CN103225204A - 可穿戴的柔性传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
可穿戴的柔性传感器及制备方法，属于纺织材料领域。本发明包括柔性织物、导电电极层和传感器层，柔性织物的表面设置有阻挡层，阻挡层和导电电极层之间设置有填隙层，阻挡层的材质为金属。本发明的有益效果是，采用较简单的方式可在透气性、柔软性、舒适性好的布料表面实现可穿戴的全方位感应的皮肤感应器，可在较长时间里佩戴这些电子器件，同时又不影响正常的日常活动。
Description
技术领域
本发明属于纺织材料领域，涉及织物表面处理和功能性涂层制备的方法。
背景技术
随着服装产业向功能化、智能化、人性化的方向迈进，服装已不是传统意义上的普通满足人们衣着的产品，各种各样的高科技纺织品接连出现。而能够和医疗技术结合的智能纺织品，便成了高科技纺织领域的一大主流研究方向。
为了满足人类对于恶劣环境的征服和特殊人群的护理的需要，高科技纺织领域致力于制造能够采集人体生命信息的探测器，这就导致了服装传感器的诞生。该服装传感器以服装面料为基底，其上有一层矩形阵列，两层材料相互叠放，外界压力可以导致阵列的微弱形变，将此形变转化为电信号，再输入处理器，便可计算出压力的大小，进而测算出人体脉搏，探知人体状况。柔性基底多选用光滑的塑料，虽然可以在其上获得高灵敏度的传感器，但是其舒适性差难以满足服用性能的要求。
织物面料由于透气性、柔软性、舒适性等服用性能，因此使用布料作为基底材料，可以提高高科技纺织品的附加值，满足柔性传感器的需要。但是，由于织物表面起伏较大，难以实现织物传感器的制作加工。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种可穿戴的柔性传感器及其制备方法，制备工艺简单，成本低，能够保持布料的舒适性，能够形成排列有序的矩形阵列。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，可穿戴的柔性传感器，包括柔性织物、导电电极层和传感器层，柔性织物的表面设置有阻挡层，阻挡层和导电电极层之间设置有填隙层，阻挡层的材质为金属。
进一步的，阻挡层材质为Ag或Cu或Au或银铜合金；所述填隙层材质为光刻胶或印刷石墨或柔性环氧树脂或全透明硅胶或聚氨酯或PUV树脂。所述传感器层为功能传感器阵列，其材质为高电导性金属，功能传感器阵列的金属纤维高为5-20μm，直径为5-50μm；纤维与纤维距离为10-50μm。
所述阻挡层厚度大于100nm小于1μm，所述导电电极层厚度大于100nm小于500nm。以上范围包含端值。
本发明还提供可穿戴的柔性传感器制备方法，包括下述步骤：
（1）布料清洗后干燥；
（2）涂覆阻挡层：将固体粉料含量为5%-30%的浆料均匀涂覆在经过步骤（1）处理的布料表面，烘烤后保温，得到基片；
（3）涂覆填隙层：将柔性胶体溶液滴在步骤（2）的基片上进行均匀旋涂，旋涂后烘烤，烘烤结束后自然降温至室温；反复重复旋涂和退火，直到薄膜表面均方根粗糙度小于20nm；
（4）在填隙层上以蒸发镀膜工艺制备金属导电电极；
（5）在步骤（4）所述导电电极上制备功能传感器阵列。
进一步的，所述步骤（2）中，烘烤温度为150-200℃，保温时间为5-30min；所述步骤（3）中，烘烤温度为100-250℃，保温时间为5-30min。保温结束后，将布料直接从烘烤箱中取出。
所述步骤（4）为：将步骤（3）处理过的织物放在真空蒸镀机中进行蒸镀金属银电极，本底真空1×10-3Pa，蒸发电流为80A，蒸发时间为15秒，厚度约为300nm；
所述步骤（5）为：将蒸镀有银电极的样品取出，在表面覆盖孔径为400目的金属掩膜版后再次放入真空蒸镀机，本底真空1×10-3Pa，蒸发电流为100A，蒸发时间为5min，取下掩膜板可以得到银纤维阵列。
