柔性壓力傳感器在智能紡織品中的應(yīng)用

　　摘要：探討柔性壓力傳感器在紡織品中的創(chuàng)新應(yīng)用。介紹了柔性壓力傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、工藝與性能，分析了當(dāng)前柔性壓力傳感器的創(chuàng)新要點(diǎn)，及其在智能紡織品中的應(yīng)用情況，分析了柔性壓力傳感器在智能紡織品中應(yīng)用的局限性因素。認(rèn)為：柔性壓力傳感器的柔性基底與薄膜以及其結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究，不僅是柔性壓力傳感器創(chuàng)新研究的重點(diǎn)，而且是推動(dòng)柔性壓力傳感器與智能紡織品緊密結(jié)合的根本動(dòng)力。

　　柔性壓力傳感器常用基底與薄膜材料柔性壓力傳感器是由柔性材料制成，用于感知物體表面作用力大小的柔性電子器件。其通過貼附于各種不同物體的表面，來感受物體的壓力變化。柔性壓力傳感器除了具有剛性壓力傳感器的特點(diǎn)外，還具有良好的延展性、透明性、柔韌性，可自由彎曲折疊且方便穿戴或攜帶，能夠快速、高效以及準(zhǔn)確地感應(yīng)到物體所受的壓力變化，在醫(yī)療健康、機(jī)器人“皮膚”、智能運(yùn)動(dòng)、智能服裝以及生物力學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。標(biāo)準(zhǔn)的柔性壓力傳感器一般由一片薄膜、一片柔性基底和內(nèi)表鋪設(shè)導(dǎo)體及半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖1所示。

　　1.1柔性壓力傳感器常用基底材料

　　柔性壓力傳感器的基底由具有質(zhì)地較軟、易彎折、輕便等屬性的柔性材料制成。常見的柔性材料有：聚酰亞胺（以下簡稱PI）、聚二甲基硅氧烷（以下簡稱PDMS）、紙片、紡織材料等。PI是綜合性能非常佳的有機(jī)高分子材料之一，其具有很好的機(jī)械性能，優(yōu)良的輻射性能，抗張強(qiáng)度高，長期使用溫度可達(dá)250℃，耐化學(xué)性藥品，一般不溶于有機(jī)溶劑，對(duì)烯酸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其耐水解性能較差［1］。

　　目前，在較多柔性基底材料研究中，PDMS方便易得、透明、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好，在紫外光下，其黏附區(qū)和非黏附區(qū)的特征明顯，使其表面可以很容易黏附電子材料，因而成為了首選基底材料。

　　1.2柔性壓力傳感器常用薄膜材料

　　柔性壓力傳感器根據(jù)其被測量信息的不同需求，其常用薄膜材料也不同。常用薄膜材料有納米復(fù)合薄膜、透明導(dǎo)電氧化物薄膜、金屬薄膜等。金屬薄膜的優(yōu)點(diǎn)在于可明顯改變其表面特征，賦予其各種新的功能，而且基底柔軟，易彎曲。透明導(dǎo)電氧化物薄膜不僅具有良好的導(dǎo)電性，而且可折疊、不易碎、便于運(yùn)輸、質(zhì)量輕，具有可見光范圍光學(xué)透明性［2］。納米復(fù)合薄膜材料非常初在傳感器上的使用是以超微顆粒為主。近年來，由于低維材料、列陣材料的廣泛應(yīng)用，碳納米粉復(fù)合材料［3］、碳納米管復(fù)合材料［4］、碳納米管/炭黑/硅橡膠復(fù)合陣列［5］等材料被廣泛應(yīng)用于傳感器中。

