紡織結構壓力及應變傳感器性能優化

劉寧娟 肖珊 程瓊 王雙 劉瑋

摘要：總結了幾種紡織結構壓力及應變傳感器性能優化設計的方法。在影響傳感器性能的參數中，靈敏度和變形能力是研究者設計這兩類傳感器時優先考慮的參數。通過提高初始電阻、改變電流傳輸途徑以及調控表面微結構的方法提高壓力傳感器的靈敏度。通過裂紋多級擴展結構、復合網絡結構以及在紗線表面構筑褶皺或纏繞結構等方法提高應變傳感器的變形能力。這些方法為設計性能更加突出的紡織結構壓力及應變傳感器提供思路。

關鍵詞：紡織結構;壓力傳感器;應變傳感器;性能優化設計

中圖分類號：TP212.6文獻標志碼：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

隨著微電子技術和微加工技術的發展，近年來傳感器技術迅猛發展，紡織結構壓力及應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注[1]。

紡織結構壓力及應變傳感器的制備主要有兩種方法，一種是導電材料涂層織物[2]，使織物具有導電能力[34];另一種是織物作為支撐結構，表面或內部嵌入纖維狀導電材料[56]。紡織結構傳感器因具有柔性、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，應用于可穿戴電子器件[8]。

目前，很多學者已經研究了基于紡織結構的可穿戴電子器件[910]，可應用于健康治療、環境監測、屏幕顯示、人機交互、能量收集、能量儲存、無線通信交流等領域。應用在紡織產業上的技術包括下列：智能型服飾、運動暫停檢出器、紗線張力量測、磨損檢測系統、在線經紗張力量測;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、微成型機構等。

壓力傳感器性能相關的重要參數[11]有：靈敏度、壓強檢測范圍、線性度、準確度、響應時間和穩定性[12]，應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變傳感器至關重要。研究者們通過改變結構設計對壓力及應變傳感器進行性能優化，取得了一定的成果。其中涉及到的性能優化結構設計方法總結如下，為紡織結構壓力及應變傳感器性能優化設計提供思路。

1紡織結構壓力傳感器性能優化

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，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生裂紋，初始電阻明顯增大，當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生微裂紋，傳感器巧妙的創建了接觸斷裂的微觀結構，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處理時，石墨烯以不規則的網格結構存在，海綿受到壓縮時電阻變化有限。Yao和他的團隊[16]對石墨烯包覆的聚氨酯海綿進行水熱處理和預壓縮，使石墨烯不規則的網格結構破壞，當傳感器受到垂直方向的壓力時，海綿內部的微觀結構斷裂，使石墨烯相互接觸導致電阻降低，傳感器初始電阻顯著增大。較未經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個數量級，在2～10 kPa靈敏度提高了1個數量級。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）采用直接轉移法復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，形成許多微裂紋導致初始電阻較高，但機械變形下納米銀沉積的金屬薄膜具有韌性不會發生塑性變形。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（1 s）和恢復速度（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膜的傳感器的響應高28倍，通過控制PDMS膜的厚度，可調節靈敏度和操作范圍。

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用于紡織結構壓力傳感器。當紡織結構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，使涂層導電物質不均勻或產生裂紋;當功能層為嵌入的導電材料時，裂紋法可直接應用于導電材料，使材料本身直接產生裂紋。

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）與導電物質聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）混合制備出導電橡膠，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133 kPa-1，檢測到壓強最低可達0.8 Pa。圖3利用電極電阻提高靈敏度的結構設計

Janczak等[19]制備聚合物復合材料壓力傳感器，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變為140 Ω，含量1.25%時電阻從750 Ω到60 Ω。

在紡織結構壓力傳感器的設計中，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行工作，但電阻的變化實質是電荷傳輸性質的變化。因此改變電流的傳輸途徑也是一種設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“動態橋接效應”的柔性壓阻傳感器，這種傳感器即使在微小的負荷下，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，造成高電阻晶粒邊界，電子通過困難，電導率低，電阻大。分別作為壓阻傳感器的上下兩面，傳感器受到機械外力時，上、下面接觸，高導電的銀納米線網絡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），快速響應和弛豫特性（29.5 ms和15.6 ms），超低檢測限制（0.125 Pa）和優異的穩定性（>10 000加載/卸載周期）。

