CN115189138A - 一种柔弹性近场通信天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔弹性近场通信天线，包括天线线圈，天线线圈由导线在同一平面上螺旋盘绕形成，且相邻两圈导线间隔设置，导线由若干首尾相连的圆弧线连接形成，相邻两圈导线上的圆弧线数量相同，且圆弧线的弧度均相同，本发明还公开了柔弹性近场通信天线的制备方法，与现有技术相比，本发明柔弹性近场通信天线采用回弹性优良的特定结构，其具有良好的抗形变能力，当对其进行任意的弯折、扭转、折叠、卷曲、挤压之后，依然能正常工作。

Description

一种柔弹性近场通信天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔弹性电子和通讯技术领域，具体而言，涉及一种柔弹性近场通信天线及其制备方法。

背景技术

近些年来，由于传统的平面电子器件难以适应复杂多变的环境，柔弹性电子器件受到了广泛研究学者的关注。柔弹性电子器件具有可拉伸、可弯曲、且可与任意曲面共形的优点，在智慧医疗、健康监测以及智能机器人等领域具有重要的应用前景。目前，柔弹性电子器件主要是以有源、有线信息传输为主，这极大地限制其应用。

近场通信(NFC)是无线通信重要的一类，主要是基于13.56MHz的谐振频率工作，结合了非接触式射频识别(RFID)技术以及无线互连技术，实现设备了有线到无线、有源到无源的转变。其中最为核心的部件当属用来发射和接收电磁波的天线。天线通过磁场耦合原理获取能量，既能实现能量供应，也能实现数据传输。柔性NFC天线的研究中主要采用铜金属、纺织导电纱、碳系纳米材料、导电油墨等导电材料，结构方面主要包含2D蛇形结构和传统线圈绕制而成。这些天线的拉伸范围主要在15％-100％之间，在拉伸过程中存在着导电性变差或结构断裂等问题。

因此，开发更大拉伸范围且具有抗形变功能的柔弹性近场通信天线具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔弹性近场通信天线，其具有良好的抗形变能力，当对其进行任意的弯折、扭转、折叠、卷曲、挤压之后，依然能正常工作。

本发明提供一种柔弹性近场通信天线，包括天线线圈，所述天线线圈由导线在同一平面上螺旋盘绕形成，且相邻两圈导线间隔设置，所述导线由若干首尾相连的圆弧线连接形成，相邻两圈导线上的圆弧线相对应使得所述天线线圈呈类蜘蛛网形。

本发明采用类蜘蛛网形，在现实生活中，当蜘蛛网遭受外界冲击力时，可吸收一部分冲击载荷，并保持网面的稳定蜘蛛网具有调谐振动阻尼和冲击保护的作用，能吸收部分外部冲击载荷，保持结构稳定。

作为优选，所述天线线圈的每一圈导线包括至少6个圆弧线，所述圆弧线的圆心朝向所述天线线圈的外侧，且所述圆弧线的弧度为15-60°。

作为优选，所述导线为导电材料与高分子材料通过表面沉积制得，且所述表面沉积的方法选自模板法、微流道法、3D打印法中的一种。

作为优选，所述导电材料包括液态金属，且所述液态金属选自镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的至少一种。

作为优选，所述导电材料还包括辅助导电材料，且所述辅助导电材料选自铁基、钴基、镍基、铜基、银基一元或多元金属、非晶软磁合金、碳纳米管、石墨、石墨烯中的至少一种。

作为优选，所述高分子材料选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、脂肪族芳香族无规共聚酯、AB硅胶、硅酮耐候胶中的至少一种。

作为优选，所述的柔弹性近场通信天线还包括：

基底，所述天线线圈固定设置在所述基底上；

第一电极，所述第一电极的一端与所述天线线圈的一端电连接；

第二电极，所述第二电极的一端与所述天线线圈的另一端电连接；

电器元件，所述电器元件固定设置在所述基底上，所述第一电极的另一端与所述第二电极的另一端通过所述电器元件电连接。

作为优选，所述基底的材料选自布基材料、纸基、PI膜、塑料膜、PET膜、PVA、PDMS、硅胶、Ecoflex、皮肤、SBS弹性体、POE弹性体、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、PVC、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的至少一种。

