压阻式织物传感器阵列的设计与评价

发布时间：2020-07-15 17:07

【摘要】：随着对人体皮肤与物体表面间压力分布监测的应用需求越来越多,国内外学者探索设计了不同形式的压力分布监测传感器,特别是近年来纺织纤维基柔性压力分布监测传感器受到特别关注。其中,压阻式织物基传感器往往采用由电极层和压阻层形成的多层结构,且关注传感器结构中压阻层的设计,而忽略了诸如电极、引线、传感电路等构成元件之间的配置对传感系统性能的影响。例如,在这些传感阵列原型验证中使用了铜导线等刚性材料,且部分传感阵列的制作工艺流程多,不兼容纺织加工工艺,成本高。因此,有必要构建一种兼容纺织加工工艺的全织物压力分布监测传感器,克服在已研发的传感系统中存在的压阻层制备工艺复杂及传感电路信号引线的连接稳定性问题。基于以上不足,本文设计了一款全织物、易制作、低成本的压阻式织物传感器阵列,其具有n×m+1型多层结构,构成传感器的材料为纺织材料且兼容纺织加工工艺。本文首先讨论了构成传感单元的材料结构、大小及传感器电路对传感性能的影响,然后以优选的传感单元构建压阻式监测传感器阵列,并探讨单点作用与多点作用时传感单元之间的响应差异及原因,最后应用研制的传感阵列监测手指触摸运动,证明该传感阵列具有应用于人机交互场景的潜力。具体的研究内容及结论如下:(1)以n×m+1型结构为基础,设计一种结构简单、能耗低的电阻式压力分布监测织物传感器阵列及其数据采集电路,特别是研究了电极层与镀银导电纱线之间的连接稳定性。结果证实所设计的传感器结构合理,且发现采用针缝连接方式得到的连接电阻更稳定可靠。电阻式压力分布监测织物传感器阵列共有5层,分别是封装保护层、上电极层、隔离层、压阻层、下电极层。上电极层由n×m个电极单元组成,下电极层则是作为传感单元共享的一层完整电极。传感单元分别与一个定值电阻串联,通过采集定值电阻两端的电压变化,可计算得知传感单元的电阻变化。其中,以镀银导电纱线作为传感器与数据采集电路的连接线,它与电极层的连接方式主要有黏贴与针缝。通过比较不同方式的连接电阻稳定性和连接处镀银导电纱线与电极层的接触状态得知,针缝方式接触稳定,连接电阻波动小。(2)研究传感器的阻抗特性,阐释传感器结构的构成材料差异对传感器性能的影响及传感机理,并优选敏感单元的电极及隔离层材料。结果表明,传感器工作时为纯电阻,传感响应变化来源于压阻层电阻以及电极层与压阻层的接触电阻变化,且导电布和孔洞状织物是传感单元的电极层和隔离层的最佳材料。为了探讨传感器在工作时是否存在容抗,采用电化学工作站测试了传感器被压缩时的阻抗变化。经电化学工作站测试可知,传感器敏感材料电阻抗的相位角保持0°,即传感器为纯电阻。随后,比较电极材料对传感性能的影响,以导电布、铜箔为基本电极材料,测试讨论了上下电极分别为导电布/导电布、铜箔/铜箔和导电布/铜箔三种情况下的传感器响应,发现传感器的电阻响应同时包含了电极层与压阻层的接触电阻,且电极层与压阻层之间的接触面越平整,接触电阻越小。随后,进一步研究比较了隔离层的几何结构对传感性能的影响。对比网格状织物、孔洞状织物作为隔离层,测试比较在压力作用下传感器响应的差异性可知,由于网格状织物为隔离层时在压力作用区内每个传感单元包含的网格个数不一,其电阻响应在传感单元之间存在较大的差异,而孔洞则是一一对应于每个传感单元,响应情况基本一致,从而更适合作为隔离层。(3)研究传感单元的结构和大小对传感器在压力作用下的响应。结果表明,为了提高传感器的响应灵敏度,传感单元的孔洞尺寸应小于上电极单元,且传感器响应取决于有效作用面积与传感单元大小之间的相对关系。为了选择合适的传感单元结构,制作了两种传感单元结构,一种是孔洞尺寸大于上电极单元,另一种则相反。通过比较这两种结构的传感单元的传感性能可知,当孔洞尺寸小于上电极单元时,传感单元的灵敏度更大,所以应选择该传感单元结构。为了选择合适大小的传感单元,制作了五组不同大小的传感单元。比较传感单元的灵敏度与有效响应范围后可得,当上电极单元大小为6mm×6mm,孔洞大小为4mm×4mm时传感单元性能最好,灵敏度最高可达74.64Ω·kPa~(-1),响应范围在5~300kPa,响应时间为81ms。为了探究压头作用面积对传感单元响应的影响,使用不同压头压缩同一传感单元后发现,传感单元的响应因压头不同而不同,取决于有效作用面积与传感单元大小之间的相对关系。(4)研究传感阵列对分布压力作用的响应,比较单点作用与多点作用时传感单元之间的响应差异,同时验证传感器的应用潜力。结果表明,传感阵列能有效分辨不同作用点的压力大小和作用位置,且手指触摸运动的识别能力证实了该传感阵列应用于人机交互的潜力。为了探究传感阵列识别压力大小和分布的能力,通过多点作用时,各传感单元的响应情况可知,传感阵列可以精准获悉压力作用位置,基本感知压力大小。与单点作用相比,传感单元响应偏差为8.33%。传感阵列响应偏差可能主要来源于纺织材料的不均匀性与串扰效应。当手指按压压阻式织物传感器阵列时,传感器响应迅速且稳定,说明该织物传感器阵列可应用于人机交互等场景。综合上述讨论分析,压阻式织物传感器阵列及其数据采集电路结构简单,镀银导电纱线作为连接线,既柔软又稳定。当传感器工作时,呈现纯电阻特性。传感器的电阻变化不仅包含了压阻层的电阻变化,也包括了电极层与压阻层之间的接触电阻变化。为了传感器性能优良稳定,最好选用导电布胶带和孔洞状织物作为电极层和隔离层。为了传感单元拥有高灵敏度,传感单元的孔洞尺寸应小于上电极单元。当压力作用有效面积不同时,传感单元的响应也将改变。该传感阵列可有效感知分布式压力的作用,适合作为人机交互的桥梁。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS103.63;TP212
【图文】：

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【参考文献】