纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的研究進(jìn)展*

邢任權(quán) 閆 靜 楊 光 莊旭品 程博聞

天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，智能設(shè)備不斷向小型化、柔性化和便攜化方向轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，將智能設(shè)備與傳統(tǒng)服裝相結(jié)合的智能紡織品正在快速發(fā)展，其可廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)[1-2]、智能假肢[3-5]、個(gè)人醫(yī)療保健[6-8]等領(lǐng)域。智能紡織品的感知功能主要來(lái)自于柔性傳感器，其中柔性應(yīng)變傳感器是將物理形變轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量電信號(hào)的一種設(shè)備。相較于傳統(tǒng)的剛性應(yīng)變傳感器，柔性應(yīng)變傳感器可以在拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等條件下工作，能實(shí)時(shí)追蹤人體運(yùn)動(dòng)信息，并將信息傳輸?shù)郊傻闹醒胩幚韱卧?，因此被廣泛應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備中。

紡織品作為人類(lèi)生活的必需品，具備柔韌、透氣、結(jié)構(gòu)可控和可工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，是柔性傳感器理想的傳感材料/支撐物[9]。紡織品根據(jù)形式可分為纖維、紗線和織物等。相較于織物基柔性應(yīng)變傳感器，纖維/紗線柔性應(yīng)變傳感器因具有可編織、彈性高、適應(yīng)性廣等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而成為了紡織品柔性應(yīng)變傳感器的研究熱點(diǎn)。從傳感機(jī)理來(lái)說(shuō)，纖維/紗線柔性應(yīng)變傳感器可以分為電阻式、電容式、壓電式等[10]。其中，纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器具有制造簡(jiǎn)便、傳感信號(hào)易讀取、性能可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，因此常用于智能可穿戴領(lǐng)域。有研究表明，纖維/紗線柔性應(yīng)變傳感器可以直接應(yīng)用于監(jiān)測(cè)人體健康,以及從小應(yīng)變(如面部表情、呼吸、咳嗽、發(fā)聲和脈搏等)到大應(yīng)變(如肢體運(yùn)動(dòng)等)的各種運(yùn)動(dòng)[11],[12]7365-7371。基于此，本文主要從纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理、性能參數(shù)、制備方法，以及其在智能可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用四方面進(jìn)行綜述，指出其未來(lái)的發(fā)展方向，旨在為智能可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 傳感機(jī)理

纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器因制備過(guò)程簡(jiǎn)便、檢測(cè)范圍較大和信號(hào)讀取容易等特點(diǎn)而得到了廣泛的關(guān)注和研究。電阻式應(yīng)變傳感器對(duì)形變的響應(yīng)方式是，應(yīng)變發(fā)生后，導(dǎo)電材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)傳感器的電阻發(fā)生變化[13]。按照微觀結(jié)構(gòu)變化的不同，纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理可以分為三類(lèi)：導(dǎo)電層中裂紋的形成、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化和導(dǎo)電材料的幾何變形等[14-15]。

1.1 導(dǎo)電層中裂紋的形成

當(dāng)纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的傳感材料是以涂層的形式涂覆在纖維/紗線表面時(shí)，導(dǎo)電涂層會(huì)在傳感器變形的過(guò)程中因彈性基材和導(dǎo)電涂層之間的力學(xué)性能不匹配而產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致電阻增加，從而產(chǎn)生傳感現(xiàn)象[16]。例如，有著聚吡咯涂層的萊卡纖維應(yīng)變傳感器發(fā)生形變后，聚吡咯涂層產(chǎn)生了垂直于拉伸方向的微裂紋，并且隨著形變的增加，裂紋的數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度都在增加，進(jìn)而引發(fā)了更大的電阻變化[17]。

