具体实施方式

本公开提供了一种用于压力测绘的压力传感器阵列及其制造方法。

根据本公开的某些实施例，压力传感器阵列由单层棉织物制成，该单层棉织物上绣有导电纱线，并在特定的位点涂抹有具有聚合物、导电碳材料和溶剂的压力传感器组合物。为了制备能够喷涂到棉织物上的压阻墨，选择对棉具有良好亲和力的聚合物以将导电碳材料粘合到织物上。用预先设计的模具(或掩模)将压阻墨喷涂到棉织物上。模具确定每个压力传感器的尺寸和压力传感器阵列的分辨率。为了获得均匀的涂层，最好将棉织物夹在两个相同的镂空模板模具之间，以喷涂棉织物的两侧。喷涂后，将处理过的棉织物固化。顶行电极和底列电极是通过将导电纱线缝合到棉织物的两个侧面而形成。缝合的布置方式是，交叉点不会在顶部和底部导电路径之间引起短路。顶行电极和底列电极的交叉点定义像素点。

图1示出了根据某些实施例的柔性压力传感器阵列的平面图和截面图。柔性压力传感器阵列100包括压力感测基板110、顶部柔性电极120和底部柔性电极130。压力感测基板110包括压阻材料140、织物150和多个压力感测柱160。织物150被划分为多个部分，其包括织物150的多个填充部分151和织物150的非填充部分152，多个填充部分151通过非填充部分152彼此分开，非填充部分152未填充有压阻材料140，就此只包含织物150的纤维，从而压力感测阵列100的柔性不受影响。多个压力感测柱160通过非填充部分152彼此电隔离，从而可以避免不同压力传感器之间的交叉干扰，每个压力感测柱160包括各自的填充部分151和压阻材料140，各个填充部分151中填充压阻材料140，其附着到填充部分151中的纤维上，每个压力感测柱160具有顶部柱表面161和底部柱表面162。每个顶部电极120电连接到相应的顶部柱表面161，每个底部电极130电连接到相应的底部柱表面162。

在该实施例中，每个顶部电极120缝合到压力感测基板110，以周期性地附着到顶部柱表面161和非填充部分152的底表面。每个底部电极120缝合到压力感测基板110，以周期性地附着到底部柱表面161和非填充部分152的顶表面。

在该实施例中，多个顶部电极120在压力感测基板110上排成多行；多个底部电极130在压力感测基板110上排成多列。

在某些实施例中，压力传感器阵列具有在1至25个传感器/平方英寸之间或在5至15个传感器/平方英寸之间的传感器像素密度。

在某些实施方案中，所述织物是棉织物或混纺织物。混纺织物可包含5-10％的聚酯棉或3-5％的莱卡(LYCRA)棉以提高弹性。

在某些实施例中，织物的支数在20至60之间或在35至45之间；织物的密度在150g/m³至260g/m³之间或190g/m³至210g/m³之间。

在某些实施例中，每个压力感测柱具有圆形、正方形或矩形的横截面。

在某些实施例中，每个压力感测柱具有在1mm至10mm之间的宽度。

在某些实施例中，两个连续的压力感测柱之间的距离在5mm至20mm之间。

在某些实施例中，压阻材料包括导电材料和聚合物，并且聚合物将导电材料粘合到织物的纤维上。

在某些实施例中，导电材料是金属颗粒或导电碳材料。

在某些实施例中，金属颗粒由银或铜制成；导电碳材料为炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨或其组合。

在某些实施方案中，该聚合物是以下聚合物：热塑性聚氨酯(TPU)，聚氨酯(PU)、苯氧基树脂、多元酸、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、N,N'-二羟甲基-4,5-二羟基乙烯脲(DMDHEU)树脂、聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEG)。上述聚合物可以将导电材料结合到织物的纤维上，而不会影响织物的柔软性。

在某些实施例中，每个顶部电极由金属覆涂纱线或导电纱线制成；每个底部电极由金属覆涂纱线或导电纱线制成。金属覆涂纱线可具有低于每米200欧姆的电阻。

在某些实施例中，金属覆涂纱线是银覆涂纱线、不锈钢覆涂纱线或铜覆涂纱线。

在某些实施例中，每个顶部电极的直径在0.3mm至0.5mm之间；每个底部电极的直径在0.3mm至0.5mm之间。

图2是描绘根据某些实施例的用于制造柔性压力传感器阵列的方法的流程图。在步骤S21中，提供包括织物的多个填充部分和织物的非填充部分的织物。在步骤S22中，将具有多个孔的模具(或掩模)放置在织物的第一表面上，使得织物的多个填充部分暴露于多个孔。在步骤S23中，将压阻墨喷射到多个孔中，使得织物的多个填充部分经由第一表面被压阻墨浸透，从而形成部分压阻墨浸透的织物。在步骤S24中，任选地，将模具放置在织物的第二表面上，并将压阻墨喷射到多个孔中，使得织物的多个填充部分经由第二表面被压阻墨浸透，从而形成部分压阻墨浸透的织物。在步骤S25中，将部分压阻墨浸透的织物中的压阻墨固化，使得织物的每个填充部分填充有由压阻墨形成的压阻材料，从而形成压力感测基板，该压力感测基板包括多个由织物的非填充部分彼此电隔离的压力感测柱，每个压力感测柱具有顶部柱表面和底部柱表面。在步骤26中，将多个顶部电极中的每个顶部电极连接到一个或多个相应的顶部柱表面。在步骤S27中，将多个底部电极中的每个底部电极连接到一个或多个相应的底部柱表面，从而形成柔性压力传感器阵列。

