TWI631250B - 織物型彈性導電纖維膜及包含該纖維膜之織物型壓力感測器及智能開關 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種織物型彈性導電奈米纖維膜，其中包含：經織造之熱塑性彈性體纖維；及金屬粒子；其中該金屬粒子係包覆於該熱塑性彈性體纖維上。本發明亦提供一種製備上述之織物型彈性導電纖維膜之方法、一種織物型壓力感測器以及一種智能開關。本發明之由靜電紡絲製成之織物型彈性導電纖維膜，其纖維所交織而成的網狀結構大幅提高了銀顆粒的比表面積和拉伸時所能承受的應力與形變，網狀結構使電極在高拉伸狀態下，每根纖維上的銀顆粒依然能維持交錯的通路而有良好的導電度，包含該織物型彈性導電纖維膜之織物型壓力感測器亦因此具有耐彎折和拉伸的高穩定性。

Description

織物型彈性導電纖維膜及包含該纖維膜之織物型壓力感測器及智能開 關

本發明係關於一種導電纖維膜，特別係關於一種織物型彈性導電纖維膜，以及包含其之織物型壓力感測器及智能開關。

近年來穿戴式裝置備受重視，可穿戴裝置係指可穿戴於身上外出進行活動的微型電子裝置，此種電子裝置由輕巧、小機械電子零件等組成，使得其更具便攜性。

亦可將可穿戴式裝置應用於軟性電子元件，典型的例子包括Google眼鏡與蘋果智慧型手錶等，此種新興的軟性電子元件產品是由可撓式電子(Flexible electronics)的概念所延伸而發展出的電子元件成功的案例，其不但創新且亦具有無限的商機。

其中，電子皮膚，亦為一種軟性電子元件，其可以像人類皮膚一樣感知外部壓力和傳導觸覺信號，為一種壓力感測器，具有可拉伸、柔性和靈巧感測等特性。壓力感測器之基礎為一種聚合樹脂製成的膠片，膠片表面有黏性，覆蓋有發揮信號感知和傳導作用的一種鍺矽混合奈米線，而後在奈米線上安裝奈米級感測器，再覆蓋以一種對壓力敏感的橡膠，壓力感測器依據其應用原理可分為電阻式、電容式、壓電式、電感式及光 感式等。

目前為止，壓力感測器皆是以全薄膜式為主，其他種類之壓力感測器案例相對較少。

智能紡織為一種能感知內外變化，並給予適當反應、調節與互動的整合性紡織品，使紡織品能夠滿足穿戴者所期待的互動機能。然而，其不只是將電子組件及電子電路與紡織品結合，而是基於電子技術，將傳感、通訊、人工智能等高科技手段應用於紡織技術上而開發出的新型紡織品。

於西元2000年後，全球開始重視奈米科技的各項研發，其中，靜電紡絲技術(Electrospinning technique,ES)是一種能夠輕易將高分子製備成奈米纖維的技術，此方法簡單、製程溫度以及成本低，可以製備出管徑均一性高、長度長、直徑小(10~1000nm)、比表面積高的高分子奈米纖維(優點)。藉由各種高分子材料混合以及靜電紡絲操控條件的搭配，可以製備出各式各樣具功能性之高分子奈米纖維，目前主要應用在下列四大領域之中：(a)感測元件(可發螢光之奈米纖維、環境應答)、(b)能源電子(導電奈米纖維場效電晶體、能源儲存與可轉換的電池電極)、(c)環境保護(過濾純化有毒金屬離子或氣體)、(d)生物醫學(藥物釋放載體以及組織工程支架)。

根據上述內容，由於目前為止壓力感測器皆是以全薄膜式為主，將壓力感測應用於智能紡織並更進一步應用於光電元件的案例極少。

因此，本發明之一主要目的提供一種織物型彈性導電纖維膜，其中包含：經織造之熱塑性彈性體纖維；及金屬粒子；其中該金屬粒 子係包覆於該熱塑性彈性體纖維上。

於一較佳實施例中，該經織造之熱塑性彈性體纖維係選自由苯乙烯類、烯烴類、雙烯類、氯乙烯類、氨酯類、酯類、醯胺類、有機氟類、有機矽類和乙烯類熱塑性彈性體所組成之群組。

