用于智能紡織品的柔性傳感器研究進展*

馬艷麗， 劉 茜， 劉 瑋

(上海工程技術大學 服裝學院，上海 201620)

綜述與評論

用于智能紡織品的柔性傳感器研究進展*

馬艷麗， 劉 茜， 劉 瑋

(上海工程技術大學 服裝學院，上海 201620)

傳感器是智能紡織品實現智能化的核心部分，其中柔性傳感器發揮著極為重要的作用。以傳感器的工作原理為分類依據，分別從測量原理、制作材料及結構、傳感器與紡織材料的結合方式、應用現狀各方面介紹了五類常用于智能紡織品的柔性傳感器，并分析了各自存在的缺點，對未來柔性傳感器的發展方向進行了展望。

智能紡織品； 紡織材料； 傳感器； 柔性

0 引 言

隨著電子科技、生物技術以及紡織材料的不斷進步與發展，智能紡織品受到人們的青睞，它將電子、計算機、生物、材料等高新技術融入紡織服裝中，使紡織服裝除了滿足穿著、保暖等基本要求外，還具備感知功能、反饋功能、響應功能以及自診斷、自修復功能等，其中具有感知功能的紡織品通常是通過傳感器實現的，而相當一部分傳感器需要與紡織材料相結合，用于監測應變、壓力、位移、溫度、濕度、酸堿度等信號的變化，把感知的生理與環境等信號轉換為電信號，及時做出所期望的反應，常用在醫療健康監測、運動、通信、航空航天、消防等領域。智能紡織品在實現智能的同時，應保持原有柔軟、易變形、舒適等特性，因此，柔性傳感器是目前研究開發的重要工作之一。

傳感器根據感知方式與工作原理的不同，主要包括電容式傳感器、光纖式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器以及電感式傳感器。

1 電容式傳感器

電容式傳感器是根據電容器的原理制成，由兩個平行極板中間夾一層電介質構成。外力引起極板間距離、極板面積或電介質的改變，都會引起傳感器電容變化，傳感器將這些變化量感知并傳遞給用戶[1]。柔性電容傳感器一般以柔性材料為電容器極板，如導電薄膜、纖維、紗線、織物等，以泡沫、間隔織物、橡膠等彈性材料為間隔層，這種柔性電容傳感器與紡織品結合后制成電智能紡織品，能夠感知外界環境的變化，其結構簡單、靈敏度高、空間分辨率高，且基本保留了紡織品原有的柔軟、易變形、舒適等特性。

Sergio M等學者[2]設計了一種電容式織物壓力傳感器，此傳感器由16根經向導電紗和16根緯向導電紗在彈性泡沫兩側垂直交叉排列，交叉點所組成的16×16列陣即為電容器陣列。當對傳感器施加壓力時，中間的彈性泡沫被壓縮，分布在泡沫兩側的導電紗之間的距離縮小而引起傳感器電容改變，電容的變化信號可以被掃描并繪制成圖形。此電容式織物傳感器能夠感知織物表面壓力的分布，但由于彈性泡沫的使用，使傳感器的敏感度降低，并且這種漢堡式的夾層結構導致織物傳感器不夠柔軟，降低了其穿著舒適性。這種傳感器已用于醫用襪、輪椅墊、床墊以及內衣中壓力場的監測。

Meyer J等人[3]在Sergio M的基礎上將模型進行優化，優化后的模型在0～10 N/cm2壓力范圍內，電容平均誤差小于4 %，可以裝配8，16，30或更多感應單元制備壓力傳感陣列，如圖1所示。當介質層為6 mm厚的間隔織物時，在加壓前后其電容分別為3.5 pF(無載荷)和5.8 pF(壓力5 N/cm2)。此傳感器用于監測肌肉活動，可以監測由肌肉彎曲引起的前臂0～135°偏轉。但傳感器的感知帶與人體皮膚之間有摩擦，所測的由肌肉彎曲帶給前臂的壓力分布并不均勻。

