用于智能服裝的織物傳感器研究進展

吳 敏

用于智能服裝的織物傳感器研究進展

吳 敏?

傳感器是智能服裝實現其智能化的核心部分，其中織物傳感器因具有可彎曲、可折疊甚至可洗滌的特點而備受關注。本文以織物傳感器的原材料和工作原理為分類依據，基于中國專利文獻介紹了五類常用于智能服裝的織物傳感器的研究進展，并指出了織物傳感器需要進一步深入研究的幾個問題。

智能服裝織物傳感器信息纖維

一、智能服裝的研究現狀

隨著電子科技、生物技術以及紡織材料的不斷進步與發展，智能服裝逐漸引起越來越多研究人員的關注。智能服裝是信息技術與材料、紡織、服裝等結合的產物，可以看作信息技術在服裝領域的應用，也可以看作服裝的信息化。

智能服裝是指那些模擬生命系統，同時具有感知及反應雙重功能的特殊服裝。智能服裝不僅具備感知外部環境或內部狀態的變化的能力，而且可以通過反饋機制，實時地對這種變化作出反應。

人們對于智能服裝的研究可追溯到20世紀70年代末，當時研發的智能服裝，主要應用在軍事軍工和航天航空等特殊領域。如今的智能服裝，已可將信息技術、材料科學、生物技術與傳統的紡織服裝工藝進行有機的結合，可用于個人生理信息與運動狀態檢測、航空航天、消防等領域以及個人娛樂等領域。

實現服裝智能化的主要途徑有以下兩種:一類是運用智能服裝材料，包括形狀記憶材料、相變材料、變色材料和刺激一反應水凝膠等；另一類是將傳感技術、微電子技術和信息技術引入人們日常穿著的服裝中，包括應用導電材料、柔性傳感器、低功耗芯片技術、低功耗無線通信技術和電源等。

二、織物傳感器的研究進展

從信息和系統的角度看，智能服裝是一個完整的信息系統，智能的實現離不開信息的獲取，智能服裝的信息感知功能離不開傳感器。然而，傳統的傳感器并不能滿足服裝的要求。智能服裝上的傳感器要求具有可彎曲、可折疊甚至可洗滌的特點。在這樣的背景下，柔性織物傳感器應運而生。織物傳感器是一種具有織物結構的柔性傳感器，織物結構是指織物的針織結構或機織結構，傳感器的敏感元件為一塊具有針織結構或機織結構的織物，即針織物或機織物。一般地，如果織物的形狀、長度、溫度或壓力等物理量的變化能夠引起織物的電阻、電感或電容等電學量產生相應的變化，那么就可以把這樣的織物設計成為對應物理量的傳感器。

下面基于中國專利文獻，從原材料和類型兩方面闡述織物傳感器的研究進展。

（一）織物傳感器的原材料——信息纖維

信息纖維是信息功能材料的一種。信息功能材料是指用于信息的獲取、傳輸、存儲、顯示及處理有關的材料，主要包括半導體材料、光電子材料、傳感器材料、磁性材料、電子功能陶瓷、光導纖維、綠色電池材料等。顯然，具有纖維狀外觀的信息功能材料都可以稱為信息纖維。

目前，由于光和電是信息的主要傳遞媒介，傳感器領域得到應用或具有應用前景的信息纖維主要包括光導纖維、導電纖維和磁性纖維等類型。

1.光導纖維

光纖光柵是一種新型的光無源器件，具有制作簡單、穩定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、可織入服裝等諸多優點。光纖包括硅基光纖、塑料光纖、硅橡膠光纖等。硅基纖維已經設計為用于很高的帶寬、長距離的應用。它們極其小的硅芯和低的數值孔提供很大的帶寬和低的衰減率。但是，安裝需要很高的勞動成本，并且有纖維碎裂的危險。塑料光纖提供與玻璃纖維同樣高的帶寬能力和相同的電磁抗擾性，但其有相對較高的數值孔，這使它們能傳送更大的功率，并且對由纖維彎曲和撓曲造成的光的損失的靈敏度降低。此外，其重量輕、成本低，也不像玻璃纖維那樣容易碎裂，因此是優選的對象。硅橡膠光纖提供優良的彎曲特性和彈性復原，但是，它們相對較厚，并且有高度信號衰減的缺點。

