可拉伸电互连件和制造方法与流程

文档序号:11293556阅读:229来源:国知局
可拉伸电互连件和制造方法与流程
本发明涉及适用于服装等的可拉伸电互连件领域,以及相应的制造方法。

背景技术:
现已意识到需要能够在电气系统中传送电流或传递电荷的耐磨电气互连件(也成为“电路矩阵”),其可适度地弯曲和拉伸,从而贴合诸如电子服装、柔性显示器、电子人工皮肤和个人健康助理等应用中人体的三维曲线表面。通常情况下,可拉伸电互连件的制造方法是使电互连件的金属导电薄膜沉积并结合在橡胶状弹性基片上,其中所述橡胶状弹性基片通常具有平面外波状图案或平面内扭曲图案。所述弹性基片用于使电互连件环绕人体进行一定程度的弯曲和拉伸。但是,弯曲和拉伸可能导致电互连件的金属导电薄膜与弹性基片之间有粘结断裂的趋势,且这可能引起短路以及电互连件的后续电气故障。已提出一些改进,包括使用聚合物CNT或石墨烯合成物来解决分层问题。但是,这些合成物的导电性不及金属。此外,现有的电互连件结构并不适用于环绕上述应用环境中的三维曲线表面反复进行弯曲和拉伸。除了形成电互连件的导电纤维外,传感器、致动器、电池和类似部件等电气部件通常也以电气方式连接到其上。但是,可能难以通过焊接技术来将电气部件的电极与电互连件的导电纤维连接,因为电气部件电极和导电纤维具有纤细且易碎的性质。

