復(fù)合結(jié)構(gòu)經(jīng)編針織電容式傳感器設(shè)計(jì)及其性能

李露紅, 趙博宇, 叢洪蓮

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

近年來,智能可穿戴設(shè)備逐漸走入人們的生活,為人們帶來諸多便利,并且在醫(yī)療、軍事、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了較多的應(yīng)用,其中傳感器作為可穿戴設(shè)備的“心臟”,其柔性化是未來重點(diǎn)研究方向[1-3]。按照傳感原理的不同,傳感器可分為電阻式、電容式和壓電式,其中電容式傳感器因?yàn)榫哂畜w積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低、壓縮穩(wěn)定好等優(yōu)良特性而被廣泛研究[4]。早期提出的電容式傳感器由于器件笨重,變形程度小以及人體舒適感差等缺點(diǎn)而被逐漸淘汰,取而代之的是柔性電容式傳感器的發(fā)展。針織物具有質(zhì)量輕、柔軟、彈性回復(fù)性好等特點(diǎn)[5],已被應(yīng)用于柔性基底,這對(duì)發(fā)展柔性織物傳感器具有重要意義。

目前對(duì)柔性織物電容式傳感器的研究較少,主要集中在將導(dǎo)電薄膜或者導(dǎo)電改性紡織品作為電極,以絕緣織物、合成泡沫、硅膠等材料作為介質(zhì)層,通過施加外力使介質(zhì)層發(fā)生形變,從而改變電容值來實(shí)現(xiàn)傳感[6]。例如:肖淵等[7]在平紋棉織物上面貼附叉指形銅箔,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS) 封裝織物以及銅箔電極,制備織物基電容式柔性壓力傳感器;孫琬等[8]將導(dǎo)電布作為電極,以不同規(guī)格的經(jīng)編間隔織物為介質(zhì)層,組裝成織物壓力電容式傳感器;侯麗娟等[9]采用絲網(wǎng)印刷工藝將氧化碳納米管材料印刷在具有微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜上,制得上下電極交叉垂直放置“三明治”結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器。上述電容式傳感器的電極材料暴露于外層,長(zhǎng)期使用其表面會(huì)發(fā)生一定程度的氧化及導(dǎo)電物質(zhì)剝落,從而影響織物的傳感性能,而且PDMS本身的透氣性很差,降低了人體舒適度。針織工藝可將導(dǎo)電紗線與織物結(jié)構(gòu)相結(jié)合,促進(jìn)服用性能和傳感性能的協(xié)調(diào)平衡發(fā)展,也為實(shí)現(xiàn)織物柔性傳感器實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化提供途徑[10]。

本文提出一種基于針織復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性電容式傳感器,將雙面效應(yīng)導(dǎo)電針織物作為柔性電極,其中雙面效應(yīng)是指針織物的一面由導(dǎo)電紗線編織成導(dǎo)電面,而另一面為非導(dǎo)電面,構(gòu)成織物兩面性能差異。其中非導(dǎo)電面置于表層接觸外物,起到保護(hù)內(nèi)層電極的作用,并采用經(jīng)編間隔織物作為介質(zhì)層。此種針織物復(fù)合結(jié)構(gòu)柔性傳感器具備傳感性能,同時(shí)又能夠提供良好的透氣性,大大提高其與人體的舒適配合度,促進(jìn)織物基柔性電容傳感器的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

22.2 tex鍍銀錦綸基紗線(青島志遠(yuǎn)翔宇有限公司 )、12.2 tex錦綸/氨綸包覆紗(江蘇格瑞特紡織品有限公司)、19.4 tex棉紗(濰坊市裕邦紡織有限公司);(常熟富強(qiáng)經(jīng)緯編織造有限公司)3種厚度(6、9、20 mm)的間隔織物,2塊20 mm×20 mm的木板和導(dǎo)線。

1.2 柔性電極的制備

針織柔性電容式傳感器通常將具有導(dǎo)電性能的針織物作為柔性電極覆蓋于絕緣介質(zhì)層的上下表面,與介質(zhì)層組裝形成三明治結(jié)構(gòu)。目前的導(dǎo)電針織物通常是在普通織物表面涂覆導(dǎo)電物質(zhì),由于織物表面凹凸不平而影響涂覆均勻和牢固性,長(zhǎng)時(shí)間使用后表面導(dǎo)電物質(zhì)會(huì)掉落,從而影響傳感性能。本文采用織入法制備柔性電極,將導(dǎo)電紗線通過線圈串套的方式形成織物,結(jié)構(gòu)較為緊密,可一定程度提高傳感器的性能和使用壽命[11]。

