一种基于织物的电容式传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于织物的电容式传感器，一种基于织物的电容式传感器，包括电极层a和电极层b，电极层a与电极层b之间设置有织物介电层，电极层a、电极层b及织物介电层均通过封装材料固化封装，电极层a和电极层b均连接有导线。本发明专利技术还公开了上述基于织物的电容式传感器的制造方法，先对织物介电层进行前处理，再将织物介电层浸渍在分散液中超声后取出；通过3D打印机打印模具，并将导电铜箔粘贴在织物介电层的表面，再放置到模具内，并将模具夹紧；制备封装材料后浇注到模具内，静置后，将上述模具放置到固化炉内进行固化处理，最终制得基于织物的电容式传感器。本发明专利技术解决了现有的电容式传感器柔性差、造价成本高的问题。

A Fabric-based Capacitive Sensor and Its Manufacturing Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于织物的电容式传感器及其制造方法
本专利技术属于柔性可穿戴电子器件
，涉及一种基于织物的电容式传感器，本专利技术还涉及上述电容式传感器的制造方法。
技术介绍
智能纺织品是将电子技术与织物高度融合的一种纺织品，其在保持传统纺织品的基本功能外，还具备监测、信息处理及通讯等功能，因而在军事、航空航天、医疗保健和休闲娱乐等领域有着广阔的应用前景。智能纺织品一般由传感器、执行器、数据处理、通信和电源等部分组成，传感器是智能纺织品实现人体与外界交互的关键，这就要求传感器具有良好的柔性、高的灵敏度及快速响应等特性。传统的传感器大多由金属和半导体构成，与织物耦合性差，直接集成后无法随织物一起变形，影响织物的柔性及穿着舒适性。目前，可穿戴传感器的信号转换机制主要有压阻、电容和压电三种。电容式传感器具有动态响应特性好、空间分辨率高、可重复性强等特点，且在多维力检测时不涉及解耦问题，数据后处理容易，因而广泛地应用于可穿戴设备，进而实现应变、触觉、压力等的测量。然而，现有的基于织物的传感器制造工艺复杂、成本高，不仅影响了织物本身性能，而且制备后的传感器不易弯曲、难以清洗。因此，探索柔性化、短流程、低成本、清洁环保的基于织物的传感器的制备方法，并能保持织物的柔软舒适、可清洗、易弯曲等性能，是当前可穿戴智能纺织品发展的热点和难点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于织物的电容式传感器，解决了现有的电容式传感器柔性差、造价成本高的问题。本专利技术的另一目的是提供上述基于织物的电容式传感器的制造方法，解决了现有的电容式传感器制造工艺复杂的问题。本专利技术所采用的一种技术方案是，一种基于织物的电容式传感器，包括电极层a和电极层b，电极层a与电极层b之间设置有织物介电层，电极层a、电极层b及织物介电层均通过封装材料固化封装，电极层a和电极层b均连接有导线。本专利技术的特点还在于：织物介电层为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种。电极层a和电极层b均包括至少两个导电铜箔，导电铜箔呈线性阵列设置，电极层a的导电铜箔和电极层b的导电铜箔相互垂直，每个电极层a的导电铜箔间距为3～5mm，每个电极层b的导电铜箔间距为3～5mm。导电铜箔的长度为40～60mm、宽度为3～7mm、厚度为30～40μm。封装材料由聚合物和固化剂以质量比为5～15:1组成，聚合物为聚二甲基硅氧烷；固化剂为道康宁184硅橡胶固化剂。本专利技术所采用的另一种技术方案是，上述基于织物的电容式传感器的制造方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、将织物介电层浸渍在体积分数为75％的酒精中进行超声处理，采用去离子水对超声后的织物介电层进行清洗后静置风干；步骤2、将干燥后的织物介电层浸渍在分散液中，再依次进行超声处理、静置风干，采用熨斗将干燥后的织物介电层熨平；步骤3、在熨平后的织物介电层的上表面和下表面均粘贴导电铜箔，并将上表面的导电铜箔和下表面的导电铜箔均通过导线引出；步骤4、通过3D打印机对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物进行打印处理，得到模具，模具与织物介电层相匹配，将粘贴导电铜箔的织物介电层放置到模具内，通过木工夹将模具夹紧；步骤5、配制封装材料，通过真空抽滤机将封装材料内的气泡除去，再浇注至模具内，室温下静置1h；步骤6、将静置后的模具放置到固化炉内进行固化处理，室温冷却后取下木工夹和模具，得到基于织物的电容式传感器。本专利技术的特点还在于：步骤1中，超声处理的功率为50～80W、时间为10～30min；步骤2中，超声处理的功率为40～70W、时间为20～40min。步骤2中的分散液由导电材料、分散剂及溶剂以质量比为0.01～0.1:0.2～3:100组成，导电材料在分散液中的固含量为0.01-0.1wt％；导电材料为炭黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银、纳米铜、纳米金、纳米镍、导电聚合物中的任意一种；溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇中的任意一种，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。模具包括相匹配的第一压板和第二压板，第一压板的长度和宽度均不小于70mm，第一压板的本体设置有矩形通孔，第二压板的长度和宽度均不小于70mm，第二压板的本体设置有与通孔相对的凹槽。步骤5中，固化处理的温度为60～90℃，时间为60～120min。