針織柔性力學(xué)傳感電路構(gòu)建與工作原理

李露紅，黃 嫻，叢啟霞，叢洪蓮

(1.江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無錫214122；2.江蘇太平針織有限公司，江蘇 無錫214041)

服裝作為人體的“第二皮膚”，具有良好的手感和柔軟舒適性，是柔性傳感器的良好載體。智能服裝是將傳感器和服裝通過電子信息、生物化學(xué)和人機(jī)交互等技術(shù)融合的產(chǎn)物，對所處環(huán)境變化和人體行為具有一定感知力，并且可以通過反饋機(jī)制對發(fā)生的變化進(jìn)行反應(yīng)和調(diào)整[1]。

針織柔性力學(xué)傳感器是指以導(dǎo)電針織物為基底，采用不同方式與傳感元件進(jìn)行組合，制備適應(yīng)于各種性能要求的柔性傳感器件，是智能服裝的關(guān)鍵組成部分。傳統(tǒng)的剛性傳感器一般由金屬材料制備，具有脆性大、應(yīng)變范圍小以及響應(yīng)靈敏度低等缺點(diǎn)，無法滿足人們對于智能產(chǎn)品質(zhì)輕、體積小和穿戴舒適等全方位要求[2]；而針織柔性傳感器特有的線圈結(jié)構(gòu)使其具有良好的柔韌性，并且可以自由彎曲折疊。受到外力作用時(shí)，將大形變迅速有效地轉(zhuǎn)換成電信號輸出，而且線圈串套而成的空隙可以保證紗線被拉伸時(shí)性能不被破壞，這是其他編織方法難以實(shí)現(xiàn)的[3]。也能感知微小的應(yīng)力變化，從而表現(xiàn)高靈敏度和線性度，還可以制備更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)織物，具有靈活適應(yīng)性。因此，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測和智能可穿戴等領(lǐng)域。

針織柔性力學(xué)傳感器按照工作原理可以分為電阻式和電容式，據(jù)此可以構(gòu)建不同的傳感電路。變化針織物組織和在織物表面涂覆導(dǎo)電物質(zhì)，是目前制備以針織物為基底的柔性力學(xué)傳感器的主要工藝，結(jié)合這兩種工藝方法可以實(shí)現(xiàn)不同傳感電路的構(gòu)建。傳感電路按照形態(tài)可以分為二維柔性傳感器和三維柔性傳感器，前者多為電阻式，后者以電容式為主。不同傳感電路呈現(xiàn)的性能將有所差異，因此針織柔性傳感電路的研究對智能服裝的穿著舒適性以及靈敏性等性能具有深遠(yuǎn)意義。

1 針織柔性傳感器工作原理

按照傳感器的工作原理可以將柔性力學(xué)傳感器分為電阻式、電容式和壓電式，目前以針織物為基底的柔性傳感器開發(fā)多為電阻式和電容式。

1.1 電阻式柔性傳感器

電阻式柔性傳感器由于制作工藝簡單，信號讀取簡便，是最為常見的柔性傳感器。當(dāng)受到外力作用時(shí)，可以將外力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂娮栊盘栞敵?，廣泛應(yīng)用于可穿戴式傳感器、人體生理活動(dòng)及個(gè)人健康檢測等領(lǐng)域[4]。當(dāng)外力傳遞到傳感器的感應(yīng)點(diǎn)上時(shí)，其阻值與外力呈負(fù)相關(guān)變化，即當(dāng)壓力趨于零時(shí)，阻值越大；壓力越大，阻值越小[5]。

針織柔性電阻式傳感器的工作原理是受到外力拉伸作用時(shí)，相鄰導(dǎo)電紗線間的接觸面積發(fā)生變化，引起接觸電阻減小(圖1)；同時(shí)拉伸時(shí)線圈被拉長，也會(huì)導(dǎo)致長度電阻減小，兩方面的綜合作用使總電阻減小，但是在正常情況下，織物的拉伸不會(huì)引起導(dǎo)電紗線的大范圍伸長，所以長度電阻的變化對總電阻大小影響甚微。

圖1 電阻式柔性力學(xué)傳感器工作原理

1.2 電容式柔性傳感器

電容式傳感器的工作原理是受到外力作用時(shí)，兩極板間的電容產(chǎn)生變化，一般由三部分組成:兩平行柔性電極板以及填充于電極板間的絕緣介質(zhì)層，如下圖2所示。受到外力時(shí)，上下兩極板的間距和有效面積發(fā)生變化，引起電容值的變化，從而傳遞電信號給外界，同時(shí)中間介質(zhì)層的選擇對傳感性能也有著重要的影響[6]。

