專利名稱：可拉伸電互連件、耦接接口及服裝的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及適用于服裝等的可拉伸電互連件領域，以及相應的制造方法。
背景技術：
現(xiàn)已意識到需要能夠在電氣系統(tǒng)中傳送電流或傳遞電荷的耐磨電氣互連件(也成為“電路矩陣”)，其可適度地彎曲和拉伸，從而貼合諸如電子服裝、柔性顯示器、電子人工皮膚和個人健康助理等應用中人體的三維曲線表面。通常情況下，可拉伸電互連件的制造方法是使電互連件的金屬導電薄膜沉積并結合在橡膠狀彈性基片上，其中所述橡膠狀彈性基片通常具有平面外波狀圖案或平面內扭曲圖案。所述彈性基片用于使電互連件環(huán)繞人體進行一定程度的彎曲和拉伸。但是，彎曲和拉伸可能導致電互連件的金屬導電薄膜與彈性基片之間有粘結斷裂的趨勢，且這可能引起短路以及電互連件的后續(xù)電氣故障。已提出一些改進，包括使用聚合物CNT或石墨烯合成物來解決分層問題。但是，這些合成物的導電性不及金屬。此外，現(xiàn)有的電互連件結構并不適用于環(huán)繞上述應用環(huán)境中的三維曲線表面反復進行彎曲和拉伸。除了形成電互連件的導電纖維外，傳感器、致動器、電池和類似部件等電氣部件通常也以電氣方式連接到其上。但是，可能難以通過焊接技術來將電氣部件的電極與電互連件的導電纖維連接，因為電氣部件電極和導電纖維具有纖細且易碎的性質。
實用新型內容本實用新型旨在減輕上述問題中的至少一個問題。本實用新型可涉及幾個廣泛形式。本實用新型的實施例可包括本文所述不同廣泛形式的一個或任意組合。在第一廣泛形式中，本實用新型提供一種電互連件，所述電互連件包括至少一個導電纖維，其經(jīng)配置以形成可拉伸的交錯構造。優(yōu)選地，所述可拉伸的交錯構造可包括編織構造。優(yōu)選地，所述導電纖維可包括以下項中的至少一項:導電聚合物、金屬線、漆包金屬線、涂覆有聚氨酯的金屬線、鍍金屬的紡織紗線。優(yōu)選地，所述電互連件可包括至少一個非導電纖維，其形成所述可拉伸的交錯構造。優(yōu)選地，所述非導電纖維可包括以下項中的至少一項:聚酯、尼龍、氨綸絲，以及這些項的合成物。在第二廣泛形式中，本實用新型提供一種耦接接口，其用于以電氣方式將導電纖維耦接到電氣部件的電極，所述耦接接口包括:第一部分，其配置成以焊接方式耦接到所述導電纖維；以及第二部分，其以剛性方式從所述第一部分延伸，所述第二部分經(jīng)配置以實現(xiàn)以下項中的至少一項:鉤到和扎到所述電氣部件的所述電極以與其耦接。優(yōu)選地，所述第一部分可包括圓柱形構造。優(yōu)選地，所述圓柱形構造可包括約2mm的直徑。[0019]優(yōu)選地,所述第二部分可包括形成環(huán)形和連環(huán)構造(loop configuration)中的至少一種構造的線，所述第二部分經(jīng)配置以將所述電氣部件的所述電極鉤在或扎在其周圍。優(yōu)選地，所述線可包括約Imm的直徑。 優(yōu)選地，本實用新型可包括導電漿料，其適用于覆蓋至少所述耦接接口與以下項中的至少一項之間的耦接點:導電纖維和電氣部件的電極。優(yōu)選地，所述導電纖維可包括電互連件的導電纖維。在第三廣泛形式中，本實用新型提供一種形成電互連件的方法，所述方法包括:使至少一個導電纖維形成可拉伸的交錯構造。優(yōu)選地，所述可拉伸的交錯構造可包括編織構造。優(yōu)選地，所述導電纖維可包括以下項中的至少一項:導電聚合物、金屬線、漆包金屬線、涂覆有聚氨酯的金屬線、鍍金屬的紡織紗線。優(yōu)選地，所述電互連件可包括至少一個非導電纖維，其形成所述可拉伸的交錯構造。優(yōu)選地，所述非導電纖維可包括以下項中的至少一項:聚酯、尼龍、氨綸絲，以及這些項的合成物。