MEMS封装锡膏焊料深圳福英达分享：柔性传感器与穿戴服装的碰撞
MEMS封装锡膏焊料深圳福英达分享：柔性传感器与服装的碰撞
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导 读
灵活性作为智能可穿戴设备的核心模块，是智能可穿戴设备的重要研究方向。本文重点关注灵活织物传感器在智能服装和可穿戴设备中的应用，以及国内外最新研究人员对灵活织物传感器的不断改进和创新！
纺织服装是人体的第二皮肤。
柔性织物传感器是一种柔性传感器，以纺织品为基础，以不同的方式与传感材料或元件结合，以满足各种可穿戴设备的需要。该传感器在满足传感器物理机械性能的基础上，保持了织物的手感和灵活性，甚至部分清洗，使其在智能服装和可穿戴设备中具有更广阔的应用前景。
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柔性传感器的分类
目前柔性传感器主要分为柔性电容传感器、柔性压力传感器、柔性压力传感器、柔性光纤传感器五类。
1.1 柔性电容传感器。
柔性电容传感器主要基于电容器的原理。柔性电容传感器具有良好的线性响应，因为它对外力敏感性强，检测小静态力所需的能耗低。
柔性电容传感器由导电膜、纤维纱等柔性材料制成，间隔通常采用弹性材料、柔性电容传感器和服装智能纺织品，不仅柔软、舒适、弯曲，而且能感知外部环境的变化，灵敏度高，空间分辨率高。
1.2 柔性压阻传感器
压阻传感器是一种柔性材料和集成电路技术，可以通过应力改变材料的电阻率。测量电路中输出电信号的变化可以改变相应的应力数据。因此，压阻传感器主要用于测量压力、重力等物理量。该传感器具有结构简单、灵敏度高的优点，广泛应用于航空航天、航海、生物医学等领域。
常用的材料是石墨烯聚合物、碳黑聚合物、半导体硅和锗。SHOIEB提出了一种具有压阻传感功能的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纳米纤维(CNF)纳米复合材料。通过将CNF分散到PDMS，获得的纳米复合材料具有优异的导电性和低成本，可用于制造各种形状的传感器。XU等。采用低压氧等离子体处理装饰和激活聚氨酯支架，制备聚氨酯(PU)/碳纳米纤维(CNF)@碳黑(CB)导电泡沫，具有高压缩敏感性、机械性能和导电性，可用于检测微压或微应变状态。
图4：电阻织物压力传感器的作用机制。
1.3 柔性压电传感器
压电传感器是利用外部作用后压电材料变形导致材料电极变化的原理制成的传感器。功率变化可以通过测量电路中输出功率的变化来获得。该传感器具有频带宽、灵敏度高、重量轻、结构简单、性能稳定等特点。主要用于压力和加速度测试，广泛应用于生物医学、电声等技术领域。
图5：压电传感器的工作原理。
常见的压电材料有陶瓷、石英晶体、聚氟乙烯、尼龙等。一些学者通过多步合成四氧化三铁(Fe3O4)/氧化石墨烯(GO)，实现了Fe3O4纳米颗粒与氧化石墨烯纳米板的高协同作用。采用丝素蛋白和聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维制备的全纤维混合压电传感器。
1.4 柔性电感传感器
电感传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电测的装置。具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、阻抗小、抗干扰能力强、测量精度高等一系列优点。
传感器的传感线圈通常采用导电纤维，导电纱线与服装相结合，实现人体呼吸监测和动作捕捉。
1.5柔性光纤传感器
光纤传感器是一种利用光学性质变化原理制成的传感器，通过光纤将外部物理量转化为光信号进行测量。光纤传感器具有许多优异的性能，可以取代人们进入高温区、核辐射区等高风险区域进行信号检测，也可以接收人们感官感觉不到的外部信息。
此外，光纤传感器还具有灵敏度高、形状可塑性强、体积小等优点。因此，光纤可用于纺织服装后测量压力、温度等物理量，广泛应用于航空航天、军事、通信等领域。一些学者使用聚硅氧烷脲共聚物制备热塑性硅纤维，其弹性优于传统光纤，不会破坏纺织品的原始弹性、柔软性和舒适性。一些学者还制备了由石墨烯纳米片（GNP）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的高可伸缩光纤，具有检测极限低、反应快、重复性高的优点。
