李露红，黄 娴，丛启霞，丛洪莲

(1.江南大学 针织技术教育部工程研究中心，江苏 无锡214122；2.江苏太平针织有限公司，江苏 无锡214041)

服装作为人体的“第二皮肤”，具有良好的手感和柔软舒适性，是柔性传感器的良好载体。智能服装是将传感器和服装通过电子信息、生物化学和人机交互等技术融合的产物，对所处环境变化和人体行为具有一定感知力，并且可以通过反馈机制对发生的变化进行反应和调整[1]。

针织柔性力学传感器是指以导电针织物为基底，采用不同方式与传感元件进行组合，制备适应于各种性能要求的柔性传感器件，是智能服装的关键组成部分。传统的刚性传感器一般由金属材料制备，具有脆性大、应变范围小以及响应灵敏度低等缺点，无法满足人们对于智能产品质轻、体积小和穿戴舒适等全方位要求[2]；而针织柔性传感器特有的线圈结构使其具有良好的柔韧性，并且可以自由弯曲折叠。受到外力作用时，将大形变迅速有效地转换成电信号输出，而且线圈串套而成的空隙可以保证纱线被拉伸时性能不被破坏，这是其他编织方法难以实现的[3]。也能感知微小的应力变化，从而表现高灵敏度和线性度，还可以制备更为复杂的三维结构织物，具有灵活适应性。因此，被广泛应用于医疗电子、环境监测和智能可穿戴等领域。

针织柔性力学传感器按照工作原理可以分为电阻式和电容式，据此可以构建不同的传感电路。变化针织物组织和在织物表面涂覆导电物质，是目前制备以针织物为基底的柔性力学传感器的主要工艺，结合这两种工艺方法可以实现不同传感电路的构建。传感电路按照形态可以分为二维柔性传感器和三维柔性传感器，前者多为电阻式，后者以电容式为主。不同传感电路呈现的性能将有所差异，因此针织柔性传感电路的研究对智能服装的穿着舒适性以及灵敏性等性能具有深远意义。

1 针织柔性传感器工作原理

按照传感器的工作原理可以将柔性力学传感器分为电阻式、电容式和压电式，目前以针织物为基底的柔性传感器开发多为电阻式和电容式。

1.1 电阻式柔性传感器

电阻式柔性传感器由于制作工艺简单，信号读取简便，是最为常见的柔性传感器。当受到外力作用时，可以将外力转变为电流或电阻信号输出，广泛应用于可穿戴式传感器、人体生理活动及个人健康检测等领域[4]。当外力传递到传感器的感应点上时，其阻值与外力呈负相关变化，即当压力趋于零时，阻值越大；压力越大，阻值越小[5]。

针织柔性电阻式传感器的工作原理是受到外力拉伸作用时，相邻导电纱线间的接触面积发生变化，引起接触电阻减小(图1)；同时拉伸时线圈被拉长，也会导致长度电阻减小，两方面的综合作用使总电阻减小，但是在正常情况下，织物的拉伸不会引起导电纱线的大范围伸长，所以长度电阻的变化对总电阻大小影响甚微。

图1 电阻式柔性力学传感器工作原理

1.2 电容式柔性传感器

电容式传感器的工作原理是受到外力作用时，两极板间的电容产生变化，一般由三部分组成:两平行柔性电极板以及填充于电极板间的绝缘介质层，如下图2所示。受到外力时，上下两极板的间距和有效面积发生变化，引起电容值的变化，从而传递电信号给外界，同时中间介质层的选择对传感性能也有着重要的影响[6]。

图2 电容式传感器组成

此类织物柔性力学传感器以导电织物等柔性材料作为柔性电极，一般选择橡胶、泡沫和间隔织物等不导电的弹性介质作为绝缘材料，形成“三明治结构”。针织柔性电容传感器可采用经编间隔织物作为介质层，传感器所承受的应变力范围变大，实现优良导电性的同时，保留了织物的柔软性和舒适性。施加压力作用时，织物中间隔丝的杨氏模量、数量和排列分布会影响间距和相对有效面积的变化，以此来改变电容值(图3)。与电阻式柔性传感器相比，电容式柔性传感器具有更快有效面积和信号响应速度，更广的感应范围。

