柔性織物傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

何 崟 田福君 王曉云 劉 皓 劉 莉

（1.天津工業(yè)大學，天津，300387；2.北京服裝學院，北京，100029）

電子紡織品因結(jié)合先進的電子功能，并具有柔韌性和靈活性，在可穿戴電子產(chǎn)品和多功能智能服裝中顯示出廣闊的應用前景［1］。在實際應用中，基于紡織品的智能可穿戴電子設備主要通過傳感器收集人體生理信息，經(jīng)無線傳輸系統(tǒng)反饋輸出，從而實現(xiàn)傳感、驅(qū)動處理和能量收集等功能。剛性的傳感設備和面料的結(jié)合會極大地影響服裝的舒適性能，但織物形式的柔性傳感器具有良好的服用舒適性、輕薄透氣以及易于與傳統(tǒng)服裝集成等優(yōu)點，是可穿戴設備的理想形式［2］。本研究總結(jié)幾種常見的柔性織物傳感器材料性能、制備方法和應用，分析柔性織物傳感器目前存在問題，展望未來發(fā)展趨勢。

1 柔性織物傳感器的種類

傳感器的工作原理是將外部刺激轉(zhuǎn)換為電信號輸出。織物傳感器是由紡織材料制成的具有傳感功能的柔性器件。因其具備高靈敏度、低成本和易于電子集成等優(yōu)點，目前已被開發(fā)出多種功能。常見的類型有應變傳感器、溫度傳感器、氣體傳感器以及多功能傳感器等。

1.1 應變傳感器

應變傳感器在感受外界刺激作用后產(chǎn)生電信號，通過電信號的變化來反映刺激的大小及分布情況。基于織物的柔性應變傳感器能夠緊貼人體皮膚，跟隨人體活動，實時監(jiān)測人體生理健康狀況；按照其傳導機制，可分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。目前除壓阻式和電容式外，其他織物應變傳感器的研究還處在起步階段［3］。

壓阻傳感器在受到外界壓力時，內(nèi)部材料發(fā)生形變，進而產(chǎn)生電阻變化。壓阻式織物傳感器可通過涂層、復合纖維紡絲、變形（如加捻和包纏）和編織等方式制作，其傳感功能可由導電織物中的纖維、紗線及織物多層觸點的協(xié)同效應產(chǎn)生，利用這種效應制作的壓阻傳感器具有超高靈敏度（3.24 ×105kPa-1）和寬傳感范圍［4］。電容式織物應變傳感器具有高線性度、低遲滯和長期循環(huán)穩(wěn)定性，但其靈敏度相比壓阻式較低，傳感范圍有限。屈曲、同軸纖維紡絲和針織是目前制作電容式織物傳感器的主要方法。與壓阻式織物傳感器相比，電容式織物應變傳感器的制造更具挑戰(zhàn)性，因為它是具有兩個織物電極和一個介電層的復雜夾層結(jié)構(gòu)。其中具有高介電常數(shù)的介質(zhì)層是織物電 容傳 感 器 的 理 想 材 料，CHOI J 等［5］利 用多 孔Ecoflex 彈性體和碳納米管填料的滲流協(xié)同效應，增加了對施加壓力的介電常數(shù)，提高了電容傳感器的靈敏度。