這種方法巧妙的利用不同導電材料的導電性能的差異，造成電勢差，改變電流傳輸途徑，從而使電阻變化。在紡織結構壓力傳感器中，若功能層電阻較大，可以添加高導電材料，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，使其性能得到優化。

1.4調控表面微結構

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，膜表面微結構屬于對壓力傳感器的功能層電阻設計部分，壓力傳感器通過接受信號進行反饋，當壓力傳感器功能層為空心球微結構或者一些別的可放大信號的微結構時，小應變下就會產生大形變，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構為功能層，銅箔作為頂部電極，導電玻璃（ITO）涂層的導電柔性聚酯切片（PET）片材作為底部電極。由于空心球結構的聚吡咯有效彈性模量很低，小應變下可產生大變形。該傳感器靈敏度高達133 kPa-1，并且能檢測到在短時間內低于1 Pa的壓力。

Luo等[22]發現針織物結構柔韌性和表面規則性可以提供可生成的壓力響應，為了減少由紡織品的非彈性變形引起的響應波動，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械連接。將壓力響應變化降低到2%以下，并將單個傳感器的滯后環偏差降低到10%以下。

Liu等[23]制得了一種紡織結構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構提供了大的表面積，足夠的粗糙度和彈性，以“感受”壓力加載時接觸阻力的變化。施加外部壓力將導致多孔結構的小變形，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。

空心球形結構可以放大電信號的原理同樣可以應用于紡織結構壓力傳感器，制備紡織結構壓力傳感器時，可以用適當的方法調控功能層表面微結構，比如膜表面一層做成發泡結構[24]或者整個結構具有孔洞[25]，即使在小變形下，膜也能感知電阻的變化。

2紡織結構應變傳感器性能優化設計

方法2.1裂紋多級擴展結構

傳感器應用的方向不同，設計所關注的參數也不同。一般的應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變和高傳感系數。沿傳感器的縱向拉伸形變（ε）小于2%時傳感系數高達161，形變在2%～15%時傳感系數為9.8，形變超過15%時傳感系數為0.58。其中該傳感器的設計原理如圖6所示，是利用液體蒸發的咖啡圈效應，即單壁碳納米管溶液蒸發時留下的碳納米管并不是均勻分布，而是靠近外側碳納米管含量多，靠近內側的碳納米管含量少，外側厚度大于內側，形成碳納米管梯度分布。沿傳感器縱向拉伸時，內側與外側的碳納米管層同時受到拉伸，外側產生的裂紋擴展較大且較多，內側產生的裂紋隨機且較少。

這種應變傳感器在低應變下具有較高的傳感性能、靈敏度，在高應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。不同節段的靈敏度和高傳感系數可以滿足不同應變階段的要求。紡織結構本身具有較好的變形能力，結合功能層呈多級擴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復合網絡結構

一個模型使用兩個應變傳感器并聯可以產生分段傳感系數。其中，一個應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]采用納米復合材料和納米管，制備出的傳感器含有復合網絡結構。低應變下銀納米線緊密排列有較高的靈敏度（59%/Pa）;當傳感器受到高應變時銀納米線分離，分散的碳納米管連通銀納米線導電，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）涂層導電纖維引入了基于紡織材料的應變傳感器，多層復合的導電纖維結構使其在低應變下可達到較高的靈敏度，在5%的應變下最大靈敏度約為4。圖7復合網絡結構應變傳感器

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，經反復拉伸會造成脫落。表面改性后，銀納米線和尼龍線間的粘性增強，拉伸釋放循環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）/尼龍線機械縫合到織物上，應變范圍為5%～20%，使用聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT∶PSS）/銀納米線（Ag NW）/尼龍線，可以制造具有高應變系數和良好操作穩定性的紡織應變傳感器。

同理，紡織結構傳感器的功能層材料可以包覆一層導電膜，導電膜內有導電網絡結構，形變很大時功能層材料也能接觸導通。

2.3紗線纏繞結構和褶皺結構

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

Lee等[33]采用纖維和富含銀的殼體的復絲結構，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的高初始電導率，得到了高靈敏度和較好的應變傳感范圍（200%～450%）的應變傳感器。

