CN108966492B - 一种柔性pcb板及其信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性PCB板及其信号传输方法。该柔性PCB板包括：基体、设置于所述基体上的微控制器、至少一种电子元器件和颗粒导线，所述微控制器和所述电子元器件通过所述颗粒导线电连接；所述颗粒导线内聚集有多个导电颗粒，相邻所述导电颗粒之间的间距大于零。本发明解决了现有技术中金属导线容易发生受损、断裂和功能异常等现象，提升了柔性PCB板上信号线的柔韧性、抗形变能力和信号传输能力。

Description

一种柔性PCB板及其信号传输方法

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种柔性PCB板及其信号传输方法。

背景技术

在电子产品和仪器设备中，柔性PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)板是集成电子元器件的信息载体。随着电子产品小型化、智能化、多元化的发现趋势，为了提高柔性PCB板的利用率，其对柔性PCB板的布线密度和精度要求越来越高。

现有的柔性PCB板多采用金属导线作为电子元器件之间的信号线。然而金属导线的韧性较差，当柔性PCB板因形变或受力弯曲时，容易造成信号线受损、断路和功能异常等现象，从而降低了柔性PCB板的信号完整性及耐用性，甚至会导致整个柔性PCB板报废。因此，现有的PCB板存在信号线抗形变能力差、信号传输效果差的问题。

发明内容

本发明提供一种柔性PCB板及其信号传输方法，以提升信号线的抗形变能力和信号传输能力。

第一方面，本发明实施例提供了一种柔性PCB板，该柔性PCB板包括：

基体；

设置于所述基体上的微控制器、至少一种电子元器件和颗粒导线，所述微控制器和所述电子元器件通过所述颗粒导线电连接；所述颗粒导线内聚集有多个导电颗粒，相邻所述导电颗粒之间的间距大于零。

可选地，所述颗粒导线的电阻率能够根据所述柔性PCB板的形变发生变化；所述微控制器检测所述颗粒导线上的电流信号的变化，并根据检测到的电流信号的变化调节其输出至所述颗粒导线上的信号。

可选地，相邻所述导电颗粒之间的间距大于等于0.35nm并小于等于1.5nm。

可选地，所述基体包括设置于所述基体表面的基体薄膜，所述导电颗粒嵌入到所述基体薄膜内。

可选地，所述导电颗粒以及相邻所述导电颗粒之间的所述基体薄膜构成单元体；

所述单元体的电阻率与相邻所述导电颗粒之间的距离呈正相关。

可选地，所述单元体的电阻通过以下公式获得，

其中，R_g为颗粒导线的电阻，L为单元体的长度，A为单元体的横截面积，φ为导电颗粒在单元体中的体积分数，α、β为与基体相关的隧道电流常数，h为导电颗粒间基体薄膜的厚度，E为施加在颗粒导线之间的电场强度，r_p为导电颗粒的半径，k_f为导电颗粒之间基体薄膜的电导率，r_i0为在导电颗粒之间的基体薄膜与相邻的导电颗粒初始的接触面的半径，σ₀为导电颗粒初始的挤压力，σ₁为导电颗粒所受挤压力，σ₂为磁场吸引力造成的挤压力，ν为泊松比，E_p为基体的杨氏模量。

可选地，所述基体为绝缘柔性基体。

第二方面，本发明实施例还提供了一种如本发明任意实施例所述的柔性PCB板的信号传输方法，该柔性PCB板的信号传输方法包括：

所述微控制器输出的信号通过所述颗粒导线传输至电子元器件；

所述微控制器检测所述颗粒导线上的电流信号，并根据检测的电流信号的变化调节输出至所述颗粒导线上的信号。

可选地，所述微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至所述颗粒导线上的信号，包括：

若所述电流信号小于第一预设值，则所述微控制器增大输出至所述颗粒导线上的信号的电压；

若所述电流信号大于第二预设值，则所述微控制器减小输出至所述颗粒导线上的信号的电压；

其中，所述第一预设值小于所述第二预设值。

可选地，所述微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至所述颗粒导线上的信号，包括：

若所述微控制器检测到所述颗粒导线上电流信号降低，则增大输出至所述颗粒导线上的信号的电压；若所述微控制器检测到所述颗粒导线上电流信号升高，则减小输出至所述颗粒导线上的信号的电压。

