柔性电子综述2014：Wearable Electronics and Smart Textiles 可穿戴电子设备

Wearable Electronics and Smart Textiles: A Critical Review

Matteo Stoppa and Alessandro Chiolerio

sensors
ISSN 1424-8220
www.mdpi.com/journal/sensors

摘要：
电子纺织品(Electronic Textiles , e-textiles)将电子产品连接到纺织品中，具有现有其他电子制造技术所无法达到的物理柔性和尺寸。对于一些需要计算和感知快速改变的特殊应用，电子纺织品能更容易的适应, 这是未来电源管理(power management)和情景感知(context
awareness)的一个重要特性.希望通过发展可穿戴计算技术，使得在未来，电子系统将成为我们日常生活中不可或缺的一部分。当然，这种电子系统必须具有高耐磨性。可穿戴系统的特点是能够自动识别用户的活动和行为状态以及周围环境，并利用这些信息来调整系统的配置和功能。本文着重介绍了近年来在智能纺织品（Smart Textiles）领域的研究进展，并且特别注重材料及其制造工艺（materials and their manufacturing process）。每种技术都有优缺点，我们的目标是在灵活性（flexibility）、人机工程学（flexibility）、低功耗（low power consumption）、集成（integration）和最终的自主性（autonomy.）之间进行权衡

1. Introduction

Smart Textiles 代表一个非常广泛的研究领域和产品，能扩展传统纺织品的用途和功能性。纺织品和电子产品(e-textiles)的结合与智能材料的开发有关，这些智能材料能够实现广泛的功能，在当今的刚性和非柔性电子产品中都可以找到。smart textiles可分为三个种类 ：

• Passive smart textiles： 仅仅依靠传感器来感知环境
• Active smart textiles： 对来自环境的刺激能做出反应，集成了执行器和传感器
• Very smart textiles：能感知， 反应并使行为适应特定的环境

在生物医疗和安全领域，基于纺织品的传感设备一直是很大的研究领域。这种传感器可用于感知脑电图，肌电图；含有热电偶（thermocouple）的纺织品可以用来感知温度；将发光原件集成在纺织品中可用于感知生物光子；对形状敏感的纺织物可以感知运动，并可以与肌电感知相结合来获得肌肉的适应性；集成在织物中的碳电极可用于检测特定的环境或生物医学特征，如氧、盐度、湿度或污染物。

active functionality 包括power generation or storge (电的产生和存储)， human interface elements（供人类使用的接口），radio frequency (RF， 具有远距离传输能力的电磁波)functionality（射频功能）,或者assistive technology（辅助技术）。所有的电子设备都需要电，这是Smart Fabrics所面临的巨大挑战。发电可以通过从运动或光伏元件中获取能量的压电元件来实现[15]，供人类使用的接口大致分为两部分：输入设备或警告或显示设备（input devices and annunciation or display devices.）输入设备可以包括电容贴片，功能类似于按钮，或对形状敏感的织物[18]，可以记录运动或弯曲，压力，拉伸或压缩。报警器和显示设备可能包括扬声器[17],电发光的线[19],或含有有机发光二极管阵列的线[20]。织物还可以提供生物反馈(bio-feedback)或进行简单振动.基于织物的天线是一种相对简单的智能织物应用,织物天线仅仅是一些缝合进非导电纺织物里边的特定长度的导电纱线。
研究intelligent textiles的第一阶段往往是智能材料的研究。第二阶段是考虑如何将智能材料整合到纺织品中，当时这需要不同的技术方案，如图1：
包括：

• a embroidering 刺绣
• b sewing 缝纫
• c weaving 编织
• d non-woven textile 无纺布的纺织品
• e knitting 针织
• f spinning 纺纱
• g braiding 交错编织；编结
• h coating/laminating 表面涂层或层压，
• i printing 印刷
• j Chemical Treatments 化学处理
  

这些材料的无数种组合产生了一系列纺织品，但是可商业化的只有包含传统电线，微型电子和特殊连接设备的衣服。由于人们更喜欢穿舒适的纺织品，而不是硬硬的盒子，首先是努力将纺织品本身用于电子功能。
Smart Textiles在医疗、体育、艺术、军事和航天等领域都面临挑战。

本综述特别关注用于开发智能纺织品的材料和方法，每一种方法都是建立在公司，大学或科研机构做了大量的实验的基础上的。

2. Fabrication Techniques 制造技术

在过去的几十年，有很多技术和方法被用来实现 smart textiles。

2.1 conductive fibers 导电纤维

最初，导电线主要用于科技领域：超净间服装，军用服装，医疗应用和电子制造业；具有导电性能或具有电子或计算功能的纺织品结构称为电子纺织品（electro-textiles），他们拥有大量的良好的性能，比如抗静电（antistatic applications），电磁屏蔽(electromagnetic interference shielding， EMI)，电子应用， 红外吸收(infrared absorption)或爆炸区域的防护服(protective clothing in explosive areas)

