用于智能服装的织物传感器研究进展

2017-01-22吴敏

专利代理 2017年1期

吴敏

用于智能服装的织物传感器研究进展

吴敏⋆

传感器是智能服装实现其智能化的核心部分，其中织物传感器因具有可弯曲、可折叠甚至可洗涤的特点而备受关注。本文以织物传感器的原材料和工作原理为分类依据，基于中国专利文献介绍了五类常用于智能服装的织物传感器的研究进展，并指出了织物传感器需要进一步深入研究的几个问题。

智能服装织物传感器信息纤维

一、智能服装的研究现状

随着电子科技、生物技术以及纺织材料的不断进步与发展，智能服装逐渐引起越来越多研究人员的关注。智能服装是信息技术与材料、纺织、服装等结合的产物，可以看作信息技术在服装领域的应用，也可以看作服装的信息化。

智能服装是指那些模拟生命系统，同时具有感知及反应双重功能的特殊服装。智能服装不仅具备感知外部环境或内部状态的变化的能力，而且可以通过反馈机制，实时地对这种变化作出反应。

人们对于智能服装的研究可追溯到20世纪70年代末，当时研发的智能服装，主要应用在军事军工和航天航空等特殊领域。如今的智能服装，已可将信息技术、材料科学、生物技术与传统的纺织服装工艺进行有机的结合，可用于个人生理信息与运动状态检测、航空航天、消防等领域以及个人娱乐等领域。

实现服装智能化的主要途径有以下两种:一类是运用智能服装材料，包括形状记忆材料、相变材料、变色材料和刺激一反应水凝胶等；另一类是将传感技术、微电子技术和信息技术引入人们日常穿着的服装中，包括应用导电材料、柔性传感器、低功耗芯片技术、低功耗无线通信技术和电源等。

二、织物传感器的研究进展

从信息和系统的角度看，智能服装是一个完整的信息系统，智能的实现离不开信息的获取，智能服装的信息感知功能离不开传感器。然而，传统的传感器并不能满足服装的要求。智能服装上的传感器要求具有可弯曲、可折叠甚至可洗涤的特点。在这样的背景下，柔性织物传感器应运而生。织物传感器是一种具有织物结构的柔性传感器，织物结构是指织物的针织结构或机织结构，传感器的敏感元件为一块具有针织结构或机织结构的织物，即针织物或机织物。一般地，如果织物的形状、长度、温度或压力等物理量的变化能够引起织物的电阻、电感或电容等电学量产生相应的变化，那么就可以把这样的织物设计成为对应物理量的传感器。

下面基于中国专利文献，从原材料和类型两方面阐述织物传感器的研究进展。

（一）织物传感器的原材料——信息纤维

信息纤维是信息功能材料的一种。信息功能材料是指用于信息的获取、传输、存储、显示及处理有关的材料，主要包括半导体材料、光电子材料、传感器材料、磁性材料、电子功能陶瓷、光导纤维、绿色电池材料等。显然，具有纤维状外观的信息功能材料都可以称为信息纤维。

目前，由于光和电是信息的主要传递媒介，传感器领域得到应用或具有应用前景的信息纤维主要包括光导纤维、导电纤维和磁性纤维等类型。

1.光导纤维

光纤光栅是一种新型的光无源器件，具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、可织入服装等诸多优点。光纤包括硅基光纤、塑料光纤、硅橡胶光纤等。硅基纤维已经设计为用于很高的带宽、长距离的应用。它们极其小的硅芯和低的数值孔提供很大的带宽和低的衰减率。但是，安装需要很高的劳动成本，并且有纤维碎裂的危险。塑料光纤提供与玻璃纤维同样高的带宽能力和相同的电磁抗扰性，但其有相对较高的数值孔，这使它们能传送更大的功率，并且对由纤维弯曲和挠曲造成的光的损失的灵敏度降低。此外，其重量轻、成本低，也不像玻璃纤维那样容易碎裂，因此是优选的对象。硅橡胶光纤提供优良的弯曲特性和弹性复原，但是，它们相对较厚，并且有高度信号衰减的缺点。

宁波晶致电子科技有限公司2014年的专利申请CN104164734A提出了一种柔性导光的光纤织物，纬线采用聚甲基丙烯酸甲酯光纤纺线和普通纱线交替组合，经线采用普通纱线，聚甲基丙烯酸甲酯光纤纱线的端部集合在一起并套有不透光圆环。该发明还提供一种上述柔性导光的光纤织物在家用纺织品、服饰和墙纸方面的应用。

