材料属性对织物基微带谐振电路电学性能特征的影响

摘要

随着智能纺织品的不断发展和进步，越来越多的织物基电子器件用于无线电传输中，电子器件柔性化已经成为不可阻挡的趋势。微带谐振电路作为射频器件的主要元件，具有体积小，重量轻，性能好，易与其他集成电路匹配等一系列的优点，符合当今电路设计发展方向。谐振电路的射频传输性能是无线电传输最重要的参考指标，决定了谐振电路的应用，其射频传输性能不仅与谐振电路结构设计有关，还与基底材料有关。目前关于微带谐振电路射频传输性能的研究，其基底材料大多采用硬质板。而织物作为一类典型的柔性纤维材料，符合智能纺织品对所需电子器件性能要求的发展方向。基于此，本课题以织物这种特殊的柔性材料为微带谐振电路的基体，采用丝网印刷技术，在织物表面印刷微带谐振电路，研究材料属性和结构对印制电路的电学性能特征的影响。 针对基体材料属性和结构对微带谐振电路电学性能特征的影响问题，本课题主要选取了纤维材料、纱线细度、经纱密度、纬纱密度、组织结构等参数变化的不同织物试样，研究纤维材料和织物结构参数对其超高频介电性能的影响，并参考介电性能的研究结果确定印制微带谐振电路的基底织物参数，研究基体材料属性对印制电路电学性能特征影响。 基于此研究目标，本课题主要从以下几个方面展开： （1）研究纤维材料及织物结构参数对超高频下介电性能的影响，莫代尔和绢丝织物的介电常数和介电损耗明显高于其他材料的织物，涤纶织物的最低。进一步证实了纤维材料结晶度（或聚合度）越高，介电常数及损耗越低。而织物组织结构越紧密其介电常数及损耗越高。 选取织物的几个重要的结构参数如纤维材料、纱线细度、经纱密度、纬纱密度、组织结构等，根据控制变量法，设计织造某一参数变化，而其他参数保持不变的一系列织物试样。然后通过测试每一组变化参数的织物在超高频下（0.7~1.3GHz）的介电常数和介电损耗角正切的值，采用方差分析方法，探讨影响超高频下其介电性能的显著因素。 研究结果表明，从结构参数上看，机织物的纬纱变化对其介电性能都有显著影响，而经纱的变化对其介电性能没有显著影响。织物组织结构也对介电性能有显著影响，交织点越多，结构越紧密，其介电常数和介电损耗越大。纱线密度、纱线密度、组织结构变化时，孔径和纤维体积分数也会发生一定程度的改变。并且，由于纺织纤维的介电常数大于空气，因此纤维体积分数大的织物，介电常数大。从纤维材料上看，一般来说，棉纤维的结晶度、取向度和聚合度均高于莫代尔纤维。由于绢丝纤维的复合结构，其结晶度高于莫代尔纤维而低于棉纤维。棉纤维的高结晶度使得其大分子链段在变化电磁场中难以发生明显地旋转，因此只有极小的松弛响应，介电常数低。另一方面，纤维的结晶度和分子基团极性的差异也会导致回潮率的不同，一般来说，纤维的吸湿性依次为：莫代尔>丝>棉>涤纶，在空气相对湿度和温度恒定的环境中，纤维回潮率高的纤维会吸收更多的水分。回潮率越高，介电常数越大。 （2）研究织物的材料及结构对印制微带谐振电路成膜质量及导电层电学性能的影响，发现紧密程度越高的织物，印刷成膜质量越好、电阻越小、阻抗越低。 基于前述研究内容，选择制备微带谐振电路的承印基底织物材料的参数和丝网印刷工艺。然后，确定好丝网印刷所需要的油墨，印刷的微带谐振电路结构，通过丝网印刷的方式将谐振电路印刷在织物上。通过扫描电镜观察印刷电路截面油墨的粘附和渗透现象以及印刷成膜的完整性与均匀性，测试印制电路的传输线直流电阻以及阻抗特性。 实验结果表明，作为承印基体，要满足印刷导电层成膜性能良好，基材表面要光滑。相比于表面光滑，结构均匀的PET膜和PCB板来说，织物表面有特殊的纹理结构，且内部还有许多缝隙孔洞，所以要满足导电油墨在基材上有完整均匀的导电膜，基材的结构应尽量紧密，但基于前文织物结构参数对其介电性能的研究，在一定范围内，织物经纬密和纱线细度越大，基材的介电损耗也越大，不利于电信号的传输。因此基材的紧密程度要合理，不能过于紧密或过于疏松。印制电路的导电层电阻与印刷质量有密切关系，印刷质量越好，其导电性越好电阻越小。传输线阻抗在超高频（860-960MHz）下随频率的增大而减小。不同基材上印刷的电路在谐振频率处的阻抗值有明显差异，说明基材对印刷导电层的阻抗特性也有影响。 （3）研究材料和织物结构参数对印制微带谐振电路的超高频信号射频传输性能的影响，发现基底材料的介电常数小，有利于电信号的传输效益和调制，且结构紧密的承印材料其印刷成膜阻抗小，信号调制能力强。 采用网络分析仪分别测试六种织物上的谐振电路的S参数，分别从基材的介电性能，电学性能和印刷导电层表观形貌上分析微带谐振电路对信号射频传输性能的影响。 分析结果表明，微带谐振电路对信号射频传输性能主要取决于两方面，对信号的调制以及传输损耗，电路对信号的调制作用主要与基材的介电常数和印刷质量有关。介电常数越小，传输效益越高。印刷质量越好，对信号的调制越准确。基材的介电损耗和印刷导电层的阻抗影响传输损耗，介电损耗越大，阻抗越大，传输损耗越多，信号越弱，不利于电信号在织物中的传输，容易导致陷波深度不明显，甚至可能消失。 综上所述，本课题针对织物基微带谐振电路，研究机织物的材料属性对印制微带谐振电路电学性能特征的影响，得出以下结论，从本课题所选择的纤维材料上看，莫代尔，绢丝等织物介电常数及损耗较高，涤纶最低，证实纤维材料结晶度（或聚合度）越高，介电常数及损耗越低。介电常数及损耗越小，传输效益越高。从织物结构上来看，发现紧密程度越高的织物，印刷成膜质量越好、导电层的电阻越小、阻抗越低，信号调制能力强，但介电常数及损耗高，不利于电信号传输。

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