一种针对导电纱线的寄生电容进行建模和测量的方法

 

近日，南方科技大学电子与电气工程系叶涛教授课题组在Nature Communications发表论文，标题为《Parasitic capacitance modeling and measurements of conductive yarns for e-textile devices》。文中提出了一种针对导电纱线的寄生电容进行建模和测量的方法，并对导电纱线的寄生元件进行了系统分析和量化。该研究对于评估高频应用中柔性可穿戴织物电子的性能具有重要意义。

柔性织物电子作为一种新兴领域，融合了纺织品和电子技术，具有巨大的潜力和优势。织物电子能够被无缝且美观地集成在柔软、可穿戴的织物材料中，实现了智能化、可潜入性和舒适性的结合，在医疗监测、健康管理和运动追踪等领域具有广泛的应用前景。导电纱线作为织物电子的重要组成部分，已被广泛应用于天线、电感器、互连线等智能服装应用中，成为传统金属导线的可行替代品。然而，导电纱线的微结构所引起的寄生电容尚未被充分理解。这种寄生电容在高频应用中极大地影响设备的性能。研究团队提出了一种基于导电纱线构建的空心螺旋电感器的整体和匝间模型，并对导电纱线的寄生元件进行了系统分析和量化。通过对比具有相同结构的基于铜和基于纱线的电感器的频率响应，量化并提取了寄生电容的数值。实验测量结果显示，商业导电纱线的单位长度寄生电容范围在1 fF/cm到3 fF/cm之间，具体取决于纱线的微结构。这些实验和测量结果提供了对导电纱线寄生元件的重要定量估计，并为基于织物的柔性可穿戴设备的设计和表征提供了有价值的指导。

导电纱线可根据其构成纤维的特性分为三种类型：纯电导金属纤维（如不锈钢）、固有导电聚合物纤维和导电聚合物复合纤维。通过选择不同材料，可以设计具有不同机械和电学特性的导电纱线，以适应多种应用。然而，导电纱线因其特殊的微结构并不是传统金属材料的简单替代品，导电纱线的固有电学和机械性能带来了许多设计和制造上的挑战。例如，导电纱线通常比金属导线具有更高的电阻；较差的导电性导致能量损耗增加和品质因子降低。此外，基于纱线的结构无法保持更高分辨率的精细几何形状，因此目前的织物电子设备必须采用较为粗糙的几何形状和更简单的构造方法。

除了固有的电阻外，导电纱线还具有固有的寄生电容，这会影响柔性织物电子器件的高频特性。该寄生电容是由于导电纱线构造中纤维的扭结结构引起的。图1a展示了一根典型导电纱线在扫描电子显微镜（SEM）下的微观结构。从图像中可以看出，当纤维被扭结成纱线时，不可避免地会在纤维之间形成间隙。纤维和间隙构成一个电荷板结构，从而产生了寄生电容。据研究人员所知，尽管寄生电容可能对织物电子器件的高频电磁特性产生重要影响，但以往的研究尚未尝试创建电路模型并具体估算导电纱线的寄生电容。然而，仅仅使用万用表或网络分析仪来准确量化寄生电容的数值也是困难的。

图1 a 一个导电纱线的微观结构，在捻合丝之间形成间隙。b 通过比较两个具有相同几何参数的螺旋电感器的反应性能来估计导电纱线的寄生电容。c 导电纱的横截面：寄生电容均匀分布在导电纱上。d由相邻丝之间的间隙形成的寄生电容的等效电路模型。

在研究中，研究团队提出了一个整体模型和一个匝间模型来估算导电纱线的寄生电容，并提出了一种系统的方法来提取和估算这两种形式的寄生电容。该方法需要构建两个与图1b所示几何参数相同的螺旋空心电感器，即相同直径、相同匝间距和相同匝数。其中一个螺旋电感器使用导电纱线绕制，而另一个螺旋电感器使用相同规格的铜线绕制。通过比较这两个螺旋电感器的谐振频率，可以测量纱线的整体寄生电容。此外，通过比较这两个螺旋电感器在不同匝数下的阻抗曲线，对等效电路（图2）的阻抗曲线进行拟合，可以提取导电纱线的匝间寄生电容。整体寄生电容和匝间寄生电容相互关联，并进一步验证了论文中寄生电容模型和提取方法的准确性。

图2 a 单层空心螺旋电感器结构；b 空心螺旋电感器的总等效电路；c 空心螺旋电感器的匝间等效电路模型。

这篇论文还被Nature Communications编辑推荐，并入选了编辑亮点栏目（Editors’ Highlights）。据悉，该栏目旨在展示最近在某个领域发表的最佳50篇论文。

南方科技大学电子系访问学生曲子奇、朱哲辰，南科大-港理工联合培养博士生刘宇龙为论文的共同第一作者，南科大-新国立联合培养博士生余梦霞为论文的共同作者，南科大电子与电气工程系叶涛教授为文章通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。

审核编辑：刘清