公告/发布日期:2015/02/25

mile米乐中国官方网站 开发出高度可拉伸的导电线,可显着提高可穿戴设备的耐用性

-应用于具有伸缩性且贴合身体的压力传感器片材-

积分

  • 使用导电纤维开发高弹性、高耐久性的导电布线
  • 即使在反复拉伸和弯曲后仍保持稳定的电性能
  • 期望实现舒适可靠的可穿戴设备和医疗/保健设备

摘要

独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二](以下简称“AIST”)柔性电子研究中心[研究中心主任Toshihide Kamata]印刷电子器件团队Manabu Yoshida,研究组组长,Kiyoshi Uemura,高级研究员,Daiki Nobeshima,AIST特别研究员,以实现高度可拉伸的器件导电纤维制成的高度可拉伸的弹簧状导电线。

也导电短纤维方向8680_8906可穿戴设备等医疗保健设备的实现做出贡献以及心率和血流传感器。

 该技术的详细信息将于2015年3月4日至5日在德国慕尼黑举行第七届国际印刷电子工业展览会及会议(LOPEC 2015)并将于2015年3月11日至14日在东海大学湘南校区(神奈川县平冢市)举行的第62届日本应用物理学会春季会议上发表。

使用新开发的高拉伸性和高耐用性导电线的扩展电极的照片
使用新开发的高伸缩性和高耐用性导电线的电极被拉伸时会发生什么

发展的社会背景

 近年来,可附着在人体上的可穿戴设备引起了人们的关注,并有望特别应用于医疗和保健领域。例如,正在考虑将其用于长期心率监测和感知身体运动以管理日常身体状况。可穿戴设备用于贴合人体表面等曲面,因此需要具有高弹性和耐用性,以抵抗反复膨胀、收缩和弯曲。人们已经开发出各种可拉伸线材来实现高拉伸性的可穿戴设备,但拉伸时电阻值会发生显着变化(扩张率为200%时,电阻值变化100倍以上),用于传感器等信号布线时,只能延长至20~30%左右。此外,传统传感器片用作信号布线的扁平电缆是抗弯性能很低,弯曲半径如果设置为10毫米,则只能承受约10,000次弯曲(弯曲时线材断裂)。

因此,为了实现舒适且可靠的可穿戴设备,必须开发高伸缩性和高耐用性的导电布线和使用它的传感器片。

研究历史

 产业技术研究院正在进行大面积柔性电子器件、高度任意形状电子器件的研究开发。我们的目标是开发以印刷制造工艺为核心的技术,目前我们已经完成了所有的印刷工艺。内存阵列RF 标签蒸腾传感器大面积压力传感器特别是,我们最近一直致力于开发适合人体等曲面的柔性大面积设备。

研究内容

 本公司在高伸缩性树脂片材上将导电性纤维形成弹簧状,开发出高伸缩性导电布线。该导电布线表现出稳定的电特性,即使拉伸3倍以上(相当于伸长率200%以上)或弯曲20万次以上(弯曲半径01mm以下),电阻变化也约为12倍。图 1 (A) 显示了用作 LED 配线时的产品照片。如果在拉伸过程中布线电阻发生显着变化,LED亮度也会发生显着变化,但当使用新开发的弹簧状导电布线时,即使拉伸超过200%,LED亮度也几乎没有变化,这表明拉伸过程中电阻值的变化极小。另外,通常,当伸缩性导电配线伸缩时,电阻弛豫现象发生这种情况并且电阻值需要一段时间才能稳定。另一方面,新开发的导电布线具有稳定的特性,膨胀和收缩时电阻变化小,稳定时间短,可用作传感器和其他设备的信号布线。 (图1(B))。

(A)
使用高伸缩性弹簧状导电配线作为LED配线时的LED亮度照片(伸缩率200%以上)
(B)
重复从0%伸长到200%时电阻变化图
图1 高弹性弹簧状导电线及其电气特性
(A)当高伸缩性弹簧状导电配线用作LED配线时的LED亮度(伸缩率200%以上)
(B) 重复从0%伸长到200%时电阻值的变化

