摘要： 探討柔性壓力傳感器在紡織品中的創(chuàng)新應(yīng)用。介紹了柔性壓力傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、工藝與性能，分析了當(dāng)前柔性壓力傳感器的創(chuàng)新要點(diǎn)，及其在智能紡織品中的應(yīng)用情況，分析了柔性壓力傳感器在智能紡織品中應(yīng)用的局限性因素。認(rèn)為：柔性壓力傳感器的柔性基底與薄膜以及其結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究，不僅是柔性壓力傳感器創(chuàng)新研究的重點(diǎn)，而且是推動(dòng)柔性壓力傳感器與智能紡織品緊密結(jié)合的根本動(dòng)力。
柔性壓力傳感器常用基底與薄膜材料柔性壓力傳感器是由柔性材料制成，用于感知物體表面作用力大小的柔性電子器件。其通過(guò)貼附于各種不同物體的表面，來(lái)感受物體的壓力變化。柔性壓力傳感器除了具有剛性壓力傳感器的特點(diǎn)外，還具有良好的延展性、透明性、柔韌性，可自由彎曲折疊且方便穿戴或攜帶，能夠快速、高效以及準(zhǔn)確地感應(yīng)到物體所受的壓力變 化，在醫(yī)療健康、機(jī)器人“皮膚”、智能運(yùn)動(dòng)、智能服裝以及生物力學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。標(biāo)準(zhǔn)的柔性壓力傳感器一般由一片薄膜、一片柔性基底和內(nèi)表鋪設(shè)導(dǎo)體及半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖 1所示。
1. 1 柔性壓力傳感器常用基底材料
柔性壓力傳感器的基底由具有質(zhì)地較軟、易彎折、輕便等屬性的柔性材料制成。常見(jiàn)的柔性材料有：聚酰亞胺（以下簡(jiǎn)稱(chēng) PI）、聚二甲基硅氧烷（以下簡(jiǎn)稱(chēng) PDMS）、紙片、紡織材料等。PI 是綜合性能#佳的有機(jī)高分子材料之一，其具有很好的機(jī)械性能，優(yōu)良的輻射性能，抗張強(qiáng)度高，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá) 250 ℃，耐化學(xué)性藥品，一般不溶于有機(jī)溶劑，對(duì)烯酸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其耐水解性能較差［1］。
目前，在較多柔性基底材料研究中，PDMS 方便易得、透明、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好，在紫外光下，其黏附區(qū)和非黏附區(qū)的特征明顯，使其表面可以很容易黏附電子材料，因而成為了shou選基底材料。
1. 2 柔性壓力傳感器常用薄膜材料
柔性壓力傳感器根據(jù)其被測(cè)量信息的不同需求，其常用薄膜材料也不同。常用薄膜材料有納米復(fù)合薄膜、透明導(dǎo)電氧化物薄膜、金屬薄膜等。金屬薄膜的優(yōu)點(diǎn)在于可明顯改變其表面特征，賦予其各種新的功能，而且基底柔軟，易彎曲。透明導(dǎo)電氧化物薄膜不僅具有良好的導(dǎo)電性，而且可折疊、不易碎、便于運(yùn)輸、質(zhì)量輕，具有可見(jiàn)光范圍光學(xué)透明性［2］。納米復(fù)合薄膜材料#初在傳感器上的使用是以超微顆粒為主。近年來(lái)，由于低維材料、列陣材料的廣泛應(yīng)用，碳納米粉復(fù)合材料［3］、碳納米管復(fù)合材料［4］、碳納米管/炭黑/硅橡膠復(fù)合陣列［5］等材料被廣泛應(yīng)用于傳感器中。
2 柔性壓力傳感器在智能紡織品中的應(yīng)用種類(lèi)
2. 1 壓阻式柔性壓力傳感器
壓阻式柔性壓力傳感器主要是將導(dǎo)電相，如碳纖維、碳納米管、金屬顆粒等，摻入到絕緣基底材料 PI、PDMS 等中制成柔性壓阻材料［6］。壓阻式柔性壓力傳感器是通過(guò)感應(yīng)由外力造成的電阻變化而產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)直觀讀取外力的變化。當(dāng)外力作用到傳感器的感應(yīng)點(diǎn)上時(shí)，其阻值與外力會(huì)呈負(fù)相關(guān)變化，即當(dāng)壓力趨為零時(shí)，阻值越大；壓力越大，阻值越小。該類(lèi)傳感器種類(lèi)繁多，基于器件單一和信號(hào)導(dǎo)出機(jī)制簡(jiǎn)單的特 點(diǎn) ，成 為 目 前 運(yùn) 用 # 為 廣 泛 的 一 類(lèi) 壓 力 傳感器。
