柔性织物压力传感器的制备及其性能研究_宋来鑫.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology柔性织物压力传感器的制备及其性能研究宋来鑫1 赖孟依1 王姝玥1 赵玉珍2 王悦辉1（1.电子科技大学中山学院，广东中山，528402；2.清华大学，北京，100086）摘要：为改善基于织物的柔性可穿戴压力传感器在使用时的灵敏度、可靠性和可持续性，采用直写工艺设计和制作纳米银线叉指电极，并将其作为底电极；采用浸泡工艺制作纳米银线导电织物，将其作为压阻层。将两者组装成为压阻式柔性织物压力传感器，并测试相关性能。结果表明：施加不同的压力，压力传感织物的电流都是随着施加电压的增加而线性增加；压力传感织物具有较好的传感稳定性和重现性，对外力具有较好的响应性能和较高的灵敏度；柔性织物压力传感器在 0.1 V 的低电压下实现了出色的开关比，5 g砝码压力下快速响应性能较好。认为：制备的柔性压力传感器在可穿戴控制器和运动检测中具有潜在应用价值。关键词：纳米银线墨水；叉指电极；导电织物；灵敏度；柔性压力传感器；直写工艺中图分类号：TS101.3 文献标志码：A 文章编号：1000-7415（2023）06-0042-06Fabrication and performance of flexible fabric pressure sensorSONG Laixin1 LAI Mengyi1 WANG Shuyue1 ZHAO Yuzhen2 WANG Yuehui1（1.University of Electronic Science and Technology of China，Zhongshan Institute，Zhongshan，528402，China；2.Tsinghua University，Beijing，100086，China）Abstract In order to improve sensitivity，reliability and sustainability of the flexible wearable pressure sensor based on fabric，silver nanowires interdigital electrode was designed and fabricated by direct writing technology and used as the bottom electrode.Silver nano wire conductive fabric was prepared by soaking technology and used as piezoresistive layer.A piezoresistive flexible fabric pressure sensor was assembled by the bottom electrode and piezoresistive layer，its related properties were tested.The results showed that the current of pressure sensing fabric was increased linearly with the increase of applied voltage under different pressures.The pressure sensing fabric had better sensing stability and reproducibility，better response performance and high sensitivity to external force.The flexible fabric pressure sensor achieved excellent switching ratio at low voltage of 0.1 V and had fast response performance at 5 g weight pressure.It is considered that the flexible pressure sensor has potential application value in wearable controller and motion detection.Key Words silver nanowires ink，interdigital electrode，conductive fabric，sensitivity，flexible pressure sensor，direct writing process近年来，随着可穿戴设备的发展，用于检测人体运动的可穿戴传感系统引起了学术界和工业界的广泛关注15。