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中科院研制出大面积全织物压力传感器阵列 用于智能服装

发布时间:2018-04-16 访问次数:112次 来源:慧聪纺织网 分享:

随着集成到衣服上的各种电子元器件,如电子皮肤、柔性晶体管、能量收集和存储装置的大量涌现,智能织物 (电子织品) 和可穿戴设备引起了人们的广泛兴趣。在这些电子元器件中,可以感受或响应外界刺激的压力、应力传感器是电子织品的重要组成部分。智能服装的飞速发展对这些传感器提出了更高的要求,希望其具有和柔性纤维可比的轻质量、舒适、柔性,然而,大多数压力传感器是由传统光刻等方法制备的硅基压力传感器,它们的高硬度、低灵敏性和有限的传感范围很难满足智能服装未来发展需求。

基于以上缺憾,中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、胡卫国研究员和王中林院士 (共同通讯) 的团队研制了大面积全织物压力传感器阵列,可应用于智能服装和可穿戴电子设备中来探测应力分布信号,以对身体的生理活动健康进行实时的监测和响应。研究成果发表在 Advanced Materials 上。

这种大面积织物基压力传感器阵列的特点是上下电极均由普通的织物 (叉指纺织电极底层和碳纳米管棉织物表层) 构成。其中,叉指纺织电极底层是在 Kapton 胶带密封的聚酯织物上经激光雕刻形成具有期望图案的掩模,再通过无电沉积 (ELD) 进行共形 Ni 涂层制成。当应力施加在其表面时,上层粗糙纤维束和下层叉指电极的金属颗粒接触和分离,引起输出变化,从而对外界压力进行感知。

基于织物的压力传感器的制造 (a 织物压力传感器的制造工序;b、c 涂 Ni 叉指纺织电极;d、e 不同放大倍数下的 CNT 涂层棉织物;f 纺织传感器可弯曲性;j 在聚酯织物上制作的不同图案的电路;g-i 通过直流电源点亮打结(g)、卷绕(h) 和弯曲 (i) 的织物电路中的 LED 灯)

据介绍,制成的纺织基的传感器显示出高灵敏度 (在 3.5kPa 压力下为 14.4kPa?1,在 3.5-15kPa 压力为 7.8kPa?1)、稳定的循环性能(1000 次)、快速的响应时间(≈24ms) 和低检出限值 (2Pa) 等特性。附着在人造手不同手指上的压力传感器阵列,输出信号可以实时地随着应力大小的变化而变化,从而使人造手具有“触觉”。

该织物压力传感器可直接穿戴在人体表面,进行微小振动如脉搏的探测。由于该传感器全是由纤维构成,所以也可以直接集成到衣服上,用于实时、动态地描绘压力分布,而不损失衣服原本的舒适和透气性。这样,一部分压力和生理健康信号的探测和响应可以直接由嵌入衣服中的纤维传感器完成,不需要外置的器件。

使用纺织传感器实时检测不同的机械力和声音 (a 共形地安装在弯曲手指皮肤上的可佩戴传感器的电流信号;b、c 压缩和弯曲动态机械力下的电流信号;d、e 一段音乐的实时声音振动电流信号;f、g 附着在颈部的传感器在讲不同单词时的实时电流信号)