1.2 溫度傳感器

溫度織物傳感器一般是在紡織基底上集成熱敏材料，感應溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出?；诳椢锏臏囟葌鞲蟹绞接须娮铚囟忍綔y器（RTD）、光纖布拉格光柵（FBG）、熱敏電阻以及熱電偶等。目前最常見的是RTD 和FBG 傳感器。RTD通常使用銅、鎳和鎢等材料，但剛性金屬材質(zhì)限制其在織物中的柔軟度，因此一些對溫度敏感的柔性導電材料（如有機金屬油墨、碳納米管、PEDOT∶PSS、聚苯胺）隨之得到應用。FBG 傳感器利用一種非接觸式光學溫度測量技術(shù)，其核心是利用光纖的各種特性（相位、振幅、強度等）隨溫度變換的特點進行溫度測定，該測量方式的優(yōu)勢是無需跟物體接觸，并且具有高空間分辨率［6］。熱電偶式溫度傳感器是由兩種不同導電材料組成閉合電路，其制作方式比前兩種復雜，但能測量較高的溫度（30 ℃～120 ℃）［7］；LANDSIEDEL J 等［8］通過在萊賽爾（Lyocell）織物上沉積銅層構(gòu)建柔性熱電傳感器矩陣，用鋁層作為第二種材料制成熱電偶式溫度傳感器，實現(xiàn)了3 μV/K～4 μV/K的熱電系數(shù)。溫度織物傳感器在靈敏度、精度、穩(wěn)定性和可拉伸性方面仍有限制，因此，研究可拉伸溫敏材料和改進制備技術(shù)對提升溫度傳感功能具有重大意義。

1.3 氣體傳感器

氣體傳感器是在基底表面布置對氣體敏感的材料，氣敏材料與周圍氣體相互作用，導致感測材料的化學和物理性質(zhì)（例如電導率、介電常數(shù)、功函數(shù)）發(fā)生變化，并將其轉(zhuǎn)換為可讀信號（電流、電阻、電容等）。氣敏材料通常使用碳納米材料、導電聚合物、二維納米結(jié)構(gòu)材料、氧化物半導體等，這些材料通常被直接沉積到紡織品的外表面，暴露于環(huán)境中，可對環(huán)境中NH3、NO2、H2、CH4等有害氣體進行精確檢測［9］。除了能夠監(jiān)測佩戴者周圍有害氣體外，人體排出的代謝產(chǎn)物（大量的揮發(fā)性無機和有機化合物）也能通過織物氣體傳感器感應、分析其成分組成和濃度的變化，從而判斷人體是否健康［10］。目前大多數(shù)織物氣體傳感都是檢測單一氣體，針對特定氣體或具有相似特性的氣體難以精確辨別。PARK Y K 等［11］將兩種不同pH 值敏感的染料印在聚酯織物上，在HCl 和NH3氣體下進行檢測，通過顏色變換可以顯示出不同的氣體和濃度狀態(tài)，但這種方式并不能精確區(qū)分氣體的種類。目前雖然存在低功率的織物氣體傳感器，但長期運行仍需大量的能量。迄今為止，適用于不同應用的織物氣體傳感器大多由外部電力或電池供電，自供電式的氣體傳感器已有研究但在柔性織物基底上難以實現(xiàn)［12］。因此，需要對材料和設備（用于能量收集和存儲）以及新的電源管理電路進行創(chuàng)新，實現(xiàn)微型化、高容量和高性能的動力單元。

1.4 多功能傳感器

多功能傳感器是在一個器件上集成多種傳感功能，能對多種參數(shù)進行集中測量、處理及輸出，制成的傳感器具有體積小、質(zhì)量輕等特點。TANG X 等［13］制作了一種基于聚苯胺（PNAI）的多功能織物傳感器，它可以清晰地區(qū)分嗅覺和觸覺刺激并能同時進行傳感。具有生物相容性的多巴胺膜在碳納米管/鎳涂層亞麻織物的表面自聚合，增強了碳納米管與鎳涂層織物的界面結(jié)合強度，實現(xiàn)了在同一基底電阻應變傳感、熱電阻溫度傳感和濕度傳感［14］。但目前的織物多功能傳感器因信號易受干擾、集成功能數(shù)量有限等問題，很難確定刺激的類型和強度大小。為了清晰地從輸出信號中識別擠壓、拉伸以及溫濕度等刺激，YANG S T 等［15］采用電阻和電容傳感元件疊加的結(jié)構(gòu)，上下電極電阻的變化表示應變的頻率、方向和幅度，電容的變化表示應變和壓力的頻率和幅度，多種刺激可以從兩個電阻信號和一個電容信號的模式中識別出來。盡管目前做了很多努力，但量化每個刺激響應的挑戰(zhàn)仍然存在，下一步應解決并發(fā)多模態(tài)感知的問題。

