Wearable Electronics and Smart Textiles: A Critical Review

Matteo Stoppa and Alessandro Chiolerio

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

摘要：
電子紡織品(Electronic Textiles , e-textiles)將電子產品連線到紡織品中，具有現有其他電子製造技術所無法達到的物理柔性和尺寸。對於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使用者的活動和行為狀態以及周圍環境，並利用這些資訊來調整系統的配置和功能。本文著重介紹了近年來在智慧紡織品（Smart Textiles）領域的研究進展，並且特別注重材料及其製造工藝（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）、整合（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，能擴充套件傳統紡織品的用途和功能性。紡織品和電子產品(e-textiles)的結合與智慧材料的開發有關，這些智慧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： 僅僅依靠感測器來感知環境
• Active smart textiles： 對來自環境的刺激能做出反應，集成了執行器和感測器
• Very smart textiles：能感知， 反應並使行為適應特定的環境

在生物醫療和安全領域，基於紡織品的感測裝置一直是很大的研究領域。這種感測器可用於感知腦電圖，肌電圖；含有熱電偶（thermocouple）的紡織品可以用來感知溫度；將發光原件整合在紡織品中可用於感知生物光子；對形狀敏感的紡織物可以感知運動，並可以與肌電感知相結合來獲得肌肉的適應性；整合在織物中的碳電極可用於檢測特定的環境或生物醫學特徵，如氧、鹽度、溼度或汙染物。

active functionality 包括power generation or storge (電的產生和儲存)， human interface elements（供人類使用的介面），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）。所有的電子裝置都需要電，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]，供人類使用的介面大致分為兩部分：輸入裝置或警告或顯示裝置（input devices and annunciation or display devices.）輸入裝置可以包括電容貼片，功能類似於按鈕，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。報警器和顯示裝置可能包括揚聲器[17],電發光的線[19],或含有有機發光二極體陣列的線[20]。織物還可以提供生物反饋(bio-feedback)或進行簡單振動.基於織物的天線是一種相對簡單的智慧織物應用,織物天線僅僅是一些縫合進非導電紡織物裡邊的特定長度的導電紗線。
研究intelligent textiles的第一階段往往是智慧材料的研究。第二階段是考慮如何將智慧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 表面塗層或層壓，
• 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，微型電子和特殊連線裝置的衣服。由於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於電子功能。
Smart Textiles在醫療、體育、藝術、軍事和航天等領域都面臨挑戰。

本綜述特別關注用於開發智慧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 製造技術

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，導電線主要用於科技領域：超淨間服裝，軍用服裝，醫療應用和電子製造業；具有導電效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效能，比如抗靜電（antistatic applications），電磁遮蔽(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

用於拉絲的拉絲模由陶瓷，碳化物或鑽石製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。拉絲之後,鋼絲退火溫度介於600和900°C,隨後，它們將淬火。然後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，也可以直接用於編織和編織。重要的是，根據使用的材料，有不同的電氣效能。

公司Swiss-Shield®(瑞士Flums)專門研究如何將金屬單絲納入棉、聚酯、聚醯胺和芳綸等紗線中。金屬單絲由銅、黃銅、青銅、銀、金、鋁製成。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塗層，來具有導電效能
不同於將電子器件附連線到紡織品基片上，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塗上金屬、電性物質或金屬鹽而產生。塗層可以應用於纖維、紗線甚至織物的表面，以產生導電紡織品。常見的紡織塗布工藝包括化學鍍、蒸發沉積、濺射、用導電聚合物塗布
在[43]提出了一種製造擁有不同材料層和材料結構的纖維製造方法。
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製造電晶體

由此產生的電晶體開關電流比(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)通過在傳統紗線上塗上金屬層，成功地生產出了導電線， 稱為ELITEX。電導約為 $1.2 \times S \cdot cm^{-1}$,因而電阻約為 $8.34 O \cdot mm^2 / m$，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複雜的，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效能的織物：

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

編織織物結構可以提供一個複雜的網路結構，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製造方法。目的是實現定製紡織電路的可能性

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，必須在佈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鐳射燒蝕去除銅絲上的塗層 coating removal on copper wires at defined intersections with laser ablation
• 用鐳射切斷導線以避免訊號洩漏cutting the wires avoiding the signal leakage with laser
• 將導電膠滴在十字連線處，連線兩根線 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

互動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 ？？？） 。大多數油墨都是基於水的，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整合要比導電紗線系統的整合簡單的多。

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
適用於低容量，高精度的工作。

inkjet

噴墨技術適用於像有機半導體一樣的低粘度，可溶性材料。而對於高粘度材料，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，所以厚度和分散並不是非常均勻。
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解析度。

對於噴墨列印，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 在列印時，乾燥，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

油墨也可能含有新增劑，來調優油墨效能或新增特殊效能，從而提高其效能。

列印完含有金屬顆粒的油墨後，為了獲得導電的圖案，顆粒必須燒結在一起建立連線，從而獲得導電能力。燒結 sintering是指在低於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，基於金顆粒（直徑1.5 nm）的油墨，熔化溫度低於 $380^{。}C$；而基於銀顆粒（直徑 15~20 nm）的油墨， 熔化溫度為 $180^。C$。

screen printing

用於粘性材料的圖案印刷

screen printing適合於製造電器和電子產品，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，之後是乾燥過程。該方法可應用於平面或圓柱形基片。根據基材材料和印刷結構的要求，用高的溫度來實現緻密化是必要的(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列印電導線(比如電路板和天線)，也可以製作絕緣層和鈍化層。通常來說，在低於100um的解析度下，可以實現 $50m^2/h$的產量，通過優化手段，解析度可以達到30um
這種相對簡單的方法主要用來製造導電層和介電層。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技術在紡織品上列印電極和導電線網路結構，來用於醫療應用。

一種聚氨酯漿料被印刷在紡織織物上，創造一個光滑的，高表面能量的介面層，然後將銀漿料印刷在這個介面層的上，來提供導電軌道。銀粉被印在無紡布上，用於製造可穿戴健康監測裝置。
研究人員使用乾電極和導電油墨研發了不同的生物電位感測系統，來進行訊號跟蹤，以證明這項技術可以用於生物醫學應用。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”來製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

待續…

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