其中，具有高灵敏度、优异稳定性、低成本和大面积制造工艺的柔性压力传感器由于其在可穿戴医疗监护仪、电子皮肤和触摸界面等领域的广泛应用前景而成为研究热点68。压力传感器能够感知外界的压力信号，并且能按照一定的规律将其转化为电学信号。根据工作机理，柔性压力传感器可分为压阻型、电容型和压电型三大类。压阻型柔性压力传感器通常采用三明治结构或两层结构9。三明治结构通常由上下两个柔性电极和中间的压阻层组成，两层结构通常由底部的交叉电极与顶部的压阻层构成。在受到外界的压力作用时，压阻材料会发生形变，从而引起接触面积发生变化，最终导致器件的电阻发生变化；所以可以通过测量其电阻变化来衡量外界的压力变化，从而模拟甚至超越人体皮肤的功能，被广泛用于生理信号探测与人机交互领域。目前，制备高性能柔性可穿戴压力传感器的策略主基金项目：广东省教育厅创新团队项目（2020KCXTD030）；广东省教育厅重点领域项目（61671140）；广东大学生科技创新培育专项资金资助项目作者简介：宋来鑫（2002），男；王悦辉，通信作者，教授，收稿日期：2023-02-22】【42第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology要是工艺、结构和材料的创新1014。例如：将碳纳米管、石墨烯、纳米银线引入柔性电极，以及将柔性电极表面进行微结构化等提升传感器的灵敏度1517。记录脉搏和呼吸频率的新型应变和压力传感器可以帮助医生接收有关患者可能存在的健康威胁警报18。为了长期适应可穿戴设备的舒适性，柔性可穿戴压力传感器需要灵活、舒适、轻便、透气、可水洗，并且可以与衣服结合或直接与身体接触。然而，传统传感器大多采用弹性基板制作，大面积应用不利于皮肤呼吸。为了解决这些问题，基于柔性纺织品的可穿戴传感器应运而生，其具有拉伸、压缩、轻质、透气、扭曲和生物相容性以及可再生特性，成为研究人员的追求。基于纺织品的柔性可穿戴压力传感器通常是以纺织品为基底制作传感器或将先进的纤维类型传感器编织到织物中来实现。目前，基于织物的柔性可穿戴压力传感器的研究已经取得了很大进展，但是当实际使用它们对人体进行健康监测时，在灵敏度、可靠性、可持续性和舒适性方面仍然具有比较大的挑战。本研究利用织物材料的天然优势，结合纳米银线良好的导电性和直写工艺灵活的设计及简单的操作特点，制备了压阻式柔性压力传感器，并研究了其相关性能。1 试验部分1.1试剂与仪器试验试剂均为外购，包括纳米银线乙醇悬浮液（直径 40 nm 左右，长度 20 m30 m，质量浓度 10 mg/mL）、羟甲基纤维素和无水乙醇。使用 Zeiss sigma 500型扫描电子显微镜表征纳米银线的微观结构。用微电子打印机直写工艺制备叉指电极。用 JC2000C1 型接触角测量仪测试墨水的接触角。用 RheoCompass 型流变仪测试墨水的流变学特征。1.2试验方法纳米银线墨水的配制。称取 0.2 g 的羟甲基纤维素加入到装有 20 mL 去离子水的烧杯中，用磁力搅拌器充分搅拌，配置成质量分数为 1%的羟甲基纤维素溶液。将纳米银线乙醇悬浮液从冰箱中取出，经超声分散和手摇使纳米银线充分均匀，将纳米银线悬浮液稀释至 5 mg/mL，再用微量量取器取 10 mL的纳米银线悬浮液加入到羟甲基纤维素溶液中，并用玻璃棒搅拌均匀。纳米银线叉指电极的制备。将棉织物裁剪成4 cm7 cm，分别用去离子水和无水乙醇在烧杯中搅拌清洗，随后在 80 烘箱中烘干。在电脑上利用 BitsAssembler软件设计叉指电极图，然后在打印机的承物台上安装织物（为了保证织物平坦地吸附在承物台上，先将织物用双面胶粘在 PET薄膜表面），并点击 BitsAssembler 软件上的“吸附”，确保织物紧紧贴合在承物台上。选 0.21 mm内径的点胶头墨盒，将超声分散好的纳米银线墨水用注射器吸注入到点胶墨盒内，再将点胶墨盒安装在微电子打印机上，设定气压 11 kPa、速度1 mm/s 制作叉指电极。打印一层结构后用红外灯干燥 10 min 后再打印下一层，然后再用红外灯干燥 10 min。根据所需电极的导电性调控打印的层数，每次打印一层后都需要用红外灯干燥，最后将样品取下。纳米银线导电织物的制备。将烘干的织物完全浸入到纳米银线悬浮液中（10 mg/mL）15 min，纳米银线附着在织物纤维表面，取出放入 80 的烘箱中干燥 20 min，即得到纳米银线导电织物。柔性压力传感器的组装。设计双层结构的压力传感器，以纳米银线导电织物作为压阻层，叉指电极作为底电极，用 VHB 胶带将两者面对面封装，组装成柔性压力传感器。2 结果与讨论2.1直写工艺用纳米银线墨水导电墨水的黏度和表面张力会影响墨滴的形状、墨滴在基材表面的铺展程度、墨水喷印时的流畅性以及喷印图案的质量。