圖2 電容式傳感器組成

此類織物柔性力學(xué)傳感器以導(dǎo)電織物等柔性材料作為柔性電極，一般選擇橡膠、泡沫和間隔織物等不導(dǎo)電的彈性介質(zhì)作為絕緣材料，形成“三明治結(jié)構(gòu)”。針織柔性電容傳感器可采用經(jīng)編間隔織物作為介質(zhì)層，傳感器所承受的應(yīng)變力范圍變大，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良導(dǎo)電性的同時(shí)，保留了織物的柔軟性和舒適性。施加壓力作用時(shí)，織物中間隔絲的楊氏模量、數(shù)量和排列分布會(huì)影響間距和相對有效面積的變化，以此來改變電容值(圖3)。與電阻式柔性傳感器相比，電容式柔性傳感器具有更快有效面積和信號響應(yīng)速度，更廣的感應(yīng)范圍。

圖3 電容式柔性力學(xué)傳感器工作原理

2 傳感電路的構(gòu)建

針織柔性力學(xué)傳感器通過線圈結(jié)構(gòu)變化構(gòu)建傳感電路，將力學(xué)信號經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換裝置輸送成電信號，導(dǎo)電路徑的變化會(huì)影響信號的傳遞，因此傳感電路的構(gòu)建對傳感器本身的傳感性能有著至關(guān)重要的影響。變化針織物組織和在針織物表面涂覆導(dǎo)電物質(zhì)，是目前制備以針織物為基底的柔性力學(xué)傳感器的主要工藝，以此來實(shí)現(xiàn)不同傳感電路的構(gòu)建。針織結(jié)構(gòu)柔性傳感電路按構(gòu)建形態(tài)可以分為二維柔性傳感器和三維柔性傳感器。

2.1 二維柔性傳感器

二維柔性傳感器是通過導(dǎo)電紗與非導(dǎo)電紗在針織物平面結(jié)構(gòu)中交替成圈或者在針織物表面涂覆導(dǎo)電物質(zhì)來構(gòu)建傳感電路，此時(shí)可以將線圈看作一個(gè)個(gè)小型電阻，那么織物結(jié)構(gòu)就可以等效成串并聯(lián)綜合的復(fù)雜電路?；诖嗽砜刹捎每椚敕?，在變化織物組織的基礎(chǔ)上將導(dǎo)電紗織入織物中，以此來達(dá)到構(gòu)建不同二維柔性傳感電路的目的。這種工藝方法要求所選紗線具有良好的導(dǎo)電性能、較低的抗彎剛度以及良好的柔軟性和延伸性等，因此成功的關(guān)鍵在于導(dǎo)電紗線的選擇[7]。

目前應(yīng)用于針織結(jié)構(gòu)柔性傳感器的導(dǎo)電紗線主要有金屬導(dǎo)電紗線、碳系導(dǎo)電紗線和復(fù)合導(dǎo)電紗線。金屬導(dǎo)電紗線一般是通過金屬顆?；蚶w維制備，導(dǎo)電性能好，但是纖維之間抱合困難，使用較少。碳纖維因其優(yōu)越的性能而被廣泛關(guān)注，一般采用涂層、復(fù)合紡絲和包纏卷繞等工藝制備碳系導(dǎo)電紗線，可以和非導(dǎo)電紗混織實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性能。例如劉燾等[8]采用涂碳導(dǎo)電柔性復(fù)合絲制備織物基柔性傳感器的雛形。研究發(fā)現(xiàn)，受外力作用后織物產(chǎn)生形變，伸長增加，導(dǎo)電針織物的阻值逐漸減小，紗線種類相同時(shí)，緯平針織物的靈敏度大于1＋1羅紋織物；織物組織結(jié)構(gòu)相同時(shí)，并股紗線針織物比加捻紗線針織物的靈敏高。

