纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的研究進展*

邢任權 閆 靜 楊 光 莊旭品 程博聞

天津工業大學紡織科學與工程學院，天津 300387

隨著物聯網和智能可穿戴技術的快速發展，智能設備不斷向小型化、柔性化和便攜化方向轉變。當前，將智能設備與傳統服裝相結合的智能紡織品正在快速發展，其可廣泛應用于人體運動檢測[1-2]、智能假肢[3-5]、個人醫療保健[6-8]等領域。智能紡織品的感知功能主要來自于柔性傳感器，其中柔性應變傳感器是將物理形變轉變為可測量電信號的一種設備。相較于傳統的剛性應變傳感器，柔性應變傳感器可以在拉伸、彎曲和扭轉等條件下工作，能實時追蹤人體運動信息，并將信息傳輸到集成的中央處理單元，因此被廣泛應用于智能可穿戴設備中。

紡織品作為人類生活的必需品，具備柔韌、透氣、結構可控和可工業化生產等特點，是柔性傳感器理想的傳感材料/支撐物[9]。紡織品根據形式可分為纖維、紗線和織物等。相較于織物基柔性應變傳感器，纖維/紗線柔性應變傳感器因具有可編織、彈性高、適應性廣等獨特優點而成為了紡織品柔性應變傳感器的研究熱點。從傳感機理來說，纖維/紗線柔性應變傳感器可以分為電阻式、電容式、壓電式等[10]。其中，纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器具有制造簡便、傳感信號易讀取、性能可調節等特點，因此常用于智能可穿戴領域。有研究表明，纖維/紗線柔性應變傳感器可以直接應用于監測人體健康,以及從小應變(如面部表情、呼吸、咳嗽、發聲和脈搏等)到大應變(如肢體運動等)的各種運動[11],[12]7365-7371。基于此，本文主要從纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的傳感機理、性能參數、制備方法，以及其在智能可穿戴領域的應用四方面進行綜述，指出其未來的發展方向，旨在為智能可穿戴設備的開發提供參考。

1 傳感機理

纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器因制備過程簡便、檢測范圍較大和信號讀取容易等特點而得到了廣泛的關注和研究。電阻式應變傳感器對形變的響應方式是，應變發生后，導電材料的微觀結構發生變化，進而引發傳感器的電阻發生變化[13]。按照微觀結構變化的不同，纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的傳感機理可以分為三類：導電層中裂紋的形成、導電網絡的變化和導電材料的幾何變形等[14-15]。

1.1 導電層中裂紋的形成

當纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的傳感材料是以涂層的形式涂覆在纖維/紗線表面時，導電涂層會在傳感器變形的過程中因彈性基材和導電涂層之間的力學性能不匹配而產生裂紋，導致電阻增加，從而產生傳感現象[16]。例如，有著聚吡咯涂層的萊卡纖維應變傳感器發生形變后，聚吡咯涂層產生了垂直于拉伸方向的微裂紋，并且隨著形變的增加，裂紋的數量、寬度和長度都在增加，進而引發了更大的電阻變化[17]。

1.2 導電網絡的變化

通過濕法紡絲或熔融紡絲的方法將導電材料混入聚合物纖維中制備的纖維柔性電阻式應變傳感器，其傳感機理可以用拉伸時導電材料構筑的傳導網絡的變化來解釋。當導電材料和彈性材料混合在一起時，根據滲流理論，絕緣主體中建立導電路徑只需要少量的導電填料。故拉伸時，導電填料與主體之間較弱的相互作用會導致導電路徑斷開，材料電阻增加，從而產生傳感效應。如Tang等[18]6624-6635將碳納米管(CNTs)與有機硅氧烷彈性體混合制備的纖維柔性傳感器，在拉伸過程中，相鄰的CNTs之間的間隙會隨著拉伸而增加，導致傳感器電阻隨之增加。

