Wearable Electronics and Smart Textiles: A Critical Review

Matteo Stoppa and Alessandro Chiolerio

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

原論文我放在這了：https://download.csdn.net/download/dss_dssssd/10778273
摘要：
電子紡織品(Electronic Textiles , e-textiles)將電子產品連接到紡織品中，具有現有其他電子制造技術所無法達到的物理柔性和尺寸。對于一些需要計算和感知快速改變的特殊應用，電子紡織品能更容易的適應, 這是未來電源管理(power management)和情景感知(context
awareness)的一個重要特性.希望通過發展可穿戴計算技術，使得在未來，電子系統將成為我們日常生活中不可或缺的一部分。當然，這種電子系統必須具有高耐磨性。可穿戴系統的特點是能夠自動識別用戶的活動和行為狀態以及周圍環境，并利用這些信息來調整系統的配置和功能。本文著重介紹了近年來在智能紡織品（Smart Textiles）領域的研究進展，并且特別注重材料及其制造工藝（materials and their manufacturing process）。每種技術都有優缺點，我們的目標是在靈活性（flexibility）、人機工程學（flexibility）、低功耗（low power consumption）、集成（integration）和最終的自主性（autonomy.）之間進行權衡

1. Introduction

Smart Textiles 代表一個非常廣泛的研究領域和產品，能擴展傳統紡織品的用途和功能性。紡織品和電子產品(e-textiles)的結合與智能材料的開發有關，這些智能材料能夠實現廣泛的功能，在當今的剛性和非柔性電子產品中都可以找到。smart textiles可分為三個種類 ：

• Passive smart textiles： 僅僅依靠傳感器來感知環境
• Active smart textiles： 對來自環境的刺激能做出反應，集成了執行器和傳感器
• Very smart textiles：能感知， 反應并使行為適應特定的環境

在生物醫療和安全領域，基于紡織品的傳感設備一直是很大的研究領域。這種傳感器可用于感知腦電圖，肌電圖；含有熱電偶（thermocouple）的紡織品可以用來感知溫度；將發光原件集成在紡織品中可用于感知生物光子；對形狀敏感的紡織物可以感知運動，并可以與肌電感知相結合來獲得肌肉的適應性；集成在織物中的碳電極可用于檢測特定的環境或生物醫學特征，如氧、鹽度、濕度或污染物。

active functionality 包括power generation or storge (電的產生和存儲)， human interface elements（供人類使用的接口），radio frequency (RF， 具有遠距離傳輸能力的電磁波)functionality（射頻功能）,或者assistive technology（輔助技術）。所有的電子設備都需要電，這是Smart Fabrics所面臨的巨大挑戰。發電可以通過從運動或光伏元件中獲取能量的壓電元件來實現[15]，供人類使用的接口大致分為兩部分：輸入設備或警告或顯示設備（input devices and annunciation or display devices.）輸入設備可以包括電容貼片，功能類似于按鈕，或對形狀敏感的織物[18]，可以記錄運動或彎曲，壓力，拉伸或壓縮。報警器和顯示設備可能包括揚聲器[17],電發光的線[19],或含有有機發光二極管陣列的線[20]。織物還可以提供生物反饋(bio-feedback)或進行簡單振動.基于織物的天線是一種相對簡單的智能織物應用,織物天線僅僅是一些縫合進非導電紡織物里邊的特定長度的導電紗線。
研究intelligent textiles的第一階段往往是智能材料的研究。第二階段是考慮如何將智能材料整合到紡織品中，當時這需要不同的技術方案，如圖1：
包括：

• a embroidering 刺繡
• b sewing 縫紉
• c weaving 編織
• d non-woven textile 無紡布的紡織品
• e knitting 針織
• f spinning 紡紗
• g braiding 交錯編織；編結
• h coating/laminating 表面涂層或層壓，
• i printing 印刷
• j Chemical Treatments 化學處理
  

這些材料的無數種組合產生了一系列紡織品，但是可商業化的只有包含傳統電線，微型電子和特殊連接設備的衣服。由于人們更喜歡穿舒適的紡織品，而不是硬硬的盒子，首先是努力將紡織品本身用于電子功能。
Smart Textiles在醫療、體育、藝術、軍事和航天等領域都面臨挑戰。

