织物和电子部件的结构的制作方法

专利名称：织物和电子部件的结构的制作方法
织物和电子部件的结构
此发明涉及结构，其包括多个纤维的织物和若干安装于该织物上的电 子部件。该结构的织物可以通过编织生产。本发明还涉及将该结构作为电 子部件和连接导体的网络操作的方法。
纺织品用于日常生活中。当将纺织品和电子器件集成时，出现了新的 应用领域。将电子部件集成到衣服中在称作随身计算的领域中正在成为曰 益重要的区域。涂覆和编织技术中的进展已经使得工业和研究能够产生耐 用的丝线和纺织品，该丝线和纺织品是高度传导的并且与常规织物一样柔 韧。在服装被穿着时，该服装能够测量诸如用户的温度的生物统计的特性 是可能的。该数据能够用于例如医学和运动应用中，其中，监控人的重要 统计资料。
例如，国际专利申请公开WO03/094719公开了编织的电子纺织品、纱 线及物品。编织的物品包括经线中的多个电绝缘的和/或电传导的纱线及与 经线中的纱线交织的纬线中的多个电绝缘的和/或电传导的纱线。经线和/ 或纬线中的功能纱线包括细长的基底，基底上包含至少一个电导体和至少 一个电子器件，其中电导体直接和/或间接地设置用于连接到电子器件的电 接触。
此文献中描述的技术中使用的方法具有若干缺点。例如，必须在物品 制成之前将电子器件安装到编织到织物中的基底上。这严重地限制了用于 织物中的器件的选择，因为选择的器件将必须相对小和非常鲁棒以经受得 住剩下的编织工艺。必须针对要使用织物的每个应用重新设计织物，或者 必须为所有应用产生通用的织物，其在许多情形下可能具有多余的部件。 这些解决方案都昂贵。还有，得到的织物不具有好的故障容差，因为在加 工到完成的物品中后支撑器件的基底中的失灵会导致该物品不能执行其功 能。
美国专利6080690中公开了不同的系统，其示出了具有集成的感测器
件的纺织品织物和由该织物制造的衣服。纺织品织物包括多个电传导的纤 维和至少一个电子传感器或多个感测纤维。纺织品织物意在用于制造到衣 服或由编织的纺织品织物制成的其它产品的功能物品中。
此文献中讨论的织物意在有助于穿戴者监控存在于该穿戴者上的生物 医学信息和/或环境条件。多个电传导纤维和感测器件的特征是产生到便携 式电子监控器件或诸如加热和冷却带、电子器件等的集成的部件的互联， 或用作用于集成的电子部件和遥控器件之间接收的和发送的信号的天线。
此现有技术文献中公开的织物中存在若干弱点。织物由(绝缘的)传 导纤维和具有诸如安装于纤维上的显示器的电子部件的(非绝缘的)感测 纤维的编织品制成。虽然这是加工简单的织物，但是安装的任何部件必须 穿透到传导纤维的绝缘层中以连接到该纤维，这是不必要地复杂的和较小 容差的加工过程。虽然安装的部件直接连接到监控诸如体温的数据的感测 纤维，但是没有方法用于安装的部件与另外的部件通信。如前所述，最后 的服装不是故障容错的。例如，如果安装有部件的传导纤维上发生故障， 则此部件将不起作用。
Lancaster University的i十算系的Kristof Van Laerhoven， Nicolas Villar 禾口 Hans-Werner Gellersen写的"A Layered Approach To Wearable Textile Networks"中公开了用于安装电子部件到服装上的另一方法。此论文介绍了 容许在可穿戴部件之间通信、而且还能够给这些部件供电的柔韧网络的功 能原型。使用分层的纺织品布置，这与更传统的已选择路径的(routed)电 路布局相反，其导致朝向柔韧衣服网络概念的创新途径。
此论文中公开的服装具有三个叠层的层外部和内部传导层，期间具 有绝缘层。部件设置有插入叠层的两个不同长度的插脚。较短的插脚与外 层相通，而较长的插脚穿透到内层中。该叠层服装在许多情形下对于用户 来说是不实用的，并且不支持简单的制造过程，因为它不能由编织来加工。 在一个或多个部件不工作时，该服装不提供故障容差。
纺织品在日常基础上容易遭受磨损和撕裂的影响。这意味着集成到纺 织品中的任何电子器件也易遭受此退化过程。为使集成到纺织品中的电子 系统是故障容错的，系统必需具有特别的功能性。现代纺织品的一些性质 是它们是以低成本生产的并且它们的生产是以高速率运行的连续过程。
印刷电路板和使用光刻技术的用于电子部件的其它传统承载物能够处 理平坦的金属层上的任意图案。编织的纺织品不容许设计中如此大的自由 度。它们经常在经线和纬线方向中需要连续的线。
用于纺织品的已知技术是在经纬线方向上使用传导的纱线，以生产包
括行和列的编织的矩阵。如果使用n行和m列，则能够访问(address) nm 个元件。然而，使用该编织的矩阵时，存在若干缺点。
