编织电子产品和电子纺织品连接器有哪些创新？

机织电子产品和电子纺织品（电子纺织品）是新兴的技术领域，业界正在开发可以监测生理状况、提供医疗或用作人机界面 (HMI) 的电子纺织品。然而保持嵌入衣服或其他软材料的电子设备之间的可靠连接具有挑战性。除了纺织品和电子产品的制造方式不兼容之外，还存在与可洗性和耐用性相关的问题。

本文首先回顾了编织电子产品和电子纺织品的四个集成级别，着眼于基本互连选项和新兴标准，提出了与编织电子产品和电子纺织品互连开发相关的挑战，并给出了一些现有连接器解决方案的示例，最后展示了一个智能纺织品开发套件。

在深入讨论用于编织电子产品和电子纺织品的连接器之前，有必要回顾一下与这些技术相关的四个集成和互连级别：

l 1级（可移除）：电子设备以一种方式连接到织物上，即电子设备和织物可以在不破坏电子设备或织物的情况下分离，例如放在口袋或小袋中。

l 2 级（已连接）：电子设备以不可拆卸的方式连接，除非破坏或损坏电子设备或织物，例如将电子设备粘合、焊接或缝合到织物上。

l 3 级（混合解决方案）：一个或多个组件由纺织品制成或使用纺织品整理，并与附加的电子元件组合，例如带有 LED 或传感器的电子纺织品编织带。

l 4级（全纺织品）：所有电子元件均由纺织品制成或使用纺织品整理工艺。

除了互联互通的四个层次之外，还为智能纺织划定了四个相关的发展阶段：

l 第 1 阶段涉及将标准电子元件直接连接到织物上以创建所谓的纺织电路。

l 第 2 阶段，纺织品成为柔性基材

l 第 3 阶段，纺织品成为电路的可拉伸基材，同时保持其基本的纺织品特性。

l 第 4 阶段，功能性纤维取代部分或全部传统电子设备。

可拆卸与固定互连选项

用于编织电子产品和电子纺织品的可拆卸互连技术包括按扣、弹簧针、导电钩和环（魔术贴）、拉链等纺织品闭合方法、头针以及通过感应耦合或 NFC 进行的无线连接（图1）。常见的固定互连技术包括缝合、锡焊、焊接、粘合和压接。请注意，并非所有固定互连技术都是完全不可拆卸的。可以撤消针迹或焊点，但这比简单地解开按扣或拉开拉链要复杂得多。对于许多应用，诸如接触电阻、配合/拔出循环、拔出力等的规格并不是高度标准化的。

图 1：各种卡扣连接器设计

为了开始应对这些挑战，欧洲标准化委员会在技术委员会第 31 工作组 (WG31) 内制定了上述四个集成级别。此外，还发布了两份技术报告 (TR)，以开始解决有关编织电子产品和电子纺织品互连的一些问题：

· ISO/TR 23383:2020——纺织品和纺织产品——智能（智能）纺织品——定义、分类、应用和标准化需求

· IEC TR 63203-250-1:2021 (MAIN) - 可穿戴电子设备和技术 - 第 250-1 部分：电子纺织品 - 电子纺织品和可拆卸电子设备之间的按扣连接器

导电按扣是当前电子纺织品设计中最常用的连接器。制定 IEC TR 63203-250-1:2021 的目的是为制定 1 级互连系统中的按扣标准提供基础。预计随后的技术报告将把这项工作扩展到其他类型的互连设备，以及与电子纺织品和编织电子系统集成相关的更广泛问题。

互连限制和挑战

在电子设备和编织材料之间建立稳健可靠的互连存在一些挑战。织物等编织材料会发生拉伸，互连中的导体必须适应这种运动。由于摩擦电效应，将导电材料集成到编织材料中会导致静电的产生。如果积聚的电荷以不受控制的方式释放，可能会损坏电子设备。湿度是另一个考虑因素。编织材料可以从周围大气中的湿气中吸收水分，这可能会损坏电子设备或改变其工作特性。

与这些应用相关的电磁兼容性解决方案尚未确定。例如，可能需要屏蔽射频连接器以保护其他系统元件免受电磁干扰。

连接器解决方案

虽然编织电子产品和电子纺织品仍处于早期阶段，但1级互连已经开始出现一些选项。电缆管理的优化以及满足应用的尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求是这些初始解决方案的关键考虑因素。薄型连接器旨在将电缆组件和有源设备与一系列编织材料（从帆布到高度灵活的织物）集成在一起。这些连接器系统设计用于缝制在背心、帐篷、毯子和背包等应用中的织物面板中。系统的适配器和固定环旨在实现连接器的快速连接和互换（图 2）。

图 2：支持从帆布到高柔性织物等编织材料的快速连接。

与大多数 1 级连接器一样，这些连接器只能在一侧拆卸，另一侧永久连接到电线、织物或其他导电互连上。这些连接器设计用于重复连接和断开连接，不会造成任何损坏或功能损失。此外，由于它们是传统电连接器的变体，因此它们符合各种标准连接器规格，包括：

· IP68 环保至 2m/24h

· 耐盐雾腐蚀长达 1000 小时

· -40 至 +135 °C 运行

· 多达 10000 次插配循环

· 经测试符合 EIA、IEC、MIL-STD-202 和 MIL-STD-810 要求

行业还开发了另一个智能服装连接器系列，以支持复杂的生物和生理监测应用的需求，这些应用受益于2 -12个或更多连接器引脚。该连接器系统包括永久性连接的纺织品侧的插头触点以及顶部和底部绝缘体，以及表面安装在电子电路板上的插座触点。这些连接器使用卡扣式触点，使连接和断开变得简单。它们的额定插拔次数为 500 次（图 3）。

图 3：智能服装连接器卡扣触点的额定插拔次数为 500 次。

由于插头连接器专为集成在衣物中而设计，因此它符合日本 JIS L 1930 (C4G) 机洗标准中的所有要求。接触点是自由浮动的，允许连接器补偿机械错位并允许同时连接多个触点。使用压合装配工艺可以同时将所有销钉连接到织物上，从而显著减少装配时间和成本。

智能纺织品开发套件

智能纺织品开发套件可用于探索植入纺织品的传感器的使用。它使用支持 1 级设计的卡扣式连接器（图 4）。传感器完全可清洗，电子设备可以轻松拆卸。该板与Nano V3.0 Atmel Atmega328 微控制器兼容。该板包括一个温度传感器、一个显示器接口和一个蓝牙模块。可以使用卡扣连接器连接其他传感器。该板为控制器转换传感器信号，使设计人员能够专注于编程和应用程序开发。

图 4：卡扣连接器的开发套件

总结

对于编织电子产品和电子纺织品以及支持这些新兴技术所需的互连技术来说，现在还处于早期阶段。四个级别的集成和互连与这些技术相关联。目前，标准连接器仅适用于最基本的1级。欧洲的标准组织已经发布了前两份技术报告，开始解决有关编织电子产品和电子纺织品互连的一些问题，并且提供了一个开发套件，使得设计人员能够探索集成到智能纺织品中的传感器的使用。