面向智能纺织品与可穿戴设备的先进纤维系统集成技术

随着可穿戴电子、智能纺织品与人机交互等领域快速发展，传统刚性微电子器件难以满足柔性、可编织、高贴合的应用需求。平面集成电路在形变适应性、穿戴舒适性与纺织兼容性上存在先天局限，而传统电子织物仅将硬质器件贴附于织物表面，存在结构不稳定、集成度低、耐用性差等问题。在此背景下，纤维系统级（SoF）技术凭借一维纤维结构与优异力学柔顺性，成为实现织物与电子功能深度融合的重要方向。近年来，多材料热拉伸、纳米沉积、同轴图案化等制备技术不断进步，使得传感、计算、储能、通信等功能可直接集成于纤维内部，为构建全纤维化智能系统提供了可能。然而，当前研究仍停留在实验室原型阶段，面临器件封装薄弱、互连可靠性不足、规模化制造困难、系统协同性差等关键瓶颈，且现有综述多聚焦单一器件，缺乏从材料、工艺到系统层面的整体梳理。因此，开展纤维基集成电子的系统性研究，建立统一技术路线与标准化体系，对推动SoF技术走向实际应用具有重要意义。

III 纤维平台中的集成电子器件

本节综述了纤维基电子系统中的功能器件，包括晶体管、存储器与人工突触，这些器件经结构适配，可满足纤维基底的几何与力学要求，赋予智能可穿戴电子织物响应与可重构功能。电子电路由无源器件、有源器件、连接器、电源、传感器与驱动器等基础单元构成，常以Arduino等微控平台为核心。传统电路多基于二维平面基底，难以适配可穿戴领域，而一维纤维器件可与织物无缝融合，高长径比结构带来优异柔性，能贴合皮肤并适应人体运动，在持续形变与动态应力下仍可稳定工作，是下一代可穿戴系统的理想方案。

3.1 传感与感知单元

面向边缘应用的低功耗传感计算系统在环境与生理信息实时采集中快速发展，传感模块是纤维集成系统的核心，可将力学、热、光与生化信号转换为电信号，实现信号的高效采集、处理与传输，使智能纤维系统能动态适应外界环境。将温度、压力、运动、生化、光学等多种传感器集成于单一阵列，可提升智能织物的空间分辨率、灵敏度与多功能性；结合集成电路可提高数据精度、实时监测与反馈能力。可拉伸结构与低噪声处理技术推动了高密度传感阵列的发展，使其能与纤维电子系统无缝兼容，最终构建出性能更强、穿戴舒适的智能响应型电子织物系统。

3.1.1 用于触觉与运动检测的力学传感器

力学传感器广泛用于触觉反馈，通过电、气动、形变与振动信号提升交互体验，在虚拟现实、医疗诊断等领域具有重要应用，当前研究多将压力传感器与LED结合以实现可视化反馈。触觉传感织物主要分为电容式与压阻式两类，前者通过电容变化检测触碰，后者在压力下改变电阻；在弹性基体中引入导电纳米材料可提升传感纤维的延展性与导电性，多孔结构则增强力学顺应性。研究已制备出可检测应变与温度的可拉伸热电纤维传感器，如图3a(1)；Yoon等人实现多模传感，Wang等人制备出可自发电的摩擦电纤维，适用于能量收集与应变监测(图3a(2))。Wang等人还开发出兼具电信号与全色视觉反馈的交互式纤维传感器(图3a(3))，灵敏度高、响应快。压阻与压电传感器还可捕捉声带振动实现语音与运动检测，Cheng等人制备的石墨烯基纤维传感器(图3a(4))检测下限低、范围宽、稳定性好，可准确识别语音词汇。

图3. 纤维上/内传感单元。a 力学传感器：(1) CuI纤维基电容式压力传感器工作原理，及不同压力与温差下输出电压和电容相对变化曲线；(2) 自供能交互纤维电子工作机理与电学性能，纤维拉伸至 15% 应变实物图，开路电压与应变线性关系；(3) 全彩可变多鞘层交互纤维应变传感器制备示意图，循环拉伸至 200% 应变下电阻与反射波长曲线，不同应变光学图及对应数据；(4) 穿戴式传感器贴附于膝盖与喉咙，及对应动作、发声响应曲线。

