纺织传感器导电研究

可穿戴计算作为私人助理在日常生活中发挥着越来越重要的作用。在医疗保健领域，私人助理不断记录穿戴者的身体数据，帮助背部疾病患者，围绕实时检测以及监测生理和运动状态的项目正在展开［1］。在工业领域，私人助理可指导工人操作和维护机器、装配汽车、保护消防员远离危险环境［2］。私人助理依赖于分布在人体表的传感器，而传感器是实现可穿戴计算必不可少的组件。可穿戴计算要求传感器被直接集成到服装中，这具有许多好处:服装几乎时刻不离人体，是装配传感器的理想基质;同时，一旦着装，传感器将依附于人体合适位置，用户不需要考虑它们的定位问题。为了实现最好集成，纺织解决方案最有利。大多数商业化传感器比纺织材料或人体组织硬且显眼笨重，纺织解决方案使穿戴者感觉舒适且不显眼。基于纺织结构传感器的这些优势，已开展了许多相关研究，利用材料或纺织结构的压阻、压容、压电或光传播特性，研制出压力、应变和温度传感器，相关原理和实现形式如表1所示。尽管有部分研究项目将传统微型硬质传感器嵌入纺织品中实现可穿戴传感功能，但本文主要介绍纤维网或织物结构传感器。

1压阻式传感器根据电阻效应产生方式，压阻式传感器可分为两类:一类是材料自身的电阻随压力(或力)变化，另一类是两相邻表面(或称电极)间的界面接触电阻随压力变化。

1．1材料电阻具有自身电阻的材料有导电纤维/纱、导电高聚物(如导电油墨、导电液)或碳纳米管复合材料、导电聚合物［如聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)和聚乙炔］涂层织物等。利用导电纤维的压阻效应，Huang等［3］以压阻纤维(碳涂层纤维)和涤纶/弹力纤维混纺纱经包缠工艺制备纱线传感器，可监测呼吸信号，其应变敏感系数为4～17。研究发现，受压时在包覆纤维和芯纱间出现滑移，电阻和应变间不是线性关系，可能为二次函数关系，而捻度大小对传感性能没有显著影响。相对而言，双层包缠导电纱的皮芯纤维间滑移量比单层包缠纱小，电阻—压力关系的线性度更高。Mattmann等［4］利用变电阻弹力导电线［热塑性橡胶填充50%(质量分数)炭黑粉末，直径0．3mm，应变100%］缝制嵌入普通针织服装中测量上肢姿势，应变敏感系数约为40。显然，传感器性能依赖于导电涂层或压阻纤维材料的性能，通常动态测量范围小、重复性差、不耐洗、不耐折叠、制备过程复杂。最近，Fan等［5］以原位化学氧化聚合法在PU纤维表面沉积PANI聚合物，制备的导电纤维传导率最高达0．001/(Ω•cm)，压阻应变高达1500%，在0%～1500%应变范围内平均应变敏感系数(电阻率与应变率之比)为3。Husain等［6］讨论了织入金属线的针织结构温度传感器，比较了传感器的电阻、温度敏感系数和响应时间在铜、钨、镍和铂4种金属丝之间的差异，结果显示，基于钨或镍线制作的温度传感器具有更大的名义电阻和敏感度。导电复合材料是一类用于开发织物结构压阻传感器的材料，如导电填料颗粒物和弹性黏合剂(如硅橡胶)混合导电橡胶(也称量子隧道复合物，QuantumTunnellingComposite，QTC)［7］、吡咯改性聚氨酯导电泡沫［8］等活性复合材料的体积电阻(或弹性电阻，Elastoresistance)，经涂层工艺沉积到纱线或织物表面。以导电复合物涂层纺织品所制备的传感器类似于商业化柔性应变片，测量承受拉伸应力时的应变，可应用于姿势、运动状态监测［9-11］或生理信号检测［12］。Paradiso等把导电硅橡胶纹印至织物表面，研制了传感手套监测手的活动，应变敏感系数约2．8，应变—电阻曲线经指数修正后满足线性关系［12］。Dunne等以变电阻泡沫开发出纺织传感器，测量上臂位置［13］。他们研究发现，导电泡沫等弹性电阻引起的滞后性阻止了上肢位置的准确测量，且响应速度慢，仅可区分4个位置。这些材料也可用作纺织触控开关材料，如商业化Softswitch和Eleksen纺织结构传感器。Softswitch直接将传感元件集成到服装中，为涂有弹性电阻复合物的导电织物，通过复合材料受压电阻减小来测量压力［7］。类似的方法有，导电聚合物膜或油墨以丝网印刷工艺沉积，形成图样化特征。还有一些纺织结构传感器利用了纯碳纳米管(CNT)的压阻行为。纳米管屈曲增加了相互连接程度，降低了电阻，这种材料的优势是超级可压缩、可恢复和弹性模量高。Laxminarayana等采用静电纺工艺制备了聚合物/CNT非织造复合网［14］，采用PZT激励悬臂梁振动法测试相应传感器的敏感性，发现应变感应能力随CNT质量分数的增加而提高，且比P(VDF-TrFE)基静电纺纳米网性能好。此外，多壁碳纳米管也可嵌入PDMS、PMMA等聚合物中，制备纤维温度传感器［15］，或采用丝网印制方法将碳纳米管分散液转移至纺织品表面，形成对压力非常敏感的柔性皮肤［16］。

