柔性傳感器在紡織品中的應用

劉歡歡

（西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710048）

1 柔性傳感器的定義

隨著科技的發展，與人類息息相關的紡織品也發生了不同的變化，保暖、防寒以及視覺美觀已經無法滿足人們的需求，紡織品向多功能性發展，從而產生了智能紡織品。智能紡織品是一種將紡織材料、傳感技術、通訊、人工智能等技術高度集成開發的新型紡織品，除滿足基本的穿著、防寒、保暖等需求外，還具備了響應功能、感知功能、反饋功能以及自診斷、自修復等功能[1]。

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，其中柔性材料需具有柔軟、易變形、低模量等特性，使其在滿足一些基本的功能之外，還具有體積小、良好的延展性、柔軟性等功能，在軍事、航天航空、醫療、生物、娛樂等方面有著廣闊的應用前景。

2 柔性傳感器的分類

2.1 電容式傳感器

電容傳感器是根據電容器的原理制成的，由兩個平行電極板及它倆之間的電介質構成，電容器的電容公式為：

其中，ε1—真空介電常數，ε2—相對介電常數，A—電極之間的距離，d—電極相對的面積。

前兩個變量主要由電介質的本身屬性決定，后兩種變量可以通過外力來控制，進而來控制電容式傳感器[2]。電容式傳感器的靈敏度與彈性介電層有關，利用高柔性和粘彈性的介電層可以提高傳感器的性能，利用導電薄膜、紗線、織物作為電極板可以提高柔韌性，將這種柔性傳感器和紡織品結合起來不僅滿足了基本的保暖防寒功能，而且還具有柔軟、舒適等功能[3]。全勇等人[4]設計制備出一種三明治結構的電容式柔性壓力傳感器，利用銀納米線為電極材料，聚二甲基硅氧烷為柔性襯底，這種微納結構的柔性襯底傳感器能夠提高其靈敏度。

2.2 壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是一種外部刺激所引起的器件材料電阻值變化轉換為電信號輸出的傳感器，常見的材料為半導體硅、鍺以及炭黑、石墨烯填充高聚物符合導電纖維。這類傳感器具有柔軟、結構簡單和靈敏度高等特點，在多個領域得到廣泛應用。肖立志等人[5]設計了一種基于應變片壓阻效應的柔性傳感器陣列，使應用的機器人“皮膚”的傳感器滿足柔性、可陣列化和靈敏度高的需求。鄔林等人[6]研發了一種基于壓阻效應的陶瓷壓力傳感器，采用宜彎折柔性調理電路，體積小、穩定性好、宜封裝集成，加之陶瓷芯片具有耐腐蝕、抗磨損、成本低等優點，該傳感器可被廣泛地應用在各種壓力檢測場合。

2.3 壓電式傳感器

壓電傳感器是一種將壓電材料在外界的壓力作用下產生了壓電效應制成的傳感器，常見的壓電材料有氧化鋅，聚偏氟乙烯和陶瓷等，將無機納米粒子分散到其中可以具有很好的柔韌性，提高了智能柔性傳感器的性能[7]。壓電式傳感器具有良好的靈敏度、性能穩定等優點，在柔性觸摸傳感方面已有很廣泛的應用。

2.4 光纖式傳感器

光纖傳感器是一種將調制區發熱光信號和待測參數相互作用后，導致光的波長、頻率、相位和偏振態等發生變化進而獲得被測參數的傳感器。這類傳感器具有體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕及耗電少等優點，國內外學者將光纖傳感器運用到紡織服裝、醫療及軍事等領域，能夠感知壓力、溫度及電場等信號的變化。

