CN110931146B - 可拉伸导体电路 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种可拉伸导体结构、具有可拉伸导体结构的服装、以及一种用于制造可拉伸导体结构的方法。导体结构包括导线组和可拉伸层压件。所述导线组中的每个导线包括保护表面，所述导线组被图案化为网状结构，以在所述导线组上提供导电性的同时适应操作。可拉伸层压件封装所述网状结构，在所述操作之后所述可拉伸层压件可以使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态。

Description

可拉伸导体电路
技术领域
概括地说，本申请涉及电导体，并且更具体地，涉及一种可拉伸导体电路。
背景技术
现有技术的实践是以弯曲的痕迹(马蹄形图案)图案化固体铜箔并嵌入聚合物中。虽然这确实提供了可拉伸且柔性的电路(虽然通常每次是在导体的一个轴上)，但致使导体塑性变形的沿着痕迹曲线的高应力集中会增大，从而随着时间的推移会导致电路故障(开路)。
发明内容
本公开提供了一种可拉伸导体电路。
在第一实施例中，一种可拉伸导电结构包括导线组和可拉伸层压件。所述导线组中的每个导线包括保护表面，所述导线组被图案化为网状结构，以在所述导线组上提供导电性的同时适应操作。可拉伸层压件封装所述网状结构，所述可拉伸层压件被构造为在所述操作之后使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态。
在第二实施例中，一种服装包括织物和设置在所述织物内或邻近所述织物的柔性导体结构。所述柔性导体结构包括一个或多个电路元件以及连接所述一个或多个电路元件的可拉伸导体结构。可拉伸导体结构包括导线组和可拉伸层压件。所述导线组中的每个导线包括保护表面，所述导线组被图案化为网状结构，以在所述导线组上提供导电性的同时适应操作。可拉伸层压件封装所述网状结构，所述可拉伸层压件被构造为在所述操作之后使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态。
在第三实施例中，一种方法用于制造可拉伸导体结构。该方法包括在导线组中的每个导线上应用保护表面；将所述导线组图案化成网状结构，以在所述导线组上提供导电性的同时适应操作；以及将所述网状结构封装在可拉伸层压件中，使得所述可拉伸层压件在所述操作结束之后使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态。
在进行下面的详细描述之前，先阐述本专利文件中使用的特定词和短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其衍生词，意指包含但不限于此；术语“或”是包含性的，其含义为和/或；短语“与……相关联”和“与其相关联”及其衍生词可以表示包括、包括在其中、与之互连、包含、包含在其中、连接或与之连接，耦合或与之耦合、可通信、配合、交错、并置、接近、绑定或与之绑定、具有，或具有属性等。应当注意，与任何特定控制器相关联的功能，无论是本地的还是远程的，都可以是集中的或分布式的。在本专利文件中提供了对特定词语和短语的定义，本领域技术人员应该理解，在许多情况下，如果不是大多数情况，这些定义适用于这样定义的单词和短语的先前和将来的使用。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现参考结合附图的以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分：
图1A至图1C示出了根据本公开的示例性可拉伸导体结构；
图2A至图2C示出了根据本公开实施例的导体结构的示例性操作；
图3示出了根据本公开的可拉伸导体结构的示例性处理；
图4示出了根据本公开的示例性增强服装；
图5示出了根据本公开的示例性增强服装。
具体实施方式
下面讨论的图1至图5以及用于描述本专利文件中的本公开的原理的各种实施例仅是示例性的，不应以任何方式解释为限制本公开的范围。
