新方法讓智能電子織物器件性能更優異

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近日，南方科技大學電子與電氣工程系葉濤課題組的最新研究成果發表于《自然—通訊》。研究團隊提出了一種針對導電紗線的寄生電容進行建模和測量的方法，并對導電紗線的寄生元件進行了系統分析和量化，對評估高頻應用中柔性可穿戴織物電子的性能具有重要意義。該論文被選為《自然—通訊》編輯亮點欄目的文章之一。

研究示意圖 南科大供圖

柔性織物電子作為一種新興領域，融合了紡織品和電子技術，具有巨大的潛力和優勢。織物電子能夠被無縫且美觀地集成在柔軟、可穿戴的織物材料中，實現了智能化、可潛入性和舒適性的結合，在醫療監測、健康管理和運動追蹤等領域具有廣泛的應用前景。

導電紗線作為織物電子的重要組成部分，已被廣泛應用于天線、電感器、互連線等智能服裝應用中，成為傳統金屬導線的可行替代品。然而，導電紗線的微結構所引起的寄生電容在高頻應用中會極大地影響設備的性能。

對此，研究團隊提出了一種基于導電紗線構建的空心螺旋電感器的整體和匝間模型，并對導電紗線的寄生元件進行了系統分析和量化。通過對比具有相同結構的基于銅和基于紗線的電感器的頻率響應，量化并提取了寄生電容的數值。

實驗測量結果顯示，商業導電紗線的單位長度寄生電容范圍在每厘米1法拉至3法拉之間，具體取決于紗線的微結構。這些實驗和測量結果對導電紗線寄生元件提供了重要的定量評估標準，并為基于織物的柔性可穿戴設備的設計和表征提供了有價值的指導。

導電紗線可根據其構成纖維的特性分為三種類型：純電導金屬纖維（如不銹鋼）、固有導電聚合物纖維和導電聚合物復合纖維。通過選擇不同材料，可以設計具有不同機械和電學特性的導電紗線，以適應多種應用。然而，導電紗線因其特殊的微結構，給導電紗線固有電學和機械性能的設計和制造帶來了許多挑戰。

例如，導電紗線通常比金屬導線具有更高的電阻，而較差的導電性會導致能量損耗的增加和品質因子的降低。除了固有的電阻外，導電紗線還具有固有的寄生電容，這會影響柔性織物電子器件的高頻特性。

研究團隊介紹，盡管寄生電容可能對織物電子器件的高頻電磁特性產生重要影響，僅僅使用萬用表或網絡分析儀難以準確量化寄生電容數值。以往的研究中，尚未嘗試創建電路模型并具體估算導電紗線的寄生電容。

對此，研究團隊提出了一個整體模型和一個匝間模型來估算導電紗線的寄生電容，并提出了一種系統的方法來提取和估算這兩種形式的寄生電容。研究團隊通過構建兩個幾何參數相同的螺旋空心電感器，即相同直徑、相同匝間距和相同匝數。

其中一個螺旋電感器使用導電紗線繞制，而另一個螺旋電感器使用相同規格的銅線繞制。通過比較這兩個螺旋電感器的諧振頻率，可以測量紗線的整體寄生電容。

此外，通過比較這兩個螺旋電感器在不同匝數下的阻抗曲線，對等效電路的阻抗曲線進行擬合，可提取導電紗線的匝間寄生電容。整體寄生電容和匝間寄生電容相互關聯，進一步驗證了該研究中寄生電容模型和提取方法的準確性。