可穿戴功能服裝研究成果：在織物叉指上電容式壓力傳感器

　　抽象的：本文介紹了一種基于印在織物上的叉指式電容器 (IDC) 的電子紡織壓力傳感器的系統(tǒng)方法。在這項研究中，我們提出了一種基于多孔 Ecoflex、碳納米管 (CNT) 和叉指電極組合的高靈敏度、寬量程壓力傳感器。首先，在 1 至 300 kHz 的頻率范圍內(nèi)，使用精密 LCR 儀表在棉和滌綸織物上使用銀墨對指叉式電容器進行表征。包括織物對傳感器靈敏度性能的影響。其次，包括估計和優(yōu)化碳納米管的體積分數(shù)和氣隙對復(fù)合材料性能的影響。體積分數(shù)碳納米管的存在增強了復(fù)合材料的結(jié)合強度并改善了傳感器的變形能力。通過在 400 kPa 的高壓下進行 20,000 多次循環(huán)測試，證明了所提出傳感器的穩(wěn)健性。第三，碳納米管和多孔電介質(zhì)的結(jié)合實現(xiàn)了廣泛的檢測范圍(400 kPa)，靈敏度范圍從 0.035(在 400 kPa 時)到 0.15帕_ _? 1KPa?1(在 50 kPa 時)。最后，棉花和聚酯基板的比較表明，選擇合適的介電基板會影響傳感器靈敏度和信號輸出。

　　介紹：如今，可穿戴傳感器，尤其是紡織傳感器，已成為一個令人興奮的問題，并引起了研究人員的極大興趣。在這些傳感器中，壓力傳感器的卓越性能使其成為下一代柔性電子產(chǎn)品中很有前途的組件。它們被用于商業(yè)目的以及科學(xué)領(lǐng)域，例如醫(yī)療監(jiān)護儀、航空學(xué)、機器人學(xué)等(Castano & Flatau，2014 年;Huang 等人，2019 年;Seyedin 等人，2019 年)). 此外，它們可以貼在皮膚或衣服上，以在連續(xù)工作條件下監(jiān)測生理信號或外部壓力，而不會干擾或限制個人的日?；顒?。已經(jīng)研究了許多努力來開發(fā)柔性壓力傳感器。有許多使用壓電、壓電、摩擦電和壓阻效應(yīng)測量壓力的方法。其中，基于平行板電容器的電容式壓力傳感器由于具有功耗低、響應(yīng)時間快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。理論上，平行板電容器的電容量由公式(1)給出：

　　其中表示材料的介電常數(shù)，真空介電常數(shù)為，A為上下極板的有效面積，d是兩個電極之間的厚度或間距。通過改變、A、d，電容式傳感器可分為可變介電、可變面積三種(Guo et al., 2019 ; Wan et al., 2017 )和可變間距(Mahata 等人，2020 年;Ruth 等人，2020 年εrεrε0ε0εrεr). 在這種方法中，厚度或介電層在外力作用下發(fā)生變化，同時導(dǎo)致傳感器電容的變化。由于取決于公式 ( 1 ) 中的參數(shù) A 和 d，改變面積或厚度會影響壓力靈敏度(“One-Rupee Ultrasensitive Wearable Flexible Low-Pressure Sensor | ACS Omega”nd)。因此，這種方法所能達到的靈敏度通常很低(Zang et al., 2015)。大多數(shù)關(guān)于柔性傳感器的方法都集中在提高電容式壓力傳感器的靈敏度和靈活性上。這些取決于介電層的可變形性(“傾斜微柱陣列增強的柔性電容壓力傳感器 | ACS Applied Materials & Interfaces” nd; Ruth & Bao，2020; 王等，2020;Xiong 等人，2020 年)或增加有效面積和厚度(“一盧比超靈敏可穿戴柔性低壓傳感器 | ACS Omega”nd)。然而，這些方法具有恢復(fù)時間慢、成本高和制備微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。此外，介電層中的高密度孔隙率可能會產(chǎn)生噪聲并影響傳感器的穩(wěn)定性和耐用性。

　　在這項工作中，我們提出了基于計算叉指電容的紡織壓力傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)。我們只關(guān)注介電層的修改以提高靈敏度。該方法僅使用一個電極，因此傳感器不受介電層距離的影響，而是通過改變多孔聚合物層在壓縮下的相對介電常數(shù)來檢測可變電容。該電極是使用印在棉織物上的銀漿制成的，類似于帶有多個相互交叉手指的梳子。本文中提高靈敏度的努力分為兩個主要研究：彈性層的介電變化和介電層內(nèi)微粒的產(chǎn)生。最后，

　　本文的其余部分分為以下幾個部分。首先，該實驗引入了基于改變相對介電常數(shù)的新型壓力技術(shù)。其次，“制造”說明了所提出的電容式壓力傳感器的制造過程。接下來是“測量結(jié)果和討論”，其中比較了聚酯和棉基材的特性，包括靈敏度、成本和耐用性的影響。最后，在最后一節(jié)中得出了結(jié)論。

　　實驗性的導(dǎo)電軌道及換能器原理

　　叉指式電容器使用稱為多指周期結(jié)構(gòu)的集總電路元件。與平行板電容器不同，指叉式電容器只需要一側(cè)來檢測被測材料 (MUT) 的變化。這種設(shè)計具有比并聯(lián)電容器更高的品質(zhì)因數(shù) (Aparicio & Hajimiri, 2002 )。叉指式傳感器的工作原理與兩個平行板電容器相同。在這種結(jié)構(gòu)中，電容出現(xiàn)在手指的狹窄間隙之間。當(dāng)間隙減小時，電容相應(yīng)增加。傳感器的形狀由圖1所示的參數(shù)描述 。

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　　結(jié)論:

　　我們提出了一種使用叉指式電容器 (IDC) 制造柔性基板的電子紡織壓力傳感器的新方法。所提出的傳感器可以實現(xiàn)高靈敏度、寬范圍 (400 kPa)，靈敏度范圍從 0.035(在 400 kPa 時)到 0.15帕_ _? 1KPa?1(在 50 kPa 時)。由于 Ecoflex 和 CNT 的高彈性特性相結(jié)合，介電層可以實現(xiàn)出色的耐用性。此外，所提出的傳感器具有快速響應(yīng)和恢復(fù)時間，檢測范圍超過 400 kPa。此外，介電基板對傳感器靈敏度性能的影響在信號輸出的不靈敏度和檢測中起著關(guān)鍵作用。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮選擇合適的介質(zhì)基板。

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