图3 电容式柔性力学传感器工作原理

2 传感电路的构建

针织柔性力学传感器通过线圈结构变化构建传感电路，将力学信号经一定的转换装置输送成电信号，导电路径的变化会影响信号的传递，因此传感电路的构建对传感器本身的传感性能有着至关重要的影响。变化针织物组织和在针织物表面涂覆导电物质，是目前制备以针织物为基底的柔性力学传感器的主要工艺，以此来实现不同传感电路的构建。针织结构柔性传感电路按构建形态可以分为二维柔性传感器和三维柔性传感器。

2.1 二维柔性传感器

二维柔性传感器是通过导电纱与非导电纱在针织物平面结构中交替成圈或者在针织物表面涂覆导电物质来构建传感电路，此时可以将线圈看作一个个小型电阻，那么织物结构就可以等效成串并联综合的复杂电路。基于此原理可采用织入法，在变化织物组织的基础上将导电纱织入织物中，以此来达到构建不同二维柔性传感电路的目的。这种工艺方法要求所选纱线具有良好的导电性能、较低的抗弯刚度以及良好的柔软性和延伸性等，因此成功的关键在于导电纱线的选择[7]。

目前应用于针织结构柔性传感器的导电纱线主要有金属导电纱线、碳系导电纱线和复合导电纱线。金属导电纱线一般是通过金属颗粒或纤维制备，导电性能好，但是纤维之间抱合困难，使用较少。碳纤维因其优越的性能而被广泛关注，一般采用涂层、复合纺丝和包缠卷绕等工艺制备碳系导电纱线，可以和非导电纱混织实现导电性能。例如刘焘等[8]采用涂碳导电柔性复合丝制备织物基柔性传感器的雏形。研究发现，受外力作用后织物产生形变，伸长增加，导电针织物的阻值逐渐减小，纱线种类相同时，纬平针织物的灵敏度大于1＋1罗纹织物；织物组织结构相同时，并股纱线针织物比加捻纱线针织物的灵敏高。

复合导电纱线可以通过将不锈钢、铜和银等金属纤维与其他纤维共混纺丝，或者将金属丝与纱线加捻混合，减小金属纤维对柔软度的影响，综合提高复合纤维的导电性能，目前应用较为广泛的是镀银导电纱。例如Yutian Li等[9]制备了具有传感性能的高弹性纬编平纹针织运动裤(图4)，在感应区域用镀银纱线进行编织，实验发现高弹性导电织物可以准确反映电阻变化，并表现出高灵敏度。

图4 纬平针组织线圈结构图

郭秋晨等[10]结合提花添纱编织技术，采用不同导电纱线制备了不同传感区尺寸的柔性电阻传感器，通过正交实验分析发现采用复合导电纤维织入法制备的针织柔性传感器传感往复性好。部分纱线由于自身的刚性，织入针织物结构时便不能直接编织成圈不能成圈。例如光纤在弯曲时会产生光损耗，降低原本的力学性能，只能通过衬纬的方式织入针织物(图5)，Claire Guignier等人[11]采用衬纬的方式将柔软光纤嵌织在针织物中。

图5 衬纬组织线圈结构图

但是由于针织结构易发生形变，稳定性较差，大应变下会产生急弹性以及回复性较差的现象，引入氨纶丝可以改善这一问题，在一定程度上提高导电织物的弹性和保形性，从而增加传感器的应力感应范围和灵敏度。例如刘婵婵等人[12]采用锦氨包覆纱和裸氨分别制备了三种不同针织结构的导电织物用于肘部弯曲测试，通过实验分析发现锦氨包覆纱和裸氨编织平针添纱针织物的线性度和灵敏度较好。Ozgur Atalay等[13]选用不同线密度的弹性氨纶纱和镀银尼龙纱，以双罗纹组织为基本结构制备针织柔性传感器，研究发现纱线越细，导电纱线在线圈结构中的接触点越多，电阻值越小，导电性越好，同时也提高了纬编针织物柔性传感器的传感性能。

也可以采用涂覆法制备复合导电纱线，即将金属、碳纤维和高分子导电聚合物通过涂层印刷的方法附着于纱线[14]。Ariana Levitt等人[15]在尼龙和棉纱表面分别涂覆1层和2层MXene制作导电纱线，并通过机器编织成织物上相对排列的两电极，并在电极之间编织聚酯纱线防止电短路，以此来制备针织结构超级电容器(图6)，改变导电线圈的宽度可以获得不同的传感性能。可以在织物表面涂覆导电物质，以此形成类似“平面三明治”的传感电路形态。例如Jayraj V.Vaghasiya等人[16]在织物基底上印刷Ti3C2NS和1TWS2NS两种电极，并形成交叉电路分布形式，原理是导电的两极之间夹着非导电织物，形成非对称式电容器，并且表现出优异的柔软性、循环稳定性和耐磨性。