技术实现要素:
本发明旨在减轻上述问题中的至少一个问题。本发明可涉及几个广泛形式。本发明的实施例可包括本文所述不同广泛形式的一个或任意组合。在第一广泛形式中,本发明提供一种电互连件,所述电互连件包括至少一个导电纤维,其经配置以形成可拉伸的交错构造。优选地,所述可拉伸的交错构造可包括编织构造。优选地,所述导电纤维可包括以下项中的至少一项:导电聚合物、金属线、漆包金属线、涂覆有聚氨酯的金属线、镀金属的纺织纱线。优选地,所述电互连件可包括至少一个非导电纤维,其形成所述可拉伸的交错构造。优选地,所述非导电纤维可包括以下项中的至少一项:聚酯、尼龙、氨纶丝,以及这些项的合成物。在第二广泛形式中,本发明提供一种耦接接口,其用于以电气方式将导电纤维耦接到电气部件的电极,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导电纤维;以及第二部分,其以刚性方式从所述第一部分延伸,所述第二部分经配置以实现以下项中的至少一项:钩到和扎到所述电气部件的所述电极以与其耦接。优选地,所述第一部分可包括圆柱形构造。优选地,所述圆柱形构造可包括约2mm的直径。优选地,所述第二部分可包括形成环形和连环构造(loopconfiguration)中的至少一种构造的线,所述第二部分经配置以将所述电气部件的所述电极钩在或扎在其周围。优选地,所述线可包括约1mm的直径。优选地,本发明可包括导电浆料,其适用于覆盖至少所述耦接接口与以下项中的至少一项之间的耦接点:导电纤维和电气部件的电极。优选地,所述导电纤维可包括电互连件的导电纤维。在第三广泛形式中,本发明提供一种形成电互连件的方法,所述方法包括:使至少一个导电纤维形成可拉伸的交错构造。优选地,所述可拉伸的交错构造可包括编织构造。优选地,所述导电纤维可包括以下项中的至少一项:导电聚合物、金属线、漆包金属线、涂覆有聚氨酯的金属线、镀金属的纺织纱线。优选地,所述电互连件可包括至少一个非导电纤维,其形成所述可拉伸的交错构造。优选地,所述非导电纤维可包括以下项中的至少一项:聚酯、尼龙、氨纶丝,以及这些项的合成物。在第四广泛形式中,本发明提供一种方法,用于以电气方式经由耦接接口将导电纤维耦接到电气部件的电极,所述方法包括以下步骤:将所述耦接接口的第一部分焊接到所述导电纤维;以及将所述电气部件的所述电极与所述耦接接口的第二部分钩在或扎在一起,其中所述第二部分以刚性方式从所述第一部分延伸。优选地,所述第一部分可包括圆柱形构造。优选地,所述圆柱形构造可包括约2mm的直径。优选地,所述第二部分可包括形成环形和连环构造中的至少一种构造的线。优选地,所述线可包括约1mm的直径。优选地,本发明可包括包裹步骤,其用导电浆料包裹至少所述耦接接口与以下项中的至少一项之间的耦接点:电线和所述电气部件的所述电极。通常情况下,所述浆料可包括弹性体,其包括金颗粒和碳颗粒中的至少一种颗粒。在第五广泛形式中,本发明提供一种服装,其包括根据本发明的第一广泛形式形成的电互连件。有利地,在本发明中,所述至少一个导电纤维经配置以形成可拉伸的交错构造,例如,编织构造,其中所述至少一个导线纤维形成不结合到弹性基片的交错线圈。因此,所述交错线圈可在所述可拉伸的交错构造的结构内自由滑动并改变自己的几何形状,这有助于在环绕三维曲线表面弯曲并拉伸时维持电气性质。相反,传统方法涉及将电互连件以粘合方式结合到成弧形的独立橡胶状或硅酮状基片在现有技术中,可拉伸性受到结合整体性的限制,这可能容易导致应力集中于弹性基片的脊部部分和凹槽部分。本发明的其他优点包括:涉及一种相对简单的结构;重量相对较轻;以及可相对较为容易且较为节约成本地使用现有技术进行制造。此外,由于导电纤维与弹性纤维之间以交错方式形成一体,因此导电纤维可更自由地移动,且这可减轻应力集中于电互连件的编织线圈的脊部和凹槽部分中的情况。同样有利地,在电互连件的编织过程中,能够形成任意形状的织物,这与使用编织互连件的现有技术相对。同样有利地,所述耦接接口提供一种相对容易的方式来以电气方式将电互连件的导电纤维与诸如传感器等电气部件耦接。所述耦接接口的所述第一部分可有助于提供能够将相对纤细且易碎的导电线焊接到其上的更大表面区域。所述耦接接口的第二部分也可提供无需焊接即可将电气部件的相对纤细且易碎的电极钩到、系到或扎到其上的方便点。通过额外使用导电浆料来覆盖至少所述耦接接口与导线纤维和电气部件的电极中的至少一者之间的耦接点,也有助于提高导电性。所述浆料也可包括以下额外优点中的至少一个优点:(i)在所耦接的电气部件与电互连件之间实现应变消除;(ii)对湿气的惰性相对较高,从而减少氧化作用;(iii)有助于实现非焊接结合;以及(iv)能够轻易地变形,以覆盖所述耦接接口。附图说明以下参阅附图对优选但非限定性实施例的详细说明有助于更为全面地了解本发明,其中:图1是根据本发明的实施例使用的漆包铜线的SEM显微照片;图2是描绘图1所示核心直径为20μm的漆包铜线的机电性质的图表;图3描绘用于形成根据本发明实施例的编织电互连件的示例性纬编圆形编织机;图4描绘根据本发明实施例的交错电互连件的微观结构;图5描绘在对本发明实施例进行测试期间所应用的三维冲压测试的示意图;图6描绘三维冲压测试的数学分析中所用的相关参数;图7描绘用于实施三维冲压测试的示例性装置;图8描绘根据本发明的一项实施例的交错电互连件的电气和机械性质;图9描绘冲压过程中交错互连件的几何形状变化(a)冲压测试前各线圈的几何形状;(b)冲压测试后与球直接接触的线圈的几何形状;(c)冲压测试后不与球接触的线圈的几何形状;图10所示图表描绘对本发明的一项实施例进行的循环机电测试的结果;图11描绘使用根据本发明的一项实施例形成的20μm的交错电互连件的寿命周期;图12所示图表描绘根据本发明实施例形成的具有不同直径的铜线的交错电互连件的初始电阻;图13所示图表描绘根据本发明各实施例形成的具有不同直径的铜线的交错电互连件的相对电阻变化;图14所示图表针对根据本发明实施例形成的具有不同直径的铜线的交错电互连件,描绘其在测试期间受到78%平均织物应变时的平均寿命周期;图15(a)到15(b)所示微观结构图描绘在对本发明实施例进行疲劳测试期间,分别因铜线与不锈钢球之间的机械压缩,以及这两者之间的摩擦而对铜线造成的损坏;图16(a)到16(c)描绘根据本发明实施例的交错电互连件,其中分别使用单根铜线、两个经线中的双线、以及单个经线中的双线。图17所示图表描绘所测试的本发明实施例的相对电阻变化与平均应变;图18描绘根据本发明的一项实施例形成的可拉伸电互连件的平面结构;图19(a)到图19(b)描绘根据本发明实施例的交错电互连件的示例性编织过程,包括手工编织和机器编织;图20(a)到图20(b)描绘根据本发明实施例形成的编织电互连件的不同图案,其分别包括矩阵图案和阵列图案;图21所示图表描绘根据本发明的一项实施例一体形成于护膝垫中的可拉伸电互连件的电阻变化,其中穿戴护膝垫的对象在测试过程中反复不定地站立、弯身和行走;图22描绘用于将传感器电极耦接到电互连件的导电纤维的典型布置;图23描绘根据本发明进一步实施例的耦接接口,其中所述耦接接口配置成以电气方式将传感器电极耦接到电互连件的导电线。具体实施方式现在将参阅图1到图21来描绘本发明的第一项实施例,其中可弯曲且可拉伸的电互连件通过将导电铜线与多个弹性聚酯纤维和氨纶丝编织在一起而一体形成。也参阅图22和图23来描述本发明的进一步实施例,其中耦接接口用于将诸如传感器等电气部件耦接到电互连件。传统技术涉及这样一种方法,其将电互连件以粘合方式结合到成弧形的独立橡胶状或硅酮状基片。在现有技术中,可拉伸性受到结合整体性的限制,这可能容易导致应力集中于弹性基片的脊部部分和凹槽部分。相反,本发明的实施例适用于电子服装和类似应用等应用,因为在使用中,编织电互连件结构的编织线圈能够适应环绕诸如人体部位等三维曲线表面的反复弯曲和拉伸,而不致使电互连件的电气性质显著减少。值得注意地,金属线在编织电互连件内交错,而不是结合到单独的弹性基件,因此电互连件的编织线圈...
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