柔性织物传感器技术现状与发展

何 崟 田福君 王晓云 刘 皓 刘 莉

（1.天津工业大学，天津，300387；2.北京服装学院，北京，100029）

电子纺织品因结合先进的电子功能，并具有柔韧性和灵活性，在可穿戴电子产品和多功能智能服装中显示出广阔的应用前景［1］。在实际应用中，基于纺织品的智能可穿戴电子设备主要通过传感器收集人体生理信息，经无线传输系统反馈输出，从而实现传感、驱动处理和能量收集等功能。刚性的传感设备和面料的结合会极大地影响服装的舒适性能，但织物形式的柔性传感器具有良好的服用舒适性、轻薄透气以及易于与传统服装集成等优点，是可穿戴设备的理想形式［2］。本研究总结几种常见的柔性织物传感器材料性能、制备方法和应用，分析柔性织物传感器目前存在问题，展望未来发展趋势。

1 柔性织物传感器的种类

传感器的工作原理是将外部刺激转换为电信号输出。织物传感器是由纺织材料制成的具有传感功能的柔性器件。因其具备高灵敏度、低成本和易于电子集成等优点，目前已被开发出多种功能。常见的类型有应变传感器、温度传感器、气体传感器以及多功能传感器等。

1.1 应变传感器

应变传感器在感受外界刺激作用后产生电信号，通过电信号的变化来反映刺激的大小及分布情况。基于织物的柔性应变传感器能够紧贴人体皮肤，跟随人体活动，实时监测人体生理健康状况；按照其传导机制，可分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式。目前除压阻式和电容式外，其他织物应变传感器的研究还处在起步阶段［3］。

压阻传感器在受到外界压力时，内部材料发生形变，进而产生电阻变化。压阻式织物传感器可通过涂层、复合纤维纺丝、变形（如加捻和包缠）和编织等方式制作，其传感功能可由导电织物中的纤维、纱线及织物多层触点的协同效应产生，利用这种效应制作的压阻传感器具有超高灵敏度（3.24 ×105kPa-1）和宽传感范围［4］。电容式织物应变传感器具有高线性度、低迟滞和长期循环稳定性，但其灵敏度相比压阻式较低，传感范围有限。屈曲、同轴纤维纺丝和针织是目前制作电容式织物传感器的主要方法。与压阻式织物传感器相比，电容式织物应变传感器的制造更具挑战性，因为它是具有两个织物电极和一个介电层的复杂夹层结构。其中具有高介电常数的介质层是织物电 容传 感 器 的 理 想 材 料，CHOI J 等［5］利 用多 孔Ecoflex 弹性体和碳纳米管填料的渗流协同效应，增加了对施加压力的介电常数，提高了电容传感器的灵敏度。

1.2 温度传感器

温度织物传感器一般是在纺织基底上集成热敏材料，感应温度变化转换成电信号输出。基于织物的温度传感方式有电阻温度探测器（RTD）、光纤布拉格光栅（FBG）、热敏电阻以及热电偶等。目前最常见的是RTD 和FBG 传感器。RTD通常使用铜、镍和钨等材料，但刚性金属材质限制其在织物中的柔软度，因此一些对温度敏感的柔性导电材料（如有机金属油墨、碳纳米管、PEDOT∶PSS、聚苯胺）随之得到应用。FBG 传感器利用一种非接触式光学温度测量技术，其核心是利用光纤的各种特性（相位、振幅、强度等）随温度变换的特点进行温度测定，该测量方式的优势是无需跟物体接触，并且具有高空间分辨率［6］。热电偶式温度传感器是由两种不同导电材料组成闭合电路，其制作方式比前两种复杂，但能测量较高的温度（30 ℃～120 ℃）［7］；LANDSIEDEL J 等［8］通过在莱赛尔（Lyocell）织物上沉积铜层构建柔性热电传感器矩阵，用铝层作为第二种材料制成热电偶式温度传感器，实现了3 μV/K～4 μV/K的热电系数。温度织物传感器在灵敏度、精度、稳定性和可拉伸性方面仍有限制，因此，研究可拉伸温敏材料和改进制备技术对提升温度传感功能具有重大意义。