圖1 壓力傳感器及其陣列

Donselar R等人[4]也研制了一種智能壓力墊，它是由64只壓力傳感器和測試軟件組成，其上下兩層為導電織物，中間層為絕緣泡沫，構成三明治結構，用來感知保溫箱中早產嬰兒周圍環境的壓力分布，以評估嬰兒在保溫箱中的舒適狀況。

Kang T等人[5]設計了一種用于健康監測的電容傳感器，此電容器使用有銀涂層的由彈織物作為一個電極板，無彈的銀涂層織物作為另一電極板。通過有彈電極板在外力作用下反復增大和收縮，導致平行電極板面積不同，引起傳感器電容改變，以達到對呼吸監測的目的。

2 光纖傳感器

光纖傳感器是利用光導纖維的傳光特性，把被測量轉換為光特性(強度、相位、偏振態、頻率、波長)改變的傳感器[6]。國內外許多學者將光纖織入紡織品中構成光纖傳感器，能夠感知壓力、加速度、溫度、電場等信號，且不影響紡織品本身輕質、柔軟的特性。光纖傳感器具有重量輕、體積小、靈敏度高、傳輸性穩定、耐高溫、耐沖擊等優點，常用于航空航天、醫療、軍事、通信等領域。

Rothmaier M等人[7]將光纖織入由彈性紗線織制的針織物中，開發出光纖壓力傳感器，如圖2所示。當壓力施加在有光纖的區域時，彈性紗線交叉點的位置發生變化，導致透射光強度改變，從而檢測所施壓力的變化。

圖2 織物光纖傳感器

De Jonckheere J等人[8]把光纖通過鉤針縫入彈性織物中，制成光纖傳感器，并將其應用在醫學的核磁共振成像中，以監測病人的呼吸狀況。用光纖傳感器代替核磁共振成像中的金屬材料，可以減少核磁共振成像中金屬材料對檢測信號的影響。呼吸引起的腹部和胸部運動導致織物的伸展，從而引起光纖位置的變化。

3 壓電傳感器

壓電傳感器是利用壓電材料受力后產生壓電效應制成的傳感器[9]。常用的壓電材料有陶瓷纖維、偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜、以及填充了導電顆粒的復合導電薄膜等，這些材料制成的壓電傳感器可用于測量壓力、加速度等，它具有靈敏度高、頻帶寬、質量輕、結構簡單、性能穩定以及良好的動態特性等優點，被廣泛應用于工程力學、生物醫學、電聲學等技術領域。

Edmission J等人[10]設計了一種可作為鍵盤的電子手套，手套采用壓電薄膜制成，用以感知手的彎曲和輕敲動作，并對手指的一些標準打字運動進行了測定。傳感器連至A/D轉換器上，產生的彎曲和敲打信號由軟件采集與處理。

Drean E等人[11]設計了一種用于汽車行業的壓電傳感器，該壓電傳感器使用PVDF導電材料制成，放置在外層面料和里層泡沫之間，然后連接至放大器和阻抗相位分析儀上，用于檢測施加在汽車座椅上的壓力。

步態穩定性是障礙人士運動的最重要問題之一，Liu J等人[12]開發了基于紡織材料的監控系統，它能夠存儲角速度、垂直加速度和壓電數據，以監測和評估障礙者運動的步態穩定性，以防止其跌倒。該監控系統將多種電子元件植入紡織服裝內，包括壓電傳感器、印刷電路板、微控制器等，收集的壓電數據通過藍牙傳送至處理器。

沙永忠等人[13]用PVDF薄膜設計了一種柔性壓電傳感器，它共由7層薄膜組成，最中間一層為PVDF敏感層，中間的兩邊為正負電極層，用于收集 PVDF 產生的電荷，外層為保護層。此傳感器將應用于飛機管路系統的振動測試中。

