紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器性能優(yōu)化

劉寧娟 肖珊 程瓊 王雙 劉瑋

摘要：總結(jié)了幾種紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器性能優(yōu)化設(shè)計的方法。在影響傳感器性能的參數(shù)中，靈敏度和變形能力是研究者設(shè)計這兩類傳感器時優(yōu)先考慮的參數(shù)。通過提高初始電阻、改變電流傳輸途徑以及調(diào)控表面微結(jié)構(gòu)的方法提高壓力傳感器的靈敏度。通過裂紋多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)、復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及在紗線表面構(gòu)筑褶皺或纏繞結(jié)構(gòu)等方法提高應(yīng)變傳感器的變形能力。這些方法為設(shè)計性能更加突出的紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器提供思路。

關(guān)鍵詞：紡織結(jié)構(gòu);壓力傳感器;應(yīng)變傳感器;性能優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TP212.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-265X（2020）01-0082-07Optimization for Performance of Pressure and Strain Sensors in Textile Structures

LIU Ningjuan1， XIAO Shan2， CHENG Qiong1， WANG Shuang1， LIU Wei1

Abstract：In this study， several methods for optimizing the design of pressure and strain sensors in textile structures are summarized. Among the parameters affecting sensor performance， sensitivity and deformation capability are the ones that researchers should give priority to for designing the two types of sensors. The sensitivity of the pressure sensor can be improved by increasing the initial resistance， changing the current transmission path， and regulating the surface microstructure. The deformation capability of the strain sensor can be improved by a crack multistage expansion structure， a composite network structure， and a method of constructing a wrinkle or a wound structure on the surface of yarn. These methods provide ideas for designing pressure and strain sensors in textile structures with more outstanding performance.

Key words：textile structures; pressure sensor; strain sensor; performance optimization design

隨著微電子技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，近年來傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器因具有柔韌性好，可彎曲及耐水洗等特性而受到普遍的關(guān)注[1]。

紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器的制備主要有兩種方法，一種是導(dǎo)電材料涂層織物[2]，使織物具有導(dǎo)電能力[34];另一種是織物作為支撐結(jié)構(gòu)，表面或內(nèi)部嵌入纖維狀導(dǎo)電材料[56]。紡織結(jié)構(gòu)傳感器因具有柔性、空隙、較大的變形能力和一定的損傷容限[7]，使其與人體表面共形并具有舒適性，應(yīng)用于可穿戴電子器件[8]。

目前，很多學(xué)者已經(jīng)研究了基于紡織結(jié)構(gòu)的可穿戴電子器件[910]，可應(yīng)用于健康治療、環(huán)境監(jiān)測、屏幕顯示、人機(jī)交互、能量收集、能量儲存、無線通信交流等領(lǐng)域。應(yīng)用在紡織產(chǎn)業(yè)上的技術(shù)包括下列：智能型服飾、運(yùn)動暫停檢出器、紗線張力量測、磨損檢測系統(tǒng)、在線經(jīng)紗張力量測;毛毯上通電以控制高分子聚合物、底部的傳感器安裝、觸覺傳感器、微成型機(jī)構(gòu)等。

壓力傳感器性能相關(guān)的重要參數(shù)[11]有：靈敏度、壓強(qiáng)檢測范圍、線性度、準(zhǔn)確度、響應(yīng)時間和穩(wěn)定性[12]，應(yīng)變傳感器還需考慮柔性與變形能力[13]。其中靈敏度對壓力傳感器性能的影響以及變形能力對應(yīng)變傳感器至關(guān)重要。研究者們通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計對壓力及應(yīng)變傳感器進(jìn)行性能優(yōu)化，取得了一定的成果。其中涉及到的性能優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法總結(jié)如下，為紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器性能優(yōu)化設(shè)計提供思路。

1紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器性能優(yōu)化

1.1裂紋法增加初始電阻

壓力傳感器的靈敏度與電阻變化率有關(guān)，電阻變化率直接受功能層初始電阻的影響，通過有效的方法提高壓力傳感器的初始電阻有助于提高其靈敏度。一些研究者采用裂紋法[1415]（圖1）使壓力傳感器的功能層產(chǎn)生裂紋，初始電阻明顯增大，當(dāng)傳感器受到外力壓縮或拉伸時，電阻變化較明顯，輸出信號被放大。

