可穿戴功能服装研究成果：在织物叉指上电容式压力传感器

　　抽象的：本文介绍了一种基于印在织物上的叉指式电容器 (IDC) 的电子纺织压力传感器的系统方法。在这项研究中，我们提出了一种基于多孔 Ecoflex、碳纳米管 (CNT) 和叉指电极组合的高灵敏度、宽量程压力传感器。首先，在 1 至 300 kHz 的频率范围内，使用精密 LCR 仪表在棉和涤纶织物上使用银墨对指叉式电容器进行表征。包括织物对传感器灵敏度性能的影响。其次，包括估计和优化碳纳米管的体积分数和气隙对复合材料性能的影响。体积分数碳纳米管的存在增强了复合材料的结合强度并改善了传感器的变形能力。通过在 400 kPa 的高压下进行 20,000 多次循环测试，证明了所提出传感器的稳健性。第三，碳纳米管和多孔电介质的结合实现了广泛的检测范围(400 kPa)，灵敏度范围从 0.035(在 400 kPa 时)到 0.15帕_ _− 1KPa−1(在 50 kPa 时)。最后，棉花和聚酯基板的比较表明，选择合适的介电基板会影响传感器灵敏度和信号输出。

　　介绍：如今，可穿戴传感器，尤其是纺织传感器，已成为一个令人兴奋的问题，并引起了研究人员的极大兴趣。在这些传感器中，压力传感器的卓越性能使其成为下一代柔性电子产品中很有前途的组件。它们被用于商业目的以及科学领域，例如医疗监护仪、航空学、机器人学等(Castano & Flatau，2014 年;Huang 等人，2019 年;Seyedin 等人，2019 年)). 此外，它们可以贴在皮肤或衣服上，以在连续工作条件下监测生理信号或外部压力，而不会干扰或限制个人的日常活动。已经研究了许多努力来开发柔性压力传感器。有许多使用压电、压电、摩擦电和压阻效应测量压力的方法。其中，基于平行板电容器的电容式压力传感器由于具有功耗低、响应时间快、结构简单等优点而得到广泛应用。理论上，平行板电容器的电容量由公式(1)给出：

　　其中表示材料的介电常数，真空介电常数为，A为上下极板的有效面积，d是两个电极之间的厚度或间距。通过改变、A、d，电容式传感器可分为可变介电、可变面积三种(Guo et al., 2019 ; Wan et al., 2017 )和可变间距(Mahata 等人，2020 年;Ruth 等人，2020 年εrεrε0ε0εrεr). 在这种方法中，厚度或介电层在外力作用下发生变化，同时导致传感器电容的变化。由于取决于公式 ( 1 ) 中的参数 A 和 d，改变面积或厚度会影响压力灵敏度(“One-Rupee Ultrasensitive Wearable Flexible Low-Pressure Sensor | ACS Omega”nd)。因此，这种方法所能达到的灵敏度通常很低(Zang et al., 2015)。大多数关于柔性传感器的方法都集中在提高电容式压力传感器的灵敏度和灵活性上。这些取决于介电层的可变形性(“倾斜微柱阵列增强的柔性电容压力传感器 | ACS Applied Materials & Interfaces” nd; Ruth & Bao，2020; 王等，2020;Xiong 等人，2020 年)或增加有效面积和厚度(“一卢比超灵敏可穿戴柔性低压传感器 | ACS Omega”nd)。然而，这些方法具有恢复时间慢、成本高和制备微结构的复杂性。此外，介电层中的高密度孔隙率可能会产生噪声并影响传感器的稳定性和耐用性。

　　在这项工作中，我们提出了基于计算叉指电容的纺织压力传感器的设计和实现。我们只关注介电层的修改以提高灵敏度。该方法仅使用一个电极，因此传感器不受介电层距离的影响，而是通过改变多孔聚合物层在压缩下的相对介电常数来检测可变电容。该电极是使用印在棉织物上的银浆制成的，类似于带有多个相互交叉手指的梳子。本文中提高灵敏度的努力分为两个主要研究：弹性层的介电变化和介电层内微粒的产生。最后，

　　本文的其余部分分为以下几个部分。首先，该实验引入了基于改变相对介电常数的新型压力技术。其次，“制造”说明了所提出的电容式压力传感器的制造过程。接下来是“测量结果和讨论”，其中比较了聚酯和棉基材的特性，包括灵敏度、成本和耐用性的影响。最后，在最后一节中得出了结论。

　　实验性的导电轨道及换能器原理

　　叉指式电容器使用称为多指周期结构的集总电路元件。与平行板电容器不同，指叉式电容器只需要一侧来检测被测材料 (MUT) 的变化。这种设计具有比并联电容器更高的品质因数 (Aparicio & Hajimiri, 2002 )。叉指式传感器的工作原理与两个平行板电容器相同。在这种结构中，电容出现在手指的狭窄间隙之间。当间隙减小时，电容相应增加。传感器的形状由图1所示的参数描述 。

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　　结论:

　　我们提出了一种使用叉指式电容器 (IDC) 制造柔性基板的电子纺织压力传感器的新方法。所提出的传感器可以实现高灵敏度、宽范围 (400 kPa)，灵敏度范围从 0.035(在 400 kPa 时)到 0.15帕_ _− 1KPa−1(在 50 kPa 时)。由于 Ecoflex 和 CNT 的高弹性特性相结合，介电层可以实现出色的耐用性。此外，所提出的传感器具有快速响应和恢复时间，检测范围超过 400 kPa。此外，介电基板对传感器灵敏度性能的影响在信号输出的不灵敏度和检测中起着关键作用。因此，在实际应用中应考虑选择合适的介质基板。

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钨青铜纳米棒蓄热性和耐洗性.pdf