CN106059017B - 集成无线充电功能的柔性电路及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成无线充电功能的柔性电路及其应用。所述柔性电路包括柔性基底层和设于所述基底层上的导线层和器件层，所述导线层包括功能电路及无线充电电路，所述器件层设置于所述导线层表面，并至少与所述功能电路电性接触，所述无线充电电路包括无线充电线圈和匹配电路，所述无线充电线圈经匹配电路与所述功能电路电连接。所述柔性电路的无线充电功能采用电磁感应式实现。本发明的柔性电路集成了无线充电功能，并具有柔、薄的特点，适合于可穿戴设备的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种可穿戴柔性电路，特别涉及一种集成无线充电功能的柔性电路及其应用，属于可穿戴设备技术领域。
背景技术
可穿戴电子将现代电子设备与人相结合，可实现实时监测人体生理信息的功能，在人体健康医疗领域具有重要的应用而受到人们的日益关注。但目前的可穿戴设备还是以传统的硬板电路为主，还不能实现与人体的真正集成。同时，目前阻碍可穿戴设备普及的一个重要问题是电池的供电问题。
可穿戴电子设备由于穿戴于人体而要求其系统尺寸尽量的小，并具有一定的柔软性以减小对人体舒适度的影响。同时，系统功耗要求尽量的小，以方便采用小型的电池作为电源，并适当延长电池的续航能力。专利CN203885481U和CN204581243U分别公开了以纽扣电池和锂电池为电源的穿戴设备，但是这种穿戴设备仍以硬板电路制备，需要打开设备进行电池更换，降低了设备使用的便利性。
无线充电技术是近年来逐渐受到人们重视的充电技术，该技术能实现对电池的无导线无触点充电。目前无线充电技术主要有三种方式，分别是电磁感应式、磁场共振式和无线电波式，并形成了几大主流标准：QI标准、Power Matters Alliance标准、A4WP标准。无线充电技术的发展使其充电效率不断提高，基本可达70％左右。同时，采用无线充电技术无需更换电子设备中的电池，提高了产品的设计余量。
目前的无线充电系统包括供电端和接收端，其中接收端包括充电线圈和匹配电路，其中充电线圈基本采用金属导线进行绕制，匹配电路调整线圈的阻抗以实现阻抗匹配，提高电磁波的耦合效率。但目前的充电线圈还不能做到柔性，影响了其在柔性电路及穿戴设备上的应用。因此，发展柔性无线充电功能，对于柔性电路和可穿戴设备是一个重要的研究内容。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种集成无线充电功能的柔性电路及其应用，该柔性电路具有薄、柔性的特点，同时集成了无线充电功能，适用于可穿戴电子设备，从而克服了现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本申请采用的技术方案包括：
本申请实施例提供了一种集成无线充电功能的柔性电路，其包括柔性基底层和设于所述基底层上的导线层和器件层，所述导线层包括功能电路及无线充电电路，所述器件层设置于所述导线层表面，并至少与所述功能电路电性接触，所述无线充电电路包括无线充电线圈和匹配电路，所述无线充电线圈经匹配电路与所述功能电路电连接。
进一步的，所述匹配电路包括：
阻抗调节电路，至少用以调整所述无线充电线圈的阻抗；
整流电路，至少用以将无线充电电路耦合的交流电压转变为直流电压；
以及，稳压电路，至少用以对所述直流电压进行稳压而形成稳定的直流电输出。
在一些实施方案中，所述导线层分布于所述基底层表面。
在一些较佳的实施方案中，至少所述导线层的局部区域设于所述基底层内。
在一些较佳的具体实施方案中，所述导线层是通过印刷电子技术在所述基底层上制备形成。
较为优选的，印刷形成的所述无线充电线圈还经过金属化后处理。
在一些实施方案中，所述无线充电线圈及所述匹配电路与功能电路分布于所述基底层表面的不同区域内。
在一些较佳的实施方案中，所述柔性电路还包含：充电识别器件，至少用以在所述柔性电路进行充电时关闭所述柔性电路的电源，从而使所述柔性电路处于关机充电状态，以及在所述柔性电路处于非充电状态时开启所述柔性电路的电源。
进一步的，所述器件层包括至少一功能器件，所述功能器件与所述功能电路电连接。
在一些较佳实施方案中，所述器件层通过低温焊接技术集成于所述导线层表面。
在一些较佳实施方案中，所述柔性电路还包括能够绝缘电信号和隔磁的柔性隔离层，所述隔离层覆设在所述器件层上。