復(fù)合導(dǎo)電紗線可以通過將不銹鋼、銅和銀等金屬纖維與其他纖維共混紡絲，或者將金屬絲與紗線加捻混合，減小金屬纖維對柔軟度的影響，綜合提高復(fù)合纖維的導(dǎo)電性能，目前應(yīng)用較為廣泛的是鍍銀導(dǎo)電紗。例如Yutian Li等[9]制備了具有傳感性能的高彈性緯編平紋針織運(yùn)動(dòng)褲(圖4)，在感應(yīng)區(qū)域用鍍銀紗線進(jìn)行編織，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高彈性導(dǎo)電織物可以準(zhǔn)確反映電阻變化，并表現(xiàn)出高靈敏度。

圖4 緯平針組織線圈結(jié)構(gòu)圖

郭秋晨等[10]結(jié)合提花添紗編織技術(shù)，采用不同導(dǎo)電紗線制備了不同傳感區(qū)尺寸的柔性電阻傳感器，通過正交實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)采用復(fù)合導(dǎo)電纖維織入法制備的針織柔性傳感器傳感往復(fù)性好。部分紗線由于自身的剛性，織入針織物結(jié)構(gòu)時(shí)便不能直接編織成圈不能成圈。例如光纖在彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生光損耗，降低原本的力學(xué)性能，只能通過襯緯的方式織入針織物(圖5)，Claire Guignier等人[11]采用襯緯的方式將柔軟光纖嵌織在針織物中。

圖5 襯緯組織線圈結(jié)構(gòu)圖

但是由于針織結(jié)構(gòu)易發(fā)生形變，穩(wěn)定性較差，大應(yīng)變下會(huì)產(chǎn)生急彈性以及回復(fù)性較差的現(xiàn)象，引入氨綸絲可以改善這一問題，在一定程度上提高導(dǎo)電織物的彈性和保形性，從而增加傳感器的應(yīng)力感應(yīng)范圍和靈敏度。例如劉嬋嬋等人[12]采用錦氨包覆紗和裸氨分別制備了三種不同針織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物用于肘部彎曲測試，通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)錦氨包覆紗和裸氨編織平針添紗針織物的線性度和靈敏度較好。Ozgur Atalay等[13]選用不同線密度的彈性氨綸紗和鍍銀尼龍紗，以雙羅紋組織為基本結(jié)構(gòu)制備針織柔性傳感器，研究發(fā)現(xiàn)紗線越細(xì)，導(dǎo)電紗線在線圈結(jié)構(gòu)中的接觸點(diǎn)越多，電阻值越小，導(dǎo)電性越好，同時(shí)也提高了緯編針織物柔性傳感器的傳感性能。

也可以采用涂覆法制備復(fù)合導(dǎo)電紗線，即將金屬、碳纖維和高分子導(dǎo)電聚合物通過涂層印刷的方法附著于紗線[14]。Ariana Levitt等人[15]在尼龍和棉紗表面分別涂覆1層和2層MXene制作導(dǎo)電紗線，并通過機(jī)器編織成織物上相對排列的兩電極，并在電極之間編織聚酯紗線防止電短路，以此來制備針織結(jié)構(gòu)超級電容器(圖6)，改變導(dǎo)電線圈的寬度可以獲得不同的傳感性能?？梢栽诳椢锉砻嫱扛矊?dǎo)電物質(zhì)，以此形成類似“平面三明治”的傳感電路形態(tài)。例如Jayraj V.Vaghasiya等人[16]在織物基底上印刷Ti3C2NS和1TWS2NS兩種電極，并形成交叉電路分布形式，原理是導(dǎo)電的兩極之間夾著非導(dǎo)電織物，形成非對稱式電容器，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的柔軟性、循環(huán)穩(wěn)定性和耐磨性。

圖6 垂直條紋超級電容器的線圈結(jié)構(gòu)圖

目前制備二維柔性電容式傳感器的工藝中，應(yīng)用較為廣泛的是涂覆法，但是由于針織物表面線圈的存在，織物表面凹凸不平，涂層難以均勻覆蓋，這也是眼下需要克服的問題，希望在實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電和傳感性能的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的耐洗性、耐褶皺性和穿戴舒適性等傳統(tǒng)服用性能。

2.2 三維柔性傳感器

三維柔性傳感器采用“三明治”結(jié)構(gòu)來構(gòu)建傳感電路，即由上下兩導(dǎo)電織物電極和絕緣介質(zhì)層組成，在幾何空間層面上，三維柔性傳感器比二維柔性傳感器多出一個(gè)垂直于二維平面的維度，受到外力作用時(shí)，使得力的傳播路徑增加，并通過織物的形變表現(xiàn)出來，傳感器的傳感性能得到一定程度提高，靈敏度也在一定范圍內(nèi)得到提升。

