不同材料導電紗線針織柔性傳感器的傳感性能

郭秋晨， 龍海如

(東華大學a.紡織學院； b.紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

隨著現代社會對健康的重新定義，加之老齡化社會的全面來臨，智能紡織品受到市場的密切關注.將智能化賦予無縫內衣，是將電子信息技術、傳感器技術、紡織科學及材料科學等相關領域的前沿技術融合在同一件服裝之上，其中監測心跳、呼吸等生命體征的智能紡織品最受關注.研究表明，在小應變拉伸針織柔性傳感器的前提下，單元線圈紗線間接觸力變化微小，起決定性作用致使針織柔性傳感器電阻發生改變的因素是線圈紗段轉移，并且針織柔性傳感器的應變與電阻呈線性關系[1].

基于無縫針織物穿著舒適的特點，為了開發集成針織柔性傳感器的智能無縫服飾，監測人體生理信號如呼吸、心跳等，結合市場上已有的導電紗線，本文采用幾種不同規格的導電紗線，包括不同線密度鍍銀錦綸絲、鍍銅錦綸絲、含銅腈綸紗、含銅腈綸/滌綸混紡紗，進行針織柔性傳感器的編織.考慮到針織柔性傳感器應用于無縫產品，因此使用無縫內衣機進行基于平針添紗組織的針織柔性傳感器的編織，將其編織成有傳感區及非傳感區的試樣后測試其傳感性能，包括拉伸過程中的電阻與應變的關系及重現性，并通過正交試驗分析導電紗線和傳感器尺寸對傳感器靈敏系數的影響.

1　針織柔性傳感器的制備與測試

1.1　原料與編織

本文采用了6種不同規格的導電紗線和兩種非導電紗線，其規格如表1所示.

表1　針織柔性傳感器原料規格Table 1　Material specifications of knitted flexible sensors

在機號為E28的SANTONI SM8-TOP2MP型單針筒無縫內衣機上進行針織柔性傳感器的編織.將組織結構設計成平針添紗組織，利用提花添紗技術將導電紗線編織成傳感區，制備了包含傳感器的織物試樣.

針織柔性傳感器的工作原理是通過監測呼吸及心跳時皮膚的伸縮作用從而引起等效電阻的變化[2-3]，而等效電阻除了與針織柔性傳感器的紗線材料有關，還取決于傳感區的線圈橫列數及縱行數，因此線圈橫列數和縱行數均影響其傳感性能[4].結合無縫內衣下機后的尺寸與橫列數及縱行數的對應變化、應用到后續測試人體生理信號的傳感區尺寸大小、呼吸及心跳引起皮膚的形變程度等因素的共同影響，將傳感區尺寸(橫列數×縱行數)設計為：8×50、 8×100、 8×150、 16×50、 16×100、 16×150、 24×50、 24×100、 24×150，將每種尺寸的針織柔性傳感器試樣各編織3個，下機后進行明確標記再進行后續試驗.

1.2　特征指標

針織柔性傳感器屬于應變-電阻傳感器，其特征指標主要有線性度、靈敏系數、重現性.其中靈敏系數采用式(1)進行表征與分析[5].

(1)

式中：K為靈敏系數；ΔR為電阻的變化量；R0為初始電阻；Δl為長度的變化量；l為初始長度；ε為應變.在分析線性度時得到電阻與應變的線性關系方程如式(2)所示.

R=kε+R0

(2)

式中：R為變化電阻；k為電阻與應變的線性關系方程對應的斜率.

K=k/R0

(3)

1.3　應變-電阻關系與重現性測試

集成針織柔性傳感器的智能無縫內衣是通過人體皮膚伸縮作用于傳感器使之電阻發生變化來測試人體生理信號的，因此需要著重考察針織柔性傳感器的電阻-應變關系.

試樣下機后裁剪成16 cm×6 cm(長×寬)的矩形，使傳感區處于試樣中心位置，如圖1所示.其中，深色部分為傳感區，面紗采用導電紗線，淺色部分為連接區，面紗采用錦綸彈力絲，兩個區的地紗均為錦/氨包覆紗.將傳感區兩端的導電紗線連接至帶存儲功能的DM3680型數字萬用表，試樣的末端夾持在X-Y型電子織物強力儀的一對夾頭中.根據人體呼吸及心跳時皮膚收縮作用產生的形變，將試樣的緯向拉伸應變設定在15% 以內，拉伸試樣的同時采集傳感器對應的電阻值，從而得到電阻與應變的一一對應關系.對每種導電紗線編織的不同傳感區尺寸的3個試樣，分別測試其在應變范圍內的電阻起始值及電阻變化值，基于3組數據的平均值分析電阻與應變的關系.