本綜述特別關注用于開發智能紡織品的材料和方法，每一種方法都是建立在公司，大學或科研機構做了大量的實驗的基礎上的。

2. Fabrication Techniques 制造技術

在過去的幾十年，有很多技術和方法被用來實現 smart textiles。

2.1 conductive fibers 導電纖維

最初，導電線主要用于科技領域：超凈間服裝，軍用服裝，醫療應用和電子制造業；具有導電性能或具有電子或計算功能的紡織品結構稱為電子紡織品（electro-textiles），他們擁有大量的良好的性能，比如抗靜電（antistatic applications），電磁屏蔽(electromagnetic interference shielding， EMI)，電子應用， 紅外吸收(infrared absorption)或爆炸區域的防護服(protective clothing in explosive areas)

傳統的金屬纖維生產工藝是拉絲，是一種機械生產工藝.特點是有多種拉絲步驟， 分別是: coarse, medium, fine, and carding train.
圖2

用于拉絲的拉絲模由陶瓷，碳化物或鉆石制成的鐵芯構成的鋼架(The drawing die, used to draw the fiber, consists of a steel mount with a core out of ceramics,
carbide or diamond ? ) 金屬線的初始直徑隨材料的不同而變化，例如，銅通常是8毫米，而鐵是5毫米。拉絲之后,鋼絲退火溫度介于600和900°C,隨后，它們將淬火。然后將細金屬絲包裹在旋轉拉絲筒上。

相關的工作
瑞士公司Elektrisola Feindraht AG 生產的金屬單絲可以與各種纖維混合，也可以直接用于編織和編織。重要的是，根據使用的材料，有不同的電氣性能。

公司Swiss-Shield?(瑞士Flums)專門研究如何將金屬單絲納入棉、聚酯、聚酰胺和芳綸等紗線中。金屬單絲由銅、黃銅、青銅、銀、金、鋁制成。下圖顯示了一種典型的帶有基體纖維的導電紗線，以及在它們周圍纏繞的金屬單絲。

2.2 Treated Conductive Fibers

直接在纖維表面做金屬涂層，來具有導電性能
不同于將電子器件附連接到紡織品基片上，可以使用電子將紡織品功能化。
導電纖維也可以通過在纖維上涂上金屬、電性物質或金屬鹽而產生。涂層可以應用于纖維、紗線甚至織物的表面，以產生導電紡織品。常見的紡織涂布工藝包括化學鍍、蒸發沉積、濺射、用導電聚合物涂布
在[43]提出了一種制造擁有不同材料層和材料結構的纖維制造方法。
該工藝以常規的預成型纖維加工為基礎，在加工過程中容易產生數公里長的功能纖維
另一個相關的工作是使用紡織中的交叉紗線來制造晶體管

由此產生的晶體管開關電流比(on-off
current ratio )超過1000，工作時時柵電壓為1.5 V。

相關工作：
Textile Research Institute of Thuringia-Vogtland (TITV, Greiz, Germany)通過在傳統紗線上涂上金屬層，成功地生產出了導電線， 稱為ELITEX。電導約為$1.2\times S?c{m}^{?1}$,因而電阻約為$8.34O?m{m}^2/m$，電阻太高而不能導電。

2.3 Conductive Fabrics 導電織物

有很多方法制造導電纖維，一種方式將導電紗線通過編制等方法整合到紡織結構中。然而，導電紗線在結構中的整合是一個復雜的，沒有一個統一的過程，因為它需要確保導電織物的穿著舒適，柔軟，而不是很硬。可以只用不同的方法制造具有導電性能的織物：

• a 金屬線纏繞在聚合紗線上
• b 金屬線涂覆在聚合紗線上
• c 金屬絲線構成導電紗線
  

編織織物結構可以提供一個復雜的網絡結構，它可以作為精細的電路使用，該電路中有許多導電和非導電成分。同時該結構具有多層結構和空間用來容納電子器件。

ETH的研究人員引入了一種新的制造方法。目的是實現定制紡織電路的可能性

電路元件之間的接線結構是通過嵌入銅導線的纖維實現的。為了避免銅線之間的短路，必須在布線的特定位置進行切割，實現流程如下：

• 在特定的十字路口用激光燒蝕去除銅絲上的涂層 coating removal on copper wires at defined intersections with laser ablation
• 用激光切斷導線以避免信號泄漏cutting the wires avoiding the signal leakage with laser
• 將導電膠滴在十字連接處，連接兩根線 creating the interconnection with a drop of conductive adhesive
• 使用環氧樹脂沉積來實現機電保護adding mechanical and electrical protection with an epoxy resin deposition