2 常見織物傳感器材料

織物傳感器中常用的導電材料可以分為金屬納米材料（AgNWs、AuNWs）、碳基材料（CNT、GO、CB、GNPs、MXene）及 導 電 聚 合 物（PPy、PANI、PEDOT∶PSS）等，半導體材料（ZnO、ZnS）如今也廣泛應用于織物傳感器中。然而基底材料是影響織物傳感器適用性的重要因素，其應用形式有纖維、紗線及織物3 種。

2.1 纖維

紡織纖維具有高倍的長徑比，直徑在幾微米到幾十微米之間，并具有一定柔韌性和強力。天然纖維大多為短纖維的形式，通常在纖維表面形成導電層使其具有導電性，但導電涂層的伸長率低于紡織纖維，在較大形變下常常產(chǎn)生不可愈合的裂紋，導致傳感穩(wěn)定性降低［16］。因此，將彈性聚合物和導電材料混合通過紡絲工藝制備出具有導電性能的復合纖維，這種方式可以保留紡織纖維原有的機械性能并且具有良好穩(wěn)定性、耐水洗及可加工性強等優(yōu)點。剛性金屬材料（不銹鋼、銅、銀、鎳合金）通過多次多股拉拔（即集束拉拔）、熱處理等一套特殊工藝，可形成直徑在1 μm～80 μm的金屬纖維絲，具有優(yōu)異的電導率，但作為獨立基板使用時柔軟度較差，一般與紡織纖維混紡制成電子紡織品，其具有一定剛性，服用性能較差，常用于電磁屏蔽以及工業(yè)紡織品中［17］。目前電子紡織纖維的制備方法仍然有限，制備效率較低，難以低成本地制備大量的電子紡織品。

2.2 紗線

紗線的基本形式有短纖維紗、長絲紗、復合紗3 種，利用涂覆、混紡等技術(shù)賦予紗線導電性。涂覆是制作紗線傳感器常用的策略，彈性長絲（聚氨酯類、聚氯乙烯類）是紗線傳感器的理想載體，本課題組LIU H 等［18］在彈性聚氨酯長絲表面鍍上聚多巴胺膜及銀層制備了一種可拉伸高性能應變傳感器，試驗表明，該傳感器非線性誤差和滯后誤差分別小于29.3%和34.3%。導電長絲也可以通過熔融擠壓或濕法紡絲的方法集成，但單絲紗線彈性較差，在應變傳感中檢測微小刺激方面受限，通常需要對其進行幾何變形（包纏、屈曲、加捻和卷取等），形成有一定變形能力的結(jié)構(gòu)才能夠獲得高傳感性能。由兩根可伸縮的聚氨酯紗線加捻纏繞后形成加捻紗，經(jīng)過浸涂和還原處理后產(chǎn)生良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)敏感性，從而獲得高靈敏度（靈敏因子GF 為38.9）［19］。QI K 等［20］通過靜電紡絲技術(shù)在鎳涂層棉紗上沉積碳納米管和聚氨酯納米纖維，改變紗線外層形態(tài)，制成具有三維彈性多孔納米纖維結(jié)構(gòu)和導電鎳涂層電極的分層纖維束結(jié)構(gòu)，使得該傳感器具備超高靈敏度（16.52 N-1）。紗線可利用編織、刺繡、縫紉等方式靈活地集成到面料中，利用不同的編織工藝形成不同的導電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而控制傳感性能。

