CN111509375A - 基于纺织材料近场通信无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纺织材料近场通信无线通信系统，包括NFC天线，所述NFC天线包括导电丝即导电纤维和导电纱线，所述导电丝以针迹几何形状和张力集成到织物中；本发明的优点在于：可以集成到服装、可穿戴装置和家用纺织品和工业用纺织品，可直接用于连接网络，智能电话进行无线通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种近场通信系统，具体地说是一种基于纺织材料近场通信（NFC）无线通信系统及其制备方法，属于NFC设备领域。
背景技术
传统的柔性电子器件的研究主要集中在印刷电子器件方向。印刷电子技术是将电路传印、喷印或软刻蚀到导电或非导电柔性基板上。但该类器件多以薄膜为基底，不具备织物特有的透气与透湿特性。此外，由于纺织品具有多孔结构，该类电子器件不易于纺织品结合。
而纺织NFC技术主要是通过针织机、机织机或刺绣机将导电纤维直接织成具有各种功能的电子器件或连接线，保留了纤维本身具有的弯曲、拉伸、透气、透湿等特性。但是与传统的电子器件设计方法不同，设计必须要考虑纺织材料的特性和衣物穿着的特殊性，即：1）编织几何图形的分辨率低，器件的几何形状不能采用细微的结构；2）编织线的电阻率比金属高很多，为了减少器件的损耗， 必须优化其几何形状；3）器件在衣物服装上不可避免的会产生形变，因此要求器件的电磁学特性对形状变化不敏感；4）此外，纺织线的寄生电容与寄生电感的效应不容忽视。传统的电路设计所采用的电感估算方法以及等效电路模型对于电路设计不再准确。这些都是纺织类NFC所特有的技术挑战。
但在制作过程中，由于导电纤维承受了较大的拉力，破坏了纤维表面的导电涂层，从而影响了天线的电学特性。当前，人们对基于纺织工艺的电子器件设计仅仅停留在单个器件的试验和尝试阶段，还没有对此纺织NFC进行研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种基于纺织材料近场通信无线通信系统，可以集成到服装、可穿戴装置和家用纺织品和工业用纺织品，可直接用于连接网络，智能电话进行无线通信。
本发明的技术方案为：
基于纺织材料近场通信无线通信系统，包括NFC天线，所述NFC天线包括导电丝即导电纤维和导电纱线，例如金属长丝纱线、金属长丝复合纱线和金属涂层的聚合物长丝纱线等，所述导电丝以针迹几何形状和张力集成到织物中，并确保具有良好的拉伸弹性、舒适性能和电气性能，通过蛇形zig-zag针迹实现线圈与织物的同步形变。
所述织物包括机织、非织造或针织结构织物在内的介电织物，作为NFC天线的基底，选用织物具有柔韧性、可拉伸性、可透气性、可透汽性和可洗性，从而满足舒适、机械性能和耐磨性要求。
所述织物还有一个低损耗角正切值，确保电性能。
本发明基于纺织材料近场通信无线通信系统产品可以应用在纺织品、服装或配件上，这些衣服可以不显眼地穿着，并且可以与云、网络和电子平台例如智能手机，平板电脑，智能手表等进行无线接触。可以在家用控制、车辆坐垫、导航、个人识别、娱乐等中广泛应用在纺织品系统中的各种织物上进行绣花。
所述NFC天线可以灵活地绣在纺织品中，例如服装，配饰，家用或汽车纺织品，可以通过无线通讯连接将数据传输到电子平台。
所述NFC天线可以具有不同的形状，包括矩形环，圆形环和多边形环。
所述NFC天线设置在衬底的介电织物上，用导电纱线绣制的天线线圈直接连接芯片，以确保最大的辐射效率，并确保谐振频率为13.56MHz。
所述介电织物可以根据计算模型来设计，采用导电纱线绣制的天线线圈和芯片直接实现匹配，确保最大的辐射效率，无需增加其它电子器件，减小了能量损耗。
所述电子平台包括智能手机、阅读器设备、智能手表、智能腕带和计算机，POS等。
所述NFC天线为NFC天线环结构，通过具有正常缝纫线对于高破坏强度的纱线或特定的由表面和断裂特性满足要求决定的纱线横向针对于花式未加捻的纱线的导电纱线绣在织物上，。
所述导电丝可以通过普通针刺来绣制，例如：内打例如101级锁链、内打例如401级双锁链锁和交织例如301类之字形。高摩擦力、易断裂和不加捻的纱线无法承受高张力。它们的长丝在高应力和外力速度下很容易断裂，因此必须用其它常用的缝纫纱线的帮助下固定织物上以保持其稳定，蛇形zig-zag针迹设计，即导电线被弹性底线和面线固定，拉伸时实现与织物同步形变。
所述织物可以由天然纤维例如棉织物、丝绸织物、亚麻织物、羊毛织物和皮革织物或人造纤维例如醋酸酯织物、雪纺织物、丙烯酸织物、欧根纱织物、尼龙织物制成。面料即织物可以是涤纶织物等。
