用于监测人体运动和生理信号的大面积全纺织压力传感器外文翻译资料

 2022-04-26 22:50:41

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用于监测人体运动和生理信号的大面积全纺织压力传感器

刘孟蒙，朴雄，江春燕，刘婷，黄新，陈立波，杜春花，孙江满，胡卫国*王忠林*

摘要：可感知和响应环境刺激的耐磨压力传感器是智能纺织品的重要组成部分。本文中，大面积的全纺织压力传感器阵列成功应用在常见的织物基底上。纺织传感器单元实现了高灵敏度（14.4 kPa-1），低检测极限（2 Pa），快速响应（asymp;24ms ），低功耗（lt;6mu;W）以及恶劣变形下的机械稳定性。基于这些优点，纺织传感器被证明能够识别手指移动，手势，声振动和实时脉搏波。此外，大面积传感器阵列可成功制造在一块纺织品衬底上，以在空间上映射触觉刺激，并可直接并入面料服装中进行时尚设计，而不会牺牲舒适度，这表明智能纺织品与可穿戴电子设备存在巨大潜力。

关键词：大面积，压力传感器，智能纺织品，可穿戴电子产品

即将推出的智能纺织品（也称为电子织物），其中各种电子元件如机敏传感器[1]，电子皮肤[2]，柔性晶体管[3]，能量采集和存储设备，[4]可拉伸电子元件[5]等被集成在纱线，织物或服装中，引起了人们相当大的兴趣。可感知和响应环境刺激的耐磨压力或应变传感器是电子纺织品的重要组成部分，他们已初步在应用探索生物监测生理信号，纺织品键盘和触摸板等方面。对于电子纺织品而言，压力传感器需要具有高度敏感（特别是在低压范围内），灵活，舒适，轻便，透气及可清洗的特性，而大多数基于现有技术的压力传感装置属于由微机电系统技术制造的刚性硅基应变传感器，由于它们的刚性，低灵敏度和有限的检测范围，难以满足这些要求。[2a]因此，易结合到服装中且不会牺牲其柔软度，设计灵活性和便利性的基于纺织的柔性压力传感器，是电子纺织品的理想选择

近年来，国内外致力于加强开发柔性压敏器件。通过利用电容，[7]压电，[8]电阻，[9]及摩擦电[10]效应已经实现了许多“皮肤状”传感器（例如电子皮肤）。 已经被报导出的这些基于超薄无机硅，[11]压敏橡胶，[12]有机半导体，导电聚合物，[7a]离子凝胶[14]或自供电系统[15]的压力传感器具有高灵敏度和优异的灵活性。 然而，这些传感器或是制造过程复杂，或是材料为板状塑料或聚合物基材（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚酰亚胺（PI），聚二甲基硅氧烷（PDMS），橡胶和纸）[16]对于应用在智能纺织品上仍然不合适。

由于纺织品具有吸湿，柔软，透气和对于人体皮肤舒适的特性，纺织品是设计柔性压力传感器的理想工具，特别是对于具有医疗保健和人类活动检测目的的可穿戴电子设备而言。[17] 考虑到纺织品的波浪表面，上述材料选择和加工技术通常是不适用的。近来，基于电阻纺织物的压力传感器已经在各种纳米材料的帮助下出现，例如纤维状碳纳米管（CNT），[2b，18]石墨烯，[19]石墨烯/聚合物纳米复合材料，[20]碳化丝织物 ，[21]静电纺纳米纤维，[6a，22]和涂有含碳材料的普通布。[7b，16b，23]尽管取得了这些进展，仍然需要基于全织物的压力传感器。 此外，能够绘制压力分布的大面积纺织压力传感器阵列很少有报道。

在这里，我们展示了一种用于制造基于全纺织物的压力传感器和大面积传感器阵列的简便而新颖的方法。电阻纺织传感器单元由底部叉指式纺织电极和涂有CNT的棉织物的顶部桥组成，普通织物上的叉指导电电极（聚酯，尼龙等）是通过激光刻划共形镍涂层的掩模和无电沉积制造的。纺织基材上的传感器表现出高灵敏度（压力低于3.5 kPa时为14.4 kPa-1，压力范围为3.5-15 kPa时为7.8 kPa-1），稳定的循环性能（1000次循环）和快速响应时间（asymp;24ms）和低检测限（2Pa）。同时，制造的纺织品压力传感器可以附着在人体皮肤上，检测各种力和振动，并监测低功耗（lt;6W）的实时脉搏波。此外，触觉传感器阵列已成功制造并直接并入织物服装进行压力测绘。

