纺织结构压力及应变传感器性能优化

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　　摘要：总结了几种纺织结构压力及应变传感器性能优化设计的方法。在影响传感器性能的参数中，灵敏度和变形能力是研究者设计这两类传感器时优先考虑的参数。通过提高初始电阻、改变电流传输途径以及调控表面微结构的方法提高压力传感器的灵敏度。通过裂纹多级扩展结构、复合网络结构以及在纱线表面构筑褶皱或缠绕结构等方法提高应变传感器的变形能力。这些方法为设计性能更加突出的纺织结构压力及应变传感器提供思路。
　　关键词：纺织结构;压力传感器;应变传感器;性能优化设计
　　中图分类号：TP212.6文献标志码：A文章编号：1009-265X（2020）01-0082-07Optimization for Performance of Pressure and Strain Sensors in Textile Structures
　　LIU Ningjuan1， XIAO Shan2， CHENG Qiong1， WANG Shuang1， LIU Wei1
　　Abstract：In this study， several methods for optimizing the design of pressure and strain sensors in textile structures are summarized. Among the parameters affecting sensor performance， sensitivity and deformation capability are the ones that researchers should give priority to for designing the two types of sensors. The sensitivity of the pressure sensor can be improved by increasing the initial resistance， changing the current transmission path， and regulating the surface microstructure. The deformation capability of the strain sensor can be improved by a crack multistage expansion structure， a composite network structure， and a method of constructing a wrinkle or a wound structure on the surface of yarn. These methods provide ideas for designing pressure and strain sensors in textile structures with more outstanding performance.
　　Key words：textile structures; pressure sensor; strain sensor; performance optimization design
　　隨着微电子技术和微加工技术的发展，近年来传感器技术迅猛发展，纺织结构压力及应变传感器因具有柔韧性好，可弯曲及耐水洗等特性而受到普遍的关注[1]。
　　纺织结构压力及应变传感器的制备主要有两种方法，一种是导电材料涂层织物[2]，使织物具有导电能力[34];另一种是织物作为支撑结构，表面或内部嵌入纤维状导电材料[56]。纺织结构传感器因具有柔性、空隙、较大的变形能力和一定的损伤容限[7]，使其与人体表面共形并具有舒适性，应用于可穿戴电子器件[8]。
　　目前，很多学者已经研究了基于纺织结构的可穿戴电子器件[910]，可应用于健康治疗、环境监测、屏幕显示、人机交互、能量收集、能量储存、无线通信交流等领域。应用在纺织产业上的技术包括下列：智能型服饰、运动暂停检出器、纱线张力量测、磨损检测系统、在线经纱张力量测;毛毯上通电以控制高分子聚合物、底部的传感器安装、触觉传感器、微成型机构等。