寧波晶致電子科技有限公司2014年的專利申請CN104164734A提出了一種柔性導光的光纖織物，緯線采用聚甲基丙烯酸甲酯光纖紡線和普通紗線交替組合，經線采用普通紗線，聚甲基丙烯酸甲酯光纖紗線的端部集合在一起并套有不透光圓環。該發明還提供一種上述柔性導光的光纖織物在家用紡織品、服飾和墻紙方面的應用。

孝感市元達新材料科技有限公司2015年的專利申請CN105133083A提出了一種塑料光纖及光纖針織物的編織工藝，該塑料光纖是由含硒化鎘量子點的纖芯粒子與含納米二氧化硅的包層粒子通過雙機頭擠出法得到的直徑為0.25mm～0.35mm的芯包結構塑料光纖。這種塑料光纖的光強、延展性、柔韌性、抗撓曲性、耐磨損性、抗沖擊性都明顯改善，推動了塑料光纖在針織物領域的發展。

2.導電纖維

導電纖維一般包括金屬型導電纖維、炭黑型導電纖維、導電高分子型纖維以及金屬化合物型導電纖維等。其中，以加工成本較低的碳黑型纖維和應用范圍較廣的導電高分子型纖維所占市場份額較大。

（1）金屬型導電纖維

這類纖維是利用金屬的導電性能而制成。加工金屬纖維的常用方法有兩種:一種是直接拉絲法，將金屬纖維制成直徑為4～16μm的纖維，再把金屬纖維制成短纖維，用少量的金屬纖維與常規紡織纖維進行混纖、混紡以及交織；另一種是金屬噴涂法，它是將普通纖維先進行表面處理，再用真空噴涂或化學電涂法將金屬沉降在纖維表面，使纖維具有金屬一樣的導電性。

中國科學院上海硅酸鹽研究所2015年的申請CN104499272A提出了一種高彈性導電纖維及其制備方法，包括:首先，對彈性紗線進行預處理；其次，采用金屬納米線分散液浸漬涂布經預處理的彈性紗線，使其表面吸附金屬納米線；最后，將表面吸附有金屬納米線的彈性紗線進行氫氣等離子體處理或者熱處理。該制備方法工藝簡單、易于操作并且能夠擴大量產。蘇州明動新材料科技有限公司2015年的申請CN105063804A提供了一種金屬納米纖維的制備工藝，通過對原有電紡絲設備的局部重新設計，將傳統的平板式收集裝置更改為卷筒式收集裝置，同時創造性地將燒結、還原過程整合到整個生產過程中，從而實現了在線一步式生產金屬納米纖維。

（2）炭黑型導電纖維

利用炭黑的導電性能來制造導電纖維。制備方法包括摻雜法、涂層法、纖維炭化處理等方法，炭黑型導電纖維兼具了成本相對較低以及導電性能相對較好的優點。

東華大學2011年的專利申請CN102121192A提供了一種彈性導電復合纖維，其包括芯層和皮層，皮層由導電粒子組成，芯層為彈性聚合物纖維。導電粒子為炭黑、石墨、石墨烯和金屬納米粒子中的一種或兩種以上的組合，彈性聚合物纖維為聚氨酯纖維。

福建泉州市健凱服飾有限公司2014年的申請CN104278388A公開了一種具有導電性能的并捻紗，包括復數根彈性纖維、復數根導電纖維以及復數根定位調整纖維，所述導電纖維設有復數個第一撓曲部，所述定位調整纖維設有復數個第二撓曲部，所述第一撓曲部與所述第二撓曲部對稱設置。導電纖維為金屬纖維、碳纖維或者有機導電纖維，所述有機導電纖維的材料包含有一有機聚合體與一導電材料，導電材料為炭黑、石墨、金屬或者金屬化合物中的一種。

