CN101087998A - 力感测薄膜 - Google Patents

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Abstract

一种力感测薄膜，包括(a)第一导体，可向第二导体移动，(b)第二导体，(c)复合材料，布置在第一和第二导体之间用于在其中间施加足够的压力时电连接第一和第二导体，以及(d)用于测量跨越力感测薄膜的动态电响应的装置，复合材料，包括至少部分嵌入弹性层中的导电粒子，导电粒子，没有相对取向并被布置使得基本上所有的在第一和第二导体之间形成的电连接在z方向上，以及弹性层在释放压力时能够基本回到它的初始尺寸。

Description

力感测薄膜
技术领域
本发明涉及一种力感测薄膜，涉及包括力感测薄膜的装置，并涉及使用力感测薄膜的力感测的方法。
背景技术
力感测薄膜用于各种不同的应用中以检测接触/触摸，检测和测量力或施加的载荷的相对变化，检测和测量力的变化率，和/或检测压力或载荷的去除。
力感测薄膜，通常由包括放置在两个导电触点之间的导电粒子的弹性体组成(“弹性体层”)。当压力施加到导电触点的其中之一时，该导电触点压在弹性体层的表面，并产生导电路径。导电路径由导电粒子链组成，形成经过弹性体的曲径路径。因此，在弹性体中的导电粒子的浓度必须高于特定阈值(即，高于渗漏阈值)以制造一连续路径。当压力增加时，在导电触点和弹性体层的表面之间产生更多数目和区域的触点。因此，经过弹性体和导电粒子产生更多数目的导电路径，并减少跨越弹性体层两端的阻抗。
发明内容
考虑到前述内容，我们认识到因为现有技术的力感测薄膜中的导电路径由许多个导电粒子触点形成，导致在阻抗和磁滞方面的变化。
简言之，在一个方面，本发明提供力感测薄膜，其中导电粒子的浓度小于渗漏阈值，并且基本所有的导电路径经过单一粒子。力感测薄膜包括(a)可向第二导体移动的第一导体，(b)第二导体，(c)复合材料，布置在第一和第二导体之间用于在其中间施加足够的压力时电连接第一和第二导体，和(d)测量跨越力感测薄膜的动态电响应(例如，阻抗、电导、电流、电压等)。如其中使用的，“用于测量‘动态’电响应的装置”包括用于测量不仅仅是通/断的电响应的装置。
复合材料包括至少部分嵌入弹性层中的导电粒子。导电粒子没有相对的取向并被布置成使得基本所有的在第一导体和第二导体之间形成的电连接处于z方向(即，基本所有的电连接处在相对平面的结构的厚度方向上，而不在平面内(x-y)的方向上)。
弹性层需要在释放压力时能够基本回到它们的初始尺寸。如其中所使用的，“能够基本回到它们的初始尺寸”意味着层能在例如1 0秒(优选为1秒或更短时间)内回复到的它的最初厚度的至少90％(优选至少95％；更优选为至少99％；最优选为100％)。
另一方面，本发明提供一种力感测薄膜，包括(a)布置在第一导体上的弹性层，以及(b)复合层，包括至少部分地嵌入布置在第二导体上的绝缘材料中的导电粒子。
第一和第二导体的至少其中之一可向另一导体移动(即，或者第一导体可向第二导体移动，或者第二导体可向第一导体移动，或者两个导体可向彼此移动)。
在其中间施加足够压力的条件下，导电粒子电连接第一和第二导体。导电粒子没有相对取向并被布置使得基本上所有的在第一和第二导体之间形成的电连接在z方向上。
在释放压力时弹性层基本能够回到的它的初始尺寸。
因此，本发明的力感测薄膜满足本领域的力感测薄膜的需求，阻抗和和磁滞的变化比由多个导电粒子触点组成的薄膜小。
还在另一方面，本发明提供使用本发明的力感测薄膜的力感测的方法。
附图说明
图1是力感测薄膜的示意侧视图。
图2(a)和(b)是用在本发明的力感测薄膜中的复合材料的示意侧视图。
图3(a)、(b)、(c)和(d)使用本发明的力感测薄膜的侧视图例示了本发明的力感测薄膜的使用。
图4是本发明的力感测薄膜的另一实施例的示意侧视图。
图5(a)和(b)是本发明的力感测薄膜的另一实施例的示意侧视图。