可穿戴式傳感器講究靈活輕便,器件形狀需要更為小巧,但是市場(chǎng)上現(xiàn)有的編織機(jī)器只能生產(chǎn)出大尺寸的柔性電極。而且在制備雙面效應(yīng)織物電極時(shí),為將2種具有不同性能的織物面銜接起來,紗線需要在上下針床來回編織,這樣的編織方法無法形成絕對(duì)意義上的雙面效應(yīng)。本文選用江蘇金龍科技股份有限公司的電腦橫機(jī)進(jìn)行編織,尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性高,生產(chǎn)高效便捷[12]。

橫機(jī)配有多個(gè)紗嘴以及呈銳角配置的針床,針床上的織針呈交錯(cuò)配置,不同的紗嘴穿入不同的紗線,編織時(shí)紗嘴之間互不干擾,導(dǎo)電紗線僅在一個(gè)針床上成圈,非導(dǎo)電紗線在另一個(gè)針床上成圈,中間使用第3種紗線借助集圈結(jié)構(gòu)在前后針床上來回編織,以此連接獨(dú)立編織的2個(gè)不同性能的織物面,編織過程如圖1所示,箭頭表示紗嘴行進(jìn)方向。

第①階段紗嘴1穿入鍍銀錦綸基紗線,并從左往右依次將紗線喂入前針床的織針,形成緯平針組織結(jié)構(gòu),一橫列編織完畢后,紗嘴1停至最右端;第②階段紗嘴3穿入棉紗在后針床編織平針組織結(jié)構(gòu),編織一橫列結(jié)束后,紗嘴3停至最右端,與紗嘴1保持一定間距;第③階段錦綸/氨綸包覆紗作為中間層紗線穿入紗嘴2,編織一橫列時(shí)使用到的織針在前后針床上成交錯(cuò)位置,并采用集圈結(jié)構(gòu)將2個(gè)面層連接起來;第④～⑥階段重復(fù)編織動(dòng)作,不同的是所有紗嘴行進(jìn)方向由左往右變?yōu)橛捎彝?一個(gè)循環(huán)結(jié)束后紗嘴回到原始位置,進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的編織。

采用圖1所述的編織工藝,制備出雙面效應(yīng)針織柔性電極,其織物結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 編織工藝圖Fig. 1 Weaving process diagram

圖2 雙面效應(yīng)導(dǎo)電織物電極的結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structural diagram of electrode lined in double-sided effect conductive fabric

1.3 間隔織物電容式傳感器的制備

電容式傳感器是一種基于平行金屬板電容器結(jié)構(gòu)的傳感器,本文以間隔織物作為中間介質(zhì)層,將編織的導(dǎo)電針織物作為分布于介質(zhì)層上下表面的柔性電極,織物的非導(dǎo)電面置于外層,導(dǎo)電面置于里層,起到平行金屬板的作用,與介質(zhì)層表面接觸,導(dǎo)線接觸導(dǎo)電面,從傳感器兩端引出,制成具有一定厚度的織物電容器,制備過程如圖3所示。

圖3 電容式傳感器的制備過程示意圖Fig. 3 Schematic diagram of preparation process of capacitive sensor

1.4 電力學(xué)性能測(cè)試

柔性織物電容式傳感器的工作原理是當(dāng)織物受到外力作用時(shí),織物內(nèi)的間隔絲發(fā)生彎曲,使得上下柔性電極之間的距離產(chǎn)生變化,電容值也隨之發(fā)生更改。若忽略織物電極兩端的場(chǎng)邊效應(yīng),可用下式表示各個(gè)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[13]：

式中:ε0為電容空間介電常數(shù),F/m,數(shù)值為8.854×10-12F/m;εr為相對(duì)介電常數(shù),F/m;S為2柔性電極正對(duì)有效面積,m2;d為電極間距離,m。

本文實(shí)驗(yàn)中采用E43.504型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(美特斯美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司)作為壓縮儀器,TH2830型LCR數(shù)字電橋(同惠電子有限公司)為電容測(cè)量?jī)x器,實(shí)驗(yàn)溫度為 23.9 ℃, 濕度為76%。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),壓縮儀器中的壓縮盤屬于金屬材質(zhì),壓縮過程中產(chǎn)生了寄生電容,影響了最終電容值的測(cè)量。為減少這一因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,將具有一定厚度的木板貼覆在金屬壓縮盤上,根據(jù)作用力與反作用力原理,木板的增加并不會(huì)影響最后力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)量。