1．2接触电阻接触电阻即相邻导电纤维间或交织导电纱线间的接触电阻，当纺织结构材料受拉伸、压缩等机械作用时，接触面积发生变化而改变系统电阻。导电纤维或纱线要么为金属纤维/纱，要么为在纱线、织物表面沉积或浸渍聚吡咯(PPy)、聚苯胺等导电聚合物。Wu等［17］研究了导电聚合物PPy涂层莱卡织物的应变—电阻关系，应变敏感系数约25。研究发现，尼龙莱卡织物涂层PPy在空气中易氧化分解，表面电阻稳定性差，放置54d后表面电阻增加10倍，而在干燥器中同样时间后增加不足2倍。Tsang等［18-19］以化学气相沉积(CVD)丝网印制法制备PPy涂层导电织物［基质为尼龙66/莱卡(85/15)平纹针织物］，发现化学气相沉积法能形成薄而密集、均匀分布的PPy涂层织物，在50%应变下的应变敏感系数超过400，且在低温(－25℃)条件下聚合比在室温下能显著提高织物传感器的导电性、应变敏感性和环境稳定性，并把这归因于低温CVD工艺能在织物表面沉积更薄、更有序的PPy膜。Zhang等［20］采用钩针手编制备了一种在高温环境中工作的应变传感绳，在超过400℃环境下可测量达40%的平面拉伸或垂直于平面的压缩应变，传感源于接触纱线间的接触电阻，单位长度内接触点的多少决定了传感器的灵敏度、可重复性、滞后性、线性度和应变范围。同样，Qureshi等［21］以导电纱为基础研制了针织拉伸传感器用于监测呼吸信号，并比较了4类电阻不同的纱线和4种针织组织(平纹提花、罗纹、双罗纹和长浮线)为工艺参数两两组合下的信号强弱，发现高电阻纱不适合制备呼吸信号传感器，而浮线结构和双罗纹结构最适合。Kannaian等［22］用银涂层聚酰胺纱制备电活性带状机织物传感器，其中经纱为涤纶橡胶线、纬纱为涤纶纱，在织带中心沿经向织入4～8根涂银聚酰胺导电纱。研究发现，导电纱根数、纬密和涤纶橡胶比会影响应变敏感系数，拉伸应变敏感系数为0．02～0．60。王金凤等［23］以4种涂银纱纬编针织物用作拉伸传感器，发现灵敏度按竖条纹双罗纹针织物、横条纹双罗纹针织物、涂银纬纱针织物顺序依次减小，且纬平针织物的敏感系数不随织物宽度变化，但弹力纬平针织物的敏感度受宽度影响。Gibbs等［24］以导电纤维固定到弹力织物中制备拉伸敏感型传感器，辅以Kalman滤波连续测量单轴或多轴关节活动。Guo等［25］为了比较不同拉伸敏感型纺织传感器的敏感性、线性度、稳定性和滞后性，以4种弹力或非弹力织物和2种导电材料制备传感器:聚氨酯/莱卡平纹交织物或涤纶平纹织物为基质，炭黑填充硅橡胶为涂层材料;棉(95%)/莱卡(5%)机织物或纯棉平纹机织物为基质，涤纶/Bekintex短纤/不锈钢丝混纺纱为导电材料。研究结果显示，电阻式纺织结构传感器性能与导电材料和织物基材关系密切，相对而言，非弹力织物传感器的滞后性误差比弹力织物小。最近，Zhang等［26］基于接触电阻传感原理，研制了缝编织物结构压力场测绘传感器，如图1所示。在该传感器中，2组正交接触的导电纱系统形成分布的接触电阻阵列，不需要在织物表面贴附任何其他传感元件，且导电金属纱同时作为传感单元和导线。作用于织物表面的压力大小和位置通过在2组刺绣纱线系统间的电阻变化及位置来确定。并且，电阻—压力曲线呈现两阶非线性模式，在地压力区接触电阻不稳定，当在2组导电纱线接触点表面涂层后，传感器的敏感性和稳定性增加。这种在一种柔性基质上的行和另一种基质上的列形成的传感器可大大减少导线数量，减小纺织品本身服用性能的损失。把输出电压送入其他列中消除杂散电流，避免串扰。相对于连续层而言，利用图样化导电层的优点是避免同一平面内行间传导。另一种方法则利用系统电阻随几何构型变化而变化的原理。例如，在覆盖膜下依次层放导电液、阵列电极和膜基层，施加电压于液体表面并测量相邻电极间电压，获得电阻，电阻大小取决于相关电极间膜的压入量。GPSoftMess柔性压力坐垫为织物封装独立箔电阻的阵列式压力传感器，每片传感阵列由4096个传感单元组成。以上研究表明，接触电阻式纺织结构传感器的性能与织物形貌、纱线及织物结构有关。