1.2 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化

通過(guò)濕法紡絲或熔融紡絲的方法將導(dǎo)電材料混入聚合物纖維中制備的纖維柔性電阻式應(yīng)變傳感器，其傳感機(jī)理可以用拉伸時(shí)導(dǎo)電材料構(gòu)筑的傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的變化來(lái)解釋。當(dāng)導(dǎo)電材料和彈性材料混合在一起時(shí)，根據(jù)滲流理論，絕緣主體中建立導(dǎo)電路徑只需要少量的導(dǎo)電填料。故拉伸時(shí)，導(dǎo)電填料與主體之間較弱的相互作用會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電路徑斷開(kāi)，材料電阻增加，從而產(chǎn)生傳感效應(yīng)。如Tang等[18]6624-6635將碳納米管(CNTs)與有機(jī)硅氧烷彈性體混合制備的纖維柔性傳感器，在拉伸過(guò)程中，相鄰的CNTs之間的間隙會(huì)隨著拉伸而增加，導(dǎo)致傳感器電阻隨之增加。

1.3 導(dǎo)電材料的幾何變形

某些彈性較差的導(dǎo)電纖維(如CNTs纖維等)，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以賦予其彈性，從而用于應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)中。當(dāng)導(dǎo)電纖維/紗線受到拉伸時(shí)，其橫向的形狀會(huì)按照泊松比發(fā)生變化。纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器在拉伸過(guò)程中，纖維/紗線的長(zhǎng)度(L)和橫截面積(A)的變化會(huì)導(dǎo)致電阻(R)的變化，其變化規(guī)律如式(1)所示：

(1)

其中，電阻率(ρ)在所有拉伸條件下均保持恒定。

這種幾何變形是控制纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感特性的關(guān)鍵。如，造成碳纖維傳感器電阻響應(yīng)變化的主要原因是拉伸過(guò)程中纖維長(zhǎng)度變長(zhǎng)，直徑變小[19]。某些特殊結(jié)構(gòu)的纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器也受幾何變形的影響，如盤(pán)繞結(jié)構(gòu)的CNTs纖維柔性應(yīng)變傳感器，其因自身特殊的彈簧結(jié)構(gòu)而在拉伸過(guò)程中發(fā)生形變，導(dǎo)致面積減小，電阻變大[20]。

2 性能參數(shù)

通常，評(píng)價(jià)纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的性能參數(shù)有靈敏度、傳感工作范圍、線性度、循環(huán)穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間等。

2.1 靈敏度

應(yīng)變傳感器的靈敏度一般用應(yīng)變系數(shù)表示，可通過(guò)式(2)計(jì)算：

(2)

式中：kGF為傳感器的應(yīng)變系數(shù)；R0為傳感器在初始(未拉伸)狀態(tài)時(shí)的電阻；ΔR為傳感器在拉伸狀態(tài)時(shí)的電阻(R)與R0的差值；ε為施加的應(yīng)變。

靈敏度的高低是評(píng)價(jià)傳感器性能的重要指標(biāo)。應(yīng)變系數(shù)越大，靈敏度越高。

2.2 傳感工作范圍

作為可穿戴設(shè)備，纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的傳感工作范圍(即應(yīng)變感測(cè)范圍)必須足夠?qū)?，以滿足人們的日?；顒?dòng)需求。以步行時(shí)為例，腳部、腰部和關(guān)節(jié)處皮膚的拉伸率和收縮率高達(dá)55%。因此，纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器應(yīng)在0～55%的傳感工作范圍內(nèi)完全發(fā)揮作用，以便監(jiān)測(cè)相關(guān)的信息[21]。

2.3 線性度

應(yīng)變和電阻變化之間的線性度也是應(yīng)變傳感器重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系著傳感器能否準(zhǔn)確地反映真實(shí)的應(yīng)變。

