一种柔性可穿戴导电纤维传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种柔性可穿戴导电纤维传感器及其制备方法和应用，该柔性可穿戴导电纤维传感器包括：支撑材料，所述支撑材料包括弹性芯纱线、螺旋缠绕在所述弹性芯纱线外表面的缠绕纤维；和涂覆于所述支撑材料的所述缠绕纤维表面的导电层。本发明专利技术的柔性可穿戴导电纤维传感器采用了独特的弹性螺旋状双包覆结构，能够感应拉伸应变，弯曲角度，扭转变形。

Flexible wearable conductive fiber sensor, preparation method and application thereof

The present invention relates to a flexible wearable conductive fiber sensor and its preparation method and application of the flexible wearable conductive fiber sensor includes a supporting material, the supporting material included in the outer surface of the elastic core yarn winding fiber elastic core yarn, spiral wound; and coated on the supporting material of the wound the conductive layer on the surface of fiber. The flexible wearable conductive fiber sensor of the invention adopts a unique elastic spiral double coating structure, which can induce tensile strain, bend angle and twist deformation.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可穿戴导电纤维传感器及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种柔性可穿戴纤维传感器及其制备方法和应用，属于柔性及可穿戴电子学领域以及新材料

技术介绍
柔性可穿戴传感器主要致力于感应和监测各种人体活动，在运动感应、个人健康监测、智能机器人和人机交互方面都有着广泛的应用。传统的应变传感器，如基于金属箔以及半导体的传感器，由于不具有很好的柔性以及可探测范围很小(<5％)，所以无法应用于柔性可穿戴传感器【参照文献1,2】。一些纳米材料由于具有很好的机械柔性以及导电性，开始被应用于各式柔性的应变传感器，如碳纳米管【参照文献3,4】、石墨烯【参照文献5,6】和金属纳米线【参照文献7,8】。尽管取得了一些进展，但现今仍然存在两个主要的问题：一是难以同时获得高的灵敏性和大的感应范围；另一个是当前的柔性传感器大多功能单一，例如只能感应拉伸应变，无法同时感应弯曲、扭转等其他变形，因此不适用于对复杂而精细的人体活动的感应。目前，还没有能够有效对拉伸应变、弯曲以及扭转产生相响应的柔性可穿戴传感器。而且，现有的柔性可穿戴传感器的制备方法工艺较为复杂，不适于大规模量产。例如CN103225204A公开一种可穿戴的柔性传感器，其结构复杂，制备方法繁琐，且仅能通过感知压力变化来感知脉搏；CN204007957U公开一种柔性传感器，其包括弹性体和吸附在弹性体上的导电层，所述导电层跟随所述弹性体的形变而发生的电阻值的改变，但是该传感器并不具有可穿戴的性质，不适用于人体。因此，开发一种工艺简单、易于操作并且能够扩大量产的柔性可穿戴传感器的制备方法是十分重要的，但就本专利技术的专利技术人所知，目前为止还没有开发出有效的方法。现有技术文献非专利文献Ajovalasit,A.&Zuccarello,B.Localreinforcementeffectofastraingaugeinstallationonlowmodulusmaterials.JStrainAnalEngDes40,643-653(2005).非专利文献2Barlian,A.A.,Park,W.-T.,Mallon,J.R.,Jr.,Rastegar,A.J.&Pruitt,B.L.Review:SemiconductorPiezoresistanceforMicrosystems.PIeee97,513-552(2009).非专利文献3Cohen,D.J.,Mitra,D.,Peterson,K.&Maharbiz,M.M.Ahighlyelastic,capacitivestraingaugebasedonpercolatingnanotubenetworks.NanoLett12,1821-1825(2012).非专利文献4Li,S.etal.Workingmechanismsofstrainsensorsutilizingalignedcarbonnanotubenetworkandaerosoljetprintedelectrodes.Carbon73,303-309(2014)非专利文献5Raju,A.P.A.etal.Wide-AreaStrainSensorsbaseduponGraphene-PolymerCompositeCoatingsProbedbyRamanSpectroscopy.AdvFunctMater24,2865-2874(2014).