織物基底的柔性溫度傳感器研制與測試

郭 華,宋金亞, 張 翔, 李海霞

(1.上海電子信息職業技術學院,上海 201411； 2.上海大學 機電工程與自動化學院,上海 200444；3.上海航天智能裝備有限公司,上海 201112)

0 引 言

溫度傳感器是將與溫度有關的物理量轉換為可被測量系統識別的信號進行溫度測量的器件[1～3]。與傳統的剛性溫度傳感器相比,柔性溫度傳感器因為具有機械堅固性、生物相容性、多功能以及舒適性等優點,引起不同行業的關注,成為近些年來研究的熱點[1～3]。可穿戴的柔性溫度傳感器因其柔韌、輕薄等優勢,適合于在機器人、醫療保健、運動員與消防員的生理參數監測等方面的應用[1,4～9]。到目前為止,制備方式簡單、靈敏度高、舒適度高的可穿戴柔性溫度傳感器仍然是研究人員關注的重點[1]。基于此,本文研制了一種新型的柔性溫度傳感器。

1 主要材料的選取

1.1 基底材料

柔性溫度傳感器所用的基底材料主要包括聚氨酯(PU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、紙張和織物等[1,3,10～15]。其中,熱膨脹系數大、響應高以及兼具柔韌性等特點使PDMS成為廣泛選用的基底材料,但和其它聚合物如PU、PI、PET等一樣,制作的聚合物薄膜基底透氣性和親膚性差,而紙張吸濕性強、耐久性差,所以它們都不太適于用來制作真正可穿戴的溫度傳感器的基底[1]。紡織織物因為具有輕薄、柔軟、堅固、可變形等特點,具備高透氣性和親膚性,可反復清洗,是可穿戴溫度傳感器基底的合適選擇[1,16～19]。

1.2 熱敏材料

在已公開的成果中,柔性溫度傳感器所用的熱敏材料主要有熱敏導體和熱敏油墨,其中熱敏導體主要包括碳納米材料、金屬、導電聚合物材料等,熱敏油墨主要包括金屬油墨、碳納米管或石墨烯油墨、導電聚合物油墨等[1,3,20,21]。導電聚合物因具有獨特的電、磁、光學性質而受到科技界的關注,如聚(3,4—乙烯二氧噻吩)—聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT︰PSS),具有柔韌性、可穿戴性、可水洗性,且抗疲勞,還表現出接近金屬的高導電性[1,3,9,22,23]。由于基于導電聚合物的溫度傳感器易于合成[1,3],因此，本文制作的溫度傳感器使用以PEDOT︰PSS為主要成分的油墨來制作熱敏傳感層。

2 傳感器的制作

2.1 織物基底

基底采用棉紡市場購買的普通純棉織物,基于筆者所在團隊前期相關工作,先對其進行改性處理,過程如圖1所示,獲得傳感器所用織物基底,改性處理所用溶液的主要成分為聚(4—乙烯基吡啶)、SU—8光刻膠、1,4—二氧六環、無水乙醇[16～19]。

圖1 織物基底預處理工藝簡圖

2.2 電 極

噴墨打印方法可通過微米大小的噴墨噴嘴,以膠體或化學溶液的形式在各種基材上精確沉積大量的材料,形成導電線或單個液滴,可獲得不同的打印層厚度,圖案的形狀、精度可控,生產效率高,成本低,是一種經濟、快速的方法[1,24,25]。銅電極是通過在織物基底上先噴墨打印硝酸銀催化劑然后在鍍銅溶液中化學鍍銅而獲得的,過程如圖2所示,經過60 min鍍銅后得到的電極實物如圖3所示,其中鍍銅溶液的主要成分為五水硫酸銅、四水酒石酸鉀鈉、甲醛水溶液、2,2′—聯吡啶、氫氧化鈉及去離子水[16～19]。

圖2 銅電極制備工藝簡圖

圖3 銅電極實物

2.3 熱敏層

使用上海冪方電子科技有限公司MP1100 Prtronic微電子打印機進行點膠打印,步驟如下：

1)點膠前的準備：將溫度傳感層墨水裝入墨水管中,選用直徑為0.16 mm的針頭,并與點膠組件組裝在一起,放入微電子打印機中,將打印有兩根電極的織物基底固定在基板上。