於另一較佳實施例中，其中該金屬粒子為銀且該經織造之熱塑性彈性體纖維為氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)。

本發明之另一主要目的在於提供一種製備如上述織物型彈性導電纖維膜之方法，包含：利用靜電紡絲製備由熱塑性彈性體組成之織物型纖維膜；將該織物型纖維膜浸泡於金屬粒子的前驅物溶液中；進行還原反應，獲得一纖維型態的織物型彈性導電纖維膜。

於一較佳實施例中，其中該還原反應為無電鍍銀還原反應。

於另一較佳實施例中，其中該金屬粒子的前驅物溶液為三氟醋酸銀混合溶液。

於另一較佳實施例中，其中該靜電紡絲係於電壓13至15kV、流速0.8至1ml/hr，以及噴頭至收集板間(tip-to-collector)距離12至15公分下進行。

本發明之另一主要目的在於提供一種織物型壓力感測器，其中包含上述之織物型彈性導電纖維膜作為上下兩層，中間以非導電之織物型纖維膜作為介電層。

於一較佳實施例中，其中該壓力感測器之壓力感測範圍係由該介電層之密度調控。

本發明之另一目的在於提供一種智能開關，其中包含上述織 物型壓力感測器。

本發明首次利用靜電紡絲技術製備高比表面積的織物型彈性纖維，應用在感壓式的智能紡織品及電子皮膚概念的穿戴式元件，將智能紡織品與電子皮膚的概念結合應用於可彈性的新世代觸覺感壓式穿戴元件，為一項嶄新的發展。目前全球邁向鼓勵創新熱潮，製備兼具拉伸性、機械強度、質輕及具感壓的織物型彈性纖維元件，因其可覆蓋於任意曲面以及身體各樣的可活動部位上，再藉由加入各樣的感壓導致電子開關或是監測功能，未來將可多用途在創新的材料、健康保健及工程領域。

圖1為製備本發明之織物型壓力感測器之流程圖。

圖2為織物型彈性纖維膜的微結構型態SEM圖，(a)(b)(c)利用靜電紡絲技術製備織物型彈性纖維膜介電層，藉由控制靜電紡絲製程的參數，得到疏、中、密三種不同纖維密度的介電層；(d)(e)(f)用靜電紡絲技術製備緻密的織物型彈性纖維膜後，利用無電鍍銀還原法將銀顆粒包覆在每一根纖維的表面上，三種不同的尺度清楚的觀察到銀顆粒的分佈在纖維上的狀態；(g)(h)(i)將三種不同密度的織物型彈性纖維膜介電層覆蓋在織物型彈性導電纖維膜上，可透過介電層纖維之間的縫隙看到下層的導電層。

圖3為織物型壓力感測器的橫切面SEM圖，(a)將織物型的電極和介電層整合成電阻型壓力感測器，形成一個導電層-介電層-導電層的三明治結構，圖為三層完全覆蓋前的橫切面；(b)將介電層和上導電層掀開後露出的下導電層；(c)介電層完全覆蓋在下導電層後的橫切面。

圖4為SEBS彈性纖維使用無電鍍銀還原法前後的XRD分析 圖。

圖5為用無電鍍銀還原法後的SEBS彈性纖維的EDS分析圖。(a、c)分別為放大倍率5000及10000倍的EDS mapping圖，清楚觀察到銀顆粒大量散佈在纖維表面上；(b、d)EDS的元素分析結果，證明銀顆粒佔的百分比相當高，這是我們的壓力感測器能達到超低電阻的原因。

圖6為使用靜電紡絲技術製備的織物型彈性纖維膜和複合銀顆粒後的拉伸測試圖。

圖7為三種不同密度的織物型彈性纖維膜介電層的照片和UV分析圖。(a)SEBS-1介電層照片；(b)SEBS-2介電層照片；(c)SEBS-3介電層照片；(d)利用紫外線/可見光分光光譜儀分析介電層SEBS-1、2、3的透明度結果。

圖8為(a)SEBS-1；(b)SEBS-2；(c)SEBS-3織物型壓力感測器的靈敏度電性分析，四次連續的施加-釋放壓力測量結果，實心-施加壓力、空心-釋放壓力。

