起的電容變化進(jìn)行表征，計(jì)算公式如(1)所示。

(1)

式中：S為傳感器靈敏度，kPa-1；C0為傳感器初始電容，pF；C為施加力后電容的輸出量，pF；ΔC為傳感器輸出電容變化量，pF；P為所施加載荷，kPa。

傳感器遲滯性采用加載與卸載時(shí)電容變化率與載荷關(guān)系曲線的高度差來(lái)表征。通常以最大遲滯誤差表示，計(jì)算如公式(2)所示。

(2)

式中：EH為最大遲滯誤差，%；Δymax為正反行程輸出的最大差值；YFs為輸出滿(mǎn)量程值。

采用ZQ-21B-1型手動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)，將傳感器平放在拉力機(jī)的上下壓塊中間，并用紙片蓋住接線端露出焊點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)傳感器0～500 N內(nèi)壓力加載，分度值為0.1 N；采用自組裝的帶步進(jìn)式電機(jī)壓塊對(duì)傳感器進(jìn)行同一壓力往復(fù)加載，實(shí)現(xiàn)傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試；采用VICTOR 4091C型LCR數(shù)字電橋，將夾頭夾住傳感器測(cè)試端子，測(cè)試傳感器電容值。

手指彎折不同角度測(cè)試，采用膠帶將傳感器固定于手指關(guān)節(jié)處，隨手指關(guān)節(jié)彎曲0°～90°不同的角度，每間隔30°采集10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，求取平均值，測(cè)試傳感器對(duì)人體手指彎曲響應(yīng)。手指觸壓測(cè)試，用雙面膠將傳感器貼于鼠標(biāo)左鍵上方，食指每間隔10 s觸壓、抬起，連續(xù)4次，測(cè)試傳感器對(duì)人體手指觸壓響應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器復(fù)合結(jié)構(gòu)形貌分析

傳感器復(fù)合截面微觀形貌照片如圖3所示。

圖3 織物/PDMS復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器截面微觀形貌SEM照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of sensor cross-section of fabric/ PDMS composite structure. (a) Sensor cross-sectional; (b) Partial enlarged view of dielectric layer

從圖3可看出，傳感器由上下PDMS封裝層，上下銅箔電極層及織物/PDMS復(fù)合介電層5部分構(gòu)成，復(fù)合介電層處PDMS包覆織物紗線并填充在織物紗線間隙；為進(jìn)一步觀察復(fù)合介電層微觀結(jié)合結(jié)構(gòu)，從介電層局部放大圖可看到PDMS包覆纖維且纖維之間存在微小空隙。

2.2 傳感器性能分析

2.2.1 靈敏度分析

對(duì)傳感器施加0～580 kPa載荷，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳感器靈敏度測(cè)試Fig.4 Sensor sensitivity test

從圖4可看出，所制備的傳感器在0～580 kPa范圍內(nèi)，電容變化隨加載壓力的升高而增大，傳感器靈敏度呈現(xiàn)3段不同的輸出特性。在0～0.75 kPa的低壓范圍內(nèi)，靈敏度為8.66×10-3kPa-1，線性擬合度R2=0.977 4，電容明顯增加，曲線斜率最大，該階段織物/PDMS復(fù)合微孔結(jié)構(gòu)受壓縮閉合，主要表現(xiàn)為傳感器厚度變??；在0.75～125 kPa中壓范圍內(nèi)，靈敏度為0.94×10-3kPa-1，R2=0.898 9，電容增加減緩，該階段織物/PDMS復(fù)合彈性體被壓縮；在125～580 kPa高壓范圍內(nèi)，靈敏度為0.43×10-3kPa-1，R2=0.979 1，該階段織物/PDMS彈性體在壓力加載到一定范圍后，受壓變形緩慢，靈敏度降低。文獻(xiàn)[15]中研究的導(dǎo)電機(jī)織物作為電極層的傳感器采用純硅橡膠作為介電層時(shí)，在0～100 kPa的壓力加載下，傳感器靈敏度為0.7×10-3kPa-1，可與本文傳感器在0.75～125 kPa內(nèi)的靈敏度0.94×10-3kPa-1相比較。

