紡織基柔性傳感器的研究與應用概述

楊楊，武松梅

（1.安徽省產品質量監督檢驗研究院，安徽 合肥230051；2.安徽職業技術學院現代服裝學院，安徽 合肥230011）

0 引言

近年來，人工智能、電子技術等領域高科技的發展，促進了柔性可穿戴電子產品的應運而生。柔性可穿戴電子產品廣泛地應用在醫療健康、運動等領域。

可穿戴電子產品能夠感知來自外界的各種刺激（如力、變形、溫度、濕度等），然后將其轉換為電信號，實現這一過程需要傳感器來執行。傳統的傳感器材料多是硬質材料，如金屬、半導體，其缺點是體積大、柔韌性差，與人體不貼合，不能有效檢測信號，靈敏度低，限制了其應用。柔性傳感器與硬質傳感器不同，與皮膚貼合度高，能高效捕捉信號，傳感性能優異。因此，制備柔性傳感器需要選擇恰當的柔性基材。紡織材料具有形變能力、可穿戴性、透氣性等優點，加上現有紡織加工技術非常發達，使紡織材料成為柔性傳感器的優異載體形式之一。因此，與紡織材料結合制備柔性傳感器成為研究的熱點[1]。

目前，關于可穿戴電子產品的柔性傳感器，多從傳感機制、傳感材料種類、制備方法角度進行介紹。文章重點從紡織材料的維度，介紹了紡織基柔性傳感器的特點和賦予紡織材料導電性能的方法以及不同維度的紡織基柔性傳感器的性能特點，為大規模生產具有理想性能的紡織基柔性傳感器提供指導。

1 傳感器的分類

傳感器可將外部刺激轉化為模擬電子有效信號輸出。根據轉換機制的原理不同，柔性傳感器一般分為三大類，分別為電阻式、電容式和壓電式。電阻式傳感器采用電學間接地測試外力變化大小，快捷方便，應用廣泛。電容式傳感器靈敏度高，可監測細微的外力。壓電式傳感器有著響應快、對動態外力刺激高敏感、自供電等方面的優點。

2 紡織基柔性傳感器的要求

通過傳感器的轉換機理分析，可知當測試體受到外力后，局部變形轉換成直接可測量的電信號。柔性基材既是承受外界刺激的受體，又是對外界刺激感知的載體，它的選取對柔性傳感器的傳感性能有至關重要的作用。選擇與皮膚的貼合性良好的紡織材料，需要紡織材料具有導電性及變形回復能力，當紡織材料受到外力作用時產生形變，從而有效地檢測和感知應變、觸覺和壓力的變化，并將它們轉換成電信號。因此，導電性是紡織基傳感器獲得優異性能的必要前提條件。

先進的紡織技術制造了各種類型的纖維、紗線以及織物等。從紡織基材的角度，可穿戴柔性傳感器可以分為一維線性柔性傳感器和二維平面柔性傳感器。

3 一維線性柔性傳感器

一維線性柔性傳感器包括長絲纖維、紗線、繩索，它們細而長，可以被彎曲、扭轉，具有一定的可實現變形能力、靈活的外觀設計，易于嵌入，制備的柔性傳感器結構簡單，應用更加普及。

3.1 天然導電纖維

天然導電纖維包括金屬纖維和碳纖維。常規的不銹鋼纖維、銅纖維、鋁纖維、鈦纖維等是通過對金屬進行直接拉絲制造而成的。這些纖維具有很多優點，如導電性極好、強度高、防輻射、耐腐蝕等，但很難紡紗，因為纖維剛度大，纖維間的聯系力很弱；同時，可穿戴性差，易刺傷人體皮膚[2]，所以金屬纖維在柔性傳感器中應用受到很大限制。

碳纖維（CF）的導電率與金屬纖維接近，適合用于高溫、高機械性能、剛性大的條件下，不適合用于常規服用產品的柔性傳感器。Wang[3]先把氧化鋅（ZnO）薄膜包覆在碳纖維（CF）表面，然后制成應變傳感器，當受外力作用時，ZnO 和CF 接觸面積發生變化，從而引起電流發生變化。

3.2 紡絲法制備導電傳感材料

一般紡絲方法有兩種，一是直接將導電材料進行紡絲；另一種是將一定量的導電物質添加或填充到高分子材料中，制得導電纖維。后一種方法更為常用。導電物質有導電高分子材料以及納米導電材料，如聚吡咯（PPy）、石墨烯、碳納米管、炭黑（CB）、MXene 等，其中，納米導電材料是近些年來研究的焦點。它們擁有優異的柔韌性、機械強度和導電性，具有低維性和大比表面積，在傳感器領域中有著很大的應用潛力。

Tao 等人[4]研發了一種具有多孔的石墨烯（GPE）纖維長絲，由其制備一種可以識別脈搏跳動和眼球轉動的柔性傳感器，測試者佩戴感覺舒適性很好。Cheng 等人[5]將石墨烯與其他納米材料進行復合成纖維，制備成應變傳感器，兩種納米材料的協同作用增強了傳感器的性能。經測試，該應變傳感器拉伸變形表現出極高靈敏度，信號響應快速，重現性高。

