汽车坐垫用织物传感阵列的制造方法及产品

技术领域

本发明涉及一种车辆座椅传感器领域，特别涉及一种汽车坐垫用织物传感阵列的制造方法及产品。

背景技术

随着自动驾驶、人工智能、5G等尖端科技的兴起，汽车上也逐渐集成了辅助自动驾驶和智能助手等功能，使得驾驶变得更轻松。汽车驾驶室也逐渐朝向智能化发展，使其能成为人们驾驶、休息、娱乐、工作的地方。

为保证乘坐的舒适性，汽车座椅因更加智能化。目前，座椅调节主要包括手动调节和电动调节这两种方式，均需要驾乘人员的手动介入才能使座椅调整至最佳位置，过程繁琐不便。在很多场景中，驾乘人员由于感觉座椅调整麻烦，在未严重影响驾乘舒适度的情况下而放弃调节，这在一定程度上影响了人们的乘坐体验感。虽然，已有一些研究者提出了在座椅上安装压力传感器来测量驾乘人员的身高、体重等信息，以实现座椅位置的自动调整，但受这些传感器材料特性的影响，安装在座椅上时，使得座椅透气性变差，降低乘坐舒适度，且力空间分辨率低，无法为驾乘人员提供多样化的乘坐功能。

为解决这些问题，有必要研究一种汽车坐垫用织物传感阵列，使其与座椅集成时能拥有良好的透气性，通过敏感单元的分布式布置来监测人体重量及人体与坐垫的接触区域，为座椅位置调整、按摩、供热、通风功能的实现提供依据，提升驾乘人员的乘坐体验感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种汽车坐垫用织物传感阵列的制造方法及产品，该织物传感阵列将无纺布与碳纳米纤维组合，拥有良好的透气性，实现接触压力的分布式测量，可为座椅位置调整、按摩、供热、通风功能的实现提供依据，提高乘坐舒适性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：汽车坐垫用织物传感阵列的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、裁剪两块无纺布，分别作为织物基底层和织物保护层，然后依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗除去表面杂质及油污，然后悬挂在空气中晾干；

S2、将聚酰亚胺薄膜粘贴在织物基底层的上下表面，使用激光切割机对上表面的聚酰亚胺薄膜进行划线，刻蚀预先设计好的电极层的图案；

S3、将步骤S2中划好电极层图案的织物基底层浸入10-20g/L SnCl

S4、称取0.22-0.42g多壁碳纳米管（MWCNT），2.73-5.62g四氢呋喃（THF），1.41-2.65g N,N-二甲基甲酰胺（DMF），1.5-2.5g聚氨酯（PU）和0.01-0.05聚乙烯吡咯烷酮（PVP）置于烧杯中，放入水浴加热搅拌器中恒温20-30℃搅拌使其充分混合，之后用超声波分散仪进行超声分散，然后静置得到PU重量百分比浓度为15-25%的碳纳米纺丝溶液；

S5、将步骤S4中配得的碳纳米纺丝溶液倒入微量注射泵的注射器内，针筒与高压电源正极相连，将步骤S3中制得的沉积了电极层的织物基底层粘贴到二维移动平台的滑块上，并与高压电源负极相连，二维移动平台位于针筒下方20～50mm位置处，施加5～7kV的电压，二维移动平台速度为50mm/s～200mm/s，使碳纳米纺丝溶液流出，形成射流，按照预设轨迹在电极层的各个正负电极之间沉积横纵交错排列的碳纳米纤维，得到压敏材料层；

S6、将步骤S1获得的织物保护层与步骤S3获得的织物基底层通过缝线缝制在一起，并将步骤S5获得的电极层和压敏材料层封装在织物基底层和织物保护层的内部。

一种汽车坐垫用织物传感阵列，其特征在在于：所述织物传感阵列包括从下至上依次由织物基底层、电极层、压敏材料层和织物保护层构成；所述压敏材料层包含N个力敏感单元，且力敏感单元之间按等比例行列排布，其中N≥4，所述电极层由N根正电极引线以及一根负电极引线组成，所述力敏感单元由多根碳纳米纤维交错排列组成。