相關的工作：

另一種實現導電織物的可能性是使用刺繡技術將導電結構附著在結構表面上

2.4 Conductive Inks 導電油墨

交互式電子紡織品也可以用導電油墨生產，首先，導電油墨必須包括包含導電金屬，比如Ag，Cu，Au 顆粒（and a
carrier vehicle ？？？） 。大多數油墨都是基于水的，水是油墨的主要成分。這些特殊的油墨可以印在各種材料上，包括紡織品，來創造具有導電性的圖案
絲網印刷技術使得平面電子的集成要比導電紗線系統的集成簡單的多。

有幾種技術可以用來在不同的基板上噴印帶電材料，Sheet-based inkjet and screen printing
適用于低容量，高精度的工作。

inkjet

噴墨技術適用于像有機半導體一樣的低粘度，可溶性材料。而對于高粘度材料，如有機介質，和分散顆粒，如無機金屬油墨，會造成噴嘴的堵塞。油墨是通過液滴沉積的，所以厚度和分散并不是非常均勻。
使用許多噴嘴可以提高提高生產率，使用預結構的基片可以提高分辨率。

對于噴墨打印，油墨需要滿足一下要求：

• high electrical conductivity 高的導電性
• resistance to oxidation 抗氧化
• dry out without clogging the nozzle during printing 在打印時，干燥，不堵塞噴嘴
• good adhesion to the substrate 對基底好良好的附著力
• lower particle aggregation 較低的粒子聚合度
• suitable viscosity and surface tension 合適的粘度和表面張力

油墨也可能含有添加劑，來調優油墨性能或添加特殊性能，從而提高其性能。

打印完含有金屬顆粒的油墨后，為了獲得導電的圖案，顆粒必須燒結在一起建立連接，從而獲得導電能力。燒結 sintering是指在低于相應的大塊金屬熔點的溫度下將顆粒焊接在一起的過程,涉及到固體和液體之間的表面擴散現象。例，基于金顆粒（直徑1.5 nm）的油墨，熔化溫度低于$380^{。}C$；而基于銀顆粒（直徑 15~20 nm）的油墨， 熔化溫度為$180^{。}C$。

screen printing

用于粘性材料的圖案印刷

screen printing適合于制造電器和電子產品，因為它能從似膏體的材料中產生有圖案的，很厚的層。screen printing，是一種模版印刷工藝，先通過有圖案的織物絲網印刷粘性漿料，之后是干燥過程。該方法可應用于平面或圓柱形基片。根據基材材料和印刷結構的要求，用高的溫度來實現致密化是必要的(organic substrate T < 150 °C. Glass, ceramic and metal substrate T > 500 °C)。
該方法不僅能在無機材料中上打印電導線(比如電路板和天線)，也可以制作絕緣層和鈍化層。通常來說，在低于100um的分辨率下，可以實現$50m^2/h$的產量，通過優化手段，分辨率可以達到30um
這種相對簡單的方法主要用來制造導電層和介電層。除此之外有機半導體也可以作為基板材料，比如OPVCs and OFETs。
最近，南安普敦大學，發現利用創新的screen print技術在紡織品上打印電極和導電線網絡結構，來用于醫療應用。

一種聚氨酯漿料被印刷在紡織織物上，創造一個光滑的，高表面能量的界面層，然后將銀漿料印刷在這個界面層的上，來提供導電軌道。銀粉被印在無紡布上，用于制造可穿戴健康監測設備。
研究人員使用干電極和導電油墨研發了不同的生物電位傳感系統，來進行信號跟蹤，以證明這項技術可以用于生物醫學應用。具體應用試驗為:心電圖、面部肌電圖、前臂肌電圖

相關工作：
The National Textile Center of the North Carolina State University (Raleigh, NC, USA)
“在無紡布上印刷電路”來制造一種檢測生理指標的服裝，比如測量心電圖，心率，呼吸和溫度等。

