柔性传感器在纺织品中的应用

刘欢欢

（西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048）

1 柔性传感器的定义

随着科技的发展，与人类息息相关的纺织品也发生了不同的变化，保暖、防寒以及视觉美观已经无法满足人们的需求，纺织品向多功能性发展，从而产生了智能纺织品。智能纺织品是一种将纺织材料、传感技术、通讯、人工智能等技术高度集成开发的新型纺织品，除满足基本的穿着、防寒、保暖等需求外，还具备了响应功能、感知功能、反馈功能以及自诊断、自修复等功能[1]。

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，其中柔性材料需具有柔软、易变形、低模量等特性，使其在满足一些基本的功能之外，还具有体积小、良好的延展性、柔软性等功能，在军事、航天航空、医疗、生物、娱乐等方面有着广阔的应用前景。

2 柔性传感器的分类

2.1 电容式传感器

电容传感器是根据电容器的原理制成的，由两个平行电极板及它俩之间的电介质构成，电容器的电容公式为：

其中，ε1—真空介电常数，ε2—相对介电常数，A—电极之间的距离，d—电极相对的面积。

前两个变量主要由电介质的本身属性决定，后两种变量可以通过外力来控制，进而来控制电容式传感器[2]。电容式传感器的灵敏度与弹性介电层有关，利用高柔性和粘弹性的介电层可以提高传感器的性能，利用导电薄膜、纱线、织物作为电极板可以提高柔韧性，将这种柔性传感器和纺织品结合起来不仅满足了基本的保暖防寒功能，而且还具有柔软、舒适等功能[3]。全勇等人[4]设计制备出一种三明治结构的电容式柔性压力传感器，利用银纳米线为电极材料，聚二甲基硅氧烷为柔性衬底，这种微纳结构的柔性衬底传感器能够提高其灵敏度。

2.2 压阻式传感器

压阻式传感器是一种外部刺激所引起的器件材料电阻值变化转换为电信号输出的传感器，常见的材料为半导体硅、锗以及炭黑、石墨烯填充高聚物符合导电纤维。这类传感器具有柔软、结构简单和灵敏度高等特点，在多个领域得到广泛应用。肖立志等人[5]设计了一种基于应变片压阻效应的柔性传感器阵列，使应用的机器人“皮肤”的传感器满足柔性、可阵列化和灵敏度高的需求。邬林等人[6]研发了一种基于压阻效应的陶瓷压力传感器，采用宜弯折柔性调理电路，体积小、稳定性好、宜封装集成，加之陶瓷芯片具有耐腐蚀、抗磨损、成本低等优点，该传感器可被广泛地应用在各种压力检测场合。

2.3 压电式传感器

压电传感器是一种将压电材料在外界的压力作用下产生了压电效应制成的传感器，常见的压电材料有氧化锌，聚偏氟乙烯和陶瓷等，将无机纳米粒子分散到其中可以具有很好的柔韧性，提高了智能柔性传感器的性能[7]。压电式传感器具有良好的灵敏度、性能稳定等优点，在柔性触摸传感方面已有很广泛的应用。

2.4 光纤式传感器

光纤传感器是一种将调制区发热光信号和待测参数相互作用后，导致光的波长、频率、相位和偏振态等发生变化进而获得被测参数的传感器。这类传感器具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀及耗电少等优点，国内外学者将光纤传感器运用到纺织服装、医疗及军事等领域，能够感知压力、温度及电场等信号的变化。

3 柔性传感器的应用

3.1 医疗保健

在医疗保健领域，柔性传感器主要将传感器印制在服装上或者具有柔性特性的材料上，可以诊断以及监测人们的生理特征，例如：脉搏、血压、心率、体温等，进而判断人们的健康状况。国外的英特尔研究人员对外发布了一款可以检测身体健康的T恤，这款智能T恤是和中国台湾AIO的公司进行合作开发的可穿戴设备，该产品植入英特尔研发的监测传感器，可以监测用户的心率、心电图等指标，并且还可以和手机上的专用软件相互传送数据[8]。

P.J.Soh等人[9]研发了一种应用于生物可穿戴纺织阵列的医学传感器，可以长时间的检测病人的信息，通过这个医疗传感器实现患者与医生对健康状况的信息交流。Viventi等人[10]利用活性电极阵列来构建了柔性电子传感器，用来测量心脏和大脑的特征信号，为了测量心电图信号，采用2 016个晶体管阵列在288个接触点获得瞬间的分辨率，实现了空间映射分变率信号的检测。

3.2 纺织服装

智能服装是指将传统的纺织技术、传感技术、通讯技术及人工智能技术等高度集成开发出多功能的服装产品。智能服装作为人体的“第二皮肤”，可以提高人工智能的人机交互体验，纺织服装是新型可穿戴柔性传感器研发的绝佳载体，目前以织物为基体研制的柔性传感器已经取到了一定的应用，天津大学的郝文飞[11]设计了一款用于监护心电的穿戴式设备，尽量可以降低系统功耗并进行长时间的监测，对智能服装提供了供电电路方案，提高了智能服装的舒适性。意大利的D De Rossi[12]在莱卡纤维的表面涂覆了聚吡咯涂层来制成智能手套进而检测手指的运动情况。王云燕[13]根据纱线结构、纤维导电原理及力学性能等研究分析选取镀银导电纱线作为导电纱线，通过圆机无缝编制到服装中作为电极式柔性传感器来实现导电传导功能，分析其织物的透气性、弹性拉伸性能及洗涤等因素对织物电阻变化的影响，选择最佳工艺来织造柔性传感器，为智能服装更快的发展奠定了基础。

3.3 运动娱乐

柔性可穿戴技术在运动娱乐方面也有广泛的应用，蒋毅等人[14]设计了一种柔性导电织物键盘。根据五线式触摸屏控制的电路功能要求设计了全织物的5层键盘结构，织物键盘包括织物层、功能定义层、隔离层、保护层，既满足高精度的要求，也满足了可折叠和柔性的功能需求。S.Stassi 等人[15]利用PDMS和纳米级铜粉聚合物设计了一种柔性可穿戴的足底压力传感器来监测鞋底压力的分布和人体运动过程中的脚底平均压力。张乃中等人[16,17]将导电纱线编制到服装面料中，结合控制芯片和计算机编程，利用微电流触控原理，开发出可演奏音乐的电子智能服装，以达到演奏的目的。这些产品将应用在音乐教学、演出、体验游戏等领域。

3.4 军事领域

在军事及航空航天领域，美国的“勇士系统”[18]是一个将光导与电导网、电子设备及智能传感器与服装结合技术的项目，它是集头盔与作战服装于一体的网络系统，它能智能监测作战人员的生理健康情况、实时位置及作战能力，传输实时的信息与预警，为作战人员提供战场防弹、防护。美国理工学院的研究人员通过在织物中嵌入一些光导纤维传感器，研发出了一种可探测有毒介质的织物，当传感器接触到某些气体、生化或有毒介质时，就会产生一种报警信号，提醒作战人员注意有毒的区域，提高在战场上的作战能力。

4 结语

本课题从柔性传感器的不同原理介绍了四种柔性传感器，阐述了在医疗保健、智能服装、运动娱乐及军事等方面的应用，柔性传感器作为智能纺织品的核心，在纺织领域中具有广阔的应用前景，对于智能纺织品的发展有一定的推动作用。