通过调整绣花机的速度，以及调节线迹的张力和形状，来确保其高电性能和机械性能。
所述NFC天线环是金属丝纱线、金属丝复合纱线或金属涂覆的聚合物丝纱线。
所述NFC天线与电子平台即电子设备的距离为大约0-20cm。
本发明的有益效果为：通过刺绣从纺织品制造可穿戴NFC天线，并且可以通过与纺织品的物理接触来获得并传输数据。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例的具有不同形状的NFC标签图（图1a-矩形、图1b-圆形、图1c-多边形）；
图2为本发明实施例NFC标签绣在织物、纺织品或衣服上的结构图；
图3为本发明实施例NFC的针迹几何图（图3a- W头绣花缝线，图3b 曲折缝线，图3c 301级平缝线，图中：zig-zag-蛇形缝线, Class 107 chainstitch- 107级锁链缝线，Needlethread- 针线, bobbin thread- 底线, Class301 lockstitch- 301级平缝线）；
图4为本发明实施例NFC标签等效电路图（图中：Ls-ant，Cs-ant和Rs-ant分别表示其电感、寄生电容和电阻）；
图5为本发明实施例NFC匹配电路图（图中：Rs，Cs和Cp分别表示匹配电路的串联/并联电阻、串联/并联电容和并联电容）；
图6为本发明实施例与NFC芯片匹配的NFC天线图（图中：diode chip - NFC 芯片，Matching circuit-匹配电路， NFC antanna-NFC天线）。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于纺织材料近场通信无线通信系统，包括NFC天线，所述NFC天线可以具有不同的形状，如图1所示，具有不同形状的NFC天线，例如图1a矩形，图1b圆形和图1c多边形设备。NFC线圈的形状取决于特定佩戴或显示区域中的位置、大小和强度。例如，多边形的具有高的可拉伸性，其在高变形情况下可以很好地表现。
用电子绣花机在织物上用导电纱绣NFC天线，形成线圈1、芯片和匹配电路2。
如图2所示，所述NFC天线通过自动机器将导电纱绣或缝制到织物、纺织品或衣服上。所述NFC天线包含由导电纱线制成的线圈1、芯片和匹配电路2。与芯片和匹配的电路通过附加的导电纱线3进行焊接。用作NFC天线基材即衬底的织物4由天然纤维（例如机织棉织物、丝绸织物、亚麻织物、羊毛织物和皮革织物），人造纤维（例如醋酸纤维织物、雪纺织物、丙烯酸织物、欧根纱织物、lastex织物、尼龙织物、聚酯织物等），非织造或针织结构制成。
导电纱线（导电丝）包括金属丝纱线、金属丝复合纱线或金属涂覆的聚合物丝纱线，根据NFC线圈的导电性和电感的要求。细而光滑的导电纱线可以用普通绣花机绣制。之字形和301类平缝的针迹几何形状示例如图3所示，3b和3c。高摩擦力和易折断的纱线（例如不锈钢纱线）可以置于纺织品上，并通过将其放置在针头附近而平稳地移动。几何形状如图3所示，3a-W头绣花针迹。3b-曲折针迹。3c-301级平缝。
NFC天线实质上是具有特定匝数的导电线圈。因此，其等效电路可以用一个电感、一个寄生电容和一个电阻来表示。下面的图4图示了串联和并联连接的NFC标签等效电路。Ls/p-ant，Cs/p-ant和Rs/p-ant分别表示其电感、寄生电容和电阻。应当注意，寄生电容Cs-ant的量级仅为10pF。因此，NFC标签的电气特性受其电感和电阻的影响。
为了最大化天线效率，通常采用匹配电路以确保NFC标签的等效阻抗加上匹配电路与NFC阅读器的共轭匹配。如图5示出了用于NFC标签的典型的串联匹配电路和并联匹配电路。Rs/p，Cs/p和Cp分别表示匹配电路的串联/并联电阻、串联/并联电容和并联电容。
寄生电容是沿着纱线的线形成的，可以将其对NFC天线的影响建模为电容器，该电容器与串联的电感器和电阻器并联连接，如图5所示。通常，在NFC芯片和线圈天线之间插入匹配电路以调整其工作频率在13.56MHz，如果天线和NFC芯片的阻抗是共轭匹配的，则不需要匹配电路，并且可以实现芯片和天线之间的最大能量传输。
对于图6中的NFC线圈天线，L_（s-ant）是本征电感，可以根据Wheeler的公式得出，如下所示：
ρ_1是绣花线圈的修正电感系数。分别表示其寄生电容和本征电阻。天线的阻抗记为（2）。
其中ω是角频率，其值在10MHz左右，在NFC应用中，R_（s-ant），L_（s-ant）和C_（s-ant）的数量级分别为1Ω，1µH和1pF。。利用公式中的变量的大小|jωR_（s-ant）C_（s-ant）|≪1|，可以将（2）的反应物部分简化为（3）。
