柔性傳感器在紡織品中的應(yīng)用

劉歡歡

（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

1 柔性傳感器的定義

隨著科技的發(fā)展，與人類(lèi)息息相關(guān)的紡織品也發(fā)生了不同的變化，保暖、防寒以及視覺(jué)美觀已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求，紡織品向多功能性發(fā)展，從而產(chǎn)生了智能紡織品。智能紡織品是一種將紡織材料、傳感技術(shù)、通訊、人工智能等技術(shù)高度集成開(kāi)發(fā)的新型紡織品，除滿(mǎn)足基本的穿著、防寒、保暖等需求外，還具備了響應(yīng)功能、感知功能、反饋功能以及自診斷、自修復(fù)等功能[1]。

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，其中柔性材料需具有柔軟、易變形、低模量等特性，使其在滿(mǎn)足一些基本的功能之外，還具有體積小、良好的延展性、柔軟性等功能，在軍事、航天航空、醫(yī)療、生物、娛樂(lè)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 柔性傳感器的分類(lèi)

2.1 電容式傳感器

電容傳感器是根據(jù)電容器的原理制成的，由兩個(gè)平行電極板及它倆之間的電介質(zhì)構(gòu)成，電容器的電容公式為：

其中，ε1—真空介電常數(shù)，ε2—相對(duì)介電常數(shù)，A—電極之間的距離，d—電極相對(duì)的面積。

前兩個(gè)變量主要由電介質(zhì)的本身屬性決定，后兩種變量可以通過(guò)外力來(lái)控制，進(jìn)而來(lái)控制電容式傳感器[2]。電容式傳感器的靈敏度與彈性介電層有關(guān)，利用高柔性和粘彈性的介電層可以提高傳感器的性能，利用導(dǎo)電薄膜、紗線、織物作為電極板可以提高柔韌性，將這種柔性傳感器和紡織品結(jié)合起來(lái)不僅滿(mǎn)足了基本的保暖防寒功能，而且還具有柔軟、舒適等功能[3]。全勇等人[4]設(shè)計(jì)制備出一種三明治結(jié)構(gòu)的電容式柔性壓力傳感器，利用銀納米線為電極材料，聚二甲基硅氧烷為柔性襯底，這種微納結(jié)構(gòu)的柔性襯底傳感器能夠提高其靈敏度。

2.2 壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是一種外部刺激所引起的器件材料電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器，常見(jiàn)的材料為半導(dǎo)體硅、鍺以及炭黑、石墨烯填充高聚物符合導(dǎo)電纖維。這類(lèi)傳感器具有柔軟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。肖立志等人[5]設(shè)計(jì)了一種基于應(yīng)變片壓阻效應(yīng)的柔性傳感器陣列，使應(yīng)用的機(jī)器人“皮膚”的傳感器滿(mǎn)足柔性、可陣列化和靈敏度高的需求。鄔林等人[6]研發(fā)了一種基于壓阻效應(yīng)的陶瓷壓力傳感器，采用宜彎折柔性調(diào)理電路，體積小、穩(wěn)定性好、宜封裝集成，加之陶瓷芯片具有耐腐蝕、抗磨損、成本低等優(yōu)點(diǎn)，該傳感器可被廣泛地應(yīng)用在各種壓力檢測(cè)場(chǎng)合。

2.3 壓電式傳感器

壓電傳感器是一種將壓電材料在外界的壓力作用下產(chǎn)生了壓電效應(yīng)制成的傳感器，常見(jiàn)的壓電材料有氧化鋅，聚偏氟乙烯和陶瓷等，將無(wú)機(jī)納米粒子分散到其中可以具有很好的柔韌性，提高了智能柔性傳感器的性能[7]。壓電式傳感器具有良好的靈敏度、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在柔性觸摸傳感方面已有很廣泛的應(yīng)用。

2.4 光纖式傳感器

光纖傳感器是一種將調(diào)制區(qū)發(fā)熱光信號(hào)和待測(cè)參數(shù)相互作用后，導(dǎo)致光的波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化進(jìn)而獲得被測(cè)參數(shù)的傳感器。這類(lèi)傳感器具有體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕及耗電少等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將光纖傳感器運(yùn)用到紡織服裝、醫(yī)療及軍事等領(lǐng)域，能夠感知壓力、溫度及電場(chǎng)等信號(hào)的變化。

3 柔性傳感器的應(yīng)用

3.1 醫(yī)療保健

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，柔性傳感器主要將傳感器印制在服裝上或者具有柔性特性的材料上，可以診斷以及監(jiān)測(cè)人們的生理特征，例如：脈搏、血壓、心率、體溫等，進(jìn)而判斷人們的健康狀況。國(guó)外的英特爾研究人員對(duì)外發(fā)布了一款可以檢測(cè)身體健康的T恤，這款智能T恤是和中國(guó)臺(tái)灣AIO的公司進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)的可穿戴設(shè)備，該產(chǎn)品植入英特爾研發(fā)的監(jiān)測(cè)傳感器，可以監(jiān)測(cè)用戶(hù)的心率、心電圖等指標(biāo)，并且還可以和手機(jī)上的專(zhuān)用軟件相互傳送數(shù)據(jù)[8]。

