近日，南方科技大學電子與電氣工程系葉濤教授課題組在Nature Communications發表論文，標題為《Parasitic capacitance modeling and measurements of conductive yarns for e-textile devices》。文中提出了一種針對導電紗線的寄生電容進行建模和測量的方法，并對導電紗線的寄生元件進行了系統分析和量化。該研究對于評估高頻應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域，融合了紡織品和電子技術，具有巨大的潛力和優勢。織物電子能夠被無縫且美觀地集成在柔軟、可穿戴的織物材料中，實現了智能化、可潛入性和舒適性的結合，在醫療監測、健康管理和運動追蹤等領域具有廣泛的應用前景。導電紗線作為織物電子的重要組成部分，已被廣泛應用于天線、電感器、互連線等智能服裝應用中，成為傳統金屬導線的可行替代品。然而，導電紗線的微結構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用中極大地影響設備的性能。研究團隊提出了一種基于導電紗線構建的空心螺旋電感器的整體和匝間模型，并對導電紗線的寄生元件進行了系統分析和量化。通過對比具有相同結構的基于銅和基于紗線的電感器的頻率響應，量化并提取了寄生電容的數值。實驗測量結果顯示，商業導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構。這些實驗和測量結果提供了對導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備的設計和表征提供了有價值的指導。

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

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

圖1 a 一個導電紗線的微觀結構，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的螺旋電感器的反應性能來估計導電紗線的寄生電容。c 導電紗的橫截面：寄生電容均勻分布在導電紗上。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電紗線的寄生電容，并提出了一種系統的方法來提取和估算這兩種形式的寄生電容。該方法需要構建兩個與圖1b所示幾何參數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。其中一個螺旋電感器使用導電紗線繞制，而另一個螺旋電感器使用相同規格的銅線繞制。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聯，并進一步驗證了論文中寄生電容模型和提取方法的準確性。

圖2 a 單層空心螺旋電感器結構；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）。據悉，該欄目旨在展示最近在某個領域發表的最佳50篇論文。

南方科技大學電子系訪問學生曲子奇、朱哲辰，南科大-港理工聯合培養博士生劉宇龍為論文的共同第一作者，南科大-新國立聯合培養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，南方科技大學為論文第一單位。

審核編輯：劉清