摘要：紡織電阻傳感器具有質(zhì)量輕、柔性好和可拉伸等優(yōu)良特性，在可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。本文根據(jù)近年來不同紡織材料基電阻傳感器的研究進(jìn)展，介紹了無捻纖維(束)基電阻傳感器、紗線(長絲紗、短纖維紗、復(fù)合紗)基電阻傳感器和織物(針織物、機(jī)織物、非織造織物)基電阻傳感器的制備、性能及應(yīng)用研究。在紗線基電阻傳感器中，主要基于導(dǎo)電涂覆紗線受力過程中纖維的內(nèi)在彈性或長絲之間接觸程度的變化所引起電阻改變的原理，制備電阻傳感器;對(duì)于織物電阻傳感器，主要利用織物結(jié)構(gòu)體的變形特征并結(jié)合對(duì)織物進(jìn)行導(dǎo)電涂覆或碳化等方法，制備電阻傳感器。

　　關(guān)鍵詞：電阻傳感器;紗線;織物;彈性;導(dǎo)電涂覆

　　隨著紡織材料和納米技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴柔性傳感器得到了研究者極大的關(guān)注，可穿戴柔性力學(xué)傳感器的研究應(yīng)用體現(xiàn)在很多方面：電子皮膚[1~3]、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)[4,5]、智能機(jī)器人[6,7]和保健監(jiān)護(hù)[8~10]等。與傳統(tǒng)剛性傳感器相比，柔性可穿戴傳感器具有良好的柔韌性、可拉伸性及可連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)[11,12]。

　　電力方向評(píng)職知識(shí)：寫熱敏電阻論文引用哪些文獻(xiàn)

　　柔性應(yīng)變電阻傳感器是以導(dǎo)電活性材料(碳基材料[13,14]和金屬納米材料[15~17])作為電信號(hào)傳輸介質(zhì)，在受力時(shí)柔性基體(彈性聚合物[18,19]和紡織品[20,21])產(chǎn)生形變(壓縮、彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)等)，引起導(dǎo)電材料的電阻變化的裝置或器件。以紡織材料為基底的電阻傳感器具有質(zhì)量輕、柔性好、可拉伸等優(yōu)良特性，在智能可穿戴領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文綜述了以不同紡織材料基電阻傳感器的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外近幾年以無捻纖維(束)為基底、以紗線為基底和以織物為基底的電阻傳感器的制備、性能及應(yīng)用研究。

　　1電阻傳感結(jié)構(gòu)和機(jī)理

　　柔性傳感器按信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制主要分為壓阻式、電容式和壓電式三大基本形式[22~24]。目前柔性紡織應(yīng)變傳感器多是以電阻式傳感器為主，該類傳感器是由于纖維、紗線和織物結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致電阻變化，在受力過程中導(dǎo)電材料間接觸電阻和長度電阻的改變引起織物電信號(hào)的相應(yīng)變化，并以電阻的形式表現(xiàn)出來[25,26]。傳感系數(shù)GF[27,28]用于表示柔性應(yīng)變傳感器靈敏度，GF=∆R/(R0×ε),ε=∆L/L0，式中：R0為傳感器的電阻值;ΔR=R–R0，式中：R為拉伸條件下傳感器的電阻值;ε為外加應(yīng)變;L0為傳感器長度;ΔL=L–L0，式中：L為傳感器拉伸條件下的長度[29,30]。目前，柔性紡織應(yīng)變傳感器以無捻纖維(束)基、紗線基和織物基傳感器為主。

　　2無捻纖維(束)基電阻傳感器

　　通過物理涂覆和化學(xué)接枝等的方法將碳基材料和金屬納米材料整理到彈性纖維(束)的表面制成無捻纖維(束)基電阻傳感器。Liao等[31]制備一種由氧化鋅納米線和聚氨酯纖維組成的傳感器，它集聚應(yīng)變、溫度和紫外線3種不同的傳感能力，擁有高拉伸能力(可高達(dá)150%)。作為應(yīng)變傳感器的快速響應(yīng)時(shí)間為38ms，靈敏度因數(shù)15.2，在循環(huán)10000次加載實(shí)驗(yàn)仍具有高穩(wěn)定性;作為溫度傳感器的溫度檢測(cè)的高溫靈敏度為39.3%/℃;作為紫外線傳感器的電信號(hào)的響應(yīng)和復(fù)位很慢，響應(yīng)時(shí)間29.8~37.1s和復(fù)位時(shí)間6.6~10.1s。Zhu等[32]利用玻璃毛細(xì)管的虹吸原理，將銀納米線(AgNW)嵌入到聚氨酯(PU)纖維的表面層內(nèi)，制備PU纖維傳感器，該纖維在拉伸過程中，AgNW會(huì)隨PU纖維形變而運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的電傳感信號(hào)。