將電容式傳感器放置于壓縮盤的中心位置,數(shù)字電橋的正負(fù)電極夾頭夾住從電容式傳感器兩端引出的導(dǎo)線,并將其數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1 kHz,測(cè)試過程如圖4所示。根據(jù)FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品壓縮性能 第2部分 連續(xù)壓縮特性的測(cè)定》進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn),將壓縮模式設(shè)置為等速壓縮,速率為2 mm/min。間隔織物壓縮可分為3個(gè)階段:第1階段應(yīng)變范圍為0%～25%,屬于線性壓縮階段,產(chǎn)生彈性彎曲;第2階段應(yīng)變范圍在25%～60%之間,此階段隨著壓縮距離的增加,織物壓縮剛度有所減小,相比較于第1階段更易被壓縮;第3階段間隔織物的壓縮剛度顯著增大,可壓縮距離減小,此時(shí)織物相當(dāng)于一個(gè)密集的纖維體,隨著應(yīng)力的增大,壓縮距離卻不會(huì)再顯著增加[14]。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)置應(yīng)變值為介質(zhì)層厚度的10%～60%,并同步記錄應(yīng)力和電容值。

圖4 壓縮測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 4 Experimental platform of compression test

針對(duì)本文中基于針織復(fù)合結(jié)構(gòu)的織物電容式傳感器,重點(diǎn)研究介質(zhì)層即間隔織物厚度對(duì)電容式傳感器性能的影響,主要表征指標(biāo)有靈敏度、線性度和遲滯性。靈敏度一般采用每千帕壓力范圍內(nèi)引起的電容變化表征,即電容相對(duì)變化率和應(yīng)力的比值,通過下式[15]計(jì)算。

式中:S為電容式傳感器靈敏度,kPa-1;C為某一壓縮應(yīng)力下的電容值,F;C0為電容初始值,F;△C為電容變化值,F;△P為應(yīng)力變化值,kPa。

電容式傳感器受力后會(huì)產(chǎn)生彈性誤差,因此導(dǎo)致其在輸入量從小到大(正行程)及輸入量從大到小(反行程)變化的過程中,輸入-輸出特性曲線出現(xiàn)不重合的現(xiàn)象,一般采用遲滯誤差即電容式傳感器加載和卸載時(shí)電容變化率與應(yīng)力載荷關(guān)系曲線的高度差來表征這一現(xiàn)象,通常以最大遲滯誤差EH來表示,通過下式[7]計(jì)算。

式中:△Ymax為正反行程輸出的最大差值;yFS為輸出滿量程值。重復(fù)性是指電容式傳感器的輸入量按照同一變化方向進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試的特征曲線重合程度,重合程度越高,說明該電容式傳感器的重復(fù)性越好,在實(shí)際應(yīng)用過程中的耐用性越好,是表征電容式傳感器良好傳感性能的重要指標(biāo)[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 電容式傳感器電力學(xué)性能分析

圖5示出電容式傳感器的應(yīng)變-電容曲線。可知,隨著壓縮應(yīng)變值增加,電容均逐漸增大。當(dāng)介質(zhì)層厚度為6 mm和9 mm時(shí),應(yīng)變小于30%,電容值增加趨勢(shì)平緩,應(yīng)變大于30%時(shí),電容值的增大趨勢(shì)較為急劇;厚度為20 mm時(shí),電容式傳感器的電容值隨著應(yīng)變值持續(xù)增加。

圖5 不同厚度介質(zhì)層電容式傳感器的應(yīng)變-電容曲線Fig. 5 Strain-capacitance curve, of capacitive sensor for different thickness dielectric layers

2.2 電容式傳感器靈敏度分析

圖6示出不同厚度介質(zhì)層電容式傳感器的靈敏度?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變值的增大,電容式傳感器的靈敏度均逐漸增加,電容式傳感器靈敏度呈現(xiàn)出2段不同的輸出特性。第1階段為線性壓縮階段,應(yīng)變值范圍屬于10%～30%,此過程符合胡克定律,由于介質(zhì)層本身的厚度較小,間隔絲表現(xiàn)出小形變狀態(tài)[16],相對(duì)電容變化率較小,靈敏度較低,在0～30 kPa范圍內(nèi),6 mm和9 mm電容式傳感器靈敏度達(dá)到0.004 kPa-1,電容隨應(yīng)力變化增加的程度較小,20 mm電容式傳感器在0～15 kPa應(yīng)力范圍內(nèi),靈敏度達(dá)到0.045 kPa-1,此數(shù)值是大于6 mm和9 mm電容式傳感器靈敏度的,這是因?yàn)楹穸仍酱?相同應(yīng)變值下的壓縮距離越多,電容值變化的程度增加。

