介绍
由于低功耗需求和不断开发的应用（例如使用可穿戴无线传感器的远程身体状况监测和预防性医疗保健），可穿戴电子纺织品呈指数级增长。1 , 2这些电子纺织品具有感知、反应和适应环境条件的能力，这使得它们成为广泛应用的宝贵补充。3 , 4大多数可穿戴电子纺织品都配备电容式、电阻式和光学传感器来检测触摸和/或测量应变、压力、温度、汗水和湿度。5 – 9报告称，预计到 2030 年，全球智能织物市场规模将达到 206 亿美元，2022-2030 年分析期间复合年增长率为 21.1%。10

导电纱线是制造这些电子纺织品（也称为智能纺织品）的关键因素。1最常见的导电纱线类型是金属纱线。市售金属纱线可由多种金属制成（铜、银、铝、碳、镍），并且可以加捻或编织以实现导电性、机械强度和柔韧性的平衡。11在市售纱线中，镀银导电纱线也广泛用于可穿戴电子纺织品，因为银是导电性最强的金属，价格实惠，并且具有出色的抗菌性能。12这些基于聚合物的导电镀银线由于其物理性质与传统绣花线相似，可用于刺绣。刺绣技术可以管理和集成具有不同电气特性（例如不同电阻）的纱线，并提供其他一些好处。此外，缝合和刺绣结构的可制造性易于实现纺织传感器的大规模生产，而不会影响其成本和可重复性。13

具有导电线的刺绣结构的电气特性取决于许多参数，正如 Cheng 等人所示，14他们进行了叠加图分析，通过改变刺绣速度、针迹长度、针线预置来预测电阻的变化。张力和绣花方向。据观察，针迹长度和刺绣速度的组合输出可以在很大程度上影响电子纺织品制造的电气参数，例如高性能电路。阿迈勒等人。15对导电线刺绣的操作参数及其对天线应用中通信的影响进行了调查。他们研究了两种不同的针迹类型（榻榻米和跑步）以及每种针迹的两种长度（4 毫米和 6 毫米）。使用三种不同频率的交流电压测量螺纹阻抗和电阻率：100 kHz、1 MHz 和 10 MHz。据确定，榻榻米类型的绣花线可以以较小的针距提供出色的效果，在低频下充当完美的电阻器，在高频​​下充当电感器。

在期待已发表的论文并分析有关针迹类型的开放文献数据、天线的16针迹长度、 17条传输线、18 个生物阻抗电极、19个可以影响绣花轨道上的电阻、20、21的开放文献数据时，我们受到了启发利用我们之前针对基于 I2C 通信协议微控制器的可穿戴电子产品的刺绣导电线的可行性研究，对刺绣结构（更密集的结构）进行额外的深入研究。20本研究的目的是：研究不同针迹类型对相同几何形状的刺绣结构电性能的影响；研究将刺绣结构应用于扭转和温度测量传感器应用的可能性；测试结构在洗涤、磨损和循环拉伸条件下的稳定性。据我们所知，对电子纺织品工业生产中可能采用的刺绣技术参数进行了有限的研究。因此，我们使用工业刺绣机进行调查。

材料和方法
样品制备
使用由德国 AMANN 集团提供的商用导电线 Silver-tech 100 22将导电粗线绣在棉织物上。刺绣了总厚度（从 1.335 毫米到 1.391 毫米）的三个结构。下面给出有关刺绣结构、针迹类型、其划分和几何形状的详细信息。Silver-tech 100是一种镀银聚酰胺连续长丝，根据该公司提供的数据表，线性质量密度为110×3dtex，光学直径为0.25mm，<200Ω/m。该线是从市售的多种镀银线中选择的，（如表1所示））因为它的线密度适合刺绣某些复杂/精致的图案，以及与其他线替代品相比其理想的拉伸强度和中等阻力。
表格1。不同市售导电线的总结。