2.5 Conductive Materials as Sensors 導電材料作為傳感器

由于環境變化而導致電氣性能改變的導電紡織品可以用作傳感器，一些典型的例子是對變形敏感的紡織品，可用作壓力傳感器，stretch sensors and breathing sensors。另一方面，使用智能紡織品，有可能制造bio-potential sensors。

2.5.1 stretch sensors

Stretch sensors主要用來檢測和感知身體參數，這是因為紡織品和身體會有很大的接觸面積。同時意味著檢測可以在身體的幾個地方同時進行。例如，這些傳感器可以用來測量心跳速率，呼吸，運動和血壓[64]。紡織傳感器的一種特殊結構是將具有壓阻特性的纖維整合在一起，使其成為應變或變形傳感器。

手套，通過連接到手機，可以采集手勢信息。手套中的傳感器可以檢測穿戴社的手部移動。每根手指使用四根電線來構成一個電路，電壓隨著手指的位置發生改變。

相關的工作

• Intellitex ：套服，檢測兒童的心率
• Redhill, UK，將拉伸傳感器集成到衣服中，可以實現 音樂音量和音軌的控制

2.5.2 pressure sensors 壓力傳感器

常用作電子設備的開關或用戶接口，也用于檢測用戶的生命體征

有一些方法來制造平面壓力傳感器（plane pressure sensors）。其工作原理是壓電諧振頻率隨著施加電壓和電容的改變而改變，這是由覆蓋著傳導線矩陣的彈性泡沫引起的。對于電容傳感器來說，寄生電容和電阻的變化可以通過電子器件來補償，因此布線對感知信號的影響是微乎其微的。

The Wearable Computing Lab of ETH Zurich已經發明了：一種帶有多個電容式壓力傳感器的矩陣，用來集成到衣服中，如下圖：

通過這種方法，能夠測量人體的壓力，和檢測上臂的肌肉活動。使用在人體不同的地方，可以為運動跟蹤或幾日物理狀態的檢測提供更多的細節。
相關工作：

• 商業化一款產品

• KeyCaseTM keyboard， pda 個人助理

• 高性能多元件壓力和觸覺傳感系統 Tactarray and ConTacts 下圖a
  

• 如上圖b， 兩層導電織物組成，中間十一層不帶電網片。當織物受壓時，一個導電層與另一個導電層接觸，從而產生電。

• The team of the Center for Micro-Bio Robotics of Istituto Italiano di Tecnologia 生產了一種完全基于商用導電織物的復合電容三軸傳感器，證明了其在操縱下的高依從性和穩定性

2.5.3 Electrochemical Sensors 電化學傳感器

最近對新型制造方法和電化學技術的深入研究使化學傳感器能夠增強傳統物理測量，比如心率，腦電圖，心電圖(heart rate, EEG, ECG)等，
基于柔性和紡織物的絲網印刷的電化學傳感器可能是非侵入式檢測的替代品，但是不能很容易的附著在身體，尤其是皮膚。由于其腐蝕性的化學成分。
相關的工作：
The researchers of National Centre for Sensor Research, Dublin City University (Ireland),制造出了可穿戴及化學傳感器，檢測穿戴者移動以及身處的環境。該化學傳感器能夠實時測量和分析身體上的汗液。他們也開發了一種微晶片版的平臺，用來測量汗液pH值的變化。在芯片兩邊放置貼面封裝(SMT)LED和光電二極管模塊，注意要與PH敏感纖維對其，來檢測PH敏感纖維的顏色變化。

2.5.4 Textile Energy Harvesting and Portable Power Supply System 能源采集和便攜式供電系統

電源技術仍然是可穿戴設備面臨的重大挑戰，雖然可穿戴電子產品已經取得了相當大的進展，但鋰電池作為可穿戴設備的動力源，由于其脆弱的機械穩定性，并沒有跟上這一進展的步伐，導致它們仍然是整個技術的限制元素。
開發一種可穿戴系統，能積累身體消耗的能量。

其他研究團隊利用用戶在日常活動中通過腿部運動和身體熱量提供的能量。例如Infineon嘗試利用身體運動產生的能量，使用噴墨打印技術將MP3整合到夾克中。[78]
在英國，博爾頓大學已經開發出一種新的技術，將壓電聚合物基體和光伏涂層系統集成在一起，創造出一種薄膜或纖維結構，能夠從自然界中獲取能量，包括太陽、雨、風、浪和潮汐.[79]

Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) 發起一個項目，采用快速印刷工藝和活性印刷油墨發明了一種可嵌入到紡織品中的能量收集膜[80,81].
Zhong Lin Wang領導的Georgia Tech researchers，發明了利用氧化鋅納米線包裹的柔性纖維來講機械能轉化為電能。研究人員說纖維能捕捉任意一種振動或移動來產生電流。鍍金氧化鋅納米線，每一個大約3.5um高，生長在一層柔性聚合物纖維上，這些納米線與未處理的納米線摩擦，來產生電流[82]。

通過新一代的太陽能電池來手機太陽能的衣服[83,84]，將柔性太陽能電池集成到服裝中可以為便攜式電子設備提供電力,盡管它受到環境光強度的限制,光伏發電仍然是提供電力最先進的方式。
便攜式設備的電力需求現在已經很低，集成在衣服上的太陽能電池可以為大多數移動電子設備提供電力[85].
相關工作：

• The ILLUM jacket，使用了印刷電致發光油墨和一刷光伏發電技術

• Thermotron of UNITIKA (Osaka, Japan)， 一種特殊紡織物能將太陽光轉化為熱能，并能無損存儲。
• German research team led by The Fraunhofer Institute for Reliability and Micro-integration (FhG-IZM, Berlin, Germany)制造出一種能夠為交互式電子紡織品提供電力的電池。這個研究小組研發了一種印刷在基板上的小型電池，約為紐扣大小或硬幣形狀，可快速制造，并且成本低于1美元。最后的成果是120um厚的AgO-Zn電池，可以被印刷在任何基板上。

2.6 Planar Fashionable Circuit Board (P-FCB)

P-FCB 可以制作在纖維或可穿戴設備上的電路板。柔性超高，就想普通的衣服一樣。

P-FCB的基板是使用梭織布制成，平面電極通過導電環氧樹脂的絲印或金濺射直接沉積在織物貼片上。首先，電路板通過絲網印刷技術印刷在梭織布上，接著，IC放在紡織物上，并與圖形電極連接；最后使用不導電環氧樹脂將IC模壓成型。
利用這些技術，KAIST 的研究人員研發一種多層電路，之前的研究包括如何獲得好的電氣和機械性能以及系統設計參數，比如最大功耗，最大電流密度，相近兩根線之間的串擾以及耐久度等[90]

2.7 Wearable Antenna 可穿戴天線

對于可穿戴天線的研究已經開展，探索新型的舒適靈活的智能結構。

如果想要研制一套可穿戴的自主系統，天線顯得十分重要。它允許系統將信息從服裝內部的傳感器傳輸到控制單元或監控其他電子參數。
因此，可穿戴天線是將衣服融入通訊系統的紐帶，使電子設備更隱蔽。為了達到良好的效果，可穿戴天線(wearable antennas)必須薄、輕、低維護、魯棒性高、便宜且易于集成在射頻電路（RF circuit）中。平面結構、柔性導電材料和介質材料是可穿戴天線的具體要求[92,93]。一些材料的屬性會影響天線的行為。比如，平面微帶天線的帶寬和效率主要取決于基板的介電常數和厚度
一般來說，介電常數很低的紡織品可以減少表面波損耗并增加天線的阻抗帶寬。因此，為了減少不想要的影響，了解這些特性是如何影響天線性能十分重要。

另一個問題是，身體的運動會使天線的空間幾何形狀發生變形并影響其性能。當織物適應表面輪廓時，它會發生彎曲和變形，從而改變其電磁特性，從而影響天線性能。因此要設計一種可穿戴的調頻天線，要比FM帶寬(大約81-130MHz)更寬，并且不受身體干擾[97]。

以下是天線設計的要求：

• 選擇紡織天線的放置位置[98,99]; choosing the correct positioning of the textile antenna
• 在堆疊不同的織物時，紡織天線必須有準確的厚度[99]。 the textile antenna must be made with an accurate thickness stacking the different fabrics
• 貼片的幾何尺寸必須保持穩定[100]the geometrical dimensions of the patch must remain stable [
• 層之間的連接不能影響電氣性能，與其他電子服裝(e-garments)的連接穩定可靠。[101-103] the connections between the layers must not affect the electrical properties and the connections with other parts of "e-garments"have to be stable and robust.