圖6 不同厚度介質(zhì)層電容式傳感器的靈敏度Fig. 6 Sensitivity of capacitive sensors fordifferent thickness dielectric layers

第2階段為應(yīng)力屈服階段,處于應(yīng)變值40%～60%范圍,此階段的靈敏度較第1階段增加快,這是因?yàn)殡S著應(yīng)力的增大,受力的間隔絲失去穩(wěn)定形態(tài)而產(chǎn)生彈性彎曲變形,使得織物厚度減小。此時(shí)較小的作用力就能夠使織物產(chǎn)生較大形變,織物剛度有所減小,相對(duì)而言織物更容易被壓縮,靈敏度因此增大,并且此階段的電容式傳感器靈敏度隨著介質(zhì)層厚度的增加而逐漸增大。文獻(xiàn)[5]將棉織物作為介質(zhì)層,電容式傳感器電極采用銅箔,并用PDMS進(jìn)行封裝,在0.75～125 kPa的應(yīng)力加載下,電容式傳感器的靈敏度達(dá)到0.94×10-3kPa-1,可與本文厚度20 mm電容式傳感器在15～50 kPa內(nèi)的靈敏度0.091 kPa-1相比較。

2.3 電容式傳感器線性度分析

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo),以被測(cè)輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)為前提。在規(guī)定條件下,傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差(△Ymax)與滿量程輸出(Y)的百分比稱為線性度E,又稱非線性誤差,該值越小,表明線性特性越好?？捎孟率絒17]計(jì)算:

實(shí)際應(yīng)用中,由于各種因素的影響,電容式傳感器的數(shù)值輸出并不具備y=ax這種理性線性特征,因此為研究電容式傳感器輸出特性的線性誤差而對(duì)其數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行直線擬合。擬合直線的方法有端點(diǎn)直線法、端點(diǎn)平移直線法和最小二乘法,其中最小二乘法由于擬合精度高而被廣泛應(yīng)用[18],因此本文采用最小二乘法對(duì)電容式傳感器的2個(gè)階段進(jìn)行y=ax+b線性擬合,計(jì)算出每個(gè)階段的線性度,分別用E1、E2表示。

由表1所示的各階段線性度及應(yīng)變數(shù)據(jù)可知,電容式傳感器在第1階段均表現(xiàn)出良好的線性特性,這是由于此階段處于線性壓縮階段,電容隨應(yīng)力增加呈現(xiàn)近似線性的變化,而且第1階段的線性度隨著厚度的增加而降低。隨著應(yīng)力的增加,電容式傳感器進(jìn)入第2階段,間隔絲受力失穩(wěn)產(chǎn)生彈性彎曲,線性度逐漸變差。

表1 電容式傳感器各階段線性度及應(yīng)變范圍Tab. 1 Linearity and strain range of capacitive sensor at each stages

2.4 電容式傳感器壓縮回復(fù)性分析

電容式傳感器的介質(zhì)層為間隔織物,內(nèi)部間隔絲構(gòu)成的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有良好的壓縮回復(fù)性。但是隨著壓縮距離的增加,間隔絲彎曲程度也逐漸變大,此過程間隔絲會(huì)產(chǎn)生不同程度的機(jī)械損傷,壓縮回復(fù)性因而變差,從而使電容式傳感器的傳感性能遭到破壞。用電容式傳感器在加載卸載過程中的電容變化率差值對(duì)其進(jìn)行表示,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可看出,3種厚度介質(zhì)層的電容式傳感器的加載曲線和卸載曲線幾乎重疊在一起,說明三者的壓縮回復(fù)性較好,在外力解除后,仍具有良好的傳感性能。厚度為6 mm的電容式傳感器在應(yīng)力值達(dá)到48.86 kPa時(shí)出現(xiàn)了最大高度差,此時(shí)電容式傳感器壓縮回復(fù)性最差,電容變化率的差值為0.014;厚度為9 mm的電容式傳感器在應(yīng)力值為48.46 kPa時(shí)出現(xiàn)最大高度差,此時(shí)的電容變化率差值為0.015;在應(yīng)力值21.22 kPa處,厚度為 20 mm 的電容式傳感器出現(xiàn)最大電容變化率差值。3種不同厚度介質(zhì)層的電容式傳感器均在最大應(yīng)變值處出現(xiàn)最大電容變化率差值,并隨著介質(zhì)層厚度的增加,差值愈大。