Ge等[34]制備了一種復合纖維形成的可拉伸織物的應變傳感器陣列。如圖9所示，復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）進行處理產生氫鍵，再預拉伸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。復合纖維經過平紋交織制備出高拉伸和高導電的傳感器織物。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械傳感單元，可以分辨壓力、側向應變和屈曲。

紡織結構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結語

從纖維、紗線及織物不同層級的紡織結構上，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控表面微結構來提高其靈敏度，應變傳感器采用在紗線表面構筑褶皺或纏繞結構、裂紋多級擴展結構及復合網絡結構提高靈敏度。以上總結幾種性能優化設計方法可以有效提高傳感器的靈敏度和變形能力，為設計性能更加突出的紡織結構壓力及應變傳感器提供思路，傳感器主要是感知、反饋及響應3個階段，靈敏度是關鍵因素，壓力與應力傳感器常被用于壓力傳感器等微型組件，更多的性能優化設計方法有待發現。

參考文獻：

[1] ZHOU B， KOERGER H， WIRTH M， et al. Smart soccer shoe：monitoring football interaction with shoe integrated textile pressure sensor matrix[C]. ACM International Symposium on Wearable Computers， 2016：64-71.

[2] WANG Y， HUA T， ZHU B， et al. Novel fabric pressure sensors： design， fabrication， and characterization[J]. Smart Materials & Structures， 2011，20（6）：964-971.

[3] LORUSSI F， ROCCHIA W， SCILINGO E P， et al. Wearable， redundant fabricbased sensor arrays for reconstruction of body segment posture[J]. IEEE Sensors Journal， 2004，4（6）：807-818.

[4] SCILINGO E P， LORUSSI F， MAZZOLDI A， et al. Strainsensing fabrics for wearable kinaestheticlike systems[J]. IEEE Sensors J， 2003，3（4）：460-467.

[5] ZENG W， SHU L， LI Q， et al. Fiberbased wearable electronics： a review of materials， fabrication， devices， and applications[J]. Advanced Materials， 2014，26（31）：1208-1235.

[6] SAMAD Y A， KOMATSU K， YAMASHITA D， et al. From sewing thread to sensor： Nylon fiber strain and pressure sensors[J]. Sensors & Actuators B Chemical， 2017，240：1083-1090.

[7] LI Q， TAO X. A stretchable knitted interconnect for threedimensional curvilinear surfaces[J]. Textile Research Journal， 2011，81（11）：1171-1182.

[8] LIU Y， TAO L Q， WANG D Y， et al. Flexible， highly sensitive pressure sensor with a wide range based on graphenesilk network structure[J]. Applied Physics Letters， 2017，110（12）：1063-1068.

[9] WANG C， GUO R， LIN S， et al. A highly electroconductive and flexible fabric functionalized with bovine serum albumin for a wearable electronic device[J]. Journal of Materials Science Materials in Electronics， 2018：1-8.

[10] GUO X， HUANG Y， CAI X， et al. Capacitive wearable tactile sensor based on smart textile substrate with carbon black？/silicone rubber composite dielectric[J]. Measurement Science & Technology， 2016，27（4）：957-965.

[11] WEN Z， YEH M H， GUO H， et al. Selfpowered textile for wearable electronics by hybridizing fibershaped nanogenerators， solar cells， and supercapacitors[J]. Science Advances， 2016，2（10）：625-633.

[12] SAJADI B， GOOSEN JFL， KEULEN VAN A. Membrane based surfacestress sensors： sensitivity， reliability， precision and accuracy[C].Proceedings of the 13th International Workshop on Nanomechanical Sensing， 2016，52（8）：1-2.

[13] ZANG Y， ZHANG F， DI C， et al. Advances of flexible pressure sensors toward artificial intelligence and health care applications[J]. Materials Horizons， 2015， 2（2）：25-59.

[14] KANG D， PIKHITSA P V， CHOI Y W， et al. Ultrasensitive mechanical crackbased sensor inspired by the spider sensory system[J]. Nature， 2014， 516（7530）：222-226.

[15] TIAN H， SHU Y， CUI Y L， et al. Scalable fabrication of highperformance and flexible graphene strain sensors[J]. Nanoscale， 2013， 6（2）：699-705.