对于n行和m列的矩阵，在矩阵和矩阵的控制器/驱动器之间需要n+ m个连接。这需要织物上的表面面积，其否则能够用于更多元件，或以减 小整个设计的表面面积。用于编织的矩阵的应用受到尺寸和布局在织物的 设计时被限定的事实的限制。要在矩阵中使用的元件必需在行和列的交叉 点处。矩阵和驱动器之间的连接是固定的，并且从而将在脑子中就某种应 用和维度设计编织的矩阵。
为了示例编织的矩阵的不方便，诸如衬衫的服装能够具有集成到其中 的传感器，以测量数个身体的功能，诸如心率和呼吸。为制成该衬衫，首 先需要知道将传感器放置在衬衫上什么地方，然后设计该衬衫的矩阵。对 于不同尺寸的人，此衬衫可能太小或太大。从而，需要另一衬衫，需要另 一矩阵设计。换句话说，编织的矩阵不能能够定做(cut to measure)。另外， 该设计具有许多冗余并且加工复杂。
因此本发明的目的是提高现有技术。
根据本发明的第一方面，提供了一种包括织物和安装于织物上的电子 部件的结构，所述织物包括纤维的经纬线，每根所述经纬线包括导电纤维 和不导电纤维的组合，每个电子部件连接到至少一根导电纤维。
根据本发明的第二方面，提供了一种操作结构的方法，所述结构包括 织物和安装于织物上的电子部件，所述织物包括纤维的经纬线，每根所述 经纬线包括导电纤维和不导电纤维的组合，每个电子部件连接到至少一根 导电纤维，所述方法包括经由所述导电纤维给所述电子部件供电和经由所 述导电纤维在所述电子部件之间通信。
归功于本发明，通过特别在系统中的部件和给这些部件的电力供应之 间叠加通信，提供一种系统的总的布线大大减少的结构是可能的。这导致可能减小整个设计的表面面积。
上述结构的设计容许织物能够处理定做，因为结构能够在织物剪裁后 完成。结构部件之间的小的布线量容许简单通用的纺织品设计布局，其适 合编织机器的经纬线方向。
本发明还支持在运行时能够探测系统的哪些元件在操作、同时保持系 统的布线简单的系统。因为此简单的布线方案，所以能够制成与编织机器 兼容的通用布局。
优选地，该结构还包括至少一个连接一对导电纤维的电传导的桥部件。 通过使用一个或多个桥，能够获得部件的相对复杂的连接布局。通过使用 桥部件，大大增加了能够用作用于电子部件的基底的织物的形状的可能性。
有益地，电子部件包括多个线元件的末端和对应的多组线元件，每组 线元件连接到线元件的末端，并且每个线元件的末端连接到相邻的线元件 的末端。将部件分组成包括连接到线元件的末端的一组线元件的逻辑单元 支持简单和有效地产生独立但互联的功能块。
理想地， 一组线元件并联连接到相应的线元件的末端，并且每个线元 件的末端布置为询问与它直接连接的每个线元件。能够在运行时探测局部 电力失灵，并且从而探测通信失灵。这给予嵌入织物和部件的结构中的电 子系统寻找实现其功能的可选途径的可能。
优选地，该结构还包括连接到一对导电纤维的电源，并且所述电源连 接到多个独立对导电纤维。使用多重连接用于经由导电纤维给电子部件网 络供电还提高了结构的失效保护性质。
现在将参照附图通过仅示例的方式描述本发明的实施例，其中


图1是包括线元件的末端和关联组线元件的若干电子部件的示意图2是图1的线元件的内部部件的示意图3是类似于图1的视图，示出了多个线元件的末端和它们的关联组 线元件；
图4是包括纤维的经纬线的织物的示意图5是图4的其上安装有线元件的末端的织物的一部分的示意性顶视 图和两个横截面；
图6是包括织物的结构的示意图，织物上安装有电子部件；以及 图7是示出图6的电子部件的逻辑布置的示意图。
图示出了本发明结构的多个方面，该结构包括其上安装有电子部件的 织物。图l示出了电子部件的逻辑布置，电子部件包括线元件的末端10和 对应组线元件12，该组线元件的所有线元件12通过线14连接到线元件的 末端10。
该结构容许以多于一根线连接元件。线具有通信和探测装置以确定有 多少元件连接到某根线，并且仍然能够单独访问线中的每个元件。能够将 多根线连接到一起，使得布局不限于单根线。
图1示出了连接两种类型的元件10和12的线14。在线14的一端是线 元件的末端10。在线14自身上，示出了数个线元件12。线元件的末端10 提供电力给线14，与线元件12的通信能够叠加到线14上。线元件的末端 IO还能够确定线14上有多少线元件12。如果标识了每个线元件12，则能 够单独地访问它们，类似于矩阵中的元件。
图2中示出了线元件12的更详细的视图，其是线元件12的框图。当 电力供应到线元件12时，功率探测器16会将电阻18和通信单元20连接 到线14。通过这样做，提供了一种手段，其用于线元件的末端10 了解有多 少线元件12在线14上，并且从而提供系统中的电力失灵的局部探测。