图6是用于在例子1中描述的本发明的力感测薄膜在对数-对数尺度上的力对阻抗的图表。
尽管本发明可修改成不同的修改和替换形式，但是其中的特性已经通过附图中的例子的方式示出并将会进行详细描述。但是，应该可以理解，本发明的意图不是将本发明限制在其中描述的特定实施例。而是，其意图在于覆盖落在本发明的精神和范围内的所有的修改、等价物和替换物。
具体实施方式
本发明的力感测薄膜能用于多种应用中以检测接触/触摸、检测和测量力或施加的载荷的相对变化、检测和测量力的变化率和/或检测压力或载荷的去除。
当足够的压力施加到本发明的力感测薄膜时，在导体之间形成电接触。对于宽范围的压力，力感测薄膜的阻抗(R)通常根据以下关系随着压力(P)而改变：
R≈1/Pn
其中n接近于整数(unity)。因此，当R和P绘制在对数-对数尺度上时，能获得一条直线。因此，本发明的力感测薄膜是在广泛的动态压力范围上的敏感力/压力传感器。能使用任何合适的装置(例如，利用欧姆表、发光二极管(LED)阵列或具有适当电路的音频信号)读出可变阻抗。
为了在导体之间形成电接触，本发明利用的导电粒子优选以基本所有的电接触通过一个或者多个单一粒子的方式分布在导体之间(即，两个导体与同一个粒子或多个粒子同时电接触)。导电粒子至少部分嵌入在电绝缘层中。弹性材料也允许当压力增大时电接触经过更多数目的导电粒子并允许接触更大区域的导电粒子。当在导体之间不再存在足够的压力时，弹性材料还允许破坏电连接。例如，弹性材料可以是回弹材料，其能够变形以允许在施加压力时形成电接触，并当不施加压力时，使导体回到它们初始分离的位置。当施加的压力增加或减少时，弹性材料的变形将会增加或者减少。
分布导电粒子使得电接触经由一个或者多个单一粒子形成，这样可以有多种优点。因为导体经由单一粒子电接触，所以最多只有两个触点对每个粒子触点的触点阻抗有贡献(导电粒子接触顶部导体是一个触点，而同一个导电粒子接触的底部导体是另一触点)，而且触点的数目对每个特定力感测薄膜的致动都保持一致。这能导致每当致动力感测薄膜时具有相对低的触点阻抗和更一致的、可靠的和可再生的信号。较低的触点阻抗产生更少的信号损耗，其最终产生更高的信噪比，这能造成力传感器件中更精确的力或压力测定。
单一粒子电接触的另一优点是不需要粒子排列(alignment)以及理想的粒子至粒子的取向。例如，在制造期间不需要施加磁场来定位和排列粒子，使得制造过程更容易和成本更低。另外，当使用磁力校准时，导电粒子跨越成品膜的整个厚度，需要施加另一绝缘层，使得整个结构在没有压力时不导电。对粒子排列没有需要，这也能改进相对于一些装置的耐用性，这些装置利用排列的线或长杆，其竖直定位在装置的厚度方向上，当重复致动和/或相对高的施加力时，该线或长杆可受到弯曲和折断。不需要粒子排列和定位，就使本发明的力感测薄膜特别适用于薄膜安装在弯曲、不规则或其它非平面结构的应用中。
因为在静态下(即，没有施加外来的压力)的导体之间的间隙只需要略微比位于导体间的最大的导电粒子大，所以本发明的力感测薄膜也能够被制造得非常薄(例如，在大约1μm和大约500μm之间；优选，在大约1μm和大约50μm)。因此，可以使用相对小的粒子载荷，同时仍维持可靠的性能和足够的分辨率。粒子也能被分布，使得致动力(即，致动力传感薄膜所需要的压力)在薄膜表面上不均匀。因为使用了更少的粒子，所以使用较低粒子密度的能力还具有成本优势。
图1示出一种力感测薄膜100，包括以导电层110的形式的第一导体，以第二导电层120形式的第二导体，在第一和第二的导电层之间的复合材料130，以及用于测量跨越整个力感测薄膜100两端的电响应(在这里表示为阻抗)的装置。导电层110和120的至少其中之一可相对于第二导电层移动，例如，通过施加外部压力。复合材料130具有整个或部分嵌入绝缘弹性材料的导电粒子。绝缘，是指材料的导电性显著小于粒子和导体的导电性，使得当没有施加压力时，施加压力时形成的电连接显著减弱。如其中使用的，“绝缘”材料的阻抗大于大约109欧姆。