孝感市元达新材料科技有限公司2015年的专利申请CN105133083A提出了一种塑料光纤及光纤针织物的编织工艺，该塑料光纤是由含硒化镉量子点的纤芯粒子与含纳米二氧化硅的包层粒子通过双机头挤出法得到的直径为0.25mm～0.35mm的芯包结构塑料光纤。这种塑料光纤的光强、延展性、柔韧性、抗挠曲性、耐磨损性、抗冲击性都明显改善，推动了塑料光纤在针织物领域的发展。

2.导电纤维

导电纤维一般包括金属型导电纤维、炭黑型导电纤维、导电高分子型纤维以及金属化合物型导电纤维等。其中，以加工成本较低的碳黑型纤维和应用范围较广的导电高分子型纤维所占市场份额较大。

（1）金属型导电纤维

这类纤维是利用金属的导电性能而制成。加工金属纤维的常用方法有两种:一种是直接拉丝法，将金属纤维制成直径为4～16μm的纤维，再把金属纤维制成短纤维，用少量的金属纤维与常规纺织纤维进行混纤、混纺以及交织；另一种是金属喷涂法，它是将普通纤维先进行表面处理，再用真空喷涂或化学电涂法将金属沉降在纤维表面，使纤维具有金属一样的导电性。

中国科学院上海硅酸盐研究所2015年的申请CN104499272A提出了一种高弹性导电纤维及其制备方法，包括:首先，对弹性纱线进行预处理；其次，采用金属纳米线分散液浸渍涂布经预处理的弹性纱线，使其表面吸附金属纳米线；最后，将表面吸附有金属纳米线的弹性纱线进行氢气等离子体处理或者热处理。该制备方法工艺简单、易于操作并且能够扩大量产。苏州明动新材料科技有限公司2015年的申请CN105063804A提供了一种金属纳米纤维的制备工艺，通过对原有电纺丝设备的局部重新设计，将传统的平板式收集装置更改为卷筒式收集装置，同时创造性地将烧结、还原过程整合到整个生产过程中，从而实现了在线一步式生产金属纳米纤维。

（2）炭黑型导电纤维

利用炭黑的导电性能来制造导电纤维。制备方法包括掺杂法、涂层法、纤维炭化处理等方法，炭黑型导电纤维兼具了成本相对较低以及导电性能相对较好的优点。

东华大学2011年的专利申请CN102121192A提供了一种弹性导电复合纤维，其包括芯层和皮层，皮层由导电粒子组成，芯层为弹性聚合物纤维。导电粒子为炭黑、石墨、石墨烯和金属纳米粒子中的一种或两种以上的组合，弹性聚合物纤维为聚氨酯纤维。

福建泉州市健凯服饰有限公司2014年的申请CN104278388A公开了一种具有导电性能的并捻纱，包括复数根弹性纤维、复数根导电纤维以及复数根定位调整纤维，所述导电纤维设有复数个第一挠曲部，所述定位调整纤维设有复数个第二挠曲部，所述第一挠曲部与所述第二挠曲部对称设置。导电纤维为金属纤维、碳纤维或者有机导电纤维，所述有机导电纤维的材料包含有一有机聚合体与一导电材料，导电材料为炭黑、石墨、金属或者金属化合物中的一种。

（3）导电高分子型纤维

利用导电高聚物制备导电纤维，主要方法有两种:导电高分子材料的直接纺丝法、与其他高分子基体共混纺丝法。导电高分子型导电纤维在所有导电纤维类型中由于导电材料的优良导电性能和任意选择纤维基体，其应用范围最广。聚苯胺在掺杂态下呈现良好的导电性能，且具有原料价格低廉、合成简单、电导率较高、在空气中稳定性好，以及具有独特的掺杂现象等特点，被认为是最有前途的导电高聚物之一。聚苯胺导电纤维的制备方法主要有湿法纺丝法、熔体纺丝、静电纺丝、原位聚合法等，其中原位聚合法制备导电纤维被认为是最有应用前景的一种方法，该法简便易行，导电聚苯胺薄膜附着在基体纤维表面，导电性能优良而持久，对基体纤维的物理机械性能基本没有影响，是目前很有应用前景的一类导电纤维。