3.1.2 用于生化监测的电化学传感器

集成于纤维的电化学传感器可构建轻便舒适的可穿戴监测系统，实现生理参数实时连续监测，精准检测pH、葡萄糖、乳酸等生物标志物。Ji等人将线基pH传感器集成智能绷带，通过蓝牙实现伤口实时监测。汗液传感方面，Lim等人采用湿法纺丝制备PEDOT:PSS纤维传感器(图4a(1))，电导率与氯化钠浓度呈线性响应。湿度传感中，Jeong等人研制纳米网湿度传感器(图4a(2))，透气生物相容，可长期监测皮肤与植物表面湿度。气体传感可检测丙酮、氨气等疾病标志物，Gumennik等人设计中空光纤集成探测器的整体式结构(图4a(3))，实现低浓度气体高灵敏检测。对比表明，纤维基传感器在灵敏度、检测限上与平面器件相当，且弯折后信号保持率超95%，气体传感无需高温即可实现快速响应，同轴多孔结构进一步提升性能，兼具机械适应性、耐洗性与织物集成优势。

3.1.3 用于热管理的温度传感器

温度传感器是纤维基电子系统的关键器件，尤其适用于极端环境实时监测，在生命体征追踪、智能服装、火灾探测等领域应用广泛，可将热波动转换为电信号，实现火灾、设备过热等隐患的早期预警。热管理对保障计算平台稳定性至关重要，辐射冷却为有效解决方案，温度传感器与隔热或辐射冷却结构集成后，可自主检测热异常并触发应对措施，通过闭环智能调温提升系统可靠性。Bayindir等人研制出兼具光、电、热功能的多功能纤维(图4b(1))，中空芯附近的温度传感器可检测局部温度变化并生成电信号，实现光通信过程中的热异常诊断。Wang等人提出辐射电致变色纤维(图4b(2))，通过螺旋缠绕电极和红外响应涂层动态调节红外辐射，在环境温度波动11.2℃时可将模拟皮肤温度波动控制在1.6℃内，优于传统织物，为节能型热自适应可穿戴设备提供可能。

图4. 纤维上/内传感单元。a 电化学传感器：(1) PEDOT:PSS纤维形成示意图及水中NaCl浓度与电流变化关系；(2) 吸水响应聚合物结构变化工作原理；(3) 化学发光测试装置示意图。b 热传感器：(1) 杂化纤维热、电、光性能；(2) 纤维单位长度等效电路图。

3.1.4 用于生理信号监测的生物电传感器

生物电传感器对心血管健康实时监测至关重要，心电图(ECG)传感是诊断心律失常等心脏疾病的关键，但传统刚性电极存在皮肤贴合差、易产生运动伪影等问题，难以长期穿戴。纤维基电子器件兼具柔性、织物兼容性，可实现无干扰、高保真生物信号采集，为连续ECG监测提供无缝、可水洗的解决方案。Kim等人通过连续CTAC工艺制备多层导电坚韧纤维(图5a(1))，兼具高导电性、拉伸性与耐洗性，ECG记录信噪比达40.3 dB，可经百次洗涤后仍稳定工作。Ham等人开发神经形态纺织平台，由一维有机多突触纤维组成(图5a(2))，集成信号采集与处理功能，突触阵列对五种心律失常ECG波形分类准确率约70%，无需外接处理器即可实现实时学习分类。

3.1.5 用于光传感与通信的光电探测器(PD)

光电探测器(PD)可将光信号转为电信号，广泛用于高速通信、光互联与光传感，半导体结构便于集成且兼容CMOS工艺，适合新一代光电器件。纤维型PD因曲面与面积限制，难以实现自供能，Dong等人通过水热生长与浸涂制备ZnO纳米线复合结构，构建可穿戴全向紫外PD(图5b(1))，实现零偏工作与360°光检测，兼具能量收集与探测功能。Zhuo等人采用湿法转移将石墨烯/PMMA膜转移到结构化聚合物纤维上，制备全纤维PD(图5b(2))，在650–1610 nm宽光谱内实现高光响应度，1550 nm处可达约1.48×10? A W?1，检测低至91.5 pW。该器件为分布式光传感与光通信实时监测提供了低成本、高稳定的方案。

图5.纤维上/内传感单元。a 电学传感器：(1) CTF制备流程，导电率与弹性模量对比，凝胶电极与湿CTF阻抗对比，洗涤前后ECG与EMG测试；(2) 一维有机人工多突触制备与示意图，纤维铁电有机晶体管对MNIST与ECG模式识别模拟。b 光电探测器：(1) 暗场与325 nm激光下电流?电压曲线，PVK/ZnO p?n 结能带图；(2) 碳纳米管?石墨烯全光纤器件，有无碳纳米管时光电流与响应度，及1550 nm下光功率依赖关系。