进一步的，所述电极层为轴对称结构，采用激光刻蚀、化学沉积工艺分布于织物基底层上，所有负电极共用一根负电极引线位于织物基底层中间，N根正电极引线均布于负电极引线两侧，电极引线末端的中心距相同。

进一步的，所述力敏感单元整体尺寸为45mm×45mm×0.15mm，所述力敏感单元的数量为36，按六行六列排布，空间分辨率达70mm，所述电极层由36根正电极引线以及一根负电极引线组成，所述电极引线末端的中心距为1mm，所述力敏感单元由22根横向均布排列的碳纳米纤维和22根纵向均布排列的碳纳米纤维交织组成，且中心距为2mm。

进一步的，所述碳纳米纤维的直径为0.15mm，采用静电纺丝近场直写工艺制备，覆盖在电极层的正负电极之间。

进一步的，所述织物基底层和织物保护层均为无纺布，且通过缝线缝制在一起，所述电极层为镍。

本发明具有的有益效果是：

1、将无纺布与碳纳米纤维相结合，使传感器柔软、轻薄、透气；

2、电极层采用激光刻蚀、化学沉积工艺制备，能有效控制电极形状及尺寸，保证传感阵列的测量精度；

3、压敏材料层采用静电纺丝近场直写工艺制备，使碳纳米纤维直接沉积在正负电极之间，定位更精确，附着更牢固；

4、力敏感单元以6×6的阵列化布置，空间分辨率达70mm，可测量分布式接触压力，有助于座椅位置调整、按摩、供热、通风功能的实现。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明分布式织物传感阵列的分层爆炸图；

图2是本发明分布式织物传感阵列的整体装配图；

图3是本发明电极层平面图；

图4是本发明织物基底层、电极层和压敏材料层的装配平面图；

图5是本发明压敏材料层平面图；

图6是本发明力敏感单元平面图；

图7是本发明静电纺丝近场直写装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1、图2所示，本发明的一种汽车坐垫用织物传感阵列从下至上依次由织物基底层1、电极层2、压敏材料层3和织物保护层4，四层叠在一起构成。其中，织物基底层1与织物保护层4与通过缝线缝制在一起，将压敏材料层3与外界隔绝，减少干扰，保护各力敏感单元5；电极层2的电极引线7的末端裸露在外面，便于与外部电极引线相连。

如图3、图4所示，电极层2为轴对称结构，位于织物基底层1中间，由37根电极引线7组成，所有负电极共用一根负电极引线7b，36根正电极引线7a均布于负电极引线7b两侧，末端电极引线7的中心距为1mm；

如图4、图5、图6所示，压敏材料层3包含36个力敏感单元5，按六行六列排布，空间分辨率达70mm；力敏感单元5的整体尺寸为45mm×45mm×0.15mm，由22根横向均布排列的碳纳米纤维6和22根纵向均布排列的碳纳米纤维6交织组成，覆盖在电极层2的正负电极之间，碳纳米纤维6的直径为0.15mm，中心距为2mm。

如图7所示，碳纳米纤维6是通过静电纺丝近场直写装置制备的，碳纳米纺丝溶液倒入微量注射泵11的注射器内，针筒10与高压电源8正极相连，沉积了电极层的织物基底层9粘贴在二维移动平台12的滑块上，并与高压电源8负极相连，二维移动平台12位于针筒10下方20～50mm位置处，施加5～7kV的电压，二维移动平台12速度为50mm/s～200mm/s，使碳纳米纺丝溶液流出，形成射流，按照预设轨迹在电极层2的各个正负电极之间沉积横纵交错排列的碳纳米纤维6。