北京服装学院2012年的申请CN103668529A公开了一种聚丙烯腈基复合导电纤维的制法:使含有导电聚合物单体、氧化剂、掺杂剂、任选的酸性染料共掺杂剂和任选的乳化剂的溶液进行化学氧化聚合，得到掺杂的导电聚合物的水分散液，然后与聚丙烯腈混合后纺丝。

苏州经贸职业技术学院2015年的申请CN104819734A提出一种织物电阻传感器，从上至下分为三层，分别是第一层织物、第二层织物与第三层织物，所述第二层织物使用的纱线为聚苯胺复合导电纱线和氨纶单丝。所述聚苯胺复合导电纱线为表面含有导电态的聚苯胺的纱线，所述聚苯胺复合导电纱线表面含有的导电态的聚苯胺是当纱线表面吸附苯胺单体和氧化剂、掺杂酸在纱线表面氧化聚合形成的。

东华大学2015年的申请CN104790067A涉及一种纳米导电高分子/石墨烯复合纤维及其制备方法和应用，所述纤维截面呈现异形，纤维表面具有丰富的褶皱形貌，石墨烯片层呈疏松堆积状态；所述纳米导电高分子的微观形貌为纳米颗粒、纳米棒、纳米纤维或纳米片；所述导电高分子为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及它们的衍生物中的一种或几种。制备方法包括配制导电高分子/氧化石墨烯复合纺丝液；然后挤出到凝固浴中进行牵伸和固化，所形成的湿态纤维经干燥和卷绕得到导电高分子/氧化石墨烯复合纤维；最后采用化学或物理方法进行还原，获得纳米导电高分子/石墨烯复合纤维。

（4）金属化合物型导电纤维

主要采用复合纺丝法将高浓度的导电微粒局部混入纤维中制取，纤维相对较轻，有可挠性，可洗和便于加工。

福建泉州市健凯服饰有限公司2014年的申请CN104328581A提出了一种导电型纺织面料的加工方法:制备混合纱线，混合纱线由具有竹节风格的复合纤维须条和具有竹节风格的弹性纤维须条形成；复合纤维由导电纤维与定位调整纤维复合而成；以麻线为经纱，以竹炭纤维、混合纱线以及弹性纱线为纬纱，以平纹组织交织成面料。导电纤维所用的导电材料为炭黑、石墨、金属或者金属化合物中的一种，所述金属化合物为金、银、铜、镍、镉的硫化物或氧化物中的一种。

3.磁性纤维

磁性纤维是指带有磁性的纤维材料。东华大学2014年的申请CN104278352A提出了一种磁场响应型纤维的制备方法，首先以二茂铁、丙酮、过氧化氢利用水热反应得到四氧化三铁纳米微球，经过丙酮洗涤然后与乙二醇混合，得到分散液；接着将二甲基硅油和聚二甲基硅氧烷混合，然后将分散液加入其中；最后将新得到的分散液固化即得。上海大学2015年的专利申请CN105019043A提出了一种静电纺丝技术，将磁性纳米粒子加入到纺丝液中，制备出含有磁性的复合纤维。在承接部件下方粘有被裁剪成一定形状的强力软磁板，电纺丝纤维在电场力的作用下落到承接部件附近时又受到强力软磁条磁力的作用，在电场力和磁力的双重影响下，形成既定形状的电纺丝纤维膜。

（二）常见的织物传感器类型

织物传感器根据感知方式与工作原理的不同，主要分为电容式传感器、压阻式传感器、压电式传感器、光纤式传感器以及电感式传感器。

1.电容式传感器

电容式传感器的测量原理为两平行极板间的电容随压力变化而变化。电容式传感器一般以导电织物等柔性材料为电容器极板，以泡沫、间隔织物、橡胶等弹性材料为间隔层，其结构简单、灵敏度高、空间分辨率高，且基本保留了纺织品原有的柔软、易变形、舒适等特性。

杨章民等2010年的申请CN102300499A公开了一种利用布料电容传感器来产生生理信号的方法及系统。当人体与布料之间有压力、拉力、扭力或张力而使电容变化，或人体与布料之间的介质常数改变使电容值产生变化时，电路发出信号，变化以频率、电压或电流变化来表现。该发明可侦测呼吸、吞咽、咳嗽、姿势、人体湿度与人体各部位受压力程度。