在第四廣泛形式中，本實用新型提供一種方法，用于以電氣方式經(jīng)由耦接接口將導電纖維耦接到電氣部件的電極，所述方法包括以下步驟:將所述耦接接口的第一部分焊接到所述導電纖維；以及將所述電氣部件的所述電極與所述耦接接口的第二部分鉤在或扎在一起，其中所述第二部分以剛性方式從所述第一部分延伸。優(yōu)選地，所述第一部分可包括圓柱形構造。優(yōu)選地，所述圓柱形構造可包括約2_的直徑。優(yōu)選地，所述第二部分可包括形成環(huán)形和連環(huán)構造中的至少一種構造的線。優(yōu)選地，所述線可包括約Imm的直徑。優(yōu)選地，本實用新型可包括包裹步驟，其用導電漿料包裹至少所述耦接接口與以下項中的至少一項之間的耦接點:電線和所述電氣部件的所述電極。通常情況下，所述漿料可包括彈性體，其包括金顆粒和碳顆粒中的至少一種顆粒。在第五廣泛形式中，本實用新型提供一種服裝，其包括根據(jù)本實用新型的第一廣泛形式形成的電互連件。有利地，在本實用新型中，所述至少一個導電纖維經(jīng)配置以形成可拉伸的交錯構造，例如，編織構造，其中所述至少一個導線纖維形成不結合到彈性基片的交錯線圈。因此，所述交錯線圈可在所述可拉伸的交錯構造的結構內自由滑動并改變自己的幾何形狀，這有助于在環(huán)繞三維曲線表面彎曲并拉伸時維持電氣性質。相反，傳統(tǒng)方法涉及將電互連件以粘合方式結合到成弧形的獨立橡膠狀或硅酮狀基片在現(xiàn)有技術中，可拉伸性受到結合整體性的限制，這可能容易導致應力集中于彈性基片的脊部部分和凹槽部分。本實用新型的其他優(yōu)點包括:涉及一種相對簡單的結構；重量相對較輕；以及可相對較為容易且較為節(jié)約成本地使用現(xiàn)有技術進行制造。此外，由于導電纖維與彈性纖維之間以交錯方式形成一體，因此導電纖維可更自由地移動，且這可減輕應力集中于電互連件的編織線圈的脊部和凹槽部分中的情況。同樣有利地，在電互連件的編織過程中，能夠形成任意形狀的織物，這與使用編織互連件的現(xiàn)有技術相對。同樣有利地，所述耦接接口提供一種相對容易的方式來以電氣方式將電互連件的導電纖維與諸如傳感器等電氣部件耦接。所述耦接接口的所述第一部分可有助于提供能夠將相對纖細且易碎的導電線焊接到其上的更大表面區(qū)域。所述耦接接口的第二部分也可提供無需焊接即可將電氣部件的相對纖細且易碎的電極鉤到、系到或扎到其上的方便點。通過額外使用導電漿料來覆蓋至少所述耦接接口與導線纖維和電氣部件的電極中的至少一者之間的耦接點，也有助于提高導電性。所述漿料也可包括以下額外優(yōu)點中的至少一個優(yōu)點:(i)在所耦接的電氣部件與電互連件之間實現(xiàn)應變消除；(ii)對濕氣的惰性相對較高，從而減少氧化作用；(iii)有助于實現(xiàn)非焊接結合；以及(iv)能夠輕易地變形，以覆蓋所述耦接接口。

以下參閱附圖對優(yōu)選但非限定性實施例的詳細說明有助于更為全面地了解本實用新型，其中:圖1是根據(jù)本實用新型的實施例使用的漆包銅線的SEM顯微照片；圖2是描繪圖1所示核心直徑為20 ii m的漆包銅線的機電性質的圖表；圖3描繪用于形成根據(jù)本實用新型實施例的編織電互連件的示例性緯編圓形編織機；圖4描繪根據(jù)本實用新型實施例的交錯電互連件的微觀結構；圖5描繪在對本實用新型實施例進行測試期間所應用的三維沖壓測試的示意圖；圖6描繪三維沖壓測試的數(shù)學分析中所用的相關參數(shù)；圖7描繪用于實施三維沖壓測試的示例性裝置；圖8描繪根據(jù)本實用新型的一項實施例的交錯電互連件的電氣和機械性質；圖9(a)到圖9(c)描繪響應于三維沖壓測試，根據(jù)本實用新型實施例形成的交錯電互連件的幾何形狀變化；圖10所示圖表描繪對本實用新型的一項實施例進行的循環(huán)機電測試的結果；圖11描繪使用根據(jù)本實用新型的一項實施例形成的20 