　　压力传感器性能相关的重要参数[11]有：灵敏度、压强检测范围、线性度、准确度、响应时间和稳定性[12]，应变传感器还需考虑柔性与变形能力[13]。其中灵敏度对压力传感器性能的影响以及变形能力对应变传感器至关重要。研究者们通过改变结构设计对压力及应变传感器进行性能优化，取得了一定的成果。其中涉及到的性能优化结构设计方法总结如下，为纺织结构压力及应变传感器性能优化设计提供思路。
　　1纺织结构压力传感器性能优化
　　1.1裂纹法增加初始电阻
　　压力传感器的灵敏度与电阻变化率有关，电阻变化率直接受功能层初始电阻的影响，通过有效的方法提高压力传感器的初始电阻有助于提高其灵敏度。一些研究者采用裂纹法[1415]（图1）使压力传感器的功能层产生裂纹，初始电阻明显增大，当传感器受到外力压缩或拉伸时，电阻变化较明显，输出信号被放大。
　　Yao等[16]制备了一种基于石墨烯包覆聚氨酯海绵的压力传感器，如图2所示该传感器中包覆聚氨酯的石墨烯产生微裂纹，传感器巧妙的创建了接触断裂的微观结构，而具有突出的柔性和高灵敏性。石墨烯包覆的聚氨酯海绵未经处理时，石墨烯以不规则的网格结构存在，海绵受到压缩时电阻变化有限。Yao和他的团队[16]对石墨烯包覆的聚氨酯海绵进行水热处理和预压缩，使石墨烯不规则的网格结构破坏，当传感器受到垂直方向的压力时，海绵内部的微观结构断裂，使石墨烯相互接触导致电阻降低，传感器初始电阻显著增大。较未经处理的聚氨酯海绵有较大的电阻变化，在0～2 kPa灵敏度提高了2个数量级，在2～10 kPa灵敏度提高了1个数量级。图2石墨烯包覆的聚氨酯海绵的模型和SEM图像 　　Lee等[17]将银纳米颗粒（Ag NP）采用直接转移法复合在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上作为传感材料。尽管纳米银在沉积过程中，形成许多微裂纹导致初始电阻较高，但机械变形下纳米银沉积的金属薄膜具有韧性不会发生塑性变形。增加纳米银金属薄膜微裂纹的开口，电流路径变窄，传感器电阻增加，使传感器在拉伸和压缩应变下具有较好的传感性能并保持传感性能均匀。压力传感器显示出快速响应（1 s）和恢复速度（0.5 s），具有较高灵敏度（ΔR/R0=0.35）。3 kPa压力下，100 mm厚PDMS膜的传感器比具有500 mm厚PDMS膜的传感器的响应高28倍，通过控制PDMS膜的厚度，可调节灵敏度和操作范围。
　　这种通过增加初始功能层裂纹，提高初始电阻，从而大幅度提高传感器灵敏度的方法可以应用于纺织结构压力传感器。当纺织结构压力传感器的功能层为涂层纤维或织物时，可从涂层方面着手，使涂层导电物质不均匀或产生裂纹;当功能层为嵌入的导电材料时，裂纹法可直接应用于导电材料，使材料本身直接产生裂纹。
　　1.2增加电极电阻或接触电阻
　　压力传感器的总电阻包括接触电阻、功能层电阻和电极电阻，一般接触电阻和电极电阻相对于功能层电阻可以忽略。若能放大并巧妙利用接触电阻或电极电阻，使功能层的电阻变化率变大，则可以提高传感器的灵敏度。
　　如图3所示[18]，研究者采用高弹材料聚氨酯（PU）与导电物质聚苯乙烯磺酸钠（PSS）混合制备出导电橡胶，包覆在微金字塔PDMS伸缩电极阵列的表面，与电极相连构成传感器。电极电阻较大，作为初始电阻的一部分。传感器表面受到压缩时，表面电极与导电橡胶的接触面积增大，电阻急剧减小，输出信号变化明显，传感器灵敏度高达133 kPa-1，检测到压强最低可达0.8 Pa。图3利用电极电阻提高灵敏度的结构设计
　　Janczak等[19]制备聚合物复合材料压力传感器，分别用石墨烯纳米薄片和碳纳米管作为导电分散相分散在聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）和聚偏氟乙烯（PVDF）浆料中，浆料通过丝网印刷的方法涂覆在柔性基板上，用作压力传感器的活性层，两者在丝网印刷柔性基板时碳纳米颗粒分散量的不同，通过接触电阻现象可知，用石墨烯薄片制成的压敏层传感器与用碳纳米管制成的传感器相比具有更大的接触表面，这导致传感器的灵敏度显着提高，填料含量为0.1%时电阻从360 Ω变为140 Ω，含量1.25%时电阻从750 Ω到60 Ω。
　　在纺织结构压力传感器的设计中，利用电极电阻或接触电阻来提高灵敏度也是一种可以考虑的方向。
　　1.3改变电流传输途径
　　压力传感器通过外界施加载荷使电阻变化进行工作，但电阻的变化实质是电荷传输性质的变化。因此改变电流的传输途径也是一种设计高性能压力传感器的方法。