相關的工作

• [104] 研制了一種全紡織波導天線，使用一種受晶胞啟發的材料，改材料也用于合成右旋/左旋傳輸線。可用于2.45和5.4 GHz雙頻無線局域網應用。

• [105] 使用傳統或工業紡織品制造紡織天線。典型的到點天線部件使用現代的導電纖維制成

• [106] 紡織品RFID是天線的一個特殊解決方案

• [107] 在組件和器件之間如何連接？在大多數情況下，使用的方法是在可拉伸的基體材料中研發可彎曲的電鍍金屬絲

• [108] 下圖展示了一種可伸縮的互聯結構，“horseshoe-shape”馬蹄形的結構，能夠承受較大的機械變形而保持良好的電學性能。
  

• [109] 對于高頻信號而言，連接必須是可拉伸的，所以基板和道題也必須會可拉伸的。通常使用聚合物材料作為封裝基板，因為其具有拉伸性和生物兼容性。

3. Discussion

前一節中介紹的方法有很大的不同，每一種方法都有非常具體的特性，如導電性(conductivity)、柔韌性(flexibility)、生物相容性(biocompatibility)、機械阻力(mechanical resistance)和耐洗性(washability)。然而，只有少數幾種方法能夠同時滿足所有這些需求。下面的章節旨在澄清一些材料和方法的特點。

3.1 Conductive Wires 導電線

對于衣服來說，一些觸覺屬性比如拉伸性，恢復性很重要。因此所用的纖維應該是細的，織物的單位面積質量應該很低(不超過300$g/m^2$)。然而這些要求與要達到合理導電率所需的材料和幾何形狀相沖突，因為將金屬線等導電材料與紡織品結合時候增加衣服的硬度，降低彈性[110]。

在一些文獻中，金屬絲和金屬纖維沒有區別。然而，斯普林特金屬公司(德國赫默公司)根據直徑來定義金屬纖維和金屬絲。金屬絲的直徑為$30um1.4mm$，金屬纖維的直徑為$240um$[111]。

金屬纖維的優點是強度(strength)，合成物(composition),生物惰性(biological inertness),可以低成本獲取。由于其惰性，對洗滌和汗水不敏感。
然而，他們不能提供均勻的溫度，隨著時間的推移，本身的機械脆性也會損耗紡織品的機械結構。此外，他們要比大多數紡織纖維更重，不容易生產質量均勻的混合物。[112]

使用“導電線”方法，在織物生產后不需要額外的步驟來建立導電率,導電線的電阻約為$10?500\Omega /m$[113]

下圖顯示銅絲纏繞在紗線周圍，由于銅線螺旋纏繞紗線，它們在織物內部的位置沒有精確定義[114]，電阻約為$17.8\Omega /m$

3.2 treated coatings 涂覆層

涂層的優點是，它們適用于許多類型的纖維，可以產生良好的導電性，而不顯著改變基體的關鍵性能，如密度、柔韌性和手感(density, flexibility
and handle)。然而，金屬和纖維之間的粘附以及耐腐蝕性會導致問題.

即使這些紡織品的主要用途是防止靜電和電磁干擾(electromagnetic
interference , EMI)，通過涂層處理也可以制成導電織物。正常紡織品的表面電阻率(surface resistivity , Rs)變化從超過$10^5\Omega /sq$到低于$100\Omega /sq$,低電阻率用于靜電防護，電磁干擾防護和加熱應用。通常是通過吸收或浸漬于有機抗靜電劑實現的。

目前生產導電纖維最重要的方法是：

• 在纖維中嵌入導電材料（carbon black, metal wires, graphite and metal powder or
  flakes of Al, Cu, Ni, Ag）
• 使用導電金屬或聚合物纖維的混合紡織品（比如polypyrrole, polyaniline）如下圖
  

[116] polypyrrole-coated的使用來降低表面電阻率。

直接操作紗線，使其具有導電性的最大優點是可以保持紗線柔性等特點。

3.3 Conductive Fabric PETEX

通常，由導電纖維制成的織物具有如下圖所示的結構

如果目的是利用導電纖維來創建一個電路，我們必須考慮到織物不規則的形狀，不可能獲得導電纖維之間接觸點位置的幾何重復性， 也就是接觸點的幾何是無規律的，會偏離目標位置。

