本發(fā)明涉及應(yīng)變傳感器領(lǐng)域，具體涉及柔性可穿戴應(yīng)變傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著谷歌眼鏡、智能手表、手環(huán)等為代表的一系列電子設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，柔性可穿戴電子設(shè)備得到了極大重視和快速發(fā)展，越來(lái)越多的研究工作致力于開發(fā)柔性傳感器、柔性驅(qū)動(dòng)器、人造電子皮膚等可穿戴的微型電子器件。

傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器常用剛性材料制備，伸展性和可穿戴性都較差。最近蓬勃發(fā)展的可穿戴電子學(xué)器件、交互式仿生機(jī)器人等領(lǐng)域要求傳感器能夠探測(cè)大應(yīng)變(>>5％)，而且與生物體具有兼容性，傳統(tǒng)的傳感器顯然無(wú)法滿足上述要求。因此，人們正在探索新型的可拉伸的應(yīng)變傳感器。

碳納米管具有準(zhǔn)一維特性和優(yōu)異的導(dǎo)電性，其宏觀聚集體(薄膜)天然的具有可拉伸性能，是制備可拉伸功能器件的理想材料。此外，纖維狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三維方向上的柔性，能夠適應(yīng)多種多樣的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，而且可以像傳統(tǒng)化學(xué)纖維一樣，通過(guò)低成本的紡織技術(shù)，制成可穿戴性能良好的織物，從而有效滿足可穿戴設(shè)備和各種便攜式電子設(shè)備的發(fā)展需要。

但常見的應(yīng)變傳感器僅僅具有單一的形狀，難以滿足多種電子設(shè)備功能或者多樣化實(shí)際應(yīng)用的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的形狀常常需要被固定，例如將可穿戴電子器件中固定在身體的不同部位上。因此，發(fā)展一種能夠滿足多種需求，實(shí)現(xiàn)用戶自定義形狀的可穿戴設(shè)備就顯得尤其重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：提供一種具有形狀記憶功能的纖維狀應(yīng)變傳感器及其制備方法。

技術(shù)方案：具有形狀記憶功能的纖維狀應(yīng)變傳感器以形狀記憶聚合物纖維為基底，用機(jī)械纏繞的方法包裹取向碳納米管薄膜作為導(dǎo)電層，再用電化學(xué)沉積的方法修飾導(dǎo)電高分子，形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米管/導(dǎo)電高分子復(fù)合薄膜，最終得到具有形狀記憶功能的纖維狀應(yīng)變傳感器。

本發(fā)明所述的形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器的制備方法，具體步驟為：

1.用化學(xué)氣相沉積法(cvd)制備可紡取向碳納米管陣列，在可紡取向碳納米管陣列上拉出取向碳納米管薄膜；

2.將形狀記憶纖維固定在轉(zhuǎn)速一致的兩個(gè)馬達(dá)上，配合平移臺(tái)，將取向碳納米管薄膜相對(duì)于水平方向的纖維以70°-80°角搭在形狀記憶纖維上；控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和平移臺(tái)的速度保持勻速，使碳納米管薄膜均勻纏繞在形狀記憶纖維上并保持角度不變，得到cnt包裹的tpu導(dǎo)電纖維；

3.用電化學(xué)沉積的方法在導(dǎo)電纖維上修飾導(dǎo)電高分子聚吡咯，形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米管/導(dǎo)電高分子復(fù)合薄膜，得到纖維狀的應(yīng)變傳感器。

本發(fā)明所述的可穿戴器件的制備方法為：將得到的纖維狀應(yīng)變傳感器固定在聚二甲基硅氧烷(pdms)柔性基底上，兩端接銅線涂銀膠，干燥后用環(huán)氧樹脂膠密封，得到可穿戴器件。

本發(fā)明所述的取向碳納米管陣列采用化學(xué)氣相沉積法制備，具體步驟是：在si/sio2基片上噴鍍一層厚度1nm的fe薄膜作為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法，用乙烯作碳源，以氬氣作為載氣，在si/sio2基片上合成高度取向的碳納米管陣列；其中乙烯流量為30-50sccm，氬氣流量為100-200sccm，在裝備直徑1英寸石英管的管式爐中750℃下生長(zhǎng)10min。

本發(fā)明所述的電化學(xué)沉積聚吡咯的方法，具體步驟是：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯單體、0.001mhcl的溶液，用包裹c(diǎn)nt的tpu纖維作為工作電極，ag/agcl電極作參比電極，鉑電極作對(duì)電極，在0.75v恒電壓下聚合500-2000s。

