一种坚固的、具有抗拉伸干扰功能的压力感应织物，能够承受1,010,000次拉伸/压缩循环以及101次洗涤循环

《Sensors and Actuators A: Physical》：A robust stretch-interference-resistant pressure-sensing fabric withstanding 1,010,000 stretching/compressing cycles and 101 laundering cycles

本研究开发了一种高拉伸性电容式压力传感器（SRCPSF），采用弹性织物和PTFE包覆铜纤维缝合而成。该传感器在100%拉伸应变下仍保持优异性能，压力分辨率低于0.05N，经100万次拉伸/压缩循环和100次洗涤后性能稳定，有效解决了柔性电子器件的耐久性和信号干扰问题。

　　

吴秋雨|金月|冯浩|赵丽婷|张晓婷|王瑞

北京服装材料研发与评估重点实验室，北京纺织纳米纤维工程技术研究中心，北京服装学院材料设计与工程学院，中国北京100029

摘要

通过缝纫机将弹性织物和导电纤维结合，制备了抗拉伸电容式压力传感织物（SRCPSF）。铜导电纤维作为导电层，聚四氟乙烯（PTFE）和弹性织物共同作为介电层。由于织物基底的优异弹性，SRCPSF传感器具有高达100%的拉伸性能。此外，由于铜纤维和PTFE的优异尺寸稳定性，在受到100%拉伸后，传感织物的压力感应响应变化小于10%。SRCPSF的压力分辨率在0.05–5 N的测试范围内低于0.05 N。

值得注意的是，在经过101万次拉伸循环后，SRCPSF的压力分辨率仍保持在0.05 N以下，且在100%拉伸载荷前后压力感应响应仅变化了5.35%。同样，在经过101万次压缩循环后，该设备的压力分辨率仍低于0.05 N，压力信号变化为4.41%。经过101次洗涤循环后，传感器在100%拉伸后仍保持0.05 N以下的压力分辨率，压力响应仅变化了8.51%。

引言

智能压力传感器在柔性电子设备的发展中起着关键作用，特别是在软体机器人和人机交互领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。压力传感器是一种能够检测外部机械变形并将其转换为可测量电信号（如电阻或电容变化）的装置[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。与电阻式压力传感器相比，电容式压力传感器具有低功耗、高灵敏度和优异的信号稳定性等优点，使其在人体运动监测和可穿戴智能系统中具有广泛应用前景[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。

灵活性是智能压力传感器的关键特性之一，因为在正常身体运动过程中不可避免地会发生拉伸[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。与非可拉伸传感器不同，可拉伸压力传感器可以更紧密地贴合人体的弯曲表面，从而提高传感精度和佩戴舒适度[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。现有研究通常是将柔性压力传感器以贴片的形式附着在纺织品上[30]。尽管这种基于纺织品的传感器可以在一定程度上检测压力变化并适应身体运动，但传感器和纺织品仍然是分离的结构。这种设计在长期使用过程中存在分层的风险，且现有设备无法承受数百万次的拉伸和压缩疲劳。因此，开发将传感功能与纺织结构集成到统一系统中的集成式基于纺织品的压力传感器具有重要意义。

此外，由于人体运动的复杂性，拉伸和压缩往往同时发生，而不是独立发生[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。为了分析人体运动和监测生理信号，准确区分拉伸和压缩信号与信号采集过程本身同样重要[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。然而，现有的基于纺织品的压力传感器在受力时通常会出现较大的信号波动，其中拉伸引起的电变化会显著干扰压力测量。因此，迫切需要开发一种能够抑制拉伸干扰的基于纺织品的压力传感器。此外，可洗涤性是实际日常应用的关键前提[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]，因此高性能的基于纺织品的压力传感器还必须能够承受反复洗涤。

此外，现有的缝制/编织的基于纺织品的电容式压力传感器通常面临三个关键技术瓶颈：拉伸-压缩信号串扰、严重的循环性能退化以及高压力分辨率与优异可洗涤性之间的固有权衡[49]。这些问题的根本原因在于材料配对的不足和缺乏工艺集成的结构设计。为了解决这些挑战，本研究放弃了传统的新型材料开发范式，提出了一种创新策略，结合了分层协调的设计（刚性电极-低应变涂层-弹性织物）和嵌入式结构化缝纫工艺。这种集成设计实现了0.05 N的低压力分辨率、在100%拉伸应变下相对电容变化小于10%、超过100万次拉伸/压缩疲劳循环的稳定性能，以及经过100多次洗涤循环后的强大耐用性。本研究的核心贡献在于，它通过工程级别的创新克服了阻碍现有基于纺织品的传感器从实验室原型向实际应用转化的关键瓶颈，并为可穿戴人机交互设备的大规模制造提供了可行的技术途径。

部分摘录

材料

聚四氟乙烯（PTFE）涂层的铜纤维由江苏汇腾电子线材科技有限公司提供。弹性织物购自绍兴彦辉纺织品有限公司。

LM/SHSF的制备

作为基底材料，使用了由70%聚酯和30%氨纶组成的弹性织物。随后，通过工业缝纫机将PTFE涂层的铜纤维缝制在其表面，制备出抗拉伸电容式压力传感织物，命名为SRCPSF-P70/S30

结果与讨论

如图S1和S2所示，铜纤维具有相对光滑的表面，直径约为50 μm。每个电极由几根直径均匀的独立纤维组成。铜纤维被一层薄薄的PTFE包裹，形成整体直径约为300 μm的核壳结构。这种PTFE涂层的铜纤维核壳结构嵌入纺织基底中，形成了一个集成复合织物系统（图1a）。经过101万次拉伸

结论

总之，SRCPSF传感器在各种恶劣条件下始终表现出卓越的操作稳定性。即使在经过101万次拉伸疲劳循环、101万次压缩疲劳循环和101次洗涤循环等严格的耐久性测试后，其压力分辨率仍保持在0.05 N以下，电容变化率也低于10%。这些结果验证了其可靠的长期稳定性和优异的环境耐久性，完全满足了

作者贡献声明

吴秋雨：撰写–原始草案。金月：验证。冯浩：验证。赵丽婷：撰写–审阅与编辑，监督。王瑞：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFB3805802和2022YFB3805804）、北京学者计划（RCQJ20303）以及北京服装学院基于“服装科学”的新兴跨学科平台建设项目（11000024T000003073871）的支持。

吴秋雨是北京服装学院材料科学与工程专业的硕士生，她的研究兴趣集中在纳米材料在气体传感中的应用。