P.J.Soh等人[9]研發(fā)了一種應(yīng)用于生物可穿戴紡織陣列的醫(yī)學(xué)傳感器，可以長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)病人的信息，通過(guò)這個(gè)醫(yī)療傳感器實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)生對(duì)健康狀況的信息交流。Viventi等人[10]利用活性電極陣列來(lái)構(gòu)建了柔性電子傳感器，用來(lái)測(cè)量心臟和大腦的特征信號(hào)，為了測(cè)量心電圖信號(hào)，采用2 016個(gè)晶體管陣列在288個(gè)接觸點(diǎn)獲得瞬間的分辨率，實(shí)現(xiàn)了空間映射分變率信號(hào)的檢測(cè)。

3.2 紡織服裝

智能服裝是指將傳統(tǒng)的紡織技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)及人工智能技術(shù)等高度集成開(kāi)發(fā)出多功能的服裝產(chǎn)品。智能服裝作為人體的“第二皮膚”，可以提高人工智能的人機(jī)交互體驗(yàn)，紡織服裝是新型可穿戴柔性傳感器研發(fā)的絕佳載體，目前以織物為基體研制的柔性傳感器已經(jīng)取到了一定的應(yīng)用，天津大學(xué)的郝文飛[11]設(shè)計(jì)了一款用于監(jiān)護(hù)心電的穿戴式設(shè)備，盡量可以降低系統(tǒng)功耗并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，對(duì)智能服裝提供了供電電路方案，提高了智能服裝的舒適性。意大利的D De Rossi[12]在萊卡纖維的表面涂覆了聚吡咯涂層來(lái)制成智能手套進(jìn)而檢測(cè)手指的運(yùn)動(dòng)情況。王云燕[13]根據(jù)紗線結(jié)構(gòu)、纖維導(dǎo)電原理及力學(xué)性能等研究分析選取鍍銀導(dǎo)電紗線作為導(dǎo)電紗線，通過(guò)圓機(jī)無(wú)縫編制到服裝中作為電極式柔性傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電傳導(dǎo)功能，分析其織物的透氣性、彈性拉伸性能及洗滌等因素對(duì)織物電阻變化的影響，選擇最佳工藝來(lái)織造柔性傳感器，為智能服裝更快的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3.3 運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)

柔性可穿戴技術(shù)在運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)方面也有廣泛的應(yīng)用，蔣毅等人[14]設(shè)計(jì)了一種柔性導(dǎo)電織物鍵盤(pán)。根據(jù)五線式觸摸屏控制的電路功能要求設(shè)計(jì)了全織物的5層鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，織物鍵盤(pán)包括織物層、功能定義層、隔離層、保護(hù)層，既滿(mǎn)足高精度的要求，也滿(mǎn)足了可折疊和柔性的功能需求。S.Stassi 等人[15]利用PDMS和納米級(jí)銅粉聚合物設(shè)計(jì)了一種柔性可穿戴的足底壓力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)鞋底壓力的分布和人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的腳底平均壓力。張乃中等人[16,17]將導(dǎo)電紗線編制到服裝面料中，結(jié)合控制芯片和計(jì)算機(jī)編程，利用微電流觸控原理，開(kāi)發(fā)出可演奏音樂(lè)的電子智能服裝，以達(dá)到演奏的目的。這些產(chǎn)品將應(yīng)用在音樂(lè)教學(xué)、演出、體驗(yàn)游戲等領(lǐng)域。

3.4 軍事領(lǐng)域

在軍事及航空航天領(lǐng)域，美國(guó)的“勇士系統(tǒng)”[18]是一個(gè)將光導(dǎo)與電導(dǎo)網(wǎng)、電子設(shè)備及智能傳感器與服裝結(jié)合技術(shù)的項(xiàng)目，它是集頭盔與作戰(zhàn)服裝于一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它能智能監(jiān)測(cè)作戰(zhàn)人員的生理健康情況、實(shí)時(shí)位置及作戰(zhàn)能力，傳輸實(shí)時(shí)的信息與預(yù)警，為作戰(zhàn)人員提供戰(zhàn)場(chǎng)防彈、防護(hù)。美國(guó)理工學(xué)院的研究人員通過(guò)在織物中嵌入一些光導(dǎo)纖維傳感器，研發(fā)出了一種可探測(cè)有毒介質(zhì)的織物，當(dāng)傳感器接觸到某些氣體、生化或有毒介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種報(bào)警信號(hào)，提醒作戰(zhàn)人員注意有毒的區(qū)域，提高在戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題從柔性傳感器的不同原理介紹了四種柔性傳感器，闡述了在醫(yī)療保健、智能服裝、運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)及軍事等方面的應(yīng)用，柔性傳感器作為智能紡織品的核心，在紡織領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于智能紡織品的發(fā)展有一定的推動(dòng)作用。