导电层110或120的其中之一可以是导电板、箔或涂层。导电层材料可以包括任何合适的导电材料，例如，金属、半导体、掺杂半导体、半金属、金属氧化物、有机导体和导电聚合物等及其混合物。合适的无机材料包括：例如，铜、金以及在电子装置中常用的其它金属或者金属合金，以及透明导电材料，诸如透明导电氧化物(例如，铟锡氧化物(ITO)，锑锡氧化物(ATO)等)。合适的有机材料包括，例如，导电有机金属化合物和导电聚合物，诸如聚咇咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩和诸如已经在欧洲专利公开EP 1172831中所公开的材料。
对于一些应用(例如，保健/医学应用)，优选的是，导电层对湿气是可透过的。优选地，当使用根据ASTM E-96-00的水方法测量时，导电层的湿气透过率(MVTR)至少是大约400g水/m2/24小时(更优选，至少大约800；更优选，至少大约1600；最优选，至少大约2000)。
用于测量跨越力传感器(未在图1中示出)两端的动态电响应的装置能电连接到导电层110和120。用于测量动态电响应的合适的装置包括例如欧姆表和万用表。动态电响应能在欧姆表或万用表上、或通过任一其它合适的装置(例如，发光两极管(LED)阵列或音频信号)读出。
导体可以自支撑或者设在基体上(未在图1中示出)。合适的基体可以是硬的(例如，硬塑料、玻璃、金属或半导体)或柔性的(例如，柔性塑料膜、柔性箔或薄玻璃)。基体可以根据应用而透明或不透明。
布置在导体之间的复合材料包括至少部分嵌入在弹性材料中的导电粒子。导电粒子被布置使得当压力施加到装置以将一个导体相对于另一导体移动时，电连接可以通过接触两个导体的单个粒子形成。
图2(a)示出包括部分嵌入弹性层250中的导电粒子240的复合材料230的一个例子。图2(b)示出包括完全嵌入在弹性层251中的导电材料241的另一复合材料231的例子。而图2(a)和(b)用于示出用在本发明中的复合材料的一个实施例，可以使用任何合适的布置，其中能够使用的导电粒子可以相对于弹性体层或者材料的任何具体表面、以任何合适的比率完全或者部分嵌入任何合适的位置。本发明不排除有隔离情况的复合材料，其中导电粒子在装置的厚度方向上重叠。
优选地，最大的导电粒子至少略微比弹性材料层的厚度小，至少当粒子大小在复合物的厚度方向上测量时是如此。这能有助于避免发生电短路。
合适的导电粒子包括有邻近导电外部表面的任何的适当粒子。例如，导电粒子可以是固体粒子(例如，金属球体)，涂有导电材料的固体粒子，具有导电外壳的中空粒子或涂有导电材料的中空粒子。导电材料例可以包括例如，金属、导电金属氧化物、有机导体和导电聚合物、半导体等及其混合物。被涂敷的粒子的核部可以是固体或中空玻璃或塑料珠、陶瓷粒子、碳粒子、金属粒子等及其混合物。导电粒子可以是透明、半透明、有色或不透明。它们可以有粗糙或者平滑表面，而且可以是硬的或可变形的。
术语“粒子”包括球状珠、拉长珠、截断纤维、不规则形状的粒子等。通常，粒子包括纵横比从1∶1到大约1∶20的微粒子物体(即，最窄的尺寸与最长的尺寸的比，例如，对于纤维，纵横比是长度与直径的比值)，且特征尺寸根据具体应用在大约1μm到500μm。导电粒子分散在复合材料中而没有任何的优选的定位或排列。
合适的弹性材料包括那些能够在本发明的力感测薄膜的导体之间保持足够的电分离性的材料，并且当足够的压力不再施加时，展示出变形和回弹特性，从而允许弹材料被压缩以允许导体的经过一个或多个单一粒子触点的电接触，以根据施加的压力大小而压缩或变形，并使导体回到电分离状态。合适的弹性材料包括：例如热塑(线性或分支)以及热固(交连)聚合物。弹性材料可选地包括分散在其中的非弹性聚合物。
