一种纱线状湿度传感器的制作方法

本发明涉及柔性传感器领域，且特别涉及一种纱线状湿度传感器。

背景技术：

柔性可穿戴传感器的主要作用在于检测人体各类生理及活动信号，在人体健康监测、人体运动监测、人体汗液监测、呼吸监测等多领域广泛应用。湿度传感器的柔性化有利于人体信号采集的持久性及舒适性，柔性湿度传感器用于监测人体汗液、呼吸及周围环境舒适性，具有传统传感器所不具备的优点。传统湿度传感器为硬质传感器，由于其自身的刚性特点将其应用于人体信号的收集具有一定的限制性。例如，不能将刚性传感器通过织造方法融入纺织品中，因此与人体的贴合力不足。而如专利cn108169295a以及cn204514847u制备的膜状柔性湿度传感器，因其形状特点，也不容易将此类传感器按照编织方法织入织物中，且也不能很好的与织物贴合，故不能很好的体现柔性湿度传感器的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纱线状湿度传感器，此纱线状湿度传感器具有纱线结构，具有良好的柔性，且灵敏度高，可通过纺织方法将该传感器织入织物中。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种纱线状湿度传感器，包括第一电极、第二电极和作为感应湿度变化的敏感材料，所述第一电极为金属丝或导电纱线，所述导电纱线包括基底纱线和包覆在所述基底纱线表面的导电材料层；所述第一电极、所述敏感材料和所述第二电极制成双轴湿度传感器或单轴湿度传感器。

其中，所述双轴湿度传感器按以下步骤制备：在所述第一电极表面涂覆或缠绕所述敏感材料，得到预制体；将所述第二电极按照与所述第一电极平行的方向与所述预制体贴合，然后在相互贴合的所述预制体和所述第二电极的表面涂覆或缠绕所述敏感材料，得到所述双轴湿度传感器，其中，所述第二电极为金属丝或导电纱线。

所述单轴湿度传感器按以下步骤制备：在所述第一电极表面涂覆所述敏感材料，得到预制体，然后在所述预制体的部分表面形成所述第二电极，得到所述单轴湿度传感器，其中，所述第二电极为层状电极或线状电极。

进一步地，所述基底纱线选自天然纤维纱线和化学纤维纱线中的一种。

进一步地，所述导电材料层为第一导电材料浸涂、涂覆或电镀在所述基底纱线上形成的包覆层；所述第一导电材料选自银纳米线、碳材料、离子液体、导电高分子材料中的一种；所述碳材料选自石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳管中的一种；所述导电高分子材料选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物中的一种或多种。

进一步地，所述敏感材料为含湿敏材料的湿敏溶液或湿敏纱线；其中，所述湿敏材料为金属氧化物湿敏材料、硅湿敏材料、陶瓷湿敏材料、湿敏高分子聚合物和复合湿敏材料中的一种，其中，所述复合湿敏材料为湿敏高分子聚合物与第二导电材料的复合物，所述湿敏高分子聚合物选自聚酰亚胺、聚苯乙烯、羧甲基纤维素和羟乙基纤维素中的至少一种；所述第二导电材料选自炭黑、石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金属纳米粒子和金属纳米线中的一种或多种。

进一步地，所述双轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述第一电极与所述第二电极均为金属丝或均为导电纱线；所述敏感材料为湿敏纱线或功能化纱线，在所述第一电极表面缠绕所述湿敏纱线或所述功能化纱线，得到预制体；将所述第二电极按照与所述第一电极平行的方向与所述预制体贴合，然后在相互贴合的所述预制体和所述第二电极的表面缠绕所述湿敏纱线或所述功能化纱线，得到双轴包缠湿度传感器。

进一步地，所述双轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述第一电极与所述第二电极均为金属丝或均为导电纱线；所述敏感材料为湿敏溶液；将所述湿敏溶液浸涂或涂覆在所述第一电极表面，得到预制体；将所述第二电极按照与所述第一电极平行的方向与所述预制体贴合，然后在相互贴合的所述预制体和所述第二电极的表面再次浸涂或涂覆所述湿敏溶液，得到双轴浸涂湿度传感器。

进一步地，所述单轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述敏感材料为湿敏溶液，在所述第一电极表面涂覆所述湿敏溶液，得到预制体，然后以第一导电材料为原料，通过丝网印刷法、喷墨打印法、蒸镀法、磁控溅射法、浸渍法或滴涂法在所述预制体的部分表面形成层状的第二电极，得到单轴涂覆湿度传感器；其中，所述敏感材料涂覆长度为1～5cm。