（3）導電高分子型纖維

利用導電高聚物制備導電纖維，主要方法有兩種:導電高分子材料的直接紡絲法、與其他高分子基體共混紡絲法。導電高分子型導電纖維在所有導電纖維類型中由于導電材料的優良導電性能和任意選擇纖維基體，其應用范圍最廣。聚苯胺在摻雜態下呈現良好的導電性能，且具有原料價格低廉、合成簡單、電導率較高、在空氣中穩定性好，以及具有獨特的摻雜現象等特點，被認為是最有前途的導電高聚物之一。聚苯胺導電纖維的制備方法主要有濕法紡絲法、熔體紡絲、靜電紡絲、原位聚合法等，其中原位聚合法制備導電纖維被認為是最有應用前景的一種方法，該法簡便易行，導電聚苯胺薄膜附著在基體纖維表面，導電性能優良而持久，對基體纖維的物理機械性能基本沒有影響，是目前很有應用前景的一類導電纖維。

北京服裝學院2012年的申請CN103668529A公開了一種聚丙烯腈基復合導電纖維的制法:使含有導電聚合物單體、氧化劑、摻雜劑、任選的酸性染料共摻雜劑和任選的乳化劑的溶液進行化學氧化聚合，得到摻雜的導電聚合物的水分散液，然后與聚丙烯腈混合后紡絲。

蘇州經貿職業技術學院2015年的申請CN104819734A提出一種織物電阻傳感器，從上至下分為三層，分別是第一層織物、第二層織物與第三層織物，所述第二層織物使用的紗線為聚苯胺復合導電紗線和氨綸單絲。所述聚苯胺復合導電紗線為表面含有導電態的聚苯胺的紗線，所述聚苯胺復合導電紗線表面含有的導電態的聚苯胺是當紗線表面吸附苯胺單體和氧化劑、摻雜酸在紗線表面氧化聚合形成的。

東華大學2015年的申請CN104790067A涉及一種納米導電高分子/石墨烯復合纖維及其制備方法和應用，所述纖維截面呈現異形，纖維表面具有豐富的褶皺形貌，石墨烯片層呈疏松堆積狀態；所述納米導電高分子的微觀形貌為納米顆粒、納米棒、納米纖維或納米片；所述導電高分子為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及它們的衍生物中的一種或幾種。制備方法包括配制導電高分子/氧化石墨烯復合紡絲液；然后擠出到凝固浴中進行牽伸和固化，所形成的濕態纖維經干燥和卷繞得到導電高分子/氧化石墨烯復合纖維；最后采用化學或物理方法進行還原，獲得納米導電高分子/石墨烯復合纖維。

（4）金屬化合物型導電纖維

主要采用復合紡絲法將高濃度的導電微粒局部混入纖維中制取，纖維相對較輕，有可撓性，可洗和便于加工。

福建泉州市健凱服飾有限公司2014年的申請CN104328581A提出了一種導電型紡織面料的加工方法:制備混合紗線，混合紗線由具有竹節風格的復合纖維須條和具有竹節風格的彈性纖維須條形成；復合纖維由導電纖維與定位調整纖維復合而成；以麻線為經紗，以竹炭纖維、混合紗線以及彈性紗線為緯紗，以平紋組織交織成面料。導電纖維所用的導電材料為炭黑、石墨、金屬或者金屬化合物中的一種，所述金屬化合物為金、銀、銅、鎳、鎘的硫化物或氧化物中的一種。

3.磁性纖維

磁性纖維是指帶有磁性的纖維材料。東華大學2014年的申請CN104278352A提出了一種磁場響應型纖維的制備方法，首先以二茂鐵、丙酮、過氧化氫利用水熱反應得到四氧化三鐵納米微球，經過丙酮洗滌然后與乙二醇混合，得到分散液；接著將二甲基硅油和聚二甲基硅氧烷混合，然后將分散液加入其中；最后將新得到的分散液固化即得。上海大學2015年的專利申請CN105019043A提出了一種靜電紡絲技術，將磁性納米粒子加入到紡絲液中，制備出含有磁性的復合纖維。在承接部件下方粘有被裁剪成一定形狀的強力軟磁板，電紡絲纖維在電場力的作用下落到承接部件附近時又受到強力軟磁條磁力的作用，在電場力和磁力的雙重影響下，形成既定形狀的電紡絲纖維膜。