在一些实施方案中，所述基底层可选自聚合物薄膜材料，其中所述聚合物薄膜材料的材质可包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯及聚酰亚胺中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
较为优选的，所述柔性电路的整体厚度小于4mm，优选小于2mm。
本申请实施例还提供了前述的任一种集成无线充电功能的柔性电路于制备可穿戴器件中的用途。
本申请实施例还提供了一种系统，其包括：
作为接收端的、前述的任一种集成无线充电功能的柔性电路，所述柔性电路中的无线充电线圈作为接收线圈；
以及，供电端，包含与所述接收线圈配合的发送线圈。
与现有技术相比，本申请的优点包括：
(1)通过将无线充电功能集成于柔性电路中，可以实现电源的无线近场充电，方便柔性电路的设计与使用；
(2)无线充电线圈及导线层等均优选采用印刷电子技术制备，具有薄、柔性等优点，使所述柔性电路适于在可穿戴设备中应用。
附图说明
图1是本申请一实施例中一种集成无线充电功能的柔性电路的剖视图；
图2是本申请一实施例中一种集成无线充电功能的柔性电路的结构示意图；
图3是本申请一实施例中一种集成无线充电功能的柔性电路的充电状态示意图；
图4是本申请一实施例中一种集成无线充电功能的柔性电路内匹配电路的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以通过许多不同的形式来实现，并不限于下面所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
本申请实施例的一个方面提供的一种集成无线充电功能的柔性电路包括柔性基底层和设于所述基底层上的导线层和器件层。
进一步的，所述柔性电路的无线充电功能采用电磁感应式实现。
进一步的，所述导线层包括功能电路及无线充电电路，所述器件层设置于所述导线层表面，并至少与所述功能电路电性接触。
其中，所述功能电路是用以对器件层中的功能器件进行支持，例如可以包括与器件层中的温度感应元件配合的测温电路，与速度、位姿感应元件等配合的动作电路等，当然不局限于此。
进一步的，所述无线充电电路包括无线充电线圈和匹配电路，所述无线充电线圈经匹配电路与所述功能电路电连接。其中，匹配电路可提升无线充电线圈的工作效率。
进一步的，所述匹配电路包括：
阻抗调节电路，至少用以调整所述无线充电线圈的阻抗；
整流电路，至少用以将无线充电电路耦合的交流电压转变为直流电压；
以及，稳压电路，至少用以对所述直流电压进行稳压而形成稳定的直流电输出。
更进一步的，所述阻抗调节电路通过调整所述无线充电线圈的串联电阻和并联电容的参数来调整充电线圈的阻抗，实现与无线充电发送器的阻抗匹配，而所述整流电路通过桥式整流电路将耦合的交流电转变为直流电压，以及，所述稳压电路对直流电压进行稳压，形成稳定的直流输出。
在一些实施方案中，所述导线层分布于所述基底层表面。
在一些实施方案中，至少所述导线层的局部区域设于所述基底层内。
优选的，所述导线层的厚度大于0而小于50μm，尤其优选小于20μm。
较为优选的，所述基底层上设有沟槽，所述导线层被整体收纳于所述沟槽内。通过采用这样的设计，可以使所述导线层在更为轻薄的情况下保持良好的抗弯折性能，进而使所述柔性电路更为轻薄、柔软。
较为优选的，所述导线层可以是通过印刷电子技术在所述基底层上制备形成。
其中，所述印刷电子技术中采用的印刷材料包括纳米金属导电浆料或墨水，其中的纳米金属材料的材质可以包括银、铜、铝中的任意一种或两种以上的组合(例如其合金)，但不限于此。
较为优选的，印刷形成的所述无线充电线圈还经过金属化后处理。例如，在印刷形成所述无线充电线圈之后，还可以通过化学镀或电镀等方式对所述无线充电线圈进行金属化后处理，如此可以调整或改善所述无线充电线圈的电性能。
进一步的，所述无线充电线圈及所述匹配电路与功能电路分布于所述基底层表面的不同区域内。
例如，在一些实施方案中，所述无线充电线圈可设置在匹配电路与功能电路的外围或旁边。其中，所述无线充电线圈的两引脚端可以与匹配电路相连，而所述匹配电路可再与所述柔性电路内的电池及功能电路电连接。
较为优选的，所述匹配电路与功能电路分布于由所述无线充电线圈围合形成的区域内。采用这种导线层布局，可以使所述导线层的结构更为简洁有序和更高的集成度，以及使所述柔性电路更为柔、薄和更小的尺寸。