进一步地，所述第一电极与所述敏感材料之间还设有所述基底纱线，先将所述基底纱线缠绕在所述第一电极上，然后再涂覆所述湿敏溶液。

进一步地，所述单轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述第二电极为金属丝，或为导电纱线，所述敏感材料为湿敏溶液；在所述第一电极表面涂覆所述湿敏溶液，得到预制体，而后第二电极按“s”型或“z”型缠绕在所述第一电极上形成单轴包缠湿度传感器；其中，所述第二电极的缠绕间距为0.1～0.5cm。

进一步地，所述第一电极的直径为100-1000um。

本发明提供的一种纱线状湿度传感器的有益效果是：

(1)本发明制备的纱线状湿度传感器，通过电极材料、敏感材料以及结构设计的有效结合，可得到双轴湿度传感器或单轴湿度传感器这两大类的纱线状传感器。双轴湿度传感器制备方法简单、设备要求较低，只需将敏感材料作为两个纱线状电极间的介电材料，防止两根电极材料相互接触，就可制成高灵敏度的纱线状传感器。单轴湿度传感器在双轴湿度传感器的基础上做了进一步的改进，将纱线状湿度传感器的直径进一步减小，易于后期布面织造的平整性。

(2)本发明提供的纱线状湿度传感器，通过电极材料、敏感材料、基底材料的合理设计及选择，使其具有良好的柔性，得到的湿度传感器具有高灵敏性的同时，能符合目前纺织加工设备的加工条件，通过纺织织造方法将该传感器织入织物，可用于检测人体生理健康信号、人体出汗状况及呼吸测试等，切实拓宽柔性智能可穿戴领域的测试范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的纱线状湿度传感器的结构示意图；

图2为实施例2提供的纱线状湿度传感器的结构示意图；

图3为实施例3提供的纱线状湿度传感器的结构示意图；

图4为实施例4提供的纱线状湿度传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例1所用的异形截面功能化纱线sem扫描电镜图；

图6为实施例1提供的纱线状湿度传感器在不同湿度条件下电容变化曲线；

图7为实施例2提供的纱线状湿度传感器在不同湿度条件下电容变化曲线；

图8为实施例3提供的纱线状湿度传感器的多次呼吸测试曲线；

图9为实施例4提供的纱线状湿度传感器不同湿度条件下电阻变化曲线。

图标：1-第一电极；2-第二电极；3-敏感材料；4-基底纱线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种纱线状湿度传感器进行具体说明。

本发明实施例提供的一种纱线状湿度传感器，包括第一电极1、第二电极2和作为感应湿度变化的敏感材料3，所述第一电极1为金属丝或导电纱线，所述导电纱线包括基底纱线4和包覆在所述基底纱线4表面的导电材料层；所述第一电极1、所述敏感材料3和所述第二电极2制成双轴湿度传感器或单轴湿度传感器。

进一步地，所述第一电极1的直径为100-1000um。控制电极直径，保证制成的的纱线状传感器能够以编织的方法织入织物中。

进一步地，所述基底纱线4选自天然纤维纱线和化学纤维纱线中的一种。基底纱线4可以为普通商业化的天然纤维纱线，如蚕丝、棉纱线、麻纱线、丝纱线、毛纱线等；或者为如涤纶、锦纶、维纶、氯纶等各类商业化的化学纤维纱线。在本发明较佳实施例中，选用蚕丝作为基底纱线4，蚕丝纤维柔软有弹性、拉伸力强、耐热性好、不易断裂，是作为基底纱线4最好的材料之一。

进一步地，所述导电材料层为第一导电材料浸涂、涂覆或电镀在所述基底纱线4上形成的包覆层；所述第一导电材料选自银纳米线、碳材料、离子液体、导电高分子材料中的一种；所述碳材料选自石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳管中的一种；所述导电高分子材料选自聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺衍生物、聚噻吩衍生物和聚吡咯衍生物中的一种或多种。

在本发明较佳实施例中，第一电极1选用市售的金属铜丝，金属铜丝具有良好的导电性之外，还具备一定的拉伸性，且具有线型结构可织入织物中。除此之外，还可以选用以蚕丝作为基底纱线4，以银纳米线作为导电层材料制备的导电纱线作为第一电极1，银纳米线具有良好的导电性，且由于纳米级别的尺寸效应，还具有优异的透光性、耐曲挠性，为制备柔性、可弯折的第一电极1提供了基础。