2.3 織物

基于織物的柔性傳感器制備是利用織物原有的纖維結(jié)構(gòu)、孔隙率、表面能以及緊密度，結(jié)合導電材料產(chǎn)生不同的特性，常用的方法有浸漬、涂覆、碳化等技術(shù)。機織物具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性與可控的織物緊密度，結(jié)合傳感機理，基于機織物的傳感器通常利用多層織物結(jié)構(gòu)設計獲得高傳感性能。ZHENG S 等［21］利用導電機織物的多層次結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了壓阻傳感器的高靈敏度（97.28 kPa-1）。針織物在拉伸過程中紗線線圈的間歇性接觸會產(chǎn)生較高的接觸電阻，因此常應用在需要高拉伸應變和壓力性能的傳感器中。YANG G 等［22］將各向異性導電針織物封裝到聚氨酯中，基于針織物中各向異性電導率，該復合材料可以準確檢測人體關節(jié)運動和微小動作。非織造布是通過化學、機械或熱黏合將短纖維或長絲加固而成，其制作簡單、成本低，在制作過程中可將導電纖維和其他紡織纖維混和制造出具有導電性的非織造布，但因耐水洗性和透氣性較差，限制了其在可穿戴產(chǎn)品中的應用。利用非織造技術(shù)可將卷曲結(jié)構(gòu)的導電纖維制作出具有多孔隙結(jié)構(gòu)的3D 立體織物壓阻式傳感器［23］，與傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)相比，三維結(jié)構(gòu)織物具有結(jié)構(gòu)完整性、尺寸穩(wěn)定性、高防護能力和保溫性等優(yōu)點，有很大的研究價值。

3 柔性織物傳感器的制備方法

織物傳感器可以通過多種方法制造，如在纖維、紗線或織物上涂覆、沉積導電材料，或使織物、纖維本身碳化使其獲得導電性。

3.1 涂層技術(shù)

涂層是通過物理涂覆或化學沉積的方式在基底表面形成導電涂層，涂層材料包括導電聚合物（CPs）、導電聚合物復合材料（CPC）、金屬納米材料（NWs）、碳納米材料等，有較高的導電性和良好的電化學活性，可通過浸漬、旋涂、噴涂、絲網(wǎng)印刷、原位/氣相聚合、化學/物理氣相沉積等方式對基底直接改性。涂覆技術(shù)具有成本低、制備過程簡單以及量產(chǎn)潛力大等優(yōu)點，可將織物直接浸漬在含有導電材料的分散液中，干燥后即可獲得導電織物，為了強化沉積層提高導電性，目前還發(fā)展了多次浸涂工藝［24］。涂覆制作的傳感器可以保持織物原有的特性，但其耐用性較差，一般會結(jié)合彈性聚合物保護其電學性能［25］。化學沉積技術(shù)具有環(huán)境友好、結(jié)合強度牢固和成本低等優(yōu)勢，它是實現(xiàn)無機組分與聚合物基體均勻涂覆的一種有效技術(shù)。原位聚合是一種在基底上沉積聚合物薄膜的技術(shù)，REHMAN A 等［26］將羊毛織物浸入含有單體和氧化劑的溶液中，通過在單體懸浮液中引入納米顆粒或通過進一步處理生長的聚合物膜，利用這一技術(shù)制備了一種納米復合羊毛織物傳感器。氣相聚合法（VPP）將導電聚合物在合適氧化劑的作用下在基材表面聚合成膜，其也是一種有效的沉積方式。

3.2 紡織技術(shù)