武汉纺织大学2010年的申请CN102002791A提出了一种感触电子织物，其采用芯纱为金属丝的包芯纱，采用经纬纱交织的方法构建具有电容器结构的双层织物，双层织物的表里层构成电容器的两个极板，织物受压时表里层间的距离发生变化，织物的电容就会发生变化，通过测试织物的电容变化来反映织物对外界压力的感应。该发明的感触电子织物可作为织物压力传感器替代电子器件传感器，适应于各种需要检测或监测外界压力变化的工业、医疗卫生、体育、纺织服装等领域。

深圳市微纳集成电路与系统应用研究院2016年的申请CN105926277A提出了一种电容式压力传感器及其制备方法，所述制备方法包括:制备介电层溶液，将底胶和凝固剂混合得到聚二甲基硅氧烷溶液作为介电层溶液；利用纤维包覆装置将介电层溶液包覆在导电纤维上；将包覆有聚二甲基硅氧烷的导电纤维在真空烘箱中烘干；将两根烘干后的包覆有聚二甲基硅氧烷的导电纤维互相垂直的堆叠封装在PET薄膜中以得到电容式压力传感器。该制备方法成功地解决了在特定纤维上沉积效率低的问题。同时，这种制备方法还原的铜纳米颗粒具有良好的导电性能，并与原有的银纳米颗粒相比较，其制备成本低，有利于推广生产。

2.压阻式传感器

压阻式传感器是根据材料的压阻效应制成的传感器。根据电阻效应产生方式，压阻式传感器可分为两类:一类是材料自身的电阻随压力（或力）变化，另一类是两相邻表面（或称电极）间的界面接触电阻随压力变化。通常，研究者将导电的炭黑粒子掺杂到柔性弹性高分子中来制备压阻式传感器。由复合材料制成的压阻式传感器柔软、轻质、灵敏系数大、分辨率高、体积小，容易与织物相结合。

皇家飞利浦电子股份有限公司2007年的专利申请CN101505657A提出了一种动态机体状态装置，装置包括例如被成形为诸如手套、袖子等的结构，可以使用压阻式传感器，当将所述压阻式传感器放置在例如肩膀或腿上时用于测量运动，以及放置在例如腹部或胸部上时用于测量呼吸节奏。例如，使用充炭橡胶和商用导电纱线涂覆的合成弹力纤维作为压阻式传感器。

东华大学2008年的申请CN101393058A提供了一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，由导电纤维组成，其特征在于，所述导电纤维互相交织而成为机织物，所述机织物的全部经纱之间互相连接，所述机织物的全部纬纱之间互相连接，全部所述经纱与全部所述纬纱之间的整体电阻随该机织物上的压力而变化。该传感器可弯曲、可折叠、可洗涤，适用于穿戴式个人生理信息与状态的检测，设有这种传感器的睡姿检测服装能实时检测睡眠状态下穿着者身体前部、后部、左侧及右侧部位所受到的压力信号并判断其睡眠姿势，特别适用于预防婴儿猝死综合征或降低其发生率，也用于病人实时睡姿检测。

史赛克公司2010年的申请CN102414546A提出了一种力或压力传感器阵列，其具有可弹性伸展的导电聚合物细丝，细丝以平行的行和列的方式布置，在其相交处接触压阻材料，压阻材料的电阻率随着施加在其上的压力或力相反地改变以形成力或压力感应元件的矩阵阵列。该传感器阵列可适形于具有复杂的、复合弯曲形状的物体如人体部分，其重量足够轻并且可共形地悬垂以结合到人可穿戴的衣物中。

深圳市微纳集成电路与系统应用研究院2016年的申请CN105951427A公开了一种石墨烯/纤维织物制备方法，该制备方法采用常用的弹性纤维织物为基体，先用BSA溶液对待染弹性纤维织物进行正离子化处理，然后将正离子化的纤维浸入氧化石墨烯溶液，使该弹性纤维织物与导电性极好、机械性能优异的石墨烯复合，制备得到的石墨烯/纤维织物与石墨烯复合良好、电阻稳定、灵敏性高。把石墨烯/纤维织物接入电阻检测电路中，石墨烯/纤维织物可以和手套、护腕、护肘、护膝、紧身服等编织在一起制作成可穿戴织物的传感器，当外力引起石墨烯/纤维织物发生应变时，其电阻便会发生变化，只要检测电阻的变化，便可算出受力、弯曲程度等，可用于手势检测、脉搏检测等，进一步可用于人机互动、生物医疗等方向。该传感器不仅具有柔软、穿戴舒适、易折叠、耐洗涤、无毒害、重复性好等特点，而且拥有较高的电导性、良好的机械性能和稳定性，灵敏度较高，可检测100%甚至更大的应变。