2压容式传感器

压容式传感器的测量原理为两平行极板间的电容随压力变化而变化，如图2所示。电容传感器通常可非常准确地测量小位移，属于静态应变传感器，带宽高。这种传感器一般以导电织物等柔性材料为电容极板，以诸如泡沫、间隔织物、橡胶等弹性材料为间隔层，辅助完成从压力到位移的转换，因此电容板间的弹性材料性能控制传感器性能。基于同样原理，如果把一层金属纱(线)等导电条铺放在弹性体两侧，相互垂直，则可制备阵列传感器。当传感器用于压力测试时，相交叉的一根传输线与一根感应线间电容传感单元被触发;同时，其他传输线和感应线为地电势，可减小串扰。Wijesiriwardang等［27］以炭黑填充或金属填充橡胶导电混合物、PPy导电聚合物为材料，弹性纤维为基质，开发了电容式针织结构生物电极，测量ECG信号，或用于开关键盘。同样，Holleczek以PCCR(PrioprietaryClosedCellResin)材料为间隔层、涂银织物为电容极板开发了压力传感器，内置于滑雪鞋和缝贴于袜表面，用于监测滑雪者训练姿势［28］。最近，Eriksson等［29］以一次成型构建了三维多层织物结构电容传感器，该方法可减少手工制作织物电容器的工序，但他尚未评价该传感器的性能。压力绘制传感阵列也可基于电容传感原理制备，它们已用于医用袜、轮椅垫或床垫监测压力场，也可直接集成到内衣中。这种传感器是在可压缩间隔层两侧垂直相交的导电条交叉点形成电容。Sergio等［30］以弹性介电织物为间隔层，在两侧正交平行排列两组导电纱形成电容阵列，传感器原型为:传感单元间距为8mm的24×16阵列，输入电容动态范围为100fF～10pF。他们以机织、刺绣、印制焊接和导电油墨4种分布导电纱的方法制备压力绘制传感阵列，并比较分析了4种工艺在难易程度和成本方面的差异。Sergio等还提出了内嵌芯片于间隔层，形成感应电容变化的完整集成电路［31］。第一个原型的空间分辨率低(每个传感单元10cm×10cm)［32］，且没有考虑寄生电容，诸如滞后性和漂移引起的非线性都没有补偿。电容传感器易受电磁干扰，在传感器表面增加一层导电层可屏蔽电容单元。Meyer等［33］将分辨率提高至2cm×2cm，以Preisach模型补偿滞后性后，在0～10N/cm2压力范围内平均误差小于4%。分别装配8、16、30或240个感应单元制备压力传感阵列，如图3所示。填充6mm厚的间隔织物，在加压前后其电容分别为3．5pF(无载荷)和5．8pF(压力5N/cm2)。如果相邻活动电极单元不接地，在这些单元和连线间与已商业化压力场传感器相比(表2)，纺织结构压力场传感器性能已接近或超过商业化产品，但大多数商业化压力场传感器不仅价格高，且联合纺织品使用时需要改变系统，几乎不可能不影响穿戴舒适性，比如失去纺织品的透气性、柔韧性和可机洗性。但商业化或正在研制的压力传感阵列滞后性达19%，漂移量为4%～20%，需要进一步深入研究以改善传感器性能。有机场效应晶体管(OrganicField-EffectTransistors)由于在大面积、柔性化和低成本有源矩阵显示、射频标签及传感器等方面的潜在应用前景而备受学术界和工业界关注，并取得了长足的发展。相对于无机场效应晶体管器件，有机场效应晶体管具有低成本和柔韧性的独特优势。例如，并五苯(Pentacene)［35］和有机场效应材料［36］涂覆在长丝纤维表面，可制备纤维基晶体管。Bonfilio等采用这种材料制备了纺织纱线晶体管，可用作逻辑元件或传感器元件［37］。他们发现，纺织晶体管的转换函数不仅与纱线主要性能有关，还依赖于纱线形貌，这是因为纱线间的电接触与纱线的电阻和电容响应依赖于纱线拓扑形貌。但是，有机场效应晶体管器件还存在着夹断电压较高、阈值电压难于控制等缺点。虽然电极材料对场效应器件性能有很大影响，但这方面的研究较少。最近，以碳纳米管及石墨烯等碳材料作为晶体管的源漏电极得到广泛研究，它们具有电导率高、稳定性好的特点，且与有机半导体材料具有更好的相容性和匹配性。考虑到实际应用，如能采用低成本的溶液法制备类似的碳导电材料将更为理想。