1.3 導電材料的幾何變形

某些彈性較差的導電纖維(如CNTs纖維等)，通過特殊的結構設計可以賦予其彈性，從而用于應變傳感監測中。當導電纖維/紗線受到拉伸時，其橫向的形狀會按照泊松比發生變化。纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器在拉伸過程中，纖維/紗線的長度(L)和橫截面積(A)的變化會導致電阻(R)的變化，其變化規律如式(1)所示：

(1)

其中，電阻率(ρ)在所有拉伸條件下均保持恒定。

這種幾何變形是控制纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器應變傳感特性的關鍵。如，造成碳纖維傳感器電阻響應變化的主要原因是拉伸過程中纖維長度變長，直徑變小[19]。某些特殊結構的纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器也受幾何變形的影響，如盤繞結構的CNTs纖維柔性應變傳感器，其因自身特殊的彈簧結構而在拉伸過程中發生形變，導致面積減小，電阻變大[20]。

2 性能參數

通常，評價纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的性能參數有靈敏度、傳感工作范圍、線性度、循環穩定性和響應時間等。

2.1 靈敏度

應變傳感器的靈敏度一般用應變系數表示，可通過式(2)計算：

(2)

式中：kGF為傳感器的應變系數；R0為傳感器在初始(未拉伸)狀態時的電阻；ΔR為傳感器在拉伸狀態時的電阻(R)與R0的差值；ε為施加的應變。

靈敏度的高低是評價傳感器性能的重要指標。應變系數越大，靈敏度越高。

2.2 傳感工作范圍

作為可穿戴設備，纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的傳感工作范圍(即應變感測范圍)必須足夠寬，以滿足人們的日常活動需求。以步行時為例，腳部、腰部和關節處皮膚的拉伸率和收縮率高達55%。因此，纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器應在0～55%的傳感工作范圍內完全發揮作用，以便監測相關的信息[21]。

2.3 線性度

應變和電阻變化之間的線性度也是應變傳感器重要的評價指標，因為它直接關系著傳感器能否準確地反映真實的應變。

2.4 循環穩定性

循環穩定性是指應變傳感器在多個循環拉伸測試中表現出穩定且相似的監測應變的能力。作為可穿戴設備，在100 000次的拉伸-釋放循環測試中保持性能穩定是最基本的要求,這代表著纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器能滿足在一年之中每天穿戴約5 h且每分鐘拉伸-釋放1次的需求。

2.5 響應時間

響應時間是指形變發生時傳感器將物理形變轉變為傳感信號所用的時間。為了能夠可靠地監測到諸如腳踢之類的快速運動，纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器需要在高頻(>1 Hz)變形條件下保持性能穩定，這對應變傳感器的響應時間提出了很高的要求。

除此之外，因為包含有纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的織物在使用過程中會暴露于各種環境(如不同溫濕度)中，且不可避免地要經歷水洗，因此還要求纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器具有可洗性和環境穩定性等性能[22]。

3 制備方法

纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的制備方法可分為三種：涂層法——以納米導電材料[如銀納米線(AgNWs)、CNTs、石墨烯等]修飾纖維/紗線表面，在纖維/紗線表面形成傳感層；熔融紡絲法或濕法紡絲法——將導電材料摻入聚合物中，通過熔融紡絲法或濕法紡絲法得到復合纖維應變傳感器；紗線結構設計法——通過紗線的結構設計賦予剛性導電纖維/紗線拉伸傳感性能。