图1A至图1C示出了根据本公开的示例性可拉伸导体结构。图1A示出了根据本公开的示例性可拉伸导体结构100。图1B示出了根据本公开各实施例的示例性未拉伸的导体结构101。图1C示出了根据本公开实施例的示例性被拉伸的导体结构102。图1A至图1C中所示的实施例仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他实施例。
图1A至图1C示出了能够传导相对高电流的新型柔性且可拉伸导体结构100。柔性导体结构100适用于可穿戴电子设备，但也能够与需要弯曲/拉伸电路的其他应用兼容。柔性导体结构100包括网状结构110(例如，机织或针织的)形式的图案化的导线105，其被可拉伸层压件115覆盖。
该组导线105可以使用例如铜，铝，银等材料。导线105可以不是可拉伸的，但可以形成网状结构110，网状结构110提供整体导体结构100的柔性。导线105可包括腐蚀/氧化保护表面(例如，Ni/Au镀层)。
网状结构110在相对于纬向130和经向135大致对角(任何角度均可，但本实施例中为45度)的轴120、125上可伸展。导线105包括沿纬向130延伸的导线的第一部分145和沿经向135延伸的导线的第二部分150。第一部分145和第二部分150可以包括不同数量的导线105。虽然导线105的第一部分145和第二部分150在图1A和1B中示出为垂直排列，但是第一部分145和第二部分150可以以任何角度排列。
使用网状结构110还允许使用PCB型蚀刻方法大量产生电路图案。使用PCB型蚀刻构造的网状电路可以代替铜箔或导线。尽管在整个说明书中使用术语“网状”来描述导线的布置，但是网状结构不限于网，还可包括针织物，编织物，网状物等。在一些实施例中，网状结构110的横截面的形状为可以是平的，圆形的，管状的等。例如，当网状结构110的横截面为管状时，网状结构110可以围绕另一个部件形成。
导线105的第一部分145和第二部分150彼此交叉以形成多个接触点140。相邻接触点155是由一段导线105直接连接的接触点。相邻接触点155具有第一部分145和第二部分150的交替重叠。例如，在接触点140处，第一部分145的导线105在第二部分150的导线105之上与其交叉，而在接触点140的每个相邻接触点155处，第二部分150的导线105在第一部分145的导线105之上与其交叉。
对角接触点160和165是直接跨过接触点之间的间隙的接触点140。相比于操作方向120，对角接触点可以是对齐的接触点160或未对齐的接触点165。对齐的接触点160是直接跨过间隙与操作方向120对齐的接触点140。未对齐的接触点165是直接穿过间隙与操作方向120垂直或未与操作方向120对齐的的接触点140。
在一些实施例中，在网状结构110的初始状态下对齐的接触点160之间的距离170与未对齐的接触点165之间的距离175相对类似。在拉伸操作200期间，对齐的接触点160之间的距离170增大并且未对齐的接触点165之间的距离175减小。在拉伸操作200结束之后，距离170和175返回到网状结构110的初始状态。
拉伸的例子由未拉伸的导体结构101(网状结构110在图1B中处于初始状态)和被拉伸的导体结构102(网状结构110在图1C中处于操作状态)示出。为了便于说明，导线105和可拉伸层压件115的端部可以比图1B和图1C中所示的延伸得更远。
导体结构102示出了导线105从未拉伸的导体结构101的原始位置稍微与拉伸方向120对齐。网状结构110使得每个导线股可抵靠相邻导线股滑动而不是塑性变形。金属接触点140的许多金属(优选镀Ni/Au的铜)提供了在相邻导线之间传递电流的低电阻方式。
一旦导线105被图案化为网状结构110，则使用可拉伸材料或可拉伸层压件115层压该网状结构110。网状结构110可以嵌入可拉伸层压件115中。网格结构110可以使用压敏粘合剂双面涂覆在可拉伸聚合物材料(例如硅树脂、热塑性聚氨酯等)上，可拉伸聚合物材料粘附到网状图案，并且使得在例如弯曲或拉伸的操作之后，网状结构返回到初始状态或者非拉伸的导体结构101中的网状结构110。该聚合物还可以用作导线105的电绝缘体。