本专利技术的有益效果是：(1)、本专利技术一种基于织物的电容式传感器，是基于平行板电容器的原理，设计了“三明治”结构，即以纺织物为介电层，导电铜箔为上下电极，结构简单；织物具有轻质低模量、高柔性、高弹性、低成本等特点，且本身具备独特的微结构，该结构能使传感器更易压缩变形，从而提高传感器的灵敏度；由于织物材料的介电常数较低，本专利技术的传感器通过渗流方式在织物材料中混入导电材料来改善织物的介电常数，进而提高传感器的检测灵敏度。(2)、本专利技术基于织物的电容式传感器的制造方法，是基于平行板电容器原理，将改性处理后的织物作为介电层，结合织物独特的微结构提高了传感器的检测灵敏度；本专利技术基于织物的电容式传感器的制造方法，工艺简单、成本低、能耗低，且传感器成型后可直接与纺织品缝合，可实现对人体生理信号的实时监测，为织物传感器的制备开辟一条新路径。附图说明图1是本专利技术一种基于织物的电容式传感器的结构示意图；图2是本专利技术一种基于织物的电容式传感器的俯视图；图3是本专利技术模具的第一压板的结构示意图；图4是本专利技术模具的第二压板的结构示意图；图5是本专利技术一种基于织物的电容式传感器的模具封装示意图；图6是本专利技术一种基于织物的电容式传感器的质量均匀性验证图。图中，1.电极层a，2.织物介电层，3.封装材料，4.电极层b，5.模具。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术涉及一种基于织物的电容式传感器，如图1、2所示，包括电极层a1和电极层b4，电极层a1与电极层b4之间设置有织物介电层2，电极层a1、电极层b4及织物介电层2均通过封装材料3固化封装，电极层a1和电极层b4均连接有导线；电极层a1和电极层b4均包括至少两个导电铜箔，导电铜箔呈线性阵列设置，电极层a1的导电铜箔和电极层b4的导电铜箔相互垂直，每个电极层a1的导电铜箔间距为3～5mm，每个电极层b4的导电铜箔间距为3～5mm；其中，导电铜箔的长度为40～60mm、宽度为3～7mm、厚度为30～40μm。其中，织物介电层2为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种；封装材料3由聚合物和固化剂以质量比为5～15:1组成，聚合物为聚二甲基硅氧烷；固化剂为道康宁184硅橡胶固化剂。本专利技术一种基于织物的电容式传感器的工作原理如下：电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0(8.854×10-12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关，如式(1)所示。C＝ε0εrA/δ(1)通过改变(1)式中δ、A、εr三个参量中任意一个，均会引起电容量的变化，据此可将电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。本专利技术的传感器为变极距型电容式传感器，将基于织物的电容式传感器的导线与放大滤波模块输入端连接，放大滤波模块依次连接数模转换模块输入端、MCU处理模块输入端及蓝牙模块。当外部压力作用于基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于织物的电容式传感器，其特征在于，包括电极层a(1)和电极层b(4)，所述电极层a(1)与电极层b(4)之间设置有织物介电层(2)，所述电极层a(1)、电极层b(4)及织物介电层(2)均通过封装材料(3)固化封装，所述电极层a(1)和电极层b(4)均连接有导线。

【技术特征摘要】
1.一种基于织物的电容式传感器，其特征在于，包括电极层a(1)和电极层b(4)，所述电极层a(1)与电极层b(4)之间设置有织物介电层(2)，所述电极层a(1)、电极层b(4)及织物介电层(2)均通过封装材料(3)固化封装，所述电极层a(1)和电极层b(4)均连接有导线。2.如权利要求1所述的一种基于织物的电容式传感器，其特征在于，所述织物介电层(2)为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种。3.如权利要求1所述的一种基于织物的电容式传感器，其特征在于，所述电极层a(1)和电极层b(4)均包括至少两个导电铜箔，所述导电铜箔呈线性阵列设置，所述电极层a(1)的导电铜箔和电极层b(4)的导电铜箔相互垂直，每个所述电极层a(1)的导电铜箔间距为3～5mm，每个所述电极层b(4)的导电铜箔间距为3～5mm。4.如权利要求3所述的一种基于织物的电容式传感器，其特征在于，所述导电铜箔的长度为40～60mm、宽度为3～7mm、厚度为30～40μm。5.如权利要求1所述的一种基于织物的电容式传感器，其特征在于，所述封装材料(3)由聚合物和固化剂以质量比为5～15:1组成，所述聚合物包括聚二甲基硅氧烷；所述固化剂包括道康宁184硅橡胶固化剂。6.如权利要求1～5任意一项所述的一种基于织物的电容式传感器的制造方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、将所述织物介电层(2)浸渍在体积分数为75％的酒精中进行超声处理，采用去离子水对超声后的织物介电层(2)进行清洗后静置风干；步骤2、将干燥后的所述织物介电层(2)浸渍在分散液中，再依次进行超声处理、静置风干，采用熨斗将干燥后的织物介电层(2)熨平；步骤3、在熨平后的所述织物介电层(2)的上表面和下表面均粘贴导电铜箔，并将上表面的所述导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖渊，张威，李红英，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61