图6 垂直条纹超级电容器的线圈结构图

目前制备二维柔性电容式传感器的工艺中，应用较为广泛的是涂覆法，但是由于针织物表面线圈的存在，织物表面凹凸不平，涂层难以均匀覆盖，这也是眼下需要克服的问题，希望在实现高导电和传感性能的基础上，可以进一步提高产品的耐洗性、耐褶皱性和穿戴舒适性等传统服用性能。

2.2 三维柔性传感器

三维柔性传感器采用“三明治”结构来构建传感电路，即由上下两导电织物电极和绝缘介质层组成，在几何空间层面上，三维柔性传感器比二维柔性传感器多出一个垂直于二维平面的维度，受到外力作用时，使得力的传播路径增加，并通过织物的形变表现出来，传感器的传感性能得到一定程度提高，灵敏度也在一定范围内得到提升。

目前柔性介质层主要分为多微孔弹性体介质层、聚合物薄膜介质层和织物结构介质层[17]。通常高弹性的绝缘材料在受到外力作用时容易发生大形变，使信号有效传递。例如Asli Atalay等人[18]以导电针织物为电极，硅树脂弹性体作为介质层，制备单个电容式传感器(图7)，表现出高线性度和低迟滞的优良性能，集成于手套上进行动态监测，可进行大批量生产。

图7 电容式柔性传感器

针织柔性电容传感器一般选择经编间隔织物作为介质层，经编间隔织物是一种“三明治”结构，具有上下表面和中间间隔丝。受到外力作用后，织物能够产生大应变，具有大的感应范围和较高的灵敏度，在床垫以及坐垫范围内的应用较为广泛。例如孙婉等[19]以间隔织物为弹性介质层，导电布作柔性电极，分布于织物上下表面，形成三明治结构的织物电容式传感器。当受到外力作用时，间隔织物被压缩，上下极板间距减小，电容值产生变化。

三维柔性电容传感器主要应用于姿态监测和安全防护等领域，其传感电路的形态也可以以阵列电极的形式出现，这种传感器是在可压缩间隔层两侧排列垂直相交的导电电极，电极交叉点处形成单个电容传感器，多个电容传感器呈规律排列可形成阵列电极(图8)。形成的主要方式有两种:一种是采用刺绣的方法，直接将导电纱线绣成格栅状；另一种是将导电纱线织成相互交错的条状织物，从而形成传感器阵列[5]。Meyer J等人[20]将16根经向导电纱和16根纬向导电纱在间隔织物介质层两侧垂直交叉排列制备织物电容传感器，交叉点组成的16×16列阵为电容器阵列。江南大学的孙婉等人[6]制备智能坐垫(图9)时采用经编间隔织物作为绝缘介质层，并选用以纬平针为基础的全部线圈添纱组织编织64块电极以及电极与电极的连接区域，最后用双面胶将织制好的电极阵列贴覆在间隔织物上，将导电线缝在上表面的每横列的第一纵行和下表面的每纵行的第一横列，使得上下电极一一对齐，形成以纬编织物为电极和经编织物为介质层的三明治电容器阵列。

图8 阵列电极排列形式

图9 智能坐垫示意图

3 结语

未来智能服装和可穿戴设备的柔性化、多功能化将成为必然趋势。针织结构柔性力学传感器的高弹性、穿着舒适性和高灵敏度，使其在智能服装以及可穿戴设备领域具有巨大潜力和深远的研究意义。

本文从针织柔性传感器的工作原理和传感电路构建两方面展开介绍。根据传感器的工作原理，针织柔性传感器可以分为电阻式和电容式，并以此为依据构建传感电路。按照构建形态可以将传感电路分为二维柔性传感器和三维柔性传感器。二维柔性传感器采用变化组织构建传感电路时，选用的织物组织不应该过于复杂，一般采用基本组织，如纬平针、罗纹等，还可以结合弹性纱来扩大传感器的感应范围，提高传感性能三维传感器。三维柔性传感器主要是采用“三明治”结构来构建传感电路，针织物介质层适应压力状态下的急弹性和大应变，因此被广泛用于智能坐垫等领域。