功能单元22确定具体的线元件12的功能性。例如，功能单元22可以 用于测量心率或呼吸。单元22可以具有单个专用的功能或者它可以通过线 元件的末端10重新配置。通过给每个线元件12独特的标识24，能够单独 地访问每个线元件12。
以与线元件的末端10与和其相连的线元件12通信的相同方式，在设 置多于一根线14的情形中，线元件的末端10也能够与其它的线元件的末 端10通信。线元件的末端10也具有独特的标识，其容许区别不同的线。
图3示出了包括通过线元件的末端10彼此连接的多根线14的系统。 此设计中的电子部件包括多个线元件的末端10和对应的多组线元件12，每 组线元件12连接到线元件的末端10。每个线元件的末端10连接到相邻的 线元件的末端10。多组线元件12并联连接到它们相应的线元件的末端10。
图3中，两根故障线26指示系统中的故障。能够探测这些故障，因为 在所有的线中，线上的阻抗发生变化，并且一个线元件的末端10不再响应 于由其它的线元件的末端10发起的通信。每个线元件的末端10布置为询 问与它直接连接的每个线元件12。能够周期地执行此询问，以确定哪个线 元件12仍然起作用，并且能够相应地调整线元件12的控制。
以此方式探测故障给系统提供了尝试和了解以剩余的元件10和12能 否实现相同的功能性的机会。例如，在某些情形中，在身体的非最佳位置 测量心率也可能是足够的。给线元件的末端10的上部的电力供应中的故障 对系统是致命的，除非增加用于电力的多余的连接。
图4示出了适合于纺织品的通用布局。此图中，织物28包括纤维30 的经纬线，每根经纬线包括导电纤维和不导电纤维的组合。在此图中，为 清楚目的，仅示出了导电纤维30。能够保持如上所述的电子部件10和12 的布线非常简单。由于此，能够对非常宽广范围的系统实现编织兼容的和 通用的布局。此布局的所有传导纱线在经纬线方向上。能够通过传统的编 织生产织物28，或者能够通过诸如剌绣、钩织、针织的技术，及甚至通过 沉积传导聚合物或金属到织物基底上由印刷技术生产织物28。
为阐明此，图5示出了安装于织物28上的线元件的末端IO的顶视图， 和具有线元件的末端10的织物28的两个横截面。每个电子元件10或12 连接到至少一根导电纤维30。图5中，线元件的末端10是十字形的并且在 两个经纬线方向上连接到导电纤维30。
图5中的横截面视图示出了织物28的两个可选布置。根据在经线中使 用的不导电纤维32的数量，两个布置不同。不导电纤维32用于将未绝缘 的导电纤维30隔开。这避免结构中的短路。每根纤维32包括诸如例如聚 酯的简单塑料或诸如棉花的天然材料的一致材料。不具有绝缘涂层的导电 纤维30可以包括合适的金属纤维或金属合金纤维，诸如具有银涂层的钢纤 维。
织物28中使用的不导电纤维32的实际数量是设计选择的问题并且依 赖于用于纤维30和32的材料、及最终使用该织物28的服装或物品。当在 编织结构中仅使用两层时，会出现浮纱(floatation)。对于具有三或更多层 的编织的结构，能够避免浮纱。图4的结构不限于两或三层，能够使用更
多的层。通常，不期望织物有浮纱。它们具有高的被尖锐物体绊住的风险。 通常优选地避免浮纱，尤其在电子纺织品的传导的线中，因为具有浮纱增 加电连接随时间被毁坏的可能。
除线元件的末端10和多组线元件12夕卜，结构中使用的部件还能够包 括至少一个导电的桥部件，其用于连接一对导电纤维30。这些连接的纤维 可以靠在一起或可以由织物28的显著部分隔开。桥部件用于增加能够使用 的织物28的形状的可能性。这支持剪裁以适合织物28的性质，能够按照 最终应用所期望的将织物28整形，在剪裁织物28后增加电子部件。
使用图4的织物的布局和线元件的末端10、线元件12及桥的三部件类 型的，能够以任意形状制成非常宽广的变化的系统。图6示出了能够生成 的形状的该范例。图6的织物与图4中所示的相同。图中，从织物28剪裁 某一形状。这由黑点线34指示。
在从织物28剪裁出的形状上，能够通过以具体方式连接线元件的末端 10、线元件12及桥36到织物28来构成某一电子系统。该结构的加工方法 是使得能够在剪裁织物28之前或之后(依赖于针对特定应用哪一个更方便) 将线元件的末端10、线元件12及桥36增加到织物。
以上讨论了线元件的末端10和线元件12，在图6中所示的设计中新元 件桥36用于三个不同地方。桥36是将数个列或行连接到一起的部件。在 其最简单的形式中，桥部件会将一对传导纤维30结合到一起，但是实际上， 在大多数应用中，会将多根纤维30结合到一起。