的交錯電互連件的壽命周期；圖12所示圖表描繪根據(jù)本實用新型實施例形成的具有不同直徑的銅線的交錯電互連件的初始電阻；圖13所示圖表描繪根據(jù)本實用新型各實施例形成的具有不同直徑的銅線的交錯電互連件的相對電阻變化；圖14所示圖表針對根據(jù)本實用新型實施例形成的具有不同直徑的銅線的交錯電互連件，描繪其在測試期間受到78%平均織物應變時的平均壽命周期；圖15(a)到15(b)所示微觀結構圖描繪在對本實用新型實施例進行疲勞測試期間，分別因銅線與不銹鋼球之間的機械壓縮，以及這兩者之間的摩擦而對銅線造成的損壞；圖16(a)到16(c)描繪根據(jù)本實用新型實施例的交錯電互連件，其中分別使用單根銅線、兩個經(jīng)線中的雙線、以及單個經(jīng)線中的雙線。[0058]圖17所示圖表描繪所測試的本實用新型實施例的相對電阻變化與平均應變；圖18描繪根據(jù)本實用新型的一項實施例形成的可拉伸電互連件的平面結構；圖19 (a)到圖19 (b)描繪根據(jù)本實用新型實施例的交錯電互連件的示例性編織過程，包括手工編織和機器編織；圖20(a)到圖20(b)描繪根據(jù)本實用新型實施例形成的編織電互連件的不同圖案，其分別包括矩陣圖案和陣列圖案；圖21所示圖表描繪根據(jù)本實用新型的一項實施例一體形成于護膝墊中的可拉伸電互連件的電阻變化，其中穿戴護膝墊的對象在測試過程中反復不定地站立、彎身和行走;圖22描繪用于將傳感器電極耦接到電互連件的導電纖維的典型布置；圖23描繪根據(jù)本實用新型進一步實施例的耦接接口，其中所述耦接接口配置成以電氣方式將傳感器電極耦接到電互連件的導電線。
具體實施方式
現(xiàn)在將參閱圖1到圖21來描繪本實用新型的第一項實施例，其中可彎曲且可拉伸的電互連件通過將導電銅線與多個彈性聚酯纖維和氨綸絲編織在一起而一體形成。也參閱圖22和圖23來描述本實用新型的進一步實施例，其中耦接接口用于將諸如傳感器等電氣部件耦接到電互連件。傳統(tǒng)技術涉及這樣一種方法，其將電互連件以粘合方式結合到成弧形的獨立橡膠狀或硅酮狀基片。在現(xiàn)有技術中，可拉伸性受到結合整體性的限制，這可能容易導致應力集中于彈性基片的脊部部分和凹槽部分。相反，本實用新型的實施例適用于電子服裝和類似應用等應用，因為在使用中，編織電互連件結構的編織線圈能夠適應環(huán)繞諸如人體部位等三維曲線表面的反復彎曲和拉伸，而不致使電互連件的電氣性質顯著減少。值得注意地，金屬線在編織電互連件內交錯，而不是結合到單獨的彈性基件，因此電互連件的編織線圈能夠在拉伸時滑動并改變自己的幾何形狀。因此，能夠在反復彎曲或拉伸以貼合三維曲線體形狀時大體維持電互連件內金屬線的電氣性質。電互連件通過將超細漆包金屬線與聚酯和彈性氨綸絲一起共編織(co-knit)成平面、凸紋、連鎖或其他任何編織構造而制成，所述編織構造具有類似于圖18所示線圈的交錯編織線圈(180)。金屬線可編織到織物中，以同時位于經(jīng)線(即，橫向)和凸紋(縱向)方向上，這可通過使用嵌花編織圖案來實現(xiàn)。當編織到電互連件中時，金屬線可形成圖20(a)所示的矩陣圖案(200a)，或圖20(b)所示的陣列圖案(200b)。圖4所示是交錯電互連件的微觀結構，其中金屬線(40)、聚酯纖維(41)和氨綸絲
