織物基非接觸/壓力雙模態(tài)傳感器的構(gòu)筑及其性能

葉曉睿，李 明，郭肖青,2，王冰心，曲麗君，田明偉，施養(yǎng)承

(1.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071；2.武漢紡織大學(xué) 生物基紡織材料清潔生產(chǎn)與高值利用湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；3.濰坊佳誠(chéng)數(shù)碼新材料有限公司，山東 濰坊 262400；4.安徽省迪盛織造整理有限公司，安徽 亳州 233600)

隨著人工智能的快速發(fā)展，具有多功能性和舒適性的柔性可穿戴電子設(shè)備引起了相當(dāng)多學(xué)者的研究興趣[1-2]。柔性傳感器作為可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵元件[3]，在人機(jī)界面、電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)和軟體機(jī)器人等方面具有巨大的應(yīng)用潛力[4]，已成為研究熱點(diǎn)之一[5]。根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變機(jī)制，柔性傳感器可分為電容式、壓電式、電阻式和摩擦電式[6]。其中，電容式傳感器具有溫度不敏感、功耗低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[7]，在柔性可穿戴傳感器領(lǐng)域具有廣闊前景。

柔性可穿戴電容式傳感器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是兼具傳感功能與穿戴舒適性能[8-9]。紡織品是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚?，其結(jié)構(gòu)多種多樣[10]，與聚合物薄膜相比[11-13]，具有透氣性、變形性等特質(zhì)，在制備可穿戴傳感器方面具有突出的優(yōu)勢(shì)[14]。如針織物具有成本低、柔軟輕薄、透氣透濕等優(yōu)點(diǎn)[15-17]，已成為柔性可穿戴電子領(lǐng)域極具潛力的備選基材[18-19]。至今，紡織基可穿戴電容傳感器已被證明在保留本身舒適性特點(diǎn)的同時(shí)可成功實(shí)現(xiàn)“外部刺激-電信號(hào)”的轉(zhuǎn)換[20-21]，然而，多功能紡織基可穿戴傳感器研究力度較小，一些研究工作主要集中于壓力[22]、應(yīng)變[23]、非接觸[24]等單一信號(hào)檢測(cè)，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

本文將鍍鎳機(jī)織物和針織物分別作為電極和中間介電層，構(gòu)筑了一種全紡織基非接觸/壓力雙模態(tài)電容式傳感器，并對(duì)傳感器的非接觸和壓力傳感性能、透濕透氣性能等進(jìn)行研究分析，證明其在柔性可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：針織物(緯平針組織，面密度160 g/m2, 紹興夏帆紡織品有限公司)，鍍鎳機(jī)織物(方阻≤0.05 Ω/□，厚度0.1 mm，東莞市萬(wàn)江創(chuàng)科電子廠)。

實(shí)驗(yàn)儀器：ZEISS EVO18 掃描電子顯微鏡(德國(guó)卡爾蔡司集團(tuán))，ZQ-990B電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(東莞市智取精密儀器有限公司)，ECA200A數(shù)字電橋測(cè)試儀(北京溪谷高分子科技有限公司)，YG601 H-Ⅱ織物透濕儀、YG461 E-Ⅲ全自動(dòng)透氣量?jī)x(寧波紡織儀器廠)，SpiritSI-60TI激光直寫(xiě)儀(GCC Laserpro)。

1.2 全紡織基雙模態(tài)傳感器的制備

全紡織基雙模態(tài)傳感器的制備過(guò)程如圖1所示。鍍鎳機(jī)織物和針織物可以根據(jù)不同的應(yīng)用定制任意形狀和尺寸。首先，裁剪合適尺寸的針織物作為介電層，單點(diǎn)傳感器中介電層尺寸為1 cm×1 cm，傳感器陣列中介電尺寸為9 cm×9 cm。然后，將鍍鎳機(jī)織物激光切割成目標(biāo)尺寸方便組裝測(cè)試。最后，將鍍鎳機(jī)織物電極和針織物電極組裝制備成全紡織基雙模態(tài)電容式傳感器。全紡織基雙模態(tài)傳感器可以成功連續(xù)實(shí)時(shí)感知非接觸和接觸雙模態(tài)傳感信號(hào)。

圖1 全紡織基雙模態(tài)傳感器制備示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 全紡織基雙模態(tài)傳感器形貌特征