2.4 循環(huán)穩(wěn)定性

循環(huán)穩(wěn)定性是指應(yīng)變傳感器在多個(gè)循環(huán)拉伸測(cè)試中表現(xiàn)出穩(wěn)定且相似的監(jiān)測(cè)應(yīng)變的能力。作為可穿戴設(shè)備，在100 000次的拉伸-釋放循環(huán)測(cè)試中保持性能穩(wěn)定是最基本的要求,這代表著纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器能滿足在一年之中每天穿戴約5 h且每分鐘拉伸-釋放1次的需求。

2.5 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指形變發(fā)生時(shí)傳感器將物理形變轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲行盘?hào)所用的時(shí)間。為了能夠可靠地監(jiān)測(cè)到諸如腳踢之類(lèi)的快速運(yùn)動(dòng)，纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器需要在高頻(>1 Hz)變形條件下保持性能穩(wěn)定，這對(duì)應(yīng)變傳感器的響應(yīng)時(shí)間提出了很高的要求。

除此之外，因?yàn)榘欣w維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的織物在使用過(guò)程中會(huì)暴露于各種環(huán)境(如不同溫濕度)中，且不可避免地要經(jīng)歷水洗，因此還要求纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器具有可洗性和環(huán)境穩(wěn)定性等性能[22]。

3 制備方法

纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的制備方法可分為三種：涂層法——以納米導(dǎo)電材料[如銀納米線(AgNWs)、CNTs、石墨烯等]修飾纖維/紗線表面，在纖維/紗線表面形成傳感層；熔融紡絲法或濕法紡絲法——將導(dǎo)電材料摻入聚合物中，通過(guò)熔融紡絲法或濕法紡絲法得到復(fù)合纖維應(yīng)變傳感器；紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法——通過(guò)紗線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予剛性導(dǎo)電纖維/紗線拉伸傳感性能。

3.1 涂層法

利用導(dǎo)電材料涂覆絕緣彈性纖維是較早出現(xiàn)的制備纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的一種方法，具體操作主要有原位聚合法、噴涂法、浸涂法、氣相沉積法等。如，F(xiàn)an等[23]通過(guò)對(duì)聚氨酯(PU)纖維涂覆聚苯胺(PANI)的方法得到了傳感工作范圍上限高達(dá)1 500%的柔性電阻式應(yīng)變傳感器，但該傳感器循環(huán)穩(wěn)定性較差。Kim等[24]利用原位聚合法在聚酯(PS)纖維上聚合了聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)作為導(dǎo)電層，并使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)進(jìn)行封裝，制得了柔性電阻式應(yīng)變傳感器(圖1)。但該傳感器傳感工作范圍僅為0～20%，且應(yīng)變系數(shù)為-0.76(電阻隨拉伸而降低)，循環(huán)穩(wěn)定性也較差。為了提高纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的耐久性，Wu等[25]9936-9945通過(guò)逐層沉積的方法制備了涂覆有導(dǎo)電聚合物的PU紗線應(yīng)變傳感器，然后將其嵌入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基體中(圖2)。該傳感器在1%的形變下應(yīng)變系數(shù)高達(dá)39.00，且在10 000次循環(huán)拉伸測(cè)試中循環(huán)穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異，但使用PDMS進(jìn)行包覆會(huì)限制紗線進(jìn)一步的加工性能。Wang等[26]將棉線纏繞在彈性PU長(zhǎng)絲上制成了彈性包芯紗，然后將高導(dǎo)電性的單壁碳納米管(SWCNTs)通過(guò)浸入烘干的方式結(jié)合到棉/PU包芯紗中，得到不需要額外涂層的紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器。該方法簡(jiǎn)單可靠，而且應(yīng)變傳感器在40%的應(yīng)變條件下循環(huán)拉伸測(cè)試萬(wàn)次無(wú)明顯裂紋，循環(huán)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異，但靈敏度較低，在25%～240%的傳感工作范圍內(nèi)應(yīng)變系數(shù)僅為0.65。Cheng等[27]先在PU纖維芯表面螺旋纏繞聚乙烯纖維(PE)，再將其浸漬在氧化石墨烯(GO)分散液中，制備了一種紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器。所得應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的靈敏度(在1%的形變下應(yīng)變系數(shù)為10.00，在50%的形變下應(yīng)變系數(shù)為3.70)，且經(jīng)10 000次循環(huán)拉伸測(cè)試后仍保持傳感性能穩(wěn)定。

