一种具有三向传感能力机器一体成型的三维间隔结构压阻针织传感器

背景介绍

智能纺织品为感知日常生活中的身体运动参数提供了高舒适度的感知方式及界面。针织作为一种传统的纺织品制造方法，在电子纺织品中实现完全无缝的一体成型制备。然而，当前的平面编织传感器只被用来感测水平面中的应变。本研究提出了一种新型的具有三向传感能力的机器一体成型的三维间隔结构压阻针织传感器。该结构既可以检测垂直方向的压力，也可以检测经纱/纬纱水平方向的应变，可以感知2kPa以下的压力。该论文从机械性能、稳定性以及对汗液、洗涤等外部因素的反应等方面对三种尺寸的间隔针织传感器进行了测试。然后，评估了材料选择对传感器性能的影响并总结了材料选择的经验。

此外，本研究对单个传感器和多个传感器阵列在几种精细或大运动传感的应用场景进行了测试。测试结果表明，机器一体成型的针织压阻传感器可以从多方向检测的肢体动作（垂直方向、经线和纬线水平方向）。此外，这种针织传感器是可定制的，可以轻松无缝地集成到针织服装中。这种针织传感器结构具备通用性，可以由多种材料制成，用于高灵敏度的多向应变/压力传感，使其成为可穿戴应用的高兼容性传感器结构，可用于大规模生产。

图1. 面向一体集成和穿戴应用的间隔结构针织三向压阻传感器示意图。

文章亮点

现有的针织结构传感器难以满足运动全方位检测的应变和压力传感要求因为：（1）平面/二维针织传感器只能传感水平面上的变形。然而，人体运动学涉及多方向运动参数的动态检测，而单向运动监测几乎不能满足复杂运动监测任务的需要。因此，需要三维的针织结构用于复杂运动参数的感知。（2） 人体对可穿戴产品的舒适度阈值有要求（最高2000-3500Pa），大多数现有的商业薄膜/纺织品传感器无法满足可穿戴产品的小规模测量要求。因此，需要开发小量程的纺织品传感器，以实现舒适的身体穿戴。

该论文设计并评估了一种基于一体成型编织技术的三维间隔编织压阻传感器，用于2kPa以下小测量范围和多向压力/应变传感。由于立体的间隔结构，压缩或拉伸导致该间隔件编织传感器变形，可导致其电阻变化，使其成为敏感的压力/应变传感器结构（见图2）。该传感器既可以响应垂直方向上的压力，也可以响应水平方向（经纱和纬纱方向）上的应变。该传感器采用机器一体成型编织技术，可以用不同材料，制造出不同尺寸，定制成的一体式可穿戴设备，应用于各种身体运动检测。

图2.（a） 间隔针织传感器的三向传感结构示意图；（b） 传感器模型的截面图；（c） 间隔物编织传感器的表面SEM图像和（d）截面图；（e） 不同尺寸的间隔物编织传感器样品的表面和（f）截面图；（g） 在垂直方向上压缩的针织传感器的模型效果图；以及（h）在纬纱水平方向上拉伸的针织传感器的模型效果图。

部分图文解析

图3. 间隔针织传感器的基本传感性能：（c） 压力传感器的灵敏度测试-三种尺寸；（d） 测量三个尺寸传感器在水平方向上的应变传感。

图4.（a） 织物压力传感器的灵敏度比较；（b） 针织应变传感器之间的应变系数比较。

图5.（a-b）在稳定性循环测试之前和之后的间隔物编织传感器的SEM图像；（c） 纯棉织物、该项目的间隔针织传感器和TPU膜的透气性测试结果；（d）间隔针织传感器的排汗测试；以及（e）间隔编织传感器的洗涤测试。

图6. 间隔编织传感器在实时精细运动监测中的应用：（a）手指弯曲，（b）颈部弯曲，以及（c）运动后呼吸。大运动的实时检测：（d）膝盖弯曲，（e）手腕上下弯曲，（f）手臂弯曲60°、90°、145°，（g）使用传感阵列检测由多个间隔编织传感器制成的智能手表表带上的互动手势，以及（h）使用上衣上的间隔编织传感器阵列检测驾驶员的身体是否处于放松或专注状态。

发表

该工作以“Three-directional Spacer-knitted Piezoresistant Strain and Pressure Sensor for Electronic Integration and On-body Applications”为题发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，并被选作封面报道。该研究得到了国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目等项目支持。

通讯作者：Ziqian Bai，南方科技大学，Shouxiang Jiang，香港理工大学

第一作者：Mengqi Jiang






审核编辑：刘清