在某些实施例中，模具的每个孔具有圆形、正方形或矩形。模具可以由金属合金、铜、铝或不锈钢制成。

在某些实施例中，压阻墨包括聚合物、导电材料和溶剂。

在某些实施例中，导电材料是金属颗粒或导电碳材料。

在某些实施例中，金属颗粒由银或铜制成；导电碳材料为炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨或其组合。

在某些实施方案中，聚合物是TPU、PU、苯氧基树脂、多元酸、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯和DMDHEU树脂、PVA或PEG。

在某些实施方案中，溶剂是酮(例如，甲基乙基酮(MEK)和异佛尔酮)、酯(例如，乙酸乙酯(EA)、二元酯(DBE)、乙酸2-丁氧基乙基酯和2-甲氧基乙酸乙酯)或二醇醚(例如2-丁氧基乙醇)。

在某些实施方案中，聚合物的浓度为1wt％(重量百分率)至10wt％之间，导电材料的浓度为0.1wt％至2wt％之间，溶剂的浓度为90wt％至95wt％之间。

在某些实施例中，压阻墨具有介于50cp与500cp之间的粘度。

在某些实施例中，压阻墨的喷涂是通过可编程的自动喷涂机进行的，以获得具有均一性质的压力传感器。

在某些实施例中，压阻墨的喷涂进行2至5次以提高传感器到传感器的均匀性。

在某些实施方案中，将部分压阻墨浸透的织物中的压阻墨在120℃至140℃之间的温度下固化0.5-1.5小时。

图3A示出了根据某些实施例的模具。模具30具有多个圆形孔31，用于限定织物的填充部分以获得设计的传感器图案。图3B示出了喷涂机32，其将压阻墨33喷涂到模具30上。

图4A和图4B描绘了使用粘性胶带将电极固定至压力感测基板的柔性压力传感器阵列40。银覆涂纱线42附着在压力感测基板41的顶表面上，使得每根银覆涂纱线42成排地附着在相应的压力感测柱43的顶部柱表面上。然后，粘性胶带44粘附在银覆涂纱线42和织物的非填充部分45的顶表面上，以将银覆涂纱线42固定到压力感测基板41上。类似地，银覆涂纱线46附着在压力感测基板41的底表面上，使得每根银覆涂纱线46成列地附着在的相应的压力感测柱43的底部柱表面上。然后，将胶布47粘附在银覆涂纱线46和织物的非填充部分45的底表面上，以将银覆涂线46固定至压力感测基板41。

图5描绘了使用胶将电极固定到压力感测基板上的柔性压力传感器阵列50。在压力感测基板51的顶表面上，每个银覆涂纱线52成行地通过胶55固定到两个压力感测柱54之间的织物的非填充部分53的顶表面上。类似地，在压力感测基板51的底表面上，每根银覆涂纱线56成列地通过胶57固定到两个压力感测柱54之间的非填充部分53的底表面上。

图6描绘了使用胶和塑料盖将电极固定到压力感测基板上的柔性压力传感器阵列60。在压力感测基板61的顶表面上，每个塑料盖62位于相应的压力感测柱63与相应的银覆涂纱线64之上以保护压力感测柱63与银覆涂纱线64，非填充部分65的顶表面和塑料盖62通过胶66粘接在一起以防止胶66影响压力感应柱63和银覆涂纱线64的导电性。银覆涂纱线67以相同的方式固定到压力感测基板61的底表面。

图7A和图7B描绘了使用缝合将列电极和行电极固定在压力感测基板上的柔性压力传感器阵列70。压力感测基板71具有多个压力感测柱72。每个列电极(例如，银覆涂纱线)缝合到压力感测基板71上，以周期性地附着在压力感测柱的顶部柱表面73上，穿过织物的非填充部分74，并附着在塔中下一个压力感测柱的底部柱表面75上。类似地，将每个行电极(例如，银覆涂纱线)缝合到压力感测基板71上，以周期性地成行地附着在压力感测柱的底部柱表面76上，穿过织物的非填充部分77，并附着在下一个压力感测柱的顶部柱表面78上。

实施例1

被印刷到棉织物或混纺织物的压阻纳米碳墨制备如下。

通过以下方式制备TPU聚合物溶液：使用秤在玻璃瓶中称上在DBE溶剂中的22wt％TPU树脂；将瓶子放在热板上，使TPU树脂在DBE中(热板温度：120℃)溶解24h，以获得22％的TPU溶液。然后，称上0.28g的VX72R纳米炭黑和5g的22％TPU溶液，15g的DBE溶剂，并使用真空混合器(1000rpm，10分钟)将上述糊剂混合，以获得压阻纳米碳墨。

