CN107242856A - 基于非晶合金织物的柔性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性传感器包括传感层及电极层，所述电极层包括至少两条设于传感层内并由传感层内向外引出的电极；所述传感层为非晶合金丝与服饰用线混纺制成的非晶合金织物。本发明中基于非晶合金织物的柔性传感器，该传感器厚度小，性能较现有技术中的普通柔性传感器更佳，穿着舒适度高、不易变形，且能够有效抵抗电磁干扰和静电干扰，可有效取代可穿戴设备中的柔性传感器。

Description

基于非晶合金织物的柔性传感器

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种基于非晶合金织物的柔性传感器。

背景技术

近年来可穿戴电子设备发展迅速，逐渐成为下一代电子产品研究开发的重要趋势，可穿戴设备中的传感器则是构成可穿戴电子设备中的重要组件。织物型传感器又被称为柔性传感器，本身为一种织物的形式，可作为服饰的一部分，由于具有良好的穿着舒适性被看作可穿戴行业未来发展的趋势。柔性传感器符合可穿戴设备在使用过程中必须具备一定机械柔性、贴合性以及较高的拉伸强度的要求，因此在许多新兴的可穿戴设备中有非常广阔的应用前景。

现有技术中的柔性传感器还存在如下问题限制其应用：

1、现有的柔性传感器多采用三明治结构，中间层为利用可导电材料制成织物传感元件，如利用导电纤维、碳纤维等制成，中间层两侧一侧设为表面保护层，另一侧则设为与人体可接触的阻隔层。由于采用三层结构，上述传感器往往比较厚，影响穿着的舒适程度。且传感器工作状态与中间层导电材料的结构息息相关，一旦导电材料性质及结构在使用过程中发生微小变化，传感器则会产生失效的风险。

2、为追求穿着舒适性，许多柔性传感器上的阻隔层和衬底多采用柔性较佳的织物层，上述织物层在使用过程中易发生形变从而影响传感器整体电阻的变化。

3、现有柔性传感器因其所选的材料的限制，在使用过程中易受到电磁波和静电的干扰，影响传感器的使用状态。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种基于非晶合金织物的柔性传感器，该传感器厚度小，性能较现有技术中的普通柔性传感器更佳，穿着舒适度高、不易变形，且能够有效抵抗电磁干扰和静电干扰，可有效取代可穿戴设备中的柔性传感器。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的一种柔性传感器包括传感层及电极层，所述电极层包括至少两条设于传感层内并由传感层内向外引出的电极；所述传感层为非晶合金丝与服饰用线混纺制成的非晶合金织物。

进一步地，所述柔性传感器还包括设于传感层上的保护层以及设于传感层底部的柔性层。所述服饰用线原料为天然纤维线、人造纤维线或者合成纤维线；所述保护层为柔性高分子聚合物层；所述柔性层为织物层。

进一步地，所述柔性层为与传感层不同的非晶合金织物。

进一步地，所述非晶合金织物的制备方法为将单束或者多束非晶合金丝与服饰用线复合，然后进行织造。

进一步地，所述非晶合金丝与服饰用线为多重针织结构，且传感层厚度大于5μm。所述非晶合金丝线径为0.5-50μm，其抗拉强度为1000MPa-3500MPa，弹性极限为1.2-2.8%，镍释放量为0mg/cm²/周，经240-480h中性盐雾试验后表面无腐蚀。所述非晶合金丝与服饰用线以质量比1:（5-30）混纺而成，所述非晶合金丝与服饰用线的直径比为1:5-20。

进一步地，所述非晶合金丝所用非晶合金原料分子式为Cu_aZr_bTi_cAl_dNi_e，其中a、b、c、d、e分别表示个对应合金元素的原子摩尔百分比，其中a=20-35，b=25-45，c=5-20，d=3-10，e=10-20，a+b+c+d+e=100。