(42)一體形成于經(jīng)線(即，線圈行)中。由于核心直徑為20 的超細銅線的抗拉強度小于0.1N(參閱圖2)，因此聚酯和從下供料的氨綸絲編入相同經(jīng)線中，以便安全地進行制造操作。編織過程可通過手工完成，如圖19(a)所示，或者更方便地，可使用緯編圓形編織機或橫編織機完成，如圖3和圖19(b)所示。這些實施例中所用的超細漆包金屬線包括超細漆包銅線，例如中國上海金恒超細漆包線有限公司(Shanghai Gold Ever Super Fine Enamelled Wire Co.，Ltd)所生產(chǎn)的超細漆包銅線。在替代性實施例中，可使用其他合適的導電金屬線，包括銀線或金線。有利地，此類漆包金屬線適度地可彎曲，以與電互連件的編織彈性基片形成一體，且也通過聚氨酯薄膜而絕緣，從而在彈性基片縱向拉伸時減少短路的風險。銅線的直徑范圍介于20 μ m到80 μ m之間，且銅線涂覆有幾微米厚的聚氨酯。圖I中的SEM顯微照片描繪用于本實用新型的實施例中的核心直徑為20 μ m的示例性漆包銅線(10)。線的表面平滑，盡管因制造條件存在缺陷而可能存在某些微小雜質，但漆包銅線(10)在交錯于編織結構內之后仍保持完好無缺。通常情況下，20 μ m線的單位電阻是O. 55歐姆/厘米。圖2所示是該漆包銅線的機電性質。5cm長度銅線的初始電阻是約2. 75歐姆，到發(fā)生電氣故障之前，電阻增加19. 27%到3. 28歐姆，其中電氣故障發(fā)生于施加O. IN的力而產(chǎn)生7%到8%的應變時。在拉力測試期間，漆包銅線的電阻Re可用以下等式表不Rc = R0+k ε(I)其中k是常數(shù)(k ^ O. 05)，且ε代表應變。在本實用新型的實施例中，編織的聚酯和彈性氨綸絲有助于提供電互連件的彈性基片。聚酯的介電常數(shù)是約3. 2。編織的基片與氨綸絲能夠承受反復的大范圍變形，直至斷裂(> 300%的應變)。此外，對可移動的曲線體形狀而言，其相對較柔軟和貼合。此外，在使用高效制造技術時，生產(chǎn)成本相對較低。使用三維沖壓測試來證實交錯電互連件在貼合三維曲線體方面的適用性。實驗結果表明，在循環(huán)沖壓測試期間，能夠在三維變形的同時維持交錯電互連件的電氣完整性。已在實驗中研究并將在下文詳細描述可拉伸互連件的若干參數(shù)，包括導體直徑，彈性氨綸絲的含量，以及織物結構。為了證實實施例包裹曲線形狀的能力，以及適度地適應對象移動的能力，進行適用于紡織物的三維球沖壓測試。球沖壓儀器由以下項組成固持測試樣本的夾持機構；以及連接到英斯特朗(Instron)公司制造的萬能材料試驗機(Universal Materials Tester)的可移動組件的不銹鋼球(50)。測試中所用的磨光不銹鋼球(50)具有25. 400±O. 005mm的直徑，且成球形。環(huán)狀夾具的內直徑為44. 450±0. 025mm。圖5所示是三維沖壓測試布置的示意圖。通過使球移位而將不銹鋼球(50)推入交錯電互連件(51)樣本中，相應的力由英斯特朗(Instixm)進行記錄。可拉伸互連件(51)的電阻同時由萬用表進行記錄。在電互連件與球(50)的接觸區(qū)域以外的區(qū)域中，由于電互連件的厚度相對于它的其他尺寸而言十分薄，因此可將主要變形模式視作膜拉伸。在電互連件(51)與球(50)直接接觸的區(qū)域中，發(fā)生一種復雜過程，包括電互連件的彎曲、剪切應變、側向壓縮、摩擦以及膜拉伸。為了簡化分析，對交錯電互連件(51)使用平均膜應變。在變形過程中，將總樣本長度分成兩個單獨元件L和S。如圖6(a)和^b)所示，由于總測量裝置是對稱的，因此僅研究樣本的右半部分。在圖6(a)中D<r,且在圖(6b)中，D>r。根據(jù)直角三角形的主要性質，L可用下列等式表示
權利要求1.一種電互連件，所述電互連件包括至少一個導電纖維，其經(jīng)配置以形成可拉伸的交錯構造。
2.根據(jù)權利要求I所述的電互連件，其中所述可拉伸的交錯構造包括編織構造。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的電互連件，其中所述導電纖維包括以下項中的至少一項導電聚合物、金屬線、漆包金屬線、涂覆有聚氨酯的金屬線，以及鍍金屬的紡織紗線。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的電互連件，其包括形成所述可拉伸的交錯構造的至少一個非導電纖維。