有益效果:

1、本發(fā)明利用具有形狀記憶性能的高分子聚合物纖維制備出形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器，由于碳納米管薄膜以70°-80°角均勻纏繞在形狀記憶纖維上形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且聚吡咯層既能作為導(dǎo)電層又能作為保護(hù)層，使得碳納米管/聚吡咯復(fù)合薄膜在大應(yīng)變下仍然能保持結(jié)構(gòu)的完整性，因而傳感器能在0-50％的應(yīng)變范圍內(nèi)，保持較高的靈敏度(0-10％應(yīng)變以內(nèi)為10，10-50％應(yīng)變以內(nèi)為3-5)，并且具有較低的檢測(cè)限(0.1％應(yīng)變)，能保證其作為應(yīng)變傳感器對(duì)各類人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。

2、此應(yīng)變傳感器還具有形狀記憶功能，能夠定型成不同的曲率和長(zhǎng)度，并且在達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)能夠回到原始的形狀，變形前后性能沒(méi)有發(fā)生明顯改變。這種具有形狀記憶功能的纖維狀應(yīng)變傳感器可通過(guò)直接貼于皮膚或附著于衣物實(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、呼吸、語(yǔ)音識(shí)別的檢測(cè)，并且其獨(dú)特的形狀記憶功能可以與任意形狀的可穿戴配件實(shí)現(xiàn)緊配合，為可穿戴器件的制備提供了新的思路。

附圖說(shuō)明

圖1是可紡取向碳納米管陣列和碳納米管薄膜的sem照片，其中圖a是可紡取向碳納米管陣列；圖b是取向碳納米管薄膜；

圖2是形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器的制備過(guò)程示意圖；

圖3是包裹c(diǎn)nt的tpu纖維電化學(xué)沉積聚吡咯不同時(shí)間的sem形貌圖，其中圖a是未沉積前的sem形貌圖，圖b、c、d分別是沉積500s、1000s、2000s的sem形貌圖；

圖4是電化學(xué)沉積0s、500s、1000s、2000s的形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻變化—應(yīng)變曲線；

圖5是測(cè)試形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器檢測(cè)限的曲線；

圖6是形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體手指關(guān)節(jié)彎曲的檢測(cè)；

圖7是形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體呼吸的檢測(cè)；

圖8是形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度變形及恢復(fù)的過(guò)程圖；

圖9是將形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器編織成織物，通過(guò)形狀記憶功能與關(guān)節(jié)處實(shí)現(xiàn)緊配合的演示圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

1.用化學(xué)氣相沉積法(cvd)制備可紡取向碳納米管陣列：在si/sio2基片上噴鍍一層厚1nm的fe薄膜作為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法，用乙烯作碳源，以氬氣作為載氣，在si/sio2基片上合成高度取向的碳納米管陣列；其中乙烯流量為30sccm，氬氣流量為100sccm，在裝備直徑1英寸石英管的管式爐中750℃下生長(zhǎng)10min。

2.將一定直徑的tpu纖維固定在相同轉(zhuǎn)速的兩個(gè)馬達(dá)上，把一個(gè)可紡碳納米管陣列放在平移臺(tái)上，然后把碳納米管薄膜從陣列中拉出，以70°角搭在tpu纖維上?？刂岂R達(dá)的轉(zhuǎn)速和平移臺(tái)的速度勻速，保持角度不變使碳納米管螺旋纏繞在tpu纖維上，從而得到cnt包裹的tpu導(dǎo)電彈性纖維。

3.在導(dǎo)電纖維表面電化學(xué)沉積一層導(dǎo)電高分子聚吡咯：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯單體、0.001mhcl的溶液，用包裹c(diǎn)nt的tpu纖維作為工作電極，ag/agcl電極作參比電極，鉑電極作對(duì)電極，在0.75v恒電壓下聚合500s,得到纖維狀應(yīng)變傳感器。

實(shí)施例2：

1.用化學(xué)氣相沉積法(cvd)制備可紡取向碳納米管陣列：在si/sio2基片上噴鍍一層厚1nm的fe薄膜作為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法，用乙烯作碳源，以氬氣作為載氣，在si/sio2基片上合成高度取向的碳納米管陣列；其中乙烯流量為50sccm，氬氣流量為200sccm，在裝備直徑1英寸石英管的管式爐中750℃下生長(zhǎng)10min。