刺绣工艺参数
在制造过程中，使用了工业刺绣机（型号 JCZA 0109-550，ZSK，德国）。在德国ZSK提供的名为Gis BasePac 10的针迹数字化软件中绘制长150mm、宽4mm的绣线。棉织物被用作刺绣结构的基础。整个设计中使用的底底线是葡萄牙 Gunold 公司生产的 bobby Maxi-100，100% 聚酯线。在织物的底部/背面/另一面使用绝缘线的原因是为了避免皮肤干扰刺绣设计。

使用两种类型的锉刀来刺绣结构：缎纹和分开的缎纹。缎纹填充物通常用于窄设计，因为它可以通过不超过 10 毫米的连续锯齿线实现光滑的刺绣效果。为了观察填充方式对结构的影响，在数字化软件中仅修改了两个参数——边缘类型和针迹划分，而所有其他参数均使用标准设置。该软件的自动打孔模式用于根据所选的针迹参数自动填充形状。需要注意的是，在使用工艺绣花机时，可以根据设计的规格调整各种参数，但针迹类型是影响最大的一个。所有针迹类型都可以使用标准或结构化设置进行填充。结构化设置不允许更改填充方向，此处使用填充方向来绣制结构。实现这一目标的过程详细参见图1。最后，为每个结构制备了十二个样本。

刺绣结构和针迹的几何形状
刺绣结构由两层组成。底衬结构由绣有平针的矩形框架和框架内的锯齿形针迹组成，如图2（绿线）所示。所使用的针迹的步长(sl)和步宽(sw)在表2中给出。两种不同的针迹，缎纹和分开的缎纹，被用于覆盖。标记为 S1-s 和 S3-s 的两种结构采用具有不同几何特征的缎纹针迹进行刺绣，而标记为 S2-ds 的结构则采用分开的缎纹进行刺绣。

洗涤和循环拉伸测试
根据 ISO 6330 标准，在家用洗衣机 Bosch Maxx 6 中进行洗涤。将样品放入小棉袋中，然后放入商用洗衣袋中。混合衣物负荷为 2 公斤，洗涤温度为 30°C，程序持续时间为 30 分钟。所选洗涤循环的旋转循环速度为600转/分钟。诺维萨德市公共系统的水硬度约为 15 dH（德国硬度）23，因此其特征为中硬。事实证明，滚筒干燥比洗涤会导致更多的性能变化，24因此，样品在洗涤后风干。基于文献综述24据估计，五个洗涤周期代表了能源和资源消耗的最佳值，这足以表明电气性能是否发生变化以及变化程度如何。

为了检查循环拉伸对电气性能的影响，将样品逐一加载到张力测试系统（34SC-2，INSTRON，诺伍德，马萨诸塞州，美国）中。夹具之间的样品长度为10cm。拉伸期间联合的最大力为 25 N。结构沿主轴拉伸。在25个拉伸和放松循环后进行电阻测量。

磨损测试
Martindale 磨损测试是根据 ISO 12947 (1-3) 标准，使用 SDL ATLAS Martindale M235 - 磨损和起球测试仪进行的。对于每个研究的结构，测试了三个具有刺绣结构的直径 30 毫米的纺织品样本。使用的研磨材料是精纺毛布。添加顶部重物以在磨料和样品之间产生 12 kPa 的恒定压力。在磨损125、250、500、1000、2000和4000次循环后测量电阻和质量损失。使用分析天平 KERN ABJ 220–4NM。

电阻测量
本实验中使用的仪器是 PalmSens4，它是 USB 和电池供电的恒电位仪、恒电流仪，以及可选的用于电化学阻抗谱 (EIS) 的频率响应分析仪 (FRA)。PalmSens4 具有较大的电位范围（−5 V 至 5 V 或 −10 V 至 10 V）和电流范围（100 pA 至 10 mA），并且具有高分辨率和低噪声。通过蓝牙连接保证了完美的浮动测量。我们的实验使用的模块是阻抗谱图3。