3 柔性傳感器的應用

3.1 醫療保健

在醫療保健領域，柔性傳感器主要將傳感器印制在服裝上或者具有柔性特性的材料上，可以診斷以及監測人們的生理特征，例如：脈搏、血壓、心率、體溫等，進而判斷人們的健康狀況。國外的英特爾研究人員對外發布了一款可以檢測身體健康的T恤，這款智能T恤是和中國臺灣AIO的公司進行合作開發的可穿戴設備，該產品植入英特爾研發的監測傳感器，可以監測用戶的心率、心電圖等指標，并且還可以和手機上的專用軟件相互傳送數據[8]。

P.J.Soh等人[9]研發了一種應用于生物可穿戴紡織陣列的醫學傳感器，可以長時間的檢測病人的信息，通過這個醫療傳感器實現患者與醫生對健康狀況的信息交流。Viventi等人[10]利用活性電極陣列來構建了柔性電子傳感器，用來測量心臟和大腦的特征信號，為了測量心電圖信號，采用2 016個晶體管陣列在288個接觸點獲得瞬間的分辨率，實現了空間映射分變率信號的檢測。

3.2 紡織服裝

智能服裝是指將傳統的紡織技術、傳感技術、通訊技術及人工智能技術等高度集成開發出多功能的服裝產品。智能服裝作為人體的“第二皮膚”，可以提高人工智能的人機交互體驗，紡織服裝是新型可穿戴柔性傳感器研發的絕佳載體，目前以織物為基體研制的柔性傳感器已經取到了一定的應用，天津大學的郝文飛[11]設計了一款用于監護心電的穿戴式設備，盡量可以降低系統功耗并進行長時間的監測，對智能服裝提供了供電電路方案，提高了智能服裝的舒適性。意大利的D De Rossi[12]在萊卡纖維的表面涂覆了聚吡咯涂層來制成智能手套進而檢測手指的運動情況。王云燕[13]根據紗線結構、纖維導電原理及力學性能等研究分析選取鍍銀導電紗線作為導電紗線，通過圓機無縫編制到服裝中作為電極式柔性傳感器來實現導電傳導功能，分析其織物的透氣性、彈性拉伸性能及洗滌等因素對織物電阻變化的影響，選擇最佳工藝來織造柔性傳感器，為智能服裝更快的發展奠定了基礎。

3.3 運動娛樂

柔性可穿戴技術在運動娛樂方面也有廣泛的應用，蔣毅等人[14]設計了一種柔性導電織物鍵盤。根據五線式觸摸屏控制的電路功能要求設計了全織物的5層鍵盤結構，織物鍵盤包括織物層、功能定義層、隔離層、保護層，既滿足高精度的要求，也滿足了可折疊和柔性的功能需求。S.Stassi 等人[15]利用PDMS和納米級銅粉聚合物設計了一種柔性可穿戴的足底壓力傳感器來監測鞋底壓力的分布和人體運動過程中的腳底平均壓力。張乃中等人[16,17]將導電紗線編制到服裝面料中，結合控制芯片和計算機編程，利用微電流觸控原理，開發出可演奏音樂的電子智能服裝，以達到演奏的目的。這些產品將應用在音樂教學、演出、體驗游戲等領域。

3.4 軍事領域

在軍事及航空航天領域，美國的“勇士系統”[18]是一個將光導與電導網、電子設備及智能傳感器與服裝結合技術的項目，它是集頭盔與作戰服裝于一體的網絡系統，它能智能監測作戰人員的生理健康情況、實時位置及作戰能力，傳輸實時的信息與預警，為作戰人員提供戰場防彈、防護。美國理工學院的研究人員通過在織物中嵌入一些光導纖維傳感器，研發出了一種可探測有毒介質的織物，當傳感器接觸到某些氣體、生化或有毒介質時，就會產生一種報警信號，提醒作戰人員注意有毒的區域，提高在戰場上的作戰能力。

4 結語

本課題從柔性傳感器的不同原理介紹了四種柔性傳感器，闡述了在醫療保健、智能服裝、運動娛樂及軍事等方面的應用，柔性傳感器作為智能紡織品的核心，在紡織領域中具有廣闊的應用前景，對于智能紡織品的發展有一定的推動作用。