圖7 不同厚度介質(zhì)層電容式傳感器的壓縮回復(fù)性Fig. 7 Compression resilience of capacitive sensor for different thickness dielectric layers

2.5 電容式傳感器重復(fù)性測(cè)試

電容式傳感器的重復(fù)性與介質(zhì)層的抗壓回彈性和壓縮疲勞性密切相關(guān),隨著壓縮次數(shù)增加,織物初始厚度減小,造成每一次的初始電容值變大,從而產(chǎn)生重復(fù)性誤差[8]。對(duì)不同厚度介質(zhì)層電容式傳感器的應(yīng)變值為10%、30%和50%進(jìn)行重復(fù)10次的連續(xù)壓縮實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可看出,相同應(yīng)變值下的10次連續(xù)循環(huán)應(yīng)力加載與卸載過程中輸出的電容曲線變化整體相一致。在10%應(yīng)變下,由于6 mm和9 mm電容式傳感器的壓縮距離較小,應(yīng)力加載和卸載過程中,電容式傳感器的間距變化程度較低,電容輸出曲線不穩(wěn)定。厚度為 20 mm 的電容式傳感器在不同應(yīng)變值下的電容輸出曲線產(chǎn)生的波動(dòng)較小,曲線更為順滑,重復(fù)性較前二者更好。

2.6 電容式傳感器遲滯性分析

對(duì)不同規(guī)格電容式傳感器的靈敏度和線性度進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn),介質(zhì)層厚度的增加對(duì)電容式傳感器性能的提高是有益的。選用厚度為20 mm的電容式傳感器進(jìn)行應(yīng)力值為0～22 kPa的加載卸載,探究其遲滯性能,測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同厚度介質(zhì)層電容式傳感器的重復(fù)性Fig. 9 Repeatabilityof capacitive sensor for different thickness dielectric layers

從圖9中可看出,電容式傳感器的加載曲線和卸載曲線具有高度差,且在應(yīng)力值為8.79 kPa處出現(xiàn)最大遲滯誤差為16.2%,具有一定的傳感性能。這是因?yàn)殡S著電容式傳感器厚度的增加,介質(zhì)層內(nèi)部的間隔絲抗彎剛度越差,施加外力過程中易于壓縮,但撤去力后難以迅速回到初始狀態(tài),使加載與卸載過程中的電容式傳感器輸入輸出電學(xué)特性不一致,從而產(chǎn)生遲滯性誤差。

圖9 電容式傳感器遲滯性Fig. 9 Hysteresis of capacitive sensor

3 結(jié) 論

本文通過在3種不同厚度經(jīng)編間隔織物上黏附雙面效應(yīng)柔性電極來制備針織復(fù)合結(jié)構(gòu)柔性電容式傳感器,并進(jìn)行了電力學(xué)性能測(cè)試,得出以下結(jié)論:

1)電容式電容式傳感器在壓縮第1階段時(shí),電容增加趨勢(shì)平緩,第2階段下呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)的特征。電容式傳感器具有較好的線性度,并且第1階段的線性度要好于處于第2階段時(shí)的線性度。第1階段時(shí),織物厚度愈小,電容式傳感器的線性特性越好。當(dāng)應(yīng)變值處于10%～60%范圍內(nèi)時(shí),電容式傳感器的靈敏度整體趨勢(shì)隨著應(yīng)變值的增加而增加,介質(zhì)層厚度越大,靈敏度增加愈快。

2)3種規(guī)格電容式傳感器在不同應(yīng)變值下的連續(xù)重復(fù)壓縮輸出的電容曲線形狀相似,說明所設(shè)計(jì)的電容式傳感器具有良好穩(wěn)定的傳感性能。但是隨著壓縮次數(shù)的增加,間隔織物的厚度會(huì)逐漸降低,造成初始電容值一直在改變,從而造成穩(wěn)定性誤差,而且厚度增加使得內(nèi)部間隔絲抗彎剛度降低,加大了傳感滯后性,這將在后續(xù)工作中對(duì)介質(zhì)層的選擇進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。

3)雙面效應(yīng)柔性電極的針織電容式傳感器在大應(yīng)力時(shí)具有較好的靈敏度,有望在肢體運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中得到實(shí)際應(yīng)用。為進(jìn)一步提高實(shí)際應(yīng)用中的耐久性,將在后續(xù)的研究中對(duì)一體成形的雙面效應(yīng)針織電容式傳感器進(jìn)行探索。