本发明的有益效果是，采用较简单的方式可在透气性、柔软性、舒适性好的布料表面实现可穿戴的全方位感应的皮肤感应器，可在较长时间里佩戴这些电子器件，同时又不影响正常的日常活动。该系统可被用来追踪身体健康状况，以及实时监测恶劣环境对人体的损伤。可以贴附于皮肤，准确记录并发送用于健康目的的电生理测量数据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。图中1布料，2阻挡层，3填隙层，4金属导电电极，5功能传感器阵列。
图2是本发明实施例1的棉布50倍显微镜放大的表面，可见表面非常粗糙。
图3是本发明实施例1的涂覆填隙层后50倍显微镜放大的表面，可见表面变得比较平整。
图4是本发明实施例1的Ag纤维传感器阵列显微镜图像（100倍）。
图5是本发明实施例1的Ag纤维传感器阵列显微镜图像（400倍）。
由图4、5可见阵列排列整齐有序，纤维高度约为8μm，纤维直径约为35μm。
具体实施方式
本发明的可穿戴的柔性传感器包括柔性织物1、导电电极层4和传感器层5，其特征在于，柔性织物1的表面设置有阻挡层2，阻挡层2和导电电极层4之间设置有填隙层3，阻挡层2的材质为金属。所述布料材质可以是棉或麻或晴纶或涤纶或尼龙或丝等。所述阻挡层材质可以为Ag或Cu或Au或银铜合金等。所述柔性填隙层为柔性胶体层，其材质可以为光刻胶或印刷石墨或柔性环氧树脂或全透明硅胶或聚氨酯或PUV（TPU）等树脂。所述金属导电电极和功能传感器阵列材质可以为高电导性金属Ag或Au或Pt等。
所述阻挡层薄膜厚度大于100nm小于1μm。所述金属导电电极薄膜厚度大于100nm小于500nm。
所述金属导电电极和功能传感器阵列的制备方法为溅射法或蒸发法。
所述功能传感器阵列中的金属纤维高为5-20μm，直径为5-50μm；纤维与纤维距离为10-50μm。纤维高度、直径和相互之间距离由金属掩膜版决定。
本发明先对粗糙的布料表面进行处理，使表面变得平整之后再其上利用金属掩膜版进行金属阵列的制备。具体的说，在起伏的布料表面涂覆一层很薄的阻挡层，阻挡层以外为多层涂覆的柔性填隙层，接下来是一层金属导电电极，最后在其表面制备功能传感器阵列。
本发明还提供可穿戴的柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）布料的清洗。采用体积比为1:1的酒精和丙酮混合溶液浸泡布料，并在超声波发生机中超声清洗5-10分钟。取出布料用气枪吹干。
（2）涂覆阻挡层。将固体粉料含量为15%-30%的浆料均匀涂覆在经过步骤（1）处理的布料表面，旋涂速度为500-2000转/min，时间为10-30秒，并进行烘烤。
（3）涂覆填隙层。将柔性胶体溶液滴在步骤（2）的基片上进行均匀旋涂，旋涂速度为500-1000转/min，时间为10-30秒。将旋涂后的样品放入烘箱进行烘烤。烘烤结束后自然降温至室温；反复重复旋涂和退火，使薄膜表面均方根粗糙度小于20nm。
（4）在步骤（3）所述填隙层上制备金属导电电极。
（5）在步骤（4）所述导电电极上制备功能传感器阵列。
所述步骤（2）中，烘烤温度为150-200℃，保温时间为5-30min。
所述步骤（3）中，烘烤温度为100-250℃，保温时间为5-30min。
所述步骤（3）中，表面均方根粗糙度rms采用原子力显微镜（AFM）测试得到。
更具体的实施例1：