3.2 信号处理与逻辑单元

纤维基集成系统根据应用需求选择配置器件，核心包括晶体管、微控制器等元件及集成电路(IC)，IC将元件集成实现高级信号处理与控制。系统已开发电阻电容阵列、1T1D等电路结构及反相器等基础逻辑单元，近期存储处理、存储加速器等架构受关注，可实现并行计算与本地数据管理，提升纤维系统计算能力，支撑下一代可穿戴电子与分布式传感网络应用。

图6. 纤维上/内处理单元。a 晶体管：(1)~(3) 场效应晶体管，(4)~(5) 有机电化学晶体管。(1) 褶皱杂化纤维电极基纤维晶体管示意图；(2) 生物突触与PQT?12突触晶体管示意图；(3) 纤维器件横截面SEM图；(4) 纤维基互补反相器及其性能，包括结构、转移特性、电压增益与功耗；(5) 纤维基垂直OECT结构、离子迁移路径、SEM 图及材料分子结构。

3.2.1 用于信号开关与放大的晶体管

晶体管是逻辑电路中信号放大与开关的核心器件，纤维电子系统主要采用场效应晶体管(FET)与有机电化学晶体管(OECT)，可构建互补电路，具备低功耗、高噪声容限等优势。传统编织型FET在应变下易分层断裂，单丝集成结构可提升稳定性：Lee等人制备的可拉伸混合晶体管(图6a(1))能承受50%应变，Liu等人通过静电纺丝实现超低功耗突触晶体管(图6a(2))，Danto等人利用热拉伸制备光纤兼容FET(图6a(3))。OECT依靠体相离子掺杂实现高跨导，适合生物信号放大；Wang等人通过湿法纺丝获得高稳定性纤维(图6a(4))，Zhong等人制备垂直结构OECT(图6a(5))，性能优于平面器件，为纤维电子的逻辑、放大与类脑计算提供支撑。

3.2.2 用于数据存储与读取的存储器件

存储器件是集成电路的核心，用于数据存储与读取，智能纤维存储可连接传感与反馈，推动计算、医疗与柔性机器人发展。忆阻器是下一代非易失性存储的理想选择，可通过编织导电纤维构建结构(图7a(1))，支持1D–1R等架构与存内计算。Kang等人在金属丝上制备纤维型有机晶体管存储器(图7a(2))，柔性好、循环稳定；Liu等人通过溅射制备全光信号处理器件(图7a(3))，实现多级存储与快速开关。目前纤维存储主要有阻变、铁电、离子凝胶型忆阻器，具备合适的开关比与耐久性，但长期可靠性与规模化仍是瓶颈，混合设计与AI辅助材料筛选将是未来方向，以支撑高可靠、可扩展的智能纤维系统。

3.2.3 用于神经形态计算的人工突触

基于纤维的仿生人工突触与人工视网膜借鉴生物原理，可高效处理人体与环境复杂信息，织物中的交叉阵列结构能构建人工神经网络，实现并行信号处理与模式识别。神经形态系统通过模拟型与数字型两类人工突触实现突触可塑性，前者低功耗、生物保真度高，后者抗噪性强、易与传统计算兼容。Trung等人制备含有机–无机异质结的纤维型光子人工突触(图7b(1))，可自供电运行；Ni等人研发一维神经形态纤维器件(图7b(2))，模拟大脑突触行为，模式识别误差低于0.1%。织物神经形态器件侧重机械柔性、低压工作与织物集成，开关能耗与柔性平面器件相当，但在速度与耐久性上仍不及硅基器件，未来需提升稳定性与器件一致性，以支撑可穿戴神经形态计算。

3.2.4 用于整流与逻辑保护的二极管

二极管是集成电路核心器件，主要用于整流、稳压与开关，保障电流单向流动、抵御电压尖峰，提升系统可靠性。根据电路参数与应用需求，可选用整流二极管、齐纳二极管、发光二极管(LED)、肖特基二极管等类型，分别实现交直流转换、稳压、发光及高频开关功能。Shan等人开发钙钛矿量子点混合结构纤维二极管(图7c(1))，兼具发光与探测功能，可实现全双工光保真通信。Choi等人研制纤维状有机电化学二极管(图7c(2))，整流比高、逻辑兼容性好，耐洗涤，可集成于织物逻辑门与整流器，实现交直流转换及瞬态电涌保护，提升可穿戴系统安全性。

