罩套中的电绝缘材料的制作方法

1.本发明涉及包括电器元件的罩套中提供的绝缘材料。


背景技术：

2.包含电线的罩套在许多新兴应用中变得越来越普遍，例如生理和生物力学传感、加热、电刺激、可见性照明、用户界面等。这种布线的基本目的是从罩套的一部分传送电信号或电流到其它部分，例如从一组位于胸部的与皮肤接触的电极传送电信号或电流到位于罩套其他地方的电子模块。很明显，这种布线和任何配备的绝缘材料都需要是柔韧的并且能够承受在放置和取下罩套以及佩戴、洗涤、干燥和存放罩套时产生的各种力。该罩套通常必须在一系列温度和湿度以及其他环境条件(例如流体和灰尘暴露)下操作。如果必须清洗罩套，则该布线需要承受所涉及的化学和机械条件。
3.现在有许多不同的选择来生成这种布线，这种布线包括在织物层之间或接缝内的铜线和印刷电路，该印刷电路使用丝网印刷导电油墨、3d打印、纱线或纺织品形式的导电线、导电聚合物或弹性体的薄片或带材。这种导体的电阻通常是一个重要因素，特别是电阻响应拉伸、弯曲、洗涤等的稳定性。
4.在大多数情况下，导体之间需要绝缘材料以确保设备的正常运行。提供绝缘材料的选择有很多，例如印刷的介电油墨或密封剂、切割成所需形状的挤出绝缘材料片、注塑成型的塑料、3d打印的材料。导电线可以被涂上一层绝缘薄膜。
5.尤其令人感兴趣的是，罩套中的电气系统是由应用于纺织品或织物表面1的几层组成，例如(见图1)：
6.将结构附着到罩套的织物上的粘合层3
7.绝缘层5
8.导电层7
9.绝缘层9
10.这种结构可以应用于罩套的面向皮肤的表面、外表面，或者甚至罩套的纺织层之间。绝缘层5、9之一或两者可以具有孔口11(见图2)以允许电连接到下面的导电层7。织物还可以具有孔口15以允许接近暴露的导体。
11.为了获得柔韧且轻便的成品罩套，希望这些层尽可能薄且柔韧。导电层7在拉伸和弯曲期间保持最小的导电性并且绝缘层5、9具有足够的电阻和介电强度也是必要的。
12.现在出现了具有良好拉伸性能的导电油墨，其可以直接印刷到弹力织物上。除了布线之外，通常还需要使用一个或多个电极与皮肤进行电接触。例如，在电刺激中，需要具有限定的皮肤接触区域以确保刺激电流在皮肤处分散，从而避免高电流密度。电极可由导电弹性体薄片、导电油墨、导电纺织品等制成。可以通过简单地在上覆的绝缘层中具有暴露导电层的窗口来形成电极。可以将附加层施加到电极区域以修改其电导率，例如，使其电导率与皮肤的电导率相匹配。
13.绝缘材料是必要的，以限制电流流向系统中所期望的点。通过将导体彼此隔离来
确保设备正常运行而提供的绝缘材料可以被描述为功能性绝缘材料。也可能需要绝缘材料以将导体与其周围环境隔离以确保安全。然而，现有技术没有解决这种绝缘材料的性能要求，更不用说其设计了。当相关导体是与患者接触时，并且需要将它们与地面隔离或将它们与它们不打算接触的身体部位的接触隔离时，这一点尤其重要。这种绝缘材料可以称为保护性绝缘材料。绝缘材料当然可以同时具有功能性和保护性的目的。
14.例如，可以在罩套的面向皮肤的一侧印刷导电轨道，避免来自罩套的电流泄漏到皮肤中。可以在导电层上施加绝缘层，使导电层与皮肤电分离。添加覆盖印刷的导电轨道的绝缘层会降低系统的灵活性，因此希望使其尽可能薄且柔韧。另一方面，它需要耐用，并能经受包括洗涤的正常磨损。给定绝缘材料的击穿电压取决于其厚度和介电强度，因此必须选择在柔韧性、重量和绝缘性能之间实现适当平衡的厚度。电极背面的绝缘材料也很重要。考虑到位于罩套的面向皮肤的表面的与皮肤接触的电极，必须使该电极的相对面绝缘，以便没有电流通过罩套流到外表面。这是为了防止将电流泄漏至很可能使用手指或手接触罩套外表面的使用者。对于给定的应用，对于每种危险情况，介电强度和绝缘电阻要求是什么并不是很明显。例如，如果佩戴在身上的电池供电的加热器电路中的绝缘材料在一个地方发生故障，则没有危险，因为任何泄漏电流都没有返回路径。不同位置处的两次绝缘破坏可能会使使用者暴露于泄漏电流和潜在伤害中。在选择实现必要保护的设计时，必须考虑对绝缘施加应激的电压。