圖9為本發明之織物型壓力感測器的重複性電性分析，一百次連續的施加-釋放壓力測量結果。

圖10為本發明之織物型壓力感測器的彎折性分析結果。

圖11為本發明之織物型壓力感測器的拉伸性分析結果，(a)SEBS-1(b)SEBS-2(c)SEBS-3。

圖12為(a)SEBS-1(b)SEBS-2(c)SEBS-3織物型彈性纖維膜介電層拉伸60%應變的微結構型態SEM圖。

圖13為本發明之織物型壓力感測器的反應時間分析，(a)(d) 顯示的SEBS-1、3的壓力響應和弛豫時間，分別施加和釋放壓力在感測器上。(b)(c)(e)(f)顯示左側曲線放大後的結果。

圖14為本發明之織物型壓力感測器應用於智能開關的流程示意圖。

圖15為感壓式LED手環結合衣物的成品圖，(a)全織物壓力感測器在衣物上的感測區域；(b)織物型壓力感測器的介電層；(c)(d)按壓織物型壓力感測器使LED手環發光。

圖16為織物型壓力感測器檢測人體脈搏的照片，(a)壓力感測器緊貼人體的頸動脈(b)檢測時的照片。

圖17為脈搏感測的分析結果，(a)未量測前的電阻背景值；(b)壓力感測器緊貼人體的頸動脈量測120秒的結果；(c)將120秒的結果放大只取20秒的區間；(d)將120秒的結果放大只取5秒的區間。

本發明之織物型彈性導電纖維膜

本發明之一主要目的在於提供一種織物型彈性導電纖維膜，其中包含：經織造之熱塑性彈性體纖維；及金屬粒子；其中該金屬粒子係包覆於該熱塑性彈性體纖維上。

上述該熱塑性彈性體纖維之材質為彈性高分子材料，可為苯乙烯類(SBS、SIS、SEBS、SEPS)、烯烴類(TPO、TPV)、雙烯類(TPB、TPI)、氯乙烯類(TPVC、TCPE)、氨酯類(TPU)、酯類(TPEE)、醯胺類(TPAE)、有機氟類(TPF)、有機矽類和乙烯類等類型之熱塑性彈性體，舉例可為苯乙烯/丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物；苯乙烯/異戊二烯/苯乙烯嵌段 共聚物；苯乙烯/己烯-丁烯/苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯/乙烯-丙烯/苯乙烯嵌段共聚物。

於一較佳實施例中，該經織造之熱塑性彈性體纖維為氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)，其化學式如下列式1所示：

於另一較佳實施例中，其中該金屬粒子可為任何可導電之金屬，舉例為金、銅、白金及銀，該金屬粒子使得所製備成之熱塑性彈性體纖維具有良好的導電度。

該金屬粒子之顆粒尺寸並未有特別限制，較佳為奈米金屬粒子。

上述該經織造之熱塑性彈性體纖維直徑較佳小於1200nm，更佳為小於1000nm；比表面積較佳係大於10m²/g，更加係大於20m²/g。

本發明之製備該織物型彈性導電纖維膜之方法

本發明之另一主要目的在於提供一種製備如上述織物型彈性導電纖維膜之方法，包含：利用靜電紡絲製備由熱塑性彈性體組成之織物型纖維膜；將該織物型纖維膜浸泡於金屬粒子的前驅物溶液中；進行還原反應，獲得一纖維型態的織物型彈性導電纖維膜。

上述術語「靜電紡絲」係指一種使用電荷從液體中抽極細(一般在微米或奈米大小)纖維的工程過程。靜電紡絲不需要化學混凝或者高 溫來從液體裡生產固體纖維，這使得這個過程特別宜於用來生產大分子或者複合分子的纖維。其原理係在一滴液體上施加足夠高的電壓後該液體滴上會形成靜電，電荷之間的排斥力抵消液體的表面張力，使得液滴拉長。在電壓超過一個閾值後液體會破射出液滴，假如液體分子間的粘合力足夠高的話射出的液體不會***開來，而是形成一道流，該液流在空中液體蒸發，液流的電流從液體的運動轉換為纖維表面電荷的流動。纖維彎曲處的靜電排斥導致纖維不斷擺動，使得液流伸長，最後纖維落到接地的收集屏，來回擺動造成的纖維伸長和變細最後導致纖維的直徑只有奈米大小，且非常恆定。