3.1 涂層法

利用導電材料涂覆絕緣彈性纖維是較早出現的制備纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的一種方法，具體操作主要有原位聚合法、噴涂法、浸涂法、氣相沉積法等。如，Fan等[23]通過對聚氨酯(PU)纖維涂覆聚苯胺(PANI)的方法得到了傳感工作范圍上限高達1 500%的柔性電阻式應變傳感器，但該傳感器循環穩定性較差。Kim等[24]利用原位聚合法在聚酯(PS)纖維上聚合了聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)作為導電層，并使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)進行封裝，制得了柔性電阻式應變傳感器(圖1)。但該傳感器傳感工作范圍僅為0～20%，且應變系數為-0.76(電阻隨拉伸而降低)，循環穩定性也較差。為了提高纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的耐久性，Wu等[25]9936-9945通過逐層沉積的方法制備了涂覆有導電聚合物的PU紗線應變傳感器，然后將其嵌入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基體中(圖2)。該傳感器在1%的形變下應變系數高達39.00，且在10 000次循環拉伸測試中循環穩定性表現優異，但使用PDMS進行包覆會限制紗線進一步的加工性能。Wang等[26]將棉線纏繞在彈性PU長絲上制成了彈性包芯紗，然后將高導電性的單壁碳納米管(SWCNTs)通過浸入烘干的方式結合到棉/PU包芯紗中，得到不需要額外涂層的紗線柔性電阻式應變傳感器。該方法簡單可靠，而且應變傳感器在40%的應變條件下循環拉伸測試萬次無明顯裂紋，循環穩定性優異，但靈敏度較低，在25%～240%的傳感工作范圍內應變系數僅為0.65。Cheng等[27]先在PU纖維芯表面螺旋纏繞聚乙烯纖維(PE)，再將其浸漬在氧化石墨烯(GO)分散液中，制備了一種紗線柔性電阻式應變傳感器。所得應變傳感器具有優異的靈敏度(在1%的形變下應變系數為10.00，在50%的形變下應變系數為3.70)，且經10 000次循環拉伸測試后仍保持傳感性能穩定。

CS溶液——殼聚糖溶液；CB@CNC/NR懸浮液——碳黑/纖維素納米晶體/天然橡膠懸浮液圖2 涂層PU紗線制備示意

EDOT——3,4-乙烯二氧噻吩；FTS——對甲苯磺酸鐵溶液；PVP——聚乙烯吡咯烷酮；Pyridine——吡啶圖1 PEDOT在聚酯纖維上的原位聚合

總之，相比于其他制備方法，涂層法制備纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器簡單、便捷，其可實現傳感器靈敏度高和傳感工作范圍可調，只是循環穩定性有待進一步提高。

3.2 熔融紡絲法或濕法紡絲法

熔融紡絲法(圖3)或濕法紡絲法也是生產纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的方法，可用于大量制備彈性復合纖維柔性電阻式應變傳感器，并可進一步編織到織物中去。

圖3 熔融紡絲法過程示意

Mattmann等[28]先將熱塑性彈性體(TPE)和碳黑(CB)粉末混合并熔融擠出，制得彈性體導電復合纖維，再使用硅膠膜將復合纖維附著到織物上用作應變傳感器。發現該應變傳感器能在滿足應變系數大于20.00的條件下擁有20%～80%的傳感工作范圍。只是紡絲液的黏度會隨著填料的添加而增加，黏度過高會導致紡絲困難，所以熔融紡絲法僅允許有限地摻入導電填料。據報道，將多壁碳納米管(MWCNTs)和聚碳酸酯(PC)混合后，能以熔融紡絲的方式制備出纖維柔性電阻式應變傳感器，并發現當紡絲液中MWCNTs的質量分數超過4%時，紡絲液的可紡性變差，且形變超過5%時應變傳感器便無法進行監測[29]。

相較于熔融紡絲法，濕法紡絲法允許加入更多的導電填料，且導電填料能分散得更加均勻，紡出的纖維直徑更加一致，傳感性能更好。濕法紡絲時，先將聚合物主體和導電填料以一定的比例溶解在適當的溶劑中，再將混合溶液擠入凝固浴中獲得纖維。Tang等[18]6624-6635將CNTs與有機硅氧烷彈性體混合物作為芯層，純硅氧烷彈性體作為皮層，通過濕法紡絲的方法得到了具有皮芯結構的彈性導電纖維(圖4)。發現該纖維用作應變傳感器具有高度可拉伸性能(伸長率超過300%)、優異的循環穩定性(循環拉伸測試大于10 000次)、快速的響應時間、低滯后性和良好的耐洗性，且對彎曲和扭轉不敏感，可以直接復合于衣物或皮膚表面。Zhou等[30]同樣運用濕法紡絲技術，以CNTs/熱塑性彈性體(TPE)復合材料作為芯層，以純TPE為皮層，制備出具有皮芯結構的柔性應變傳感器，其能在100%形變時應變系數達到425.00。