所述敏感材料为含湿敏材料的湿敏溶液或湿敏纱线。所述湿敏纱线可采用自制的方法，例如：将湿敏溶液浸涂或涂覆在基底纱线4上形成湿敏纱线。也可以采用市售的湿敏纱线产品，例如选用海盐金溢绢纺有限责任公司生产的异形截面功能化纱线。其中，所述湿敏材料为金属氧化物湿敏材料、硅湿敏材料、陶瓷湿敏材料、湿敏高分子聚合物和复合湿敏材料中的一种，其中，所述复合湿敏材料为所述湿敏高分子聚合物与第二导电材料的复合物，所述湿敏高分子聚合物选自聚酰亚胺、聚苯乙烯、羧甲基纤维素和羟乙基纤维素中的至少一种；所述第二导电材料选自炭黑、石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金属纳米粒子和金属纳米线中的一种或多种。

在本发明较佳实施例中，敏感材料3可以选用具有吸湿快干性能的异形截面功能化纱线或者含有羧甲基纤维素和碳纳米管的湿敏溶液，也可以选用聚酰亚胺。其中，如图5所示，为市售的异形截面功能化纱线的横截面图(购买公司：海盐金溢绢纺有限责任公司)，此截面呈现哑铃状，是市售的具有吸湿快干性能的湿敏材料，且具有拉伸与弯曲性能。

较佳地，制作电阻式纱线湿度传感器时，选用羧甲基纤维素与碳纳米管混合而成的湿敏溶液作为敏感材料，能够兼具湿度敏感性和导电性。进一步地，湿敏溶液中羧甲基纤维素与碳纳米管的质量分数比为5-10：1。

制作电容式纱线湿度传感器时，选用选用聚酰亚胺溶液作为敏感材料，聚酰亚胺耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，具有高绝缘性能的特点，是电容式湿敏材料较好的选择。进一步地，聚酰亚胺溶液为：聚酰亚胺溶解在n-甲基吡咯烷酮中，形成质量分数为15％-20％聚酰亚胺溶液。

双轴湿度传感器按以下步骤制备：在所述第一电极1表面涂覆或缠绕所述敏感材料3，得到预制体；将所述第二电极2按照与所述第一电极1平行的方向与所述预制体贴合，然后在相互贴合的所述预制体和所述第二电极2的表面涂覆或缠绕所述敏感材料3，得到所述双轴湿度传感器，其中，所述第二电极2为金属丝或导电纱线。

进一步地，在其中一个实施例中，如图1所示，所述双轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述第一电极1与所述第二电极2均为金属丝或均为导电纱线；所述敏感材料3为湿敏纱线或功能化纱线，在所述第一电极1表面缠绕所述湿敏纱线或所述功能化纱线，得到预制体；将所述第二电极2按照与所述第一电极1平行的方向与所述预制体贴合，然后在相互贴合的所述预制体和所述第二电极2的表面缠绕所述湿敏纱线或所述功能化纱线，得到双轴包缠湿度传感器。

优选地，在本双轴包缠湿度传感器中，选择金属铜丝作为第一电极1和第二电极2，选用异形截面功能化纱线作为敏感材料3。先将异形截面功能化纱线缠绕在第一电极1上，使得敏感材料3可作为两个电极间的介电材料，又可作为电极间的绝缘材料，防止两根电极材料相互接触。然后将第二电极2与第一电极1平行放置后包缠敏感材料3，敏感材料3即可作为绝缘材料，又可作为湿度传递材料。按上述方法制备得到的纱线状湿度传感器为电容式湿度传感器，结构简单，灵敏度高。

进一步地，在另一个实施例中，如图2所示，所述双轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述第一电极1与所述第二电极2均为金属丝或均为导电纱线；所述敏感材料3为湿敏溶液；将所述湿敏溶液浸涂或涂覆在所述第一电极1表面，得到预制体；将所述第二电极2按照与所述第一电极1平行的方向与所述预制体贴合，然后在相互贴合的所述预制体和所述第二电极2的表面再次浸涂或涂覆所述湿敏溶液，得到双轴浸涂湿度传感器。