例如，图6中的桥(标注q)连接"列"纤维CO到纤维C2和纤维Cl 到纤维C3。类似的桥r连接"行"纤维R5到纤维R3和纤维R4到纤维R2。 如果列和行纤维之间的间距相同，则不管行或列是否被结合，仅需要一种 类型的桥。
剪裁时，图6中所示的结构还会包括连接到一对导电纤维30的电源， 用于给电子部件供应电力。电源将连接到导电纤维30的多个独立的对，以 提高设计的鲁棒性。
图7示出了图6中所示的系统的电等同系统。在剪裁织物后，存在将 电源38连接到系统的数种不同的可能性。这些可能性在图6和7中在织物 的边缘处由字母A、 B及C示出。理论上，要使系统操作，仅需将点A、 B
或C中的一个连接到电源38。不管纺织品如何能够经受磨损和撕裂，建议 可能时使用所有连接以提高系统的故障容差。
上述结构的应用领域是随身的和纺织品电子器件。所述结构在定做是 重要的情形中尤其有用。利用对电力和部件失灵的局部探测及利用通用纺 织品设计布局，该结构支持电子纺织品的定做。
权利要求
1、一种包括织物(28)和安装于织物上的电子部件(10、12)的结构，所述织物(28)包括纤维(30、32)的经纬线，每根所述经纬线包括导电纤维(30)和不导电纤维(32)的组合，每个电子部件(10、12)连接到至少一根导电纤维(30)。
2、 根据权利要求l所述的结构，并且还包括至少一个连接一对导电纤 维(30)的电传导的桥部件(36)。
3、 根据权利要求1或2所述的结构，其中，所述电子部件(10、 12) 包括多个线元件的末端(10)和对应的多组线元件(12)，每组线元件(12) 连接到线元件的末端(10)。
4、 根据权利要求3所述的结构，其中，每个线元件的末端(10)连接 到相邻的线元件的末端(10)。
5、 根据权利要求3或4所述的结构，其中， 一组线元件(12)并联连 接到相应的线元件的末端(10)。
6、 根据权利要求3、4或5所述的结构，其中，每个线元件的末端(IO) 布置为询问与它直接连接的每个线元件(12)。
7、 根据任一前述权利要求所述的结构，并且还包括连接到一对导电纤 维(30)的电源(38)。
8、 根据权利要求7所述的结构，其中，所述电源(38)连接到多对独 立的导电纤维(30)。
9、 一种操作结构的方法，所述结构包括织物(28)和安装于织物上的 电子部件(10、 12)，所述织物(28)包括纤维(30、 32)的经纬线，每根 所述经纬线包括导电纤维(30)和不导电纤维(32)的组合，每个电子部 件(10、 12)连接到至少一根导电纤维(30)，所述方法包括经由所述导电 纤维(30)给所述电子部件(10、 12)供电和经由所述导电纤维(30)在 所述电子部件(10、 12)之间通信。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中，所述结构还包括至少一个连 接一对导电纤维(30)的电传导的桥部件(36)。
11、 根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述电子部件(10、 12) 包括多个线元件的末端(10)和对应的多组线元件(12)，每组线元件(12) 连接到线元件的末端(10)。
12、 根据权利要求ll所述的方法，其中，每个线元件的末端(10)连 接到相邻的线元件的末端(12)。
13、 根据权利要求11或12所述的方法，其中， 一组线元件(12)并 联连接到相应的线元件的末端(10)。
14、 根据权利要求11、 12或13所述的方法，并且还包括从与每个线 元件(12)直接连接的每个线元件的末端(10)询问每个线元件(12)。
全文摘要
一种包括其上安装有电子部件(10、12)的织物(28)的结构。所述织物(28)包括纤维(30、32)的经纬线，每根所述经纬线包括导电纤维(30)和不导电纤维(32)的组合。所述电子部件(10、12)连接到至少一根导电纤维(30)。在优选实施例中，电子部件包括多个线元件的末端(10)和对应的多组线元件(12)，每组线元件(12)连接到线元件的末端(10)。
文档编号D03D15/00GK101384186SQ200780005545
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月12日 优先权日2006年2月15日
发明者A·U·道格拉斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司