曹少杰，楊?yuàn)W林，肖學(xué)良

(江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

近年來，隨著人工智能的深入研究和智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展和普及，對(duì)傳感器的要求也逐漸提升[1]。因?yàn)槿嵝詨鹤鑲鞲衅髋c人體有很好的兼容性，相比于傳統(tǒng)的剛性傳感器，柔性傳感器具有柔軟、可隨意彎曲折疊、延展性好、便于穿戴的特點(diǎn)[2]，因此柔性壓阻傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、智能服裝和電子皮膚等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值，極大程度上改善了使用者的生活方式，為人們的生活提供更好的選擇。

根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換方式的不同大致將柔性傳感器分為壓阻式、壓電式、電容式[3]。壓阻式柔性力學(xué)傳感器是基于壓阻效應(yīng)的傳感器，在外力作用下活性材料發(fā)生變形，并間接改變內(nèi)部導(dǎo)電材料的分布和接觸狀態(tài)，從而導(dǎo)致活性材料的電阻值發(fā)生有規(guī)律的變化[4]?？椢镄蛪鹤鑲鞲衅骶哂腥彳浭孢m、易穿戴、耐洗滌、材料可再生等優(yōu)勢(shì)[5]，而且服裝接觸人體可以時(shí)刻不間斷地進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，傳感器可以根據(jù)實(shí)際要求定位在不同的位置[6]，因此吸引了大批科研工作者進(jìn)行深入研究。Tang[7]等人用超聲納米焊接法將碳納米管(CNTs)在0℃的異丙基/去離子水共溶劑(IPA/DI水)中涂覆在無紡布(NWF)上，之后在去離子水中通過超聲波清洗多余碳納米管并在60℃條件下干燥，制備了一種具有獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)的功能化、靈敏、可穿戴、可洗的電子紡織真空壓力傳感器。Li[8]等人制備了一種基于羧基化多壁碳納米管(c-MWCNT)裝飾聚氨酯(TPU)電噴纖維網(wǎng)絡(luò)的高靈敏度和柔性壓感傳感器，新穎的壓阻式壓力傳感器具有高達(dá)2 kPa－1的高靈敏度，10 kPa的寬工作壓力范圍，低遲滯偏差(低于6%)，在超過1000次循環(huán)中具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐用性。

在眾多導(dǎo)電材料和柔性襯底材料中，碳納米管(CNTs)具有優(yōu)異的力電特性，是高效能應(yīng)變傳感器件的理想內(nèi)部導(dǎo)電材料，彈力平紋棉織物普遍常見，具有低成本性、柔軟性和良好的人體親和性，是制作低成本、高性能柔性壓阻傳感器的良好選擇。文中將處理后的平紋彈性棉織物浸泡在聚乙烯醇(PVA)和碳納米管(CNTs)的混合溶液，制備了一種棉織物/PVA/CNTs的壓阻式柔性傳感器，并測(cè)試了壓力與電阻之間的關(guān)系以及傳感器的靈敏度、遲滯性、重復(fù)性。

1 基于棉織物的柔性壓阻式傳感器的制備

1.1 試劑與材料

1.1.1 試劑

無水乙醇、丙酮，均為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.1.2 材料

碳納米管(CNTs)，中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司提供；冷溶型分析純聚乙烯醇(聚合度500±50，醇解度88%)，上海影佳實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司提供；60支平紋彈力棉織物(97%棉，3%氨綸，克重115 g/m2)，廣州潤(rùn)品信紡織品有限公司提供；叉指電極(基體:聚酰亞胺PI，厚度為13μm，外形尺寸:10 mm×10 mm，線寬:100μm，線距:100μm，指長(zhǎng):6.3 mm，叉指對(duì)數(shù):20)，惠州市新文雄商貿(mào)有限公司提供；聚酰亞胺膠帶，優(yōu)必勝膠帶(杭州)有限公司提供。

1.2 儀器

ME204E型電子天平，梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司制造；DZF－6020真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司制造；TH2827A精密LCR數(shù)字電橋，常州同惠電子股份有限公司制造；超聲波清洗機(jī)，深圳潔猛清洗設(shè)備有限公司制造；HJ－4A數(shù)顯恒溫磁力加熱攪拌器，常州金壇良友儀器有限公司制造；Sereis3基本型數(shù)字測(cè)力計(jì)，美國(guó)MARK－10公司制造；SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本日立公司制造。

