CN115855322A - 一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器及其制备方法，传感器包括：传感器主体和连接在传感器主体上的两导线，传感器主体包括：自上而下设置的第一基底层、介电层和第二基底层，第一基底层和第二基底层相对介电层的一侧内表面上具有电极层，介电层的相对第一基底层的一面上具有微结构，第一基底层的电极层和第二基底层的电极层呈“十”字交叉结构设置，第一基底层和第二基底层的材料为无尘布。本发明的技术方案克服现有技术中柔性传感器的基底具有粘性，应用于可穿戴智能器件会给用户带来不适的问题。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器的技术领域，具体涉及一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器及其制备方法。
背景技术
当前柔性传感器的基底多为PDMS等柔性材料，PDMS材料有粘性，当应用在可穿戴智能器件时难免会给用户带来不适体验。以无尘布为柔性基底，可以在人体皮肤表面提供一个舒适的接触面，适合长期的户外穿戴，对推动智能纺织品的发展具有重要意义。同时利用无尘布本身的多空隙结构，通过降低弹性体的刚度以及增加空隙来提高电容式传感器的灵敏度。同时利用静电纺丝工艺来制作电极层，纳米级纤维具有高孔隙率、高比表面积的特点，并且成本较低，具有良好的机械柔韧性和强度，由于表面高度是随机的，随机分布的表面有利于增加器件的灵敏度。为制作可穿戴智能器件的传感器提供了一个良好思路。因此，现需要一种适合人体皮肤接触、灵敏度较高的应用于可穿戴智能器件的传感器及其制备方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器及其制备方法，以解决现有技术中柔性传感器的基底具有粘性，应用于可穿戴智能器件会给用户带来不适的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，包括：传感器主体和连接在传感器主体上的两导线，传感器主体包括：自上而下设置的第一基底层、介电层和第二基底层，第一基底层和第二基底层相对介电层的一侧内表面上具有电极层，介电层的相对第一基底层的一面上具有微结构，第一基底层的电极层和第二基底层的电极层呈“十”字交叉结构设置，第一基底层和第二基底层的材料为无尘布。
进一步地，介电层的表面具有沟壑状微结构，介电层的材料为聚氨酯海绵。
进一步地，无尘布上喷涂至少两条电极层形成具有电极层的第一基底层或第二基底层结构。
进一步地，第一基底层和第二基底层的尺寸和结构相同。
进一步地，无尘布上还设有用于封装传感器的封装结构。
进一步地，封装结构为3M胶带。
一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器的制备方法，具体包括如下步骤：
S1，制备第一基底层和第二基底层：
将无尘布浸没在乙醇中并用超声洗涤1小时，使无尘布表面光洁，再用去离子水漂洗15分钟并烘干，得到洁净的无尘布，即得到相应基底层；
S2，制备电极层：
S2.1，使用DMF溶液溶解聚氨酯颗粒，并利用磁力搅拌2-3小时至聚氨酯颗粒完全溶解；
S2.2，在由步骤2.1得到的溶液中继续添加炭黑颗粒，并继续进行磁力搅拌2-3小时，直至炭黑颗粒充分溶解，得到静电纺丝液；
S2.3，利用静电纺丝工艺，将由步骤2.2的得到的静电纺丝液喷涂在基底层的表面，使得基底层表面形成至少两条电极层结构；
S3，制备介电层：
在聚氨酯海绵表面进行沟壑状微结构处理，形成介电层；
S4，封装传感器：
S4.1，将第一基底层、介电层和第二基底层由上至下依次排列，第一基底层的具有电极层的一面和第二基底层的具有电极层的一面朝向介电层，介电层的具有沟壑状微结构的一面朝向第一基底层的电极层，将第一基底层的电极层和第二基底层的电极层呈“十”字交叉结构设置；
S4.2，利用导电银胶在电极层上粘附导线，并进行恒温干燥；
S4.3，利用粘附在基底层上的3M胶带将第一基底层、介电层和第二基底层封装在一起。
进一步地，步骤2.3中静电纺丝液的制备方法为，以DMF溶剂作为溶解介质，溶解聚酯氨颗粒，DMF溶液与聚氨酯颗粒的质量比为5:1，并在25℃的条件下进行磁力搅拌3小时，之后加入8％wt的炭黑继续磁力搅拌2小时，得到炭黑质量分数为8％的静电纺丝液。
进一步地，步骤2.3中的电极层的制备方法为，将静电纺丝液加入到注射器中，通过静电纺丝机，在温度为28-35℃，湿度为30％-40％，注射器流速为1-3ML/hr，电压为15kv的条件下，在无尘布上进行静电纺丝，通过干燥处理后得到位于无尘布基底层上的电极层。
进一步地，通过高温喷枪，在聚氨酯海绵上做沟壑状微结构处理，得到具有沟壑状微结构的介电层。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明传感器的基底层采用高舒适性无尘布基底，基底层和封装层均为无毒材料，高度贴合，在使用时无明显不适感。并且传感器灵敏度较高，具有较大的检测范围，对形变的束缚小，通过电容值的变化可以较为直观的反映出压力的大小。