汽车坐垫用织物传感阵列的工作原理如下：当分布式织物传感阵列受到外力作用时，织物保护层4将外力传递至压敏材料层3，使得各力敏感单元5中的碳纳米纤维6发生变形产生电阻变化，利用力敏感单元5的电阻变化可以检测出接触压力的大小。

本发明中汽车坐垫用织物传感阵列在应用到具有座椅控制功能的汽车时，其自动调节系统中座椅会搭载一个测量用户身高的光学传感器，再配合本发明的汽车坐垫用织物传感阵列应用于汽车坐垫处来检测用户体重，根据自动调节系统中搭载的身高体重的座椅位置算法，当用户坐到坐垫上后，各力敏感单元5中的碳纳米纤维6发生变形产生电阻变化，再配合光学传感器，自动调节座椅位置至用户舒适区域。

而当需要使用按摩、供热、通风等座椅功能时，压力敏感单元检测当前的受力区域，根据测量到的分布力信息传递给座椅上的控制系统，然后根据该受力区域单独集中的给受力区域进行有效区域的按摩、供热、通风等功能，在省能耗的同时减少串扰效应，集中工作，提高透气性、用户使用效果。

汽车坐垫用织物传感阵列的制造方法，包括以下步骤：

S1、裁剪一块500mm×480mm和一块500mm×475mm的无纺布，分别作为织物基底层1和织物保护层4，然后依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗15min除去表面杂质及油污，然后悬挂在空气中晾干；

S2、将2块500mm×480mm×0.05mm的聚酰亚胺薄膜粘贴在织物基底层1的上下表面，使用激光切割机对上表面的聚酰亚胺薄膜进行划线功率为2W，扫描速率为12mm/s，刻蚀预先设计好的电极层2的图案，使其不会损坏织物基底层1；

S3、将步骤S2中划好电极层2图案的织物基底层1浸入10g/L SnCl2和40ml/L HCl（38%）的混合溶液中进行5min的敏化处理，温度始终保持40℃，之后用蒸馏水洗涤，然后将其浸入0.5g/L PdCl2和20ml/L HCl（38%）的混合溶液中进行5min的活化处理，温度也保持40℃，之后用蒸馏水洗涤，随后将其浸入0.6～2g/L的NiSO4水溶液中进行镀镍，用10%的NaOH水溶液将pH值调至10，温度保持80℃，浸泡10min后取出织物基底层1并剥离聚酰亚胺薄膜，最后将镀好镍电极的织物基底层1依次用蒸馏水和酒精漂洗，除去残留液体后置于干燥箱中烘干，得到沉积了电极层2的织物基底层1；

S4、称取0.22g多壁碳纳米管MWCNT，5.62g四氢呋喃THF，2.65g N,N-二甲基甲酰胺DMF，1.5g聚氨酯PU和0.01聚乙烯吡咯烷酮PVP置于烧杯中，放入水浴加热搅拌器中恒温30℃搅拌2h使其充分混合，之后用超声波分散仪进行超声分散0.5h，然后静置0.5h得到PU重量百分比浓度为15%的碳纳米纺丝溶液；

S5、将步骤S4中配得的碳纳米纺丝溶液倒入微量注射泵11的注射器内，针筒10与高压电源8正极相连，将步骤S3中制得的沉积了电极层2的织物基底层1粘贴到二维移动平台12的滑块上，并与高压电源8负极相连，二维移动平台12位于针筒10下方20～50mm位置处，施加5～7kV的电压，二维移动平台12速度为50mm/s～200mm/s，使碳纳米纺丝溶液流出，形成射流，按照预设轨迹在电极层2的各个正负电极之间沉积横纵交错排列的碳纳米纤维6，得到压敏材料层3；

S6、将织物保护层4与织物基底层1通过缝线缝制在一起，将电极层2和压敏材料层3封装在织物基底层1和织物保护层4的内部。

按照以上步骤，制造出来的汽车坐垫用织物传感阵列拥有多点接触压力检测功能，同时具有良好的柔性和透气性，非常适用于汽车座椅以实现多样化的智能操作。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。