CS溶液——?dú)ぞ厶侨芤海籆B@CNC/NR懸浮液——碳黑/纖維素納米晶體/天然橡膠懸浮液圖2 涂層PU紗線制備示意

EDOT——3,4-乙烯二氧噻吩；FTS——對(duì)甲苯磺酸鐵溶液；PVP——聚乙烯吡咯烷酮；Pyridine——吡啶圖1 PEDOT在聚酯纖維上的原位聚合

總之，相比于其他制備方法，涂層法制備纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器簡(jiǎn)單、便捷，其可實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度高和傳感工作范圍可調(diào)，只是循環(huán)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。

3.2 熔融紡絲法或濕法紡絲法

熔融紡絲法(圖3)或濕法紡絲法也是生產(chǎn)纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的方法，可用于大量制備彈性復(fù)合纖維柔性電阻式應(yīng)變傳感器，并可進(jìn)一步編織到織物中去。

圖3 熔融紡絲法過(guò)程示意

Mattmann等[28]先將熱塑性彈性體(TPE)和碳黑(CB)粉末混合并熔融擠出，制得彈性體導(dǎo)電復(fù)合纖維，再使用硅膠膜將復(fù)合纖維附著到織物上用作應(yīng)變傳感器。發(fā)現(xiàn)該應(yīng)變傳感器能在滿足應(yīng)變系數(shù)大于20.00的條件下?lián)碛?0%～80%的傳感工作范圍。只是紡絲液的黏度會(huì)隨著填料的添加而增加，黏度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致紡絲困難，所以熔融紡絲法僅允許有限地?fù)饺雽?dǎo)電填料。據(jù)報(bào)道，將多壁碳納米管(MWCNTs)和聚碳酸酯(PC)混合后，能以熔融紡絲的方式制備出纖維柔性電阻式應(yīng)變傳感器，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)紡絲液中MWCNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)4%時(shí)，紡絲液的可紡性變差，且形變超過(guò)5%時(shí)應(yīng)變傳感器便無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)[29]。

相較于熔融紡絲法，濕法紡絲法允許加入更多的導(dǎo)電填料，且導(dǎo)電填料能分散得更加均勻，紡出的纖維直徑更加一致，傳感性能更好。濕法紡絲時(shí)，先將聚合物主體和導(dǎo)電填料以一定的比例溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，再將混合溶液擠入凝固浴中獲得纖維。Tang等[18]6624-6635將CNTs與有機(jī)硅氧烷彈性體混合物作為芯層，純硅氧烷彈性體作為皮層，通過(guò)濕法紡絲的方法得到了具有皮芯結(jié)構(gòu)的彈性導(dǎo)電纖維(圖4)。發(fā)現(xiàn)該纖維用作應(yīng)變傳感器具有高度可拉伸性能(伸長(zhǎng)率超過(guò)300%)、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(循環(huán)拉伸測(cè)試大于10 000次)、快速的響應(yīng)時(shí)間、低滯后性和良好的耐洗性，且對(duì)彎曲和扭轉(zhuǎn)不敏感，可以直接復(fù)合于衣物或皮膚表面。Zhou等[30]同樣運(yùn)用濕法紡絲技術(shù)，以CNTs/熱塑性彈性體(TPE)復(fù)合材料作為芯層，以純TPE為皮層，制備出具有皮芯結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器，其能在100%形變時(shí)應(yīng)變系數(shù)達(dá)到425.00。

