導(dǎo)電膠布的另一面，使兩片聚二甲基硅烷柔性襯底夾持棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布的兩面，形成層狀結(jié)構(gòu)(如圖3所示)；
e.將d步驟獲得的層狀結(jié)構(gòu)整體置于60°C或65°C或70°C的大氣環(huán)境下烘干8min或9min或10 min或11 min或12 min，其中溫度在60?70°C之間均可，時間在8?12 min之間均可，得基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元。
[0014]聚二甲基硅烷柔性襯底為半干狀態(tài)，半干狀態(tài)的聚二甲基硅烷柔性襯底制備方法為:將厚度為300μπι或350μπι或400μπι的液體狀聚二甲基硅烷放置于55°C或60°C或65°C的大氣環(huán)境下烘干15 min或17 min或19 min，獲得半干狀態(tài)的聚二甲基硅烷，其中液體狀聚二甲基娃燒的厚度在300?400 μπι之間均可，溫度在55?65 1之間均可，時間在15?19 min之間均可。
[0015]所述液體狀聚二甲基硅烷中加入固化劑，聚二甲基硅烷和固化劑的質(zhì)量配比為:10:0.5或I或1.5，即在10:0.5?1.5之間均可。棉布和表面覆有金膜導(dǎo)電膠布用銀膠連接。
[0016]對本發(fā)明的產(chǎn)品的具體測試結(jié)果:
從圖1、2碳化后棉布的光學(xué)照片和電子顯微鏡照片可以看出，碳化后棉布是由碳纖維線相互交錯纏繞而成。該結(jié)構(gòu)疏松多孔，在應(yīng)力下，碳纖維之間以及碳線之間接觸會發(fā)生改變，進(jìn)而改變整個基元的外觀電阻。接觸電阻在應(yīng)力下的變化即為基元的傳感機(jī)理。
[0017]圖3為基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的結(jié)構(gòu)原理圖。碳化后的棉布夾在兩片柔性的PDMS之間，棉布在應(yīng)力下的電阻變化由兩個引出電極記錄。
[0018]圖4為一塊大小為2X Imm2的棉布制成的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在壓力下的1-V特性曲線和電流的瞬時響應(yīng)曲線。實驗測試中，棉布可承受超過5kPa的壓強(qiáng)而不發(fā)生任何結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性上的永久性變化。在壓力作用下，基元的電阻減小。壓力撤除的瞬間，電流在35ms內(nèi)完成了瞬態(tài)過渡。
[0019]基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)下均有明顯的電阻變化，且均可用指數(shù)型曲線進(jìn)行描述。從圖5可以看出，在壓力和彎曲下電阻指數(shù)減小，在扭轉(zhuǎn)下電阻減小的速度先上升后下降，在扭轉(zhuǎn)角在90°左右時變化速度達(dá)到最大，變化過程可用兩段指數(shù)型曲線進(jìn)行描述。根據(jù)擬合曲線，在壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)下可產(chǎn)生的最大電阻變化分別為26.5%、68.9%和39.%。將該傳感基元用于存在彎曲的應(yīng)用環(huán)境下，將達(dá)到很高的響應(yīng)度。
[0020]圖6為基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元以Is為周期的循環(huán)特性測試曲線。在100次循環(huán)下表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。從以5s為周期的瞬時響應(yīng)曲線可以看出，對快速的彎曲有非常尖銳的峰值響應(yīng)，表現(xiàn)出極高的信噪比。當(dāng)基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元回到初始狀態(tài)時，基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元電阻并非立即回到初始值，而是先躍變到阻值較高的狀態(tài)，然而逐漸弛豫到初始狀態(tài)。這種弛豫來源于在彎曲的過程中碳纖維線之間出現(xiàn)的錯位，之后碳纖維線會逐漸弛豫到最為緊密和牢固的狀態(tài)，因此電阻逐漸減小。電阻隨時間變化的弛豫過程可以用指數(shù)函數(shù)擬合，進(jìn)而可以計算出弛豫時間。從圖8可以得到平均弛豫時間為3.43s。
[0021]圖9為基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在測試門的開合時的電流響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線的噪聲小，響應(yīng)曲線穩(wěn)定。圖10為基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元在測試指關(guān)節(jié)運(yùn)動時的電流響應(yīng)曲線，同樣表現(xiàn)出了很小的噪聲。當(dāng)基元的長度可以覆蓋兩個指關(guān)節(jié)時，從響應(yīng)曲線可以分辨出是哪個關(guān)節(jié)發(fā)生了彎曲。
【主權(quán)項】
1.一種基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元，其特征在于:包括位于中間層的完全碳化的棉布層，棉布層由兩片聚二甲基硅烷柔性襯底夾持固定，在棉布層的兩側(cè)邊有覆有金膜的導(dǎo)電膠布作為引出電極，覆有金膜的導(dǎo)電膠布位于兩片聚二甲基硅烷柔性襯底之間。2.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元，其特征在于:所述的棉布與帶有金膜的導(dǎo)電膠布之間有銀膠連接。3.—種基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的制備方法，其特征在于:步驟如下: a.將棉布紡織品切割成所需尺寸，然后置于溫度為600?800°C的氬氣環(huán)境下煅燒25?35 min，獲得完全碳化的棉布； b.將作為引出電極的兩片覆有金膜的導(dǎo)電膠布分別連接在碳化后的棉布的兩側(cè)邊處，然后將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布平鋪緊貼在聚二甲基硅烷柔性襯底上； c.將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布及聚二甲基硅烷柔性襯底置于60?70°C的大氣環(huán)境下烘干8?12 min； d.將另一片聚二甲基硅烷柔性襯底緊貼在棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布的另一面，使兩片聚二甲基硅烷柔性襯底夾持棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布的兩面，形成層狀結(jié)構(gòu)； e.將d步驟獲得的層狀結(jié)構(gòu)整體置于60?70°C的大氣環(huán)境下烘干8?12min，得基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元的制備方法，其特征在于:所述的聚二甲基硅烷柔性襯底為半干狀態(tài)，所述半干狀態(tài)的聚二甲基硅烷柔性襯底制備方法為:將厚度為300?400 μπι的液體狀聚二甲基硅烷放置于55?65 °C的大氣環(huán)境下烘干15?19 min，獲得半干狀態(tài)的聚二甲基硅烷； 所述液體狀聚二甲基硅烷中加入固化劑，聚二甲基硅烷和固化劑的質(zhì)量配比為:10:.0.5?1.5 ； 棉布和表面覆有金膜導(dǎo)電膠布用銀膠連接。
【專利摘要】基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元，棉布層由兩片PDMS柔性襯底夾持固定，棉布層的兩側(cè)邊有覆有金膜的導(dǎo)電膠布作為引出電極。制備步驟如下：將棉布紡織品切割成所需尺寸，然后置于溫度為600～800？℃的氬氣環(huán)境下煅燒25～35？min；將作為引出電極的兩片覆有金膜的導(dǎo)電膠布分別連接在碳化后的棉布的兩側(cè)邊，將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布平鋪緊貼在PDMS柔性襯底上；將棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布及PDMS柔性襯底置于60～70？℃的大氣環(huán)境下烘干8～12？min；將另一片PDMS柔性襯底緊貼在棉布和覆有金膜的導(dǎo)電膠布的另一面；將層狀結(jié)構(gòu)整體置于60～70℃的大氣環(huán)境下烘干8～12？min，得基于碳化棉布的柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元。
【IPC分類】G01N27/04
【公開號】CN105548269
【申請?zhí)枴緾N201510890704
【發(fā)明人】潘路軍, 鄧承浩
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月7日