在一个实施例中，为了多种目的，在被封装在可拉伸层压件115中之前，可以在网状结构110上图案化永久粘附的柔性和/或可拉伸的导电涂层，例如导电油墨、导电聚合物或导电环氧树脂(例如，杜邦Dupont PE874)。一个目的是导电聚合物有助于进一步改善和减少网中各股导线的点对点电接触，同时还允许弯曲和拉伸。另一个目的是在电路图案化步骤中，聚合物也可以用作蚀刻掩模。
网状结构110提供柔性且可拉伸的电路材料。然而，为进一步增强柔性，网状结构110也可以使用弯曲的马蹄形/蛇形图案(x和y轴)和波形图案(z轴)来图案化。这种类型的电路的图案化通过在其拉伸(特别是沿着曲线拉伸)时最小化图案中的高应力集中，可进一步增强柔性和拉伸性。
图2A至图2C示出了根据本公开实施例的柔性导体的示例性操作。图2A至图2C中所示的实施例仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他实施例。
图2A示出了根据本公开的实施例的拉伸操作200。拉伸方向120对应于参考图2A的水平方向。可拉伸层压件115提供使导体结构返回其初始网状结构的功能。
图2B示出了根据本公开的实施例的扭曲操作205。扭曲操作205在导体结构上提供不一致的拉伸。每个连接点140允许导体结构的不同部分提供不同量的“拉伸”以扭曲导体结构。
图2C示出了根据本公开的实施例的弯曲操作210。弯曲操作210涉及柔性导体结构的一侧伸展，而相对侧收缩。导体结构的柔性也适用于这种操作和返回到非弯曲的网状结构。
图3示出了根据本公开的可拉伸柔性导体的示例性处理。例如，可以执行图3中描述的处理以产生图4中的增强服装或图5中的增强服装。
在操作305中，将保护表面应用到导线105。例如，保护表面可以是Ni/Au镀层。保护表面为导线105提供弹性，以延长导体结构的剩余使用寿命(over useful life)，并且还在相邻导线105之间提供更大的电流传输。在一些实施例中，保护表面可提供耐腐蚀性和抗氧化性。在一些实施例中，可在操作310将导线105图案化成网状结构之后，应用保护表面。
在操作310中，将导线105图案化为网状结构110。导线105可以被机织或编织成网状结构110。网状结构110可以适应诸如拉伸操作200、扭曲操作205和弯曲操作210的操作。网状结构110还可以包括弯曲的马蹄形图案，曲折的蛇形图案和波纹图案。
在操作315中，可以将可拉伸的导电涂层应用在网状结构110上。导电涂层110可以作为图案应用在网状结构110上，或者围绕网状结构110的接触点。例如，导电涂层可以是导电油墨、导电聚合物或导电环氧树脂。导电涂层增强了导线105的各股线之间的电连接。在一些实施例中，网状结构可以通过诸如蚀刻PCB的工艺被图案化成电路。
在操作320中，使用压敏粘合剂将网状导体嵌入可拉伸层压件中。可拉伸层压件可以是可拉伸的聚合物材料。在操作结束后，可拉伸层压件返回未拉伸的网状结构。在一些实施例中，可在网状结构周围浇铸液体层压材料并使其固化。
在操作325中，用材料覆盖嵌入的网状导体以形成增强的织物。导体结构可以遍布整个织物或织物的部分。
在操作330中，增强的织物形成服装。导体结构可以从特定组件、连接、传感器、接口等运行在服装的股线中。
尽管图3示出了可拉伸柔性导体的示例性处理，但是可以对图3进行各种改变。例如，虽然图3示出为一系列步骤，但是各图形中的各个步骤可以重叠、并行发生、以不同的顺序发生、或多次发生。
图4示出了根据本公开的示例性增强服装400。图4中所示的实施例仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他实施例。
增强服装400为包括可拉伸导体结构410的服装405，可拉伸导体结构410嵌入服装405的织物中或在服装405外部。可拉伸导体结构410连接服装405中或服装405周围的电部件并为其供电。可拉伸导体结构410以及部件415、420和425的位置、布线和方向仅用于说明，并且可以位于沿着服装405的任何位置。
增强服装400可包括连接415、传感器420或其他部件425。柔性导电电路430包括柔性导体结构410、连接器415、传感器420和其他部件425。由于柔性导体结构410是绝缘的，这些部件可以提供接口或连接而不暴露柔性导体结构410。这些部件使得用户不必担心流过柔性导体结构410的电流并且还可保护柔性导体结构410免受损坏。下面对应于图5的组件进一步详细描述组件415、420和425的连接。