图1.基于纺织品的压力传感器的制造。 a）织物压力传感器制造程序的示意图。b，c）纺织品上涂Ni指状电极的SEM图像。 d）e）不同放大倍数下棉织物上CNT涂层形态的扫描电子显微镜（SEM）图像。 f）显示纺织传感器可弯曲性的照片。 j）在聚酯上制作的不同导电图面料。 g-i）由直流电源通过打结（g），轧制（h）和弯曲（i）织物导电电路点亮的LED。 比例尺对于（b）为1mm，对于（b）为3mu;m（c）和500纳米（c）中的插图。 （e）中的比例尺为500mu;m，（e）为100mu;m，（e）中为1mu;m。

用于可穿戴电子纺织品的压力传感装置应当同样适用于时尚和舒适的设计。图1a说明了所有基于纺织品的压力传感器的制造程序。如图1a示意性所示，在两侧用Kapton胶带密封的商业聚酯织物经历激光划线以形成具有期望图案的掩模。控制激光的强度以切穿顶部Kapton层，但不会损坏下面的织物。带Kapton掩模的聚酯织物然后通过我们先前报道的方法进行保形Ni涂层的无电沉积（ELD）。[4a]在去除Kapton掩模后，在织物基底上涂布两个交指型配置的镍电极。然后，将一块浸有CNT的棉纺织物放置在Ni涂布的交叉指状电极的顶部，接着覆盖用于封装的薄3M VHB 9469（典型地为丙烯酸酯聚合物）膜。采用掩模辅助ELD涂层方法，可以观察到两个相邻镍指状电极之间的明显间隙，并保持原始织物的编织特征（见图1b）。在更高的放大倍数下，可观察到包裹聚酯纤维的Ni纳米粒子（见图1c中的插图）。图1d，e是CNT涂覆的棉织物的SEM图像，表明CNT涂层是均匀的，并且每个单独的棉纤维用一层渗透的CNT网络装饰（参见图1e中的插图;以及图S1，支持物信息）。由于Ni和CNT涂层都很薄，最终的压力传感器保持了原始纺织品的机械灵活性，如图1f中的弯曲纺织传感器所证实的。对于底部叉指电极，指状电极宽度为0.8mm，绝缘间隙宽度为0.4mm（参见交叉织物尺寸的支持信息中的图S2）。

CNT织物和涂有纳米颗粒的Ni纺织品的分层多孔纳米结构提供了足够大的表面积，足够的粗糙度和弹性用以“感觉”压力加载时接触电阻的变化。施加的外部压力将导致多孔结构的小变形，并因此导致顶部CNT织物桥和底部Ni织物电极之间的接触面积增加。接触面积的这种增加将导致CNT和Ni膜之间更多的导电通路，所以当增加施加的压力时电流会增加，如图1a所示。将0.2 V的恒定电压施加到底部Ni叉指状织物上，使电流流过CNT和Ni涂层之间的每个接触尖端，每个尖端相当于并联电路中的电阻（见图S3，支持信息）。接触电阻的变化是纺织传感器对施加的外部压力的响应的主要原因。[16b]

这种掩模辅助ELD方法能够用各种导电图案涂覆波状织物，并且有希望应用于纺织电路中。为了演示，如图1j所示，在聚酯织物（花朵，树木，“纺织品”，三角形阵列，矩形线的英文单词）上制作了一系列导电图纸。由于金属膜的高导电性，Ni织物的薄层电阻仅测得约为0.7Ohm sq-1。通过直线电机将镍导电电极以20mm的曲率半径弯曲2000次以确认机械柔韧性和耐久性，导电织物的电导率没有明显的降低（见图S4，支持信息）。例如发光二极管（LED）微电子器件也成功地制造在多孔织物表面上。图1g-i显示，即使在打结（图1g）的情况下，商用LED电池也可以通过直流电流源点亮（图1g），这些LED电池可粘贴到各种镀镍导电纺织品上（参见图S5中支持信息中LED和导电织物之间的连接细节）或滚动（图1h）条件。另外，我们在聚酯织物上以四个字母的形式设计了另一种图案，即“BINN”，如图1e所示。每个字母由两条平行的镍线组成，并附有LED电池。弯曲下不同颜色的发光LED图像表明所有连接均稳定。这种掩模辅助沉积途径也适用于几种不同的纺织品基材。在尼龙织物上也成功地制造出了具有明显间隙的各种图案（参见图S6a，支持信息）。图S6b-h显示了坚固的纺织基材上的线条和空间图案。我们的方法可以制造最小缝隙尺寸为300mu;m，线宽最小为300mu;m的线（参见图S6，支持信息）。这些尺寸对于连接商用电子元件来说足够小。[24]

为了探索所提供的传感器的压力响应，我们测量了对设备上施加的不同压力的当前响应。不同压力下的I-V曲线表明我们的设备对静态压力的响应是稳定的，并且在每个施加压力下的电阻（I-V曲线的斜率）是恒定的（参见图2a）。压力传感器的灵敏度定义为S =delta;（Delta;I/ I0）/delta; P，其中Delta;I是电流的相对变化，I0是没有施加压力的电流，P是施加的压力。灵敏度从具有15个循环的CNTs涂层的织物传感器的棉织物中测定，即对于低于3.5kPa的压力为14.4kPa-1，对于3.5-15kPa为7.8kPa-1（参见图2b）。