本發明之靜電紡絲沒有特別限制，該靜電紡絲之方式可為一般習知之方法。一般而言，靜電紡絲裝備可包括一個噴絲頭(一般一根注射器針頭)，它連在一個高壓(較佳為5至50千伏)直流電源上，一台泵和一個接地的收集裝置。聚合體溶液、溶膠凝膠、懸浮液或者熔化液體被注入注射器，通過泵使得注射器的針頭上有恆定的液體量流出。或者噴絲頭通過恆定的壓力從一個容器里不斷獲得液體。

上述之「還原反應」為使該金屬粒子包覆於每一根纖維表面上，較佳係為無電鍍銀還原反應。

上述之術語「無電鍍銀還原反應」正如與大多數工業上應用的無電鍍銀方法一樣，適合的pH值至少為12，較佳為12.7或更高。

於另一較佳實施例中，其中該金屬粒子的前驅物溶液為該溶液中含有一溶於水並能夠還原成金屬銀的離子化的含銀複合物，舉例可為三氟醋酸銀混合溶液。

於另一較佳實施例中，其中該靜電紡絲係於電壓13至15kV、流速0.8至1ml/hr，以及噴頭至收集板間(tip-to-collector)距離12至15公分下進行。

本發明之織物型壓力感測器

本發明之另一主要目的在於提供一種織物型壓力感測器，其中包含請求項1之織物型彈性導電纖維膜作為上下兩層，中間以非導電之織物型纖維膜作為介電層。

於一較佳實施例中，其中該壓力感測器之壓力感測範圍係由該介電層之密度調控。

本文所稱之「密度」，係以該織物型彈性導電纖維膜使用紫外線/可見光分光光譜儀分析其透明度，作為其密度的間接定義，透明度越高，代表密度越低，透明度越低，代表密度越高；例如，透明度80%以上(例如，透明度為81%、85%、90%、95%等)，稱為低密度，透明度介於60~80%(例如，透明度為60%、65%、70%、75%等)，稱中密度，透明度60%以下(例如，透明度為55%、50%、45%、40%或以下等)，稱低密度。

本發明之智能開關

本發明之另一目的在於提供一種智能開關，其中包含上述織物型壓力感測器。

上述之智能開關，係於電源供應器和終端裝置之間的通路結合本發明之織物型壓力感測器作為智能開關，當使用者按壓到智能開關的時候，通路便會導通，終端裝置啟動，且隨著使用者施加的壓力變化，因為智能開關的電阻不同，終端裝置會給予回饋，性能隨之改變。

實施例

利用靜電紡絲技術製備織物型彈性纖維膜

參照圖2一併進行說明。

本製備例選用的熱塑性彈性體為氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(簡稱SEBS)。SEBS彈性體是一種多用途的合成橡膠，是使用性能優、應用領域廣的新型環境友好型高分子材料。利用靜電紡絲技術製備SEBS的緻密纖維膜，上述靜電紡絲製備條件為：操作電壓：13~15kV、流速：0.8~1；Tip-to-collector距離：12~15公分；溶劑選擇：THF、二甲基甲醯胺等極性較高之溶劑。

如圖2(a)至圖2(c)所示，利用靜電紡絲技術製備織物型彈性纖維膜，可藉由控制靜電紡絲製程的收集時間：分別為1、2、3分鐘，得到3種不同纖維密度的織物型彈性纖維膜。

利用無電鍍銀還原法製備織物型彈性導電纖維膜

參照圖2、4、5一併進行說明。

將上述織物型纖維膜浸泡在三氟醋酸銀混和溶液(銀的前驅物溶液)濃度15wt%中30分鐘，該SEBS織物型纖維膜吸收該三氟醋酸銀混和溶液後呈現半透明狀態，待完全吸收後取出在室溫下自然乾燥，最後使用聯胺溶液(濃度40%)還原得到一織物型彈性導電纖維膜，此彈性導電電極的表面型態和結構將使用SEM/TEM/AFM/XRD進行觀察和分析，機械性質將使用萬能材料試驗機和DMA進行測試。

