Textil electrónico transpirable para aplicaciones de RF para vestir

por Mario D'Auria, John Greenwood y Chris Hunt en Pireta, y Martin Salter y Nick Ridler en el Laboratorio Nacional de Física (NPL). Esta novedosa tecnología permite la creación de pistas conductoras en la tela, lo que la convierte en una solución potencial para una amplia gama de wearables.

En el mundo de la RF, se ha realizado un esfuerzo significativo para desarrollar sustratos de alto rendimiento para reducir las pérdidas y extender las frecuencias. Si bien hay muchas opciones de sustrato de alto rendimiento en el mercado, la mayoría se puede clasificar como rígida o, en el mejor de los casos, semiflexible. De hecho, en esta carrera de alto rendimiento, muchos han pasado por alto todos los mercados en los que no se requería un rendimiento extremo y altas frecuencias. Más bien, estos mercados se habrían beneficiado de nuevos sustratos que cumplen mecánicamente.

En esta era en la que la tecnología se está volviendo más pequeña y más barata, más personas están mirando a la tecnología portátil como un campo de interés predominante para los mercados que van desde el médico hasta el militar y el fitness. La tecnología de fabricación convencional que utiliza componentes "rígidos" requiere un gran esfuerzo para miniaturizar el componente general. Sin embargo, este tipo de enfoque no se presta a aplicaciones de RF en las que la geometría general depende de la frecuencia e impone ciertas limitaciones que no se pueden superar fácilmente.

De hecho, muchos de los dispositivos portátiles que requieren comunicaciones inalámbricas son grandes y voluminosos, lo que limita la libertad de movimiento, o al menos la comodidad, del usuario. Aquí, queremos ilustrar cómo una tecnología que permite la creación de pistas conductoras sobre tela puede proporcionar libertad de espacio y diseño al tiempo que mantiene la comodidad y la flexibilidad para el usuario final.

El proceso de tecnología de Pireta, que permite crear pistas y patrones conductores en textiles, es adecuado tanto para fibras naturales como sintéticas. Este proceso patentado consta de cinco pasos:limpieza, sensibilización, impresión de la capa de semillas, recubrimiento no electrolítico y pasivación. Todos estos son procesos de inmersión, excepto la impresión de la capa de semillas, que permite la libertad geométrica para crear el patrón deseado.

Diseñado para ser escalable, este proceso se adapta a la producción a gran escala, compartiendo algunos pasos de procesamiento con la impresión digital rollo a rollo. La tela está recubierta con metal al nivel de la fibra, lo que la hace conductora sin perder sus propiedades inherentes como agarre, caída, estiramiento y transpirabilidad.

Una de las estructuras fundamentales involucradas en la evaluación de la idoneidad de un proceso para aplicaciones de RF son las líneas de transmisión. Por lo tanto, las secciones cortas de la línea de transmisión se fabricaron en tela de perforación de algodón utilizando el proceso Pireta.

Las líneas de transmisión constaban de dos vías de 5 mm de ancho con 2 mm de separación entre ellas. Se fabricaron dos versiones diferentes, una con dos líneas de transmisión de 50 mm de longitud y otra con dos líneas de transmisión de 80 mm de longitud. Este tipo de línea de transmisión, conocida como franja coplanar , es la contraparte electromagnética (EM) de una guía de ondas coplanar. ¹ Fueron fabricados mediante la deposición de una capa de semilla de plata mediante el proceso Pireta, seguido de un baño de cobre sin electrodos y finalmente una pasivación de la capa de plata.

Después de la fabricación, se volvieron a tomar medidas geométricas y se encontró que el ancho de vía era de 5,5 mm con un espacio de 1,7 mm. Posteriormente, se hizo un dobladillo a la pieza de tela, permitiendo que los conectores coaxiales hembra SMA se soldaran a los extremos (Fig. 1) . Dado que esta tecnología recubre uniformemente las fibras con metal, la superficie de la tela es adecuada para soldar con plomo común o soldadura sin plomo, dependiendo solo de la tolerancia de la tela a las altas temperaturas.

1. Las líneas de transmisión de 80 mm con conectores SMA están conectadas a los cables del analizador de redes vectoriales.