我们在所有测量过程中都使用中央冷却系统建立了稳定的室温，并在温度更稳定的早晨进行了实验。为了测量结构电阻的温度依赖性，使用桌面热板从一侧加热结构。由于热板需要时间才能达到所需的稳定温度，因此每次测量我们都会等待 5 分钟并使用热像仪检查板的温度。之后，我们对热像仪进行了编程，使其每 5 秒拍摄一张图像，持续 1 分钟。对于以 5 度为步长的每个温度，我们使用 PalmSens4 进行了一分钟的电阻测量。对于所有样品，测量了 10 厘米长的结构部分的电阻。

结果与讨论
室温下结构的电阻
影响刺绣结构电阻的最重要参数是所用线的类型、针迹类型、其几何形状和针迹数量。室温下结构的电阻如图4所示。所有三种结构均使用相同的商业线 Silver-tech 100 进行刺绣。这项研究证实，刺绣结构中使用的导电线的长度通常与结构的电阻不呈正相关。尽管导电线的长度比 S2-ds 短、比 S1-s 长，但结构 S3-s 表现出最高的电阻。如前所述，针数影响刺绣结构的电阻。每次针穿过纺织材料时，线导电层都可能被损坏，因此针数的增加通常会导致电阻的增加。针数最多的 S2-ds 结构的电阻与针数少约 50% 的 S1-s 结构的电阻大致相同。另一方面，S2-ds 结构的电阻明显低于 S3-s 结构，后者的针数减少了约 35%。显然，针数并不是决定所研究结构的电阻的决定性因素。

接触力F与线张力（即线迹松紧度）成正比。降低张力将影响接触力的降低，从而可能影响接触电阻的增加，反之亦然。调节刺绣机的底线张力和顶部导电线张力，以确保正确的针迹形成。一般来说，梭芯张力设置在22gf（克力）至24gf之间，而顶张力根据所使用的线而变化；在本例中，Silver-tech 100 的张力设置为 130 gf。最终的张力调整是根据接缝的目视检查进行的。当线太松或被拉到纺织品的另一侧时，张力会稍微改变。尽管在所有三种结构的刺绣过程中张力保持不变，图2 . 缝纫和机绣有一个简单的规则——针迹所用的线越少，针迹就越紧。所使用的线迹类型和具有最高跳距的几何形状明显使S1-s的线迹松动。另一方面，由于跳跃长度最短，结构 S2-ds 中的分开缎纹针迹比 S3-s 产生更高的接触力。

基于图2所示结构的几何形状；从表 1可以清楚地看出，结构 S2-ds 和 S3-s 中线底层和上层之间的接触数量大致相同，而结构 S1-s 中的接触数量明显更高。接触也存在于上层内。结构 S2-ds 和 S3-s 上层内的接触数量在几何形状方面相当。对于结构S1-s，较松的线迹和较大的跳长使线可以在上层一层一层地放置，从而增加触点数量。因此，结构S1-s的上层中的接触数量可以与结构S2-ds和S3-s相当。

结构S1-s中的接触总数明显更高，但接触力略低于其他两种结构。鉴于结构S1-s的电阻最低，可以得出结论，接触数量是决定其电阻的主要因素。另外，当比较具有相似数量的触点的结构S2-ds和S3-s时，结构S3-s由于较低的接触力而具有较高的电阻。

结构电阻的温度依赖性
图 5显示了外部加热过程中刺绣结构电阻的相对变化。电阻随着温度的升高而降低，并且所有刺绣结构的实验结果都服从线性相关性。众所周知，导体的电阻随着温度的升高而增加。根据我们的实验结果，这是截然相反的。这种行为必定受到螺纹的固有特性和接触电阻变化的影响。29为了检查上述因素对该行为的影响程度，消除了螺纹之间接触的影响。因此，测量了线和锯齿形针迹刺绣（sl=4mm，sw=2mm）的电阻温度依赖性。这个过程使我们能够检查线仅对随温度变化的电阻变化的影响。