2. 2 電容式柔性壓力傳感器
電容式柔性壓力傳感器通常是以一種鍍金屬的薄膜或者金屬薄膜作為電容器的電極。其可以將感受到的外界壓力變化轉(zhuǎn)換為一種電信號(hào)，主要通過(guò)感受外界壓力從而產(chǎn)生電容，靠電容改變來(lái)獲得相應(yīng)的電信號(hào)［7］。電容式柔性壓力傳感器的工作原理是：當(dāng)外界給予一定的壓力時(shí)，其鍍金屬的或者金屬的薄膜會(huì)感受到壓力從而變形，此時(shí)薄膜與固定電極之間的電容隨之發(fā)生變化，從而輸出相應(yīng)的電信號(hào)。這種柔性壓力傳感器具有較高的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)范圍，且對(duì)力的變化敏感度較高，所以其可以在較低耗能的情況下，完成對(duì)微小靜態(tài)力的精que檢測(cè)［8］。
2. 3 壓電式柔性壓力傳感器
壓電式柔性壓力傳感器主要由壓電敏感材料，如聚偏氟乙烯等組成，其運(yùn)用壓電材料實(shí)現(xiàn)壓力對(duì)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其工作原理是：壓電系數(shù)越高，壓電敏感材料的能量轉(zhuǎn)化率越高，其轉(zhuǎn)化的電信號(hào)就越強(qiáng)。壓電式柔性壓力傳感器是運(yùn)用壓電材料實(shí)現(xiàn)壓力對(duì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換的傳感器。這類(lèi)柔性壓力傳感器的靈敏度、精que度、壓電系數(shù)以及響應(yīng)速度較高，因此主要作為柔性觸摸傳感器被廣泛使用［9］。
2. 4 適用性
壓阻式、電容式以及壓電式柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。
由于不同柔性壓力傳感器有其自身適用范圍的限制，其在智能紡織品與智能服裝中的應(yīng)用種類(lèi)也具有一定的局限性。壓阻式、電容式以及壓電式柔性壓力傳感器都具有使用限制范圍小、靈敏度、精que度高等特點(diǎn)，因此均可適用于智能紡織品尤其是智能服裝中。
3 柔性壓力傳感器的創(chuàng)新研究狀況
柔性壓力傳感器結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測(cè)量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對(duì)特殊環(huán)境與特殊信號(hào)進(jìn)行精que快捷測(cè)量，解決了傳感器的小型化、集成化、智能化發(fā)展問(wèn)題，這些新型 柔 性 壓 力 傳 感 器 在 智 能 服 裝 中 有 著 重 要 作用［10］。但目前對(duì)于柔性基底、薄膜等用于柔性壓力傳感器的材料制備技術(shù)工藝水平還不成熟，在成本、適用范圍、使用壽命等方面還存在問(wèn)題［11］。常用柔性基底存在不耐高溫的缺點(diǎn)，導(dǎo)致柔性基底與薄膜材料間應(yīng)力大、黏附力弱。柔性傳感器的組裝、排列、集成和封裝技術(shù)也還有待進(jìn)一步提高［12］。為了獲得高性能的柔性壓力傳感器，研究者們?cè)趥鞲衅鞯牟牧稀⒔Y(jié)構(gòu)及器件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新型研究工作。
3. 1 柔性壓力傳感器材料設(shè)計(jì)
GAO Lei 等人開(kāi)發(fā)了一種全紙基壓阻式（以下簡(jiǎn)稱(chēng) APBP）壓力傳感器，這種壓力傳感器是基于以銀鍍納米線(xiàn) AgNws 為傳感器的薄膜，以納米纖維素紙 NCP 為基底，用于印刷電極。APBP壓力傳感器在 1. 5 kPa 的范圍內(nèi)具有很高的靈敏度。0. 03 kPa~30. 2 kPa，在彎曲狀態(tài)下可保持良好的性能，可安裝于人體皮膚，對(duì)人生理（如動(dòng)脈心脈，咽喉發(fā)聲）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成功應(yīng)用于軟性電子皮膚對(duì)外界的反應(yīng)。其具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、制備速度快、易于焚燒處理等優(yōu)點(diǎn)［13］。LIU Kangning 等以聚苯胺涂層織物的好特層次結(jié)構(gòu)，較大的表面粗糙度和高導(dǎo)電率的交織物電極作為活性材料，構(gòu)建了高性能、柔性、全織物壓電式壓力傳感器。該傳感器具有很高靈敏度，寬線(xiàn)性（<4. 5 kPa）46. 48 kPa-1，快速響應(yīng)/弛豫時(shí)間（7 ms/16 ms）和低檢測(cè)限（0. 46 Pa）等優(yōu)點(diǎn)，在人體壓力檢測(cè)中有實(shí)際應(yīng)用［14］。