Medidas de VNA

Las mediciones se realizaron en el Laboratorio Nacional de Física utilizando un analizador de redes vectoriales (VNA) Keysight PNA-X. La frecuencia de prueba se varió entre 10 MHz y 10 GHz. Los cables conectados al VNA utilizaron conectores de precisión de 3,5 mm, que tienen una clasificación de hasta 33 GHz. ² (Los conectores SMA se usan comúnmente hasta aproximadamente 12 GHz, aunque se pueden usar en frecuencias más altas). ³ Se llevó a cabo una calibración corta de carga abierta (SOLT) antes de realizar las mediciones. ⁴ Los resultados de la medición (es decir, parámetros S) para una de las líneas de 50 mm de largo y una de las líneas de 80 mm de largo se muestran en las Figuras 2 y 3 , respectivamente.

2. Estos son los parámetros S (ayb) para la línea de 50 mm de largo.

3. Se trazan los parámetros S (ayb) para la línea de 80 mm de largo.

Para ambas líneas, los valores de los parámetros de reflexión (S ₁₁ y S ₂₂ ) revelan una coincidencia relativamente pobre por encima de 100 MHz. Debido a las limitaciones de resolución del proceso de impresión, y siendo esta una prueba preliminar, la impedancia de las líneas no se optimizó deliberadamente. Sin embargo, es factible que la implementación de un transformador de impedancia pueda resolver este problema de adaptación. Además, en ambos casos, S ₁₁ y S ₂₂ son casi idénticos en cada frecuencia, lo que sugiere que el proceso de soldadura de los conectores SMA tiene una buena repetibilidad.

Los parámetros de transmisión (S ₁₂ y S ₂₁ ) para ambas líneas muestran un rendimiento aceptable hasta 2 GHz y posiblemente más allá, una vez que el diseño se ha optimizado para reducir la falta de coincidencia de los conectores del puerto de prueba VNA. Las pérdidas de transmisión, resumidas en términos de S ₂₁ a frecuencias específicas para las cuatro líneas, se muestran en la tabla .

S ₂₁ se tomaron medidas a frecuencias específicas para las cuatro líneas.

Usando la fórmula siguiente: ⁵

es posible calcular α ’ _d (es decir, la atenuación por unidad de longitud después de corregir la pérdida por desajuste) para las dos líneas. Los resultados ilustrados en la Figura 4 muestran una atenuación muy baja por unidad de longitud para secciones de línea eléctricamente cortas, es decir, aproximadamente 0,20 dB / cm desde 10 MHz a 100 MHz y 0,32 dB / cm a alrededor de 1 GHz.

4. La atenuación calculada por unidad de longitud se proporciona para las líneas de 50 y 80 mm de longitud.

Aumento de la metalización

Para mejorar el rendimiento de estas líneas de transmisión de RF, se fabricó un nuevo conjunto de líneas. Esta vez, se añadió un paso de galvanoplastia de cobre después del paso de pasivación para reducir las pérdidas óhmicas. Estas líneas tenían un aspecto externo similar a las líneas fabricadas anteriormente, con un aumento marginal en la rigidez.

Figura 5 muestra la atenuación medida por unidad de longitud tanto para el conjunto de líneas de transmisión fabricadas mediante el proceso estándar Pireta sin electricidad (EL) como para el nuevo conjunto de líneas fabricadas con una capa adicional de cobre galvanizado (EP). Los parámetros de diseño y prueba se mantuvieron iguales para permitir una comparación directa entre los resultados. Los parámetros de galvanoplastia fueron 50 mA / cm ² durante 10 minutos.

5. Se realizó una comparación de atenuación por unidad de longitud entre las líneas no electrolíticas (EL) y galvanizadas (EP) de 50 y 80 mm.

Los resultados muestran una mejora significativa en el rango de frecuencia de 10 a 100 MHz. Por encima de 100 MHz, las pérdidas comienzan a aumentar gradualmente. No obstante, los resultados continúan revelando una mejora de 0.2 dB / cm en comparación con las líneas no eléctricas, lo que resulta en una pérdida por unidad de longitud de 0.3 dB / cm a 1 GHz.

Se cree que este aumento en la pérdida se debe a imperfecciones geométricas inevitables en las líneas, los bordes ásperos de las características impresas causadas por el patrón de tejido y la rugosidad de la tela en sí. Es lógico suponer que un mejor diseño y una tela más fina mejorarían los resultados. La idoneidad de la tecnología Pireta depende de los requisitos de la aplicación. Mediante galvanoplastia de cobre, la frecuencia utilizable se puede extender a al menos 1 GHz.

Proximidad del tejido

6. La atenuación se manifiesta en los casos de contacto con tejido humano (dedos), con un espaciador entre el tejido, y con el tejido estampado doblado entre la línea de transmisión y el tejido.

