本项创新技术介绍了一种新型的针织物电容式柔性传感器,该传感器由面状的第一针织物层、第二针织物层和中间层构成。第一和第二针织物层通过间隔纱线相互连接,形成独特的结构。
背景技术
随着可穿戴人工智能设备的迅速发展,柔性传感器因其可拉伸性与质量轻等优点,逐渐在人体运动监测、电子皮肤和人机交互等领域展现了广阔的应用前景。按照传感原理,柔性传感器分为电阻式传感器、压电式传感器和电容式传感器。其中,电容式传感器凭借灵敏度高、响应时间短、检测范围广、环境适应性强的优势,具有较为广泛的应用。
针织物具有良好的延伸性和弹性,采用导电纱线与绝缘弹性纱编织的多层复合结构的针织物柔性电容式传感器在受到压缩负载时,第一针织物层和第二针织物层间距离变化,引起电容变化,使其成为电容式压力传感器。在受到拉伸负载时,第一针织物层和第二针织物层的表面积变化,同时第一针织物层和第二针织物层间距离变化,共同引起电容变化,使其成为电容式应变传感器。
针织物柔性电容式传感器具有柔软、吸湿透气、可拉伸且更容易和其他载体(例如:服装、座垫、手套等)集成等特点,大大提高了可穿戴人工智能设备的舒适性。其中,针织物柔性电容式传感器的集成方式为直接织入、粘贴或其他方式。
文献(Batch Fabrication of Customizable Silicone‐Textile CompositeCapacitive Strain Sensors for Human Motion Tracking[J]. Advanced MaterialsTechnologies, 2017:1700136.)公开了一种电容式传感器,电极层为高度可拉伸的镀银针织物,由有机硅弹性体作为电介质隔开上下电极层,具有高线性、低滞后和高灵敏度。然而其多层结构需要特定工具进行多次涂覆并干燥,制造工艺复杂。因为该传感器需要对作为电极层的镀银针织物进行多次涂覆并干燥以粘合介电层与电极层,所以该传感器无法直接织入载体,只能通过手工缝制集成。
专利CN106884257A公开了一种纬编针织物应变传感器,包括感应区域和连接区域,其中感应区域由导电面纱和弹性地纱编织的平针添纱线圈组成,且感应区域内导电纱线呈折弯结构;连接区域位于感应区域的两侧,由面纱为纱线和地纱为弹性纱线的平针添纱线圈组成。该传感器为电阻式应变传感器,具有较高的灵敏度、可上机编织性,可直接织入载体。但该传感器只能检测拉伸负载,无法检测压缩负载。
专利CN114111878A公开了一种电容传感器,包括第一导电层,第二导电层,电磁屏蔽件,间隔织物。其中,间隔织物设置在第一导电层与第二导电层之间,并具有第一厚度。该电容传感器可以为柔性电容感测垫的形式,通过电容检测电路,当间隔织物被压缩到第二厚度时,生成检测信号。该传感器只能检测特定值以上的压力负载的存在,无法检测压力负载的具体数值。同时,间隔织物只是作为介电层,隔开第一导电层与第二导电层。
专利CN210014750U公开了一种电容式弹性应变传感器,以弹性纺织材料为基体,可集成到可穿戴器件而探测身体的拉伸、弯曲等应力应变,包括弹性结合层,第一导电层,第二导电层,弹性介电层与弹性封装层。该传感器具有较低的厚度,从而提高了其可穿戴性与舒适性。虽然该传感器以弹性纺织材料为基体,但与针织物传感器相比,其吸湿透气性较差,且无法通过直接织入集成到载体中。
因此,研究一种易于集成且能准确检测拉伸负载或压缩负载大小的高灵敏度传感器,以解决现有技术中存在的问题,具有十分重要的意义。
实现思路