进一步地，所述电极通过粘贴、印刷、物理切割其中一种方式从传感层内引出，所述电极材料为铜箔、导电布、漆包线、导电胶中的一种或者多种复合材料。

本发明具有以下优点：

1、本发明中的柔性传感器基于非晶合金织物，该传感器厚度小、抗拉伸性能高，具有更广泛的适用性和更优良的配合组装性能。

2、本发明中的柔性传感器生物相容性好，与人体相接处时舒适感更佳，且不易变形，使用寿命以及可靠性远超现有技术中的柔性传感器。

3、本发明中的柔性传感器导电性好，能够有效抵抗电磁干扰和静电干扰。

附图说明

图1为本发明中柔性传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明。

本发明中的柔性传感器的基本结构包括传感层及电极层，如附图1中的传感层301及电极层，电极层为设于传感层内并由传感层内向外引出的电极201和202。电极层内的电极数量至少设为2条。上述电极通过粘贴、印刷、物理切割其中一种方式从传感层内引出，电极材料使用铜箔、导电布、漆包线、导电胶中的一种或者多种复合材料。

本发明中所使用的传感层为非晶合金丝与服饰用线混纺制成的非晶合金织物。本发明中的柔性传感器通过传感层中非晶合金织物材料可拉伸性能高、电阻小、性质稳定的特性，在两端电极上连接导线或者集成无线发射接收模块，直接用作柔性传感器或者将该传感器进行封装制成柔性应变传感器，可用于直接贴于皮肤或者附着于衣饰上实现人体关节运动、脉搏、微表情、呼吸、发生或者声频的可穿戴式检测。

本发明中的非晶合金织物可将非晶合金丝与普通服饰用线直接编织，也可以将单束或者多束非晶合金丝与服饰用线相复合，利用绞合或者其他方式制成复合纱线，然后再将该复合纱线与其他服饰用线进行混纺。

如附图1，本发明中的柔性传感器还可包括设于传感层上的保护层101以及设于传感层底部的柔性层401，保护层可用于对传感层进行进一步的保护，鉴于非晶合金织物本身具有足够的使用强度，保护层更多的是防止外部灰尘、脏污等伸入传感层中影响使用。柔性层则作为传感层与外部接触的中介，可按照需求通过改变柔性层材质或者结构满足对舒适性或者装配性能的需求。

在本发明中，服饰用线原料不限，可选用天然纤维线、人造纤维线或者合成纤维线中的一种或者多种，保护层原料可选择为柔性高分子聚合物层，柔性层可选择为织物层。在实际使用过程中，由于非晶合金材料本身具有良好的生物相容性，故柔性层可优选设为与传感层不同的非晶合金织物，即相对于更注重传感性能的传感层的设置以及非晶合金织物的选择，柔性层可选择使用舒适度更佳的非晶合金织物，如编织方式更适合贴近人体的非晶合金织物。

传感层优选非晶合金丝与服饰用线为多重针织结构，且传感层厚度大于5μm。多重针织结构能够形成最佳感应结构，传感层须具备大于5μm的厚度才能够具有优异的传感功能。

本发明中适用的非晶合金丝线径为0.5-50μm，线径过小易导致强度不足，而线径过大则会造成织物硬度增加。优选地，所选择的非晶合金丝最佳参数为：抗拉强度为1000MPa-3000MPa，弹性极限为1.2-2.5%，镍释放量为0mg/cm²/周，经240-480h中性盐雾试验后表面无腐蚀。

本发明中所采用的非晶合金丝原材料优选为锆基非晶合金、钴基非晶合金、镁基非晶合金、铝基非晶合金、铜基非晶合金中的一种，更加优选地，非晶合金材料分子式为Cu_aZr_bTi_cAl_dNi_e，其中a、b、c、d、e分别表示个对应合金元素的原子摩尔百分比，其中a=20-35，b=25-45，c=5-20，d=3-10，e=10-20，a+b+c+d+e=100。上述非晶合金材料的组成与现有技术中主体元素成分动辄超过50%的非晶合金组成不同，可看做没有显著作为主体成分的元素，在上述原子摩尔百分比下，各组成元素之间具有强烈的相互作用力，且多种组成元素共同参与，在受力过程中发生的是均匀的塑性变形，而非脆性断裂，提升了非晶合金织物的抗拉性能。

当非晶合金丝与服饰用线以质量比1:（5-30）混纺而成时制成的非晶合金织物作为传感层效果最佳，优选地，非晶合金丝与服饰用线的直径比为1:（5-20）在非晶合金织物混纺加工过程中最佳，使混纺加工过程中效率最高。