1.3 制備方法

分別用去離子水、酒精和丙酮依次清洗彈性棉織物，每次10 min，清洗后置于烘箱在80℃下烘干；取2g PVA0588，CNTs 0.25 g、0.375 g、0.5 g，分別配置PVA濃度為8.0%，CNTs濃度分別為1.0%、1.5%、2.0%三組溶液，將溶液放到磁力攪拌機(jī)上，80℃條件下均勻攪拌2 h，確保PVA充分溶解，之后將攪拌好的溶液放入超聲波儀器中，超聲30 min，使碳納米管分散均勻；將面積為0.5 cm×0.5 cm的已清洗的彈性棉織物在溶液中浸泡1 h后取出，放入烘箱中烘干；將已浸泡烘干好的棉織物放到叉指電極上，用錫點(diǎn)焊電極，以銅絲作為導(dǎo)線，聚酰亞胺薄膜作為保護(hù)層，組成叉指型(單面電極)柔性壓阻式傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示，傳感器實(shí)物圖如圖1(b)所示，以及理想條件下傳感器電阻(R)和傳感器與叉指電極接觸面積(S)與壓強(qiáng)(P)的關(guān)系，如圖1(c)所示。

圖1 柔性壓阻傳感器模塊結(jié)構(gòu)、實(shí)物圖及工作原理圖

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 形貌觀察

將棉織物/PVA/CNTs噴金處理后，使用掃描電子顯微鏡對(duì)形貌進(jìn)行觀察。

1.4.2 靈敏度測(cè)試

在壓力傳感器的所有特征參數(shù)中，靈敏度(S)[9]被認(rèn)為是最重要的參數(shù)之一，決定了傳感器的靈敏度。其中，壓力傳感器的靈敏度定義為:

式中:ΔR為電阻的相對(duì)變化量，R0為初始電阻，ΔP為壓強(qiáng)的相對(duì)變化量。

1.4.3 遲滯性測(cè)試

傳感器的遲滯性是衡量傳感器動(dòng)態(tài)性能的重要因素之一[10]。由于大多數(shù)身體運(yùn)動(dòng)是重復(fù)的，因此在正向和反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出信號(hào)的一致性很重要。遲滯性越小，重復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中傳感器輸出的信號(hào)就越準(zhǔn)確。測(cè)試過程中通過記錄在下壓和上升兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中傳感器的電阻變化，計(jì)算傳感器的電阻變化率。

1.4.4 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性是衡量傳感器在多次檢測(cè)同一物理量的檢測(cè)結(jié)果的差別程度[11]，決定了傳感器能否多次重復(fù)使用。測(cè)試過程中通過在200 kPa壓強(qiáng)下，記錄傳感器在重復(fù)運(yùn)動(dòng)50次后的電阻變化。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 棉織物/PVA/CNTs表面形貌

材料的表面形貌是影響其物理化學(xué)性能的重要因素之一。如圖2所示為棉織物處理前后的實(shí)物圖及負(fù)載PVA/CNTs表面形貌圖，圖2(a)是處理前棉織物的實(shí)物圖，織物交織結(jié)構(gòu)清晰，孔隙明顯；圖2(b)是織物處理前后對(duì)比圖；圖2(c)、2(d)和2(e)是不同CNTs濃度下傳感樣布SEM圖片。從圖中可以看出在PVA的黏附作用下，CNTs均勻分散在彈性棉織物上，為傳感器的優(yōu)良傳感性能奠定了基礎(chǔ)。

圖2 棉織物/PVA/CNTs表面形貌圖(圖中圓圈內(nèi)的亮點(diǎn)為分散的CNTs)

2.2 靈敏度

圖3為不同CNTs濃度下電阻和壓強(qiáng)關(guān)系。由式(1)可知，傳感器的靈敏度為電阻和壓強(qiáng)曲線斜率的絕對(duì)值。CNTs濃度為1.0%時(shí)，在0～40 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度大約是0.0025 kPa－1；在40 kPa～80 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，靈敏度大約是0.0207 kPa－1；在80 kPa～200 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度大約是0.0004 kPa－1。

本文進(jìn)一步探索了CNTs的濃度對(duì)傳感器性能的影響，觀察圖3可知，在小壓強(qiáng)范圍內(nèi)，隨著CNTs的濃度增加傳感器的靈敏度數(shù)值增加；CNTs濃度為1.0%時(shí)，在40 kPa～80 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度大；CNTs濃度為1.5%時(shí)，在90 kPa～120 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度大；CNTs濃度為2.0%時(shí)，在130 kPa～160 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度大。這可能是因?yàn)殡S著CNTs的濃度增加，CNTs的相互接觸點(diǎn)增加，造成靈敏度最大時(shí)壓強(qiáng)范圍不同。

圖3 不同CNTs濃度下電阻和壓強(qiáng)關(guān)系

2.3 遲滯性

理想條件下，傳感器的遲滯性曲線應(yīng)該是一條重復(fù)的曲線，但是在使用過程中，由于傳感器的材料和自身結(jié)構(gòu)的問題，使得其在壓縮循環(huán)過程中需要一定的時(shí)間恢復(fù)原狀，造成正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)輸出信號(hào)的不一致，因此便會(huì)出現(xiàn)遲滯誤差。圖4為三種濃度下傳感器的遲滯性曲線，CNTs濃度為1.0%時(shí)，傳感器最大電阻變化率為22.1%左右，且壓強(qiáng)范圍在120 kPa～200 kPa時(shí)，遲滯性誤差幾乎為零；CNTs濃度為1.5%時(shí)，傳感器最大電阻變化率為45.1%左右；CNTs濃度為2.0%時(shí)，傳感器最大電阻變化率為25.2%左右。這是因?yàn)樵趬嚎s回復(fù)過程中，彈性棉織物需要一定時(shí)間恢復(fù)原狀，并且當(dāng)CNTs濃度為1.0%時(shí)，彈性棉織物壓縮恢復(fù)性損失小，遲滯性最小。