实施例2

被印刷到棉织物或混纺织物的压阻纳米碳墨制备如下。

通过以下方式制备TPU聚合物溶液：使用秤在玻璃瓶中称上在DBE溶剂中的22wt％的TPU树脂；将瓶子放在热板上，使TPU树脂在DBE中(热板温度：120℃)溶解24h，以获得22％的TPU溶液。然后，称上0.14g的VX72R纳米炭黑和5g的22％TPU溶液，15g的DBE溶剂，并使用真空混合器(1000rpm，10分钟)将上述糊剂混合，以获得不同电阻范围的压阻纳米碳墨。

实施例3

被印刷到棉织物或混纺织物的压阻纳米碳墨制备如下。

使用秤在玻璃瓶中称上在2-丁氧基乙酸乙酯中的30wt％苯氧基(PKHH)树脂，将该瓶放在热板上以将PKHH树脂溶解在2-丁氧基乙酸乙酯中(热板温度：120℃)24h，以获得30wt％的苯氧基树脂溶液。然后，称上0.2g的VX72R纳米炭黑和4g的30％苯氧基树脂溶液，15g的乙酸2-丁氧基乙酯溶剂，并使用真空混合器(1000rpm，10分钟)将上述糊剂混合，以获得压阻纳米碳。

实施例4

被印刷到棉织物或混纺织物的压阻纳米碳墨制备如下。

通过以下方式制备多元酸溶液：使用秤在玻璃瓶中称上在去离子(DI)水中的30wt％的多元酸树脂；将瓶子放在热板上，在室温下溶解，以获得30％的多元酸树脂溶液。然后，称上1.0g的聚苯胺导电聚合物溶液和5g的30％聚酸树脂溶液，10g的DI水，并使用真空混合器(1000rpm，10分钟)将上述材料混合，以获得压阻墨。

实施例5

被印刷到棉织物或混纺织物的压阻纳米碳墨制备如下。

通过以下方式制备DMDHEU溶液：使用秤在玻璃瓶中称上在DI水中的30wt％的DMDHEU树脂；将瓶子放在热板上以在室温下溶解，以获得30％的2D树脂溶液。然后，称上1.0g的聚苯胺导电聚合物溶液和5g的30％的2D树脂溶液，10g的DI水，并使用真空混合器(1000rpm，10分钟)将上述材料混合，以获得压阻墨。

图8A是示出根据某些实施例的用于在不同载荷下测量柔性压力传感器阵列的压力传感器的电阻的实验装置的示意图。提供具有多个压力传感器的压力感测阵列810。压力传感器包括压力感测柱811、顶部电极812和底部电极813，顶部电极812附着到压力感测柱811的顶部柱表面，而底部电极附着到压力感测柱811的底部柱表面。电阻计820分别通过两条导线821和822连接到顶部电极812和底部电极813。用于向压力传感器施加载荷的金属轴831连接到力传感器832，力传感器832通过信号线834连接到测力计833。

图8B示出了图8A的压力传感器的响应曲线。当载荷从0g/cm³增加到1500g/cm³时，压力传感器的电阻从420欧姆降低到300欧姆。

上述的柔性压力传感器阵列适用于用于坐/睡健康监测的椅子/床垫，用于步态分析的鞋垫，压力袜或其他可穿戴传感器应用。

图9示出了根据某些实施例的用于检查手部压力分布的压力传感器阵列900。压力传感器阵列900包括多个压力感测柱901、在底部的多个垂直的银覆涂纱线902和在顶部的多个水平的银覆涂纱线903。手920的压力分布曲线910由压力传感器阵列900确定。压力分布曲线910上的区域911表示此处未施加压力并且填充有背景色。区域912代表此处施加轻压力，并填充有浅色。区域913表示此处施加更大压力，并填充有较深的颜色。

图10示出了根据某些实施例的用于监测坐姿的压力传感器阵列1001。压力传感器阵列1001放置在椅子1002上，用于监测人1003的坐姿。在包括不同压力线1005和1006的图像1004中示出了相应的压力分布曲线。

图11示出了根据某些实施例的用于监测睡姿的压力传感器阵列垫1100。压力传感器阵列垫1100可以用于健康监测或床垫开发。枕头1101被放置在床垫1102上。压力传感器阵列垫1100被放置在枕头1101和床垫1102上以监测人1103的睡姿。在具有不同压力线1105的图像1104中示出相应的压力分布曲线。

因此，可以看出，已经公开了改进的柔性压力传感器阵列，其消除或至少减少了与现有技术方法相关的缺点和问题。压力传感器阵列具有超柔韧性，并符合3维表面以进行压力监测。用导电纱线形成的电极提供了高可靠性。利用缝合/粘合和喷涂制造压力传感器阵列提供了低的制造成本。

尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施例也在本发明的范围内。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。