传统的金属纤维生产工艺是拉丝，是一种机械生产工艺.特点是有多种拉丝步骤， 分别是: coarse, medium, fine, and carding train.
图2

用于拉丝的拉丝模由陶瓷，碳化物或钻石制成的铁芯构成的钢架(The drawing die, used to draw the fiber, consists of a steel mount with a core out of ceramics,
carbide or diamond ? ) 金属线的初始直径随材料的不同而变化，例如，铜通常是8毫米，而铁是5毫米。拉丝之后,钢丝退火温度介于600和900°C,随后，它们将淬火。然后将细金属丝包裹在旋转拉丝筒上。

相关的工作
瑞士公司Elektrisola Feindraht AG 生产的金属单丝可以与各种纤维混合，也可以直接用于编织和编织。重要的是，根据使用的材料，有不同的电气性能。

公司Swiss-Shield®(瑞士Flums)专门研究如何将金属单丝纳入棉、聚酯、聚酰胺和芳纶等纱线中。金属单丝由铜、黄铜、青铜、银、金、铝制成。下图显示了一种典型的带有基体纤维的导电纱线，以及在它们周围缠绕的金属单丝。

2.2 Treated Conductive Fibers

直接在纤维表面做金属涂层，来具有导电性能
不同于将电子器件附连接到纺织品基片上，可以使用电子将纺织品功能化。
导电纤维也可以通过在纤维上涂上金属、电性物质或金属盐而产生。涂层可以应用于纤维、纱线甚至织物的表面，以产生导电纺织品。常见的纺织涂布工艺包括化学镀、蒸发沉积、溅射、用导电聚合物涂布
在[43]提出了一种制造拥有不同材料层和材料结构的纤维制造方法。
该工艺以常规的预成型纤维加工为基础，在加工过程中容易产生数公里长的功能纤维
另一个相关的工作是使用纺织中的交叉纱线来制造晶体管

由此产生的晶体管开关电流比(on-off
current ratio )超过1000，工作时时栅电压为1.5 V。

相关工作：
Textile Research Institute of Thuringia-Vogtland (TITV, Greiz, Germany)通过在传统纱线上涂上金属层，成功地生产出了导电线， 称为ELITEX。电导约为 $1.2 \times S \cdot cm^{-1}$,因而电阻约为 $8.34 O \cdot mm^2 / m$，电阻太高而不能导电。

2.3 Conductive Fabrics 导电织物

有很多方法制造导电纤维，一种方式将导电纱线通过编制等方法整合到纺织结构中。然而，导电纱线在结构中的整合是一个复杂的，没有一个统一的过程，因为它需要确保导电织物的穿着舒适，柔软，而不是很硬。可以只用不同的方法制造具有导电性能的织物：

• a 金属线缠绕在聚合纱线上
• b 金属线涂覆在聚合纱线上
• c 金属丝线构成导电纱线
  

编织织物结构可以提供一个复杂的网络结构，它可以作为精细的电路使用，该电路中有许多导电和非导电成分。同时该结构具有多层结构和空间用来容纳电子器件。

ETH的研究人员引入了一种新的制造方法。目的是实现定制纺织电路的可能性

电路元件之间的接线结构是通过嵌入铜导线的纤维实现的。为了避免铜线之间的短路，必须在布线的特定位置进行切割，实现流程如下：

• 在特定的十字路口用激光烧蚀去除铜丝上的涂层 coating removal on copper wires at defined intersections with laser ablation
• 用激光切断导线以避免信号泄漏cutting the wires avoiding the signal leakage with laser
• 将导电胶滴在十字连接处，连接两根线 creating the interconnection with a drop of conductive adhesive
• 使用环氧树脂沉积来实现机电保护adding mechanical and electrical protection with an epoxy resin deposition

相关的工作：

另一种实现导电织物的可能性是使用刺绣技术将导电结构附着在结构表面上

2.4 Conductive Inks 导电油墨

交互式电子纺织品也可以用导电油墨生产，首先，导电油墨必须包括包含导电金属，比如Ag，Cu，Au 颗粒（and a
carrier vehicle ？？？） 。大多数油墨都是基于水的，水是油墨的主要成分。这些特殊的油墨可以印在各种材料上，包括纺织品，来创造具有导电性的图案
丝网印刷技术使得平面电子的集成要比导电纱线系统的集成简单的多。

