楊楊，武松梅

（1.安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 合肥230051；2.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代服裝學(xué)院，安徽 合肥230011）

0 引言

近年來，人工智能、電子技術(shù)等領(lǐng)域高科技的發(fā)展，促進(jìn)了柔性可穿戴電子產(chǎn)品的應(yīng)運(yùn)而生。柔性可穿戴電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療健康、運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。

可穿戴電子產(chǎn)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(zhuǎn)換為電信號，實(shí)現(xiàn)這一過程需要傳感器來執(zhí)行。傳統(tǒng)的傳感器材料多是硬質(zhì)材料，如金屬、半導(dǎo)體，其缺點(diǎn)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(yīng)用。柔性傳感器與硬質(zhì)傳感器不同，與皮膚貼合度高，能高效捕捉信號，傳感性能優(yōu)異。因此，制備柔性傳感器需要選擇恰當(dāng)?shù)娜嵝曰?。紡織材料具有形變能力、可穿戴性、透氣性等?yōu)點(diǎn)，加上現(xiàn)有紡織加工技術(shù)非常發(fā)達(dá)，使紡織材料成為柔性傳感器的優(yōu)異載體形式之一。因此，與紡織材料結(jié)合制備柔性傳感器成為研究的熱點(diǎn)[1]。

目前，關(guān)于可穿戴電子產(chǎn)品的柔性傳感器，多從傳感機(jī)制、傳感材料種類、制備方法角度進(jìn)行介紹。文章重點(diǎn)從紡織材料的維度，介紹了紡織基柔性傳感器的特點(diǎn)和賦予紡織材料導(dǎo)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(diǎn)，為大規(guī)模生產(chǎn)具有理想性能的紡織基柔性傳感器提供指導(dǎo)。

1 傳感器的分類

傳感器可將外部刺激轉(zhuǎn)化為模擬電子有效信號輸出。根據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)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(xué)間接地測試外力變化大小，快捷方便，應(yīng)用廣泛。電容式傳感器靈敏度高，可監(jiān)測細(xì)微的外力。壓電式傳感器有著響應(yīng)快、對動(dòng)態(tài)外力刺激高敏感、自供電等方面的優(yōu)點(diǎn)。

2 紡織基柔性傳感器的要求

通過傳感器的轉(zhuǎn)換機(jī)理分析，可知當(dāng)測試體受到外力后，局部變形轉(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)電性及變形回復(fù)能力，當(dāng)紡織材料受到外力作用時(shí)產(chǎn)生形變，從而有效地檢測和感知應(yīng)變、觸覺和壓力的變化，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號。因此，導(dǎo)電性是紡織基傳感器獲得優(yōu)異性能的必要前提條件。

先進(jìn)的紡織技術(shù)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(xì)而長，可以被彎曲、扭轉(zhuǎn)，具有一定的可實(shí)現(xiàn)變形能力、靈活的外觀設(shè)計(jì)，易于嵌入，制備的柔性傳感器結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用更加普及。

3.1 天然導(dǎo)電纖維

天然導(dǎo)電纖維包括金屬纖維和碳纖維。常規(guī)的不銹鋼纖維、銅纖維、鋁纖維、鈦纖維等是通過對金屬進(jìn)行直接拉絲制造而成的。這些纖維具有很多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)電性極好、強(qiáng)度高、防輻射、耐腐蝕等，但很難紡紗，因?yàn)槔w維剛度大，纖維間的聯(lián)系力很弱；同時(shí)，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(yīng)用受到很大限制。

碳纖維（CF）的導(dǎo)電率與金屬纖維接近，適合用于高溫、高機(jī)械性能、剛性大的條件下，不適合用于常規(guī)服用產(chǎn)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(yīng)變傳感器，當(dāng)受外力作用時(shí)，ZnO 和CF 接觸面積發(fā)生變化，從而引起電流發(fā)生變化。

3.2 紡絲法制備導(dǎo)電傳感材料

一般紡絲方法有兩種，一是直接將導(dǎo)電材料進(jìn)行紡絲；另一種是將一定量的導(dǎo)電物質(zhì)添加或填充到高分子材料中，制得導(dǎo)電纖維。后一種方法更為常用。導(dǎo)電物質(zhì)有導(dǎo)電高分子材料以及納米導(dǎo)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(dǎo)電材料是近些年來研究的焦點(diǎn)。它們擁有優(yōu)異的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，具有低維性和大比表面積，在傳感器領(lǐng)域中有著很大的應(yīng)用潛力。

Tao 等人[4]研發(fā)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(dòng)和眼球轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行復(fù)合成纖維，制備成應(yīng)變傳感器，兩種納米材料的協(xié)同作用增強(qiáng)了傳感器的性能。經(jīng)測試，該應(yīng)變傳感器拉伸變形表現(xiàn)出極高靈敏度，信號響應(yīng)快速，重現(xiàn)性高。