將由靜電紡絲技術製備而成之織物型纖維膜，利用無電鍍銀還原法使銀顆粒包覆在每一根纖維的表面上，圖2(d)、圖2(e)及圖2(f)分別以 三種不同倍率下觀察銀顆粒的分佈於纖維上的狀態。

圖4為XRD的光譜圖，利用X光繞射儀(XRD)進行材料結晶特性測量，測定SEBS彈性高分子使用無電鍍銀還原法前後的XRD檢驗之結果，與ICPDS卡資料比對得知，本發明使用無電鍍銀還原法後生成之粒子成份確實為銀。

圖5為利用無電鍍銀還原法後的SEBS纖維的EDS分析圖。 (a、c)利用無電鍍銀還原法將銀顆粒包覆在纖維的表面上，兩種不同倍率的EDS mapping圖，可以清楚的觀察到銀顆粒在纖維上的分布狀態，以紅色表示的銀顆粒大量散佈在纖維表面上。(b、d)EDS的元素分析得到銀顆粒的含量高達60%~70%，使整片的織物型彈性導電纖維膜有良好的導電度。

製備全織物型壓力感測器

參考圖1、圖2及圖3一併進行說明。

圖1為將由靜電紡絲技術所製備而成之織物型彈性纖維膜所製備之介電層，以及由織物型彈性導電纖維膜製成之電極，整合成一個三明治結構的電阻型壓力感測器之流程示意圖。

圖3為全織物型壓力感測器的橫切面SEM圖。其中，兩個織物型彈性導電纖維膜製成之電極藉由織物型彈性纖維膜介電層分隔開來，當使用者按壓到織物型彈性導電纖維膜電極的時候，兩個電極會透過織物型彈性纖維膜之間的空隙接觸，進而產生導電連通，達到感壓導電。而不同密度的織物型彈性纖維膜之間的空隙也會隨之改變，因此利用調控織物型彈性纖維膜介電層的密度便可得到不同的壓力感測和電阻變化的區間，圖2(a)至圖2(c)係藉由控制靜電紡絲製程的參數，而獲得之疏、中、密三種 不同纖維密度織物型彈性纖維膜介電層(其密度將以透明度定義，該透明度測試如下述)，其分別可代表不同的壓力感測範圍。整體元件的機械性質將使用萬能材料試驗機和DMA進行測試。電性分析將使用Keythley 2400 source meter進行測試。

圖2(g)、圖2(h)及圖2(i)係為將三種不同密度的織物型彈性纖維膜介電層覆蓋在織物型彈性導電纖維膜製成之導電層上，可透過介電層纖維之間的縫隙看到下層的導電層。

拉伸測試

參考圖6一併進行說明。

圖6為使用靜電紡絲技術製備的織物型彈性纖維膜和複合銀顆粒後的織物型彈性導電纖維膜之拉伸測試圖。

將織物型彈性纖維膜及織物型彈性導電纖維膜使用動態熱機械分析儀(DMA)進行拉伸測試，藉由所得數據的判斷可知本材料的強度和彈性。

由實驗結果可知兩者最高皆可到約200%的應變才破損，交錯的纖維結構使整體擁有優良的拉伸性質，故此織物型彈性纖維膜及織物型彈性導電纖維膜為製作柔性壓力感測器的良好材料。

紫外線/可見光分光光譜儀分析

參考圖7一併進行說明。

圖7為疏、中、密三種不同纖維密度織物型彈性纖維膜介電層的照片和UV分析圖。(a)密度最疏的介電層照片，命名為SEBS-1。(b)密度中等的介電層照片，命名為SEBS-2。(c)密度最密的介電層照片，命名為 SEBS-3。(d)使用紫外線/可見光分光光譜儀分析介電層SEBS-1、2、3的透明度，每一種密度各取兩個樣本命名為-A，B，由測試結果可知，SEBS-1、2、3的透明度分別約為90%、70%、50%，靜電紡絲的參數只有收集時間改變，其餘參數皆相同，後續的討論皆以SEBS-1、2、3代表疏、中、密三種密度介電層的壓力感測器。