将尺寸为20mm×20mm的棉布置于体积比为1:1的酒精与丙酮混合溶液中进行超声波清洗10分钟，取出布料并用气枪吹干。将清洗干净的棉布平铺粘在25mm×25mm的Si片正中，并放置在甩胶机上。将固体粉料含量为15%的银浆滴在布料表面，以1000转/min速度进行旋涂20秒。将样品从Si片上取下，清除布料背后的胶带，将样品放入150℃烘箱中烘烤30min。将涂覆有阻挡层的布料再次平铺粘在Si片正中，放置在甩胶机上。将AZ5214光刻胶滴在阻挡层表面，以600转/min旋转20秒。将样品置于100℃烘箱中烘烤5分钟。重复旋涂和退火工艺7次，得到较为平整的表面。将处理过的布料放在真空蒸镀机中进行蒸镀金属银电极，本底真空1×10-3Pa，蒸发电流为80A，蒸发时间为15秒，厚度约为300nm。将蒸镀有银电极的样品取出，在表面覆盖孔径为400目的金属掩膜版后再次放入真空蒸镀机，本底真空1×10-3Pa，蒸发电流为100A，蒸发时间为5min。取出样品，小心取下掩膜板可以得到银纤维阵列。图2是实验中所使用的棉布表面50倍显微镜放大的图像，表面非常粗糙。图3是涂覆填隙层后50倍显微镜放大的表面，表面变得比较平整。图4、5是镀银织物传感器阵列，分别为放大100倍和400倍显微镜图像。阵列排列整齐有序，纤维高度约为8μm，纤维直径约为35μm。
Claims (8)
1.可穿戴的柔性传感器，包括柔性织物[1]、导电电极层[4]和传感器层[5]，其特征在于，柔性织物[1]的表面设置有阻挡层[2]，阻挡层[2]和导电电极层[4]之间设置有填隙层[3]，阻挡层[2]的材质为金属。
2.如权利要求1所述的可穿戴的柔性传感器，其特征在于，所述阻挡层材质为Ag或Cu或Au或银铜合金；所述填隙层材质为光刻胶或印刷石墨或柔性环氧树脂或全透明硅胶或聚氨酯或PUV树脂。
3.如权利要求1所述的可穿戴的柔性传感器，其特征在于，所述传感器层[5]为功能传感器阵列，其材质为高电导性金属，功能传感器阵列的金属纤维高为5-20μm，直径为5-50μm；纤维与纤维距离为10-50μm。
4.如权利要求1所述的可穿戴的柔性传感器，其特征在于，所述阻挡层[2]厚度大于100nm小于1μm，所述导电电极层[4]厚度大于100nm小于500nm。
5.可穿戴的柔性传感器制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）布料清洗后干燥；
（2）涂覆阻挡层：将固体粉料含量为5%-30%的浆料均匀涂覆在经过步骤（1）处理的布料表面，烘烤后保温，得到基片；
（3）涂覆填隙层：将柔性胶体溶液滴在步骤（2）的基片上进行均匀旋涂，旋涂后烘烤，烘烤结束后自然降温至室温；反复重复旋涂和退火，直到薄膜表面均方根粗糙度小于20nm；
（4）在填隙层上以蒸发镀膜工艺制备金属导电电极；
（5）在步骤（4）所述导电电极上制备功能传感器阵列。
6.如权利要求5所述的可穿戴的柔性传感器制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，烘烤温度为150-200℃，保温时间为5-30min；所述步骤（3）中，烘烤温度为100-250℃，保温时间为5-30min。保温结束后，将布料直接从烘烤箱中取出。
7.如权利要求4所述的可穿戴的柔性传感器制备方法，其特征在于，所述步骤（4）为：将步骤（3）处理过的织物放在真空蒸镀机中进行蒸镀金属银电极，本底真空1×10-3Pa，蒸发电流为80A，蒸发时间为15秒，厚度约为300nm；
所述步骤（5）为：将蒸镀有银电极的样品取出，在表面覆盖孔径为400目的金属掩膜版后再次放入真空蒸镀机，本底真空1×10-3Pa，蒸发电流为100A，蒸发时间为5min，取下掩膜板可以得到银纤维阵列。
8.如权利要求4所述的可穿戴的柔性传感器制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，固体粉料含量为5%-30%。
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| CN103225204B (zh) | 2015-07-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150708 Termination date: 20170322 |