(a) 正面　(b) 反面

從每種導電紗線編織的傳感區尺寸為16×50的3個試樣中選取1個，反復拉伸10次并同步測量其電阻的變化，將應變范圍設定在0～15%，記錄10次拉伸過程中的電阻與應變的一一對應關系，從而得到針織柔性傳感器電阻變化的重現性.

2　試驗結果與分析

2.1　不同線密度鍍銀錦綸絲傳感器的靈敏系數

當使用相同材料導電紗線編織針織柔性傳感器時，應考慮導電紗線線密度、傳感區橫列數及縱行數如何選擇，才能使傳感器的靈敏系數盡可能大.為此采用正交試驗，分析1#～3#鍍銀錦綸絲線密度A、橫列數B、縱行數C 3個因素對于傳感器靈敏系數的影響，所使用的因素水平表如表2所示.

表2　因素水平表Table 2　Table of factors and levels

在3個因素中，除了考慮鍍銀錦綸絲線密度A與橫列數B、縱行數C的單一因素的影響之外，還需分析兩兩之間的交互作用.因此選用正交表L27(313)進行試驗.本文正交試驗的結果為傳感器的靈敏系數，因此首先要分析電阻與應變是否呈線性關系及其確定系數.將27組采用1#～3#導電紗線編織的不同尺寸針織柔性傳感器電阻與應變的實測數據，進行Matlab擬合分析得到電阻與應變在1%～15%應變范圍內的二元一次線性方程，所有方程的確定系數R2均大于0.99，表明所有受試針織柔性傳感器的電阻與應變呈線性關系.接著利用式(3)計算得到各試驗號的靈敏系數，其正交試驗方案與試驗結果見表3.

表3　正交試驗方案及試驗結果

(續　表)

對表3中得到的試驗結果進行Matlab極差分析，得到影響傳感器靈敏系數的因素排列為：A， B， B×C， A×B， C， A×C.從單因素角度分析，影響次序依次為：鍍銀錦綸絲線密度、橫列數、縱行數.3種不同線密度的鍍銀錦綸絲的制備方法均采用化學鍍銀技術在錦綸纖維的表面形成一層銀的鍍層，導電紗線的線密度對于傳感器的靈敏系數的影響最大，而縱行數對于靈敏系數的影響相對較小.考慮交互作用時，橫列數B與縱行數C的交互作用、鍍銀錦綸絲線密度A與橫列數B的交互作用對靈敏系數的影響比單因素縱行數C大，而鍍銀錦綸絲線密度A與縱行數C的交互作用對于靈敏系數的影響反而小于單因素鍍銀錦綸絲線密度A、縱行數C.因此試驗結果是否可靠需要進一步分析，在水平數大于等于3且考慮交互作用的正交試驗中，采用極差分析法雖然可以得到影響次序，但得到的數據準確性無法確定[6].故對上述試驗結果進行Matlab方差分析得到表4.

表4　方差分析表Table 4　Analysis of variance table

由表4可知，鍍銀錦綸絲線密度A和橫列數B對傳感器靈敏系數的影響很顯著，橫列數B與縱行數C的交互作用對靈敏系數的影響較顯著，其他因素對靈敏系數的影響并不顯著.因此只有影響次序排在前3位的A， B， B×C對靈敏系數影響顯著.考慮后續編織智能無縫產品選擇針織柔性傳感器時，鍍銀錦綸絲線密度選擇尤為重要，并在設計傳感區尺寸時，橫列數比縱行數更為重要.

2.2　相同線密度鍍銀及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數

將所測得的以4#導電紗線編織的不同尺寸針織柔性傳感器的電阻與應變關系進行Matlab擬合分析，得到電阻與應變在1%～15%范圍內的二元一次線性方程，所有方程的確定系數R2均大于0.99，因此77.7 dtex鍍銅錦綸絲編織的不同尺寸針織柔性傳感器的電阻與應變呈線性關系，再利用式(3)進行計算得到對應的靈敏系數，對比相同線密度的鍍銀錦綸絲(表3中的數據)及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數如圖2所示.

