一种基于皮/芯结构摩擦发电机的自驱动人体动作捕捉传感器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于皮/芯结构摩擦发电机的自驱动人体动作捕捉传感器及其制备方法，所述皮为复合结构：改性PDMS管/竹纤维‑尼龙/银纳米线/PDMS；芯为复合结构：导电纤维/竹纤维‑尼龙。制备：对PDMS管进行预处理，之后将其浸入FAS浓缩液中，再将竹纤维/尼龙层包缠在PDMS管外表面，然后浸渍在银纳米线分散液中，最后在表面喷涂上PDMS溶液；在导线纤维外通过轮结编织的方法包覆上一层竹纤维/尼龙层。本发明得到一种无需外界供能，灵敏的监测人体关节部位弯曲程度的自驱动传感器，其循环性能好，力学性能稳定，同时该传感器重量轻、柔韧性好、可多次水洗，在柔性电子、可穿戴器件领域具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于传感器及其制备领域，特别涉及一种基于皮/芯结构摩擦发电机的自驱动人体动作捕捉传感器及其制备方法。

背景技术

在电影中，我们的目光往往会被那些或惊心动魄的殊死争斗、或壮丽绝伦的奇幻场景所深深吸引，尤其是一些非现实题材的科幻类影片，这些虚构的画面不仅仅需要在后期使用电脑进行特效制作，还必须借助特殊的拍摄工具和器材来完成制作中不可或缺的人或物的动作捕捉。目前，广泛使用的动作捕捉主要有两类方式，一是光学摄像式动作捕捉，另一类是惯性导航式动作捕捉。然而，无论是哪种动作捕捉方式，演员都被要求穿上特制的衣服或佩戴特制的设备，这类衣服或设备往往比较笨重，在拍摄过程中演员身体部位间的相互遮挡有时也会阻碍摄像机的光线，尤其是这类动作捕捉方式无法灵敏地监测肘部、腕部、膝盖等关节处的弯曲程度。在军事、体育、医学、电脑视觉、机器人技术等诸多领域，对各种动作捕捉方式也有广泛的需求。

随着科学技术的进步，可穿戴式传感器件在我们的生活中也变得越来越多，比如加速度传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器、紫外传感器等，然而这些传感器需要外界提供电能以维持其运行。外界提供的电能不仅需持续给电，而且还会造成传感器件体积与重量的增加，不方便携带。

因此，亟需一种自驱动的无外电源供给的动作捕捉传感器去弥补目前动作捕捉方式存在的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于皮/芯结构摩擦发电机的自驱动人体动作捕捉传感器及其制备方法，本发明方法制备的自驱动人体动作捕捉传感器无需外界供能，即可灵敏的监测人体关节部位的弯曲程度，循环性能好，力学性能稳定，在柔性电子、可穿戴器件领域具有广阔的应用前景。

本发明的一种基于皮/芯结构摩擦发电机的自驱动人体动作捕捉传感器，所述传感器中的

皮/芯结构中；包括：“皮”结构与“芯”结构两部分，其中皮为复合结构：改性PDMS管

/竹纤维-尼龙/银纳米线/PDMS；芯为复合结构：导电纤维/竹纤维-尼龙。

改性PDMS管/竹纤维-尼龙/银纳米线/PDMS：内层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)空心管，

PDMS管外包覆竹纤维/尼龙层，银纳米线覆盖在竹纤维/尼龙层上，外层再包覆PDMS以

固定纤维。

本发明的一种基于皮/芯结构摩擦发电机的自驱动人体动作捕捉传感器的制备方法，包括：“皮”结构的制备方法：

(1)将二甲基硅氧烷与固化剂通过注射泵注射在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA模具里，在50～150℃下加热1～10h，从而通过原位聚合得到固化在PMMA模具里的聚二甲基硅氧烷，然后放入乙酸乙酯中溶解掉PMMA模具，溶解之后得到聚二甲基硅氧烷PDMS管，PDMS管的内径与套管模具中里面管子的外径一致，PDMS管外径与套管模具中外面管子的内径相同，将PDMS管取出后超声清洗，烘干；

(2)将步骤(1)的PDMS管用等离子体处理仪进行氧气等离子体预处理，以提高PDMS管内壁的亲水性，再浸入氟硅烷FAS浓缩液(其中氟硅烷的浓度在1wt％～1.5wt％之间)中，获得接枝了氟硅烷的疏水表层，将PDMS管取出清洗，烘干；然后在预拉伸的状态下(进行预拉伸后固定，预拉伸使得器件可以测试不同拉伸应变)将竹纤维/尼龙层包缠在PDMS管表面，再用等离子体处理仪进行氧气等离子体处理，以提高竹纤维/尼龙层的亲水性，从而更容易吸附银纳米线，将处理后的预拉伸PDMS管浸在银纳米线分散液中浸渍涂布；其中涂布10-15次，每次浸渍时间3-5秒；

