一種基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種制備柔性可穿戴應(yīng)力應(yīng)力傳感基本單元及其制備方法，尤其是一種以棉布等常見紡織品為基礎(chǔ)的，低成本，工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好的可穿戴應(yīng)力傳感基本單元及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性可穿戴應(yīng)力傳感器是一種新型的應(yīng)力傳感器，可用于軟機(jī)器人技術(shù)、可觸摸顯示屏、醫(yī)療設(shè)備、電子皮膚和能源采集等領(lǐng)域。
[0003]目前，應(yīng)力傳感器主要依托在應(yīng)力或應(yīng)變下的電阻和電容的變化、壓阻和壓電效應(yīng)、摩擦電效應(yīng)等。依靠金屬在應(yīng)變下的電阻變化和半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)的傳統(tǒng)應(yīng)力傳感器，其應(yīng)用受到了系統(tǒng)柔性的限制。近年來，包括碳納米材料、金屬納米顆粒、納米線和納米氧化鋅在內(nèi)的各種各樣的納米材料被用于制備柔性應(yīng)力應(yīng)變傳感器。這種以納米材料為基礎(chǔ)的柔性傳感器主要是將納米材料沉積到柔性襯底上或者是將納米材料組裝成宏觀結(jié)構(gòu)。在這類傳感器當(dāng)中，基于電阻變化的傳感單元表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，如制備工藝簡(jiǎn)單，能耗低等。
[0004]很多基于電阻變化的應(yīng)力傳感器均以納米材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。在應(yīng)力下，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電阻會(huì)發(fā)生變化。然而，納米材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的制備工藝較為復(fù)雜，且重復(fù)性難以保證。日常所用的紡織物如棉質(zhì)衣物等，具有天然的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和非常優(yōu)異的柔性。原始的棉布等紡織品是絕緣材料，在高溫碳化后轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電性良好的纖維材料。這些特點(diǎn)使得棉布成為柔性傳感領(lǐng)域的一種優(yōu)良備選材料。但是，迄今為止還沒有以棉布為基礎(chǔ)的柔性壓力傳感器的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種低成本，低能耗，制備工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，穩(wěn)定性好的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元及其制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0006]本發(fā)明的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元，包括位于中間層的完全碳化的棉布層，棉布層由兩片聚二甲基硅烷柔性襯底夾持固定，在棉布層的兩側(cè)邊有覆有金膜的導(dǎo)電膠布作為引出電極，覆有金膜的導(dǎo)電膠布位于兩片聚二甲基硅烷柔性襯底之間。
[0007]本發(fā)明的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元，其中所述的棉布與帶有金膜的導(dǎo)電膠布之間有銀膠連接。
[0008]本發(fā)明的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的制備方法，步驟如下:
a.將棉布紡織品切割成所需尺寸，然后置于溫度為600?800°C的氬氣環(huán)境下煅燒25?35 min，獲得完全碳化的棉布；
b.將作為引出電極的兩片覆有金膜的導(dǎo)電膠布分別連接在碳化后的棉布的兩側(cè)邊處，然后將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布平鋪緊貼在聚二甲基硅烷柔性襯底上；
C.將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布及聚二甲基硅烷柔性襯底置于60?70 °C的大氣環(huán)境下烘干8?12 min；
d.將另一片聚二甲基硅烷柔性襯底緊貼在棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布的另一面，使兩片聚二甲基硅烷柔性襯底夾持棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布的兩面，形成層狀結(jié)構(gòu)；
e.將d步驟獲得的層狀結(jié)構(gòu)整體置于60?70°C的大氣環(huán)境下烘干8?12min，得基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元。
[0009]本發(fā)明的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的制備方法，其中所述的聚二甲基硅烷柔性襯底為半干狀態(tài)，所述半干狀態(tài)的聚二甲基硅烷柔性襯底制備方法為:將厚度為300?400 μπι的液體狀聚二甲基硅烷放置于55?65 °C的大氣環(huán)境下烘干15?19min，獲得半干狀態(tài)的聚二甲基硅烷；
所述液體狀聚二甲基硅烷中加入固化劑，聚二甲基硅烷和固化劑的質(zhì)量配比為:10:0.5?1.5 ；
棉布和表面覆有金膜導(dǎo)電膠布用銀膠連接。
[0010]本發(fā)明是以棉布等常見紡織品為原材料，經(jīng)過高溫碳化后，利用柔性襯底作為保護(hù)層和外包裝，制成一種高柔性，高靈敏度和穩(wěn)定性的可穿戴應(yīng)力傳感基本單元。棉布等紡織品具有天然的周期性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這為制造重復(fù)性好，高靈敏度的傳感器提供了優(yōu)勢(shì)。棉布、導(dǎo)電膠布和聚二甲基硅烷(PDMS)均屬于柔性極好，可任意彎曲的材料，這也為制造可穿戴的傳感器提供了可能。產(chǎn)品具備了低成本、低能耗、制備工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是碳化后棉布的光學(xué)照片；
圖2是碳化后棉布的電子顯微鏡照片；
圖3是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的結(jié)構(gòu)圖；
圖4是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在壓力下的1-V特性曲線和電流的瞬時(shí)響應(yīng)曲線圖；
圖5是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)下的相對(duì)電阻變化曲線圖；
圖6是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在彎曲下以I秒為周期的100次循環(huán)測(cè)試曲線圖；
圖7是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在彎曲下以5秒為周期的瞬時(shí)響應(yīng)測(cè)試曲線圖
圖8是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在彎曲下的弛豫時(shí)間測(cè)試曲線圖；
圖9是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元測(cè)量門開合的電流響應(yīng)曲線圖； 圖10是基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元測(cè)量指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電流響應(yīng)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元，包括位于中間層的完全碳化的棉布層，棉布層由兩片聚二甲基硅烷柔性襯底夾持固定，在棉布層的兩側(cè)邊有覆有金膜的導(dǎo)電膠布作為引出電極，覆有金膜的導(dǎo)電膠布位于兩片聚二甲基硅烷柔性襯底之間。棉布與帶有金膜的導(dǎo)電膠布之間有銀膠連接。
[0013]本發(fā)明的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的制備方法，步驟如下:
a.將棉布紡織品切割成所需尺寸，然后置于溫度為600°C或650°C或700°C或750°C或800°C的氬氣環(huán)境下煅燒25 min或30 min或35 min，煅燒溫度在600?800°C之間均可，煅燒時(shí)間在25?35 min之間均可，獲得完全碳化的棉布；
b.將作為引出電極的兩片覆有金膜的導(dǎo)電膠布分別連接在碳化后的棉布的兩側(cè)邊處，然后將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布平鋪緊貼在聚二甲基硅烷柔性襯底上；
c.將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布及聚二甲基硅烷柔性襯底置于60°C或65°C或70°C的大氣環(huán)境下烘干8 min或9 min或10 min或11 min或12 min，其中溫度在60?70 °C之間均可，時(shí)間在8?12 min之間均可；，
d.將另一片聚二甲基硅烷柔性襯底緊貼在棉布和覆有金膜的