3. 2 柔性壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
ZHOU J W 等人設(shè)計(jì)了一種基于夾層壓電駐極體結(jié)構(gòu)的柔性貼片。其具有高等效壓電系數(shù)（4 050 Pc/N），可選擇性地執(zhí)行驅(qū)動(dòng)或傳感功能。作為傳感器，壓力檢測(cè)限為 1. 84 Pa，靈敏度高，穩(wěn)定性好［15］。
YU Zhenzhong 等設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)圖形化的 PPY/PDMS 薄膜和不同方向的鋸齒形陣列面對(duì)面疊而成，其核心是橫桿設(shè)計(jì)。其工作原理為，兩片 PPY/PDMS 薄膜之間的電阻變化由其所受壓力引起，當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)，PDMS膜上的矩形列陣會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的彈性變形，從而導(dǎo)致兩片 PPY/PDMS 之間的接觸區(qū)增大。接觸電 阻 會(huì) 顯 著 降 低 。 相 反 ，當(dāng) 外 力 釋 放 時(shí) ，兩 種PPY/PDMS 薄膜都恢復(fù)了原來(lái)的形狀，導(dǎo)致導(dǎo)電面積減小。
接觸電阻就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀［16］，具體如圖 3 所示。
3. 3 柔性壓力傳感器器件設(shè)計(jì)
王瑞榮等提出了一種微結(jié)構(gòu) PDMS 為介質(zhì)層的柔性陣列壓力傳感器，采用微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS 工藝實(shí)現(xiàn)了傳感器電極的制備，采用三明治的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了柔性陣列壓力傳感器的制備。其采用微結(jié)構(gòu) PDMS 為介質(zhì)層明顯提高了傳感器的靈敏度，當(dāng)介質(zhì)層厚度為 0. 5 mm 時(shí)，0 kPa~5 kPa 和 5 kPa~20 kPa 下傳感器的靈敏度分別為0. 18 kPa-1和 0. 02 kPa-1，同時(shí)傳感器具有良好的重復(fù)性（>1 000 次）、快速的響應(yīng)時(shí)間（<200 ms）和低的檢測(cè)極限（約為 5. 5 Pa）。該傳感器能夠準(zhǔn)確、靈活地監(jiān)測(cè)外部壓力的變化和分布，適用于未來(lái)智能機(jī)器人中電子皮膚的應(yīng)用［17］。
史瑞龍等研制了一種基于微結(jié)構(gòu)銀納米線(xiàn)的柔性透明電容式壓力傳感器。其與具有平面結(jié)構(gòu)的純 PDMS 介電層相比，具有較高的靈敏度（0. 831 kPa-1，<0. 5 kPa-1），較低的檢測(cè)限，良好的穩(wěn)定性與耐久性。通過(guò)討論導(dǎo)電填料含量和圖案化微結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)傳感機(jī)制，制作了用作柔性和透明可穿戴觸摸鍵盤(pán)系統(tǒng)的 5×5 傳感陣列［18］，如圖 4 所示。
3. 4 創(chuàng)新成果
目前已經(jīng)研制出了一些基于新型材料與結(jié)構(gòu)的高性能、低成本的柔性壓力傳感器。這些創(chuàng)新型柔性壓力傳感器通過(guò)對(duì)傳感器材料、結(jié)構(gòu)以及器件設(shè)計(jì)的創(chuàng)新研究，提高了柔性壓力傳感器的靈敏度，解決了柔性壓力傳感器成本高、適用范圍小以及壽命短等問(wèn)題，并且進(jìn)一步提高了柔性壓力傳感器的靈敏度與精que度，促進(jìn)了柔性壓力傳感器的發(fā)展。對(duì)柔性壓力傳感器材料、結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)的創(chuàng)新研究，是推動(dòng)柔性壓力傳感器發(fā)展的根本動(dòng)力。