(3)将步骤(2)中得到PDMS管放入真空干燥箱中烘干，然后将PDMS前驱体放在烘箱中固化，得到预聚合的PDMS，再将预聚合的PDMS与二氯甲烷混合，得到PDMS溶液。最后，将PDMS溶液喷涂在竹纤维/尼龙层的表面，喷涂的PDMS既可以固定竹纤维/尼龙层，也可以保护银纳米线不被空气氧化。

“芯”结构的制备方法：

(4)将导电纤维进行预处理，然后竹纤维/尼龙层通过轮结编织的方法包覆在导电纤维表面，得到导电纤维/竹纤维-尼龙，其中预处理后在导电纤维外通过轮结编织的方法包覆上一层竹纤维/尼龙层，竹纤维/尼龙层在表面呈现出螺旋状花纹，粗糙的表面结构有助于产生更大的摩擦电荷。

皮/芯结构的组装：

(5)在皮结构预拉伸时，将芯结构用AB胶固化在皮结构的中心位置，等AB胶完全固化后，再释放皮结构使其恢复原状，此时芯结构在皮结构内部会形成波浪结构，这种内置的波浪结构保证了器件的可拉伸性。

所述步骤(1)中二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10:1。

所述步骤(1)中PDMS管内径0.5～3mm，外径1～4mm，管壁厚0.5～1mm。

所述步骤(2)中氧气等离子体处理的工艺参数包括：功率100～200W，处理时间3～40min。

所述步骤(2)中竹纤维/尼龙层中竹纤维与尼龙的质量比为3:1～4:1。

所述步骤(2)中银纳米线分散液的浓度为0.5～10mg/mL，分散液的溶剂为醇或水。

所述步骤(3)中真空干燥箱的温度为40～60℃，真空度为-0.1～-0.09MPa；加热台温度为

50～60℃。

所述步骤(3)中喷涂的PDMS溶液的制备方法包括：将PDMS在温度为50～80℃的烘

箱中预聚合10～30min，得到预聚合的PDMS，再用二氯甲烷作为溶剂溶解预聚合PDMS，

得到PDMS溶液，其中预聚合PDMS与二氯甲烷的质量比为1:30～1:100。

所述步骤(4)中导电纤维进行预处理为：先用酒精灯烧导电纤维的毛疵，再用砂纸对纤维表面进行打磨，对导电纤维的处理既有利于竹纤维/尼龙层的编织，也有助于摩擦电荷的产生。

有益效果

(1)本发明的制作成本低廉，制备的传感器重量轻、柔韧性好；

(2)本发明通过预处理引入了氟硅烷疏水层，得到了内表面改性的PDMS管，有利于摩擦面的快速分离，提升了器件输出信号的强度及稳定性；

(3)本发明用氧气等离子体处理包缠后的竹纤维/尼龙层，明显的增大了竹纤维表面的亲水性，有利于竹纤维对银纳米线的吸附，提升了电极的导电性；

(4)本发明在银纳米线外喷涂上PDMS溶液，PDMS对传感器起到保护作用，使传感器在进行拉伸循环过程中的输出信号更稳定，同时，使得传感器可以多次水洗；

(5)本发明使用轮结编织的方法，在导电纤维外包覆上竹纤维/尼龙层，竹纤维/尼龙层呈现的螺旋状花纹有利于提升摩擦表面的粗糙度和摩擦面的分离，从而有效提高器件的输出功率，增大器件输出信号的稳定性；

(6)本发明所制备的摩擦发电自驱动传感器在工作时不需要外加电源，通过人体关节的“弯曲伸直”动作，使得“皮”结构与“芯”结构产生接触分离的摩擦发电效应，从而使得传感器可以根据关节的弯曲程度自动产生不同的电信号，使传感器摆脱了对外加电源的依赖。

附图说明

图1为本发明中自驱动传感器的结构示意图；

图2为实例1-3中所使用的竹纤维/尼龙层的表面SEM图；其中a为竹纤维/尼龙层的低倍表面SEM图，b为竹纤维/尼龙层的高倍表面SEM图；

图3为实例1制备的自驱动人体动作捕捉传感器在被拉伸100％时它的时间-应变-应力曲线；

图4为实例1制备的自驱动人体动作捕捉传感器在无外加电源时不同拉伸应变下的时间-电压曲线；

图5为实例1中竹纤维/尼龙层浸渍银纳米线后的表面SEM图；其中a为浸渍后的低倍表面SEM图，b为浸渍后的高倍表面SEM图；

图6为实例2中竹纤维/尼龙层浸渍银纳米线后的表面SEM图；其中a为浸渍后的低倍表面SEM图，b为浸渍后的高倍表面SEM图；

图7为实例3中竹纤维/尼龙层浸渍银纳米线后的表面SEM图；其中a为浸渍后的低倍表面SEM图，b为浸渍后的高倍表面SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