有几种技术可以用来在不同的基板上喷印带电材料，Sheet-based inkjet and screen printing
适用于低容量，高精度的工作。

inkjet

喷墨技术适用于像有机半导体一样的低粘度，可溶性材料。而对于高粘度材料，如有机介质，和分散颗粒，如无机金属油墨，会造成喷嘴的堵塞。油墨是通过液滴沉积的，所以厚度和分散并不是非常均匀。
使用许多喷嘴可以提高提高生产率，使用预结构的基片可以提高分辨率。

对于喷墨打印，油墨需要满足一下要求：

• high electrical conductivity 高的导电性
• resistance to oxidation 抗氧化
• dry out without clogging the nozzle during printing 在打印时，干燥，不堵塞喷嘴
• good adhesion to the substrate 对基底好良好的附着力
• lower particle aggregation 较低的粒子聚合度
• suitable viscosity and surface tension 合适的粘度和表面张力

油墨也可能含有添加剂，来调优油墨性能或添加特殊性能，从而提高其性能。

打印完含有金属颗粒的油墨后，为了获得导电的图案，颗粒必须烧结在一起建立连接，从而获得导电能力。烧结 sintering是指在低于相应的大块金属熔点的温度下将颗粒焊接在一起的过程,涉及到固体和液体之间的表面扩散现象。例，基于金颗粒（直径1.5 nm）的油墨，熔化温度低于 $380^{。}C$；而基于银颗粒（直径 15~20 nm）的油墨， 熔化温度为 $180^。C$。

screen printing

用于粘性材料的图案印刷

screen printing适合于制造电器和电子产品，因为它能从似膏体的材料中产生有图案的，很厚的层。screen printing，是一种模版印刷工艺，先通过有图案的织物丝网印刷粘性浆料，之后是干燥过程。该方法可应用于平面或圆柱形基片。根据基材材料和印刷结构的要求，用高的温度来实现致密化是必要的(organic substrate T < 150 °C. Glass, ceramic and metal substrate T > 500 °C)。
该方法不仅能在无机材料中上打印电导线(比如电路板和天线)，也可以制作绝缘层和钝化层。通常来说，在低于100um的分辨率下，可以实现 $50m^2/h$的产量，通过优化手段，分辨率可以达到30um
这种相对简单的方法主要用来制造导电层和介电层。除此之外有机半导体也可以作为基板材料，比如OPVCs and OFETs。
最近，南安普敦大学，发现利用创新的screen print技术在纺织品上打印电极和导电线网络结构，来用于医疗应用。

一种聚氨酯浆料被印刷在纺织织物上，创造一个光滑的，高表面能量的界面层，然后将银浆料印刷在这个界面层的上，来提供导电轨道。银粉被印在无纺布上，用于制造可穿戴健康监测设备。
研究人员使用干电极和导电油墨研发了不同的生物电位传感系统，来进行信号跟踪，以证明这项技术可以用于生物医学应用。具体应用试验为:心电图、面部肌电图、前臂肌电图

相关工作：
The National Textile Center of the North Carolina State University (Raleigh, NC, USA)
“在无纺布上印刷电路”来制造一种检测生理指标的服装，比如测量心电图，心率，呼吸和温度等。

2.5 Conductive Materials as Sensors

待续…

[15] 发电：
Edmison, J.; Jones, M.; Nakad, Z.; Martin, T. Using piezoelectric materials for wearable
electronic textiles. In Proceedings of the 6th International Symposium on Wearable Computers
(ISWC), Seattle, WA, USA, 7–10 October 2002; pp. 41–48

[18] 对形状敏感的纤维结构
18. Pacelli, M.; Loriga, G.; Taccini, N.; Paradiso, R. Sensing Fabrics for Monitoring Physiological
and Biomechanical Variables: E-textile solutions. In Proceeding of the IEEE/EMBS International
Summer School on Medical Devices and Biosensors, St. Catharine‘s College, Cambridge, UK,
19–22 August 2007; pp. 1–4

[17] 扬声器：
How to Get What You Want? Available online: http://www.kobakant.at/DIY/?p=48 (accessed on
11 January 2014).

[19]电发光线：
Dias, T. Development and Analysis of Novel Electroluminescent Yarns and Fabrics for
Localised Automotive Interior Illumination: El Yarns and Fabrics. Text. Res. J. 2012, 82,
1164–1176.
[20] 集成oleds的纱线：
Janietz, S.; Gruber, B.; Schattauer, S.; Schulze, K.; Integration of OLEDs in Textiles. Adv. Sci.
Technol. 2012, 80, 14–21.