15.虽然最近出现了描述用于在罩套内集成布线的各种架构的许多出版物，但wo2016/131936a2(schwarz)、us215/0359485a1(berg)、us2014/0318699a1(longinotti)、wo2017/199026a1(kai)、gb2555592(bungay)没有关注到绝缘材料的挑战。值得注意的是，立足市场于可穿戴应用的可拉伸绝缘油墨(dupont
tm pe773)的头号先供应商甚至没有提及绝缘性能。
16.因此，问题是确定需要多少绝缘材料才能实现所需的安全和功能性能并提供该水平的绝缘，同时最大限度地减少罩套的整体刚度、重量和厚度。
17.鉴于以上，本发明的目的是缓解和减轻上述缺点。


技术实现要素：

18.根据第一方面，本发明提供一种应用于罩套的表面的包括导电层和绝缘层的电气系统，电气系统包括：
19.用于附接至罩套的第一绝缘层；
20.第二绝缘层；以及
21.封装在第一绝缘层和第二绝缘层之间的导电层。
22.优选地，导电层附接到第一绝缘层和第二绝缘层两者。优选地，导电层连续地附接到第一绝缘层和第二绝缘层两者。
23.优选地，第一绝缘层具有至少200vac或更高的耐压并且第二绝缘层具有至少100vac或更高的耐压。
24.优选地，当使用在第二绝缘层的表面上延伸的导电表面进行测量时，第一绝缘层具有至少200kω的电阻。进一步优选地，当使用大于8000cm2的导电表面进行测量时，第一绝缘层具有至少200kω的电阻。进一步优选地，当使用8000mm2的探针进行测量时，第二绝
缘层具有至少200kω的电阻。
25.优选地，第一绝缘层具有30μm或更小的厚度和至少200vac或更大的耐压。
26.优选地，第一绝缘层具有50μm或更小的厚度和至少600vac或更大的耐压。
27.优选地，第一绝缘层具有100μm或更小的厚度和至少1500vac或更大的耐压。
28.第二绝缘层可以具有30μm或更小的厚度和至少100vac或更大的耐压。
29.第二绝缘层可以具有50μm或更小的厚度和至少600vac或更大的耐压。
30.第二绝缘层可以具有100μm或更小的厚度和至少1500vac或更大的耐压。
31.优选地，第一绝缘层具有至少1500vac或更高的耐压并且第二绝缘层具有至少100vac或更高的耐压。
32.优选地，第一绝缘层和/或第二绝缘层是由至少两个单独施加和结合的绝缘材料层形成，其中绝缘材料层的数量被选择成提供累积厚度，累积厚度赋予绝缘层所需的绝缘性能。
33.优选地，每个单独施加和结合的层具有15kv/mm～20kv/mm的介电强度。
34.优选地，每个单独施加和结合的层的厚度为8μm～10μm，从而提供每层120v～200v的标称耐压。
35.优选地，每个单独施加和结合的层为介电油墨层。
36.优选地，至少两个单独施加和结合的层由至少两个单独施加的绝缘材料涂层形成，其中在施加后续的涂层之前允许在先的涂层固化，并且其中涂层的数量被选择成提供累积厚度，累积厚度赋予绝缘层所需的绝缘性能。