4 壓阻傳感器

壓阻式傳感器是根據材料的壓阻效應和集成電路制成的傳感器。壓阻傳感器常用的材料為半導體硅和鍺，但隨著研究的深入，越來越多的復合壓阻材料被研制出來，如炭黑填充高聚物復合導電纖維、石墨烯填充復合導電纖維。由復合材料制成的壓阻傳感器柔軟、輕質、靈敏系數大、分辨率高、體積小，容易與織物相結合，測量作用在織物上的壓力、拉力、加速度和載荷等參數，被廣泛應用于航空航天、生物醫學工程、氣象測量等各個領域。

De Rossi D等人[14]通過在萊卡面料手套的手指部分沉積聚吡咯層制作了壓阻傳感器，在此傳感器上施加壓力使織物的尺寸發生改變，增加了總的導電面積，從而降低電阻，且隨著手指的彎曲運動，傳感器電阻進一步變化。但隨著研究的深入，發現聚吡咯涂層傳感器存在設置高、響應時間長、涂層工藝困難等缺點。

Munro B J等人[15]用聚吡咯涂層尼龍面料開發了一種可穿戴的膝蓋套筒，用來監測膝蓋部位韌帶的運動狀況，該傳感器主要測試膝關節屈曲角度，把膝關節屈曲變形轉化為電阻變化信號，并通過音頻傳出，從而確定正確的目標位置，織物上傳感器的初始數據呈負壓阻狀態。

于濤等人[16]用炭黑/硅橡膠制備了一種柔性壓阻傳感器，其通過機械混合的方法制作炭黑/硅橡膠試樣，然后搭建測試平臺測量電阻與變形的關系，并通過改變炭黑的表面特性及其在橡膠基體中的分散狀態等方法改善其壓阻特性。

5 電感傳感器

電感傳感器是利用電磁感應把被測的物理量，如壓力、位移、流量、振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換[17]。電感傳感器的傳感線圈常采用導電纖維、紗線等紡織材料，這種傳感器比普通金屬導線線圈的電感傳感器柔軟，更適合與紡織品結合，可用于呼吸監測和人體動作捕捉等。該傳感器具有可靠度高、壽命長、分辨率高、靈敏度高、線性度好以及測量范圍寬等優點。

Wijesiriwardana R等人[18]用彈性萊卡纖維、不導電纖維和導電銅線織成針織物，設計了一種管狀電感式傳感器。將傳感器穿戴于胸部，可用于呼吸狀況的檢測，呼吸導致胸部產生微小的位移變化，從而導致傳感器電感變化，并記錄和轉換成電壓信號。

Kang T H等人[19]在非織造織物上縫合了磁導線制備電感傳感器，此傳感器同樣可以監測呼吸信號，因呼吸引起胸部微小振動，引起縫合在織物上的磁導線位置發生變化，從而導致穿過磁導線的磁通量變化，最終引起電流或電壓改變。

劉官正等人[20]利用“體域網”的穿戴式人體生理參數動態監測技術，將電感傳感器嵌入織物中，設計了穿戴式電感動態呼吸監測微系統，并對被測試者進行不同日常活動(坐—走—跑—恢復)和連續6 h的睡眠呼吸監測實驗。結果表明：呼吸率的平均測量精度約為95 %，此傳感器可用于日常生活和睡眠呼吸監測。

6 結 論

綜上所述，各種傳感器與紡織品結合后應用廣泛，它們是智能紡織品中核心的研究問題。而目前國內外研制的傳感器主要是在織物中嵌入電子元件或者金屬纖維制成，或者通過具有涂層的間隔織物來實現，這些傳感器存在電子元件不柔軟、金屬厚重感，以及涂層手感差、不能機洗等缺點，與紡織品結合后，影響了紡織品原本輕質、柔軟、舒適等特性，影響其穿戴舒適性，不能達到設計目標和使用性能的要求。從材料的角度出發，使用紡織材料制備的傳感器更容易與紡織服裝融為一體，它能充分發揮紡織材料的特性，克服傳統傳感器與紡織品結合后的缺點，是智能紡織品今后的發展方向。

[1] Wilson J S.Sensor technology handbook[M].Holland:Butterworth-Heinemann,2005.