　　Fig.1顯示PU/AgNW纖維結(jié)構(gòu)以及PU/AgNW應(yīng)變傳感器電阻隨手腕運(yùn)動(dòng)的變化。Wu等[33]用碳黑和天然橡膠構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物涂覆氨綸紗，制備高度敏感的應(yīng)變傳感器，傳感器的應(yīng)變靈敏度因數(shù)39，這個(gè)傳感器可以監(jiān)測(cè)接近皮膚的微小運(yùn)動(dòng)，貼在測(cè)試者的前額，可以監(jiān)測(cè)面部表情變化。Li等[34]采用層層組裝技術(shù)制備石墨烯/聚氨酯(皮層/芯)的紗線傳感器，該傳感器有很高的靈敏度(應(yīng)變系數(shù)86.9),良好的線性(相關(guān)系數(shù)為0.97)和可重復(fù)性(重復(fù)性誤差為1.81%),和低滯后(滯后誤差為9.08%)，同時(shí)由于在聚氨酯芯上涂有一層薄薄的石墨烯納米薄片，紗線傳感器的熱穩(wěn)定性也略有提高。

　　3紗線基電阻傳感器

　　目前，紗線基電阻傳感器是將導(dǎo)電活性材料通過表面接枝、浸漬和原位聚合等方法復(fù)合到紗線表面，使具有一定的導(dǎo)電性。紗線基電阻傳感器根據(jù)紗線的結(jié)構(gòu)和外形分為3類：以長絲紗為基底的電阻傳感器;以短纖維紗為基底的電阻傳感器;以復(fù)合紗為基底的電阻傳感器。

　　3.1以長絲紗為基底的電阻傳感器Zhong等[35]將銀納米線與聚烯烴納米纖維紗在特定的混合溶劑中制成導(dǎo)電紗線。該傳感器在應(yīng)變?yōu)?%~65%內(nèi)的，靈敏度系數(shù)最高達(dá)13920，可響應(yīng)最小檢測(cè)極限為0.065%。其在4500個(gè)循環(huán)中，應(yīng)變?yōu)?0%，具有良好的耐久性。拉伸和釋放應(yīng)變的響應(yīng)時(shí)間分別為10ms和15ms。同時(shí)，該傳感器還成功地應(yīng)用單紗實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

　　Ye等[36]采用浸漬涂覆方法把碳納米管黏合到天然蠶絲纖維表面制備導(dǎo)電天然蠶絲纖維(CSF)，然后對(duì)多根導(dǎo)電天然蠶絲纖維加捻，形成導(dǎo)電天然蠶絲纖維紗(見Fig.2)。當(dāng)紗延伸時(shí)緊密接觸，單纖維之間的接觸面積增加，電阻減小。電阻變化與紗線變形同步，并在40次循環(huán)之后保持穩(wěn)定。該導(dǎo)電紗可以監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)。吳榮輝等[37]通過浸漬法對(duì)蠶絲加捻得到的蠶絲紗編織為閉口編鏈組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)電修飾，制備銀納米線涂層的紗線傳感器。該傳感器在拉伸應(yīng)變傳感方面具有良好的性能，在小于5%的應(yīng)變范圍內(nèi)，靈敏度因數(shù)高達(dá)20.14;傳感器在拉伸頻率0.01~1.00Hz之間有穩(wěn)定的響應(yīng)。

　　4織物基電阻傳感器

　　織物傳感器可以檢測(cè)復(fù)雜平面，檢測(cè)范圍和應(yīng)用更為廣泛。現(xiàn)在，制備織物應(yīng)變傳感器的方法是將導(dǎo)電紗線通過不同制造工藝織成導(dǎo)電織物或織物通過后整理的方式制成導(dǎo)電織物。目前織物電阻傳感器按不同織物結(jié)構(gòu)基底材料可分為3種：一是以針織物為基底的應(yīng)變傳感器;二是以機(jī)織物為基底的應(yīng)變傳感器;三是以非織造布為基底的應(yīng)變傳感器。