图5示出了根据本公开的示例性增强服装500。图5中所示的实施例仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他实施例。
如图5所示，增强服装500包括柔性导体结构505，其支持至少一个处理装置510、至少一个存储装置515、至少一个通信单元520、至少一个输入/输出(I/O)单元525、至少一个传感器540和至少一个电源545之间的通信。
处理装置510执行可以加载到存储器530中的指令。处理装置510可以包括以任何合适方式布置的任何合适数量和类型的处理器或其他装置。处理装置510的示例类型包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路和分立电路。
存储器530和永久储存器535是存储装置515的示例，其表示能够存储信息(诸如临时或永久性的数据、程序代码和/或其他适当的信息)和促进信息检索的任何结构。存储器530可以表示随机存取存储器或任何其他合适的易失性或非易失性存储装置。永久储存器535可以包含支持数据的长期存储的一个或多个组件或装置，诸如只读存储器、硬盘驱动器、闪存或光盘。
通信单元520支持与其他系统或装置的通信。例如，通信单元520可以包括便于通过网络102进行通信的网络接口卡或无线收发器。通信单元520可以支持通过任何合适的物理或无线通信链路的通信。
I/O单元525允许输入和输出数据。例如，I/O单元525可以通过键盘、鼠标、小型键盘、触摸屏或其他合适的输入装置提供用于用户输入的连接。I/O单元525还可以将输出发送到显示器、打印机或其他合适的输出装置。I/O单元525可以是图4中所示的连接415。
传感器540可以向用户提供反馈或存储在存储装置515中。传感器540可以包括温度传感器、压力传感器、生物传感器等。
电源545通过可拉伸导电电路505向增强服装500的组件提供电力。例如，电源545可以是可充电电池或墙壁电源。电源545可以可拆卸地连接到增强服装500或者通过外部连接内置到增强服装500中。
如上面更详细的描述，增强服装500的组件可以使用可拉伸导体结构505连接。电子装置的组件也可以附接到增强服装或在增强服装外部。
可拉伸导体结构505还可以为增强服装的不同组件提供电力。
尽管图5示出了增强服装500的示例，但是可以对图5进行各种改变。例如，图5中的各种组件可以组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加附加组件。作为特定示例，处理装置510可以被分为多个处理器，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。另外，与计算和通信网络一样，电子装置可以具有各种各样的配置，并且图5不将本公开限制于任何特定的电子装置。
尽管利用示例性实施例描述了本公开，但可以向本领域技术人员教导各种改变和修改。本公开旨在包含落入所附权利要求范围内的改变和修改。

Claims (24)

1.一种可拉伸导体结构，包括：
导线组，所述导线组中的每个导线包括保护表面，所述导线组被图案化为网状结构，以在所述导线组上提供导电性的同时适应操作；以及
可拉伸层压件，所述可拉伸层压件封装所述网状结构，使得所述网状结构嵌入所述可拉伸层压件中；所述可拉伸层压件被构造为在所述操作之后使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态。
2.根据权利要求1所述的导体结构，其中：
所述网状结构包括：
沿纬向延伸的所述导线组的第一部分，以及
沿经向延伸的所述导线组的第二部分；
其中，所述导线组的所述第一部分和所述第二部分彼此交叉以形成多个接触点；
所述多个接触点中的相邻接触点具有所述导线组的所述第一部分和所述第二部分的交替重叠；并且
所述多个接触点中的对角接触点具有所述导线组的所述第一部分和所述第二部分的相同重叠。
3.根据权利要求2所述的导体结构，其中：
所述操作为在相对于所述纬向和所述经向的角度上发生的拉伸；