[2] Sergio M,Manaresin N,Targagni M.A textile-based capacitive pressure sensor[C]∥Proceedings of IEEE Sensors,2002,:153-160.

[3] Meyer J,Lukowicz P,Troster G.Textile pressure sensor for muscle activity and motion detection[C]∥Proceedings of the 10th IEEE International Symposium on Wearable Computers,Montreux,2006.

[4] Donselaar R,Chen W.Design of a smart textile mat to study pre-ssure distribution on multiple foam material configurations[C]∥Proceedings of the 4th International Symposium on Applied Sciences in Biomedical and Communication Technologies,Barcelona,2011.

[5] Kang T,Merritt C,Karaguzel B,et al.Sensors on textile substrates for home-based healthcare monitoring[C]∥Proceedings of the 1st Distributed Diagnosis and Home Healthcare(D2H2)Conference,Virginia,2006.

[6] Gautschi G.Piezoelectric sensorics:Force,strain,pressure,acce-leration and acoustic emission sensors,materials and amplifier-s[M].Berlin:Springer,2002.

[7] Rothmaier M,Luong M P,Clemens F.Textile pressure sensor made of flexible plastic optical fibers[J].Sensors,2008,43(8):18-29.

[8] De Jonckheere J,Narbonneau F,Kinet D,et al.Optical fiber sensors embedded into technical textile for a continuous monitoring of patients under magnetic resonance imaging[C]∥2008 30th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,2008:6-9.

[9] 王慶鋒,吳 斌,宋吟蔚,等.PVDF壓電傳感器信號調理電路的設計[J].儀器儀表學報,2006,27(6):1652-1655.

[10] Edmison J,Jones M,Lockhart T,et al.An e-textile system for motion analysis[J].Stud Health Technol Inform,2004,10(8):292-301.

[11] Drean E,Schacher L,Bauer F,et al.A smart sensor for induced stress measurement in automotive textiles[J].J Text Inst,2007,98(5):23-31.

[12] Liu J,Lockhart T E,Jones M,et al.Local dynamic stability assessment of motion impaired elderly using electronic textile pants[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2008(5):696-702.

[13] 沙永忠,姜宏偉,李盤文.柔性壓電傳感器的設計[J].測控技術,2011,30(3):1-5.

[14] De Rossi D,Della Santa A,Mazzoldi A.Dressware:Wearable hardware[J].Mater Sci Eng C:Biomimetic Supramol Syst,1999,7(3):1-5.

[15] Munro B J,Campbell T E,Wallace G G,et al.The intelligent knee sleeve: A wearable biofeedback device[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2008,131(54):1-7.

[16] 于 濤.炭黑/硅橡膠電阻一變形性能的研究[D].上海:東華大學,2011.

[17] López-Higuera J M.Handbook of optical fibre sensing technolo-gy[M].New York:Wiley,2002.

[18] Wijesiriwardana R.Inductive fiber-meshed strain and displacement transducers for respiratory measuring systems and motion capturing systems[J].IEEE Sensors Journal,2006,6(5):71-79.

[19] Kang T H.Textile-embedded sensors for wearable physiological monitoring systems[D].Raleigh:Duke University,2006.

[20] 劉官正,吳 丹,梅占勇,等.基于體域網的動態呼吸監測系統設計[J].中國生物工程醫學學報,2012,31(2):316-319.

Research progress of flexible sensor for smart textiles*

MA Yan-li, LIU Qian, LIU Wei

(College of Fashion,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Sensors are the core parts of smart textiles,especially for flexible sensors.According to different operating principles,five kinds of flexible sensors applied to smart textiles are presented and measurement principles,materials and structures,combining ways with textile materials and specific application are also discussed respectively.Meanwhile,existing defects of various flexible sensors are analyzed.Finally,developing direction of flexible sensor in the future is prospected.

smart textile; textile material; sensor; flexible

2014—08—22

上海市青年科技英才揚帆計劃資助項目(14YF1409600)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0001—03

TP 212.6

A

1000—9787(2015)04—0001—03

馬艷麗(1989-)，女，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為電智能紡織品。