5.根據(jù)權利要求3所述的電互連件，其包括至少形成所述可拉伸的交錯構造的至少一個非導電纖維。
6.根據(jù)權利要求4所述的電互連件，其中所述非導電纖維包括以下項中的至少一項聚酯、尼龍、氨綸絲，以及這些項的合成物。
7.根據(jù)權利要求5所述的電互連件，其中所述非導電纖維包括以下項中的至少一項聚酯、尼龍、氨綸絲，以及這些項的合成物。
8.一種耦接接口，其用于以電氣方式將導電纖維耦接到電氣部件的電極，所述耦接接口包括 第一部分，其配置成以焊接方式耦接到所述導電纖維；以及 第二部分，其以剛性方式從所述第一部分延伸，所述第二部分經(jīng)配置以實現(xiàn)以下項中的至少一項鉤到和扎到所述電氣部件的所述電極以與其耦接。
9.根據(jù)權利要求8所述的耦接接口，其中所述第一部分包括圓柱形構造。
10.根據(jù)權利要求9所述的耦接接口，其中所述圓柱形構造包括約2mm的直徑。
11.根據(jù)權利要求8到10中任一權利要求所述的耦接接口，其中所述第二部分包括形成環(huán)形和連環(huán)構造中的至少一種構造的線，所述第二部分經(jīng)配置以將所述電氣部件的所述電極鉤在或扎在其周圍。
12.根據(jù)權利要求11所述的耦接接口，其中所述線包括約Imm的直徑。
13.根據(jù)權利要求8到10中任一權利要求所述的耦接接口，其包括導電漿料，所述導電漿料適用于覆蓋至少所述耦接接口與以下項中的至少一項之間的耦接點所述導電纖維和所述電氣部件的所述電極。
14.根據(jù)權利要求11所述的耦接接口，其包括導電漿料，所述導電漿料適用于覆蓋至少所述耦接接口與以下項中的至少一項之間的耦接點所述導電纖維和所述電氣部件的所述電極。
15.根據(jù)權利要求12所述的耦接接口，其包括導電漿料，所述導電漿料適用于覆蓋至少所述耦接接口與以下項中的至少一項之間的耦接點所述導電纖維和所述電氣部件的所述電極。
16.根據(jù)權利要求8到10中任一權利要求所述的耦接接口，其中所述導電纖維包括電互連件的導電纖維。
17.根據(jù)權利要求11所述的耦接接口，其中所述導電纖維包括電互連件的導電纖維。
18.根據(jù)權利要求12所述的耦接接口，其中所述導電纖維包括電互連件的導電纖維。
19.根據(jù)權利要求13所述的耦接接口，其中所述導電纖維包括電互連件的導電纖維。
20.根據(jù)權利要求14所述的耦接接口，其中所述導電纖維包括電互連件的導電纖維。
21.根據(jù)權利要求15所述的耦接接口，其中所述導電纖維包括電互連件的導電纖維。
22.一種服裝，其包括根據(jù)權利要求I到2中任一權利要求形成的電互連件。
23.一種服裝，其包括根據(jù)權利要求3形成的電互連件。
24.一種服裝，其包括根據(jù)權利要求4形成的電互連件。
25.一種服裝，其包括根據(jù)權利要求5形成的電互連件。
26.一種服裝，其包括根據(jù)權利要求6形成的電互連件。
27.一種服裝 ， 其包括根據(jù)權利要求7形成的電互連件。
專利摘要一種包括至少一個導電纖維的電互連件、耦接接口及服裝，所述至少一個導電纖維經(jīng)配置以形成可拉伸的交錯構造。
文檔編號H01B5/12GK203055484SQ201220399619
公開日2013年7月10日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權日2012年4月9日
發(fā)明者陶肖明, 李喬, 朱波 申請人:香港紡織及成衣研發(fā)中心有限公司