本发明实施例设置颗粒导线作为微控制器和电子元器件之间的信号线，且相邻导电颗粒之间的间距大于零，即相邻导电颗粒之间存在间隙，或者相邻导电颗粒不接触。颗粒导线这样设置应用了量子隧穿效应，根据量子隧穿效应，不相邻的各导电颗粒之间可以进行电信号的传输，因此，微控制器输出的电信号可以通过颗粒导线传输至电子元器件，实现微控制器与电子元器件的良好连接。当柔性PCB板发生形变或受力弯曲时，颗粒导线随柔性PCB板发生形变，此时，颗粒导线中的导电颗粒受挤压力仅发生移动，相邻导电颗粒之间仍然可以应用量子隧穿效应，进行电信号的传输，因此，颗粒导线具有较强的柔韧性和适应形变的性能，不易发生受损、断裂和功能异常等现象。与现有的柔性PCB板采用金属导线相比，本发明实施例采用颗粒导线提升了柔性PCB板上信号线的抗形变能力和信号传输能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种柔性PCB板的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种颗粒导线的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种单元体和相邻导电颗粒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种柔性PCB板的信号传输方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的另一种柔性PCB板的信号传输方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的又一种柔性PCB板的信号传输方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种柔性PCB板的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种颗粒导线的结构示意图。参见图1和图2，该柔性PCB板包括：基体10、微控制器20(Microcontroller Unit，MCU)、至少一种电子元器件40(图1中示例性地包括一个电子元器件40)和颗粒导线30。微控制器20、至少一种电子元器件40和颗粒导线30设置于基体10上，微控制器20和电子元器件40通过颗粒导线30电连接。颗粒导线30内聚集有多个导电颗粒31，相邻导电颗粒31之间的间距大于零。

其中，微控制器20和电子元器件40可以根据设计要求排布并固定在基体10上。本发明实施例设置颗粒导线30作为微控制器20和电子元器件40之间的信号线，且相邻导电颗粒31之间的间距大于零，即相邻导电颗粒31之间存在间隙，或者相邻导电颗粒31不接触。颗粒导线30这样设置应用了量子隧穿效应，根据量子隧穿效应，不相邻的各导电颗粒31之间可以进行电信号的传输，颗粒导线31的柔性基体的材料可以采用柔性弹性体材料，该柔性弹性体材料能够根据柔性PCB板的弯折发生形变。导电颗粒31的材料可以采用金属材料，随着导电颗粒31填充量的增加，颗粒导线30的导电性会在某一临界比例分数点急剧降低，剧减几个数量级，通常这一临界比例分数点被称为“渗滤阈值”。一般来说，当导电颗粒31在颗粒导线30的柔性基体材料中的含量低于渗滤阈值，相邻导电颗粒31之间的间距较大，表现出颗粒导线30的柔性基体的绝缘性。随着导电颗粒31在颗粒导线30的材料中的含量逐步增加，达到渗滤阈值时，导电颗粒31之间的间距逐步缩短，直至形成导电通路。此时，导电颗粒31尚未形成稳定的导电链和导电网络，影响颗粒导线30电导率的主要因素是电子隧道效应，也称量子隧穿效应，颗粒导线30因导电颗粒31的填料的电子跃迁超越能隙而产生隧道电流。因此，微控制器20输出的电信号可以通过颗粒导线30传输至电子元器件40，实现微控制器20与电子元器件40的良好连接。当柔性PCB板发生形变或受力弯曲时，颗粒导线30随柔性PCB板发生形变，此时，颗粒导线30中的导电颗粒31受挤压力仅发生移动，相邻导电颗粒31之间仍然可以应用量子隧穿效应，进行电信号的传输，因此，颗粒导线30具有较强的柔韧性和适应形变的性能，不易发生受损、断裂和功能异常等现象。与现有的柔性PCB板采用金属导线相比，本发明实施例采用颗粒导线30提升了柔性PCB板上信号线的抗形变能力和信号传输能力。

需要说明的是，图1中示例性地示出了该电子元器件40为半导体集成芯片，并非对本发明的限定。该电子元器件40还可以为半导体分立元件，例如晶体管；该电子元器件40还可以为阻抗元件或开关等任意一种电子元器件40。具体地，该半导体集成芯片还包括电源输入端VCC、接地端和信号输出端Vout。