2、本发明传感器的电极层是由静电纺丝工艺制备而成，为柔性基体的导电纤维，因此可以与同为基底层层层紧密结合，对于柔性电容式传感器的电极层制备具有极大的实际应用价值。
3、该种传感器的制备工艺具有简单、高效、稳定、环境友好的特点，可多次使用，传感器的面积较小，有良好的耐磨性和重复性。
4、该种传感器的导线使用导电银胶粘贴在电极层，因此当某一导线损坏时可直接拆卸更换。
5、该种传感器的制备方法具有普适性，可以为其他类型的柔性传感器制备提供指导。
6、该种传感器，可以单独进行工作，也可将多个传感器集成形成阵列进行工作，从而适应不同的工作环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了本发明的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器的主体结构的侧面剖视图；
图2示出了图1的基底层的结构示意图；
图3示出了图1的介电层的结构示意图；
图4示出了图1的第一基底层上的电极层和第二基底层上的电极层的排布方式示意图；
图5示出了本发明实施例二在0-0.4N下受力过程中的应力应变曲线；
图6示出了本发明实施例二在0.5-2N下的负载加载或卸载曲线图；
图7所示是本发明实施例二的灵敏度随压力变化曲线图。
其中，上述附图中的附图标记为：
1、沟壑状微结构；2、第一基底层；3、电极层；4、介电层，5、封装结构；6、空隙结构；7、导线；8、导电银胶；9、第二基底层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1至图4所示的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器包括：一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，包括：传感器主体和连接在传感器主体上的两导线7，传感器主体包括：自上而下设置的第一基底层2、介电层4和第二基底层9，第一基底层2和第二基底层9相对介电层4的一侧内表面上具有电极层3，介电层4的相对第一基底层2的一面上具有微结构，第一基底层2的电极层3和第二基底层9的电极层3呈“十”字交叉结构设置，第一基底层2和第二基底层9的材料为无尘布。
具体地，如图3所示，介电层4的表面具有沟壑状微结构1，介电层4的材料为聚氨酯海绵。各个沟壑状微结构周围具有空隙结构6，通过沟壑状微结构1提高介电层4的表面积及压缩距离，有利于提高传感器的介电常数，从而增加传感器的灵敏度；同时聚氨酯海绵本身多孔隙，有利于增加压缩量，提高灵敏度。
具体地，如图2所示，无尘布上喷涂至少两条电极层3形成具有电极层3的第一基底层2或第二基底层9结构。采用静电纺丝工艺在基底层上喷涂电极层3，可以保证电极层3的均匀分布。当然也可以在无尘布上喷涂两条以上的电极层3，多条电极层3均布在无尘布上。
具体地，第一基底层2和第二基底层9的尺寸和结构相同。
具体地，无尘布上还设有用于封装传感器的封装结构5。
具体地，封装结构5为3M胶带。
一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器的制备方法，具体包括如下步骤：
S1，制备第一基底层2或第二基底层9：
将无尘布浸没在乙醇中并用超声洗涤1小时，使无尘布表面光洁，再用去离子水漂洗15分钟并烘干，得到洁净的无尘布，即得到相应基底层；
S2，制备电极层3：
S2.1，使用DMF溶液溶解聚氨酯颗粒，并利用磁力搅拌2-3小时至聚氨酯颗粒完全溶解；
S2.2，在由步骤2.1得到的溶液中继续添加炭黑颗粒，并继续进行磁力搅拌2-3小时，直至炭黑颗粒充分溶解，得到静电纺丝液；
S2.3，利用静电纺丝工艺，将由步骤2.2的得到的静电纺丝液喷涂在基底层的表面，使得基底层表面形成至少两条电极层3结构；
S3，制备介电层4：
在聚氨酯海绵表面进行沟壑状微结构1处理，形成介电层4；
S4，封装传感器：
S4.1，将第一基底层2、介电层4和第二基底层9由上至下依次排列，第一基底层2的具有电极层3的一面和第二基底层9的具有电极层3的一面朝向介电层4，介电层4的具有沟壑状微结构1的一面朝向第一基底层2的电极层3，将第一基底层2的电极层3和第二基底层9的电极层3呈“十”字交叉结构设置；
S4.2，利用导电银胶8在电极层3上粘附导线7，并进行恒温干燥；
S4.3，利用粘附在基底层上的3M胶带将第一基底层2、介电层4和第二基底层9封装在一起。
具体地，在两条电极层3的中间粘贴3M胶带，进而便于传感器的封装。
具体地，两条电极层3平行设置，并平均分布在无尘布基底层上。
具体地，在电极层3上利用导电银胶8粘贴导线7，尽量避免导线7对传感器的性能的影响。
具体地，本发明传感器的表面积大小控制在2cm×4cm以内，厚度在1.5cm以内，以保证更大的应用范围。
具体地，导线7为漆包线，仅在两端进行打磨，以避免环境的干扰，用于将传感器连接其他设备。具体地，步骤2.3中静电纺丝液的制备方法为，以DMF溶剂作为溶解介质，溶解聚酯氨颗粒，DMF溶液与聚氨酯颗粒的质量比为5:1，并在25℃的条件下进行磁力搅拌3小时，之后加入8％wt的炭黑继续磁力搅拌2小时，得到炭黑质量分数为8％的静电纺丝液。在这种比例下，最适合纳米级静电纺丝的形成，进而确保电极层3的导电性。