图7:柔性光纤传感器成果图。
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制备方式
柔性织物传感器基础的柔性织物传感器采用不同的制备方法将传感材料添加到纺织结构中，通过其敏感性将待测物理量转换为电信号进行测量。目前，柔性织物传感器的制备主要包括涂层、编织和包装。
2.1 涂覆法
涂层法是指金属颗粒、碳基材料或聚合物导电复合材料通过沉积、印刷或拼贴粘附在织物表面形成导电涂层织物，是目前最常见的柔性织物传感器制备方法，见表1，其中沉积和印刷是一种广泛使用的涂层方法。
表1：涂层法的具体分类。
目前，涂层法广泛应用于各种柔性设备的制备中，技术发展相对成熟。氧化石墨烯通过真空过滤附着在丝织物表面，然后通过热压还原为石墨烯，在丝织物表面形成导电涂层。
一些使用分布器印刷方的导电油墨直接在聚酯织物表面印刷导电涂层，形成具有测系数和测试范围的近距离电容柔性织物传感器。有些人在聚酯（PET）织物上喷涂石墨溶液，制备电容柔性织物压力传感器电极，并添加聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS），以提高织物的导电性。
制备柔性织物传感器时，生产过程相对简单，易于控制反应条件。涂层材料和附着方法有更多的选择和更广泛的研究空间。涂层法制备的柔性织物传感器通常具有灵敏度高、线性好、测量范围广等优点；但由于沉积或印刷过程的均匀性难以控制，涂层的导电性会受到一定程度的影响。同时，由于导电材料与织物基体之间的附着强度，存在摩擦和清洗、重复性和耐久性差的问题。此外，涂层的延伸性和延展性差会影响织物的感觉和使用性能。因此，改性导电材料是提高柔性织物传感器耐久性和可用性的有利方向，以增强与织物的附着力，或利用织物组织结构改变导电材料的分布结构。
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2.2 织入法
与涂层方法相比，编织方法是直接编织导电纱，获得具有传感性能的导电机织物或针织物。柔性织物传感器的编织方法要求纱线具有良好的导电性、低弯曲刚度、均匀的细度和扭曲、良好的强度、延展性和柔软性，因此关键在于导电纱线的选择或制备。
图8：编织方法示意图。
目前，制备导电纱线的方法有两种：
一是直接将导电纤维纺成纱线，常用的有金属导电纤维、碳系统导电纤维和有机聚合物导电纤维；
二是对普通非导电纱线进行特殊处理，使其具有一定的导电性能，常用的是涂有导电纱线和复合纺丝制成的导电纱线。
柔性织物传感器具有较好的拉伸性和延展性，主要用于制备应变传感器和压阻压力传感器。
通过探索和实验导电纱线的制备过程，学者可以提高柔性织物传感器的传感和可用性。一些学者使用富银壳的复合结构，将银纳米颗粒添加到多丝机构的弹性纤维中，然后注入银离子，编织应变织物传感器，具有高拉伸性和灵敏度。
图9:美科学家直接将发光二极管和传感器编织成纺织聚合物纤维。
目前，柔性织物传感器的编织方法仍存在一些问题。除导电纱外，编织工艺繁琐，生产时间成本高，导电纱强度低，弯曲刚度大，编织过程中易断裂或损坏，影响织物传感器的传感性能。传感器部件需要一定的工艺设计，以确保其完整性。纱线之间的相对滑动也会影响织物传感器的准确性。
然而，编织方法制成的柔性织物传感器仍然具有较高的灵敏度和线性。同时，由于织物组织结构的保留，它更接近服装的感觉、舒适性和良好的耐久性、耐水性和其他服务性能。与可穿戴设备的集成也更加灵活，是人体监测等智能服装柔性织物传感器的更佳选择。因此，研究编织方法制备柔性织物传感器的重要方向是简化编织方法的生产工艺，改性导电纤维，提高纺织性能。
2.3 封装法
包装方法最早应用于传感器与可穿戴设备的集成，是通过缝合或包埋将传感器添加到智能服装或设备中。柔性织物传感器的生产是在织物结构中添加柔性导电膜或导电纳米线，使柔性传感器具有织物基础。
图10:智能服装包埋示意图。