非专利文献6Lim,S.etal.TransparentandStretchableInteractiveHumanMachineInterfaceBasedonPatternedGrapheneHeterostructures.AdvFunctMater25,375-383(2015).非专利文献7Amjadi,M.,Pichitpajongkit,A.,Lee,S.,Ryu,S.&Park,I.HighlyStretchableandSensitiveStrainSensorBasedonSilverNanowire-ElastomerNanocomposite.AcsNano8,5154-5163(2014).非专利文献8Yao,S.&Zhu,Y.Wearablemultifunctionalsensorsusingprintedstretchableconductorsmadeofsilvernanowires.Nanoscale6,2345-2352(2014).；专利文献：专利文献1：CN103225204A；专利文献2：CN204007957U。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种柔性可穿戴导电纤维传感器及其制备方法和应用。在此，一方面，本专利技术提供一种柔性可穿戴导电纤维传感器，包括：支撑材料，所述支撑材料包括弹性芯纱线、螺旋缠绕在所述弹性芯纱线外表面的缠绕纤维；和涂覆于所述支撑材料的所述缠绕纤维表面的导电层。本专利技术的柔性可穿戴导电纤维传感器采用了独特的弹性螺旋状双包覆结构，能够感应拉伸应变(灵敏度0.2％，感应范围0-100％)，弯曲角度(灵敏度2°，感应范围0-90°)，扭转变形(灵敏度2rad/m，感应范围-280rad/m-800rad/m)。该导电纤维在各种变形条件下，其螺旋包覆的微结构会发生相应的变化，从而导致导电纤维的电阻发生对应的变化，以此来有效地感应各种变形。这种纤维状柔性传感器可以借助于弹性薄膜状衬底和医用胶带贴附到人体的各个部位，达到感应和监测人体各种生理活动的目的，如脉搏、呼吸、发音、关节的运动等。较佳地，所述弹性芯纱线为具有弹性及回弹性的聚合物材料，优选为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和高弹橡胶中的至少一种，更优选为氨纶芯纱线。较佳地，所述弹性芯纱线的直径为100～1000um。较佳地，所述缠绕纤维形成为单根长纤维或单股由多根纤维组成的纱线按照“Z”型或“S”型螺旋缠绕于所述弹性芯纱线表面；或者双根长纤维或双股由多根纤维组成的纱线分别按照“Z”型与“S”型螺旋缠绕于所述弹性芯纱线表面。较佳地，单根缠绕纤维的直径为10～40um。较佳地，所述缠绕纤维的材料为人造纤维和/或天然纤维，优选为棉纤维和/或聚酯纤维。较佳地，所述导电层为石墨烯、银浆导电层、和导电聚合物层中的至少一种；所述导电聚合物优选为PEDOT:PSS、聚苯胺、和聚吡咯中的至少一种。较佳地，所述柔性可穿戴导电纤维能够对变形产生电阻变化响应，所述变形包括拉伸应变、弯曲变形、和扭转变形。另一方面，本专利技术还提供上述柔性可穿戴导电纤维传感器的制备方法，对支撑材料的螺旋缠绕纤维的表面利用浸渍涂布或滴涂的方式涂覆导电层。再一方面，本专利技术还提供上述柔性可穿戴导电纤维传感器的应用，将所述柔性可穿戴导电纤维组装于柔性和/或弹性衬底后贴附于人体各个部位进行各种生理信号的监测和人体动作的感应。附图说明图1为实施例3-9中所使用的氨纶双包覆纱SEM图；图2为实施例3中氨纶双包覆纱经过浸渍涂布氧化石墨烯后的SEM图；图3为实施例3中氨纶双包覆纱经过还原处理后的SEM图；图4为实施例4中导电纤维对拉伸应变的感应性能；图5为实施例8中所得到的弯曲角度传感器的实物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性可穿戴导电纤维传感器，其特征在于，包括：支撑材料，所述支撑材料包括弹性芯纱线、螺旋缠绕在所述弹性芯纱线外表面的缠绕纤维；和涂覆于所述支撑材料的所述缠绕纤维表面的导电层。

【技术特征摘要】
1.一种柔性可穿戴导电纤维传感器，其特征在于，包括：支撑材料，所述支撑材料包括弹性芯纱线、螺旋缠绕在所述弹性芯纱线外表面的缠绕纤维；和涂覆于所述支撑材料的所述缠绕纤维表面的导电层。2.根据权利要求1所述的柔性可穿戴导电纤维传感器，其特征在于，所述弹性芯纱线为具有弹性及回弹性的聚合物材料，优选为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和高弹橡胶中的至少一种，更优选为氨纶芯纱线。3.根据权利要求1或2所述的柔性可穿戴导电纤维传感器，其特征在于，所述弹性芯纱线的直径为100~1000um。4.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性可穿戴导电纤维传感器，其特征在于，所述缠绕纤维形成为单根长纤维或单股由多根纤维组成的纱线按照“Z”型或“S”型螺旋缠绕于所述弹性芯纱线表面；或者双根长纤维或双股由多根纤维组成的纱线分别按照“Z”型与“S”型螺旋缠绕于所述弹性芯纱线表面。5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性可穿戴导电纤维传感器，其特征在于，单根缠绕纤维的直径为10~40um。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，程荫，王冉冉，王焱，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31