作为优选，所述第一电极和第二电极的材料选自金、铂、银、铜、氧化后的镓基液态金属中的其中一种，所述电器元件选自电容和/或电阻。

本发明的另一个目的在于提供一种柔弹性近场通信天线的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：

S1、设定天线线圈的形状排布，并根据设定的形状排布制得天线线圈；

S2、将步骤S1中制得的天线线圈固定在基底上，测量天线线圈的电感并进行电路匹配，根据电路匹配结果选择相匹配的电器元件；

S3、将第一电极的一端与天线线圈的一端电连接，第二电极的一端与天线线圈的另一端电连接，第一电极的另一端与第二电极的另一端通过步骤S2中选择的相匹配的电器元件电连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一、本发明柔弹性近场通信天线的天线线圈采用回弹性优良的特定结构，其具有良好的抗形变能力，当对其进行任意的弯折、扭转、折叠、卷曲、挤压之后，依然能正常工作；

其二、本发明制得的柔弹性近场通信天线具有较好的柔性和可拉伸性，可以与曲面共形，良好地贴合在人体皮肤表面，可以承受超过700％的拉伸形变；

其三、本发明制得的柔弹性近场通信天线具有较好鲁棒性，可以任意的弯折、扭转、折叠、卷曲、挤压后依然能够稳定的工作。

附图说明

图1为本发明实施例制得的柔弹性近场通信天线的结构示意图；

图2是本发明实施例制得的柔弹性近场通信天线的拉伸程度与电感关系图；

图3是本发明实施例制得的柔弹性近场通信天线的不同拉伸程度与频率、损耗的关系图；

图4是本发明实施例制得的柔弹性近场通信天线在拉伸程度100％的情况下，频率与循环次数的关系图。

附图标记说明：

1-天线线圈；2-基底；3-第一电极；4-第二电极；5-电器元件；6-绝缘层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例

如图1所示，一种柔弹性近场通信天线，包括天线线圈1、基底2、第一电极3、第二电极4和电器元件5，天线线圈1由导线在同一平面上螺旋盘绕形成，且相邻两圈导线间隔设置，导线由若干首尾相连的圆弧线连接形成，圆弧线的圆心朝向天线线圈1的外侧，相邻两圈导线上的圆弧线数量相同均为8个，且圆弧线的弧度均相同，均为45°，天线线圈1固定设置在基底2上，第一电极3的一端与天线线圈1的一端电连接，第二电极3的一端与天线线圈1的另一端电连接，电器元件5固定设置在基底2上，第一电极3的另一端与第二电极3的另一端通过电器元件5电连接。

本实施例中的柔弹性近场通信天线的制备方法为：

提前用切片软件设置好所需的电路模型，本实施例中，天线线圈1为导电材料与高分子材料通过3D打印法制得，导电材料的组成包括液态金属和辅助导电材料，且液态金属为镓铟锡合金，辅助导电材料选自为非晶软磁合金，高分子材料为聚二甲基硅氧烷，设置打印参数包括挤出针头粗细大小为14G～32G，根据打印浆料的粘稠度设置打印速度为5mm/s-60mm/s，挤出量大小通常设置为100％，挤出气压为100Kpa～400Kpa，将打印浆料放入料筒中，点击开始打印，浆料按照设定的天线结构模型路径均匀挤出得到天线线圈1，接下来，将天线线圈1固定在基底2上，基底2的材料为聚乙烯辛烯共弹性体，然后测量天线线圈1的电感并进行电路匹配，根据电路匹配结果选择电器元件5，本实施例中，电器元件5选择电容器，将第一电极3的一端和第二电极4的一端分别从天线线圈1的两端引出，本实施例中，第一电极3和第二电极4的材料为氧化后的镓基液态金属，将第一电极3的另一端和第二电极4的另一端通过电容器电连接。

在上述实施例中，在天线线圈1的线身上还固定设置有绝缘层6，用于防止第一电极3、第二电极4与天线线圈1的线身相接触时引发的短路问题。

将本实施例制得的柔弹性近场通信天线放置在拉伸机上进行拉伸测试(0-700％)，利用折叠工具(0-180°)、弯曲工具(1-5mm)、卷曲工具(0-1.25圈)、扭转工具(0-270°)进行多重动作测试，均可以是实现在13.56MHz频率附近稳定的工作，检测结果见图2、图3和图4。

在其他实施例中，天线线圈1为导电材料与高分子材料通过表面沉积制得，且表面沉积的方法可为模板法或微流道法。

在其他实施例中，导电材料的组成为液态金属，且液态金属选自镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的至少一种。