采用的微电子打印机配置有喷墨打印工艺、点胶工艺和刮涂工艺配件。本次试验选用点胶工艺，该工艺对所用墨水的黏度和表面张力没有明确规定。实际试验中，我们选择了多种增稠剂和纳米银线质量浓度，配制了一系列墨水，并选用多种点胶头和工艺参数，研究墨水、工艺和图案质量间关系，最终确定了1.2试验方法为最佳配方和工艺参数。在 25 条件下，剪切速率 1 s-1500 s-1之间，墨水的黏度与剪切速率关系如图 1所示，小插图为墨水的照片。可以看出，当剪切速率在 1 s-150 s-1间时，随着剪切速率增加，黏度从 2 383.3 mPas急速下降到】【43第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology515 mPas；当剪切速率在 51 s-1500 s-1间时，黏度随着剪切速率增加，逐渐下降；当剪切速率为500 s-1时，黏度为 11.66 mPa s。由于羧甲基纤维素大分子链在液体中相互作用，墨水会呈现较高的黏稠性。随着剪切力的持续增加，墨水明显剪切变稀，呈现出非牛顿流体的特性。墨滴与织物表面的接触角可表现出墨滴在织物表面的浸润性。过大的接触角不利于获得高精度的图案，过小的接触角不利于墨滴铺展。本试验配制的墨水墨滴与织物表面的接触角为 60。2.2纳米银线叉指电极织物和导电织物设计的叉指电极、直写工艺制作的纳米银线叉指电极织物、浸泡工艺制备的纳米银线导电织物及其织物表面的 SEM 图如图 2 所示。从图 2（a）可以看出，试验设计了一个简单的叉指电极；从图 2（b）可以看出，用自制的纳米银线墨水直写工艺制作的叉指电极图案清晰。我们测量了图案线条的宽度，其实际宽度值与设计值几乎一致。这说明所配制的墨水在织物表面的浸润性等比较合适。在织物表面制作功能电路常用的工艺是丝网印刷。虽然丝网印刷工艺具有简便和成本低等优势，但是需要制作各种图案的网板，特殊复杂图案不仅难以制作，而且图案精度受限。直写工艺采用计算机辅助控制喷印刷设备和数字化设计图案，无掩膜和非接触地直接在各类基材表面形成高精度的导电线路和图形等，在大面积、柔性化、低成本及绿色环保等方面具有无可比拟的优势。从图 2（c）可以看出，浸泡工艺制备的纳米银线导电织物呈灰黄色，整个织物表面颜色较为均匀，说明纳米银线分布均匀。从图 2（d）和图 2（e）两个织物样品表面的 SEM 图可以看出，纳米银线沉积和包裹在织物纤维表面，如织网与织物纤维紧密结合。叉指电极织物的方阻约 0.82 sq-1，纳米银线导电织物的方阻约 0.28 sq-1。2.3柔性压力传感器性能研究以纳米银线导电织物作为压阻层，叉指电极作为底电极，用 VHB胶带将两者组装成柔性压力传感织物。为了探测柔性压力传感织物的性能，将 2 g、5 g、10 g、20 g、30 g 和 50 g 的砝码加载到柔性压力传感织物上。不同压力下器件的 IV 曲线和在 0.1 V 外加电压下压力传感织物的电流响应曲线如图 3所示，内插小图为测试样品照片。图 1 墨水黏度随剪切速率变化关系 （a）叉指电极 （b）叉指电极织物（c）纳米银线导电织物 （d）叉指电极织物SEM图 （e）纳米银线导电织物SEM图图 2设计的叉指电极、两种织物及其表面 SEM 图（a）不同压力下器件的 IV曲线（b）在0.1 V外加电压下压力传感织物的电流响应曲线图 3不同压力下器件的 IV曲线和电流响应曲线】【44第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology从图 3（a）可以看出，施加不同的压力，传感织物的电流都是随着施加电压的增加而线性增加，表明所制作的器件是线性器件，并且在一定的静态压力范围内都是稳定的。从图 3（b）可以看出，当没有施加外压作用时，传感织物几乎是没有电流通过。这是因为没有施加外压作用在织物表面，两层织物间接触弱，接触点少，无法形成导电通路，故没有电流通过；当施加外力作用时，两层织物相互接触，且随着外力增加，接触面积增加，接触点增多，形成有效的导电通路增加，电流也随着不断增强，进而处于导通状态；这表明此器件具有很好的开关行为，并且开关比（Ion/Ioff，Ioff为初始电流，Ion是有压力状态下的电流）最高可达 106，而高的开关比更有利于人机交互系统。可以认为，传感织物高的开关比与织物表面高的粗糙度、纳米银线交叉电极和导电织物高的导电性有关，使得初始状态几乎是断路，而施加压力后，压力传感器立刻处于高导通状态。压力传感器的灵敏度是衡量传感器性能的一个重要参数。根据试验研究，我们测试的压力织物传感器电流变化函数曲线如图 4 所示，其斜率代表器件灵敏度。该曲线主要由两个不同的线性区域组成，分别给出两个不同的斜率。