所有结构（S1-s、S2-ds 和 S3-s）都建立了负温度系数 (NTC) 趋势。观察到的螺纹 NTC 与导电材料的电阻随温度升高而增加的事实相矛盾。导电线的NTC现象尚未得到彻底的研究和解释。有论文通过导电丝的导电复丝结构来解释导电丝的NTC。29、30在单丝线或仅具有一根导电丝的线的情况下，电阻随着结构的增加而增加。31 , 32鉴于用于刺绣的线是复丝，由导电细丝合股而成，在温度升高的影响下，细丝很可能会发生微观热膨胀。在这种情况下，细丝更好地贴合，并且由于细丝之间的接触阻力减少，线的阻力降低。

对于 Silver-tech 100 和锯齿形针迹，每摄氏度的相对电阻变化率（即线性函数的斜率）低于刺绣结构 S1-s、S2-ds 和 S3-s。换句话说，与线和简单的锯齿形针迹相比，随着温度的升高，刺绣结构的电阻下降得更快。这一事实表明结构的接触电阻影响电阻变化率。温度升高可能导致底层和上层之间的接触力减小，从而导致接触电阻增加。另一方面，温度升高也导致上层内的接触力增大，导致接触电阻下降。根据得到的结果

捻度分析
柔性电子器件的相关特性之一是其在扭曲过程中的行为。在一些应用中，需要对扭转不敏感，即结构能够承受扭转而电阻没有显着变化，当它们用于扭转传感器和测量时反之亦然。我们进行了扭曲分析来描述所准备的结构，并研究针迹类型划分和几何形状是否以及在多大程度上影响扭曲的敏感性。样品标距为 10 cm，同时测量扭转过程中的阻力。初步实验表明，扭转过程中电阻的变化（0.05 匝/cm、0.1 匝/cm 和 0.15 匝/cm）对于 S2-ds 和 S3-s 来说并不显着，而结构 S1-s 则显示出相对电阻变化的减小随着扭转角度的增加。所以，图 7 . 向表面有导电线的一侧扭转称为顺时针方向，向表面有非导电线的相反一侧扭转称为逆时针方向。正如33 Cheng 等人所报道的那样，不同的扭转方向预计会产生截然不同的结果。据报道，石墨烯基纤维结构逆时针扭曲相对电阻变化增加，顺时针方向扭曲则相反。33研究的结构 S1-s 显示两个扭转方向的相对阻力下降，两个方向的拟合线性函数斜率大致相同。

逆时针扭转导致接触点增加，接触力增加。这将导致接触电阻降低，从而导致 S1-s 结构电阻降低。然而，顺时针旋转也会发生同样的情况。对此行为的可能解释可能是导电线的一部分穿过纺织品被拉到底部。描述扭转实验设置的图片显示结构在两个支架之间拉伸。因此，测量过程中结构受到一定程度的拉力。施加张力以防止连接结构的侧边缘。张力程度随着扭转角度的增大而增大。

检测到的 S1-s 结构具有最高的跳跃长度，表明该结构可用作扭转传感器以及扭转角测量。另外两个研究的结构，S2-ds 和 S3-s，具有较低的跳跃长度，对扭曲不敏感。

洗涤和循环拉伸测试
纺织电子产品的一个重要特征是其耐洗涤的能力。有关洗涤的详细信息在材料和方法部分给出。尽管一些研究表明，将电子纺织品放入洗涤袋中可以提高耐洗涤的能力，但34 , 35 个样品被放入小棉袋中，以避免样品与刚性洗涤袋发生摩擦。

如图8所示，五次洗涤循环后所有结构的电阻均增加。洗涤后电气性能的变化可能是多种因素综合作用的结果，其中主要是导电线的磨损、织物收缩以及洗衣机在之前使用过程中积累的杂质。24 , 36 , 37将样品先装入小棉袋中，再放入商用洗涤袋中，杂质影响显着降低。电性能也会受到洗衣剂和织物柔软剂中存在的化学物质的影响。在我们的研究中情况并非如此，考虑到洗涤过程中不使用洗涤剂和织物柔软剂，因此洗涤过程中化学品对电性能的影响被降至最低。