在上述实施例的基础上，可选地，电子元器件40为与上述实施例中的微控制器功能不同的另一种微控制器。

在上述各实施例的基础上，可选地，相邻导电颗粒31之间的间距大于等于0.35nm并小于等于1.5nm，以使颗粒导线30的阻抗较小，提升信号传输的效率。需要说明的是，颗粒导线的材料可采用柔性弹性体材料，当导电颗粒31的间距小于0.35nm时，导电颗粒之间相互接触形成了一个个连续的网链，通过这些连续的导电网链，电子在电场的作用下，从弹性体材料的一端移向弹性体材料的另一端，此时可以认为，离子间的接触近似为纯导电离子的接触，导电机理类似于半导体导电机理，且电流同电压之间呈线性关系，表现出明显的欧姆特性。导电颗粒31之间的间距在0.35nm与1.5nm之间，导电颗粒尚未形成稳定的导电链和导电网络，影响颗粒导线阻抗的主要因素是电子隧道效应。

在上述各实施例的基础上，可选地，相邻导电颗粒31之间的间距为0.6nm、0.8nm、1.0nm、1.2nm或1.4nm。

需要说明的是，在上述各实施例中，颗粒导线30在柔性PCB板上的设置方式可以有多种，本发明不做限定。下面就其中两种设置方式进行说明，在一种实施方式中，颗粒导线30可以设置在柔性PCB板的基体10的表面上，颗粒导线30包括柔性基体材料和嵌入到柔性基体材料中的导电颗粒31，柔性基体的材料可以采用柔性弹性体材料，该柔性弹性体材料能够根据柔性PCB板的弯折发生形变。在另一种实施方式中，颗粒导线30还可以设置在柔性PCB板的基体10内，即柔性PCB板的基体10共用为颗粒导线30的柔性基体，使得颗粒导线30与柔性PCB板具有相同的柔韧性。针对颗粒导线30设置在柔性PCB板内的实施方式，继续参见图1和图2，可选地，基体10包括设置于基体10表面的基体薄膜11，导电颗粒31嵌入到基体薄膜11内，导电颗粒31与基体10上的基体薄膜11构成颗粒导线30，即颗粒导线30将导电颗粒31嵌入到基体薄膜11中，导电颗粒31之间填充有基体薄膜11。由于基体薄膜11是柔性PCB板上固有的一部分，本发明实施例在基体薄膜11中形成颗粒导线30，相当于颗粒导线30和柔性PCB板一体设置，换句话说，颗粒导线30是共用柔性PCB板上的基体薄膜11而形成，使得颗粒导线30与柔性PCB板具有相同的柔韧性，与现有技术相比，无需在柔性PCB板上另外设置导线，在柔性PCB板发生形变时，不易发生颗粒导线30受损、断裂和功能异常等现象，进一步提升了信号线的抗形变能力和信号传输能力。

在上述各实施例的基础上，可选地，颗粒导线30的电阻率能够根据柔性PCB板的形变发生变化，微控制器20检测颗粒导线30上的电流信号的变化，并根据检测到的电流信号的变化调节其输出至颗粒导线30上的信号。当柔性PCB板发生形变时，颗粒导线30随柔性PCB板发生形变。具体地，颗粒导线30中的导电颗粒31受挤压力发生移动，导电颗粒31之间的距离发生变化，根据量子隧穿现象，颗粒导线30的阻抗会发生相应的变化。而现有的微控制器20的引脚输出的电压一般保持不变，根据欧姆定律，当信号线上的电压保持不变，阻抗发生变化时，其上的电流会发生变化。反过来说，当微控制器20检测到颗粒导线30上的电流信号的变化时，可以根据电流的变化，调整其输出电压的大小，从而使电流信号保持在较小的范围内变化，实现柔性PCB板根据其形变自适应调节输出信号的大小的效果。柔性PCB板这样设置，使得微控制器20与电子元器件40之间的信号传输基本不受柔性PCB板形变的影响，提高了柔性PCB板信号传输的稳定性、可靠性及柔性PCB板的使用寿命。

在上述各实施例的基础上，可选地，基体10为绝缘柔性基体10，绝缘柔性基体10具有一定的柔韧性且不易受高低温变形，有利于微控制器20和电子元器件40的排布及导电颗粒31的嵌入。

示例性地，图3为本发明实施例提供的一种单元体和相邻导电颗粒的结构示意图。参见图3，在上述各实施例的基础上，可选地，导电颗粒31以及相邻导电颗粒31之间的基体薄膜11构成单元体39，单元体39的电阻率与相邻导电颗粒31之间的距离呈正相关。即，相邻导电颗粒31之间的距离越大，单元体39的电阻率越大，颗粒导线30的电阻越大，微控制器20检测到颗粒导线30上电流信号降低，则可以增大输出至颗粒导线30上的信号的电压从而保持颗粒导线30上电流信号保持稳定。相反，相邻导电颗粒31之间的距离越小，单元体39的电阻率越小，颗粒导线30的电阻越小，微控制器20检测到颗粒导线30上电流信号升高，则可以减小输出至颗粒导线30上的信号的电压从而保持颗粒导线30上电流信号保持稳定。