圖2　相同線密度的鍍銀及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數對比Fig.2　Sensitivity coefficient comparison between silver-plated and copper-plated yarn sensors with the same linear density

由圖2可知：鍍銅錦綸絲傳感器在縱行數相同時，橫列數越多，傳感器的靈敏系數越大；在橫列數相同時，縱行數越多，鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數也越大.因此，在設計鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器時，傳感區尺寸越大，對應的靈敏系數越大.試驗所用到的鍍銅錦綸絲是通過化學方法將硫化銅微粒子合成物沉積到錦綸原絲制成.由于銀在所有金屬中導電性能最好[7]，且金屬導電性優于金屬化合物，因此純銀比銅化合物的導電性能要好，電阻也較小，因此鍍銅錦綸絲的導電性能比鍍銀錦綸絲差，電阻要比鍍銀錦綸絲大很多.

在針織柔性傳感器的基本組織、編織工藝參數設定均相同的前提下，使用相同線密度的導電紗線進行針織柔性傳感器的編織，圖2中使用的兩種材料導電紗線的不同點僅在于錦綸絲表面鍍層的材料.由圖2可知：當傳感區尺寸為8×50、 8×100、 8×150和16×50時，鍍銀比鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數要大；當傳感區尺寸為16×100、 16×150、 24×50、 24×100、 24×150時，則情況正好相反.但針織物的線圈結構較復雜，并且靈敏系數的影響因素眾多，不能得到某種材料編織的傳感區尺寸與靈敏系數的準確函數關系.由2.1節中分析可知，橫列數對于針織柔性傳感器靈敏系數的影響遠大于縱行數.因此在設計針織柔性傳感器時，首先應考慮橫列數.當橫列數選用8時，鍍銀錦綸絲傳感器的靈敏系數略高；當橫列數選用16時，縱行數小于100時鍍銀錦綸絲傳感器的靈敏系數較高，而縱行數大于100時則鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數較高.當橫列數選用24時，鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數比鍍銀錦綸絲高35%以上.

綜上分析可知，在傳感區尺寸為16×100時，相同線密度的鍍銀及鍍銅錦綸絲傳感器的靈敏系數基本相差無幾，當應用針織柔性傳感器所需的傳感區范圍較小時，鍍銀錦綸絲針織柔性傳感器對應的靈敏系數較大，當應用針織柔性傳感器所需的傳感區范圍較大時，鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器對應的靈敏系數較大.測量人體生理信號時，應根據設計的傳感區范圍大小，在確定合適的靈敏系數后，進行導電紗線的選擇，可以得到靈敏度較高的監測數據.

2.3　含銅腈綸紗及含銅腈綸/滌綸混紡紗的電阻與應變關系

2.3.1含銅腈綸紗及含銅腈綸/滌綸混紡紗的基本性能

含銅腈綸紗利用聚丙烯腈中的腈基(—CN)與Cu2+、 Cu-發生絡合反應，纖維上Cu-或Cu2+與溶液中的硫發生作用形成Cu2S與CuS的復合物結晶Cu9S5，該沉淀屬于P型半導體，其導電性主要取決于結晶中銅點陣上欠缺含銅帶來的空穴[8-10].

由于含銅腈綸/滌綸混紡紗中摻有不導電的滌綸，因此其電阻比含銅腈綸紗要大.具有導電性的含銅腈綸紗的聚合物本身為聚丙烯腈，彈性比錦綸差.為防止在測量電阻-應變關系過程中應變過大導致紗線斷裂，首先對該紗線進行了拉伸試驗，結果如表5所示.

表5　含銅腈綸及混紡紗的拉伸性能

考慮到針織柔性傳感器使用中的應變范圍以及含銅腈綸及混紡紗的拉伸斷裂伸長率，將用這些紗線編織的針織柔性傳感器的拉伸應變設定為10%.

2.3.2含銅腈綸及混紡紗的電阻-應變關系

取5#及6#導電紗線編織的傳感區尺寸為8×50的試樣進行定伸長拉伸試驗，得到的電阻-應變關系如圖3所示.