1.3 气体传感器

气体传感器是在基底表面布置对气体敏感的材料，气敏材料与周围气体相互作用，导致感测材料的化学和物理性质（例如电导率、介电常数、功函数）发生变化，并将其转换为可读信号（电流、电阻、电容等）。气敏材料通常使用碳纳米材料、导电聚合物、二维纳米结构材料、氧化物半导体等，这些材料通常被直接沉积到纺织品的外表面，暴露于环境中，可对环境中NH3、NO2、H2、CH4等有害气体进行精确检测［9］。除了能够监测佩戴者周围有害气体外，人体排出的代谢产物（大量的挥发性无机和有机化合物）也能通过织物气体传感器感应、分析其成分组成和浓度的变化，从而判断人体是否健康［10］。目前大多数织物气体传感都是检测单一气体，针对特定气体或具有相似特性的气体难以精确辨别。PARK Y K 等［11］将两种不同pH 值敏感的染料印在聚酯织物上，在HCl 和NH3气体下进行检测，通过颜色变换可以显示出不同的气体和浓度状态，但这种方式并不能精确区分气体的种类。目前虽然存在低功率的织物气体传感器，但长期运行仍需大量的能量。迄今为止，适用于不同应用的织物气体传感器大多由外部电力或电池供电，自供电式的气体传感器已有研究但在柔性织物基底上难以实现［12］。因此，需要对材料和设备（用于能量收集和存储）以及新的电源管理电路进行创新，实现微型化、高容量和高性能的动力单元。

1.4 多功能传感器

多功能传感器是在一个器件上集成多种传感功能，能对多种参数进行集中测量、处理及输出，制成的传感器具有体积小、质量轻等特点。TANG X 等［13］制作了一种基于聚苯胺（PNAI）的多功能织物传感器，它可以清晰地区分嗅觉和触觉刺激并能同时进行传感。具有生物相容性的多巴胺膜在碳纳米管/镍涂层亚麻织物的表面自聚合，增强了碳纳米管与镍涂层织物的界面结合强度，实现了在同一基底电阻应变传感、热电阻温度传感和湿度传感［14］。但目前的织物多功能传感器因信号易受干扰、集成功能数量有限等问题，很难确定刺激的类型和强度大小。为了清晰地从输出信号中识别挤压、拉伸以及温湿度等刺激，YANG S T 等［15］采用电阻和电容传感元件叠加的结构，上下电极电阻的变化表示应变的频率、方向和幅度，电容的变化表示应变和压力的频率和幅度，多种刺激可以从两个电阻信号和一个电容信号的模式中识别出来。尽管目前做了很多努力，但量化每个刺激响应的挑战仍然存在，下一步应解决并发多模态感知的问题。

2 常见织物传感器材料

织物传感器中常用的导电材料可以分为金属纳米材料（AgNWs、AuNWs）、碳基材料（CNT、GO、CB、GNPs、MXene）及 导 电 聚 合 物（PPy、PANI、PEDOT∶PSS）等，半导体材料（ZnO、ZnS）如今也广泛应用于织物传感器中。然而基底材料是影响织物传感器适用性的重要因素，其应用形式有纤维、纱线及织物3 种。

2.1 纤维

纺织纤维具有高倍的长径比，直径在几微米到几十微米之间，并具有一定柔韧性和强力。天然纤维大多为短纤维的形式，通常在纤维表面形成导电层使其具有导电性，但导电涂层的伸长率低于纺织纤维，在较大形变下常常产生不可愈合的裂纹，导致传感稳定性降低［16］。因此，将弹性聚合物和导电材料混合通过纺丝工艺制备出具有导电性能的复合纤维，这种方式可以保留纺织纤维原有的机械性能并且具有良好稳定性、耐水洗及可加工性强等优点。刚性金属材料（不锈钢、铜、银、镍合金）通过多次多股拉拔（即集束拉拔）、热处理等一套特殊工艺，可形成直径在1 μm～80 μm的金属纤维丝，具有优异的电导率，但作为独立基板使用时柔软度较差，一般与纺织纤维混纺制成电子纺织品，其具有一定刚性，服用性能较差，常用于电磁屏蔽以及工业纺织品中［17］。目前电子纺织纤维的制备方法仍然有限，制备效率较低，难以低成本地制备大量的电子纺织品。