优选地，弹性材料(如果是可固化材料则处于完全固化状态)在大的温差范围内有基本恒定的存储模量(G′)  (更优选地，在大约0℃和大约100℃之间具有基本恒定的G′；最优选地，在大约0℃和大约60℃之间有基本恒定的G′。在此所使用的“基本恒定”意味着变化小于大约50％(优选地比75％少)的变化。优选地，弹性材料的G′在大约1×103Pa/cm2和大约9×105Pa/cm2之间，并在23℃在1Hz时具有在大约0.01和大约0.60之间的损耗角正切值(tan delta)。还优选的是，弹性材料是自愈合的(即，当破裂、破碎或被刺穿时能愈合自身)。还优选的是，弹性材料基本不受湿度影响。
合适的弹性材料包括，例如自然和合成橡胶(例如，苯乙烯丁二烯橡胶或者丁基橡胶、聚异戊二烯、聚异丁烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、丙烯腈/丁二烯、以及功能化弹性体，诸如羧基或者氢氧基改性的橡胶等)、丙烯酸树脂、硅酮，包括不限于：聚二甲基硅氧烷、苯乙烯嵌段共聚物(例如，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯或者苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物)、聚氨酯，包括但不限于：基于脂肪族的异氰酸酯、芳香族的异氰酸酯的聚氨酯及其组合、聚醚多元醇、聚酯多元醇、乙二醇多元醇及其组合。合适的热塑性聚氨酯聚合物以EstaneTM名称在BF Goodrich有售。热固性制剂能结合多元醇和/或多异氰酸酯使用，且其平均功能性超过两个(例如，三功能或四功能组分)。诸如由多异氰酸酯和聚胺反应形成的聚脲也是适用的。合适的聚胺选自一个宽泛的组：包括聚醚和在JeffamineTM名称下Huntsman卖的那些，以及聚胺功能性聚二甲基硅氧烷，如在美国专利号6,441,118(Sherman等)中公开的那些；诸如在HytrelTM下的杜邦公司有售的弹性聚酯；某些茂金属聚烯烃，诸如茂金属聚乙烯(例如，迈阿密州Midland市的DowChemical公司的EngageTM或AffinityTM聚合物)也是合适的。氟化弹性体，诸如DuPont Dow Elastomers生产的VitonTM也是合适的。弹性材料是可以改性的，例如通过碳化氢树脂(例如，聚萜)或增量油(例如，环烷油或成塑剂)，或通过添加有机或无机填充物，例如聚苯乙烯粒子、黏土、硅石等。填充物可以有粒子或纤维形态。优选的，弹性材料包括硅酮(优选为湿气热固型)或苯乙烯嵌段共聚物。
对于一些应用(例如，保健/医学应用)，优选的是弹性材料对湿气要有透过性。优选地，当使用根据ASTM E-96-00的水方法测量时，弹性材料的湿气透过率(MVTR)至少是大约400g水/m2/24小时(更优选，至少大约800；更优选，至少大约1600；最优选，至少大约2000)。
复合材料能以任何合适的方式提供。通常，制造或提供复合材料涉及分布导电粒子和将导电粒子至少部分地嵌在弹性材料中。例如，粒子能首先分布在表面上且弹性材料层能涂敷在其上、压在其上或者层叠于粒子层。分布在其上的粒子的表面可以是力感测薄膜层，例如导体的其中之一或者载体基体，其在粒子嵌入弹性材料中之后去除。作为另一例子，粒子分散在弹性层材料中，而产生的复合物可以被涂敷以形成复合材料。同样作为另一例子，弹性材料能作为一个层，例如通过涂敷，然后导电粒子能分布在弹性材料层上。通过将粒子压入弹性材料层中而嵌入导电粒子，并且可选择地对弹性材料加热以允许弹性材料变软，或者，当弹性材料处在未固化或变软状态时通过将粒子分布在弹性材料层上、可选择地是将粒子压入弹性材料层中，并随后通过硫化、冷却等使弹性材料层变硬。可以利用热、湿和光固化反应，以及两部分系统(two part systems)。
分散导电粒子的方法包括，例如，在美国专利申请公开号03/0129302中公开(Chamber等)。简言之，粒子可以在存在电场的情况下分散到弹性材料层上，由于它们是随机落到层上的，所以有助于分布粒子。粒子带有电荷使得它们互斥。因此，基本避免了侧面电连接和粒子结块。电场还用来产生粒子到膜的吸引力。这种方法能生产随机的、非聚集的导电粒子分布。粒子能以相对均一(每单位区域的粒子数目)的粒子分布以预定密度施加。而且，幅材(web)可以被抛光以更进一步有助于粒子分布。