优选地。在本双轴浸涂湿度传感器中，选择金属铜丝作为第一电极1和第二电极2。将两根电极材料平行固定放置，将敏感材料3浸涂在两个电极上，在电极材料间形成感湿层，可形成电容式湿度传感器。通过在敏感材料3中加入导电材料，如多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、石墨粉、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等，可形成电阻式湿度传感器。因此，按照上述方法制备得到的双轴浸涂湿度传感器可为电容式湿度传感器，也可为电阻式湿度传感器。且制备方法操作简单，设备要求较低。

所述单轴湿度传感器按以下步骤制备：在所述第一电极1表面涂覆所述敏感材料3，得到预制体，然后在所述预制体的部分表面形成所述第二电极2，得到所述单轴湿度传感器，其中，所述第二电极2为层状电极或线状电极。

进一步地，如图3所示，在一个实施例中，其中一种所述单轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述敏感材料3为湿敏溶液，在所述第一电极1表面涂覆所述湿敏溶液，得到预制体，然后以第一导电材料为原料，通过丝网印刷法、喷墨打印法、蒸镀法、磁控溅射法、浸渍法或滴涂法在所述预制体的部分表面形成层状的第二电极2，得到单轴涂覆湿度传感器；其中，所述敏感材料3涂覆长度为1～5cm。

优选地，在此单轴涂覆湿度传感器设计中，通过只设置在中心轴只设置一个电极，与双轴湿度传感器相比，单轴湿度传感器的直径进一步减小，更易于后期布面织造的平整性。涂覆在第一电极1的敏感材料3长度为1-5cm，其余未包缠敏感材料3的第一电极1仅用作电信号传输介质，敏感材料3包覆的过长或过短均会影响湿度传感器的灵敏度及回复性能。

进一步地，所述第一电极1与所述敏感材料3之间还设有所述基底纱线4，先将所述基底纱线4缠绕在所述第一电极1上，然后再涂覆所述湿敏溶液。将基底纱线4缠绕在所述第一电极1上，可提高敏感材料3与电极材料之间的结合力，避免敏感材料3直接涂覆于电极材料上时，容易产生脱落问题。

进一步地，如图4所示，在另一实施例中，所述单轴湿度传感器按以下步骤制备：

所述第二电极2为金属丝，或为导电纱线，所述敏感材料3为湿敏溶液；在所述第一电极1表面涂覆所述湿敏溶液，得到预制体，而后第二电极2按“s”型或“z”型缠绕在所述第一电极1上形成单轴包缠湿度传感器；其中，所述第二电极2的缠绕间距为0.1～0.5cm。

优选地，在本单轴包缠湿度传感器中，在单根电极材料上浸涂敏感材料3，而后在敏感材上间隔包缠电极材料，缠绕方向的两平行线间间隔为0.1～0.5cm。间隔促使敏感材料3易于感湿，同时该结构设计易于操作、便于生产。

本发明制备的纱线状湿度传感器，通过电极材料、敏感材料3以及结构设计的有效结合，可得到双轴湿度传感器或单轴湿度传感器这两大类的纱线状传感器。双轴湿度传感器制备方法简单、设备要求较低，只需将敏感材料3作为两个纱线状电极间的介电材料，防止两根电极材料相互接触，就可制成高灵敏度的纱线状传感器。单轴湿度传感器在双轴湿度传感器的基础上做了进一步的改进，将纱线状湿度传感器的直径进一步减小，易于后期布面织造的平整性。本发明提供的纱线状湿度传感器，通过电极材料、敏感材料、基底材料的合理设计及选择，使其具有良好的柔性，得到的湿度传感器具有高灵敏性的同时，能符合目前纺织加工设备的加工条件，通过纺织织造方法将该传感器织入织物，可用于检测人体生理健康信号、人体出汗状况及呼吸测试等，切实拓宽柔性智能可穿戴领域的测试范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种双轴包缠湿度传感器，其制备步骤如下所示：

(1)选用金属铜丝作为第一电极1和第二电极2，选用异形截面功能化纱线为敏感材料，先将第一电极1、第二电极2及异形截面功能化纱线在无水乙醇中浸泡0.5h，再使用去离子水清洗5遍，在60℃条件下烘干1h，确保材料无其他杂质。