与所述拉伸的方向对齐的对角接触点之间的第一距离随着所述操作增加；并且
垂直于所述拉伸的方向的对角接触点之间的第二距离随着所述操作减小。
4.根据权利要求3所述的导体结构，其中，在所述网状结构的所述初始状态下，所述第一距离和所述第二距离为相同的距离。
5.根据权利要求1所述的导体结构，还包括图案化在所述网状结构上的可拉伸导电涂层。
6.根据权利要求1所述的导体结构，其中，所述保护表面由提供腐蚀保护和氧化保护的材料构成。
7.根据权利要求1所述的导体结构，其中，所述保护表面为镍/金镀层。
8.根据权利要求1所述的导体结构，其中，所述可拉伸层压件为用于所述网状结构形式的所述导线组的电绝缘体。
9.根据权利要求1所述的导体结构，其中，所述网状结构包括使用弯曲的马蹄形图案图案化的多个导线。
10.根据权利要求1所述的导体结构，其中，所述网状结构使得每个导线股可抵靠相邻导线股滑动而不是塑性变形。
11.一种服装，包括：
织物；以及
设置在所述织物内或邻近所述织物的柔性导体电路，所述柔性导体电路包括：
一个或多个电路组件；以及
连接所述一个或多个电路组件的可拉伸导体结构，所述可拉伸导体结构包括：
导线组，所述导线组中的每个导线包括保护表面，所述导线组被图案化为网状结构，以在所述导线组上提供导电性的同时适应操作；以及
可拉伸层压件，所述可拉伸层压件封装所述网状结构，使得所述网状结构嵌入所述可拉伸层压件中；所述可拉伸层压件被构造为在所述操作之后使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态。
12.根据权利要求11所述的服装，其中：
所述网状结构包括：
沿纬向延伸的所述导线组的第一部分，以及
沿经向延伸的所述导线组的第二部分；
其中，所述导线组的所述第一部分和所述第二部分彼此交叉以形成多个接触点；
所述多个接触点中的相邻接触点具有所述导线组的所述第一部分和所述第二部分的交替重叠；并且
所述多个接触点中的对角接触点具有所述导线组的所述第一部分和所述第二部分的相同重叠。
13.根据权利要求12所述的服装，其中：
所述操作为在相对于所述纬向和所述经向的角度上发生的拉伸；
与所述拉伸的方向对齐的对角接触点之间的第一距离随着所述操作增加；并且
垂直于所述拉伸的方向的对角接触点之间的第二距离随着所述操作减小。
14.根据权利要求13所述的服装，其中，在所述网状结构的所述初始状态下，所述第一距离和所述第二距离为相同的距离。
15.根据权利要求11所述的服装，还包括图案化在所述网状结构上的可拉伸导电涂层。
16.根据权利要求11所述的服装，其中，所述保护表面由提供腐蚀保护和氧化保护的材料构成。
17.根据权利要求11所述的服装，其中，所述保护表面为镍/金镀层。
18.根据权利要求11所述的服装，其中，所述可拉伸层压件为用于所述网状结构形式的所述导线组的电绝缘体。
19.根据权利要求11所述的服装，其中，所述网状结构包括使用弯曲的马蹄形图案图案化的多个导线。
20.根据权利要求11所述的服装，其中，所述网状结构使得每个导线股可抵靠相邻导线股滑动而不是塑性变形。
21.一种用于制造柔性且可拉伸导体结构的方法，包括：
对导线组中的每个导线应用保护表面；
将所述导线组图案化成网状结构，所述网状结构在所述导线组上提供导电性的同时适应操作；以及
将所述网状结构以如下方式封装在可拉伸层压件中：所述可拉伸层压件在所述操作之后使所述导线组的所述网状结构返回到初始状态，使得所述网状结构嵌入所述可拉伸层压件中。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：在相对于纬向和经向相等的角度的方向上拉伸所述网状结构。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：在拉伸后，通过所述可拉伸层压件使所述网状结构返回到原始形状。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括：在所述网状结构上图案化可拉伸导电涂层。
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