还能使用其它方法来分散导电粒子。例如，粒子能沉积在微复制释放内衬构成的袋中，如国际公开号WO 00/00563中所公开的那样。弹性材料接着会涂在或者压在这个填充有粒子的衬垫上。
可以使用分布或分散粒子的任何其它的方法，只要粒子这样分布在复合材料中：基本在力感测薄膜的导体之间形成的所有的电接触都是通过一个或多个单一粒子触点构成的。同样地，应该注意减少或者消除在复合物中发生的粒子堆积(即，两个或更多个粒子沿着复合物的厚度方向具有交叠的位置)。
用于将粒子放在介质上的方法应该确保在粒子之间的接触在平面(x-y)方向上减到最少。优选地，不多于两个的粒子应该保持接触(例如，在30cm2区域中)。更优选地，没有任何两个粒子彼此接触(例如，在30cm2区域中)。这将会避免在平面内方向上的由于粒子接触而产生的任何电短路，而且当应用需要多个近距离间隔开的电极时尤为理想。
图3(a)、(b)、(c)和(d)图示了本发明的力感测薄膜的使用，其中电接触通过经一个或多个单一粒子的物理接触获得。力感测薄膜300包括：第一导体310；第二导体320；复合材料330，复合材料330包括布置在导体之间的弹性层350中的导电粒子340；以及用于测量跨越力感测薄膜360的动态电响应的装置。如图3(a)所示，当未在导体之间施加压力时，导体310和320通过弹性层350保持电隔离。如图3(b)所示，当足够的压力施加到第一导体310时，在导体310和320之间能够经由单一粒子触点形成电接触。单一粒子触点是在第一和第二导体之间的那些电触点，其中一个或者多个单一导电粒子各自都与第一和第二导体接触。如图3(c)所示，当更多的压力P′施加到第一导体310时，弹性层350进一步压缩并且可以形成更多的单一粒子触点。如图3(d)所示，当去除所有的压力时，弹性层350返回到基本上它的初始尺寸并且不形成电接触。
导电粒子具有一个尺寸分布，使得所有的粒子的尺寸(或形状)不完全相同。在这些情况下，较大的导电粒子能在附近的较小导电粒子之前发生电接触，甚至排除附近的较小粒子。这是否发生及其发生的程度取决于粒子的尺寸和形状分布、有没有粒子聚集、粒子的加载密度和空间分布、可移动导体(或者可移动导体/基体组合)的弯曲和适应局部变化的能力、粒子变形性、其中嵌入有粒子的弹性材料的变形性等。这些和其它特性能被调整使得当足够的压力施加在第一导体和第二导体之间时，能够形成期望数目的每个单位内的单一粒子电接触。还可以调整特性使得当在第一导体和第二导体之间施加一个给定量的压力而不是不同量的力/压力时，形成期望数目的每单位内单一粒子电接触。
在一些实施例中，优选的是粒子尺寸分布相对窄，且在一些情况下，优选的是所有粒子的大小基本相同。在一些实施例中，期望的是粒子大小具有双模态分布。例如，期望的是在复合材料中分散有两种不同类型的粒子、较大的粒子和较小的粒子。
图4示出本发明的力感测薄膜的另一实施例。力感测薄膜400包括第一导体410，包括布置在第二导体420上的弹性层450中的导电粒子440的复合材料430，以及用于测量跨越力感测薄膜460两端的动态电响应的装置。间隔件470在复合材料430和第一导体410之间产生一个间隙480(例如，空气间隙)。在复合材料和第一导体之间增加空气间隙会改变力感测薄膜的敏感度，并可以由此用于针对具体的应用而定制传感器。或者，间隙可以用非导电填充物材料填充。填充间隙能提供以下优点：诸如由于填充物材料提供的保护提高了具有倾向于破裂和剥落的导电体(例如，透明的导电层)的力感测膜的耐用性。
本发明的力感测薄膜还能通过对弹性层压花(例如，提供微复制表面)而针对具体的应用来定制。对弹性层压花可以允许空气自由移动进出薄膜，并能因此降低薄膜的致动力。压花还有助于避免短路。或者，可以将微球(例如，来自Akzo诺贝尔的ExpancelTM微球)散布在弹性材料中。