37.优选地，涂层为介电油墨涂层。
38.优选地，提供用于将第一绝缘层附接到罩套的附接装置。附接装置包括粘合剂。其它用于将第一绝缘层附接到罩套的装置对于本领域技术人员来说是显而易见的。
39.根据第二方面，本发明提供了一种测试应用于罩套的表面的电气系统的方法，电气系统包括导电层和绝缘层，电气系统包括：
40.用于附接至罩套的第一绝缘层；
41.第二绝缘层；以及
42.封装在第一绝缘层和第二绝缘层之间的导电层；
43.其中，通过在连接到导电层的探针和放置在相关绝缘层上具有限定区域的导电板之间施加测试电压并且测量其间的电阻或击穿电压，来测试第一绝缘层和/或第二绝缘层的绝缘性能。
44.优选地，导电板具有至少1000mm2或更大的限定面积。导电板可以具有至少8000mm2的限定面积。
45.优选地，导电板的形状与相关绝缘层的形状基本一致。
46.优选地，导电板比被测试的绝缘层更长更宽。
47.优选地，导电板被提供为具有导电表面的3d体模，被测试的绝缘层被施加到导电表面上。优选地，在测试之前，将相关的绝缘层附接到罩套上并且将罩套贴合在体模上，其中被测试的绝缘层朝向体模。
48.本发明的第一方面的特征可以合并至本发明的第二方面，反之亦然。
49.本发明的具体描述
50.现在将参考附图描述本发明，附图仅通过示例的方式示出了本发明的实施例。在图中：
51.图1示出了附接至纺织基材的电气系统；
52.图2示出了图1系统的绝缘层中用于暴露导电层的孔；
53.图3是绝缘材料示意图，其描绘了连接到皮肤电极的罩套内的导电轨道上的绝缘材料和潜在的误差电流ie，即如果穿戴者接触到已失效的绝缘材料则误差电流ie可能在手臂中流动；
54.图4示出了接触阻抗分别为z1和z2的两个皮肤接触电极的等效电路图；以及
55.图5说明了用于测试系统的绝缘层的绝缘材料的测试设备。
56.为了更全面地描述本发明，考虑一个具体的例子是有用的，即经皮电刺激。然而，应当理解，本发明不仅限于这种用途。各种其他应用对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本发明将参照图1至图5进行描述。经皮电刺激是一种广泛使用的疗法，其中在电子控制器模块17(见图3)内产生电脉冲并通过图3中应用的部分a的至少两条导线21和相应的皮肤附着电极23将电脉冲传送到对象19。导线21包括嵌入式布线或导电轨道(见图1和2中的导电层7)，该嵌入式布线或导电轨道从控制器模块17延伸到电极23并且使绝缘成防止电流泄漏到皮肤电极23。这些导电层通常可以层压到罩套27的朝向皮肤侧25上。导电层的朝向皮肤侧7a上的绝缘层9确保佩戴时电流不会泄露到下面的皮肤从而在错误的皮肤位置造成刺激。这种绝缘材料的失效可能会导致一些不适、皮肤刺激或灼伤。导电层7的朝向罩套侧7b上的绝缘层5和电极防止电流泄漏到罩套27中。罩套27通常由绝缘纱线制成的机织或针织纺织品制成，但是当它变湿时，它可以提供到罩套27的外表面27a的导电路径。如果使用者在刺激期间手接触了湿罩套27的那部分，并且绝缘层5已经失效，那么电流ie可能在手、手臂和躯干区域中流动(见图3)。在这种情况下流动的电流大小将取决于与电极接头接触的手的相对阻抗，因为它们在电气上是并联的。电流对人体的影响在iec 60479中有所规定，因此有必要确保由于绝缘失效而产生的任何电流都远低于会造成重大伤害的限值。