本發明之全織物型壓力感測器的感測特性與應用

以下分別探討本發明之電阻型全織物型壓力感測器的感測特性分析探討與應用：(i)分別針對三種不同感測範圍的全織物型壓力感測器之靈敏度、重複性、彎折、拉伸、反應時間測試；(ii)將本發明之織物型壓力感測器做為智能開關，應用在感壓式LED手環並與衣物結合；(iii)將本織物型壓力感測器應用在人體脈搏監測。

靈敏度測試

參考圖8一併進行說明。

圖8分別為(a)SEBS-1(b)SEBS-2(c)SEBS-3全織物型壓力感測器的靈敏度電性分析，四次連續的施加-釋放壓力測量結果，藍-施加壓力、紅-釋放壓力。

於本發明之全織物型壓力感測器中，由於該織物型彈性纖維膜介電層為絕緣體，因此，於不施加壓力的狀態下，該全織物型壓力感測器不導電並能夠防止電流流動；於施加壓力的狀態下，該全織物型壓力感測器導通且電阻下降。

由於介電層的纖維密度不同，SEBS-1要達到最低電阻時所需的施加壓力最小，這是由於該織物型彈性纖維膜介電層的空隙最大且最 多導致的結果。所有的壓力感測器SEBS-1、2、3分別在0~0.18千帕、0~6千帕、0~25千帕的施加壓力區間中表現出高達8個數量級的電阻值變化。

SEBS-1、2、3電阻開關的閾值亦隨著纖維介電層的密度提高而增加，閾值定義為在壓力感測時電阻值開始顯著下降的點，這表示電阻開關範圍的閾值和纖維介電層的密度有關聯。

由上述實驗結果證明，透過靜電紡絲技術調整介電層的纖維密度，使得電阻範圍和電阻開關的閾值都具有高度的可調控性。

重複性電性分析

參考圖9一併進行說明。

圖9為全織物型壓力感測器的重複性電性分析，係進行一百次連續的施加-釋放壓力測量結果，取電阻值低於10歐姆時所對應的施加壓力值，一百次連續的測試中，SEBS-1、2、3要完全導通所需施加的壓力值穩定，且沒有失效的情況發生，證明本發明之全織物型壓力感測器具有可重複使用性。

彎折性分析

參考圖10一併進行說明。

圖10為本發明之全織物型壓力感測器的彎折性分析，將1公分長0.5公分寬的壓力感測器以1/3mm^-1曲率重覆彎折100次測量其性能。

結果顯示SEBS-1、2、3仍維持其感測性能，與未彎折的結果相比，依然表現出高達8個數量級的電阻值變化，而且所需施加的壓力並沒有明顯的改變。

拉伸性分析

參考圖11及圖12一併進行說明。

圖11為本發明之全織物型壓力感測器的拉伸性分析，將1公分長0.5公分寬的壓力感測器拉伸50%應變和60%應變重覆循環100次測量其性能。

結果顯示SEBS-1、2、3在50%應變仍維持其感測性能，與未拉伸的結果相比，依然表現出高達8個數量級的電阻值變化，而且所需施加的壓力並沒有明顯的改變。而在60%應變時，SEBS-1、2、3無法維持其感測性能，與未拉伸的結果相比，拉伸60%應變後整體往左偏移，感測性能有更靈敏的趨勢，但無法維持同樣的感測區間，這並不是我們希望得到的結果，推測是60%的應變讓介電層出現無法回復的變化，有趣的是，從SEBS-1到SEBS-3，隨著介電層的密度愈來越高，拉伸60%應變後整體往左偏移的越少，代表介電層的密度與壓力感測器抗拉伸的強度有關連，我們將用介電層的SEM圖來驗證。

圖12分別為(a)SEBS-1(b)SEBS-2(c)SEBS-3織物型彈性纖維膜介電層拉伸60%應變的微結構型態SEM圖。將三種不同密度的纖維介電層覆蓋在彈性導電層上，可透過介電層纖維之間的縫隙看到下層的導電層。在經過拉伸60%應變後，發現介電層纖維之間的空隙與未拉伸前相比，明顯的變大，導致在施加的壓力相同的情況下，上下的柔性電極更容易透過纖維之間的空隙互相接觸，使電阻值更低，而介電層的密度愈密，受拉伸的影響越低，如SEBS-3，可以清楚觀察到纖維已經出現明顯的方向性，但因纖維的密度高，纖維之間的空隙與未拉伸前相比並沒有明顯的改變，這可以解釋為何從SEBS-1到SEBS-3，拉伸60%應變後整體往左偏移的越少。整 體而言，本發明仍展示了一個可彎折、可拉伸的電阻式的全織物型壓力感測器，並且可以透過簡單的製程去調控其感測能力。