刺绣结构在洗涤过程中受到离心力、摩擦力和冲击力的作用，这可能会导致线导电层磨损。在扫描电子显微镜（SEM）显微照片下可以观察到磨损。SEM 图像和 EDX 分析结果如图 9和10所示， 分别。SEM 分析显示未洗涤和洗涤的样品之间没有显着的结构和表面形态差异。考虑到 SEM 和 EDX 结果，很明显，清洗降低了银涂层的百分比，而芯中使用的所有元素，如硅 (Si)、锡 (Sn) 和碳 (C) 仍然存在于相同的涂层中。百分比。斯塔夫拉基斯等人。报告了商业导电线性能的洗涤退化结果。

据报道，导电线 Silver tech-100 经过五次洗涤后，电阻增加了约 17%。38本研究中所有三种结构的相对电阻变化均显着较高：S1-s 为 56%，S2-ds 为 39%，S3-s 为 112%。具有最小跳跃长度的S2-ds结构显示出最小的电阻变化。这一结果可以通过以下事实来解释：具有较小跳距的缎纹针迹通常在洗涤过程中不易磨损。据此，预计具有最大跳跃长度（S1-s）的结构的电阻在清洗后变化最大。然而，事实并非如此。所研究结构的上层肯定更容易受到磨损。底层和上层之间的接触被屏蔽，并且在洗涤过程中不会发生磨损。39 , 40如前所述，结构S1-s中的触点数量最多，并且对该结构的电阻影响最大。因此，与预期相反，S1-s的电阻变化并不大。考虑到前面提到的所有内容，可以得出结论，磨损不是变化的主要原因。

当整体考虑电子纺织品的耐洗性时，应考虑导电丝与纺织品的结合，即洗涤对纺织品的影响。刺绣结构的电性能也会受到洗涤过程中织物收缩的影响。41 , 42所用的棉织物在刺绣前未经清洗。首次洗涤可能会导致棉质织物缩水，尤其是用热水洗涤时。冷水洗涤也会导致一定程度的缩水。即使织物有很小的收缩，也会导致线之间的接触力减小，接触电阻增加。考虑到所有三个结构的 SEM 照片（图 9）很明显，清洗后螺纹不太紧。

结论是，结构电阻的变化可归因于洗涤过程中导电线磨损和棉织物收缩的综合影响。与导电线本身确定的变化相比，刺绣结构因洗涤引起的电阻变化明显更高。结果发现，耐洗涤的能力取决于针迹类型及其几何形状。由于跳跃长度最小，采用分开的缎纹针迹刺绣的结构最不易洗涤。获得的结果表明，以小跳距、允许导电线之间最大接触的方式完成的刺绣将更好地耐洗涤。尽管如此，在电子纺织品的长期使用过程中保持一致性的最佳方法是用非导电线覆盖导电部分。这样，导电线的损坏和变形肯定会减少。

电子纺织品的使用寿命和耐用性受到使用过程中不可避免的循环拉伸的显着影响。25次拉伸循环后电阻变化见表3。阻力变化是相对于拉伸前的初始值给出的。结果表明，结构的反应不同。这是其不同的针迹类型划分和几何形状的结果。在刺绣结构的上层中，两个针迹之间的导电线部分相对于结构的主轴线具有不同的定向。结构 S1-s 的螺纹部分与结构主轴之间的角度最小，而 S2-ds 和 S3-3 的角度大致相同，但明显更大。沿结构 S1-s 的主轴拉伸导致螺纹之间的接触数量增加，从而导致接触电阻降低，从而导致结构电阻降低。结构 S3-s 的情况正好相反，由于不同的几何形状，沿主轴线的拉伸导致上层内的螺纹部分分离。因此，接触数量减少，因此该结构的电阻增加。由于最小的跳跃长度和最大的针数，最紧凑的结构 S2-ds 对循环拉伸最不敏感。