（二）常見的織物傳感器類型

織物傳感器根據感知方式與工作原理的不同，主要分為電容式傳感器、壓阻式傳感器、壓電式傳感器、光纖式傳感器以及電感式傳感器。

1.電容式傳感器

電容式傳感器的測量原理為兩平行極板間的電容隨壓力變化而變化。電容式傳感器一般以導電織物等柔性材料為電容器極板，以泡沫、間隔織物、橡膠等彈性材料為間隔層，其結構簡單、靈敏度高、空間分辨率高，且基本保留了紡織品原有的柔軟、易變形、舒適等特性。

楊章民等2010年的申請CN102300499A公開了一種利用布料電容傳感器來產生生理信號的方法及系統。當人體與布料之間有壓力、拉力、扭力或張力而使電容變化，或人體與布料之間的介質常數改變使電容值產生變化時，電路發出信號，變化以頻率、電壓或電流變化來表現。該發明可偵測呼吸、吞咽、咳嗽、姿勢、人體濕度與人體各部位受壓力程度。

武漢紡織大學2010年的申請CN102002791A提出了一種感觸電子織物，其采用芯紗為金屬絲的包芯紗，采用經緯紗交織的方法構建具有電容器結構的雙層織物，雙層織物的表里層構成電容器的兩個極板，織物受壓時表里層間的距離發生變化，織物的電容就會發生變化，通過測試織物的電容變化來反映織物對外界壓力的感應。該發明的感觸電子織物可作為織物壓力傳感器替代電子器件傳感器，適應于各種需要檢測或監測外界壓力變化的工業、醫療衛生、體育、紡織服裝等領域。

深圳市微納集成電路與系統應用研究院2016年的申請CN105926277A提出了一種電容式壓力傳感器及其制備方法，所述制備方法包括:制備介電層溶液，將底膠和凝固劑混合得到聚二甲基硅氧烷溶液作為介電層溶液；利用纖維包覆裝置將介電層溶液包覆在導電纖維上；將包覆有聚二甲基硅氧烷的導電纖維在真空烘箱中烘干；將兩根烘干后的包覆有聚二甲基硅氧烷的導電纖維互相垂直的堆疊封裝在PET薄膜中以得到電容式壓力傳感器。該制備方法成功地解決了在特定纖維上沉積效率低的問題。同時，這種制備方法還原的銅納米顆粒具有良好的導電性能，并與原有的銀納米顆粒相比較，其制備成本低，有利于推廣生產。

2.壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是根據材料的壓阻效應制成的傳感器。根據電阻效應產生方式，壓阻式傳感器可分為兩類:一類是材料自身的電阻隨壓力（或力）變化，另一類是兩相鄰表面（或稱電極）間的界面接觸電阻隨壓力變化。通常，研究者將導電的炭黑粒子摻雜到柔性彈性高分子中來制備壓阻式傳感器。由復合材料制成的壓阻式傳感器柔軟、輕質、靈敏系數大、分辨率高、體積小，容易與織物相結合。

皇家飛利浦電子股份有限公司2007年的專利申請CN101505657A提出了一種動態機體狀態裝置，裝置包括例如被成形為諸如手套、袖子等的結構，可以使用壓阻式傳感器，當將所述壓阻式傳感器放置在例如肩膀或腿上時用于測量運動，以及放置在例如腹部或胸部上時用于測量呼吸節奏。例如，使用充炭橡膠和商用導電紗線涂覆的合成彈力纖維作為壓阻式傳感器。

東華大學2008年的申請CN101393058A提供了一種具有機織結構的柔性電阻式壓力傳感器，由導電纖維組成，其特征在于，所述導電纖維互相交織而成為機織物，所述機織物的全部經紗之間互相連接，所述機織物的全部緯紗之間互相連接，全部所述經紗與全部所述緯紗之間的整體電阻隨該機織物上的壓力而變化。該傳感器可彎曲、可折疊、可洗滌，適用于穿戴式個人生理信息與狀態的檢測，設有這種傳感器的睡姿檢測服裝能實時檢測睡眠狀態下穿著者身體前部、后部、左側及右側部位所受到的壓力信號并判斷其睡眠姿勢，特別適用于預防嬰兒猝死綜合征或降低其發生率，也用于病人實時睡姿檢測。