涂層雖保留了織物原有特性和導電材料電氣性能，但并不耐彎折拉伸、摩擦水洗等外界因素，兩者的緊密結(jié)合還應從紡織品的制作源頭來實現(xiàn)。將納米級別的導電材料與聚合物通過熔融紡絲、濕法紡絲以及干法紡絲等技術(shù)集成電子紡織品。濕法紡絲是將堿性聚合物溶液通過噴嘴以適當?shù)乃俾首⑷肽淘≈苽溟L絲；可拉伸導電紗是通過在聚合物溶液中加入導電材料，用紡絲的方法將混合物制成纖維，但復合纖維中導電材料的比例有限制，導電性能并不理想。因此，在濕法紡絲的基礎上，利用同軸噴嘴研制了具有芯套結(jié)構(gòu)的可拉伸導電紗，YUE X 等［27］利用彈性聚氨酯包裹導電填料炭黑（CB）制備了一種具有芯鞘結(jié)構(gòu)的纖維應變傳感器，其具有超高靈敏度（GF 為28 084），良好的耐久性（＞11 000 次循環(huán)）和應變范圍（＞200%）。在干法紡絲中，聚合物絲是通過噴嘴將混合在揮發(fā)性溶劑中原聚合物溶液擠到溫暖的空氣環(huán)境中提取的，雖然這個過程涉及到危險的易燃溶劑，但是紡絲過程比濕法紡絲更快并且不易受雜質(zhì)影響［28］。與涂層技術(shù)相比，復合纖維或紗線具有更高的結(jié)構(gòu)完整性，然而這種制造技術(shù)是有一定難度的，對導電填料的質(zhì)量、粒徑以及材料配比有很高的要求。另外，導電填充顆粒在彈性體基體內(nèi)均勻分布程度是影響傳感性能的關鍵因素。

3.3 碳化

碳化是織物在缺氧或貧氧的狀態(tài)下，纖維中的大分子被分解，部分碳原子被重組和再結(jié)晶，形成具有一定導電性的部分石墨化碳結(jié)構(gòu)，同時保持織物原有的宏觀結(jié)構(gòu)，具有成本低、規(guī)模大等特點。但獲得的碳化織物通常具有較大的脆性和可破壞性，因此，常常和高聚物結(jié)合來形成柔性傳感器。例如本課題組LIU H 等［29］將碳化棉織物（CCF）浸入熱塑性聚氨酯中制造了一種高靈敏度（74.80 kPa-1）壓力傳感器，熱塑性聚氨酯柔性基底賦予壓力傳感器優(yōu)異的耐久性（＞4 000 次循環(huán)），并通過試驗得出碳化溫度在800 ℃～900 ℃時傳感器的靈敏度最高［30］。但是，碳化給予織物的碳含量和比表面積（SSA）是有限的，因此LAM D V 等［31］在常規(guī)碳化之前，在織物上涂覆金屬納米氧化物膜，碳化后金屬納米粒子進入織物孔隙中使碳化棉織物具有高電化學性能、高孔隙率以及在重復機械變形下的優(yōu)異柔韌性。LI Z H 等［32］借助激光直寫技術(shù)（LDW）在碳化真絲織物繪制石墨烯圖案，制成的傳感器具有典型的壓阻特性和高靈敏度。相較于涂層、紡織兩種方式，通過碳化獲得的織物導電性和機械性能較差，因此，往往需要結(jié)合其他方式增強其性能。

4 柔性織物傳感器的應用

基于織物的柔性傳感器可集成到服裝內(nèi)部，貼近人體皮膚實時監(jiān)測健康和運動狀況，在醫(yī)療健康、運動檢測、智能防護等領域有著廣闊的應用前景。

4.1 運動檢測

監(jiān)測人體運動信號被認為是評估和監(jiān)督人體運動狀態(tài)的有效方法。將織物傳感器集成到人體活動關節(jié)處，如手指、膝蓋、腳底等部位，收集人體運動和生理信號，以確保健康和正確的運動姿勢，有助于康復、醫(yī)療和運動指導。VU C C 等［33］將傳感器集成在手套上，觀測手指運動的角度變化；將其貼在頸部皮膚上，可以實時監(jiān)測說話、咳嗽和吞咽時的咽部運動。ZHANG L 等［34］將壓力傳感器放置在測試儀的底部和膝蓋上，記錄行走和跑步的實時響應信號，顯示出的響應波形是規(guī)則、穩(wěn)定的且易于區(qū)分，該傳感器可以調(diào)整人在跑步和走路時的姿勢，輔助運動健身。足底壓力分布在診斷下肢疾病、鞋類設計、運動損傷預防和運動姿勢研究中非常重要，GUO X H 等［35］為了確定行走過程中足底壓力的分布特征，將行走過程分為四個階段，腳跟、全足、中足和拇趾，并分析了足底受力情況。