反應時間

參考圖13一併進行說明。

圖13為壓力感測器的反應時間分析，(a)(c)顯示的SEBS-1、3的壓力響應和弛豫時間，分別施加和釋放壓力在全織物型壓力感測器上。(b)(c)(e)(f)顯示左側曲線放大後的結果。

結果顯示，本發明之全織物型壓力感測器擁有超快速的反應時間，當SEBS-1、3分別被裝載0.18千帕和25千帕時，響應和弛豫時間分別為2毫秒和20毫秒，2毫秒是測量系統的分辨率極限，此結果已經優於目前文獻中大部分的紀錄。

應用

智能開關

參考圖14及圖15，一併進行說明。

如圖14所示，以本發明之由靜電紡絲技術製程做出的全織物型壓力感測器，結合衣物應用於智能開關，與其他電元件結合以達到壓力感測回饋的互動效果，未來期望結合的光電元件例如發光二極體(LED)、超級電容器(Super Capacitor)、場效應電晶體(FET)、記憶體(Memory)等。在電源供應器和終端裝置之間的通路加上本發明製備出的壓力感測器作為智能開關，當使用者按壓到智能開關的時候，通路便會導通，終端裝置啟動，且隨著使用者施加的壓力變化，因為智能開關的電阻不同，終端裝置會給予回饋，性能隨之改變。應用於感壓式LED手環之實例如圖15所示。圖15為感壓式 LED手環結合衣物的成品圖。(a)全織物型壓力感測器在衣物上的感測區域；(b)全織物型壓力感測器的介電層；(c)(d)按壓全織物型壓力感測器使LED手環發光。本發明的全織物型壓力感測器，應用於智能開關與LED和衣物結合，本智能開關因為靜電紡絲技術製程做出的全織物型設計，具有可撓性質，與LED和衣物結合後仍然可以維持其性能，未來能夠更進一步的將智能紡織品與電子皮膚的概念結合應用於可彈性的穿戴式元件上。

應用於脈搏感測

參考圖16一併進行說明。

圖16係利用本發明製備出的超高靈敏度壓力感測器，可期望實現進行脈搏測量。整體的結構設計是第一層使用柔性織物導電電極，第二層選用本研究製備出的所有不同介電層中擁有最高靈敏度的織物型態，第三層的柔性織物導電電極與適用於人體皮膚的無毒材料如PDMS、聚醯亞胺膠帶(Polyimide Tape)封裝，將柔性織物導電電極側緊貼在人體的頸動脈側，給于兩側電極外加電壓，當使用者的脈搏跳動，兩個電極會透過纖維介電層之間的空隙接觸，電極間的電阻會隨著使用者的脈搏跳動而改變。當脈搏感測器測得脈搏資料後，後續就能進行數種不同的分析方法，像是利用「脈搏數」或脈搏分析等方法來計算「自律神經活化度」，或是透過波形分析來進行「加速度脈波分析」。根據脈搏分析項目所得到的生物資訊，即可確認該受測者的身體狀態或變化，進而掌握其運動能力、緊張狀態，並推敲出自律神經所屬的交感神經及副交感神經之活化度，未來在各種健康領域及醫療保健應用指日可待。

圖17分別為(a)未量測前的電阻背景值；(b)壓力感測器緊貼人 體的頸動脈量測120秒的結果；(c)將120秒的結果放大只取20秒的區間。(d)將120秒的結果放大只取5秒的區間之脈搏感測的分析結果。從結果顯示，將本發明的壓力感測器緊貼人體的頸動脈量測後，與量測前的電阻背景值有明顯的改變，代表本壓力感測器確實有感測脈搏的功能。將量測120秒後的結果放大只取20秒的區間，便可清楚的觀察到電阻值隨著脈搏跳動而變化，再將其放大取5秒的區間，便可從電阻值的變化推算出脈搏在5秒間跳動了6次，1分鐘便是72次，符合正常成年人的平均心跳數。