57.图4示出了接触阻抗分别为z1和z2的两个皮肤接触电极23的等效电路。在节点1和2之间施加电刺激。zc表示两个电极23之间的身体核心的阻抗并且通常远小于皮肤接触阻抗。zh表示在故障情况下手与多个导电层7中的其中一个接触的阻抗并且通常高于z1或z2。流经该支路的误差电流ie必须尽可能低以确保安全。
58.发明人已经发现，对导电层7和手之间的这种绝缘材料施加应激的电压大约是串联的两个电极23两端的电压的一半，因为在手处的电位实际上与所描绘的身体核心相同，参见等效电路图4，其表示了与身体的核心电阻串联的两个经皮电极23的电阻抗。众所周知，整个电路阻抗由皮肤接触阻抗决定。对于输出最大20vrms的典型电刺激设备来说，绝缘体上的应激为10vrms，即使峰值电压可能高达50v(电刺激波形通常采用低占空比脉冲序列的形式，并且峰值脉冲幅度通常是脉冲序列的均方根值的倍数)。
59.选择用于绝缘设计的安全系数取决于与故障相关的风险。对于低风险的应用，2x的系数可能就足够了，其导致20vac的耐压或100v的峰值耐压。更优选地，即使对于低风险的应用，也要使用5x的更高安全系数。绝缘电阻可以被选择成在没有击穿的情况下将电流限制在正常运行时的上限为100μa rms，因此50v/100μa＝500kω。
60.对于更高风险的情况，电压击穿的安全系数可以适当增加到5x、10x、20x。对于可
以流过有纤颤风险的胸部的电流，根据对风险的估计，可将耐压设置为高达500vac，甚至1000vac。
61.由于与绝缘失效相关的风险在皮肤侧和罩套侧不同，因此每一侧具有不同的绝缘性能可能是合适的。由于面向皮肤的绝缘材料的失效只会导致皮肤不适，因此可以指定200vac的耐压，其是工作电压的20倍以上。对于罩套侧，伤害的可能性更高，因此500vac的耐压是合适的。安全标准iec 60601(第3版)规定了不同工作电压下绝缘材料的耐压等级。为了提供两种保护患者的方法，可能需要在1000vac击穿电压下提供绝缘材料。
62.应该注意的是，耐压测试主要是用以市电频率运行的机器进行，在这种情况下，使用“vac”是适当和足够的。在nmes(神经肌肉电刺激)中，电流是脉冲的，因此“vrms”的使用更正确。
63.典型的介电油墨，例如由aci材料公司提供的se3102，具有范围在15～20kv/mm的介电强度。可以使用具有更高介电强度的特殊油墨，但柔韧性和拉伸性能可能不够。对于强度为20kv/mm的材料，一个丝网印刷步骤的厚度通常为10μm，每层的标称强度为200v，因此至少需要三个步骤才能建立500v的耐受性能。可以使用柔性油墨，通过使用不同的印刷丝网和刮板参数，柔性油墨可以以更大的厚度被印刷在每层上。
64.由于网眼标记、网眼拉伸、刮板的压力、角度、速度的变化，以及油墨粘度，丝网印刷具有固有的可变性。也可能存在损害绝缘性能的气泡。因此，需要累积地提供所需绝缘性能的多个层。多个层通常需要层与层之间的固化时间，这会减慢制造过程，因此希望具有尽可能少的层。
65.除了能够承受给定的电压外，绝缘层还必须在击穿电压以下提供足够的隔离电阻。标准iec 60601要求正常使用时的辅助电流小于100μa。因此，在20vrms的典型工作电压下，绝缘应大于200kω。与手或手指接触的电阻取决于接触面积。标准iec 60479考虑了电流对人体和动物身体的影响，并定义了模拟手指和手接触的测试接触区域。指尖接触可以用面积为250mm2来模拟，而手接触对应于8000mm2。1000mm2的接触面积也可用于模拟手指接触。因此，用于手指接触的罩套绝缘材料的合适绝缘测试是在最大工作电压下测量(例如使用绝缘测试仪37)导电层7和放置在绝缘材料5、9上面积为1000mm2的表面探针35之间的电阻(见图5)。但是，可以使用面积为8000mm2的表面探针来进行类似的测试，以测试针对手接触的罩套绝缘材料。