Yao等[16]制備了一種基于石墨烯包覆聚氨酯海綿的壓力傳感器，如圖2所示該傳感器中包覆聚氨酯的石墨烯產(chǎn)生微裂紋，傳感器巧妙的創(chuàng)建了接觸斷裂的微觀結(jié)構(gòu)，而具有突出的柔性和高靈敏性。石墨烯包覆的聚氨酯海綿未經(jīng)處理時，石墨烯以不規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在，海綿受到壓縮時電阻變化有限。Yao和他的團(tuán)隊[16]對石墨烯包覆的聚氨酯海綿進(jìn)行水熱處理和預(yù)壓縮，使石墨烯不規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)破壞，當(dāng)傳感器受到垂直方向的壓力時，海綿內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)斷裂，使石墨烯相互接觸導(dǎo)致電阻降低，傳感器初始電阻顯著增大。較未經(jīng)處理的聚氨酯海綿有較大的電阻變化，在0～2 kPa靈敏度提高了2個數(shù)量級，在2～10 kPa靈敏度提高了1個數(shù)量級。圖2石墨烯包覆的聚氨酯海綿的模型和SEM圖像

Lee等[17]將銀納米顆粒（Ag NP）采用直接轉(zhuǎn)移法復(fù)合在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上作為傳感材料。盡管納米銀在沉積過程中，形成許多微裂紋導(dǎo)致初始電阻較高，但機(jī)械變形下納米銀沉積的金屬薄膜具有韌性不會發(fā)生塑性變形。增加納米銀金屬薄膜微裂紋的開口，電流路徑變窄，傳感器電阻增加，使傳感器在拉伸和壓縮應(yīng)變下具有較好的傳感性能并保持傳感性能均勻。壓力傳感器顯示出快速響應(yīng)（1 s）和恢復(fù)速度（0.5 s），具有較高靈敏度（ΔR/R0=0.35）。3 kPa壓力下，100 mm厚PDMS膜的傳感器比具有500 mm厚PDMS膜的傳感器的響應(yīng)高28倍，通過控制PDMS膜的厚度，可調(diào)節(jié)靈敏度和操作范圍。

這種通過增加初始功能層裂紋，提高初始電阻，從而大幅度提高傳感器靈敏度的方法可以應(yīng)用于紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器。當(dāng)紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器的功能層為涂層纖維或織物時，可從涂層方面著手，使涂層導(dǎo)電物質(zhì)不均勻或產(chǎn)生裂紋;當(dāng)功能層為嵌入的導(dǎo)電材料時，裂紋法可直接應(yīng)用于導(dǎo)電材料，使材料本身直接產(chǎn)生裂紋。

1.2增加電極電阻或接觸電阻

壓力傳感器的總電阻包括接觸電阻、功能層電阻和電極電阻，一般接觸電阻和電極電阻相對于功能層電阻可以忽略。若能放大并巧妙利用接觸電阻或電極電阻，使功能層的電阻變化率變大，則可以提高傳感器的靈敏度。

如圖3所示[18]，研究者采用高彈材料聚氨酯（PU）與導(dǎo)電物質(zhì)聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）混合制備出導(dǎo)電橡膠，包覆在微金字塔PDMS伸縮電極陣列的表面，與電極相連構(gòu)成傳感器。電極電阻較大，作為初始電阻的一部分。傳感器表面受到壓縮時，表面電極與導(dǎo)電橡膠的接觸面積增大，電阻急劇減小，輸出信號變化明顯，傳感器靈敏度高達(dá)133 kPa-1，檢測到壓強(qiáng)最低可達(dá)0.8 Pa。圖3利用電極電阻提高靈敏度的結(jié)構(gòu)設(shè)計

Janczak等[19]制備聚合物復(fù)合材料壓力傳感器，分別用石墨烯納米薄片和碳納米管作為導(dǎo)電分散相分散在聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）和聚偏氟乙烯（PVDF）漿料中，漿料通過絲網(wǎng)印刷的方法涂覆在柔性基板上，用作壓力傳感器的活性層，兩者在絲網(wǎng)印刷柔性基板時碳納米顆粒分散量的不同，通過接觸電阻現(xiàn)象可知，用石墨烯薄片制成的壓敏層傳感器與用碳納米管制成的傳感器相比具有更大的接觸表面，這導(dǎo)致傳感器的靈敏度顯著提高，填料含量為0.1%時電阻從360 Ω變?yōu)?40 Ω，含量1.25%時電阻從750 Ω到60 Ω。

在紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器的設(shè)計中，利用電極電阻或接觸電阻來提高靈敏度也是一種可以考慮的方向。

1.3改變電流傳輸途徑

壓力傳感器通過外界施加載荷使電阻變化進(jìn)行工作，但電阻的變化實質(zhì)是電荷傳輸性質(zhì)的變化。因此改變電流的傳輸途徑也是一種設(shè)計高性能壓力傳感器的方法。

如圖4所示，Wei等[20]制備了一種基于銀納米線（AgNWs）對氧化還原石墨烯“動態(tài)橋接效應(yīng)”的柔性壓阻傳感器，這種傳感器即使在微小的負(fù)荷下，也具有較高的靈敏度。其原理是：將棉布分別用納米銀線包覆，用石墨烯分散液處理并還原，得到兩種電阻不同的織物。納米銀線包覆的棉布，電子移動較易，電導(dǎo)率高，電阻小。氧化還原石墨烯包覆的棉布，因石墨烯表面和邊緣存在殘余含氧官能團(tuán)，造成高電阻晶粒邊界，電子通過困難，電導(dǎo)率低，電阻大。分別作為壓阻傳感器的上下兩面，傳感器受到機(jī)械外力時，上、下面接觸，高導(dǎo)電的銀納米線網(wǎng)絡(luò)橋接氧化還原石墨烯相鄰的高電阻晶粒邊界，電子改變傳輸途徑，產(chǎn)生變化電阻，輸出信號。得到的傳感器具有較高的靈敏度（5.8 kPa-1），快速響應(yīng)和弛豫特性（29.5 ms和15.6 ms），超低檢測限制（0.125 Pa）和優(yōu)異的穩(wěn)定性（>10 000加載/卸載周期）。

這種方法巧妙的利用不同導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能的差異，造成電勢差，改變電流傳輸途徑，從而使電阻變化。在紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器中，若功能層電阻較大，可以添加高導(dǎo)電材料，造成電勢差，從而改變電流的傳輸途徑，提高傳感器的靈敏度，使其性能得到優(yōu)化。

1.4調(diào)控表面微結(jié)構(gòu)

壓力傳感器的總電阻包括接觸電阻、功能層電阻和電極電阻，膜表面微結(jié)構(gòu)屬于對壓力傳感器的功能層電阻設(shè)計部分，壓力傳感器通過接受信號進(jìn)行反饋，當(dāng)壓力傳感器功能層為空心球微結(jié)構(gòu)或者一些別的可放大信號的微結(jié)構(gòu)時，小應(yīng)變下就會產(chǎn)生大形變，從而可以提高傳感器的靈敏度。

Pan等[21]制備了一種聚吡咯水凝膠的超敏感電阻式壓力傳感器。如圖5所示，這種傳感器以空心球形微結(jié)構(gòu)為功能層，銅箔作為頂部電極，導(dǎo)電玻璃（ITO）涂層的導(dǎo)電柔性聚酯切片（PET）片材作為底部電極。由于空心球結(jié)構(gòu)的聚吡咯有效彈性模量很低，小應(yīng)變下可產(chǎn)生大變形。該傳感器靈敏度高達(dá)133 kPa-1，并且能檢測到在短時間內(nèi)低于1 Pa的壓力。

Luo等[22]發(fā)現(xiàn)針織物結(jié)構(gòu)柔韌性和表面規(guī)則性可以提供可生成的壓力響應(yīng)，為了減少由紡織品的非彈性變形引起的響應(yīng)波動，在纖維表面上引入了炭黑顆粒作為電接觸，并在纖維之間引入了聚偏二氟乙烯作為機(jī)械連接。將壓力響應(yīng)變化降低到2%以下，并將單個傳感器的滯后環(huán)偏差降低到10%以下。