2.2.2 遲滯性分析

對(duì)傳感器在0～580 kPa范圍內(nèi)進(jìn)行加載和卸載，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖可看出，傳感器的加載曲線與卸載曲線存在一定的高度差，且在壓力為85.5 kPa處出現(xiàn)了最大高度差，傳感器遲滯達(dá)到最大，根據(jù)式(2)計(jì)算最大遲滯誤差約5.5%。遲滯性的存在可能是由于復(fù)合織物/PDMS介電層在受力變形過(guò)程中，PDMS之間相互摩擦及其本身的遲滯效應(yīng)和織物經(jīng)緯紗線之間壓縮不均勻造成的。

圖5 傳感器遲滯性Fig.5 Sensor hysteresis

2.2.3 重復(fù)性分析

傳感器重復(fù)性測(cè)試，對(duì)傳感器施加0～580 kPa的往復(fù)壓力，測(cè)試3次，結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳感器重復(fù)性Fig.6 Sensor repeatability

從圖6可看出，3次往復(fù)輸出電容曲線整體形狀相似，在0～125 kPa范圍壓力內(nèi)傳感器的重復(fù)性較好，在125～580 kPa范圍壓力內(nèi)傳感器的重復(fù)性較差。造成重復(fù)性誤差主要是由于傳感器的復(fù)合彈性微孔介電層隨著受載的增大，彈性體之間相互摩擦力加大以及PDMS本身的遲滯效應(yīng)引起。

2.2.4 穩(wěn)定性分析

步進(jìn)式往復(fù)壓塊對(duì)傳感器施加循環(huán)載荷約100次，測(cè)試傳感器的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 傳感器穩(wěn)定性Fig.7 Sensor stability. (a) 100 cycles test; (b) Partial enlarged view of loop test

從圖7(a)可看出，傳感器電容變化整體呈現(xiàn)周期性尖銳的帶狀形態(tài)，峰值之間存在約0.05 pF的差異。圖7(b)為循環(huán)測(cè)試局部放大圖，傳感器輸出電容值隨壓力加載卸載呈周期性變化，曲線形狀相似。表明織物/PDMS柔性壓力傳感器具有一定的穩(wěn)定性。

2.3 傳感器應(yīng)用分析

傳感器手指彎折，手指觸壓測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳感器應(yīng)用測(cè)試結(jié)果Fig.8 Application test result of sensor.

從圖8(a)可看出隨手指彎曲角度的增加，電容值增加幅度逐漸變大，指關(guān)節(jié)彎曲角度越大，傳感器電極間的間距越小，因此電容值增大，但隨之標(biāo)準(zhǔn)偏差也增大，可能是傳感器在指關(guān)節(jié)彎曲時(shí)有效受力面積存在差異引起。從圖8(b)可看出，在連續(xù)4次的觸壓、抬起過(guò)程中，傳感器電容輸出與時(shí)間變化呈近似方波狀，且具有良好的重復(fù)性及穩(wěn)定性，表明傳感器對(duì)手指接觸及抬起有清晰的感知和反饋能力，有望應(yīng)用電子皮膚，健康監(jiān)測(cè)等方面。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)在平紋棉織物上下表面貼附叉指形導(dǎo)電銅箔，PDMS封裝織物及銅箔，自形成織物/PDMS復(fù)合結(jié)構(gòu)介電層的方法制備出一種織物基電容式柔性壓力傳感器?？椢锾厥獾娜S微結(jié)構(gòu)與PDMS復(fù)合，形成彈性微孔多復(fù)合材料介電層，有效提高了傳感器的靈敏度和壓力響應(yīng)范圍，且制備工藝簡(jiǎn)單、成本低。在0～0.75、0.75～125及125～580 kPa壓力下，傳感器靈敏度分別為8.66×10-3，0.94×10-3和0.43×10-3kPa-1；傳感器最大遲滯誤差為5.5%，具有一定的重復(fù)性及穩(wěn)定性。柔性壓力傳感器對(duì)手指彎折及手指間歇觸壓測(cè)試均可準(zhǔn)確識(shí)別和反饋，有望在電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)等可穿戴領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中起到重要作用。