磨损测试
耐磨性是指织物抵抗因与另一种材料摩擦而引起的表面磨损的能力。它用于评估纺织材料在使用中的耐用性，即使用寿命。磨损引起的表面变化可以反映在物理性能的变化上，例如：反射系数和颜色变化43多孔系统中的液体传输现象，9电阻12等。
本文介绍了马丁代尔磨损法的结果。马丁代尔方法用于测量纺织品的平面耐磨性，不考虑边缘磨损或可能发生的其他类型的磨损。通过监测不同循环次数下质量和电阻的变化，对羊毛织物进行结构磨损。从经过一定次数的循环后拍摄的照片可以看出，通过目视比较，导电线镀银的损失是明显的(图11 )。

据观察，通过增加磨损循环次数，所有三种结构的电阻都会增加，如图12所示。发现结构 S3-s 的相对电阻变化最高。这些增加主要是由于导电涂层的剥离造成的。导电纤维的断裂也会导致电阻增加，但不会发生由于磨损而导致导电纤维撕裂的情况

结果发现，所有样品的质量随着磨损循环次数的增加而减少。相对质量损失显示在图 S1的补充材料中。4000 次循环后，结构 S3-s 的相对质量损失最大（约 0.5%），而 S2-ds 的相对质量损失最小（约 0.2%）。这与结构 S3-s 的电阻变化最大、S2-ds 的电阻变化最小这一事实相一致。这样就确定了S2-ds结构最耐磨。高耐磨性以及其他特定功能对于电子纺织品来说是优选的。

结论
在探索适用于电子纺织品工业生产的技术刺绣参数方面进行的研究有限。因此，本文旨在通过研究各种针迹类型对刺绣结构电性能的影响来填补这一空白。对使用工业刺绣机刺绣的三个导电两层结构进行了检查。商业导电线 Silver-tech 100 用于刺绣。相同的矩形结构，长度为 150 毫米，宽度为 4 毫米，在针迹类型（缎纹和分割缎纹）和针迹几何形状（跳跃长度和间距）方面有所不同。

结果表明，针迹类型和几何形状的变化会影响刺绣结构的电性能，这主要是由于取决于接触点和接触力的接触电阻的差异。缎纹针迹结构 S1-s 的电阻率最低，上层跳跃长度最大。鉴于结构 S1-s 中螺纹部分之间的接触总数明显较高，但接触力略低于其他两种结构，因此得出结论，接触数量主要决定电阻。

该研究探讨了在传感器应用中利用刺绣结构来测量扭曲和温度的可行性。所有研究的结构都被证明适合温度测量应用。在扭转方面，具有最大跳跃长度的结构S1-s被发现适用于扭转角度测量。其他研究的具有较小跳跃长度的结构对扭曲不敏感。
在洗涤、磨损和循环拉伸后测试结构稳定性。洗涤测试表明，不同的针迹几何形状对相同的洗涤程序的反应不同。在循环拉伸和磨损后也发现了同样的情况。发现结构 S2-ds 对洗涤、循环拉伸以及磨损最不敏感。

总体而言，这项研究揭示了在电子纺织品工业生产中考虑技术刺绣参数的重要性。这些发现有助于理解不同的针迹类型和几何形状如何影响刺绣结构的电性能。随着进一步研究的进行，电子纺织品领域可以从这些见解中受益，以增强功能性和耐用性刺绣电子纺织品的设计和生产。这项研究的局限性可概括如下：所研究的结构仅绣在棉织物上，电子纺织品的寿命和耐用性在某种程度上取决于所用织物的类型；所有测量过程中的环境温度通过中央空调保持恒定，下一步将在实验室烤箱内重复温度依赖性测试，我们可以保持相同的环境温度；没有检查环境条件对扭转过程中电阻变化的影响，仅在室温下进行测量。