较为优选的，所述无线充电线圈与匹配电路连接后的谐振耦合频率控制在100KHz～210KHz。
较为优选的，所述无线充电线圈与匹配电路连接后，所述匹配电路的输出功率大于或等于0而小于5W。
在一些较佳的具体实施案例中，所述无线充电线圈与匹配电路连接后谐振耦合频率控制在100KHz或125KHz左右，所述匹配电路同时整流输出充电电压，其输出功率小于5W。
在一些较佳实施方案中，所述柔性电路还可包含：充电识别器件，至少用以在所述柔性电路进行充电时关闭所述柔性电路的电源，从而使所述柔性电路处于关机充电状态，以及在所述柔性电路处于非充电状态时开启所述柔性电路的电源。
例如，在柔性电路进行充电时，识别器件关闭柔性电路的电源通路，使柔性电路处于关机充电状态。只有在不充电状态时，柔性电路中的功能电路自动开启并等待用户的指令。
其中，所述电源可以是独立的锂电池等，并可贴附于所述柔性电路上。
在一些实施方案中，所述充电识别电路与所述匹配电路电连接。
在一些实施方案中，所述充电识别电路亦可设于所述匹配电路内。
进一步的，所述器件层包括至少一功能器件，所述功能器件与所述功能电路电连接。
从另一个角度讲，所述器件层是实现电路功能的电子功能器件集合。
较为优选的，所述器件层通过低温焊接技术集成于所述导线层表面。如此既可以实现器件层与导线层的紧固电性结合，亦不会在将两者结合的过程中对柔性电路中的各结构层造成损伤。
优选的，所述器件层的厚度大于0而小于1mm。
进一步的，所述功能器件包括采用印刷电子技术制备的电子器件和/或分立的电子元器件。
优选的，所述功能器件的尺寸大于0小于7mm*7mm，厚度大于0而小于1mm。
进一步的，本申请中采用的印刷电子技术可以包括丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、凸版印刷、柔版印刷、转移印刷、气溶胶印刷技术中的任意一种或两种以上的组合，即混合印刷技术，且不限于此。
在一些较佳实施方案中，所述柔性电路还包括能够绝缘电信号和隔磁的柔性隔离层，所述隔离层覆设在所述器件层上。其中，所述隔离层具有绝缘电信号和隔磁的作用，可以防止所述柔性电路的电信号泄露，以及防止人体接触引起漏电，同时还可在减小所述无线充电线圈发热的同时提高无线充电的效率。
较为优选的，所述隔离层的厚度小于2mm。
较为优选的，所述导线层和器件层被封装于由所述隔离层与所述基底层围合形成的封闭空间内。
进一步的，所述基底层可以选自聚合物薄膜材料或复合薄膜材料，所述聚合物薄膜材料可以选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯及聚酰亚胺等，而所述复合薄膜材料包括不同聚合物的混合材料或多层聚合物薄膜材料。
较为优选的，所述基底层的厚度大于0而小于100μm，尤其优选小于60μm，尤其优选小于50μm，尤其优选小于30μm，尤其优选小于20μm。
较为优选的，所述柔性电路的整体厚度大于0而小于4mm，优选小于2mm。本申请实施例的一个方面还提供的了前述的任一种集成无线充电功能的柔性电路于制备可穿戴器件中的用途。
本申请实施例的一个方面还提供了一种系统，其包括：
作为接收端的、如前所述的任一种集成无线充电功能的柔性电路，所述柔性电路中的无线充电线圈作为接收线圈；
以及，供电端，包含与所述接收线圈配合的发送线圈。
以下结合附图及一些实施例对本申请的技术方案作进一步的说明。
请参阅图1所示是本申请一典型实施方案中的一种集成无线充电功能的柔性电路的结构示意图。该柔性电路包括柔性基底层101、导线层102、器件层103和隔离层104等。
其中，所述柔性电路的无线充电功能采用电磁感应式实现。
所述导线层102内的无线充电电路可主要由无线充电线圈和匹配电路组成。
所述导线层可利用印刷电子技术于基底层表面制备形成。例如，可以在所述基底层上以纳米银墨水作为印刷材料，通过凹版印刷技术制备包含所述无线充电线圈、匹配电路和功能电路在内的所述导线层。
其中，所述纳米银墨水中的纳米银固含量优选在50～80wt％，印刷后的纳米银墨水经过100～150℃烘烤20分钟固化形成厚度大于0.5μm而小于30μm的导电线路(即所述导线层)。
优选的，为保证凹版印刷的所述无线充电线圈达到设计要求，所述无线充电线圈可采用电镀铜技术等进行加厚，以改善其电性能。