图2.机电性能评估。 a）施加各种压力的传感器的I-V曲线。 b）记录的电流变化（Delta;I/ I0） - 压力关系的三个压力传感器与不同数量的CNT涂层。 c）以设备上施加的不同压力下的时间函数绘制电流分布图。 d）2800Pa压力下的耐久性测试e）900次弯曲前后的传感器性能。插图是弯曲传感器的照片。 f）与先前报道的压力传感器相比，我们基于纺织品的传感器的灵敏度在PET上[27]聚合物晶体管，在PDMS上的[7a] AuNWs纸，在PET上的金字塔结构[12]和在PET上的TESMs [10c]

图2c显示了纺织传感器在四种不同压力下的典型电流分布（Delta;I/ I0）。在2.9kPa的压力下重复加载 - 卸载约1000次循环后，电流曲线显示没有明显的退化（见图2d），证实纺织传感器的性能对于长期服务是稳定的。另外，当前响应和输入压力波在1.6kPa的压力下很好地匹配（见图S7，支持信息）。纺织品传感器也非常灵活，因为所有组件均基于柔软的纺织品。此外，通过直线电机反复弯曲曲率半径为25 mm的超过900个周期后，该设备的性能显示出可以忽略不计的变化（图2e），进一步证实了其机械稳定性和耐用性。图2e中的插图光学图像显示了固定在线性电机上的弯曲织物压力传感器。...

由于编织（波状）结构可以在不同的方向上延伸，所以纺织品可以被内在拉伸[25]。进行单轴拉伸试验以评估原始纺织品，镀镍纺织品和纺织品传感器的机械性能（图S8，支持信息）。图S8a（支持信息）显示了器件在初始状态（0％应变）和拉伸状态（应变ε= 3.7％）下的光学图像。传感器和Ni涂层织物在51.6和46.2 MPa的应力下显示出最终的失效应变=5.2％（图S8b，支持信息）。测试还表明，该装置和镍涂层纺织品比原始纺织品强约144％和129％。除了弯曲容差之外，纺织传感器还可以承受一定程度的线性应变（图S9，支持信息）。经过5次重复循环拉伸以使应变le;3.7％后，器件显示出稳定的机械性能（图S9a，支持信息）。同时，在循环加载之后，器件的灵敏度变化可以忽略不计（图S9b，支持信息）。

图2f将本工作获得的灵敏度与文献报道的压力传感器的灵敏度进行比较。我们的方法的灵敏度通常高于或与具有浸涂Aunanowire薄纸的结构的压力传感器相比，[26] PDMS衬底上的互锁纳米纤维（1.14-11.45kPa-1），[22] PI上的聚合物晶体管（PET）上的[10.4]摩擦电传感器矩阵（TESM），PET上的[10b]金字塔微结构化PDMS膜[12]和PET（14 kPa-1）上的分层石墨烯（HIE和HIE-LM）[27]以及以前大多数文献报道的那些[28]（见表S1，支持信息）。我们将设备的高灵敏度归因于具有分级纳米结构的顶部CNT织物和具有Ni纳米颗粒涂层的底部织物交叉指状电极的丰富的接触界面区域[9a，24b]。电阻性皮肤传感器的大多数底部电极基于光刻金属，氧化铟锡（ITO），石墨烯，CNT或平坦基底上的导电聚合物电极。与平面基底相比，由众多微纤维编织而成的波状纺织品可以在顶部和底部电极之间提供更多的接触面积，从而实现高灵敏度。

由于纺织品压力传感器的高灵敏度和灵活性，它被用于检测手指手势，手势和声音振动。纺织压力传感器连接到食指弯曲的皮肤上。一旦手指弯曲，底部镍电极和顶部碳纳米管涂层棉织物之间的接触面积将增加，导致电流相应升高（见图3a）。随着弯曲角度的增大，电流会进一步增大。除了弯曲力外，我们的压力传感器还可用于检测按压（图3b），扭转（图3c）和拉伸（图S10b，支持信息）力。通常，在加载/卸载期间电信号的滞后是物理传感器的关键问题之一。基于导电橡胶的感应性能很容易受滞后效应的限制[7a，28a]通过切换装载和卸载状态，需要几百毫秒将设备从拉伸/弯曲状态恢复到初始状态（图S10，支持信息）。

由于高灵敏度，我们的压力传感器也可用于检测声学振动。为了展示这种能力，我们将传感器连接到薄膜上，并将它们放置在靠近扬声器的地方（见图3d）。有趣的是，随着扬声器的开启，来自音乐的微小振动力可被准确地记录下来。当扬声器关闭时，响应电流逐渐回到初始状态（见图3e）。另外，传感器可以连接到吉他上以获得微小的振动识别（参见图

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