　　如图4所示，Wei等[20]制备了一种基于银纳米线（AgNWs）对氧化还原石墨烯“动态桥接效应”的柔性压阻传感器，这种传感器即使在微小的负荷下，也具有较高的灵敏度。其原理是：將棉布分别用纳米银线包覆，用石墨烯分散液处理并还原，得到两种电阻不同的织物。纳米银线包覆的棉布，电子移动较易，电导率高，电阻小。氧化还原石墨烯包覆的棉布，因石墨烯表面和边缘存在残余含氧官能团，造成高电阻晶粒边界，电子通过困难，电导率低，电阻大。分别作为压阻传感器的上下两面，传感器受到机械外力时，上、下面接触，高导电的银纳米线网络桥接氧化还原石墨烯相邻的高电阻晶粒边界，电子改变传输途径，产生变化电阻，输出信号。得到的传感器具有较高的灵敏度（5.8 kPa-1），快速响应和弛豫特性（29.5 ms和15.6 ms），超低检测限制（0.125 Pa）和优异的稳定性（>10 000加载/卸载周期）。
　　这种方法巧妙的利用不同导电材料的导电性能的差异，造成电势差，改变电流传输途径，从而使电阻变化。在纺织结构压力传感器中，若功能层电阻较大，可以添加高导电材料，造成电势差，从而改变电流的传输途径，提高传感器的灵敏度，使其性能得到优化。
　　1.4调控表面微结构
　　压力传感器的总电阻包括接触电阻、功能层电阻和电极电阻，膜表面微结构属于对压力传感器的功能层电阻设计部分，压力传感器通过接受信号进行反馈，当压力传感器功能层为空心球微结构或者一些别的可放大信号的微结构时，小应变下就会产生大形变，从而可以提高传感器的灵敏度。
　　Pan等[21]制备了一种聚吡咯水凝胶的超敏感电阻式压力传感器。如图5所示，这种传感器以空心球形微结构为功能层，铜箔作为顶部电极，导电玻璃（ITO）涂层的导电柔性聚酯切片（PET）片材作为底部电极。由于空心球结构的聚吡咯有效弹性模量很低，小应变下可产生大变形。该传感器灵敏度高达133 kPa-1，并且能检测到在短时间内低于1 Pa的压力。
　　Luo等[22]发现针织物结构柔韧性和表面规则性可以提供可生成的压力响应，为了减少由纺织品的非弹性变形引起的响应波动，在纤维表面上引入了炭黑颗粒作为电接触，并在纤维之间引入了聚偏二氟乙烯作为机械连接。将压力响应变化降低到2%以下，并将单个传感器的滞后环偏差降低到10%以下。
　　Liu等[23]制得了一种纺织结构的全压力传感器和大面积传感器阵列，由底部交叉的纺织电极和涂覆碳纳米管的棉织物的顶部桥构成。通过共形镍涂层的激光划线掩模和无电沉积制造普通织物（聚酯，尼龙等）上的交叉型导电电极。碳纳米管织物和纳米粒子涂覆的镍织物的分层多孔纳米结构提供了大的表面积，足够的粗糙度和弹性，以“感受”压力加载时接触阻力的变化。施加外部压力将导致多孔结构的小变形，并因此增加顶部碳纳米管织物桥和底部镍织物电极之间的接触面积，便于提升其传感器的灵敏度。
　　空心球形结构可以放大电信号的原理同样可以应用于纺织结构压力传感器，制备纺织结构压力传感器时，可以用适当的方法调控功能层表面微结构，比如膜表面一层做成发泡结构[24]或者整个结构具有孔洞[25]，即使在小变形下，膜也能感知电阻的变化。 　　2纺织结构应变传感器性能优化设计
　　方法2.1裂纹多级扩展结构
　　传感器应用的方向不同，设计所关注的参数也不同。一般的应变传感器若具有较高的灵敏性能，其变形性能不高;若具有较高的变形性能，灵敏性又有所限制[26]。
　　Liu等[27]利用单步自组装方法制备了一种以PDMS为弹性基板的厚度呈梯度分布的单壁碳纳米管膜传感器。该传感器具有高拉伸应变和高传感系数。沿传感器的纵向拉伸形变（ε）小于2%时传感系数高达161，形变在2%～15%时传感系数为9.8，形变超过15%时传感系数为0.58。其中该传感器的设计原理如图6所示，是利用液体蒸发的咖啡圈效应，即单壁碳纳米管溶液蒸发时留下的碳纳米管并不是均匀分布，而是靠近外侧碳纳米管含量多，靠近内侧的碳纳米管含量少，外侧厚度大于内侧，形成碳纳米管梯度分布。沿传感器纵向拉伸时，内侧与外侧的碳纳米管层同时受到拉伸，外侧产生的裂纹扩展较大且较多，内侧产生的裂纹随机且较少。
　　这种应变传感器在低应变下具有较高的传感性能、灵敏度，在高应变下具有较好的可拉伸性能、适度的灵敏度以提供大变形检测时高的信噪比。不同节段的灵敏度和高传感系数可以满足不同应变阶段的要求。纺织结构本身具有较好的变形能力，结合功能层呈多级扩展分布可制备出既具有高灵敏性能，又具有较高的变形能力的传感器。
　　2.2复合网络结构