2)點膠圖形的繪制：點擊Component design,命名為溫度傳感器,再點擊+Add Layer,設置Layer name為溫度傳感層,Nozzle Options為Dispensing glue,Needle size為160 μm。然后使用矩形畫圖,繪制成如圖4中兩條電極之間的圖形。

3)溫度傳感層的點膠：設置點膠氣壓為7.5 kPa,點膠速度為1 mm/s,進行點膠。點膠完成后,加熱100 ℃,時間為20 min,得到溫度傳感器器件如圖4所示。

圖4 溫度傳感器器件實物

3 表征與測試

3.1 銅電極表征

鍍銅電極的SEM圖如圖5所示,從圖中可以看出,織物纖維上的銅納米顆粒附著均勻,排布致密,可確保良好的導電性能。

3.2 銅電極附著力測試

為了進一步驗證鍍銅層與織物基底的附著性能,利用同樣的工藝制作了不同形狀的電極并進行了剝離測試,所用樣品及測量部位編號如圖6所示。

圖6 附著力測試樣品及測量部位編號

測試前用萬用表測量①～④位置處的條狀鍍銅電阻并記錄,測試時先將樣品用膠帶固定在桌面上,然后用3M膠帶粘貼在樣品表面,并擠出樣品與膠帶間的空氣,之后迅速揭去膠帶,反復測試100次,再次測量各位置的電阻[26]。圖7所示為樣品2的萬用表電阻測量示數,所有測量結果如表1所示。

圖7 電阻測量

表1 附著力測試前后條狀鍍銅的電阻Ω

從測量結果可以看出,剝離測試前后鍍銅電極的電阻幾乎沒有發生變化,證明了鍍層與純棉基底的附著力良好。

3.3 性能測試

將溫度傳感器放入干燥箱中,溫度傳感器的兩端電極與萬用表相連,萬用表調至歐姆檔,讀取溫度傳感器的電阻,將干燥箱中的溫度由室溫(注：測試時間為夏季7月份)升至85 ℃,由電熱偶讀取相應的溫度及對應的電阻,記錄數據,如圖8所示。并根據平均電阻溫度系數TCR(平均)=(R-R0)/(R0×ΔT)獲得不同溫度區間的TCR(平均)曲線如圖9所示。

圖8 不同溫度下電極間電阻

從圖8和圖9中可以看到,從35～52 ℃的溫度區間內,溫度傳感器的TCR(平均)值在0.02 ℃-1以上,靈敏度較高,當溫度超過57 ℃后,溫度傳感器的TCR(平均)值維持在0.01 ℃-1左右,靈敏度下降。

3.4 彎曲穩定性測試

將溫度傳感器放置在上海冪方電子科技有限公司FT1100彎折測試儀上,彎折1100次,再次測試溫度傳感器的性能[18,19]。獲得的結果如圖10和圖11所示。

圖10 彎曲測試后不同溫度下電極間電阻

圖11 彎曲測試后不同溫度區間的TCR(平均)

從圖10和圖11中可以看出,在彎折1100次后,從35～63 ℃的溫度區間內,溫度傳感器的TCR(平均)值在0.02 ℃-1以上,靈敏度較高,當溫度超過70 ℃后,溫度傳感器的TCR(平均)值維持在0.01 ℃-1左右,靈敏度下降。綜合對比彎曲測試前后的結果不難發現,在35～52 ℃的溫度范圍內,該款溫度傳感器的靈敏度較高,具有潛在的應用價值。

4 結束語

經過改性處理的純棉襯底,在其上通過噴墨打印機打印硝酸銀溶液獲得電極圖案,棉布放入鍍銅溶液后在銀離子的催化作用下電極發生化學鍍銅,從而獲得銅電極,然后使用微電子打印機點膠打印主要成分為PEDOT︰PSS的熱敏傳感層,成功制備了柔性溫度傳感器。經過測試發現,該種傳感器的銅電極與織物基底的附著力良好,從彎曲測試前后的數據可知,傳感器在35～52 ℃的溫度范圍內有較高的靈敏度,有望在醫療保健、體育運動、消防等行業中為相關人員提供可穿戴的溫度實時測量和檢測設備,為柔性溫度傳感器的深入研究和產品開發提供一定的參考。