3.压电式传感器

压电式传感器是利用压电材料受力后产生压电效应制成的传感器。常用的压电材料有陶瓷纤维、偏聚氟乙烯（PVDF）薄膜以及填充了导电颗粒的复合导电薄膜等，这些材料制成的压电式传感器可用于测量压力、加速度等，它具有灵敏度高、频带宽、质量轻、结构简单、性能稳定以及良好的动态特性等优点。

柔斯尼斯有限公司2009年的专利申请CN102084048A提出了一种电子传感器，其导电丝线限定邻近非导电丝线的编织结构中的至少一个单独的行，当不沿任一方向延伸时，包括导电丝线的线圈中的连续环路接合，导电丝线作为电路的一部分指示其电子特性。导电丝线的特性可以为压电的。该传感器可以被合并到服装中，例如用于监视身体或呼吸运动的训练装束。

扬州思必得仪器设备有限公司2013年的申请CN104233579A提出了一种由含芯压电纤维编织或针织成的织物，将多根含芯压电纤维沿同一直线方向或曲线平行编织或针织，或沿不同直线方向或曲线方向交叉编织或针织，或编织或针织成结并沿直线方向或曲线方向延伸，形成含有含芯压电纤维区域，这一区域再和其他纺织纤维编织或针织成的区域编织或针织后，形成织物的一层或多层。这样，织物中含有含芯压电纤维的区域就可以用作传感器。由于这种含芯压电纤维织物具有柔软、可折叠的性能，可以做成手套、背心、护腕带、护踝带、袜子等可穿戴结构，穿戴在生物体身体上或机器人身体上，用作传感器感知生物体内部的健康状况、生物体或机器人的动作或外界的作用力。

4.光纤式传感器

光纤式传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器。国内外许多学者将光纤织入纺织品中构成光纤传感器，能够感知压力、加速度、温度、电场等信号，且不影响纺织品本身轻质、柔软的特性。与电阻或电容等相关传感器相比，光纤传感器不仅不生热，而且对电磁辐射不敏感，不受放电现象影响。

天津工业大学2016年的申请CN105769138A提供一种基于多层复合织物结构的光纤脉搏传感织物及其服装，光纤脉搏传感织物由内层织物、中间层织物、外层织物、柔性填充物和光纤压力敏感单元组成。该发明克服了传统电学传感器和电学传感织物在检测灵敏度、重复性、测量舒适性、耐腐蚀性和安全性等方面的不足，特别是在复杂电磁辐射环境下进行人体体征监测的领域中具有突出的应用前景。

5.电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量，如压力、位移、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器的传感线圈常采用导电纤维、纱线等纺织材料，这种传感器比普通金属导线线圈的电感传感器柔软，更适合与纺织品结合，可用于呼吸监测和人体动作捕捉等，具有可靠度高、寿命长、分辨率高、灵敏度高、线性度好以及测量范围宽等优点。

智能生活技术有限公司2004年的专利申请CN1882280A提出了一种电感针织传感器设备，其中针织结构的变形或运动引起传感区电感的变化。电感装置可以是基本圆柱状的电感螺线管针织传感器设备。传感区可以是由导电纤维和不导电纤维针织的。

中国科学院深圳先进技术研究院和香港中文大学2011年的专利申请CN102283642A提出了一种基于躯感网的可连续测量多生理参数的穿戴式系统，生理信号采集模块所采用的传感器是电子织物传感器，还包括电感式电子织物传感器、微音传感器；生理参数可根据不同的生理信号以及不同的计算方法计算得到多组值。衣物上采用的电感式电子织物传感器，既测量呼吸信号，又可作为一个心电电极；测得的呼吸信号为已经调制好的射频信号，无须发射器可直接进行无线发送；结合电容形成振荡电路，与其他元件一起组成无线发射电路，发送上衣节点测得的其他生理信号，减少了元件数量，提高了舒适度。