目前柔性介質(zhì)層主要分為多微孔彈性體介質(zhì)層、聚合物薄膜介質(zhì)層和織物結(jié)構(gòu)介質(zhì)層[17]。通常高彈性的絕緣材料在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生大形變，使信號有效傳遞。例如Asli Atalay等人[18]以導(dǎo)電針織物為電極，硅樹脂彈性體作為介質(zhì)層，制備單個(gè)電容式傳感器(圖7)，表現(xiàn)出高線性度和低遲滯的優(yōu)良性能，集成于手套上進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

圖7 電容式柔性傳感器

針織柔性電容傳感器一般選擇經(jīng)編間隔織物作為介質(zhì)層，經(jīng)編間隔織物是一種“三明治”結(jié)構(gòu)，具有上下表面和中間間隔絲。受到外力作用后，織物能夠產(chǎn)生大應(yīng)變，具有大的感應(yīng)范圍和較高的靈敏度，在床墊以及坐墊范圍內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛。例如孫婉等[19]以間隔織物為彈性介質(zhì)層，導(dǎo)電布作柔性電極，分布于織物上下表面，形成三明治結(jié)構(gòu)的織物電容式傳感器。當(dāng)受到外力作用時(shí)，間隔織物被壓縮，上下極板間距減小，電容值產(chǎn)生變化。

三維柔性電容傳感器主要應(yīng)用于姿態(tài)監(jiān)測和安全防護(hù)等領(lǐng)域，其傳感電路的形態(tài)也可以以陣列電極的形式出現(xiàn)，這種傳感器是在可壓縮間隔層兩側(cè)排列垂直相交的導(dǎo)電電極，電極交叉點(diǎn)處形成單個(gè)電容傳感器，多個(gè)電容傳感器呈規(guī)律排列可形成陣列電極(圖8)。形成的主要方式有兩種:一種是采用刺繡的方法，直接將導(dǎo)電紗線繡成格柵狀；另一種是將導(dǎo)電紗線織成相互交錯(cuò)的條狀織物，從而形成傳感器陣列[5]。Meyer J等人[20]將16根經(jīng)向?qū)щ娂喓?6根緯向?qū)щ娂喸陂g隔織物介質(zhì)層兩側(cè)垂直交叉排列制備織物電容傳感器，交叉點(diǎn)組成的16×16列陣為電容器陣列。江南大學(xué)的孫婉等人[6]制備智能坐墊(圖9)時(shí)采用經(jīng)編間隔織物作為絕緣介質(zhì)層，并選用以緯平針為基礎(chǔ)的全部線圈添紗組織編織64塊電極以及電極與電極的連接區(qū)域，最后用雙面膠將織制好的電極陣列貼覆在間隔織物上，將導(dǎo)電線縫在上表面的每橫列的第一縱行和下表面的每縱行的第一橫列，使得上下電極一一對齊，形成以緯編織物為電極和經(jīng)編織物為介質(zhì)層的三明治電容器陣列。

圖8 陣列電極排列形式

圖9 智能坐墊示意圖

3 結(jié)語

未來智能服裝和可穿戴設(shè)備的柔性化、多功能化將成為必然趨勢。針織結(jié)構(gòu)柔性力學(xué)傳感器的高彈性、穿著舒適性和高靈敏度，使其在智能服裝以及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有巨大潛力和深遠(yuǎn)的研究意義。

本文從針織柔性傳感器的工作原理和傳感電路構(gòu)建兩方面展開介紹。根據(jù)傳感器的工作原理，針織柔性傳感器可以分為電阻式和電容式，并以此為依據(jù)構(gòu)建傳感電路。按照構(gòu)建形態(tài)可以將傳感電路分為二維柔性傳感器和三維柔性傳感器。二維柔性傳感器采用變化組織構(gòu)建傳感電路時(shí)，選用的織物組織不應(yīng)該過于復(fù)雜，一般采用基本組織，如緯平針、羅紋等，還可以結(jié)合彈性紗來擴(kuò)大傳感器的感應(yīng)范圍，提高傳感性能三維傳感器。三維柔性傳感器主要是采用“三明治”結(jié)構(gòu)來構(gòu)建傳感電路，針織物介質(zhì)層適應(yīng)壓力狀態(tài)下的急彈性和大應(yīng)變，因此被廣泛用于智能坐墊等領(lǐng)域。