具体地，步骤2.3中的电极层3的制备方法为，将静电纺丝液加入到注射器中，通过静电纺丝机，在温度为28-35℃，湿度为30％-40％，注射器流速为1-3ML/hr，电压为15kv的条件下，在无尘布上进行静电纺丝，通过干燥处理后得到位于无尘布基底层上的电极层3。
具体地，电极层3纤维直径可通过控制静电纺丝机的流速、电压进行调整。具体地，通过高温喷枪，在聚氨酯海绵上做沟壑状微结构1处理，得到具有沟壑状微结构1的介电层4。
实施例二
静电纺丝液的具体制备方法为：先制备DMF/TPU混合溶液，取10gDMF(N,N二甲基甲酰胺)溶液于烧杯中，放置于磁力搅拌机上，缓慢加入2gTPU(聚氨酯)颗粒，全部加入后，将溶液保持在25℃下，磁力搅拌3h，在得到充分混合的DMF/TPU混合溶液后，缓慢加入8％wt的炭黑颗粒继续搅拌2h，使炭黑和DMF/TPU混合溶液充分混合，得到静电纺丝液。
电极层3的制备方法为：将静电纺丝液加入注射器中，并在静电纺丝机中制备电极层3。在温度为30℃和湿度为30％，注射器流速为3ML/hr，电压为15kv条件下，在无尘布基底上进行静电纺丝，制备电极层3。
介电层4的制备方法为：取2cm×4cm大小的聚氨酯海绵，在高温喷枪的作用下在海绵表面进行沟壑状微结构1处理。
如图5所示，是本发明实施例二在0-0.4N受力过程中应力应变曲线图。在0-0.4N的重复受力过程中，可以看出此种传感器具有良好的应力应变能力。
如图6所示，是本发明的实施例二在0.5-2N下的负载加载或卸载曲线图。在0-0.4N的多次重复受力过程中，可以看出此种传感器具有良好的重复性和恢复能力。
如图7所示，是本发明的实施例二灵敏度曲线图。在较小压力(0-8kPa)下，传感器灵敏度较高，在较大压力(55kPa)下，传感器依然保持了良好的灵敏度。可以看出此种传感器具有较大量程的检测范围以及良好的灵敏度，可以满足传感器的基本要求，为该传感器在不同领域的应用提供保证。
实施例三
制备静电纺丝液时加将炭黑替换为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管同样能确保纺丝纤维的导电性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，包括：传感器主体和连接在所述传感器主体上的两导线，其特征在于，所述传感器主体包括：自上而下设置的第一基底层、介电层和第二基底层，所述第一基底层和所述第二基底层相对所述介电层的一侧内表面上具有电极层，所述介电层的相对所述第一基底层的一面上具有微结构，所述第一基底层的电极层和所述第二基底层的电极层呈“十”字交叉结构设置，所述第一基底层和所述第二基底层的材料为无尘布。
2.根据权利要求1所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，其特征在于，所述介电层的表面具有沟壑状微结构，所述介电层的材料为聚氨酯海绵。
3.根据权利要求1所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，其特征在于，无尘布上喷涂至少两条电极层形成具有电极层的所述第一基底层或所述第二基底层结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，其特征在于，所述第一基底层和所述第二基底层的尺寸和结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，其特征在于，无尘布上还设有用于封装传感器的封装结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器，其特征在于，所述封装结构为3M胶带。
7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的基于无尘布基底的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1，制备第一基底层和第二基底层：
将无尘布浸没在乙醇中并用超声洗涤1小时，使无尘布表面光洁，再用去离子水漂洗15分钟并烘干，得到洁净的无尘布，即得到相应基底层；
S2，制备电极层：
S2.1，使用DMF溶液溶解聚氨酯颗粒，并利用磁力搅拌2-3小时至聚氨酯颗粒完全溶解；
S2.2，在由步骤2.1得到的溶液中继续添加炭黑颗粒，并继续进行磁力搅拌2-3小时，直至炭黑颗粒充分溶解，得到静电纺丝液；
S2.3，利用静电纺丝工艺，将由步骤2.2的得到的静电纺丝液喷涂在基底层的表面，使得基底层表面形成至少两条电极层结构；
S3，制备介电层：
在聚氨酯海绵表面进行沟壑状微结构处理，形成介电层；
S4，封装传感器：
S4.1，将第一基底层、介电层和第二基底层由上至下依次排列，第一基底层的具有电极层的一面和第二基底层的具有电极层的一面朝向介电层，介电层的具有沟壑状微结构的一面朝向第一基底层的电极层，将第一基底层的电极层和第二基底层的电极层呈“十”字交叉结构设置；
S4.2，利用导电银胶在电极层上粘附导线，并进行恒温干燥；
S4.3，利用粘附在基底层上的3M胶带将第一基底层、介电层和第二基底层封装在一起。