　　一个模型使用两个应变传感器并联可以产生分段传感系数。其中，一个应变传感器具有较高的灵敏度，另一个传感器具有较好的变形拉伸能力。电阻在拉伸或压力开始时急剧上升，在较大变形下减慢上升速度，传感器灵敏度随着变形的增大而降低。
　　如图7所示，Harada等[28]采用纳米复合材料和纳米管，制备出的传感器含有复合网络结构。低应变下银纳米线紧密排列有较高的灵敏度（59%/Pa）;当传感器受到高应变时银纳米线分离，分散的碳纳米管连通银纳米线导电，使传感器依然具有灵敏性。Eom等[29]使用聚苯乙烯磺酸盐（GPEDOT∶PSS）/银纳米线（Ag NW）/聚苯乙烯磺酸盐（GPEDOT：PSS）涂层导电纤维引入了基于纺织材料的应变传感器，多层复合的导电纤维结构使其在低应变下可达到较高的灵敏度，在5%的应变下最大灵敏度约为4。图7复合网络结构应变传感器
　　Eom等[30]通过浸渍干燥的方法制备了聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）/银纳米线（Ag NW）/尼龙线的纺织品应变传感器，并用聚L-赖氨酸（PLL）表面改性尼龙线。聚L-赖氨酸未表面改性时，银纳米线松散依附在尼龙线表面，经反复拉伸会造成脱落。表面改性后，银纳米线和尼龙线间的粘性增强，拉伸释放循环时能降低银纳米线和尼龙线之间的分离。将聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）/银纳米线（Ag NW）/尼龙线机械缝合到织物上，应变范围为5%～20%，使用聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT∶PSS）/银纳米线（Ag NW）/尼龙线，可以制造具有高應变系数和良好操作稳定性的纺织应变传感器。
　　同理，纺织结构传感器的功能层材料可以包覆一层导电膜，导电膜内有导电网络结构，形变很大时功能层材料也能接触导通。
　　2.3纱线缠绕结构和褶皱结构
　　纱线缠绕和褶皱结构（图8）[3132]可以储存一定长度的纱线，受到外力时赋予结构高形变能力。
　　Lee等[33]采用纤维和富含银的壳体的复丝结构，利用大量银纳米颗粒渗入多微丝的弹性纤维中，具有20 964 S/cm的高初始电导率，得到了高灵敏度和较好的应变传感范围（200%～450%）的应变传感器。
　　Ge等[34]制备了一种复合纤维形成的可拉伸织物的应变传感器阵列。如图9所示，复合纤维以聚氨酯纤维为芯纱，外部包缠尼龙纤维，3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）进行处理产生氢键，再预拉伸100%浸涂银纳米分散液，释放外力形变回缩，表面涂覆压阻橡胶制备而成。压阻橡胶由炭黑和PDMS制备得到。复合纤维经过平纹交织制备出高拉伸和高导电的传感器织物。缠绕的银纳米线包覆的尼龙纤维作为传感器的电极，织物每个交叉接触点都可作为机械传感单元，可以分辨压力、侧向应变和屈曲。
　　纺织结构传感器的功能层是纤维时也可通过包缠增加其变形能力，制备出既具有高灵敏性能，又具有较高的变形能力的传感器。
　　3结语
　　从纤维、纱线及织物不同层级的纺织结构上，压力传感器采用裂纹法增加初始电阻、增加电极电阻或接触电阻、改变电流传输途径及调控表面微结构来提高其灵敏度，应变传感器采用在纱线表面构筑褶皱或缠绕结构、裂纹多级扩展结构及复合网络结构提高灵敏度。以上总结几种性能优化设计方法可以有效提高传感器的灵敏度和变形能力，为设计性能更加突出的纺织结构压力及应变传感器提供思路，传感器主要是感知、反馈及响应3个阶段，灵敏度是关键因素，压力与应力传感器常被用于压力传感器等微型组件，更多的性能优化设计方法有待发现。
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　　收稿日期：2018-09-05網络出版日期：2019-03-15
　　基金项目：国家自然科学基金（51503120）;上海市扬帆计划项目（14YF14096000）;上海市优秀青年教师培养项目（ZZGCD14016）
　　作者简介：刘宁娟（1993-），女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事碳纳米管复合材料的制备及传感性能方面的研究。
　　通信作者：刘玮，Email：wliu@sues.edu.cn
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