继续参见图3，在上述各实施例的基础上，可选地，单元体39的电阻通过以下公式获得，

其中，R_g为颗粒导线30的电阻，L为单元体39的长度，A为单元体39的横截面积，φ为导电颗粒31在单元体39中的体积分数，α、β为与基体10相关的隧道电流常数，h为导电颗粒31间基体薄膜11的厚度，E为施加在颗粒导线30之间的电场强度，r_p为导电颗粒31的半径，k_f为导电颗粒31之间基体薄膜11的电导率，r_i0为在导电颗粒31之间的基体薄膜11与相邻的导电颗粒31初始的接触面的半径，σ₀为导电颗粒31初始的挤压力，σ₁为导电颗粒31所受挤压力，σ₂为磁场吸引力造成的挤压力，ν为泊松比，E_p为基体10的杨氏模量。

具体地，令单元体39的总体积为V_r，导电颗粒31在单元体39中的体积分数为φ，则单元体39所在区域电流通过的面积S_r为：

其中，由于相邻导电颗粒31之间的距离h(即导电颗粒31间薄膜的厚度h)相比于导电颗粒31自身的球体半径很小，因此在计算式(2)时，厚度h可以忽略。

令施加在颗粒导线30之间的电场强度为E,则该单元体39的本地电场E_loc为：

总的电流密度j为隧道电流密度j_t与导电电流密度j_c之和，其表达式如式(4)所示：

单元体39的整体电流密度j_r的表达式如式(5)所示：

其中，r_i为在导电颗粒31之间的基体薄膜11与相邻的导电颗粒31的接触面的半径。

通过式(5)可以得到基体10的电导率k_r为：

当柔性PCB板发生形变或受力弯曲时，导电颗粒31之间受挤压力后其电导率会发生变化，考虑到外加磁场对导电颗粒31之间电阻的影响，假定导电颗粒31初始的挤压力为σ₀，则由赫兹理论得到接触面的半径r_i随着挤压力增大的表达式为：

因此，颗粒导线30的电导率k_m关于电场强度和挤压力的表达式为：

根据式(8)，可以得到如式(1)所示的柔性PCB板上颗粒导线30的电阻的表达式。

本发明实施例还提供了一种如本发明任意实施例所提供的柔性PCB板的信号传输方法。图4为本发明实施例提供的一种柔性PCB板的信号传输方法的流程图。参见图4，该柔性PCB板的信号传输方法包括如下步骤：

S110、微控制器输出的信号通过颗粒导线传输至电子元器件。

S120、微控制器检测颗粒导线上的电流信号，并根据检测的电流信号的变化调节输出至颗粒导线上的信号。

本发明实施例设置微控制器输出的信号通过颗粒导线传输至电子元器件，微控制器检测颗粒导线上的电流信号，并根据检测的电流信号的变化调节输出至颗粒导线上的信号。柔性PCB板的信号传输方法这样设置是应用了颗粒导线的量子隧穿效应，使得微控制器输出的电信号可以通过颗粒导线传输至电子元器件，实现微控制器与电子元器件的良好连接，且颗粒导线具有较强的柔韧性和适应形变的性能，不易发生受损、断裂和功能异常等现象。以及，颗粒导线的电阻率能够根据柔性PCB板的形变发生变化，使得颗粒导线上的电流发生变化，微控制器检测颗粒导线上的电流信号，并根据检测的电流信号的变化调节输出至颗粒导线上的信号，有利于使微控制器与电子元器件之间的信号传输不受柔性PCB板形变的影响，提高了柔性PCB板信号传输的稳定性、可靠性及柔性PCB板的使用寿命。

在上述实施例中，步骤S120中微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至颗粒导线上的信号的调节方式有多种，下面就其中几种进行说明，但并不对此进行限定。

图5为本发明实施例提供的另一种柔性PCB板的信号传输方法的流程图。参见图5，在上述实施例的基础上，可选地，步骤S120中微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至颗粒导线上的信号，包括步骤：