2.2 纱线

纱线的基本形式有短纤维纱、长丝纱、复合纱3 种，利用涂覆、混纺等技术赋予纱线导电性。涂覆是制作纱线传感器常用的策略，弹性长丝（聚氨酯类、聚氯乙烯类）是纱线传感器的理想载体，本课题组LIU H 等［18］在弹性聚氨酯长丝表面镀上聚多巴胺膜及银层制备了一种可拉伸高性能应变传感器，试验表明，该传感器非线性误差和滞后误差分别小于29.3%和34.3%。导电长丝也可以通过熔融挤压或湿法纺丝的方法集成，但单丝纱线弹性较差，在应变传感中检测微小刺激方面受限，通常需要对其进行几何变形（包缠、屈曲、加捻和卷取等），形成有一定变形能力的结构才能够获得高传感性能。由两根可伸缩的聚氨酯纱线加捻缠绕后形成加捻纱，经过浸涂和还原处理后产生良好的弯曲和扭转敏感性，从而获得高灵敏度（灵敏因子GF 为38.9）［19］。QI K 等［20］通过静电纺丝技术在镍涂层棉纱上沉积碳纳米管和聚氨酯纳米纤维，改变纱线外层形态，制成具有三维弹性多孔纳米纤维结构和导电镍涂层电极的分层纤维束结构，使得该传感器具备超高灵敏度（16.52 N-1）。纱线可利用编织、刺绣、缝纫等方式灵活地集成到面料中，利用不同的编织工艺形成不同的导电网络结构，从而控制传感性能。

2.3 织物

基于织物的柔性传感器制备是利用织物原有的纤维结构、孔隙率、表面能以及紧密度，结合导电材料产生不同的特性，常用的方法有浸渍、涂覆、碳化等技术。机织物具有优良的尺寸稳定性与可控的织物紧密度，结合传感机理，基于机织物的传感器通常利用多层织物结构设计获得高传感性能。ZHENG S 等［21］利用导电机织物的多层次结构，实现了压阻传感器的高灵敏度（97.28 kPa-1）。针织物在拉伸过程中纱线线圈的间歇性接触会产生较高的接触电阻，因此常应用在需要高拉伸应变和压力性能的传感器中。YANG G 等［22］将各向异性导电针织物封装到聚氨酯中，基于针织物中各向异性电导率，该复合材料可以准确检测人体关节运动和微小动作。非织造布是通过化学、机械或热黏合将短纤维或长丝加固而成，其制作简单、成本低，在制作过程中可将导电纤维和其他纺织纤维混和制造出具有导电性的非织造布，但因耐水洗性和透气性较差，限制了其在可穿戴产品中的应用。利用非织造技术可将卷曲结构的导电纤维制作出具有多孔隙结构的3D 立体织物压阻式传感器［23］，与传统二维结构相比，三维结构织物具有结构完整性、尺寸稳定性、高防护能力和保温性等优点，有很大的研究价值。