将二甲基硅氧烷和固化剂用注射泵注射在PMMA模具里，将模具放入60℃烘箱中固化2小时，再将固化后的模具放入乙酸乙酯中溶解3小时除去PMMA，得到PDMS管，再用乙醇超声清洗PDMS管，烘干后将其放入氧气等离子体处理仪中，在200W的功率下处理10min，再将PDMS管浸入FAS中2小时，取出后将其清洗、烘干。然后，在预拉伸的状态下将竹纤维/尼龙层包缠在PDMS管表面，再将其放入氧气等离子体处理仪中，在200W的功率下处理5min，之后在浓度为2mg/ml的银纳米线乙醇分散液中浸渍涂布12次，每次浸渍时间5秒，将其在40℃烘干后接上导电纤维。将PDMS前驱体放在温度为60℃的烘箱中固化20min，得到预聚合PDMS，再将预聚合PDMS与二氯甲烷按质量比1:70的比例混合，得到PDMS溶液。最后，将PDMS溶液喷涂在竹纤维/尼龙层的表面。

先用酒精灯烧导电纤维的毛疵，再用500目的砂纸对纤维表面进行打磨，然后将竹纤维/尼龙层通过轮结编织的方法包覆在导电纤维表面。

在皮结构预拉伸时，将芯结构用AB胶固化在皮结构的中心位置，等AB胶完全固化后，再释放皮结构使其恢复原状，此时芯结构在皮结构内部会形成波浪结构。

图1为自驱动传感器的结构示意图，传感器分为“皮/芯”结构。图2为竹纤维/尼龙层的表面SEM图，从图中可以看出单根纤维的直径大概在10um左右。图3为自驱动人体动作捕捉传感器在被拉伸100％时它的时间-应变-应力曲线，从图中可以看出传感器经过多次拉伸几乎没有形变，力学性能稳定，拉伸循环性能好。通过捕捉电压信号，能精确记录动作，图4为自驱动人体动作捕捉传感器在无外加电源时不同拉伸应变下的时间-电压曲线，从图中可以看出传感器信号稳定。图5为竹纤维/尼龙层浸渍银纳米线后的表面SEM图，从图中可以看出竹纤维/尼龙层表面包覆有均匀的银纳米线。

实施例2

将二甲基硅氧烷和固化剂用注射泵注射在PMMA模具里，将模具放入80℃烘箱中固化1小时，再将固化后的模具放入乙酸乙酯中溶解3小时除去PMMA，得到PDMS管，再用乙醇超声清洗PDMS管，烘干后将其放入氧气等离子体处理仪中，在200W的功率下处理5min，再将PDMS管浸入FAS中2小时，取出后将其清洗、烘干。然后，在预拉伸的状态下将竹纤维/尼龙层包缠在PDMS管表面，再将其放入氧气等离子体处理仪中，在200W的功率下处理5min，之后在浓度为5mg/ml的银纳米线乙醇分散液中浸渍涂布12次，每次浸渍时间5秒，将其在40℃烘干后接上导电纤维。将PDMS前驱体放在温度为60℃的烘箱中固化20min，得到预聚合PDMS，再将预聚合PDMS与二氯甲烷按质量比1:70的比例混合，得到PDMS溶液。最后，将PDMS溶液喷涂在竹纤维/尼龙层的表面。

先用酒精灯烧导电纤维的毛疵，再用500目的砂纸对纤维表面进行打磨，然后将竹纤维/尼龙层通过轮结编织的方法包覆在导电纤维表面。

在皮结构预拉伸时，将芯结构用AB胶固化在皮结构的中心位置，等AB胶完全固化后，再释放皮结构使其恢复原状，此时芯结构在皮结构内部会形成波浪结构。

图6为竹纤维/尼龙层浸渍银纳米线后的表面SEM图，从图中可以看出竹纤维/尼龙层表面包覆有大量的银纳米线。

实施例3

将二甲基硅氧烷和固化剂用注射泵注射在PMMA模具里，将模具放入60℃烘箱中固化2小时，再将固化后的模具放入乙酸乙酯中溶解3小时除去PMMA，得到PDMS管，再用乙醇超声清洗PDMS管，烘干后将其放入氧气等离子体处理仪中，在200W的功率下处理10min，再将PDMS管浸入FAS中2小时，取出后将其清洗、烘干。然后，在预拉伸的状态下将竹纤维/尼龙层包缠在PDMS管表面，再将其放入氧气等离子体处理仪中，在200W的功率下处理5min，之后在浓度为0.5mg/ml的银纳米线乙醇分散液中浸渍涂布12次，每次浸渍时间5秒，将其在40℃烘干后接上导电纤维。将PDMS前驱体放在温度为60℃的烘箱中固化20min，得到预聚合PDMS，再将预聚合PDMS与二氯甲烷按质量比1:60的比例混合，得到PDMS溶液。最后，将PDMS溶液喷涂在竹纤维/尼龙层的表面。

先用酒精灯烧导电纤维的毛疵，再用500目的砂纸对纤维表面进行打磨，然后将竹纤维/尼龙层通过轮结编织的方法包覆在导电纤维表面。

在皮结构预拉伸时，将芯结构用AB胶固化在皮结构的中心位置，等AB胶完全固化后，再释放皮结构使其恢复原状，此时芯结构在皮结构内部会形成波浪结构。

图7为竹纤维/尼龙层浸渍银纳米线后的表面SEM图，从图中可以看出竹纤维/尼龙层表面包覆有少量的银纳米线。