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柔性压力传感器在智能纺织品中的应用

作者:admin 发布日期: 2020-05-20 二维码分享

       摘要:探讨柔性压力传感器在纺织品中的创新应用。介绍了柔性压力传感器的工作原理、结构、工艺与性能,分析了当前柔性压力传感器的创新要点,及其在智能纺织品中的应用情况,分析了柔性压力传感器在智能纺织品中应用的局限性因素。认为:柔性压力传感器的柔性基底与薄膜以及其结构的创新研究,不仅是柔性压力传感器创新研究的重点,而且是推动柔性压力传感器与智能纺织品紧密结合的根本动力。

       柔性压力传感器常用基底与薄膜材料柔性压力传感器是由柔性材料制成,用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件。其通过贴附于各种不同物体的表面,来感受物体的压力变化。柔性压力传感器除了具有刚性压力传感器的特点外,还具有良好的延展性、透明性、柔韧性,可自由弯曲折叠且方便穿戴或携带,能够快速、高效以及准确地感应到物体所受的压力变化,在医疗健康、机器人“皮肤”、智能运动、智能服装以及生物力学领域有着广泛的应用前景。标准的柔性压力传感器一般由一片薄膜、一片柔性基底和内表铺设导体及半导体构成,如图1所示。



       1.1柔性压力传感器常用基底材料

       柔性压力传感器的基底由具有质地较软、易弯折、轻便等属性的柔性材料制成。常见的柔性材料有:聚酰亚胺(以下简称PI)、聚二甲基硅氧烷(以下简称PDMS)、纸片、纺织材料等。PI是综合性能非常佳的有机高分子材料之一,其具有很好的机械性能,优良的辐射性能,抗张强度高,长期使用温度可达250℃,耐化学性药品,一般不溶于有机溶剂,对烯酸稳定等优点,但其耐水解性能较差[1]。

       目前,在较多柔性基底材料研究中,PDMS方便易得、透明、化学稳定性及热稳定性好,在紫外光下,其黏附区和非黏附区的特征明显,使其表面可以很容易黏附电子材料,因而成为了..基底材料。

       1.2柔性压力传感器常用薄膜材料

       柔性压力传感器根据其被测量信息的不同需求,其常用薄膜材料也不同。常用薄膜材料有纳米复合薄膜、透明导电氧化物薄膜、金属薄膜等。金属薄膜的优点在于可明显改变其表面特征,赋予其各种新的功能,而且基底柔软,易弯曲。透明导电氧化物薄膜不仅具有良好的导电性,而且可折叠、不易碎、便于运输、质量轻,具有可见光范围光学透明性[2]。纳米复合薄膜材料非常初在传感器上的使用是以超微颗粒为主。近年来,由于低维材料、列阵材料的广泛应用,碳纳米粉复合材料[3]、碳纳米管复合材料[4]、碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合阵列[5]等材料被广泛应用于传感器中。

       2柔性压力传感器在智能纺织品中的应用种类

       2.1压阻式柔性压力传感器

       压阻式柔性压力传感器主要是将导电相,如碳纤维、碳纳米管、金属颗粒等,掺入到绝缘基底材料PI、PDMS等中制成柔性压阻材料[6]。压阻式柔性压力传感器是通过感应由外力造成的电阻变化而产生的电信号来直观读取外力的变化。当外力作用到传感器的感应点上时,其阻值与外力会呈负相关变化,即当压力趋为零时,阻值越大;压力越大,阻值越小。该类传感器种类繁多,基于器件单一和信号导出机制简单的特点,成为目前运用非常为广泛的一类压力传感器。

       2.2电容式柔性压力传感器

       电容式柔性压力传感器通常是以一种镀金属的薄膜或者金属薄膜作为电容器的电极。其可以将感受到的外界压力变化转换为一种电信号,主要通过感受外界压力从而产生电容,靠电容改变来获得相应的电信号[7]。电容式柔性压力传感器的工作原理是:当外界给予一定的压力时,其镀金属的或者金属的薄膜会感受到压力从而变形,此时薄膜与固定电极之间的电容随之发生变化,从而输出相应的电信号。这种柔性压力传感器具有较高的响应速度和动态范围,且对力的变化敏感度较高,所以其可以在较低耗能的情况下,完成对微小静态力的..检测[8]。

       2.3压电式柔性压力传感器

       压电式柔性压力传感器主要由压电敏感材料,如聚偏氟乙烯等组成,其运用压电材料实现压力对电信号的转换。其工作原理是:压电系数越高,压电敏感材料的能量转化率越高,其转化的电信号就越强。压电式柔性压力传感器是运用压电材料实现压力对电信号转换的传感器。这类柔性压力传感器的灵敏度、..度、压电系数以及响应速度较高,因此主要作为柔性触摸传感器被广泛使用[9]。

       2.4适用性

       压阻式、电容式以及压电式柔性压力传感器的结构示意图如图2所示。



       由于不同柔性压力传感器有其自身适用范围的限制,其在智能纺织品与智能服装中的应用种类也具有一定的局限性。压阻式、电容式以及压电式柔性压力传感器都具有使用限制范围小、灵敏度、..度高等特点,因此均可适用于智能纺织品尤其是智能服装中。

       3柔性压力传感器的创新研究状况

       柔性压力传感器结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行..快捷测量,解决了传感器的小型化、集成化、智能化发展问题,这些新型柔性压力传感器在智能服装中有着重要作用[10]。但目前对于柔性基底、薄膜等用于柔性压力传感器的材料制备技术工艺水平还不成熟,在成本、适用范围、使用寿命等方面还存在问题[11]。常用柔性基底存在不耐高温的缺点,导致柔性基底与薄膜材料间应力大、黏附力弱。柔性传感器的组装、排列、集成和封装技术也还有待进一步提高[12]。为了获得高性能的柔性压力传感器,研究者们在传感器的材料、结构及器件设计等方面进行了一系列的创新型研究工作。


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