Para que la tecnología Pireta se pueda utilizar en la ropa, debe ser adecuada para su uso en contacto con la piel. Es de esperar que el cuerpo, al ser un medio con pérdidas, degradaría el rendimiento de las líneas de transmisión. Esto se puede ver en la Figura 6 , cuando se colocaron tres dedos directamente debajo de las líneas de transmisión (Fig. 7a) .

7. Las líneas de transmisión de 80 mm se probaron con una mano debajo (a), una capa de aislamiento entre la mano y las líneas (b), y otra línea doblada debajo y una mano debajo (c). (Consulte la Figura 6 para ver los resultados).

Se observó una degradación similar en el rendimiento cuando se interpuso una capa aislante entre los dedos y las líneas (Fig. 7b) . Sin embargo, si se coloca otra capa de tela conductora debajo de las líneas, el rendimiento sigue siendo aproximadamente el mismo (Fig. 7c) . Esto demuestra que, con el diseño correcto, el efecto del cuerpo humano sobre el rendimiento casi se puede eliminar.

Tela no plana

8. Se aplicaron cuatro condiciones de prueba diferentes a las líneas de transmisión de la tela:doblado en U (a), meneo (b), desalineado (c) y giro de 180 ° (d).

Finalmente, las líneas se probaron bajo diferentes condiciones de distorsión del sustrato de tela (es decir, plano, doblado en U, ondulado, desalineado y retorcido) ( Fig. 8 ). Figura 9 muestra los resultados para todas estas condiciones de prueba. Hay muy poca variación en el rendimiento medido como resultado de estas diferentes condiciones de prueba, con pérdidas solo ligeramente mayores en la configuración de meneo. Esto puede deberse a la formación de acoplamientos entre diferentes secciones de la línea, como sugiere el cambio en los picos observados para estas líneas de transmisión.

9. Esta es la atenuación medida por unidad de longitud para las cinco condiciones de prueba:plano, doblado en U, meneo, desalineado y torcido.

Resultados y trabajo futuro

Los resultados informados muestran la viabilidad de un proceso para producir líneas de transmisión en tejido para aplicaciones de RF de al menos 1 GHz y quizás más allá. Esto corresponde al rango de frecuencias de las comunicaciones por radio (AM:0,3 a 3 MHz, FM:30 a 300 MHz), RFID (3 a 30 MHz) y comunicaciones inalámbricas (Wi-Fi / Bluetooth:2,4 GHz, radio satelital:1,4 /2,3 GHz). Con la posibilidad de eliminar el efecto del tejido humano en el rendimiento de estas líneas de transmisión, este enfoque podría usarse para aplicaciones de RF portátiles. Esto se ve reforzado por la resistencia observada a la distorsión de la tela, que tuvo muy poco efecto en la pérdida medida en las líneas.

Los pasos futuros incluirán la optimización de la estructura plana para mejorar las pérdidas por reflexión. Además, se considerará la constante dieléctrica del sustrato de tela, el grosor de las líneas conductoras y la ruta de corriente no uniforme en comparación con las líneas de vía de metal sólido convencionales.

Conclusiones

Se ha demostrado que la tecnología Pireta, aunque todavía está en pañales, puede ofrecer una tecnología textil electrónica que cumple con los requisitos de RF de muchas aplicaciones de telecomunicaciones, incluido el extremo sub-6-GHz del espectro 5G. Al mismo tiempo, la tecnología no afecta las características textiles del mango, la caída y la transpirabilidad. Esta emocionante combinación de propiedades ofrece importantes oportunidades en muchas áreas de aplicación y potencialmente abre las puertas a nuevos desarrollos de productos.

Referencias

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Líneas de microcinta y ranuras . Londres:Artech House, 2013, p. 376-377.
2. IEEE Std 287-2007, "Estándar IEEE para conectores coaxiales de precisión (CC a 110 GHz)".
3. IEC 60169-15:1979, “Conectores de radiofrecuencia. Parte 15:R.F. conectores coaxiales con diámetro interior del conductor exterior 4,13 mm (0,163 in) con acoplamiento roscado - Impedancia característica 50 ohmios (tipo SMA) ”.
4. S. Rehnmark, “Sobre el proceso de calibración de los sistemas analizadores de red automáticos”, IEEE Trans. Sobre teoría y técnicas de microondas , Abril de 1974, pág. 457-458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, "Medición de atenuación" en Microwave Measurements, Londres, Reino Unido:IEE, p. 132-134, 1989.