柔性织物传感器的包装方法主要考虑柔性导电材料的选择和织物结构的设计。集成方法相对简单，但也存在一些问题。由于传感器和织物相互独立，导电材料和织物结构滞后，影响织物传感器的测量精度，传感器部件的拉伸和灵活性有限，降低了织物传感器的性能和舒适性。
图11:传感器内部结构及贴在织物上的示意图。
然而，将柔性传感器件直接集成到织物中的方法可以简化生产步骤，这是目前最有可能实现柔性织物传感器批量生产的制备方法，在综合针织监控服装或可穿戴设备的生产中具有一定的优势。因此，优化包装结构，减少人体活动中可能引起的传感器滑动，提高测量精度和准确性，确保良好的稳定性和重复性，是制备柔性织物传感器的优化方向。
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柔性传感器在智能服装中的优缺点
3.1 柔性传感器在智能服装中的优点
柔性传感器可以在任何环境、任何时间和任何状态下检测人体的身体状况。与传统的检测方法相比，其突出优势受客观因素的限制较小。
柔性压力传感器在检测人体运动状态的智能服装中具有明显的优势。它可以根据人体运动时肌肉的拉伸和不同的受力点来检测人体肌肉的力量，并敏锐地捕捉其变化。可作为专业体育训练的测试服，调整不科学的运动模式，提高运动功能水平，有效指导运动服设计的不断改进。柔性湿度传感器在检测人体汗液的智能服装中具有明显的优势。汗水可以反映老年人的健康状况。该传感器可以及时检测穿着者的健康数据，主要用于老年智能服装和医疗智能服装。
图12:智能运动服示意图。
柔性温度传感器在检测感知能力低的智能服装方面具有明显的优势，主要用于儿童智能服装。当儿童体温异常时，传感器会及时检测异常信息，然后传输到父母的手机或计算机终端设备，使儿童能够及时就医。柔性气味传感器在检测外部危险气体的智能服装方面具有明显的优势，能及时响应有害物质、乙醇等气体。
图13:儿童智能服装示意图。
3.2 柔性传感器在智能服装中的局限性和改进
与功能性服装产品相比，柔性传感器在智能服装中的应用成本较高。社会基础设施的程度与柔性传感器的发展速度不匹配是其成本无法降低的原因，使其停留在高实验产品中。与硬件传感器相比，柔性传感器采集数据的准确性相对较差。柔性传感器需要紧密佩戴，以确保人类数据采集的准确性。如果传感器不接近个人，就不能保证数据的可靠性，失去柔性传感器的灵敏度。与传统的服装面料相比，它的舒适性较低。柔性是服装中柔性传感器的舒适性和硬性传感器的应用，但相对而言，柔性传感器的薄膜材料仍不同于真正柔软的服装面料。上述几点在其发展过程中是不可忽略的局限性。
图14:智能服装艺术示意图。
为了进入市场，大规模生产是降低成本的关键，由于缺乏柔性传感器价格，使用廉价的新材料、简单的加工技术和成熟的生产技术可以有效降低成本，其早期试验投资不可低估，项目在社会环境中的技术成熟到一定程度，成本将降低。鉴于柔性传感器舒适性的不足，应集中在新织物的试验中。复合新织物是柔性传感器的发展方向，提高柔性分布密度，满足一定的密度要求，具有一定的紧密性，限制外部因素的干扰，使智能服装敏感。
图15:智能织物示意图。
3.3 柔性传感器在智能服装应用中的发展前景
在特殊职业中，智能服装具有良好的发展前景，各种柔性传感器在智能服装中的应用将发挥巨大的实际效益。对于沙漠环境工作人员穿的智能服装，温度传感器和湿度传感器不仅可以检测工作人员的生活特征，还可以监测外部恶劣环境，有利于工作人员随时掌握自己的健康状况和环境状况。在此过程中，人员信息与网络同步。当人员处于危险之中时，有利于搜救，有效降低人员伤亡率。对于极地工作人员穿的智能服装，温度传感器和压力传感器可以分别检测人体的温度状况和生活特征。当极地工作人员或探险家出现异常时，传感器会及时感知，并将健康信息和坐标位置传递给救援队，以便第一次获得救援。
图16:极地服装示意图。
结 语
柔性传感器在智能服装中的应用，让穿着者随时随地了解自己的身体状况，可以穿日常生活服装，其发展趋势适应社会发展趋势。从萌发到成熟，技术的速度周期越来越短，呈指数级缩短。
来源：传感器专家网，深圳福英达整理
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