图7. 纤维上/内处理单元。a 存储器：(1) 织物忆阻器网络示意图，纤维基忆阻器结构与电镜图；(2) 纤维有机存储器器件结构；(3) 纤维集成存储单元应用。b 人工突触：(1) FPAS 制备流程，电镜图与实物图，光刺激下短时程/长时程可塑性模拟；(2) 纤维人工神经肌肉系统示意图。c 二极管：(1) 钙钛矿光纤发光/探测双功能器件工作机制与横截面SEM图；(2) 纤维有机光电二极管结构与不同离子浓度下I?V曲线。

3.3 纤维电子器件中的互联策略

互联是纤维电子中传输信号与分配电力的核心，需兼具高导电性与机械柔性以适应穿戴场景，传统刚性电极难以满足需求。目前主要通过编织、针织等四种方法制备织物导电轨迹，液态金属、碳纳米管等材料及纳米涂层、喷墨打印等技术成为突破方向。Liao等人实现电极与电解质同步制备，Seoane等人开发碳纳米管浆料用于丝网印刷；Yang等人研发纤维紫外光刻系统(图8a(1))，Park等人制备高拉伸导电复合垫(图8a(2))。封装是保障长期可靠性的关键，弹性体、氟聚合物等材料可形成防护层，多层封装能平衡绝缘性与柔性，助力实现耐洗、稳定的可穿戴纤维电子系统。

图8. 纤维上/内通信单元。a 互联：(1) 柔性温度传感器SEM图；(2) 弹性体纤维与银纳米粒子复合非织造垫制备及定量分析。b 电磁干扰屏蔽：化学镀Ni/Cu/Ni制备AF@Ni/Cu/Ni流程。c 天线：(1) PEDOT:PSS印刷织物微观结构，及多普勒雷达系统射频传输演示；(2) 人体耦合交互纤维设计与原理；(3) 可重构集成光子处理器的高维光纤通信系统。d 基于近场感应服装的无电池传感器节点与无线阅读器互联示意图。

3.4 无线通信模块

无线通信模块是下一代纤维电子系统的关键组成部分，传统纺织电子依赖刚性硅基器件，限制了柔性与穿戴舒适度。将无线通信直接集成到织物中可实现无绳操作与实时数据交互。集成射频收发器、控制器等功能的集成电路，可实现分布式数据传输与远程控制，同时具备电磁屏蔽、适配织物的射频天线及无线供电能力，为构建自主、可扩展的全集成纤维电子系统奠定基础。

3.4.1 用于信号完整性的电磁干扰(EMI)屏蔽

电磁干扰(EMI)屏蔽器件保障集成电路在高频环境下的信号完整性与运行可靠性，医疗电子设备产生的EMI易导致生物电子系统测量失真。轻量化、柔性的穿戴式EMI屏蔽器件成为解决方案，高质量屏蔽纤维可通过精制、蚀刻等预处理制备。Tang等人提出三明治金属结构导电芳纶纤维(图8b)，由非晶Ni、晶态Cu及Ni组成，电阻率低、密度小、热稳定性优，500次弯曲后仍保持柔性与力学完整性，多层界面可增强电磁波反射与耗能，实现优异屏蔽效果。

3.4.2 用于数据传输的射频(RF)天线

射频天线通过电磁波实现无线数据传输，纤维基天线因柔性、可水洗、适配穿戴平台而备受关注。Li等人制备PEDOT涂层纱线天线(图8c(1))，在2.35 GHz下辐射效率达28%，可用于高速检测；Yang等人研发兼具无线传输与传感反馈的交互纤维(图8c(2))，实现30 m内信号传输与全向通信；Lu等人采用同轴结构制备PEDOT:PSS纤维天线(图8c(3))，射频导电性优异。穿戴环境易使天线失谐，需通过闭环反馈与自适应调制保障通信可靠性。

3.4.3 无线供电与边缘连接

无线供电与边缘连接是下一代可穿戴系统的核心技术，可摆脱笨重电池与连接器，实现轻量化柔性设计。织物无线供电易受形变、湿度等影响导致效率下降，闭环反馈控制可动态调节匹配网络，保障稳定供电。Lin等人开发近场感应服装(图8d)，实现人体多点无线供电与数据传输，构建分布式体域网。Guo等人提出光纤?无线混合架构，结合边缘计算降低延迟，配合蓝牙、Wi?Fi等模块，可自主处理并上传生理与环境数据，成为智能织物的关键支撑。