S121、若电流信号小于第一预设值，则微控制器增大输出至颗粒导线上的信号的电压。

S122、若电流信号大于第二预设值，则微控制器减小输出至颗粒导线上的信号的电压。

其中，第一预设值小于第二预设值，即当颗粒导线上的电流大小在第一预设值和第二预设值的设定范围内时，微控制器不对输出至颗粒导线上的电压进行调整，当颗粒导线上的电流信号的大小超过该设定范围时，微控制器对输出至颗粒导线上的电压进行调整。现有的微控制器一般会输出恒定的电压，根据欧姆定律，颗粒导线的阻抗发生变化时，其电流也会发生变化，通过调节微控制器的输出电压，可以使颗粒导线上的电流保持稳定，从而使信号传输保持稳定，提升了信号传输的精确性。

图6为本发明实施例提供的又一种柔性PCB板的信号传输方法的流程图。参见图6，在上述各实施例的基础上，可选地，步骤S120中微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至颗粒导线上的信号，包括步骤：

S123、若微控制器检测到颗粒导线上电流信号降低，则增大输出至颗粒导线上的信号的电压。

S124、若微控制器检测到颗粒导线上电流信号升高，则减小输出至颗粒导线上的信号的电压。

上述步骤表明，微控制器可以根据检测的电流信号的变化情况，实时调节输出至颗粒导线上的电压，根据量子隧穿效应，使微控制器与电子元器件之间的信号传输不受影响。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种柔性PCB板，其特征在于，包括：

基体；

设置于所述基体上的微控制器、至少一种电子元器件和颗粒导线，所述微控制器和所述电子元器件通过所述颗粒导线电连接；所述颗粒导线内聚集有多个导电颗粒，相邻所述导电颗粒之间的间距大于零。

2.根据权利要求1所述的柔性PCB板，其特征在于，所述颗粒导线的电阻率能够根据所述柔性PCB板的形变发生变化；所述微控制器检测所述颗粒导线上的电流信号的变化，并根据检测到的电流信号的变化调节其输出至所述颗粒导线上的信号。

3.根据权利要求1所述的柔性PCB板，其特征在于，相邻所述导电颗粒之间的间距大于等于0.35nm并小于等于1.5nm。

4.根据权利要求1所述的柔性PCB板，其特征在于，所述基体包括设置于所述基体表面的基体薄膜，所述导电颗粒嵌入到所述基体薄膜内。

5.根据权利要求4所述的柔性PCB板，其特征在于，所述导电颗粒以及相邻所述导电颗粒之间的所述基体薄膜构成单元体；

所述单元体的电阻率与相邻所述导电颗粒之间的距离呈正相关。

6.根据权利要求5所述的柔性PCB板，其特征在于，所述单元体的电阻通过以下公式获得，

其中，R_g为颗粒导线的电阻，L为单元体的长度，A为单元体的横截面积，φ为导电颗粒在单元体中的体积分数，α、β为与基体相关的隧道电流常数，h为导电颗粒间基体薄膜的厚度，E为施加在颗粒导线之间的电场强度，r_p为导电颗粒的半径，k_f为导电颗粒之间基体薄膜的电导率，r_i0为在导电颗粒之间的基体薄膜与相邻的导电颗粒初始的接触面的半径，σ₀为导电颗粒初始的挤压力，σ₁为导电颗粒所受挤压力，σ₂为磁场吸引力造成的挤压力，ν为泊松比，E_p为基体的杨氏模量。

7.根据权利要求1所述的柔性PCB板，其特征在于，所述基体为绝缘柔性基体。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的柔性PCB板的信号传输方法，其特征在于，包括：

所述微控制器输出的信号通过所述颗粒导线传输至电子元器件；

所述微控制器检测所述颗粒导线上的电流信号，并根据检测的电流信号的变化调节输出至所述颗粒导线上的信号。

9.根据权利要求8所述的信号传输方法，其特征在于，所述微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至所述颗粒导线上的信号，包括：

若所述电流信号小于第一预设值，则所述微控制器增大输出至所述颗粒导线上的信号的电压；

若所述电流信号大于第二预设值，则所述微控制器减小输出至所述颗粒导线上的信号的电压；

其中，所述第一预设值小于所述第二预设值。

10.根据权利要求8所述的信号传输方法，其特征在于，所述微控制器根据检测的电流信号的变化调节输出至所述颗粒导线上的信号，包括：

若所述微控制器检测到所述颗粒导线上电流信号降低，则增大输出至所述颗粒导线上的信号的电压；若所述微控制器检测到所述颗粒导线上电流信号升高，则减小输出至所述颗粒导线上的信号的电压。

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