全紡織基雙模態(tài)傳感器的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖2所示。從圖2(a)(b)可以清楚地看到具有均勻針織線圈結(jié)構(gòu)的介電層和平紋機(jī)織結(jié)構(gòu)的鍍鎳織物電極。另外，圖2(b)中的倍數(shù)放大插圖顯示金屬鎳均勻包裹在纖維上，賦予電極優(yōu)越的導(dǎo)電性能。由圖2(c)(d)可知，介電層和電極厚度較薄，分別為460、100 μm，這使得二者組裝得到的全紡織基電容傳感器仍保留輕薄的特點(diǎn)，并且擁有優(yōu)越的穿戴舒適性。

圖2 全紡織基雙模態(tài)傳感器SEM照片

2.2 全紡織基雙模態(tài)傳感器傳感性能

2.2.1 非接觸傳感性能

非接觸模式下，傳感器可以在無(wú)物理接觸的情況下，感應(yīng)和追蹤物體的形態(tài)和位置，實(shí)現(xiàn)與周?chē)h(huán)境的交互，在人機(jī)交互領(lǐng)域體現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。全紡織基雙模態(tài)傳感器的非接觸感應(yīng)性能如圖3所示。

在實(shí)際分析中，由于平行板電容器電極存在一定厚度，使得電極側(cè)面也存在電荷分布，進(jìn)而導(dǎo)致電容極板邊緣分布有不均勻的發(fā)散電場(chǎng)，即平行板電容器的“邊緣效應(yīng)”[25]。非接觸式感應(yīng)模式正是基于平行板電容傳感器的邊緣效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，接近的導(dǎo)電或帶電物體(以手為例)充當(dāng)?shù)谌姌O[26]，會(huì)干擾傳感器樣品的邊緣電場(chǎng)分布[27]，并與被測(cè)傳感器的上層電極形成以空氣作為介電層的耦合電容傳感器CF(F)[13]。結(jié)合Garbini公式模型[28]分析：

CF=4ε′Wln(2H/h)/π

(1)

式中：h為手和被測(cè)電容之間的距離，m；W和H分別代表手的寬度和高度，m；ε′是介電常數(shù)。當(dāng)手與傳感器樣品上層電極的距離減小時(shí)，手?jǐn)r截和分流到的電場(chǎng)增強(qiáng)，CF增加，從而導(dǎo)致傳感器樣品的電容減小(見(jiàn)圖3(a))。

由圖3(b)可以觀察到，全紡織基雙模態(tài)傳感器非接觸最大靈敏度為0.022 cm-1，感應(yīng)距離高達(dá)10 cm，最大相對(duì)電容變化率可達(dá)到11%，呈現(xiàn)出優(yōu)越的非接觸感應(yīng)性能。圖3(c)中，當(dāng)手穩(wěn)定維持在傳感器上方固定距離(6、4、2 cm及約0 cm)時(shí)，全紡織基傳感器能夠持續(xù)穩(wěn)定響應(yīng)，并清晰感應(yīng)手接近的位置。此外，全紡織基傳感器可以準(zhǔn)確并同時(shí)連續(xù)感知非接觸和壓力信號(hào)(見(jiàn)圖3(d))。手對(duì)傳感器施壓的整個(gè)過(guò)程會(huì)經(jīng)歷非接觸和壓力感應(yīng)2個(gè)階段。非接觸階段中，傳感器的電容隨著手的靠近而減小。當(dāng)手接觸到傳感器并施加壓力時(shí)，電容急劇增加。移除時(shí)，電容信號(hào)恢復(fù)到初始值。結(jié)果證明傳感器具有出色的非接觸/壓力傳感性能，在可穿戴領(lǐng)域具有巨大的潛力。

圖3 全紡織基雙模態(tài)傳感器非接觸性能

2.2.2 壓力傳感性能

全紡織基雙模態(tài)傳感器壓力傳感性能如圖4所示，可見(jiàn)其靈敏度、遲滯性、耐久性等。全紡織基雙模態(tài)傳感器可以看作是變間距的平行板電容器，電容決定式[21]如下：

(2)

(3)

式中：C為全紡織基傳感器的輸出電容值，F(xiàn)；S為上下層電極的重合面積，m2；d為介電層的厚度,m；εr為介電常數(shù)；k為靜電力常量；d0和d1分別為壓力實(shí)施前后的介電層厚度。一般影響電容變化的因素為上下層電極的重合面積S和介電層厚度d。根據(jù)式(2)，傳感器的輸出電容與極板面積S成正比，與介電層厚度d成反比。在本文中，壓力作用下，傳感器極板面積變化微小，影響可忽略不計(jì)，因此，認(rèn)為決定全紡織基電容傳感器輸出信號(hào)變化的關(guān)鍵因素為介電層厚度d。隨著壓力的增加，介電層受擠壓的程度增加，厚度減小，最終引起電容增加[29]，見(jiàn)式(3)。因此，全紡織基電容傳感器隨著壓力的增大電容變化呈增加趨勢(shì)。