为了实现芯片与天线之间的共轭匹配，我们可以将阻抗Z_ant的电抗部分简化为一个电感，即等效电感〖L〗_（s-eqv），该等效电感已经集成了寄生电容。电容值。L_（s-eqv）可以表示为（4），与芯片的共轭匹配连接如图5所示。
寄生电容C_（s-ant）与沿着缝线的间隙形成有关。在数量上，C_（s-ant）与沿着线l_g的气隙的总长度和线的厚度成正比，与微小的间隙g成反比。寄生电容可以表示为（5）。
ε_yarn可以看作是空气和纺织品基质的绝对介电常数。g和t是受纱线性能影响的值。然而，由于加捻纤维中细微的间隙分布，g和t的精确值无法量化。
沿缝线l_g的气隙长度是一个几何因子，与导体的长度密切相关，并且可以根据线圈的几何形状进行计算，如分别针对圆形和方形线圈的（6）和（7）所示。其中n是线圈的匝数。a＝0.5（r_i+r_o），b＝r_o-r_i，r_o和r_i分别是线圈的外半径和内半径。r_i=r_o-n（s+w）-w。
L_（s-eqv）的倒数可以由（8）表示。
将（6）或（7）代入（5），再将（5）和（1）代入（8），等效线圈电感可以用（9）表示。
由于变量ε_yarn，g和t都是与结构相关的变量，因此很难用确定的值进行量化。为了简化起见，将这些变量组合为一个系数ρ_2。
工作谐振频率由（12）确定，如果忽略线圈寄生电容C_（s-ant），则其精度会受到影响。表3中列出了NFC芯片的阻抗及其共轭匹配的天线阻抗，即等效电感。当共轭匹配时，NFC天线和芯片可以在所需的13.56MHz下工作，而无需任何调谐电路。
本发明产品是基于纺织品的NFC的应用。它可以绣在纺织品系统上，包括衣服，配件（例如帽子和包）以及家用纺织品，汽车坐垫等。绣花天线将降低制造过程中NFC的价格，从而推动NFC在物联网中的应用系统。通过将NFC直接作为必需品而不是附件集成到纺织品中，可以将其用于监视，保健，家庭控制，娱乐等对日常生活产生巨大影响的目的。
Claims (10)
1.基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：包括NFC天线，所述NFC天线包括导电丝即导电纤维和导电纱线，所述导电丝以针迹几何形状和张力集成到织物中。
2.根据权利要求1所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述织物包括机织、非织造或针织结构织物在内的介电织物，作为NFC天线的基底。
3.根据权利要求2所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述NFC天线绣在纺织品中，通过无线通讯连接将数据传输到电子平台。
4.根据权利要求3所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述NFC天线具有不同的形状，包括矩形环、圆形环或多边形环。
5.根据权利要求4所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述NFC天线设置在衬底的介电织物上，用导电纱线绣制的天线线圈直接连接芯片。
6.根据权利要求5所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述介电织物采用导电纱线绣制的天线线圈和芯片直接实现匹配。
7.根据权利要求6所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述电子平台包括智能手机、阅读器设备、智能手表、智能腕带、计算机、POS。
8.根据权利要求7所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述NFC天线为NFC天线环结构，通过具有正常缝纫线对于高破坏强度的纱线或特定的由表面和断裂特性满足要求决定的纱线横向针对于花式未加捻的纱线的导电纱线绣在织物上。
9.根据权利要求7所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述织物为由天然纤维或人造纤维制成。
10.根据权利要求7所述的基于纺织材料近场通信无线通信系统，其特征在于：所述NFC天线环是金属丝纱线、金属丝复合纱线或金属涂覆的聚合物丝纱线。
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Yi Inventor after: Xu Lulu Inventor before: Li Yi Inventor before: Xu Lulu |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200807 |