所述无线充电线圈与匹配电路电连接。请参阅图4所示是本申请的一实施方案中的一种匹配电路，通过调节匹配电路中的串联电阻R1及并联电容C1可以调节无线充电线圈的谐振频率，使其谐振在100KHz左右。在充电过程中，无线充电线圈感应到的交流电压通过整流电路转换为直流电压，再通过稳压电路输出稳定的、大于4V的直流电压，其输出功率小于5W。
请参阅图2所示，在本申请的一较佳实施方案中，一种柔性电路包括柔性基底层201，所述柔性基底层表面形成有包含无线充电线圈202、功能电路203、匹配电路205和充电识别电路206的导线层，其中凹版印刷的功能电路203通过低温焊接技术实现与电子功能器件204的集成，使电子器件204集成在导线层的表面并与功能电路保持电性结合。
其中，所述无线充电线圈202与匹配电路相连。稳压电路与充电识别电路206(即前文所述的充电识别器)的输入端相连，充电识别电路的输出端分别与所述柔性电路中的电源和功能电路电连接。当充电识别电路检测到柔性电路正在充电时，关闭柔性电路的电源通路进入充电状态；当在非充电状态时，充电识别电路开启柔性电路的电源，并等待用户的操作指令。
在本申请的又一较佳实施方案中，一种柔性电路的表面还可覆盖有柔性隔离层，以保证柔性电路适用于穿戴电子的应用。其中，该柔性隔离层可由聚合物材料掺杂铁氧体磁粉构成，既具有绝缘的作用，防止柔性电路的电信号泄露；又具有隔磁的作用，减小充电线圈的发热并提高无线充电的效率。
在前述实施方案中，所述柔性基底层101可采用聚合物薄膜，例如聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，其厚度小于150μm，优选地，厚度小于60μm，进一步优选的，厚度小于30μm。
在前述实施方案中，优选将所述柔性电路的整体厚度控制于小于4mm，尤其是小于2mm，籍以使所述柔性电路能与人体体表更好的贴合，并给予人体更为舒适的体验感。
当对本申请的集成无线充电功能的柔性电路在进行充电时，请参阅图3所示，可以将前述的任一种柔性电路放置于与之匹配的无线充电座上。无线充电座301通过发送线圈302将电能转换为电磁信号，柔性电路303通过接收线圈(即内置的无线充电线圈)将电磁信号耦合整流输出直流电压给电源进行充电。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (24)
1.一种集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于包括柔性基底层、设于所述基底层上的导线层和器件层、以及覆设在所述器件层上的柔性隔离层，所述隔离层能够绝缘电信号和隔磁，所述导线层包括功能电路及无线充电电路，所述器件层设置于所述导线层表面，并至少与所述功能电路电性接触，所述无线充电电路包括无线充电线圈和匹配电路，所述无线充电线圈经匹配电路与所述功能电路电连接，所述器件层包括至少一功能器件，所述功能器件与所述功能电路电连接，所述匹配电路与功能电路分布于由所述无线充电线圈围合形成的区域内，所述导线层和器件层被封装于由所述隔离层与所述基底层围合形成的封闭空间内，所述导线层的厚度小于50 µm，所述器件层的厚度小于1mm，所述功能器件的尺寸小于7mm*7mm、厚度小于1mm，所述基底层的厚度大于0而小于100µm，所述隔离层的厚度小于2 mm，所述柔性电路的整体厚度大于0而小于4mm。
2.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于，所述匹配电路包括：
阻抗调节电路，至少用以调整所述无线充电线圈的阻抗；
整流电路，至少用以将无线充电电路耦合的交流电压转变为直流电压；
以及，稳压电路，至少用以对所述直流电压进行稳压而形成稳定的直流电输出。
3.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述导线层分布于所述基底层表面；或者，至少所述导线层的局部区域设于所述基底层内。
4.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述导线层的厚度小于20 µm。
5.根据权利要求3所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述基底层上设有沟槽，所述导线层被整体收纳于所述沟槽内。
6.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述导线层是通过印刷电子技术在所述基底层上制备形成。