ETH研究者采用的解決方案是開發一種合成纖維,它由直徑42μm的聚酯單絲線(PET)與直徑為50 ± 8 μm (AWG461）
的銅合金導線構成。銅線為屠夫一層 聚氨酯作為絕緣材料。這種材料與在維度方向相比，在經度方向有很高的抗拉伸能力。這種方向上的差異可以用來進行更可靠的制造過程，并盡量減少破損。
下圖展示了普通的電子紡織品和PETEX的差別：

3.4 MIT CAD Embroidery 刺繡

這種技術允許在計算機輔助設計(CAD)環境中精確地指定電路布局和縫合圖案。這種技術也允許控制和集成不同電子性質，比如電阻的紗線。刺繡比針織或編織(knitting or weaving)更有優勢[39]

3.5 Conductive Inks 導電性油墨

在織物上直接打印導電圖案是一種通用的技術，但有時也會暴露其局限性。大多數導電油墨和漿料都采用銀，脆性大。在打印過程中，一個限制是銀的厚度。要實現40um的厚度需要進過幾次印刷，而電阻與印刷次數也有關，如下圖：

另一個問題是機械阻力，如下圖a，因數可能使得纖維起皺，從而破壞了纖維的導電性。

導電率與印刷次數和褶皺程度有關[47]

這是可能探索的一個小點！！！！

North Carolina Institute的研究人員，發現了一種新的方法來控制印刷電路的耐久度，印刷電路中包含印刷線的涂層。油墨的粘度決定了印刷介質在洗滌過程中的性能。
結果顯示，附著在表面的油墨粘度越高，阻抗的短期效果越好
所使用的油墨是由Creative Materials制成的，與其他商用導電油墨相比，它的阻抗曲線更平滑、更低。相關的更細致的報告：[117]

3.6 Stretchable Sensors 伸縮傳感器

通常來說，由纖維構成的紡織材料，在連接處形成復雜的連接網絡，在發生形變時，會產生很多有趣的現象：

• 接觸點的數量會改變 the number of contact points changes
• 纖維延伸， fibers are extended
• 纖維的橫截面積減小 fiber cross-section is decreased

上面列出的這些因素可能會影響拉伸傳感器的質量[118]，使用聚合物制造大應變的應變傳感器是會產生有趣的現象。Mattmann et al[119]研發的拉伸傳感器，由50wt -%的熱塑性彈（thermoplastic elastomer， TPE）和50 wt-%炭黑顆粒組成。炭黑顆粒制作成直徑為0.315um的纖維形狀。利用應變儀和電阻測量儀對傳感器的進行測量，結果表明，該體系對應變具有線性電阻響應，滯后小，沒有老化效應，對應變速度的依賴性小。傳感器與織物的連接是通過硅膠薄膜實現的。

圖24表示的是傳感器的行為和電阻隨著電阻的變化情況。圖25表示的是當改變應力是，電阻成線性增長，并且機會沒有滯后效應。
[118]中提高使用此方法制造三種拉伸傳感器及性能變化。

3.7 pressure sensor 壓力傳感器

使用電容來測量壓力的
Meyer發明的壓力傳感器，空間分辨率為$2\times 2cm$。在$0?10N/c{m}^2$的測量范圍內，誤差低于4%。基于電容，下圖為電容VS壓力，滯后高達20%。滯后高的原因或許是因為在兩個導電層中之間插入一層電介質材料。

一個理想的壓力傳感器低滯后且可重復測量。因此，紡織壓力傳感器適用于不需要高精度的領域

3.8 Electrochemical Sensors 電化學傳感器

由于在運行過程中傳感器本身活性的微小變化或表面污染。化學/生化傳感器需要校準。這嚴重限制了這些傳感器在連續監測場景中的長期應用。

在這些限制中，還沒想到合適的辦法將電子器件和無線發射器無縫的整合到傳感器中。下圖(圖27)顯示了可穿戴汗水傳感器在運動試驗中的性能。PH測試和心率測試，呼吸頻率測試儀器進行。分析是通過將電極放置在參考織物貼片上進行的。