8.根据权利要求7所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，步骤2.3中静电纺丝液的制备方法为，以DMF溶剂作为溶解介质，溶解聚酯氨颗粒，DMF溶液与聚氨酯颗粒的质量比为5:1，并在25℃的条件下进行磁力搅拌3小时，之后加入8％wt的炭黑继续磁力搅拌2小时，得到炭黑质量分数为8％的静电纺丝液。
9.根据权利要求7所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，步骤2.3中的电极层的制备方法为，将静电纺丝液加入到注射器中，通过静电纺丝机，在温度为28-35℃，湿度为30％-40％，注射器流速为1-3ML/hr，电压为15kv的条件下，在无尘布上进行静电纺丝，通过干燥处理后得到位于无尘布基底层上的电极层。
10.根据权利要求7所述的一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，通过高温喷枪，在聚氨酯海绵上做沟壑状微结构处理，得到具有沟壑状微结构的介电层。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211523177.0A Pending CN115855322A (zh) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 一种基于无尘布基底的柔性电容式传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115855322A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119078319A (zh) * | 2024-11-06 | 2024-12-06 | 中国海洋大学 | 一种穿戴式柔性压力传感器、制备方法以及水下生理信息监测系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105865667A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-17 | 北京印刷学院 | 基于微结构化介电层的电容式柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN110251110A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-09-20 | 太原理工大学 | 复合柔性碳纳米管薄膜、柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN113917743A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-11 | 京东方科技集团股份有限公司 | 液晶调光器件及其制备方法、盒厚测试方法、调光装置 |
| CN114739280A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-07-12 | 苏州大学 | 一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法 |
-
2022
- 2022-11-30 CN CN202211523177.0A patent/CN115855322A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105865667A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-17 | 北京印刷学院 | 基于微结构化介电层的电容式柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN110251110A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-09-20 | 太原理工大学 | 复合柔性碳纳米管薄膜、柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN113917743A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-11 | 京东方科技集团股份有限公司 | 液晶调光器件及其制备方法、盒厚测试方法、调光装置 |
| CN114739280A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-07-12 | 苏州大学 | 一种多元纳米碳纤维纱应变传感器及其制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119078319A (zh) * | 2024-11-06 | 2024-12-06 | 中国海洋大学 | 一种穿戴式柔性压力传感器、制备方法以及水下生理信息监测系统 |
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