Liu等[23]制得了一種紡織結(jié)構(gòu)的全壓力傳感器和大面積傳感器陣列，由底部交叉的紡織電極和涂覆碳納米管的棉織物的頂部橋構(gòu)成。通過共形鎳涂層的激光劃線掩模和無電沉積制造普通織物（聚酯，尼龍等）上的交叉型導(dǎo)電電極。碳納米管織物和納米粒子涂覆的鎳織物的分層多孔納米結(jié)構(gòu)提供了大的表面積，足夠的粗糙度和彈性，以“感受”壓力加載時接觸阻力的變化。施加外部壓力將導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)的小變形，并因此增加頂部碳納米管織物橋和底部鎳織物電極之間的接觸面積，便于提升其傳感器的靈敏度。

空心球形結(jié)構(gòu)可以放大電信號的原理同樣可以應(yīng)用于紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器，制備紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器時，可以用適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ{(diào)控功能層表面微結(jié)構(gòu)，比如膜表面一層做成發(fā)泡結(jié)構(gòu)[24]或者整個結(jié)構(gòu)具有孔洞[25]，即使在小變形下，膜也能感知電阻的變化。

2紡織結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器性能優(yōu)化設(shè)計

方法2.1裂紋多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

傳感器應(yīng)用的方向不同，設(shè)計所關(guān)注的參數(shù)也不同。一般的應(yīng)變傳感器若具有較高的靈敏性能，其變形性能不高;若具有較高的變形性能，靈敏性又有所限制[26]。

Liu等[27]利用單步自組裝方法制備了一種以PDMS為彈性基板的厚度呈梯度分布的單壁碳納米管膜傳感器。該傳感器具有高拉伸應(yīng)變和高傳感系數(shù)。沿傳感器的縱向拉伸形變（ε）小于2%時傳感系數(shù)高達(dá)161，形變在2%～15%時傳感系數(shù)為9.8，形變超過15%時傳感系數(shù)為0.58。其中該傳感器的設(shè)計原理如圖6所示，是利用液體蒸發(fā)的咖啡圈效應(yīng)，即單壁碳納米管溶液蒸發(fā)時留下的碳納米管并不是均勻分布，而是靠近外側(cè)碳納米管含量多，靠近內(nèi)側(cè)的碳納米管含量少，外側(cè)厚度大于內(nèi)側(cè)，形成碳納米管梯度分布。沿傳感器縱向拉伸時，內(nèi)側(cè)與外側(cè)的碳納米管層同時受到拉伸，外側(cè)產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展較大且較多，內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的裂紋隨機(jī)且較少。

這種應(yīng)變傳感器在低應(yīng)變下具有較高的傳感性能、靈敏度，在高應(yīng)變下具有較好的可拉伸性能、適度的靈敏度以提供大變形檢測時高的信噪比。不同節(jié)段的靈敏度和高傳感系數(shù)可以滿足不同應(yīng)變階段的要求。紡織結(jié)構(gòu)本身具有較好的變形能力，結(jié)合功能層呈多級擴(kuò)展分布可制備出既具有高靈敏性能，又具有較高的變形能力的傳感器。

2.2復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個模型使用兩個應(yīng)變傳感器并聯(lián)可以產(chǎn)生分段傳感系數(shù)。其中，一個應(yīng)變傳感器具有較高的靈敏度，另一個傳感器具有較好的變形拉伸能力。電阻在拉伸或壓力開始時急劇上升，在較大變形下減慢上升速度，傳感器靈敏度隨著變形的增大而降低。

如圖7所示，Harada等[28]采用納米復(fù)合材料和納米管，制備出的傳感器含有復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。低應(yīng)變下銀納米線緊密排列有較高的靈敏度（59%/Pa）;當(dāng)傳感器受到高應(yīng)變時銀納米線分離，分散的碳納米管連通銀納米線導(dǎo)電，使傳感器依然具有靈敏性。Eom等[29]使用聚苯乙烯磺酸鹽（GPEDOT∶PSS）/銀納米線（Ag NW）/聚苯乙烯磺酸鹽（GPEDOT：PSS）涂層導(dǎo)電纖維引入了基于紡織材料的應(yīng)變傳感器，多層復(fù)合的導(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu)使其在低應(yīng)變下可達(dá)到較高的靈敏度，在5%的應(yīng)變下最大靈敏度約為4。圖7復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器

