电子设计25335电子纺织品推广

电子设备在一系列创新顾问中遇到纺织品

2019年1月23日
纺织品和电子设备正在形成互利的关系,其中组件和功能,如光学装置和柔性传感器,嵌入织物中。

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研究人员正在利用面料可以支持或利用电子电路的许多方式,如一系列项目所证明。这是一个广泛的机会,显然是因为面料和衣服如此无处不在。

摩擦收获

新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University, Singapore)正在进行一项工作,将织物用作可清洗的、皮肤触摸驱动的纺织品摩擦电纳米发电机(TENG),将人体运动中的机械能转化为有用的电能,作为一种能量收集形式(图1).如在他们的论文中详细发布自然”,基于皮肤触发的纺织品的摩擦纳米料,黑色磷,用于耐用生物力学能量收获,“聚合物和黑色荧光粉的各种组合被用于嵌入收割机,创造了一个TENG,克服了以前TENG方法的不足,因为不需要一种不舒服的橡胶样材料。”

1.图中为基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)织物的纺织摩擦电纳米发电机的制备工艺,其电荷诱导成分是在织物上连续涂覆黑磷(BP)和疏水纤维素油基酯纳米颗粒(a和b);不同角度(c、d、e)的扫描电子显微镜(SEM)图像;证明纺织品teng可洗及可变形的照片(f);纺织品teng的工作机理示意图(g)。(来源:南洋理工大学)

此外,他们耐用的皮肤触摸触发纺织品- teng可以承受用户的穿着和洗涤。它通过收集有意的、自发的运动以及微小的、不自觉的身体运动来提取有用的能量。他们的原型可以在0.48 - 1.1µA/cm的电压下输出约250 - 880 V的电压2,用小力(〜5 n)和低频(〜4Hz)用手触摸的结果。它足以为一个小的发光二极管和数字手表供电(图2)

2.图中为纺织- teng在自愿摩擦和非自愿摩擦下的电气输出:5 N接触不同频率下的输出电压(a)和电流密度(b);4 hz不同力接触下纺织品- teng的输出电压(c)和电流密度(d);安装在不同车身区域的纺织teng的输出电压(e)和电流密度(f);纺织品- teng对人体不同部位可能产生的非自主摩擦(g);连续(红色曲线,i)或间歇接触摩擦(蓝色曲线,ii) (h, i)情况下纺织品- teng的输出电压和转移电荷密度(来源:南洋理工大学)

线程使用发光二极管

与此同时,一个由麻省理工学院AFFOA(美国先进功能织物研究所)的研究人员和制造商组成的团队;Inman Mills(南卡罗来纳州),École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Lausanne, Switzerland),以及麻省理工学院的林肯实验室已经生产出嵌入电子器件的纤维,这种纤维非常柔韧性,可以织成柔软的织物,并制成可穿、可洗的衣服(图3)

3.这种嵌入led的光纤非常细,可以用来穿针。(来源:麻省理工学院)

它们包括高速光电子半导体器件,包括发光二极管(LED)和引脚二极管光电探测器,然后在纤维内研磨成软,可洗的织物并制成通信系统。他们的作品在期刊中描述自然在他们的论文中"用于光纤通信的二极管光纤“这讨论了概念,生产,执行和结果。

制造开始于结构的宏观预制件的结构,该宏观预制件“宿主”是结构内部的离散二极管(这里是LED和光电探针二极管),以及穿过的空心通道,通过该空心通道送到导电铜或钨丝(图4).当预制件被加热并拉入光纤中,导电线接近二极管直到它们进行电接触,导致数百个二极管在单个光纤内部并联连接。

4.将玻璃与电光半导体器件合并,并在熔体过程中连接电线,因为它们从预制件中取出。(来源:麻省理工学院)

制造这些新纤维的关键是在预制体上添加一粒沙子大小的发光半导体二极管,以及一对只有一根头发那么宽的铜线。电光器件被并入纤维材料本身(图5)并且所得到的纤维本质上是防水的,它们通过使用LED /引脚二极管对作为鱼缸中的水下光学数据链路来证明。

5.使用新工艺进行精细,软光纤的阀芯显示嵌入式LED打开,展示其功能。该团队使用类似的纤维将音乐传输到探测器纤维,即使在水下也可以工作。(来源:麻省理工学院)

电容式运动传感

最后,织物可以作为持续监测身体运动所需的软传感器的基础。这些高延展性的纺织硅电容传感器在人类关节检测、软机器人和外骨骼中得到了应用。

在一篇论文中"批量制造可定制的用于人体运动跟踪的硅-纺织复合电容应变传感器”,发表在先进的材料技术,哈佛研究人员展示了它们如何使用导电针织织物作为电极和硅氧烷弹性体作为电介质制造基于织物的传感器。它们通过将微观同轴电缆的丝线定影为具有热塑性膜的传感器的导电织物电极,建立了柔和的,低调和强大的电连接,并且在重建的手套上集成了电容传感器,用于监测手指运动。

分层批量生产过程使大型传感器片的快速、健壮、可靠和可扩展生产成为可能,并使用织物垫的激光切割过程来创建任意的、可定制的单个传感器(图6).传感器本身是由两层高度可伸缩的镀银针织织物(一种标准的现成材料)电极层组成,由另一种标准的硅胶弹性体作为电介质隔开。

6.如图(a)所示为复合纺织品硅酮传感器的制造工艺:介质硅酮铸造(i)。通过硅酮弹性体铸造粘合织物电极(ii)。传感器的胶带屏蔽和激光切割(iii)。使用即时粘合剂和热敏薄膜在同轴电缆和织物电极之间建立永久电气连接(iv)。传感器和材料层的3D插图(v)。其他图像为通过激光切割对传感器进行任意整形的图(b);传感器的照片说明了在≈0和100%应变下拉伸的应用(插图:横截面视图;(c和d)。(来源:哈佛大学)

通过以24mm / s的速度施加为50,75,100和125%的速度来评估传感器的应变依赖性有用的工作范围。(图7).当循环拉伸高达100%施加的应变时,传感器显示了与限量滞后的线性应变电容关系。超过100%,纺织的塑性变形影响了线性。总的来说,电容传感器显示出高线性度和低滞后。

7.传感器、导电织物和硅树脂的面积变化示意图(a)。传感器、导电织物和硅树脂的面积变化随应变的函数;对数据进行二次多项式拟合(b)。传感器、导电织物和硅树脂的塑性变形百分比;对数(c)适合应用于数据。图机电测试设置和横截面图像的电容式传感器(d)。在三角循环应变传感器电容相对变化100%,报0.11赫兹(e)。相对传感器的电容变化的函数应用应变区间;插图表明马克斯。(f)。(资料来源:哈佛大学)

复合纺织硅酮传感器被集成到手套中,用于手部运动跟踪(图8),它需要中等的应变水平(≈50%),以及由于手指有限的表面积而具有最小阻抗的非笨重传感器。手套传感器测试了传感器实时捕捉手套上手指运动学的能力,并将每个手指的电容变化绘制成特定手势的时间函数,展示了跟踪运动的能力。

8.传感手套照片(a);电缆敷设和应变消除由热敏薄膜(b)提供;传感器的放置和集成原理图(c):使用硅酮粘合剂附着传感器(i)和粘接热膜的传感器(ii);手指在手部运动时的电容输出(d)。(来源:哈佛大学)

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