一种高灵敏度的电阻式柔性应变传感器及其制作方法

本发明涉及纺织材料的，尤其涉及到一种高灵敏度的电阻式柔性应变传感器及其制作方法。

背景技术：

1、随着智能终端的快速发展，可穿戴电子设备受到了越来越多的关注。其中，柔性应变传感器由于其具有延展、可弯曲甚至折叠、便于携带等特点，在可穿戴电子、健康监测系统、柔性机器人和电子皮肤等领域起到了非常重要的作用。尤其在社会老龄化加剧的大背景下，柔性应变传感器在健康监测系统中的应用成为热点。例如，柔性应变传感器可实时监测心跳和血压，持续关注佩戴者压力和心脏健康；可贴附于颈部，诊断声带受损、呼吸障碍及咽喉癌；可穿戴于手腕部位，用于癫痫及帕金森等疾病的手部震颤检测等。以织物作为柔性基体，可赋予柔性可穿戴传感器超越其他高分子弹性基体材料的舒适性、透气性、亲肤性、耐用耐洗性以及可与服装无缝衔接等独特的优良性能，成为近年来极具潜力的研究方向。为了更好的在上述领域中应用，织物基体柔性应变传感器需具有三方面的重要性能：灵敏度、拉伸传感范围和重复稳定性。其中，高灵敏度对于精确检测出具有医学意义的人体生理信号、精准诊断和分析疾病至关重要。

2、电阻式柔性应变传感器结构简单、能耗低，主要由导电活性材料和织物基体两部分组成。使用导电碳材料，如碳纳米管、石墨烯、碳黑等，与织物基体结合，既能获得良好的导电性能，又能获得优异的拉伸性能。相比于使用金属丝织成的传统织物传感器，使用碳材料浸涂普通织物制备的传感器具有更好的柔软性、拉伸回复性及耐用性。

3、电阻式柔性应变传感器的灵敏度取决于拉伸应变下的电阻变化率，通常用应变灵敏系数gf表示：gauge factor＝(δr/r0)/ε，其中δr/r0为电阻变化率，ε为拉伸应变。应变灵敏系数绝对值越大，灵敏度越高。对于覆盖有导电碳材料的织物基体，在拉伸应力下，其电阻变化主要受三方面影响：①纱线拉伸电阻。绝缘纱线上浸涂碳材料，赋予纤维导电性，且导电纤维之间彼此连接形成有效的电流通道，其电阻取决于导电碳材料的导电性与相互连接性。对于氨纶包覆纱、复丝、高填充度短纤纱等纱线，纱线中的导电纤维在拉伸前充分接触，织物拉伸后，覆盖有碳材料的导电纤维分离程度加大，使得导电通路受阻，纱线电阻增加。②纱段接触电阻rc＝ρ/2×(πh/np)^0.5，随接触纱段压力p和接触点n增加而减小(ρ、h分别为纱线电阻率和硬度)。织物被拉伸时，纱段接触压力增大，接触面积增加，导致接触电阻减小。③线圈纱段转移引起线圈弯曲部分(针编弧或沉降弧)及直线部分(圈柱)长度改变，对应的针编弧或沉降弧电阻ra、圈柱电阻rb、接触电阻rc将随之改变，进而影响线圈形成的串并联电路等效电阻的大小。

