一種針對導(dǎo)電紗線的寄生電容進行建模和測量的方法

近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系葉濤教授課題組在Nature Communications發(fā)表論文，標(biāo)題為《Parasitic capacitance modeling and measurements of conductive yarns for e-textile devices》。文中提出了一種針對導(dǎo)電紗線的寄生電容進行建模和測量的方法，并對導(dǎo)電紗線的寄生元件進行了系統(tǒng)分析和量化。該研究對于評估高頻應(yīng)用中柔性可穿戴織物電子的性能具有重要意義。

柔性織物電子作為一種新興領(lǐng)域，融合了紡織品和電子技術(shù)，具有巨大的潛力和優(yōu)勢?？椢镫娮幽軌虮粺o縫且美觀地集成在柔軟、可穿戴的織物材料中，實現(xiàn)了智能化、可潛入性和舒適性的結(jié)合，在醫(yī)療監(jiān)測、健康管理和運動追蹤等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。導(dǎo)電紗線作為織物電子的重要組成部分，已被廣泛應(yīng)用于天線、電感器、互連線等智能服裝應(yīng)用中，成為傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線的可行替代品。然而，導(dǎo)電紗線的微結(jié)構(gòu)所引起的寄生電容尚未被充分理解。這種寄生電容在高頻應(yīng)用中極大地影響設(shè)備的性能。研究團隊提出了一種基于導(dǎo)電紗線構(gòu)建的空心螺旋電感器的整體和匝間模型，并對導(dǎo)電紗線的寄生元件進行了系統(tǒng)分析和量化。通過對比具有相同結(jié)構(gòu)的基于銅和基于紗線的電感器的頻率響應(yīng)，量化并提取了寄生電容的數(shù)值。實驗測量結(jié)果顯示，商業(yè)導(dǎo)電紗線的單位長度寄生電容范圍在1 fF/cm到3 fF/cm之間，具體取決于紗線的微結(jié)構(gòu)。這些實驗和測量結(jié)果提供了對導(dǎo)電紗線寄生元件的重要定量估計，并為基于織物的柔性可穿戴設(shè)備的設(shè)計和表征提供了有價值的指導(dǎo)。

導(dǎo)電紗線可根據(jù)其構(gòu)成纖維的特性分為三種類型：純電導(dǎo)金屬纖維（如不銹鋼）、固有導(dǎo)電聚合物纖維和導(dǎo)電聚合物復(fù)合纖維。通過選擇不同材料，可以設(shè)計具有不同機械和電學(xué)特性的導(dǎo)電紗線，以適應(yīng)多種應(yīng)用。然而，導(dǎo)電紗線因其特殊的微結(jié)構(gòu)并不是傳統(tǒng)金屬材料的簡單替代品，導(dǎo)電紗線的固有電學(xué)和機械性能帶來了許多設(shè)計和制造上的挑戰(zhàn)。例如，導(dǎo)電紗線通常比金屬導(dǎo)線具有更高的電阻；較差的導(dǎo)電性導(dǎo)致能量損耗增加和品質(zhì)因子降低。此外，基于紗線的結(jié)構(gòu)無法保持更高分辨率的精細(xì)幾何形狀，因此目前的織物電子設(shè)備必須采用較為粗糙的幾何形狀和更簡單的構(gòu)造方法。

除了固有的電阻外，導(dǎo)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。該寄生電容是由于導(dǎo)電紗線構(gòu)造中纖維的扭結(jié)結(jié)構(gòu)引起的。圖1a展示了一根典型導(dǎo)電紗線在掃描電子顯微鏡（SEM）下的微觀結(jié)構(gòu)。從圖像中可以看出，當(dāng)纖維被扭結(jié)成紗線時，不可避免地會在纖維之間形成間隙。纖維和間隙構(gòu)成一個電荷板結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了寄生電容。據(jù)研究人員所知，盡管寄生電容可能對織物電子器件的高頻電磁特性產(chǎn)生重要影響，但以往的研究尚未嘗試創(chuàng)建電路模型并具體估算導(dǎo)電紗線的寄生電容。然而，僅僅使用萬用表或網(wǎng)絡(luò)分析儀來準(zhǔn)確量化寄生電容的數(shù)值也是困難的。

圖1 a 一個導(dǎo)電紗線的微觀結(jié)構(gòu)，在捻合絲之間形成間隙。b 通過比較兩個具有相同幾何參數(shù)的螺旋電感器的反應(yīng)性能來估計導(dǎo)電紗線的寄生電容。c 導(dǎo)電紗的橫截面：寄生電容均勻分布在導(dǎo)電紗上。d由相鄰絲之間的間隙形成的寄生電容的等效電路模型。

在研究中，研究團隊提出了一個整體模型和一個匝間模型來估算導(dǎo)電紗線的寄生電容，并提出了一種系統(tǒng)的方法來提取和估算這兩種形式的寄生電容。該方法需要構(gòu)建兩個與圖1b所示幾何參數(shù)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(shù)。其中一個螺旋電感器使用導(dǎo)電紗線繞制，而另一個螺旋電感器使用相同規(guī)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(shù)下的阻抗曲線，對等效電路（圖2）的阻抗曲線進行擬合，可以提取導(dǎo)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(guān)聯(lián)，并進一步驗證了論文中寄生電容模型和提取方法的準(zhǔn)確性。

圖2 a 單層空心螺旋電感器結(jié)構(gòu)；b 空心螺旋電感器的總等效電路；c 空心螺旋電感器的匝間等效電路模型。

這篇論文還被Nature Communications編輯推薦，并入選了編輯亮點欄目（Editors’ Highlights）。據(jù)悉，該欄目旨在展示最近在某個領(lǐng)域發(fā)表的最佳50篇論文。

南方科技大學(xué)電子系訪問學(xué)生曲子奇、朱哲辰，南科大-港理工聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉宇龍為論文的共同第一作者，南科大-新國立聯(lián)合培養(yǎng)博士生余夢霞為論文的共同作者，南科大電子與電氣工程系葉濤教授為文章通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

審核編輯：劉清