　　4.1以針織物為基底的電阻傳感器Atalay等[43]使用鍍銀尼龍紗線制備了緯平針織物應(yīng)變傳感器，當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，對(duì)應(yīng)的靈敏因數(shù)在3.44左右，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該傳感器在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下都有良好的響應(yīng)。Lee等[44]采用簡(jiǎn)單、可伸縮的浸漬-還原方法，以氨綸/尼龍針織織物為基底材料，制備能夠監(jiān)測(cè)手指彎曲等人體運(yùn)動(dòng)的石墨烯/織物應(yīng)變傳感器，在40.6%應(yīng)變范圍內(nèi)具有良好的導(dǎo)電性和高應(yīng)變因數(shù)(18.24)。Chen等[5]采用真空袋裝、負(fù)壓吸附和滴涂3種方法將廢棉織物炭化后與天然膠乳復(fù)合，開發(fā)一種綠色制備柔性傳感器的方法。炭化棉經(jīng)天然橡膠浸漬后，保持了原有的針織結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性，所制備的可穿戴柔性應(yīng)變傳感器可以監(jiān)測(cè)人體手指和手臂運(yùn)動(dòng)的能力。Cho等[45]將單壁納米碳黑漿料添加到針織物(77%聚酯纖維/23%氨綸)的基布中，研究一種織物壓阻式運(yùn)動(dòng)傳感器。該織物傳感器具有較高的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，同時(shí)驗(yàn)證了織物所感知的運(yùn)動(dòng)與加速度傳感器之間的一致性，可以感知兒童不同身體部位的運(yùn)動(dòng)。

　　4.2以機(jī)織物為基底的電阻傳感器

　　Zhang等[46]對(duì)平紋棉織物進(jìn)行碳化處理，制備可穿戴應(yīng)變傳感器。應(yīng)變傳感器具有大工作應(yīng)變范圍(>140%)，優(yōu)良的靈敏度(在應(yīng)變0%~80%，靈敏度因數(shù)25;在應(yīng)變80%~140%，靈敏度因數(shù)64)。此外，傳感器可以監(jiān)測(cè)0.02%的微弱應(yīng)變。Ren等[47]通過氧化石墨烯溶液的真空過濾和熱壓還原法制備了柔性導(dǎo)電RGO沉積棉織物，電阻變化主要是RGO沉積層的裂紋決定，導(dǎo)電棉織物經(jīng)400次彎曲后仍能作為應(yīng)變傳感器。

　　Lu等[48]采用熱膨脹法制備了石墨烯片(GnPs)，并將其壓制成導(dǎo)電石墨烯薄膜。將石墨烯薄膜和尼龍織物集成在一起，良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使GF/NF應(yīng)變傳感器具有優(yōu)良的電性能(導(dǎo)電率為9.09×104S/m)。GF/NF應(yīng)變傳感器具有較高的靈敏度(0%~12%和12%~19%應(yīng)變下的靈敏度因數(shù)分別為9.78和47.6)。手指關(guān)節(jié)彎曲矯直1000多個(gè)周期后，電信號(hào)穩(wěn)定，GF/NF應(yīng)變傳感器對(duì)人體手指、腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)等不同關(guān)節(jié)具有檢測(cè)能力。He等[49]采用還原法和后續(xù)抽濾法制備多功能還原氧化石墨烯/亞麻(RGO/LN)織物，所制備的RGO/LN織物作為甲烷氣體和應(yīng)變傳感器，具有較高的靈敏度、顯著的可靠性和可行性。此外，RGO/LN織物傳感器具有良好的耐洗性、透濕性和透氣性，顯示出其在各種關(guān)鍵環(huán)境下應(yīng)用的巨大潛力。

　　Zheng等[50]把棉織物經(jīng)石墨烯和聚二甲基硅氧烷處理后制成了CFSS-90和CFSS-45(90和45代表棉紗交織方向與拉伸方向的夾角)織物應(yīng)變傳感器。2種應(yīng)變傳感器均表現(xiàn)出良好的線性電流-電壓特性和較快的響應(yīng)時(shí)間(約90ms)。同時(shí)其表現(xiàn)出顯著的重現(xiàn)性、耐久性(CFSS-45在30%應(yīng)變下10000個(gè)循環(huán))和檢測(cè)極低應(yīng)變(約0.4%應(yīng)變)的傳感能力。Ma等[51]提出一種基于棉/氨綸混紡織物的化學(xué)鍍銀傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度，靈敏度因數(shù)為26.11，電導(dǎo)率為15.7S/m，同時(shí)保持了柔軟的性能。另外，由于有銀層，織物還具有良好的抗菌性能。它在人體監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出規(guī)律性的電阻變化，能夠在0.04s的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到微小的外部變形。

　　5結(jié)束語

　　目前研究的柔性可穿戴電子傳感器在人體生命體征(如心率、呼吸和體溫等)和人類運(yùn)動(dòng)健身的檢測(cè)應(yīng)用較廣，但仍然存在很多棘手的問題需要研究者去解決，例如靈敏性、響應(yīng)時(shí)間、重復(fù)穩(wěn)定性、耐久性、制作方法和成本等，很多操作都無法得到實(shí)現(xiàn)。未來柔性可穿戴傳感器的研究可能主要集中在改進(jìn)制作工藝和引進(jìn)高新材料，使其能夠快速應(yīng)用到人們的實(shí)際生活中，為人們的生活提供便利。

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　　作者：1王軍慶1，李龍1，2，吳磊1