3压电式传感器

诸如石英、极化陶瓷、压电高聚物等材料在外力作用下能生成电荷，但目前以纺织结构实现传感功能的材料主要为聚偏二氟乙烯(PVDF)，采用静电纺等工艺制备β相PVDF纳米纤维网传感器。Yoon等［38］比较分析了不同质量分数的CaCl2和多壁碳纳米管(MWCNT)混纺纳米网的压电性能，发现增加两者任一成分都有助于提高压电效应，相对而言，添加MWCNT产生的效果更好。Wang等［39］发现，纯PVDF纳米纤维网在3～5N范围内，压电敏感系数在11．25～42mV/N之间波动，且与载荷作用频率有关，但在低频时传感器的重复性较好。理论上，压电传感器的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比，而静电纺纳米纤维膜的比表面积比通用膜大得多(约1000m2/g)，用在传感器方面可大大提高其灵敏度。此外，纳米纤维网传感器能无缝对接到服装中，在提供足够的生理信号监控能力的同时，不会增加冷热或生理压力。但是，压电传感器是一种动态应力传感器，主要局限是缺乏直流测量，电信号一般按毫秒级衰减，已报道的最好截止带宽达0．1Hz［39］。此外，PVDF压电传感器对温度或热电敏感，因体温相对恒定，这一缺陷对体内用压力传感器不会造成显著影响。4其他传感器电阻或电容传感器性能受材料(或结构)力学滞后性和电滞后性影响，与电线或相关传感器相比，光纤不仅不生热，而且对电磁辐射不敏感，不受放电现象影响。基于光纤光栅或微弯原理，即改变光在光纤中的传播来测量刺激作用强度，已开发出几种纺织传感器［40-41］。早期工作已有详尽报道［40］，近年来一些改性光纤已用于开发纺织结构传感器。Rothmaier等［41］将自制柔性硅塑料光纤以刺绣或机织纹样方式织入普通织物，研制了检测血氧饱和度的光子纺织品传感器，发现织物结构对光传播效率影响显著，刺绣样品的光耦合效率总体上比机织样品低。他们还将自制柔性硅塑料光纤沿经向和纬向织入不同结构的机织物中制备2×2型压力传感阵列［42］，当压力挤压光纤时改变或阻隔光传播量，以光衰减量表征压力大小。该传感器在0～20N范围内压力响应关系呈现明显的非线性，且非线性度随纤维直径增加而减小，漂移量约0．6%。除了以导电织物结构的电阻和电容变化开发传感器外，Wigesiriwardana等采用导电线圈的电感原理，利用管状纤维网三维变化引起自感变化研制管状导电纤维网应变及位移传感器，可监测呼吸或运动位置信息［27，43］。也有学者把硅等柔性人工皮肤直接缝接到纺织品表面，使纺织品具有传感和计算功能［44］。

5结语

尽管纺织结构传感器的研制及使用已取得了较大进展，但仍存在很多问题需要深入研究:(1)大多数纺织结构传感器基于导电高分子材料，这种材料尽管易合成、敏感度高，但环境稳定性差，且传感器加工过程复杂或加工工艺不合适大规模生产，很多工序依赖于手工技巧。(2)无论传感过程是基于材料自身电阻的变化，还是纱线或织物结构变化引起的电阻改变，已研制使用的产品性能尚不稳定，滞后性、线性度和动态响应能力弱，不能满足实际应用和商业化要求的可控性。模拟这些导电弹性体的力学特性，特别是滞后性，将有助于提高系统性能。(3)产品的耐洗性、耐褶皱性、穿戴舒适性等传统服用性能恶化，不能达到设计目标和使用性能要求，且尚未形成评价产品品质、性能的标准指标和方法。