以下通过完整的制备过程来进一步说明本发明中柔性传感器的特性：

实施例1 非晶合金织物的制备

将组成为Cu30Zr33Ti14Al5Ni18的非晶合金原料惰性气氛或者真空环境中熔炼，待原料熔化后，精炼2次，利用压铸的方法制成均匀非晶合金母合金棒。将母合金棒置于熔炼坩埚中，加热使其熔化，充入氩气作为保护气体，待其完全熔化后启动金属辊轮，然后以3000r/min速度抽丝，抽取的非晶合金丝的线径为5μm。

上述非晶合金丝测试结果为：抗拉强度为2200MPa，弹性极限为2.1%，镍释放量为0mg/cm²/周，经480h中性盐雾试验后表面无腐蚀。将非晶合金丝与服饰用丝线以质量比1:14混纺，制成具有多重针织结构、厚度为15μm的非晶合金织物，即为传感层。

实施例2 柔性传感器的制备

将实施例1中的非晶合金织物裁切为所需大小，在其上表面喷涂柔性高分子聚合物液，惰性气氛中加热，使柔性高分子聚合物固化形成保护层，保护层厚度为3-8μm。柔性高分子聚合物可选用无毒有机硅系高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷。

电极选用铜箔电极，通过导电胶粘贴于传感层内并从内引出与导线相接，从而实现对信号的接收。

柔性层可选用非晶合金丝与服饰用丝线以质量比1:35混纺所制成的平织结构非晶合金织物，该织物柔软程度与普通织物无异，但是具备普通织物无法比拟的耐用度和耐变形程度。柔性层与传感层可通过编织、超生贴合等常用织物连接方式复合在一起。

上述实施例中制成的柔性传感器可直接使用或者将该传感器进行封装制成柔性应变传感器，可用于直接贴于皮肤或者附着于衣饰上实现人体关节运动、脉搏、微表情、呼吸、发生或者声频的可穿戴式检测。该传感器厚度小，性能较现有技术中的普通柔性传感器更佳。由于使用的是生物相容性好的非晶合金织物，实施例中的柔性传感器对人体皮肤无刺激无毒害，不会引起皮肤过敏或者不适，适合长时间佩戴使用。非晶合金材料更具有耐久性、稳定性佳的特点，故本实施例中的柔性传感器结构稳定，穿戴之后还方便洗涤，可实现对人体重要生理参数长时间的连续动态监测。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种柔性传感器，其特征在于：

所述柔性传感器包括传感层及电极层，所述电极层包括至少两条设于传感层内并由传感层内向外引出的电极；

所述传感层为非晶合金丝与服饰用线混纺制成的非晶合金织物。

2.如权利要求1所述柔性传感器，其特征在于：还包括设于传感层上的保护层以及设于传感层底部的柔性层。

3.如权利要求2所述柔性传感器，其特征在于：所述服饰用线原料为天然纤维线、人造纤维线或者合成纤维线；所述保护层为柔性高分子聚合物层；所述柔性层为织物层。

4.如权利要求2所述柔性传感器，其特征在于：所述柔性层为与传感层不同的非晶合金织物。

5.如权利要求1所述柔性传感器，其特征在于：所述非晶合金织物的制备方法为将单束或者多束非晶合金丝与服饰用线复合，然后进行织造。

6.如权利要求5所述柔性传感器，其特征在于：所述非晶合金丝与服饰用线为多重针织结构，且传感层厚度大于5μm。

7.如权利要求5所述柔性传感器，其特征在于：所述非晶合金丝线径为0.5-50μm，其抗拉强度为1000MPa-3500MPa，弹性极限为1.2-2.8%，镍释放量为0mg/cm²/周，经240-480h中性盐雾试验后表面无腐蚀。

8.如权利要求5所述柔性传感器，其特征在于：所述非晶合金丝与服饰用线以质量比1:（5-30）混纺而成，所述非晶合金丝与服饰用线的直径比为1:5-20。

9.如权利要求5所述柔性传感器，其特征在于：所述非晶合金丝所用非晶合金原料分子式为Cu_aZr_bTi_cAl_dNi_e，其中a、b、c、d、e分别表示个对应合金元素的原子摩尔百分比，其中a=20-35，b=25-45，c=5-20，d=3-10，e=10-20，a+b+c+d+e=100。

10.如权利要求1所述柔性传感器，其特征在于：所述电极通过粘贴、印刷、物理切割其中一种方式从传感层内引出，所述电极材料为铜箔、导电布、漆包线、导电胶中的一种或者多种复合材料。