圖4 高度可拉伸纖維的同軸濕法紡絲工藝示意

使用熔融紡絲法或濕法紡絲法可輕松實(shí)現(xiàn)纖維柔性電阻式應(yīng)變傳感器的工業(yè)化生產(chǎn)，且皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維應(yīng)變傳感器通常具有更高的靈敏度和更好的循環(huán)穩(wěn)定性，以及更寬的檢測(cè)范圍，因而具有相對(duì)廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法

剛性或低彈性的導(dǎo)電纖維無(wú)法直接用作柔性應(yīng)變傳感器，但通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如加捻、螺旋等)可賦予剛性纖維或低彈性纖維拉伸性，這也是制造纖維/紗線柔性應(yīng)變傳感器的策略之一。Shang等[31]以氣相沉積生成的碳納米管薄膜作為原料，通過(guò)電機(jī)扭轉(zhuǎn)成紗線，再適量加捻，得到了具有彈簧結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維繩圈。該纖維繩圈具有獨(dú)特的彈簧螺旋結(jié)構(gòu)，可承受285%的拉伸應(yīng)變，克服了碳納米管可拉伸性不足的缺點(diǎn)(圖5)。Li等[32]開(kāi)發(fā)了一種高拉伸性的卷繞式CNTs紗線應(yīng)變傳感器，其傳感工作范圍上限高達(dá)500%，且循環(huán)穩(wěn)定性較高。目前，已報(bào)道的通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備的纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器都具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)時(shí)間。

圖5 彈簧結(jié)構(gòu)的CNTs繩圈

4 在智能穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用

圖6展示了纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器在智能可穿戴領(lǐng)域?qū)θ梭w運(yùn)動(dòng)與健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于人體較大形變(如手指、胳膊、腿部運(yùn)動(dòng)等)和微小形變(如發(fā)聲、表情、脈搏等)的監(jiān)測(cè)。

圖6 纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器在人體上的應(yīng)用

目前，在大形變檢測(cè)方面已有諸多的報(bào)道[33]。如，Ryu等[34]開(kāi)發(fā)了一款基于CNTs纖維的應(yīng)變傳感器，其具有很高的伸縮性，可用于手指運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)。Park等[35]通過(guò)縫在肘套中的石墨烯(GNP)涂層紗線應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)手臂的彎曲運(yùn)動(dòng)。

纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器在語(yǔ)音識(shí)別、呼吸和脈搏等健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域同樣擁有巨大應(yīng)用潛力。如，Cheng等[12]7365-7371將被等離子空氣蝕刻后的纖維浸入氧化石墨烯溶液中，制得了柔性紗線應(yīng)變傳感器。將該紗線柔性應(yīng)變傳感器安裝到喉嚨處，發(fā)現(xiàn)當(dāng)重復(fù)閱讀諸如“hi”“hello”“sensor”等不同單詞時(shí)，傳感器會(huì)展現(xiàn)出獨(dú)特的電信號(hào)，重復(fù)閱讀相同的單詞時(shí)電信號(hào)相似，這與每個(gè)單詞都會(huì)引起聲帶獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。Wu等[25]9936-9945通過(guò)逐層沉積法制備的超高靈敏度PU紗線傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)微笑、哭泣等表情的監(jiān)測(cè)。Zhong等[36]將AgNWs浸涂到納米纖維紗線中得到了具有超高靈敏度的紗線傳感器，用于脈搏的監(jiān)測(cè)。

5 總結(jié)與展望

本文綜述了纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了這類(lèi)應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理、性能參數(shù)和制備方法，并進(jìn)一步展示了這類(lèi)應(yīng)變傳感器在人體運(yùn)動(dòng)、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。但目前纖維/紗線柔性電阻式應(yīng)變傳感器的制備還較為復(fù)雜，循環(huán)穩(wěn)定性和靈敏度等方面還有待提高，在智能可穿戴領(lǐng)域應(yīng)用仍有很多需要解決的問(wèn)題，如在實(shí)際應(yīng)用中容易被信號(hào)干擾，且編織到智能服裝中后還面臨著磨損、水洗等挑戰(zhàn)。