3 柔性织物传感器的制备方法

织物传感器可以通过多种方法制造，如在纤维、纱线或织物上涂覆、沉积导电材料，或使织物、纤维本身碳化使其获得导电性。

3.1 涂层技术

涂层是通过物理涂覆或化学沉积的方式在基底表面形成导电涂层，涂层材料包括导电聚合物（CPs）、导电聚合物复合材料（CPC）、金属纳米材料（NWs）、碳纳米材料等，有较高的导电性和良好的电化学活性，可通过浸渍、旋涂、喷涂、丝网印刷、原位/气相聚合、化学/物理气相沉积等方式对基底直接改性。涂覆技术具有成本低、制备过程简单以及量产潜力大等优点，可将织物直接浸渍在含有导电材料的分散液中，干燥后即可获得导电织物，为了强化沉积层提高导电性，目前还发展了多次浸涂工艺［24］。涂覆制作的传感器可以保持织物原有的特性，但其耐用性较差，一般会结合弹性聚合物保护其电学性能［25］。化学沉积技术具有环境友好、结合强度牢固和成本低等优势，它是实现无机组分与聚合物基体均匀涂覆的一种有效技术。原位聚合是一种在基底上沉积聚合物薄膜的技术，REHMAN A 等［26］将羊毛织物浸入含有单体和氧化剂的溶液中，通过在单体悬浮液中引入纳米颗粒或通过进一步处理生长的聚合物膜，利用这一技术制备了一种纳米复合羊毛织物传感器。气相聚合法（VPP）将导电聚合物在合适氧化剂的作用下在基材表面聚合成膜，其也是一种有效的沉积方式。

3.2 纺织技术

涂层虽保留了织物原有特性和导电材料电气性能，但并不耐弯折拉伸、摩擦水洗等外界因素，两者的紧密结合还应从纺织品的制作源头来实现。将纳米级别的导电材料与聚合物通过熔融纺丝、湿法纺丝以及干法纺丝等技术集成电子纺织品。湿法纺丝是将碱性聚合物溶液通过喷嘴以适当的速率注入凝固浴制备长丝；可拉伸导电纱是通过在聚合物溶液中加入导电材料，用纺丝的方法将混合物制成纤维，但复合纤维中导电材料的比例有限制，导电性能并不理想。因此，在湿法纺丝的基础上，利用同轴喷嘴研制了具有芯套结构的可拉伸导电纱，YUE X 等［27］利用弹性聚氨酯包裹导电填料炭黑（CB）制备了一种具有芯鞘结构的纤维应变传感器，其具有超高灵敏度（GF 为28 084），良好的耐久性（＞11 000 次循环）和应变范围（＞200%）。在干法纺丝中，聚合物丝是通过喷嘴将混合在挥发性溶剂中原聚合物溶液挤到温暖的空气环境中提取的，虽然这个过程涉及到危险的易燃溶剂，但是纺丝过程比湿法纺丝更快并且不易受杂质影响［28］。与涂层技术相比，复合纤维或纱线具有更高的结构完整性，然而这种制造技术是有一定难度的，对导电填料的质量、粒径以及材料配比有很高的要求。另外，导电填充颗粒在弹性体基体内均匀分布程度是影响传感性能的关键因素。

3.3 碳化

碳化是织物在缺氧或贫氧的状态下，纤维中的大分子被分解，部分碳原子被重组和再结晶，形成具有一定导电性的部分石墨化碳结构，同时保持织物原有的宏观结构，具有成本低、规模大等特点。但获得的碳化织物通常具有较大的脆性和可破坏性，因此，常常和高聚物结合来形成柔性传感器。例如本课题组LIU H 等［29］将碳化棉织物（CCF）浸入热塑性聚氨酯中制造了一种高灵敏度（74.80 kPa-1）压力传感器，热塑性聚氨酯柔性基底赋予压力传感器优异的耐久性（＞4 000 次循环），并通过试验得出碳化温度在800 ℃～900 ℃时传感器的灵敏度最高［30］。但是，碳化给予织物的碳含量和比表面积（SSA）是有限的，因此LAM D V 等［31］在常规碳化之前，在织物上涂覆金属纳米氧化物膜，碳化后金属纳米粒子进入织物孔隙中使碳化棉织物具有高电化学性能、高孔隙率以及在重复机械变形下的优异柔韧性。LI Z H 等［32］借助激光直写技术（LDW）在碳化真丝织物绘制石墨烯图案，制成的传感器具有典型的压阻特性和高灵敏度。相较于涂层、纺织两种方式，通过碳化获得的织物导电性和机械性能较差，因此，往往需要结合其他方式增强其性能。