4 柔性壓力傳感器在智能紡織品中的應(yīng)用現(xiàn)狀
智能紡織品是一種以智能材料為基礎(chǔ)的紡織品與現(xiàn)代信息集合的產(chǎn)物。它是將紡織品與現(xiàn)代電子技術(shù)、納米技術(shù)、材料科學(xué)以及生物科學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)紡織品的性能大幅度提升，從而推進(jìn)現(xiàn)代紡織品的科技進(jìn)展［19］。柔性壓力傳感器在智能紡織品和智能服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括醫(yī)療健康和運(yùn)動(dòng)防護(hù)兩大類(lèi)。
4. 1 醫(yī)療健康領(lǐng)域
基于柔性壓力傳感器的智能紡織品與智能服裝在日常生活中，一般是通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)建立通訊，其主要功能為測(cè)量一些行走步數(shù)、心率和皮膚導(dǎo)電率等日常參數(shù)，或通過(guò)加速度傳感器測(cè)量人在睡眠時(shí)的姿態(tài)，從而反映睡眠質(zhì)量［20］。將智能紡織品應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，可為醫(yī)生提供病人的實(shí)際情況，從而制定更適合的治療方案，也為醫(yī)生及時(shí)掌握病人情況提供便利。目前，可穿戴傳感器已經(jīng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)部分疾病，既可以作為預(yù)防性手段防止突發(fā)疾病的發(fā)生，又可以作為輔助性治療手段和監(jiān)測(cè)手段有利于人體的康復(fù)［21］。MIN S D 等提出了一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的織物電容式呼吸傳感器［22］，用于由導(dǎo)電織物和聚酯組成的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，呼吸速率由TCRS 中兩個(gè)織物板之間的距離變化決定，該距離變化測(cè)量腹部直徑隨呼吸運(yùn)動(dòng)而變化的力。該紡織傳感器在監(jiān)測(cè)呼吸頻率方面取得了優(yōu)異的效果；但是也存在著一些問(wèn)題，如清洗方法和針對(duì)不同人群的制造。
LEAL A G［23］等設(shè)計(jì)了一種用于同時(shí)測(cè)量呼吸和心率的聚合物光纖 POF 傳感器的研制。該傳感器作為一種智能紡織解決方案嵌入用戶(hù)衣服中。此外，還提出了一種信號(hào)處理技術(shù)，可以在不受身體運(yùn)動(dòng)影響的情況下，在使用者胸部不同位置獲得呼吸和心率。在頻域內(nèi)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了處理和分析，并采用了不同的濾波器。結(jié)果顯示：呼吸和心率的誤差分別低于每分鐘 2次和每分鐘 4 次呼吸，即使用戶(hù)正在進(jìn)行周期性的身體運(yùn)動(dòng)，如步態(tài)誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)。因此，所提出的基于 POF 的智能紡織品是一種低成本、高精度的解決方案，可以很容易地應(yīng)用于家庭患者的遠(yuǎn)程監(jiān)控，而不會(huì)干擾他們的日常活動(dòng)。傳感器嵌入彈性帶示意圖及胸部傳感器位置示意圖如圖 5所示。
AU Koyama 等設(shè)計(jì)了一種新型智能紡織品，它采用單模異質(zhì)芯光纖傳感器監(jiān)測(cè)心跳和呼吸，并通過(guò)編織設(shè)計(jì)了智能紡織品［24］。異質(zhì)芯光纖與羊毛織物結(jié)合在一起。這種新型織物可以檢測(cè)到變化。形狀可以融入衣服中，這樣的衣服可以給穿著者帶來(lái)舒適感，為了同時(shí)監(jiān)測(cè)心跳和呼吸，可將織物縫在衣服上，感知胸部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微小負(fù)荷變化以及生命體征。