圖4 柔性壓力傳感器遲滯性曲線

2.4 重復(fù)性

對(duì)于性能優(yōu)異的柔性壓阻傳感器而言，傳感器的重復(fù)性好，具有多次使用后依然具有良好的輸出穩(wěn)定性能。圖5顯示了三種傳感器在200 kPa壓強(qiáng)作用下，重復(fù)壓縮50次的電阻變化情況。由圖5可知，CNTs濃度為1.0%時(shí)，傳感器電阻響應(yīng)波動(dòng)小，其重復(fù)性能最好，重復(fù)性誤差為37.8%；CNTs濃度為1.5%和2.0%時(shí)，傳感器電阻響應(yīng)波動(dòng)大，重復(fù)性能差，重復(fù)性誤差分別為46.1%和58.1%。這是因?yàn)殡S著重復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)的增加，破壞了CNTs之間的連接，并且隨著CNTs濃度的增加CNTs之間的連接性變?nèi)酰斐呻娮枳兓试黾印?/p>

圖5 不同CNTs濃度下傳感器在0～150 s內(nèi)電阻隨時(shí)間變化關(guān)系

3 應(yīng)用

柔性壓阻傳感器由于與人體有很好的兼容性，因此在智能服裝和智能機(jī)器人方面具有很大的應(yīng)用前景。柔性壓阻傳感器的應(yīng)用研究也逐漸增多，例如Li[12]等采用導(dǎo)電且高彈性的機(jī)織織物制作柔性高靈敏度壓阻傳感器，并應(yīng)用于檢測(cè)手指的按壓、呼吸中人腹部的彎曲和收縮，并將相應(yīng)的動(dòng)作輸出清晰有效的信號(hào)。為了進(jìn)一步分析文中制作的柔性壓阻傳感器的實(shí)用性，將傳感器應(yīng)用于檢測(cè)手指按壓、手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)和呼吸時(shí)腹部的彎曲與收縮運(yùn)動(dòng)情況(手指按壓運(yùn)動(dòng)頻率為0.5 Hz，手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)頻率為0.4 Hz，呼吸時(shí)腹部運(yùn)動(dòng)頻率為0.3 Hz)，并通過測(cè)試軟件實(shí)時(shí)記錄了手指運(yùn)動(dòng)和人體呼吸時(shí)傳感器的周期性的電阻變化。

圖6為人體運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)柔性傳感器的電阻變化曲線，從圖中可以看出隨著運(yùn)動(dòng)的重復(fù)進(jìn)行，自行開發(fā)的柔性壓阻傳感器的電阻呈周期性變化，并且不同運(yùn)動(dòng)類型所展示的傳感器電阻變化不同，表明傳感器具有良好的運(yùn)動(dòng)可識(shí)別性。未來，可以將該柔性壓阻傳感器應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)服裝上，并通過藍(lán)牙等無線傳輸技術(shù)，將人體運(yùn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器上，可用于運(yùn)動(dòng)健身和智能醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6 人體運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)傳感器電阻的變化曲線

4 結(jié)論

文中以彈性棉織物、PVA0588和CNTs為原料，采用浸泡烘干法，并以聚酰亞胺薄膜為保護(hù)層，制備了一款叉指型(單面電極)柔性壓阻式壓力傳感器，并研究了傳感器的表面形貌、靈敏度、遲滯性和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)得出:

①傳感器具有寬的壓力適用范圍(0～200 kPa)，并且隨著CNTs濃度的增加傳感器的靈敏度和靈敏度最大時(shí)的壓強(qiáng)范圍增加。

②CNTs濃度為1.0%時(shí)，傳感器的遲滯性誤差為22.1%，重復(fù)性誤差為37.8%，其循環(huán)性能以及輸出電阻和輸入壓力之間的同步性能有待提高。

③該傳感器已成功地證明可以應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，例如手指按壓、手指關(guān)節(jié)彎曲和呼吸時(shí)腹部收縮運(yùn)動(dòng)，并且具有低成本、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

④未來可以將傳感器應(yīng)用于無線傳輸裝置。將傳感器與無線傳輸裝置相配合，實(shí)現(xiàn)無線傳輸和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，使其在智能服裝、智能機(jī)器人以及智能醫(yī)療等領(lǐng)域具有更高的實(shí)用價(jià)值。