3.9 Power Supply 能量供給

下圖是不同的能量源和可提供的能量[120,121]

從表格中可以得出，盡管身體樂意產生能量，但是能獲取利用的確很少。所以未來的可穿戴設備如果想只利用使用者自身運動，發熱產生的能量，則必須低功耗并且有很高的能量收集效率。

3.10 Planar Fashionable Circuit Board （P-FCB）

適用于服裝的電路板

通過四探針法測得P_FCB上導電薄膜的電阻為$44m\Omega /m$。盡管在之后
50個清洗周期都沒有觀察到明顯的退化，，仍然需要更多的耐久性測試。
一根15cm長，1mm寬的P-FCB傳輸線的電阻和帶寬如下圖所示：

使用vector network analyzer[122]進行結果分析。帶寬為80MHz。為了得到結論，使用超過100個連接(connections),直接同過的傳輸線電阻為0.34 $\Omega$， 使用導電粘合劑后電阻降到$0.24\Omega$。

通過水洗試驗測試了P-FCB的機械強度;50+周期后，電特性變化可忽略[123]。結果表明，該材料成本低，易于制作，提高了耐磨性和柔韌性

3.11 可穿戴天線 Wearable Antenna

可穿戴天線需要穿著舒適，所以傳統的基于硬基板的設計不合適。

材料的介電屬性會影響的天線的性能。
要謹慎選擇材料

材料的介電常數,復數：
$${?}_r:?={?}_0?{?}_r={?}_0?(?{}_r^{{}^{\prime }}?j??{}_0^{{}^{\prime \prime }})$$

其中，${?}_0$是真空介電常數，介質性能是不同物理參數的函數:溫度、頻率、表面粗糙度、含水率、純度和材料均勻性
下圖為介電常數$?{}_r^{{}^{\prime }}$,和虛部與實部的比值， $tan\delta =\frac{?{}_0^{{}^{\prime \prime }}}{?{}_r^{{}^{\prime }}}$.

低介電常數(1到2之間)減少表面波損失。因此，降低介電常數會增加空間波，從而增加天線的阻抗帶寬

此外，水也會影響紡織品的介電性能。當水被纖維吸收時，介電常數和損耗角度正切就會增加。物覆蓋或表面處理可以提供足夠的保護，免受潮濕和各種氣候條件的影響.[100]
[126]發明了一種新型的可穿戴天線。

介質材料的厚度改變了平面天線的帶寬。必須在效率和帶寬之間找到一個折中方案[125].還有天線幾何尺寸的事兒。

影響天線導電線的一個參數是紡織物的導電性，$\sigma$，單位是$S/m$:
$$\sigma =1/({\rho }_s?t)$$其中，${\rho }_s$為表面電阻，$t$為紡織物的厚度。一個問題是在紡織品內部$\sigma$并不相同，而是有幾個不連續的值，這影響了電流流通。[127]

另一個影響導電的因素是紡織物的結構電流的流動取決于所使用的紡織結構的類型，為了減少導電損耗，最好使導電路徑與電流方向保持一致[98]

通過選擇合適的材料和紡織品結構，可以實現較好的天線性能

3.12 Stretchable Interconnections 可伸縮的互聯結構

電導體的延展性是滿足不同設計的要求
采用FEM模型或其他的測試（圖29）進行設計優化。[108]對馬蹄形設計做了測試，

隨著變形能力的增大，導體損傷明顯減小。
Hu[128]使用不同的方法得到了一種可變形結構

4. conclusion/outlook

紡織品是實現可穿戴生物傳感器的一種很有吸引力的基底材料。

用柔性電子器件取代pcb是降低電子紡織品剛性和提高其耐磨性的一種很有前途的方法

[15] 發電：
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] 對形狀敏感的纖維結構
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] 揚聲器：
How to Get What You Want? Available online: http://www.kobakant.at/DIY/?p=48 (accessed on
11 January 2014).

[19]電發光線：
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的紗線：
Janietz, S.; Gruber, B.; Schattauer, S.; Schulze, K.; Integration of OLEDs in Textiles. Adv. Sci.
Technol. 2012, 80, 14–21.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的柔性电子综述2014：Wearable Electronics and Smart Textiles 可穿戴电子设备的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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