4、为提升覆盖有导电碳材料的织物基体柔性应变传感器的灵敏度，同时保持较大的传感范围和重复稳定性，研究者们主要采取两类策略。一是改变导电活性材料：改变导电碳材料涂层方法(还原氧化石墨烯涂层织物纬向拉伸gf＝-1.7，传感范围<15％；径向拉伸gf＝-26，传感范围<8％。重复稳定性：500次，纬向7.5％、径向5％应变)、多层导电碳材料组合(还原氧化石墨烯/单壁碳纳米管涂层织物gf＝5.4，传感范围3.3-5.5％)、导电碳材料复合高分子基体(炭黑纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷涂层织物gf＝3.5，传感范围<60％)，以优化碳材料的导电通路和电阻变化。二是优化柔性针织基体：优化织物组织结构，如采用纬编双罗纹组织、纬编添纱组织、经编重经平组织等，提升电阻变化率；使用不同纤维材料(还原氧化石墨烯轧染的羊毛织物纬向拉伸gf＝0.9，传感范围<20％；径向拉伸gf＝3，传感范围<20％。重复稳定性：径向500次，20％应变)；使用橡胶纱绷带织物，利用橡胶纱弹性，提升纬向线圈之间的分离程度，以提升接触电阻(在传感范围0-20％，gf＝34；20-50％，gf＝5。重复稳定性：120次，3％应变)。

5、然而，获得更高灵敏度的电阻式柔性应变传感器，且同时保证较宽的应变传感范围和良好的稳定性仍充满挑战。多项研究指出，使用不同导电活性材料、不同纤维材料、不同组织结构的织物，随拉伸应变增加，显示出不同的电阻变化趋势：电阻增大、电阻减小(负电阻变化率)、电阻先减小后增大。

6、其根本原因，普通织物在拉伸应力作用下，线圈纱段被拉伸，纱线表面覆盖的碳材料分离程度增加导致纱线电阻增加；而同时织物在拉伸应力的垂直方向收缩，使得线圈接触更紧密，接触压力变大、接触面积增加导致接触电阻减小，两者的矛盾使得电阻变化率受到限制，从而难以获得较高灵敏度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度的电阻式柔性应变传感器。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

3、一种高灵敏度的电阻式柔性应变传感器，包括导电织物基体和电极；所述电极分别设置于导电织物基体的两端，并连接有电极引线；所述导电织物基体为负泊松比导电织物基体。

4、进一步地，所述负泊松比导电织物基体包括导电活性材料和织物基体；

5、所述织物基体为负泊松比织物基体；

6、所述导电活性材料覆盖在负泊松比织物基体上。

7、进一步地，所述负泊松比导电织物基体通过导电纱织成负泊松比织物结构而得到。

8、进一步地，所述负泊松比导电织物基体为内凹六边形结构、双箭头结构、旋转矩阵结构、折叠展开结构、正反针结构或压缩间隔织物结构。

9、为得到上述的电阻式柔性应变传感器，本发明另外提供一种技术方案：

10、一种高灵敏度的电阻式柔性应变传感器的制作方法，包括：

11、制作负泊松比导电织物基体，并在负泊松比导电织物基体的两端分别固定电极以及连接引线；

12、负泊松比导电织物基体通过如下方案之一制得：

13、方案一：

14、制作负泊松比织物基体；

15、制备导电活性材料；

16、清洗制作得到的负泊松比织物基体；

17、将导电活性材料均匀的涂覆在清洗后的负泊松比织物基体上，再经烘干、焙烘；

18、方案二：

19、通过导电纱织成负泊松比织物结构，从而得到负泊松比导电织物基体。

20、进一步地，负泊松比织物基体为内凹六边形结构的纬编针织物基体；

21、负泊松比织物基体的制作过程包括：

22、根据内凹六边形结构的变形原理，用针织电脑横机织造内凹六边形结构纬编针织物：利用弹性纱前后针床不均匀的成圈和集圈排列，与短纤纱一起在织物正面形成突起作为内凹六边形边框，利用织物背面弹性纱浮线的收缩实现横向倾斜的效应，形成内凹六边形结构的负泊松比织物基体；

23、负泊松比织物基体通过改变组织结构以及纤维材料进行调控；

24、负泊松比织物基体的组织结构调控包括：改变弹性纱成圈、集圈纵行数以调控内凹单元格宽度w；改变成圈横列数以调控单元格高度h；改变弹性纱浮线长度以调控单元格内凹角度θ；改变突起部分横列数以调控单元格边框宽度r和边框的刚度；