4. 2 運(yùn)動(dòng)防護(hù)
智能紡織品應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)防護(hù)可大大降低由于運(yùn)動(dòng)不當(dāng)所造成的人體損傷情況［25］。防護(hù)服裝的總發(fā)展趨勢(shì)是全面防護(hù)，實(shí)現(xiàn)由單一危險(xiǎn)因素防護(hù)到多種危害因素的綜合防護(hù)［26］。智能服裝通過(guò)傳感器能夠測(cè)量人體四肢關(guān)鍵肌腱群之間以及皮膚之間的壓力，能夠評(píng)估肌肉收縮舒張狀況和肢體位置；同時(shí)，智能服裝能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)并判斷姿態(tài)的準(zhǔn)確性，通過(guò)反饋及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練方案，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員提高成績(jī)［27］。
TAKEDA R 等［28］利用可穿戴傳感器區(qū)分人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并正確評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的正誤。在此過(guò)程中，主要通過(guò)加速度傳感器和陀螺儀測(cè)量出髖部、膝蓋、腳踝這三個(gè)部位屈伸的角度，與攝像機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照，同時(shí)對(duì)比左右腿部位的檢測(cè)狀況，依據(jù)角度曲線(xiàn)對(duì)人體姿態(tài)做出診斷。
Textronics 公司生產(chǎn)了一款工程化無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣 Numetrex Whit，其采用鍍銀尼龍和棉質(zhì)萊卡面料。這款內(nèi)衣在特定區(qū)域包含集成的針織傳感器，可通過(guò)內(nèi)衣中針織面料的壓力直接檢測(cè)心率［29］。
2003 年，DEROSSI D 等制作了一個(gè)帶有嵌入式的緊身衣和手套。碳負(fù)載橡膠傳感器。這些智能服裝記錄手臂和上軀干的運(yùn)動(dòng)以及手指的運(yùn)動(dòng)。圖 6 顯示在軀干彎曲時(shí)，位于左右兩側(cè)的傳感器將以相反的方式變化［30］。
4. 3 研究方向
柔性壓力傳感器作為智能紡織品中的重要部件，其在醫(yī)療健康與運(yùn)動(dòng)防護(hù)方面主要作用為檢測(cè)呼吸、心率以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其精que率與穩(wěn)定性雖然已具有顯著成果，但在清洗以及智能紡織品的融合度方面還不夠完善，且價(jià)格偏高，需要通過(guò)對(duì)柔性壓力傳感器材料、結(jié)構(gòu)以及器件方面的創(chuàng)新研究，使其易于清洗、不易損壞且增強(qiáng)其與智能紡織品與智能服裝的融合度，使穿著佩戴者更加的舒適。
5 結(jié)語(yǔ)
柔性壓力傳感器能精que、快速地感應(yīng)到周?chē)h(huán)境中的微弱壓力變化，其對(duì)智能紡織品與智能服裝的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響，提高了人們的生活質(zhì)量，增加了服裝的功能性。柔性壓力傳感器的創(chuàng)新不僅僅帶動(dòng)了材料、電子、化工等領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展，更加帶動(dòng)了智能紡織品與智能服裝的創(chuàng)新與變革。但由于其自身材料、結(jié)構(gòu)以及器件等的限制，其目前在智能紡織品方面的應(yīng)用范圍較小，在與智能紡織品的融合度方面還不夠完善，在應(yīng)用中還存在不易清洗，穿著舒適度不高等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)適用于智能紡織品的新型材料、結(jié)構(gòu)以及器件的柔性壓力傳感器，提高柔性傳感器性能方面還需探索與研究。
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