在约低于700 Pa压力情况下，灵敏度为 6.19106 kPa-1；在700 Pa1 700 Pa 压力范围内，灵敏度为 1.88106 kPa-1；织物器件高的灵敏度主要是由于织物传感器良好的力学特性与结构特性。织物不仅具有良好的柔韧性，而且在没有压力的情况下，导电织物和电极间只有少量的接触点；随着施加压力的增加，由于织物表面较大的表面粗糙度和较低的弹性模量，纳米银线导电织物和纳米银线叉指电极间接触面积和电流传输路径会增加，进一步增加器件的灵敏度。试验结果表明，由于所制备织物传感器的固有结构特性，压力传感器不仅保持了出色的线性度，而且还获得了较高的灵敏度。电阻型压力传感器的电阻变化主要取决于不同压力下接触面积的变化。当没有外加压力时，纳米银线导电织物和纳米银线叉指电极间只有少量的接触点，故器件间存在很高的电阻，使得流过的电流（I0）极小。当施加外力时，上层的纳米银线导电织物就会不断与纳米银线叉指电极接触，且随着施加压力的增加，织物纤维会不断发生形变，这些形变使得上下织物表面的纳米银线接触面积不断增大，从而引起流过传感器两端的电流明显增强。外部施加压力的大小与通过电流的大小相关，故可以通过检测电流的变化确定施加力的大小。当卸载时，纳米银线导电织物和纳米银线叉指电极都会恢复初始状态，所以具有可重复的传感性能。我们试验测试了柔性压力传感织物在 0.1 V电压作用，分别反复施加 2 g、5 g、10 g、20 g、30 g和 50 g 砝码的响应电流重复性，相关试验结果见图 5。从图 5（a）可以看出，在 0.1 V 电压下，重复施加 5 g砝码的压力，约 200次重复装载/卸载循环，电流幅度几乎保持不变，表明其具有良好的重复性。此外，从内插的局部放大图可以看出，压力传感织物的实时响应电流值和波形在循环试验中变化甚微，说明压力传感织物具有较好的传感稳定性和重现性。从图 5（b）可以看出，随着压力传感织物施加外力的增加，电流也逐渐增加，说明其对外力具有较好的响应性能。器件在负载和卸载5 g 砝 码 时 均 具 有 非 常 快 的 响 应 时 间，分 别 为16 ms和 11 ms，具体如图 5（c）和图 5（d）所示。我们将柔性压力传感织物分别固定在手腕和手指，探测手腕和手指运动状态，相关试验结果如图 6所示。其中，图 6（a）、图 6（b）、图 6（c）和图 6（d）分别为手腕反复弯曲 45和 90、手指反复弯曲 90和180监测的电流响应曲线，内插试验测试照片。由于自制的柔性压力传感织物具有较好的柔软性，故可与手腕或手指有良好的贴附，在手腕或手指弯曲运动时，下上层的导电织物与底层的导电电极产生接触而导通，进而出现电流响应。从图6可以看出，当以不同的频率弯曲手腕或手指时，柔性压力传感织物的输出电流波形大不相同，且表现出较好的一致性。此外，当手腕弯曲 90时，图 4传感织物器件的灵敏度曲线】【45第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology电流的幅度明显大于 45时电流的幅度；这主要是手腕弯曲 90时肌肉处于紧张状态，使得腕带与手臂有更大的压力，上层纳米银线导电织物与下层叉指电电极产生接触面积也越大，增大了流过器件的电流。该试验表明：该器件可以应用在可穿戴手势控制器和评估运动状态等领域。3 结论以纳米银线为导电相，羟甲基纤维素为增稠（a）响应电流重复性测试曲线（b）不同砝码作用下的响应电流测试（c）施加外力的响应时间曲线（d）释放外力的响应时间曲线。图 5施加不同砝码的响应电流重复性相关试验结果（a）手腕反复弯曲 45（b）手腕反复弯曲 90（c）手指反复弯曲 90（d）手指反复弯曲 180图 6柔性压力传感织物固定在手腕和手指的监测电流响应曲线】【46第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology剂，配制了直写工艺用导电墨水，并采用直写工艺制作纳米银线叉指电极；采用浸泡工艺制作纳米银线导电织物。以方阻 0.28 sq-1的纳米银线导电织物作为压阻层，以方阻 0.82 sq-1的叉指电极作为底电极，用 VHB胶带将两者组装成柔性织物压力传感器。试验结果表明：施加不同的压力，传感织物的电流都是随着施加电压范围的增加而线性增加，表明所制作的器件是线性器件，并且在一定的静态压力范围内都是稳定的；制备的柔性压力传感器具有较高的灵敏度，达 106 kPa-1，这主要与织物传感器良好的力学特性与结构特性有关；柔性织物压力传感器在 0.1 V 的低电压下实现了出色的开关比，5 g砝码压力下快速响应性能较好。当用于检测手指和手腕重复弯曲信号的变化时，传感织物显示出了优异的重复性和检测性能，表明其在可穿戴控制器和运动检测中的潜在应用。参考文献：1WANG Z，WANG W，JIANG Z，et 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