25、负泊松比织物基体的纤维材料调控包括：使用不同弹性的氨纶/涤纶包覆纱以调控单元格内凹角度θ；使用不同粗细的高填充度涤纶纱线作为普通纱以调控单元格边框的刚度。

26、进一步地，通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体为内凹六边形结构的纬编针织物基体；

27、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体的制作过程包括：

28、根据内凹六边形结构的变形原理，用针织电脑横机织造内凹六边形结构纬编针织物：利用弹性纱前后针床不均匀的成圈和集圈排列，与导电纱线一起在织物正面形成突起作为内凹六边形边框，利用织物背面弹性纱浮线的收缩实现横向倾斜的效应，形成内凹六边形结构的负泊松比导电织物基体；

29、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体通过改变组织结构以及纤维材料进行调控；

30、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体的组织结构调控包括：改变弹性纱成圈、集圈纵行数以调控内凹单元格宽度w；改变成圈横列数以调控单元格高度h；改变弹性纱浮线长度以调控单元格内凹角度θ；改变突起部分横列数以调控单元格边框宽度r和边框的刚度；

31、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体的纤维材料调控包括：使用不同弹性的氨纶/涤纶包覆纱以调控单元格内凹角度θ；使用不同粗细的导电纱线作为普通纱以调控单元格边框的刚度。

32、进一步地，负泊松比织物基体为内凹六边形结构的经编针织物基体；

33、负泊松比织物基体的制作过程包括：

34、根据内凹六边形结构的变形原理，用经编机织造内凹六边形结构经编针织物：用短纤纱线在径向由经编线圈纵行构成内凹结构纵向边框；在纬向以刚度较高的单丝作为非弹性延展线形成具有支撑的内凹结构横向边框，以弹性纱线作为弹性延展线使纵向边框收缩形成内凹结构；

35、负泊松比织物基体通过改变组织结构以及纤维材料进行调控；

36、负泊松比织物基体的组织结构调控包括：改变延展线横跨针数以调控内凹单元格宽度w；改变径向两组非弹性延展线之间线圈横列数以调控单元格高度h；改变经编线圈纵行数以调控单元格纵向边框宽度r′；改变每一组非弹性延展线的横列数以调控单元格横向边框宽度r；改变每一组弹性延展线的横列数以调控单元格内凹角度θ；

37、负泊松比织物基体的纤维材料调控包括：使用不同弹性的氨纶/涤纶包覆纱以调控单元格内凹角度θ；使用不同直径的涤纶单丝作为非弹性延展线以调控单元格边框的刚度。

38、进一步地，通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体为内凹六边形结构的经编针织物基体；

39、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体的制作过程包括：

40、根据内凹六边形结构的变形原理，用经编机织造内凹六边形结构经编针织物：用导电纱线在径向由经编线圈纵行构成内凹结构纵向边框；在纬向以刚度较高的单丝作为非弹性延展线形成具有支撑的内凹结构横向边框，以弹性纱线作为弹性延展线使纵向边框收缩形成内凹结构；

41、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体通过改变组织结构以及纤维材料进行调控；

42、通过导电纱织成的负泊松比导电织物基体的组织结构调控包括：改变延展线横跨针数以调控内凹单元格宽度w；改变径向两组非弹性延展线之间线圈横列数以调控单元格高度h；改变经编线圈纵行数以调控单元格纵向边框宽度r′；改变每一组非弹性延展线的横列数以调控单元格横向边框宽度r；改变每一组弹性延展线的横列数以调控单元格内凹角度θ；

43、通过导电纱织成的纤维材料调控包括：使用不同弹性的氨纶/涤纶包覆纱以调控单元格内凹角度θ；使用不同直径的涤纶单丝作为非弹性延展线以调控单元格边框的刚度。

44、与现有技术相比，本技术方案原理及优点如下：

45、本技术方案以负泊松比针织物作为电阻式柔性应变传感器的织物基体，实现纱线拉伸电阻增加与接触电阻增加的协同效应，从而提高电阻变化率，最后达到提高电阻式柔性应变传感器灵敏度的目的。