3.3 碳化法制備導(dǎo)電傳感材料

碳化指的是在隔絕氧氣的環(huán)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(dǎo)電變?yōu)榭蓪?dǎo)電。此方法工藝過程簡單、環(huán)保。Zhang等[6]利用碳化方法處理棉纖維制備應(yīng)變傳感器。因?yàn)槊蘩w維易獲取，所以制備傳感器成本低，經(jīng)過測試，該傳感器可以在較廣的變形范圍中應(yīng)用，靈敏度高，可檢測微小應(yīng)變。Wang等[7]對蠶絲進(jìn)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(yīng)變傳感器響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，耐久性好，能夠?qū)θ梭w的細(xì)微活動(dòng)進(jìn)行檢測。

3.4 包纏法制備導(dǎo)電傳感材料

導(dǎo)電包纏紗線常以彈性纖維為芯紗，外包導(dǎo)電纖維，這樣紗線具有兩種纖維的性能。利用芯紗的優(yōu)異彈性，可實(shí)現(xiàn)在拉伸條件下傳感器的傳感性能穩(wěn)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(dǎo)電紗線。在反復(fù)拉伸測試中，表現(xiàn)出優(yōu)良的傳感性能。

3.5 后處理法制備導(dǎo)電傳感材料

研究者將金屬粉末、其他導(dǎo)電性材料通過物理或化學(xué)方法沉積在纖維多孔質(zhì)表面制備具有導(dǎo)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(yù)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(jié)構(gòu)形態(tài)，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(shè)備和智能織物。

3.6 編織法制備導(dǎo)電傳感材料

編織是利用細(xì)而長的紗線進(jìn)行相互交錯(cuò)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(jié)構(gòu)的繩索，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沿著圓周方向上的紗線交叉點(diǎn)可以導(dǎo)電，使導(dǎo)電點(diǎn)增多，即便高形變下其傳感性能也很穩(wěn)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(diǎn)，增加導(dǎo)電通路而呈網(wǎng)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(fù)絲形成繩索，然后對繩索進(jìn)行導(dǎo)電處理，制備成柔性應(yīng)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(fù)拉伸變形能力，可與皮膚大面積接觸，因此，具有導(dǎo)電能力的織物在柔性傳感器領(lǐng)域應(yīng)用有廣闊的前景。

4.1 織造法制備導(dǎo)電傳感材料

將導(dǎo)電纖維或?qū)щ娂喚€等通過機(jī)織、針織、刺繡等方法織入或嵌入織物中，使其具有良好的導(dǎo)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(yīng)變傳感器，傳感器的傳感性能優(yōu)異、靈敏度高、穩(wěn)定性好。

4.2 負(fù)載處理法制備導(dǎo)電傳感材料

涂層、浸漬、印刷等方式復(fù)合到織物的表面制備導(dǎo)電織物?？椢飳?dǎo)電負(fù)載的一些方法也適用于處理紗線。該類織物的導(dǎo)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(dǎo)電傳感材料

涂層法是將導(dǎo)電傳感材料通過物理或化學(xué)方法與紡織品進(jìn)行結(jié)合，在紡織品表面形成一層導(dǎo)電膜。涂層方法適用于大多數(shù)織物，操作簡便，適合大批量生產(chǎn)，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(yùn)動(dòng)的電阻傳感器。

4.2.2 浸漬法制備導(dǎo)電傳感材料

浸漬法不需要復(fù)雜的設(shè)備，簡便易行，但在織物表面為了獲得足夠多的負(fù)載量，一般需要多次浸漬-干燥的過程，比較耗費(fèi)時(shí)間，導(dǎo)電層的均勻性不易掌控。Zhang[14]等對聚酯織物用等離子技術(shù)預(yù)處理后，放入氧化石墨烯（GO）分散溶液中浸漬，再進(jìn)行還原處理，建立了多層導(dǎo)電通路，制備檢測關(guān)節(jié)部位的活動(dòng)、呼吸、聲帶等變化。

4.2.3 噴涂法制備導(dǎo)電傳感材料

噴涂法設(shè)備及操作均較簡單，涂層較均勻、高效，但是噴涂液體耗費(fèi)量大，易分散在空氣中，造成環(huán)境污染。Huang[15]等制備了靈敏高的應(yīng)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(jié)合，該織物傳感器可檢測手指的彎曲度。

4.2.4 化學(xué)聚合法制備導(dǎo)電傳感材料

化學(xué)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(dǎo)電材料。氣相聚合法涂層均勻性好，但設(shè)備復(fù)雜，此法制備導(dǎo)電傳感材料工藝過程復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。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(dǎo)電傳感材料

印刷是將不同形狀、大小的導(dǎo)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(yīng)性好的優(yōu)勢。但是適合印刷用的墨水種類選擇較少。

5 結(jié)語

隨著生活水平日漸提高，科技高速地發(fā)展，智能紡織品在數(shù)字化醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域等展現(xiàn)出巨大的潛力。但紡織基柔性傳感器仍面臨著一些挑戰(zhàn)。柔性傳感器能源供給及能量消耗，紡織基傳感器能否進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，智能紡織品耐水洗性能的研究，柔性傳感器與紡織品結(jié)合的安全性能等，是柔性傳感器未來值得研究的方向。