另外，由圖4(a)可知，從整體曲線走向分析，電容變化量隨著壓力的增強(qiáng)逐漸減小，與壓力成非線性關(guān)系。這可能是由于中間針織層在壓力作用下被壓實(shí)緊密，厚度變形逐漸減小，相應(yīng)輸出電容變化量也隨之逐漸減小。并且，全紡織基雙模態(tài)傳感器承壓高達(dá)400 kPa，在0～30、30～300、300～400 kPa范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度分別為1.26×10-3、2.46×10-3、4.42×10-4kPa。圖4(b)顯示傳感器加卸壓產(chǎn)生的最大遲滯率為21.41%，遲滯性較小。此外，全紡織基電容式傳感器也表現(xiàn)出了出色的微壓檢測(cè)能力。從圖4(c)中可觀察到，當(dāng)一個(gè)質(zhì)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(yīng)，相對(duì)變化率為2%。

為評(píng)估全紡織基傳感器對(duì)壓力的連續(xù)穩(wěn)定檢測(cè)和分辨能力，3種不同壓力(105、132、200 kPa)分別對(duì)傳感器連續(xù)施壓3次(見(jiàn)圖4(d))，結(jié)果證明全紡織基傳感器具有穩(wěn)定的壓力響應(yīng)性能，并且能夠清晰分辨出不同壓力的刺激。另外，在圖4(e)中，傳感器在重復(fù)加卸壓(0～150 kPa)超過(guò)8 000次循環(huán)(一個(gè)循環(huán)約2 s)后，沒(méi)有明顯的電容信號(hào)漂移，進(jìn)一步證明全紡織基傳感器具有優(yōu)秀的耐久性和穩(wěn)定性。

圖4 全紡織基雙模態(tài)傳感器壓力傳感性能

2.2.3 多位點(diǎn)傳感性能

全紡織基電容式多位點(diǎn)非接觸/壓力傳感性能如圖5所示。為研究全紡織基雙模態(tài)傳感器多點(diǎn)傳感性能，一個(gè)5×5全紡織基傳感陣列被制備。從圖5(a)可知，當(dāng)手指在傳感陣列上方按照路徑“<”滑過(guò)，相應(yīng)傳感單元能清楚捕捉到手指產(chǎn)生的非接觸信號(hào)，及時(shí)追蹤并記錄手指滑過(guò)的位置。另外，為探索傳感陣列的壓力空間分布識(shí)別性能，將一個(gè)重物放置于傳感陣列33單元點(diǎn)處，結(jié)果如圖5(b)所示，傳感器陣列可以精確呈現(xiàn)重物的壓力分布所在位置。

圖5 全紡織基電容式多位點(diǎn)非接觸/壓力傳感性能

2.3 全紡織基電容式傳感器穿戴舒適性能

不同基材電容式多位點(diǎn)穿戴舒適性能如圖6所示。為進(jìn)一步探討全紡織基雙模態(tài)傳感器的穿戴舒適性能，對(duì)比研究5×5全紡織基和聚二甲基硅氧烷(PDMS)基電容式傳感陣列的透氣透濕性傳感器。由圖6可知，與PDMS聚合物基傳感器相比較，全紡織基電容式傳感陣列具有優(yōu)秀的透濕性(168.20 g/(m2·h))和透氣性(537.86 mm/s), 證明全紡織基雙模態(tài)傳感陣列具有良好的穿著舒適性。

圖6 不同基材電容式多位點(diǎn)穿戴舒適性能

3 結(jié) 論

本文利用鍍鎳機(jī)織物和針織物分別作為電極和介電層，設(shè)計(jì)出一種全紡織基非接觸/壓力雙模態(tài)電容式傳感器，并對(duì)智能紡織傳感器的形貌特征、非接觸/壓力雙模態(tài)傳感性能、舒適性進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

①智能紡織傳感器鍍鎳機(jī)織物電極層和中間針織物介電層厚度均在微米級(jí)別，擁有良好的透氣和透濕性，并成功連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非接觸和壓力的雙模態(tài)信號(hào)，很大程度上改善由單一功能電子傳感器件復(fù)雜拼接導(dǎo)致的不滿意的穿戴體驗(yàn)。

②智能紡織傳感陣列具有良好的空間分辨率，能夠準(zhǔn)確感知和追蹤手指和重物的位置，未來(lái)在人機(jī)交互、軟體機(jī)器人、電子皮膚等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。