[发明专利]一种纤维式摩擦电应变传感器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种纤维式摩擦电应变传感器，由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线或蛇形结构，所述纤维式摩擦电应变传感器，以旋转喷墨打印技术将螺旋线结构工作电极沉积于纤维基底上，在纤维基底层上制备摩擦电应变传感器，实现了在纤维基底层上快速构建螺旋线结构导电网络，保证器件具有高延展性和更大测试范围；而且纤维基底的摩擦电应变传感器具有轻质、低成本的特性，优异的穿戴体验和简单的制造工艺为后续纺织成大面积智能织物提供基础；同时，摩擦电应变传感器是一种自供能自驱动传感元件，不需要外加电源以实现应变检测，可穿戴智能电子产品领域具有很大的应用前景。

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其是一种纤维式摩擦电应变传感器。

背景技术

应变传感器的传感机理主要依赖于材料几何变化、压容和压阻等宏观机制，以及传感元件界面脱附、薄膜中的裂纹扩展和隧道效应等微观机制。近年来，在个性化健康监测、人体运动检测、人机界面、软机器人、虚拟现实技术等应用中,可皮肤安装和可穿戴的应变传感器作为核心器件发挥重要作用，其性能将影响柔性可穿戴设备的性质、性能与未来发展趋势。

纤维已成为纺织织造、智能织物的基础材料，以纤维为基本单元设计制备的智能化传感器件可用于信息采集、处理融合。纤维状应变传感装置能够实现外力的灵敏检测，在电子纺织品中的应用中具有广阔的前景。目前，大多数可拉伸纤维导体采用混纺或涂覆方法将弹性纤维与导电填料整合在一起，在外力作用下改变导电填料之间的接触状态。导电填料之间的接触决定导电性，在拉伸过程中，导电填料可能彼此分离，导致导电性下降。导电填料的填充会降低柔性纤维的延展性，影响柔性电子设备的穿戴体验。此外，摩擦起电效应将环境中的各形式机械能转换为电能，具有无污染、结构简单、低成本、可收集低频机械能等优点，是解决可穿戴电子元件能源问题的重要策略，摩擦电传感元件的设计和应用为可穿戴电子市场创造了广阔的前景。因此，具有螺旋线结构的纤维式摩擦电应变传感器既具有纤维特有的轻质、舒适穿戴性和易于与织物集成的优良特性，又具有基于摩擦电的自供能传感特性，同时可拉伸螺旋线结构的设计保证了高弹性回复率、检测的灵敏性和稳定性。然而，如何在纤维表面快速、低成本构建稳定的可拉伸导电网络依旧是技术挑战。

纤维式摩擦电应变传感器通过旋转喷墨打印工艺在弹性纤维表面构筑螺旋线结构，分别解决了应变传感器在外反复作用下的导电性下降和加工工艺复杂成本高不利于批量生产的问题。从材料的角度采用高延展性的弹性聚合物纤维增大了测试范围，从器件的角度采用螺旋线结构工作电极保证了传感特性的稳定，从加工工艺角度旋转喷墨打印使制作工艺简单成本降低。

然而，尽管已经报道了若干纤维式应变传感器的制备方法，但以旋转喷墨打印为方法在纤维基底打印螺旋线结构工作电极的摩擦电应变传感器仍然存在三个主要的技术挑战，包括：1、在纤维基底上制备螺旋线结构电极需保证工作电极形成稳定导电网络。2、在纤维基底上制备的摩擦电应变传感器应具有优良的传感性能。3、制备的纤维式应变传感器应具有舒适的穿戴体验和良好穿戴性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种纤维式摩擦电应变传感器。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述纤维式摩擦电应变传感器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种纤维式摩擦电应变传感器，由内而外依次为纤维基底层、工作电极层和封装层，其中，所述纤维基底层的材料为具有良好生物兼容性的柔性可拉伸聚合物(弹性聚合物纤维)，所述工作电极层的材料为导电材料，所述封装层的材料为柔性可拉伸聚合物，所述纤维基底层和工作电极层置于封装层内，所述工作电极层固定于所述纤维基底层外周呈螺旋线或蛇形结构。

上述纤维式摩擦电应变传感器，在外力作用下所述工作电极层和封装层在拉伸挤压下产生应变，使得所述工作电极层和封装层的接触状态发生变化，所述工作电极层与封装层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生够表征所述应变的电学输出。