(a) 5#

(b) 6#

測試分析傳感區尺寸為8×100， 8×150， 16×50， 16×100， 16×150， 24×50， 24×100， 24×150的試樣均出現圖3變化趨勢.在應變增加的過程中，拉伸到一定程度時電阻出現減小的情況，這種減小趨勢會持續到應變為10%，并且在拉伸過程中出現電阻波動較大的情況，這種電阻與應變的非線性關系源自于Cu9S5腈綸特殊的結構.

在拉伸應變較大時，導致了復合物Cu9S5結晶與聚丙烯腈纖維間的結合及Cu9S5的連續性被破壞，半導體所呈現的空穴導電性能進而遭受影響[11].由圖3可知，當應變小于2%時，得到試樣電阻-應變的變化才接近線性關系.因此，只有當應變較小時，含銅腈綸及混紡紗才符合針織柔性傳感器的要求.但在穿著及使用過程中，無縫產品的形變遠大于2%，因此含銅腈綸及混紡紗不適宜作為編織針織柔性傳感器的導電材料.

2.4　傳感器的電阻-應變重現性分析

將1#～4#導電紗線編織的傳感器區尺寸為16×50的針織柔性傳感器反復拉伸10次并同步測量其電阻的變化，結果如圖4所示.

(a) 1#

(b) 2#

(c) 3#

(d) 4#

由圖4可知，3種線密度鍍銀錦綸絲的傳感器均呈現良好的電阻-應變重現性，77.7 dtex鍍銅錦綸絲的傳感器雖然電阻波動值較鍍銀錦綸絲傳感器的大，但其本身電阻數量級在104～105之間，因此波動幅度不大.故上述1#～4#導電紗線傳感器均呈現良好的電阻-應變重現性.

3　結　語

由于針織柔性傳感器的后續應用方向為智能無縫服裝監測人體生理信號，故總結出以下結論：

(1) 不同線密度的鍍銀錦綸絲針織柔性傳感器的電阻與應變呈線性關系，反復拉伸電阻重現性良好，影響傳感器靈敏系數的顯著性因素依次為：鍍銀錦綸絲線密度、橫列數、橫行數與縱行數的交互作用.

(2) 鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器的電阻與應變呈線性關系.由于鍍銅錦綸絲表面為金屬化合物涂層，在相同縱行數下，橫列數越大，靈敏系數越大；在相同橫列數下，縱行數越大，靈敏系數越大.該傳感器的電阻重現性良好.

(3) 含銅腈綸紗和含銅腈綸/滌綸混紡紗針織柔性傳感器的電阻與應變只在小應變(≤2%)時才能滿足線性關系，因此不適宜作為導電材料用于針織柔性傳感器的編織.

[1] 王金鳳，龍海如.線圈轉移對導電彈性針織柔性傳感器的電-力學性能影響[J].紡織學報，2013，34(7)：62-68.

[2] 楊斌，陶肖明，俞建勇.不銹鋼纖維織物的電阻與應變關系[J].稀有金屬材料與工程，2006，35(1)：96-99.

[3] HO V A， IMAI S， HIRAI S. Multimodal flexible sensor for healthcare systems[C]//Conference proceedings.... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference，2014， 2014：5976 - 5979.

[4] 韓瀟，龍海如.針織物柔性傳感器的傳感性能探討[J].紡織科技發展，2014(6)：12-14.

[5] 李壽松，李錦英.電阻應變片靈敏度的測量[J].物理實驗，1999，19(4)：5-6.

[6] 王巖，隋思漣.數理統計與MATLAB數據分析[M].2版.北京：清華大學出版社，2014：259-260.

[7] 葉卉，李東平，夏芝林.鍍銀纖維的研發進展及應用[J].紡織導報，2006(6)：54-56.

[8] 余鼎聲，孔識衛，楊暉，等.CuS表面改性聚丙烯睛纖維的結構及導電機理的研究[J].功能高分子學報，1993，6(3)：267- 271.

[9] 周英建，潘婉蓮，劉兆峰.含銅聚丙烯腈導電纖維導電化處理過程的動力學研究[J].東華大學學報(自然科學版)，2002，28(4)：1-4.

[10] BASERI S， ZADHOUSH A， MORSHED M，et al. Synthesis and optimization of copper sulfide-coated electrically conducting poly(acrylonitrile) fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2007， 104(4)：2579-2586.

[11] 鄒國銘，郭文霞，王志，等.具有半導體導電特性的睛綸研究[J].華南理工大學學報(自然科學版)，1994，22(6)：60-69.