Eom等[30]通過浸漬干燥的方法制備了聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）/銀納米線（Ag NW）/尼龍線的紡織品應(yīng)變傳感器，并用聚L-賴氨酸（PLL）表面改性尼龍線。聚L-賴氨酸未表面改性時，銀納米線松散依附在尼龍線表面，經(jīng)反復(fù)拉伸會造成脫落。表面改性后，銀納米線和尼龍線間的粘性增強(qiáng)，拉伸釋放循環(huán)時能降低銀納米線和尼龍線之間的分離。將聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）/銀納米線（Ag NW）/尼龍線機(jī)械縫合到織物上，應(yīng)變范圍為5%～20%，使用聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT∶PSS）/銀納米線（Ag NW）/尼龍線，可以制造具有高應(yīng)變系數(shù)和良好操作穩(wěn)定性的紡織應(yīng)變傳感器。

同理，紡織結(jié)構(gòu)傳感器的功能層材料可以包覆一層導(dǎo)電膜，導(dǎo)電膜內(nèi)有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形變很大時功能層材料也能接觸導(dǎo)通。

2.3紗線纏繞結(jié)構(gòu)和褶皺結(jié)構(gòu)

紗線纏繞和褶皺結(jié)構(gòu)（圖8）[3132]可以儲存一定長度的紗線，受到外力時賦予結(jié)構(gòu)高形變能力。

Lee等[33]采用纖維和富含銀的殼體的復(fù)絲結(jié)構(gòu)，利用大量銀納米顆粒滲入多微絲的彈性纖維中，具有20 964 S/cm的高初始電導(dǎo)率，得到了高靈敏度和較好的應(yīng)變傳感范圍（200%～450%）的應(yīng)變傳感器。

Ge等[34]制備了一種復(fù)合纖維形成的可拉伸織物的應(yīng)變傳感器陣列。如圖9所示，復(fù)合纖維以聚氨酯纖維為芯紗，外部包纏尼龍纖維，3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）進(jìn)行處理產(chǎn)生氫鍵，再預(yù)拉伸100%浸涂銀納米分散液，釋放外力形變回縮，表面涂覆壓阻橡膠制備而成。壓阻橡膠由炭黑和PDMS制備得到。復(fù)合纖維經(jīng)過平紋交織制備出高拉伸和高導(dǎo)電的傳感器織物。纏繞的銀納米線包覆的尼龍纖維作為傳感器的電極，織物每個交叉接觸點都可作為機(jī)械傳感單元，可以分辨壓力、側(cè)向應(yīng)變和屈曲。

紡織結(jié)構(gòu)傳感器的功能層是纖維時也可通過包纏增加其變形能力，制備出既具有高靈敏性能，又具有較高的變形能力的傳感器。

3結(jié)語

從纖維、紗線及織物不同層級的紡織結(jié)構(gòu)上，壓力傳感器采用裂紋法增加初始電阻、增加電極電阻或接觸電阻、改變電流傳輸途徑及調(diào)控表面微結(jié)構(gòu)來提高其靈敏度，應(yīng)變傳感器采用在紗線表面構(gòu)筑褶皺或纏繞結(jié)構(gòu)、裂紋多級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)及復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高靈敏度。以上總結(jié)幾種性能優(yōu)化設(shè)計方法可以有效提高傳感器的靈敏度和變形能力，為設(shè)計性能更加突出的紡織結(jié)構(gòu)壓力及應(yīng)變傳感器提供思路，傳感器主要是感知、反饋及響應(yīng)3個階段，靈敏度是關(guān)鍵因素，壓力與應(yīng)力傳感器常被用于壓力傳感器等微型組件，更多的性能優(yōu)化設(shè)計方法有待發(fā)現(xiàn)。

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收稿日期：2018-09-05網(wǎng)絡(luò)出版日期：2019-03-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51503120）;上海市揚(yáng)帆計劃項目（14YF14096000）;上海市優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)項目（ZZGCD14016）

作者簡介：劉寧娟（1993-），女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事碳納米管復(fù)合材料的制備及傳感性能方面的研究。

通信作者：劉瑋，Email：wliu@sues.edu.cn