66.需要在制造完成后对结构进行耐压测试，以确保绝缘层5、9满足耐压要求。绝缘层5、9的整个表面都需要进行测试，因此必须使用可以与绝缘层5、9上的每个点都可以接触的探针。探针或板的形状可以与绝缘层5、9的形状一致，使得绝缘层5、9可以一次被测试完，而不必在重新定位较小探针的同时多次重复测试。或者，一种方便且快速的测试罩套的方式是将其贴合到导电体模或人体模型上，并测试罩套上导电层7的每个端子与导电体模之间的电阻。这种体模可以由带有导电涂层(例如金属箔、导电织物、导电涂料或油墨)的木材、塑料或泡沫制成。将导电层7的所有端子连接在一起以形成单个电节点并测试该节点与导电体模之间的电阻和击穿电压仍然更快。可以将罩套翻过来，以测试层压电路的面向外的表面上的绝缘层5的性能。可以提供多种体模来测试不同尺寸的罩套，或者可以调节体模。
67.在由弹性织物制成的罩套中，电气系统优选地可以拉伸和松弛从而不损害罩套的性能。电气系统的拉伸不可避免地会减小垂直于拉伸方向的方向上的横截面尺寸，从而可
能会降低绝缘材料的耐压。因此，在测试过程中可能需要在体模上拉伸测试样品。用于测试的体模尺寸需要被选择成匹配罩套的尺寸，以便实现预期的拉伸。
68.罩套在使用和洗涤过程中可能会变湿。绝缘层5、9需要承受湿气并防止水进入分层结构内。因此，可能有必要对湿罩套进行测试，以确保保持耐压和绝缘电阻的安全性。
69.绝缘层5、9可以具有孔11以有意地暴露导电层7的一部分。孔11c可以形成为允许连接到皮肤、或连接器或另一导体。以类似于多层印刷电路板的方式，具有多个导电层7可能是有用的，该多个导电层7由绝缘层5、9隔开但具有选择性开口11以允许导电层7在特定点形成触点。绝缘层5、9中的孔11也可以被制成允许连接器(未示出)附接至导电层7。这种连接方式例如可以是螺柱压缩紧固件、压合连接器、粘合剂、焊接、锡焊、简单的螺纹紧固件或其他合适的连接器。进行了这样的连接后，就需要对其进行绝缘处理。额外的层可以层压在接头上，这样的层与它所附接的绝缘层具有相同的绝缘性能。其他方法可以包括注射或喷涂到接头上的注塑或树脂。
70.有多种方法可用于在罩套上制作绝缘层和导电层。wo2017/199026a1(kai等人)描述了一种在纺织品上丝网印刷连续层的方法。gb2555592(bungay等人)描述了一种替代方法，其中将多层铺设在转移印刷基材上，然后使用热量或压力将其施加到罩套上。同样，多个层可以通过将绝缘和导电材料的成形层放置并粘合结合或焊接到彼此的顶部来形成。例如，第一绝缘层(例如绝缘层5)可以是厚度为100至200μm数量级的绝缘tpu。导电层7可以是导电线、导电织物、金属箔，或者可以是印刷在第一绝缘层5上的导电油墨图案。第二绝缘层(例如绝缘层9)可以是绝缘tpu的另一成形层，或者是厚度小于100μm的其他聚合物或印刷介电油墨。整个组件可以通过粘合剂层3粘合到织物上。
71.虽然上述大部分内容描述了被施加到罩套的面向皮肤侧25的绝缘层5、9和导电层7的分层结构，也可以将该结构施加到罩套的外表面27a，或即使在两个纺织层27之间的层中。绝缘协调必须考虑到特定应用的风险状况。
72.本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以进行变化和修改。