(2)将异形截面功能化纱线以“s”型或“z”型方式缠绕在第一电极1上，得到预制体。

(3)将预制体和第二电极2平行放置，而后再另取一根异形截面功能化纱线以“s”型或“z”型方式缠绕至第一电极和第二电极上，形成双轴包缠湿度传感器。

实施例2

本实施例提供的一种双轴浸涂湿度传感器，其制备步骤如下所示：

(1)选用金属铜丝作为第一电极1和第二电极2，先将第一电极1和第二电极2使用无水乙醇中浸泡0.5h，再使用去离子水清洗5遍，确保材料无其他杂质，在60℃条件下烘干1h。

(2)配置敏感材料3：聚酰亚胺需先溶解在n-甲基吡咯烷酮中，形成质量分数为15％聚酰亚胺溶液。

(3)将质量分数为15％的聚酰亚胺溶液作为敏感材料3涂覆在第一电极1上，重复涂覆步骤三次后180℃烘干2h，得到预制体。

(4)将预制体和第二电极2平行放置，而后再将聚酰亚胺溶液涂覆在预制体和第二电极2表面，重复涂覆步骤5次，180℃烘干2h后形成双轴浸涂湿度传感器。

实施例3

本实施例提供的一种单轴涂覆湿度传感器，其制备步骤如下所示：

(1)选用金属铜丝作为第一电极1，蚕丝作为基底纱线4，将第一电极1和基底纱线4先使用无水乙醇中浸泡0.5h，再使用去离子水清洗5遍，确保材料无其他杂质，在60℃条件下烘干1h。

(2)配置敏感材料3：聚酰亚胺需先溶解在n-甲基吡咯烷酮中，形成质量分数为15％聚酰亚胺溶液。

(3)将基底纱线4以“s”型或“z”型方式缠绕在第一电极1上，而后将聚酰亚胺溶液涂覆在第一电极1上，重复涂覆步骤5次，180℃烘干2h，100℃真空干燥12h，得到预制体。

(4)将预制体通过掩模版法将其部分遮盖，然后通过磁控溅射的方法，将金属银离子溅射到敏感材料3表面，电极溅射长度以轴向长度0.8cm为佳，得到单轴涂覆湿度传感器。

实施例4

本实施例提供的一种单轴包缠湿度传感器，其制备步骤如下所示：

(1)选用金属铜丝作为第一电极1，银纳米线涂覆在蚕丝上形成的导电纱线作为第二电极2，先将第一电极1使用无水乙醇浸泡0.5h，再使用去离子水清洗5遍，确保材料无其他杂质，在60℃条件下烘干1h。

(2)配置敏感材料3：将羧甲基纤维素与碳纳米管按照9：1的质量比配置成湿敏溶液。

(3)将湿敏溶液涂覆在第一电极1上，重复涂覆步骤5次，60℃预烘干2h，100℃真空干燥12h，得到预制体。

(4)将第二电极2以0.25cm的大间隔以“s”型或“z”型方式缠绕在预制体上，形成单轴包缠湿度传感器。

试验例1

将实施例1～4的第一电极1接入lcr数字电桥的一端，再将第二电极2接入lcr数字电桥的另一端。电容式湿度传感器使用lcr的电容挡位，电阻式湿度传感器则使用lcr的电阻挡位。依据此方法可得到实施例1～4相应的测试数据。

图6为实施例1提供的纱线状湿度传感器在不同湿度条件下电容变化曲线。图7为实施例2提供的纱线状湿度传感器在不同湿度条件下电容变化曲线。从两幅图中可以看出，本发明所制备的双轴湿度传感器，随着湿度的增加，实施例1和实施例2提供的纱线状湿度传感器的电容逐渐变大，且湿度越大，电容变化越大，从而反映了实施案例1和实施例2提供的纱线状湿度传感器灵敏度高。

图8为实施例3提供的纱线状湿度传感器的多次呼吸测试曲线。其中，response(％)＝(cp-c0)*100/c0进行表示，其中cp为电容实时测试值，c0为电容初始值。从图中可以看出，随着呼吸变化，湿度产生变化，即呼气时湿度变大，电容值变大，随之响应而变大；吸气时湿度变小，电容值变小，随之响应变小。图3的结果反映了实施案例3提供的纱线状湿度传感器可应用于人体健康检测上。

图9为实施例4提供的纱线状湿度传感器不同湿度条件下电阻变化曲线。从结果可以看出，随着湿度的增加，实施例4提供的纱线状湿度传感器的电阻逐渐变大，整个电阻变化曲线接近直线，线性度好，从而反映了实施案例3提供的电阻式纱线状湿度传感器灵敏度高。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。