4.2 醫(yī)療健康

隨著社會老齡化以及生活方式的改變，導致慢性病常態(tài)化，織物傳感器可以用于日常生活中監(jiān)測身體的實時健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在疾病并進行健康評估和醫(yī)學救助。目前常見的織物傳感器一般用于監(jiān)測人體的脈搏、心跳、血氧等基本指標。TANRKUT E 等［36］制造了一種可以測定人體內(nèi)雌二醇水平的電化學傳感器，通過實時測定有效預防女性身體疾病發(fā)生。BENVIDI A 等［37］設計了一種可以檢測DNA 序列的電化學生物傳感器。這種傳感器能輔助醫(yī)療正確、快速地檢測出人體是否已經(jīng)感染某種病毒。為幫助臥病在床的老年人，開發(fā)了一種靈敏度在14.4 kPa-1的織物壓力傳感器，可以用于檢測臥床患者身體的壓力、濕度和出汗量的變化，預防褥瘡的發(fā)生［38］。

4.3 智能防護

可穿戴織物傳感器在幫助特殊人群作業(yè)、生活等方面起到一定的安全保護作用，常見的智能安全防護設備一般是針對危險狀況進行預判并提前預警。CHENG R 等［39］將一種安全環(huán)保的自熄阻燃棉織物的摩擦納米發(fā)電機集成到消防服中，可用于森林自救和火災報警系統(tǒng)，即使火災發(fā)現(xiàn)者無法正確描述火災位置，也能實時準確地傳輸火災位置信息。LAI Y C 等［40］為了證明防水織物基多功能摩擦納米發(fā)電機傳感器的適用性，將其放置到傘和雨衣上。雨滴的沖擊能量可以轉(zhuǎn)化為電能并點亮數(shù)十個發(fā)光二極管，可以避免人們在雨天因視線模糊而引起的交通事故。

5 結(jié)論

柔性織物傳感器具有輕薄透氣、柔軟可任意變形以及可與其他材料高度集成等特點，已成為智能可穿戴設備中最有發(fā)展前景的領域之一。目前柔性織物傳感器的研究、應用已取得了較大進展，但仍有很多問題亟待解決。一是柔性織物傳感器的電氣性能要低于傳統(tǒng)的硬件傳感器，并且易受到水洗、磨損、拉伸等外力影響，難以滿足大規(guī)模制備以及長期維持高性能和穩(wěn)定性。二是目前大多數(shù)基于織物傳感器的研究主要致力于提升單個傳感器的靈敏度和實用性，實現(xiàn)具有低交叉靈敏度的新型傳感機制和有效的刺激解耦算法的多功能傳感器具有一定挑戰(zhàn)性。三是將柔性織物傳感器與顯示器、數(shù)據(jù)處理和傳輸單元、能量收集器或電池等其他通常較硬的組件進行異質(zhì)集成，由于材質(zhì)和性能不同，織物傳感器和其他組件之間在反復的機械變形作用下會產(chǎn)生裂紋和分層，從而導致設備失效。因此，實現(xiàn)低成本、微型化、高速率、多功能和集成技術(shù)方面的提升是柔性智能可穿戴的迫切需要。未來，具有多功能、微型化等綜合特性的織物柔性傳感設備有望融入我們的生活，不僅滿足日常穿著的需要，還將大規(guī)模服務于個性化醫(yī)療、安全防護以及人機交互等新興領域。