摘要：紡織電阻傳感器具有質量輕、柔性好和可拉伸等優良特性，在可穿戴電子產品領域具有很大的應用價值。本文根據近年來不同紡織材料基電阻傳感器的研究進展，介紹了無捻纖維(束)基電阻傳感器、紗線(長絲紗、短纖維紗、復合紗)基電阻傳感器和織物(針織物、機織物、非織造織物)基電阻傳感器的制備、性能及應用研究。在紗線基電阻傳感器中，主要基于導電涂覆紗線受力過程中纖維的內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;對于織物電阻傳感器，主要利用織物結構體的變形特征并結合對織物進行導電涂覆或碳化等方法，制備電阻傳感器。

　　關鍵詞：電阻傳感器;紗線;織物;彈性;導電涂覆

　　隨著紡織材料和納米技術的進步，可穿戴柔性傳感器得到了研究者極大的關注，可穿戴柔性力學傳感器的研究應用體現在很多方面：電子皮膚[1~3]、人體運動監測[4,5]、智能機器人[6,7]和保健監護[8~10]等。與傳統剛性傳感器相比，柔性可穿戴傳感器具有良好的柔韌性、可拉伸性及可連續監測等優勢[11,12]。

　　電力方向評職知識：寫熱敏電阻論文引用哪些文獻

　　柔性應變電阻傳感器是以導電活性材料(碳基材料[13,14]和金屬納米材料[15~17])作為電信號傳輸介質，在受力時柔性基體(彈性聚合物[18,19]和紡織品[20,21])產生形變(壓縮、彎曲、拉伸、扭轉等)，引起導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量輕、柔性好、可拉伸等優良特性，在智能可穿戴領域具有獨特的優勢。本文綜述了以不同紡織材料基電阻傳感器的研究現狀，重點介紹了國內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、性能及應用研究。

　　1電阻傳感結構和機理

　　柔性傳感器按信號轉換機制主要分為壓阻式、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、紗線和織物結構的改變導致電阻變化，在受力過程中導電材料間接觸電阻和長度電阻的改變引起織物電信號的相應變化，并以電阻的形式表現出來[25,26]。傳感系數GF[27,28]用于表示柔性應變傳感器靈敏度，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150%)。作為應變傳感器的快速響應時間為38ms，靈敏度因數15.2，在循環10000次加載實驗仍具有高穩定性;作為溫度傳感器的溫度檢測的高溫靈敏度為39.3%/℃;作為紫外線傳感器的電信號的響應和復位很慢，響應時間29.8~37.1s和復位時間6.6~10.1s。Zhu等[32]利用玻璃毛細管的虹吸原理，將銀納米線(AgNW)嵌入到聚氨酯(PU)纖維的表面層內，制備PU纖維傳感器，該纖維在拉伸過程中，AgNW會隨PU纖維形變而運動，從而產生較強的電傳感信號。

　　Fig.1顯示PU/AgNW纖維結構以及PU/AgNW應變傳感器電阻隨手腕運動的變化。Wu等[33]用碳黑和天然橡膠構成的導電聚合物涂覆氨綸紗，制備高度敏感的應變傳感器，傳感器的應變靈敏度因數39，這個傳感器可以監測接近皮膚的微小運動，貼在測試者的前額，可以監測面部表情變化。Li等[34]采用層層組裝技術制備石墨烯/聚氨酯(皮層/芯)的紗線傳感器，該傳感器有很高的靈敏度(應變系數86.9),良好的線性(相關系數為0.97)和可重復性(重復性誤差為1.81%),和低滯后(滯后誤差為9.08%)，同時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電活性材料通過表面接枝、浸漬和原位聚合等方法復合到紗線表面，使具有一定的導電性。紗線基電阻傳感器根據紗線的結構和外形分為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電紗線。該傳感器在應變為0%~65%內的，靈敏度系數最高達13920，可響應最小檢測極限為0.065%。其在4500個循環中，應變為10%，具有良好的耐久性。拉伸和釋放應變的響應時間分別為10ms和15ms。同時，該傳感器還成功地應用單紗實現對人體運動檢測。