4 柔性织物传感器的应用

基于织物的柔性传感器可集成到服装内部，贴近人体皮肤实时监测健康和运动状况，在医疗健康、运动检测、智能防护等领域有着广阔的应用前景。

4.1 运动检测

监测人体运动信号被认为是评估和监督人体运动状态的有效方法。将织物传感器集成到人体活动关节处，如手指、膝盖、脚底等部位，收集人体运动和生理信号，以确保健康和正确的运动姿势，有助于康复、医疗和运动指导。VU C C 等［33］将传感器集成在手套上，观测手指运动的角度变化；将其贴在颈部皮肤上，可以实时监测说话、咳嗽和吞咽时的咽部运动。ZHANG L 等［34］将压力传感器放置在测试仪的底部和膝盖上，记录行走和跑步的实时响应信号，显示出的响应波形是规则、稳定的且易于区分，该传感器可以调整人在跑步和走路时的姿势，辅助运动健身。足底压力分布在诊断下肢疾病、鞋类设计、运动损伤预防和运动姿势研究中非常重要，GUO X H 等［35］为了确定行走过程中足底压力的分布特征，将行走过程分为四个阶段，脚跟、全足、中足和拇趾，并分析了足底受力情况。

4.2 医疗健康

随着社会老龄化以及生活方式的改变，导致慢性病常态化，织物传感器可以用于日常生活中监测身体的实时健康状况，及时发现潜在疾病并进行健康评估和医学救助。目前常见的织物传感器一般用于监测人体的脉搏、心跳、血氧等基本指标。TANRKUT E 等［36］制造了一种可以测定人体内雌二醇水平的电化学传感器，通过实时测定有效预防女性身体疾病发生。BENVIDI A 等［37］设计了一种可以检测DNA 序列的电化学生物传感器。这种传感器能辅助医疗正确、快速地检测出人体是否已经感染某种病毒。为帮助卧病在床的老年人，开发了一种灵敏度在14.4 kPa-1的织物压力传感器，可以用于检测卧床患者身体的压力、湿度和出汗量的变化，预防褥疮的发生［38］。

4.3 智能防护

可穿戴织物传感器在帮助特殊人群作业、生活等方面起到一定的安全保护作用，常见的智能安全防护设备一般是针对危险状况进行预判并提前预警。CHENG R 等［39］将一种安全环保的自熄阻燃棉织物的摩擦纳米发电机集成到消防服中，可用于森林自救和火灾报警系统，即使火灾发现者无法正确描述火灾位置，也能实时准确地传输火灾位置信息。LAI Y C 等［40］为了证明防水织物基多功能摩擦纳米发电机传感器的适用性，将其放置到伞和雨衣上。雨滴的冲击能量可以转化为电能并点亮数十个发光二极管，可以避免人们在雨天因视线模糊而引起的交通事故。

5 结论

柔性织物传感器具有轻薄透气、柔软可任意变形以及可与其他材料高度集成等特点，已成为智能可穿戴设备中最有发展前景的领域之一。目前柔性织物传感器的研究、应用已取得了较大进展，但仍有很多问题亟待解决。一是柔性织物传感器的电气性能要低于传统的硬件传感器，并且易受到水洗、磨损、拉伸等外力影响，难以满足大规模制备以及长期维持高性能和稳定性。二是目前大多数基于织物传感器的研究主要致力于提升单个传感器的灵敏度和实用性，实现具有低交叉灵敏度的新型传感机制和有效的刺激解耦算法的多功能传感器具有一定挑战性。三是将柔性织物传感器与显示器、数据处理和传输单元、能量收集器或电池等其他通常较硬的组件进行异质集成，由于材质和性能不同，织物传感器和其他组件之间在反复的机械变形作用下会产生裂纹和分层，从而导致设备失效。因此，实现低成本、微型化、高速率、多功能和集成技术方面的提升是柔性智能可穿戴的迫切需要。未来，具有多功能、微型化等综合特性的织物柔性传感设备有望融入我们的生活，不仅满足日常穿着的需要，还将大规模服务于个性化医疗、安全防护以及人机交互等新兴领域。