7.根据权利要求6所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述印刷电子技术中采用的印刷材料包括纳米金属导电浆料或墨水，其中的纳米金属材料的材质包括银、铜、铝中的任意一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求6所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：印刷形成的所述无线充电线圈还经过金属化后处理。
9.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述无线充电线圈及所述匹配电路与功能电路分布于所述基底层表面的不同区域内。
10.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述无线充电线圈与匹配电路连接后的谐振耦合频率控制在100KHz～210KHz。
11.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述无线充电线圈与匹配电路连接后，所述匹配电路的输出功率大于或等于0而小于5W。
12.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于还包含：充电识别器件，至少用以在所述柔性电路进行充电时关闭所述柔性电路的电源，从而使所述柔性电路处 于关机充电状态，以及在所述柔性电路处于非充电状态时开启所述柔性电路的电源。
13.根据权利要求12所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述充电识别器与所述匹配电路电连接；或者，所述充电识别器设于所述匹配电路内。
14.根据权利要求1或13所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述器件层通过低温焊接技术集成于所述导线层表面。
15.根据权利要求13所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述功能器件包括采用印刷电子技术制备的电子器件和/或分立的电子元器件。
16.根据权利要求6或15所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述印刷电子技术包括丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、凸版印刷、柔版印刷、转移印刷、气溶胶印刷技术中的任意一种或两种以上的组合。
17.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述隔离层主要由掺杂铁氧体磁粉的聚合物材料组成。
18.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述基底层选自聚合物薄膜材料，所述聚合物薄膜材料的材质包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯及聚酰亚胺中的任意一种或两种以上的组合。
19.根据权利要求1或18所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述基底层的厚度大于0而小于60µm。
20.根据权利要求19所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述基底层的厚度大于0而小于50µm。
21.根据权利要求20所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述基底层的厚度大于0而小于30µm。
22.根据权利要求21所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述基底层的厚度大于0而小于20µm。
23.根据权利要求1所述的集成无线充电功能的柔性电路，其特征在于：所述柔性电路的整体厚度大于0而小于2mm。
24.一种系统，其特征在于包括：
作为接收端的、权利要求1-23中任一项所述的集成无线充电功能的柔性电路，所述柔性电路中的无线充电线圈作为接收线圈；
以及，供电端，包含与所述接收线圈配合的发送线圈。
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