2.將一定直徑的tpu纖維固定在相同轉(zhuǎn)速的兩個(gè)馬達(dá)上，把一個(gè)可紡碳納米管陣列放在平移臺(tái)上，然后把碳納米管薄膜從陣列中拉出，以75°角搭在tpu纖維上?？刂岂R達(dá)的轉(zhuǎn)速和平移臺(tái)的速度勻速，保持角度不變使碳納米管螺旋纏繞在tpu纖維上，從而得到cnt包裹的tpu導(dǎo)電彈性纖維。

3.在導(dǎo)電纖維表面電化學(xué)沉積一層導(dǎo)電高分子聚吡咯：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯單體、0.001mhcl的溶液，用包裹c(diǎn)nt的tpu纖維作為工作電極，ag/agcl電極作參比電極，鉑電極作對(duì)電極，在0.75v恒電壓下聚合1000s,得到纖維狀應(yīng)變傳感器。

實(shí)施例3：

1.用化學(xué)氣相沉積法(cvd)制備可紡取向碳納米管陣列：在si/sio2基片上噴鍍一層厚1nm的fe薄膜作為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法，用乙烯作碳源，以氬氣作為載氣，在si/sio2基片上合成高度取向的碳納米管陣列；其中乙烯流量為45sccm，氬氣流量為155sccm，在裝備直徑1英寸石英管的管式爐中750℃下生長(zhǎng)10min。

2.將一定直徑的tpu纖維固定在相同轉(zhuǎn)速的兩個(gè)馬達(dá)上，把一個(gè)可紡取向碳納米管陣列放在平移臺(tái)上，然后把取向碳納米管薄膜從陣列中拉出，以80°角搭在tpu纖維上?？刂岂R達(dá)的轉(zhuǎn)速和平移臺(tái)的速度勻速，保持角度不變使碳納米管螺旋纏繞在tpu纖維上，從而得到cnt包裹的tpu導(dǎo)電彈性纖維。

3.在導(dǎo)電纖維表面電化學(xué)沉積一層導(dǎo)電高分子聚吡咯：配置含0.02mkcl、0.05m吡咯單體、0.001mhcl的溶液，用包裹c(diǎn)nt的tpu纖維作為工作電極，ag/agcl電極作參比電極，鉑電極作對(duì)電極，在0.75v恒電壓下聚合2000s,得到纖維狀應(yīng)變傳感器。

實(shí)施例1-3中可紡取向碳納米管陣列和取向碳納米管薄膜的sem照片見附圖1。

實(shí)施例1-3中形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器的制備過(guò)程見附圖2。

實(shí)施列1-3中不同電化學(xué)沉積時(shí)間的聚吡咯形貌圖見附圖3。

對(duì)實(shí)施例1-3中的形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器施加應(yīng)變，測(cè)試其相對(duì)電阻變化(見附圖4)，測(cè)試結(jié)果表明電化學(xué)沉積2000s的纖維得到的效果最好：能在50％的應(yīng)變范圍內(nèi)，保持較高的靈敏度(0-10％應(yīng)變以內(nèi)為10，10-50％應(yīng)變以內(nèi)為3-5)。

為了測(cè)試形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器的低檢測(cè)限，對(duì)實(shí)施例3中的形狀記憶纖維狀應(yīng)變傳感器施加2％-0.1％的遞減應(yīng)變(見附圖5)，測(cè)試結(jié)果表明最低檢測(cè)限為0.1％應(yīng)變，有利于檢測(cè)微小的人體活動(dòng)。

將實(shí)施例3得到的纖維狀應(yīng)變傳感器固定在pdms柔性基底上，兩端接銅線涂銀膠，干燥后用環(huán)氧樹脂膠密封，可得到可穿戴器件，便于后續(xù)人體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)人體手指關(guān)節(jié)彎曲見附圖6，監(jiān)測(cè)人體呼吸見附圖7。

該纖維狀應(yīng)變傳感器另一項(xiàng)重要特點(diǎn)是形狀記憶功能，將纖維加熱到轉(zhuǎn)變溫度可以定型成想要的形狀，再次達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度又能恢復(fù)原狀，過(guò)程見附圖8。

此外，將多根纖維編織在一起可以制成可穿戴的織物，該織物能通過(guò)形狀記憶功能實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)處的緊配合(見附圖9)，適用于多種非平面結(jié)構(gòu)的物體，為可穿戴器件的制備提供了新的思路。