　　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電天然蠶絲纖維(CSF)，然后對多根導電天然蠶絲纖維加捻，形成導電天然蠶絲纖維紗(見Fig.2)。當紗延伸時緊密接觸，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次循環之后保持穩定。該導電紗可以監測人體活動。吳榮輝等[37]通過浸漬法對蠶絲加捻得到的蠶絲紗編織為閉口編鏈組織結構進行導電修飾，制備銀納米線涂層的紗線傳感器。該傳感器在拉伸應變傳感方面具有良好的性能，在小于5%的應變范圍內，靈敏度因數高達20.14;傳感器在拉伸頻率0.01~1.00Hz之間有穩定的響應。

　　4織物基電阻傳感器

　　織物傳感器可以檢測復雜平面，檢測范圍和應用更為廣泛�，F在，制備織物應變傳感器的方法是將導電紗線通過不同制造工藝織成導電織物或織物通過后整理的方式制成導電織物。目前織物電阻傳感器按不同織物結構基底材料可分為3種：一是以針織物為基底的應變傳感器;二是以機織物為基底的應變傳感器;三是以非織造布為基底的應變傳感器。

　　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變傳感器，當拉伸應變為40%時，對應的靈敏因數在3.44左右，同時發現該傳感器在靜態和動態條件下都有良好的響應。Lee等[44]采用簡單、可伸縮的浸漬-還原方法，以氨綸/尼龍針織織物為基底材料，制備能夠監測手指彎曲等人體運動的石墨烯/織物應變傳感器，在40.6%應變范圍內具有良好的導電性和高應變因數(18.24)。Chen等[5]采用真空袋裝、負壓吸附和滴涂3種方法將廢棉織物炭化后與天然膠乳復合，開發一種綠色制備柔性傳感器的方法。炭化棉經天然橡膠浸漬后，保持了原有的針織結構，具有良好的導電性，所制備的可穿戴柔性應變傳感器可以監測人體手指和手臂運動的能力。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動傳感器。該織物傳感器具有較高的重現性和穩定性，同時驗證了織物所感知的運動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動。

　　4.2以機織物為基底的電阻傳感器

　　Zhang等[46]對平紋棉織物進行碳化處理，制備可穿戴應變傳感器。應變傳感器具有大工作應變范圍(>140%)，優良的靈敏度(在應變0%~80%，靈敏度因數25;在應變80%~140%，靈敏度因數64)。此外，傳感器可以監測0.02%的微弱應變。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電RGO沉積棉織物，電阻變化主要是RGO沉積層的裂紋決定，導電棉織物經400次彎曲后仍能作為應變傳感器。

　　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，良好的導電網絡使GF/NF應變傳感器具有優良的電性能(導電率為9.09×104S/m)。GF/NF應變傳感器具有較高的靈敏度(0%~12%和12%~19%應變下的靈敏度因數分別為9.78和47.6)。手指關節彎曲矯直1000多個周期后，電信號穩定，GF/NF應變傳感器對人體手指、腕關節、膝關節和肘關節等不同關節具有檢測能力。He等[49]采用還原法和后續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，顯示出其在各種關鍵環境下應用的巨大潛力。

　　Zheng等[50]把棉織物經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)織物應變傳感器。2種應變傳感器均表現出良好的線性電流-電壓特性和較快的響應時間(約90ms)。同時其表現出顯著的重現性、耐久性(CFSS-45在30%應變下10000個循環)和檢測極低應變(約0.4%應變)的傳感能力。Ma等[51]提出一種基于棉/氨綸混紡織物的化學鍍銀傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度，靈敏度因數為26.11，電導率為15.7S/m，同時保持了柔軟的性能。另外，由于有銀層，織物還具有良好的抗菌性能。它在人體監測中表現出規律性的電阻變化，能夠在0.04s的響應時間內監測到微小的外部變形。

　　5結束語

　　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)和人類運動健身的檢測應用較廣，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、響應時間、重復穩定性、耐久性、制作方法和成本等，很多操作都無法得到實現。未來柔性可穿戴傳感器的研究可能主要集中在改進制作工藝和引進高新材料，使其能夠快速應用到人們的實際生活中，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