史賽克公司2010年的申請CN102414546A提出了一種力或壓力傳感器陣列，其具有可彈性伸展的導電聚合物細絲，細絲以平行的行和列的方式布置，在其相交處接觸壓阻材料，壓阻材料的電阻率隨著施加在其上的壓力或力相反地改變以形成力或壓力感應元件的矩陣陣列。該傳感器陣列可適形于具有復雜的、復合彎曲形狀的物體如人體部分，其重量足夠輕并且可共形地懸垂以結合到人可穿戴的衣物中。

深圳市微納集成電路與系統應用研究院2016年的申請CN105951427A公開了一種石墨烯/纖維織物制備方法，該制備方法采用常用的彈性纖維織物為基體，先用BSA溶液對待染彈性纖維織物進行正離子化處理，然后將正離子化的纖維浸入氧化石墨烯溶液，使該彈性纖維織物與導電性極好、機械性能優異的石墨烯復合，制備得到的石墨烯/纖維織物與石墨烯復合良好、電阻穩定、靈敏性高。把石墨烯/纖維織物接入電阻檢測電路中，石墨烯/纖維織物可以和手套、護腕、護肘、護膝、緊身服等編織在一起制作成可穿戴織物的傳感器，當外力引起石墨烯/纖維織物發生應變時，其電阻便會發生變化，只要檢測電阻的變化，便可算出受力、彎曲程度等，可用于手勢檢測、脈搏檢測等，進一步可用于人機互動、生物醫療等方向。該傳感器不僅具有柔軟、穿戴舒適、易折疊、耐洗滌、無毒害、重復性好等特點，而且擁有較高的電導性、良好的機械性能和穩定性，靈敏度較高，可檢測100%甚至更大的應變。

3.壓電式傳感器

壓電式傳感器是利用壓電材料受力后產生壓電效應制成的傳感器。常用的壓電材料有陶瓷纖維、偏聚氟乙烯（PVDF）薄膜以及填充了導電顆粒的復合導電薄膜等，這些材料制成的壓電式傳感器可用于測量壓力、加速度等，它具有靈敏度高、頻帶寬、質量輕、結構簡單、性能穩定以及良好的動態特性等優點。

柔斯尼斯有限公司2009年的專利申請CN102084048A提出了一種電子傳感器，其導電絲線限定鄰近非導電絲線的編織結構中的至少一個單獨的行，當不沿任一方向延伸時，包括導電絲線的線圈中的連續環路接合，導電絲線作為電路的一部分指示其電子特性。導電絲線的特性可以為壓電的。該傳感器可以被合并到服裝中，例如用于監視身體或呼吸運動的訓練裝束。

揚州思必得儀器設備有限公司2013年的申請CN104233579A提出了一種由含芯壓電纖維編織或針織成的織物，將多根含芯壓電纖維沿同一直線方向或曲線平行編織或針織，或沿不同直線方向或曲線方向交叉編織或針織，或編織或針織成結并沿直線方向或曲線方向延伸，形成含有含芯壓電纖維區域，這一區域再和其他紡織纖維編織或針織成的區域編織或針織后，形成織物的一層或多層。這樣，織物中含有含芯壓電纖維的區域就可以用作傳感器。由于這種含芯壓電纖維織物具有柔軟、可折疊的性能，可以做成手套、背心、護腕帶、護踝帶、襪子等可穿戴結構，穿戴在生物體身體上或機器人身體上，用作傳感器感知生物體內部的健康狀況、生物體或機器人的動作或外界的作用力。