在其他实施例中，导电材料的组成为液态金属和辅助导电材料，且辅助导电材料选自铁基、钴基、镍基、铜基、银基一元或多元金属、碳纳米管、石墨、石墨烯中的至少一种。

在其他实施例中，高分子材料选自聚氨酯、脂肪族芳香族无规共聚酯、AB硅胶、硅酮耐候胶中的至少一种。

在其他实施例中，基底2的材料可选自布基材料、纸基、PI膜、塑料膜、PET膜、PVA、PDMS、硅胶、Ecoflex、皮肤、SBS弹性体、POE弹性体、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、PVC、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、热塑性弹性体中的至少一种。

在其他实施例中，第一电极3和第二电极4的材料可选自金、铂、银、铜中的其中一种。

在其他实施例中，电器元件5可选择电阻。

以上实施例中原材料易得，制备成本较低，绿色环保，利用率高，采用3D直写打印技术大大提高了柔弹性近场通信天线的分辨率，通过无损的获得液态金属柔弹性近场通信天线线圈能保证良好的可拉伸性和高导电率。利用特定的结构的特点，创新的将其应用于柔弹性近场通信天线，使得天线具有超弹性、抗变形、多方向拉伸特点，在信息交换、可穿戴、可植入等动物、植物以及人体数据监测方面有着巨大的应用潜力。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔弹性近场通信天线，其特征在于：包括天线线圈(1)，所述天线线圈(1)由导线在同一平面上螺旋盘绕形成，且相邻两圈导线间隔设置，所述导线由若干首尾相连的圆弧线连接形成，相邻两圈导线上的圆弧线相对应使得所述天线线圈(1)呈类蜘蛛网形。

2.如权利要求1所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于，所述天线线圈(1)的每一圈导线包括至少6个圆弧线，所述圆弧线的圆心朝向所述天线线圈(1)的外侧，且所述圆弧线的弧度为15-60°。

3.如权利要求1所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于：所述导线为导电材料与高分子材料通过表面沉积制得，且所述表面沉积的方法选自模板法、微流道法、3D打印法中的一种。

4.如权利要求3所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于：所述导电材料包括液态金属，且所述液态金属选自镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的至少一种。

5.如权利要求4所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于：所述导电材料还包括辅助导电材料，且所述辅助导电材料选自铁基、钴基、镍基、铜基、银基一元或多元金属、非晶软磁合金、碳纳米管、石墨、石墨烯中的至少一种。

6.如权利要求3所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于：所述高分子材料选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、脂肪族芳香族无规共聚酯、AB硅胶、硅酮耐候胶中的至少一种。

7.如权利要求1所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于，还包括：

基底(2)，所述天线线圈(1)固定设置在所述基底(2)上；

第一电极(3)，所述第一电极(3)的一端与所述天线线圈(1)的一端电连接；

第二电极(4)，所述第二电极(4)的一端与所述天线线圈(1)的另一端电连接；

电器元件(5)，所述电器元件(5)固定设置在所述基底(2)上，所述第一电极(3)的另一端与所述第二电极(4)的另一端通过所述电器元件(5)电连接。

8.如权利要求7所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于：所述基底(2)的材料选自布基材料、纸基、PI膜、塑料膜、PET膜、PVA、PDMS、硅胶、Ecoflex、皮肤、SBS弹性体、POE弹性体、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、PVC、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的至少一种。

9.如权利要求7所述的柔弹性近场通信天线，其特征在于：所述第一电极(3)和第二电极(4)的材料选自金、铂、银、铜、氧化后的镓基液态金属中的其中一种，所述电器元件(6)选自电容和/或电阻。

10.一种如权利要求7所述的柔弹性近场通信天线的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：

S1、设定天线线圈(1)的形状排布，并根据设定的形状排布制得天线线圈(1)；

S2、将步骤S1中制得的天线线圈(1)固定在基底(2)上，测量天线线圈(1)的电感并进行电路匹配，根据电路匹配结果选择相匹配的电器元件(6)；

S3、将第一电极(3)的一端与天线线圈(1)的一端电连接，第二电极(4)的一端与天线线圈(1)的另一端电连接，第一电极(3)的另一端与第二电极(4)的另一端通过步骤S2中选择的相匹配的电器元件(6)电连接。

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