可穿戴设备需要制造成任意形状,因此高度可拉伸的电极也需要形成任意图案。这次,我们开发了一种通过高取向导电短纤维图案化来形成高拉伸电极的方法(图2)。由于该电极可以在大面积上形成,因此具有高弹性,如图 3 所示。电容器可以被创建。由于该电容器具有柔性,因此可以用作电容式压力传感器,检测压力等机械变化引起的电容变化。

短纤维取向电极照片
图2 短纤维定向电极
当 LED 连接到高度可拉伸的短纤维定向电极并拉伸两次时会发生什么(左)
高弹性树脂片材上取向的导电短纤维的显微照片(右)

使用短纤维定向电极的装置图
图3 使用短纤维定向电极的装置
使用高拉伸短纤维定向电极的电容器结构(左)
施加到传感器的压力与电容之间的关系(右)

 大多数传统的矩阵压力传感器片是柔性的但不可拉伸。因此,我们使用新开发的高拉伸性短纤维取向电极在矩阵中形成电容式压力传感器,并使用高拉伸性弹簧状导电布线作为信号布线,从而创建了一种兼具高拉伸性和高抗弯性的新型矩阵状传感器片(图4)。即使拉伸 200%、弯曲超过 20 万次、弯曲半径小于 01 毫米,该传感器片也能稳定工作。其弹性和耐用性完全满足实际使用的规格,并且可以在鞋子等恶劣的环境中使用,长时间施加人的体重并反复变形,因此可以用作鞋底压力分布传感器。

使用高弹性弹簧状布线和高弹性短纤维定向电极的鞋底压力传感器片的照片
图4采用高弹性弹簧状布线和高弹性短纤维定向电极的鞋底压力传感器片

未来计划

 未来,我们计划开发适应工业化的高效生产工艺,并利用新开发的矩阵式传感器片和老年护理监测传感器系统,推动日常身体状况管理系统的总体设计。



术语解释

◆导电纤维
聚酯、尼龙或其他纤维的表面通过化学镀覆有银或铜等金属,以赋予其导电性。用于抗静电纤维、抗菌纤维等。[返回来源]
◆短纤维
切成一定长度的导电纤维。也称为绒或切纤维。[返回来源]
◆方向
细长材料在一个方向上的排列称为取向,取向的程度称为取向。[返回参考源]
◆可穿戴设备
一种设计用于附着在人体表面的设备。手表形状和眼镜形状(眼镜)很常见。有些设备可以与智能手机和其他设备通信,并且可以监测心跳等生物信息。[返回来源]
◆扩张率
(伸长时的总长度-初始总长度) x 100/初始总长度=伸长率(%)。
例如,当拉伸到初始总长度的两倍时,增长率为100%。[返回来源]
◆抗弯强度、弯曲半径
一般来说,抗弯强度表示为扁平电线反复弯曲直至断裂的次数。弯曲处形成的圆弧半径称为弯曲半径,弯曲半径越小,线材越容易断裂。[返回来源]
◆内存阵列
内存元素排列成矩阵。[返回来源]
◆射频标签
可以无线读写信息的标签。[返回来源]
◆蒸腾传感器
用于检测植物气孔蒸发水的传感器。它用于确定给水果浇水的最佳时间等。[返回来源]
◆大面积压力传感器
一种采用丝网印刷方法形成的具有电极和压电材料的仪表级压力传感器。[返回来源]
◆电阻弛豫现象
当对导电颗粒分散在树脂中的导电膏等施加变形时观察到的现象。认为这是因为树脂的变形影响导电性微粒之间的结合而发生的。[返回来源]
◆电容器
电容器是夹在两个平行板电极之间的电介质。电容代表电容器的容量,介质膜厚与电容成反比。用作电子元件的电容器也是电容器的一种。[返回来源]



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