[16] YAO H B， GE J， WANG C F， et al. A flexible and highly pressuresensitive graphenepolyurethane sponge based on fractured microstructure design[J]. Advanced Materials， 2013， 25（46）：6691-6698.

[17] LEE J， KIM S， LEE J， et al. A stretchable strain sensor based on a metal nanoparticle thin film for human motion detection[J]. Nanoscale， 2014， 6（20）：11932-11939.

[18] CHOONG C L， SHIM M B， LEE B S， et al. Highly stretchable resistive pressure sensors using a conductive elastomeric composite on a micropyramid array[J]. Advanced Materials， 2014，26（21）：3451-3458.

[19] PEPLOWSKI A， JANCZAK D， WRóBLEWSKI G， et al. Screenprinted resistive pressure sensors containing graphene nanoplatelets and carbon nanotubes[J]. Sensors， 2014，14（9）：17304-17312.

[20] WEI Y， CHEN S， DONG X， et al. Flexible piezoresistive sensors based on “dynamic bridging effect” of silver nanowires toward graphene[J]. Carbon， 2016：395-403.

[21] PAN L， CHORTOS A， YU G， et al. An ultrasensitive resistive pressure sensor based on hollowsphere microstructure induced elasticity in conducting polymer film[J]. Nature Communications， 2014， 5（1）：1038-1046.

[22] LUO N， ZHANG J， DING X， et al. Textileenabled highly reproducible flexible pressure sensors for cardiovascular monitoring[J]. Advanced Materials Technologies， 2017，3（1）：222-230.

[23] LIU M， PU X， JIANG C， et al. Largearea alltextile pressure sensors for monitoring human motion and physiological signals[J]. Advanced Materials， 2017，29（41）：425-434.

[24] VANDEPARRE H， WATSON D， LACOUR S P. Extremely robust and conformable capacitive pressure sensors based on flexible polyurethane foams and stretchable metallization[J]. Applied Physics Letters， 2013，103（20）：1859-1801.

[25] JUNG S， KIM J H， KIM J， et al. Reversemicelleinduced porous pressuresensitive rubber for wearable humanmachine interfaces[J]. Advanced Materials， 2014， 26（28）：4825-4830.

[26] YANG T， XIE D， LI Z， et al. Recent advances in wearable tactile sensors： materials， sensing mechanisms， and device performance[J]. Materials Science & Engineering R Reports， 2017，115：1-37.

[27] LIU Z， QI D， GUO P， et al. Thicknessgradient films for high gauge factor stretchable strain sensors[J]. Advanced Materials， 2015，27（40）：6230-6237.

[28] HARADA S， HONDA W， ARIE T， et al. Fully printed， highly sensitive multifunctional artificial electronic whisker arrays integrated with strain and temperature sensors[J]. Acs Nano， 2014，8（4）：3921-3927.

[29] EOM J， LEE W， KIM Y H， et al. Textilebased wearable sensors using metalnanowire embedded conductive fibers[C]// Sensors. IEEE，2017：1-3.

[30] EOM J， HEO J S， KIM M， et al. Highly sensitive textilebased strain sensors using poly（3，4ethylenedioxythiophene）：polystyrene sulfonate/silver nanowirecoated nylon threads with polyLlysine surface modification[J]. Rsc Advances， 2017，7（84）：53373-53378.

[31] WANG Y， YANG R， SHI Z， et al. Superelastic graphene ripples for flexible strain sensors[J]. Acs Nano， 2011，5（5）：3645-3650.

[32] SUN Y， ROGERS J A. Inorganic semiconductors for flexible electronics[J]. Cheminform， 2010，19（15）：1897-1916.

[33] LEE J， SHIN S， LEE S， et al. Highly sensitive multifilament fiber strain sensors with ultrabroad sensing range for textile electronics[J]. Acs Nano， 2018，12（5）：1158-1194.

[34] GE J， SUN L， ZHANG F， et al. A stretchable electronic fabric artificial skin with pressure， lateral strain， and flexion sensitive properties[J]. Advanced Materials， 2016，28（4）：722-728.

收稿日期：2018-09-05網絡出版日期：2019-03-15

基金項目：國家自然科學基金（51503120）;上海市揚帆計劃項目（14YF14096000）;上海市優秀青年教師培養項目（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