結論

織物型彈性導電纖維膜

本發明利用無電鍍銀還原法將銀顆粒包覆在靜電紡絲不織布的每一根纖維表面上，纖維所交織而成的網狀結構大幅提高了銀顆粒的比表面積和拉伸時所能承受的應力與形變，網狀結構使電極在高拉伸狀態下，每根纖維上的銀顆粒依然能維持交錯的通路而有良好的導電度。

全織物型壓力感測器

藉由靜電紡絲製程做出的全織物型壓力感測器擁有耐彎折和拉伸的高穩定性，奈米尺度纖維交織而成的網狀結構創造出的氣隙，得到從30mg到20g的荷重反應範圍，最低低於0.2KPa的超高靈敏度、超快速的響應和回復時間、可重複使用性、大尺度的電阻變化等特性的壓力感測器。藉由改變織物型彈性纖維膜介電層之疏、中、密三種不同的纖維密度，電阻範圍和電阻開關的閾值都具有高度的可調控性。且本發明之織物型彈性纖維膜介電層在固定面積範圍下的透明度，最高大於90%和最低不小於50%，未來可應用在全透明電子元件上。

全織物型壓力感測器應用於智能開關

將本發明製備出的超高靈敏度全織物型壓力感測器應用於智能開關與LED和衣物結合，本智能開關因為靜電紡絲製程做出的全織物型設計，具有可撓性質，與LED和衣物結合後仍然可以維持其性能。此應用將織物型壓力感測器、電子元件結合，展示出智能電子紡織品，未來能夠更進一步的將智能紡織品與電子皮膚的概念結合，發展可彈性的穿戴式元件上。

全織物型壓力感測器應用於脈搏感測

將本發明製備出的超高靈敏度全織物型壓力感測器應用於人體的脈搏感測，此概念結合了壓力感測器、電子皮膚、智能紡織品，成為直接與人體生理狀況同步、回饋互動的智能裝置。整合多樣化的微結構纖維介電層、柔性織物電極，篩選出最佳化的組合，作為柔性觸覺感測的穿戴式元件可用在個人健康監測上。

Claims (9)

1. 一種織物型彈性導電纖維膜，其中包含：經織造之熱塑性彈性體纖維，其係選自由苯乙烯類、烯烴類、雙烯類、氯乙烯類、氨酯類、酯類、醯胺類、有機氟類、有機矽類和乙烯類熱塑性彈性體所組成之群組；及金屬粒子，其係選自由金、銅、白金及銀所組成之群組；其中該金屬粒子係包覆於該熱塑性彈性體纖維上。
2. 如請求項1之織物型彈性導電纖維膜，其中該金屬粒子為銀且該經織造之熱塑性彈性體纖維為氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)。
3. 一種製備如請求項1之織物型彈性導電纖維膜之方法，包含：利用靜電紡絲製備由熱塑性彈性體組成之織物型纖維膜，該熱塑性彈性體纖維係選自由苯乙烯類、烯烴類、雙烯類、氯乙烯類、氨酯類、酯類、醯胺類、有機氟類、有機矽類和乙烯類熱塑性彈性體所組成之群組；將該織物型纖維膜浸泡於金屬粒子的前驅物溶液中，該金屬粒子係選自由金、銅、白金及銀所組成之群組；進行還原反應，獲得一纖維型態的織物型彈性導電纖維膜。
4. 如請求項3之製備織物型彈性導電纖維之方法，其中該還原反應為無電鍍銀還原反應。
5. 如請求項3之製備織物型彈性導電纖維膜之方法，其中該金屬粒子的前驅物溶液為三氟醋酸銀混合溶液。
6. 如請求項3之製備織物型彈性導電纖維之方法，其中該靜電紡絲係於電壓13至15kV、流速0.8至1ml/hr，以及噴頭至收集板間(tip-to-collector)距離 12至15公分下進行。
7. 一種織物型壓力感測器，其中包含請求項1之織物型彈性導電纖維膜作為上下兩層，中間以非導電之織物型纖維膜作為介電層。
8. 如請求項7之織物型壓力感測器，其中該壓力感測器之壓力感測範圍係由該介電層之密度調控。
9. 一種智能開關，其中包含請求項7之織物型壓力感測器。