　　2柔性壓力傳感器在智能紡織品中的應(yīng)用種類

　　2.1壓阻式柔性壓力傳感器

　　壓阻式柔性壓力傳感器主要是將導(dǎo)電相，如碳纖維、碳納米管、金屬顆粒等，摻入到絕緣基底材料PI、PDMS等中制成柔性壓阻材料［6］。壓阻式柔性壓力傳感器是通過感應(yīng)由外力造成的電阻變化而產(chǎn)生的電信號(hào)來直觀讀取外力的變化。當(dāng)外力作用到傳感器的感應(yīng)點(diǎn)上時(shí)，其阻值與外力會(huì)呈負(fù)相關(guān)變化，即當(dāng)壓力趨為零時(shí)，阻值越大；壓力越大，阻值越小。該類傳感器種類繁多，基于器件單一和信號(hào)導(dǎo)出機(jī)制簡單的特點(diǎn)，成為目前運(yùn)用非常為廣泛的一類壓力傳感器。

　　2.2電容式柔性壓力傳感器

　　電容式柔性壓力傳感器通常是以一種鍍金屬的薄膜或者金屬薄膜作為電容器的電極。其可以將感受到的外界壓力變化轉(zhuǎn)換為一種電信號(hào)，主要通過感受外界壓力從而產(chǎn)生電容，靠電容改變來獲得相應(yīng)的電信號(hào)［7］。電容式柔性壓力傳感器的工作原理是：當(dāng)外界給予一定的壓力時(shí)，其鍍金屬的或者金屬的薄膜會(huì)感受到壓力從而變形，此時(shí)薄膜與固定電極之間的電容隨之發(fā)生變化，從而輸出相應(yīng)的電信號(hào)。這種柔性壓力傳感器具有較高的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)范圍，且對(duì)力的變化敏感度較高，所以其可以在較低耗能的情況下，完成對(duì)微小靜態(tài)力的精確檢測［8］。

　　2.3壓電式柔性壓力傳感器

　　壓電式柔性壓力傳感器主要由壓電敏感材料，如聚偏氟乙烯等組成，其運(yùn)用壓電材料實(shí)現(xiàn)壓力對(duì)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其工作原理是：壓電系數(shù)越高，壓電敏感材料的能量轉(zhuǎn)化率越高，其轉(zhuǎn)化的電信號(hào)就越強(qiáng)。壓電式柔性壓力傳感器是運(yùn)用壓電材料實(shí)現(xiàn)壓力對(duì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換的傳感器。這類柔性壓力傳感器的靈敏度、精確度、壓電系數(shù)以及響應(yīng)速度較高，因此主要作為柔性觸摸傳感器被廣泛使用［9］。

　　2.4適用性

　　壓阻式、電容式以及壓電式柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

　　由于不同柔性壓力傳感器有其自身適用范圍的限制，其在智能紡織品與智能服裝中的應(yīng)用種類也具有一定的局限性。壓阻式、電容式以及壓電式柔性壓力傳感器都具有使用限制范圍小、靈敏度、精確度高等特點(diǎn)，因此均可適用于智能紡織品尤其是智能服裝中。

　　3柔性壓力傳感器的創(chuàng)新研究狀況

　　柔性壓力傳感器結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對(duì)特殊環(huán)境與特殊信號(hào)進(jìn)行精確快捷測量，解決了傳感器的小型化、集成化、智能化發(fā)展問題，這些新型柔性壓力傳感器在智能服裝中有著重要作用［10］。但目前對(duì)于柔性基底、薄膜等用于柔性壓力傳感器的材料制備技術(shù)工藝水平還不成熟，在成本、適用范圍、使用壽命等方面還存在問題［11］。常用柔性基底存在不耐高溫的缺點(diǎn)，導(dǎo)致柔性基底與薄膜材料間應(yīng)力大、黏附力弱。柔性傳感器的組裝、排列、集成和封裝技術(shù)也還有待進(jìn)一步提高［12］。為了獲得高性能的柔性壓力傳感器，研究者們?cè)趥鞲衅鞯牟牧稀⒔Y(jié)構(gòu)及器件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新型研究工作。