4.光纖式傳感器

光纖式傳感器是利用光導纖維的傳光特性，把被測量轉換為光特性（強度、相位、偏振態、頻率、波長）改變的傳感器。國內外許多學者將光纖織入紡織品中構成光纖傳感器，能夠感知壓力、加速度、溫度、電場等信號，且不影響紡織品本身輕質、柔軟的特性。與電阻或電容等相關傳感器相比，光纖傳感器不僅不生熱，而且對電磁輻射不敏感，不受放電現象影響。

天津工業大學2016年的申請CN105769138A提供一種基于多層復合織物結構的光纖脈搏傳感織物及其服裝，光纖脈搏傳感織物由內層織物、中間層織物、外層織物、柔性填充物和光纖壓力敏感單元組成。該發明克服了傳統電學傳感器和電學傳感織物在檢測靈敏度、重復性、測量舒適性、耐腐蝕性和安全性等方面的不足，特別是在復雜電磁輻射環境下進行人體體征監測的領域中具有突出的應用前景。

5.電感式傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量，如壓力、位移、流量、振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。電感式傳感器的傳感線圈常采用導電纖維、紗線等紡織材料，這種傳感器比普通金屬導線線圈的電感傳感器柔軟，更適合與紡織品結合，可用于呼吸監測和人體動作捕捉等，具有可靠度高、壽命長、分辨率高、靈敏度高、線性度好以及測量范圍寬等優點。

智能生活技術有限公司2004年的專利申請CN1882280A提出了一種電感針織傳感器設備，其中針織結構的變形或運動引起傳感區電感的變化。電感裝置可以是基本圓柱狀的電感螺線管針織傳感器設備。傳感區可以是由導電纖維和不導電纖維針織的。

中國科學院深圳先進技術研究院和香港中文大學2011年的專利申請CN102283642A提出了一種基于軀感網的可連續測量多生理參數的穿戴式系統，生理信號采集模塊所采用的傳感器是電子織物傳感器，還包括電感式電子織物傳感器、微音傳感器；生理參數可根據不同的生理信號以及不同的計算方法計算得到多組值。衣物上采用的電感式電子織物傳感器，既測量呼吸信號，又可作為一個心電電極；測得的呼吸信號為已經調制好的射頻信號，無須發射器可直接進行無線發送；結合電容形成振蕩電路，與其他元件一起組成無線發射電路，發送上衣節點測得的其他生理信號，減少了元件數量，提高了舒適度。

三、結 語

柔性織物傳感器能與服裝充分結合，具有體積小、可洗滌、安全舒適等其他金屬傳感器所不具有的優良特性，無論在電子電工領域，還是在醫療和運動器材等領域的應用研究都特別受到科研工作者的青睞，并已取得了一些成果。但要真正實現大規模的開發應用，實現民用智能化產品的多樣化，還有很多問題有待科研工作者進一步解決。

1.靈敏度、精度和穩定性

傳感器最重要的性能就是高靈敏度、高精度和高穩定性。現有的織物傳感器的上述性能還不能滿足實際需要，因此必須通過提高紡織品基布的性能、改進傳感器的敏感材料及電極材料、改善工藝條件等來提高其靈敏度、精度和穩定性。

2.穿戴舒適性及產品的耐洗性、耐褶皺性

由于加載了必要的電子器件、電源系統、信號傳輸線等，智能服裝的舒適性不可避免地受到影響。穿戴是否舒適、可否洗滌是消費者選擇智能服裝的一個重要考慮因素。目前的產品尚不能滿足實際應用和商業化要求，且尚未形成評價產品品質、性能的標準指標和方法。需要進一步提高織物傳感器的柔性和性能。

3.安全性

由于長期穿著、近距離接觸電子產品，電磁輻射及熱量等對人體造成的危害需要采取進一步的防護設施。由于電子器件直接與人體器官組織皮膚接觸，還要著重考慮醫學安全性，比如是否會出現過敏反應等副作用現象，由此材料的選擇尤為重要。

4.價格和規模化生產

盡管織物傳感器在很多領域都有應用，但是紡織品的智能化時代并未到來，織物傳感器要真正走進普通消費者，需要通過采用新材料、新工藝批量生產來實現產品規模化以降低價格。

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國家知識產權局專利局電學發明審查部。