圖4 高度可拉伸纖維的同軸濕法紡絲工藝示意

使用熔融紡絲法或濕法紡絲法可輕松實現纖維柔性電阻式應變傳感器的工業化生產，且皮芯結構的復合纖維應變傳感器通常具有更高的靈敏度和更好的循環穩定性，以及更寬的檢測范圍，因而具有相對廣闊的應用前景。

3.3 結構設計法

剛性或低彈性的導電纖維無法直接用作柔性應變傳感器，但通過結構設計(如加捻、螺旋等)可賦予剛性纖維或低彈性纖維拉伸性，這也是制造纖維/紗線柔性應變傳感器的策略之一。Shang等[31]以氣相沉積生成的碳納米管薄膜作為原料，通過電機扭轉成紗線，再適量加捻，得到了具有彈簧結構的碳納米管纖維繩圈。該纖維繩圈具有獨特的彈簧螺旋結構，可承受285%的拉伸應變，克服了碳納米管可拉伸性不足的缺點(圖5)。Li等[32]開發了一種高拉伸性的卷繞式CNTs紗線應變傳感器，其傳感工作范圍上限高達500%，且循環穩定性較高。目前，已報道的通過結構設計制備的纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器都具有出色的循環穩定性和快速的響應時間。

圖5 彈簧結構的CNTs繩圈

4 在智能穿戴領域的應用

圖6展示了纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器在智能可穿戴領域對人體運動與健康監測的應用。纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器可應用于人體較大形變(如手指、胳膊、腿部運動等)和微小形變(如發聲、表情、脈搏等)的監測。

圖6 纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器在人體上的應用

目前，在大形變檢測方面已有諸多的報道[33]。如，Ryu等[34]開發了一款基于CNTs纖維的應變傳感器，其具有很高的伸縮性，可用于手指運動的監測。Park等[35]通過縫在肘套中的石墨烯(GNP)涂層紗線應變傳感器監測手臂的彎曲運動。

纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器在語音識別、呼吸和脈搏等健康監測領域同樣擁有巨大應用潛力。如，Cheng等[12]7365-7371將被等離子空氣蝕刻后的纖維浸入氧化石墨烯溶液中，制得了柔性紗線應變傳感器。將該紗線柔性應變傳感器安裝到喉嚨處，發現當重復閱讀諸如“hi”“hello”“sensor”等不同單詞時，傳感器會展現出獨特的電信號，重復閱讀相同的單詞時電信號相似，這與每個單詞都會引起聲帶獨特的運動有關。Wu等[25]9936-9945通過逐層沉積法制備的超高靈敏度PU紗線傳感器實現了對微笑、哭泣等表情的監測。Zhong等[36]將AgNWs浸涂到納米纖維紗線中得到了具有超高靈敏度的紗線傳感器，用于脈搏的監測。

5 總結與展望

本文綜述了纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的研究現狀，重點介紹了這類應變傳感器的傳感機理、性能參數和制備方法，并進一步展示了這類應變傳感器在人體運動、健康監測等領域的應用。但目前纖維/紗線柔性電阻式應變傳感器的制備還較為復雜，循環穩定性和靈敏度等方面還有待提高，在智能可穿戴領域應用仍有很多需要解決的問題，如在實際應用中容易被信號干擾，且編織到智能服裝中后還面臨著磨損、水洗等挑戰。