3.3 碳化法制備導電傳感材料

碳化指的是在隔絕氧氣的環境下材料被加熱至高溫，從而成為碳材料。纖維、紗線、織物都可以是碳化材料。碳化處理的材料由原來的不導電變為可導電。此方法工藝過程簡單、環保。Zhang等[6]利用碳化方法處理棉纖維制備應變傳感器。因為棉纖維易獲取，所以制備傳感器成本低，經過測試，該傳感器可以在較廣的變形范圍中應用，靈敏度高，可檢測微小應變。Wang等[7]對蠶絲進行碳化，碳化過程簡便，然后將碳化后的蠶絲纖維加工成織物，制造可穿戴的傳感器，該應變傳感器響應快，性能穩定，耐久性好，能夠對人體的細微活動進行檢測。

3.4 包纏法制備導電傳感材料

導電包纏紗線常以彈性纖維為芯紗，外包導電纖維，這樣紗線具有兩種纖維的性能。利用芯紗的優異彈性，可實現在拉伸條件下傳感器的傳感性能穩定。相對來說，此工藝簡單、易操作。很多研究者采用包纏紗制備柔性傳感器。Ge 等人[8]以橡膠纖維為芯層，外包層為螺旋狀的銀納米線制備了皮芯型的導電紗線。在反復拉伸測試中，表現出優良的傳感性能。

3.5 后處理法制備導電傳感材料

研究者將金屬粉末、其他導電性材料通過物理或化學方法沉積在纖維多孔質表面制備具有導電性的纖維。常見的制備方法有噴涂法、浸漬法等，這類紗線傳感器的制備過程比較簡單。Wei[9]等在預拉伸的聚氨酯纖維表面涂覆銀納米線油墨，從而在纖維的表面形成褶皺的微觀結構形態，利用該纖維制造成柔性壓電傳感器。該傳感器因褶皺的纖維表面，靈敏度得到顯著提高，適合制備可穿戴設備和智能織物。

3.6 編織法制備導電傳感材料

編織是利用細而長的紗線進行相互交錯或鉤串，形成條狀或者塊狀紡織品。研究者將紗線編織成一體成型結構的繩索，經過結構設計沿著圓周方向上的紗線交叉點可以導電，使導電點增多，即便高形變下其傳感性能也很穩定。Zhang等[10]采用單編鏈方法制作繩索柔性傳感器，相互串套的線圈，增加了紗線間的接觸點，增加導電通路而呈網格狀，傳感性能得以提高。Quan等[11]在高彈的氨綸紗表面編織滌綸復絲形成繩索，然后對繩索進行導電處理，制備成柔性應變傳感器。

4 二維平面織物類柔性傳感器

織物傳感器具有柔韌性、反復拉伸變形能力，可與皮膚大面積接觸，因此，具有導電能力的織物在柔性傳感器領域應用有廣闊的前景。

4.1 織造法制備導電傳感材料

將導電纖維或導電紗線等通過機織、針織、刺繡等方法織入或嵌入織物中，使其具有良好的導電性。Yan等[12]利用碳化的聚丙烯腈納米纖維紗（CPNY）制成緯編針織物應變傳感器，傳感器的傳感性能優異、靈敏度高、穩定性好。

4.2 負載處理法制備導電傳感材料

涂層、浸漬、印刷等方式復合到織物的表面制備導電織物。織物導電負載的一些方法也適用于處理紗線。該類織物的導電材料因在織物的外表面，能更靈敏地檢測外界壓力的變化。

4.2.1 涂層法制備導電傳感材料

涂層法是將導電傳感材料通過物理或化學方法與紡織品進行結合，在紡織品表面形成一層導電膜。涂層方法適用于大多數織物，操作簡便，適合大批量生產，成本低。Muthukumar等[13]將聚苯胺涂在尼龍/萊卡織物表面，制備檢測肘部、膝蓋處彎曲運動的電阻傳感器。

4.2.2 浸漬法制備導電傳感材料

浸漬法不需要復雜的設備，簡便易行，但在織物表面為了獲得足夠多的負載量，一般需要多次浸漬-干燥的過程，比較耗費時間，導電層的均勻性不易掌控。Zhang[14]等對聚酯織物用等離子技術預處理后，放入氧化石墨烯（GO）分散溶液中浸漬，再進行還原處理，建立了多層導電通路，制備檢測關節部位的活動、呼吸、聲帶等變化。

4.2.3 噴涂法制備導電傳感材料

噴涂法設備及操作均較簡單，涂層較均勻、高效，但是噴涂液體耗費量大，易分散在空氣中，造成環境污染。Huang[15]等制備了靈敏高的應變織物傳感器，通過自旋涂覆方式將石墨烯納米片（GNPs）、聚苯胺（PANI）和少量硅橡膠與萊卡彈性織物結合，該織物傳感器可檢測手指的彎曲度。

4.2.4 化學聚合法制備導電傳感材料

化學聚合法包括氣相沉積、原位聚合等，只需要一步即可在織物表面涂敷導電材料。氣相聚合法涂層均勻性好，但設備復雜，此法制備導電傳感材料工藝過程復雜，難以實現規模化生產。原位聚合法簡單、高效，但涂層均勻性不易控制。

4.2.5 印刷法制備導電傳感材料

印刷是將不同形狀、大小的導電線路或圖案直接印刷在織物上，具有高效、成本低廉、制造過程簡單、適應性好的優勢。但是適合印刷用的墨水種類選擇較少。

5 結語

隨著生活水平日漸提高，科技高速地發展，智能紡織品在數字化醫療、運動領域等展現出巨大的潛力。但紡織基柔性傳感器仍面臨著一些挑戰。柔性傳感器能源供給及能量消耗，紡織基傳感器能否進行標準化生產，智能紡織品耐水洗性能的研究，柔性傳感器與紡織品結合的安全性能等，是柔性傳感器未來值得研究的方向。