图5(a)和5(b)例示了根据本发明的具有两层结构的力感测薄膜的实施例。在图5(a)中，力感测薄膜500包括，布置在第一导体510上的弹性层590，以及复合层530，包括在布置在第二导体520上的绝缘材料550中的导电粒子540。用于测量跨越力感测薄膜(未示出)两端的动态电响应的装置能电连接到力感测薄膜。优选地，复合层的厚度小于平均的导电粒子尺寸。由于复合层太薄，所以布置在第一导体上的弹性层有助于防止发生电短路(防止意外的电极-粒子-电极的电接触)。
在图5(b)中，导电粒子540已经被压缩下来(例如，通过经过一个辊压)，使得它们中的至少一些总与第二导体520接触。当粒子被压(nip)下且复合层的厚度被控制成小于平均的粒子尺寸时，致动力(即，需要电连接第一和第二导体的力)由弹性层的厚度和属性控制。绝缘材料的属性和复合层的导电粒子对致动力的影响相对小。因此，力感测薄膜可以设计成具有特定的致动力。
绝缘材料可以是任何绝缘、成膜、可固化材料。绝缘材料可以是弹性或非弹性材料。绝缘材料可以包括例如，聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸脂、聚酯、聚烯烃、聚酰胺等及其混合物。优选地，绝缘材料是在释放压力时能够基本回到它的初始尺寸的弹性材料。更优选地，绝缘材料包括的弹性材料在大约0℃和大约100℃之间具有基本常量的G′(如果是可固化材料则处在其完全固化状态)；最优选在大约0℃和大约60℃之间。优选地，绝缘层的的G′在大约1×103Pa/cm2和大约9×105Pa/cm2之间，并在23℃时在1Hz处具有在大约0.01和大约0.60之间的损耗角正切值(tan delta)。优选的是，弹性材料材料是自愈合的。
在本发明的两层式力感测薄膜中，弹性层或绝缘材料层或两者能被压花。
本发明的力感测薄膜能可选在一个或两个导体上包括覆盖层(例如，塑料膜或泡沫层)。典型地，覆盖层厚度小于大约5毫米(优选地，小于大约2毫米厚度)，使得它们不影响力感测薄膜的响应。当在医学应用中(例如，检测力以避免褥疮、糖尿病脚溃疡或石膏下的过度压力)使用力感测薄膜时，覆盖层特别有用。在医学压力感测应用中使用覆盖层的例子包括泡沫鞋垫、床单、绷带和袜子。
本发明的力感测薄膜还能可选地密闭在合适的材料中以提供防水/湿气的性能。
本发明的力感测薄膜在许多应用中是有用的。例如，本发明的力感测薄膜在保健应用中有用的，诸如用于在对石膏下的过度压力报警，或用于监测压力以预防褥疮和糖尿病性脚或腿溃疡。优选地，如果本发明的力感测薄膜将会接触或者接近病人的皮肤，则它们对湿气蒸汽有透过性以让湿气蒸发远离皮肤。
很多个体，例如，当疾病发展时，糖尿病人经历低极端的不良感觉。通常，只使用视觉观察这些个体来决定是否压力过度或者皮肤溃疡正在脚的皮肤上产生。这种溃疡通常是经过站立或步行过度施加在脚上的特殊点的压力和/或切变应力的结果。本发明的力感测薄膜考虑到脚的压力估测。例如，本发明的力感测薄膜与袜子、绷带或鞋垫结合(例如，缝制、织、粘或热结合、通过钩或环状物连接、插入包或通过任一合适的装置结合)以测量在脚的关键区域上的压力。薄膜能电连接到微处理器或用于数据记录的离散逻辑电路。力感测薄膜也能电连接到信号处理单元，以在超过指定的压力阈值时提供音频、视频或触觉的(例如，震动)响应。
包括多个本发明的力感测薄膜构成的阵列还可用在医疗应用中。例如，力感测薄膜构成的阵列可以设置在床中的不同位置上以监测压力从而预防褥疮。力感测阵列可以均匀或者非均匀地间隔开。
本发明的力感测薄膜还可用在，例如汽车应用(例如在座位传感器中或者安全气囊配置)，消费者应用(例如，作为载荷/重量传感器或者在“智能系统”中以感测在架上的物品的出现或缺失)，制造应用(例如，监测辊压压力)，运动应用(例如，用于监测速度、力或冲击或用作在球棒或球拍上的把手传感器)等。
例子
通过下面的例子进一步说明本发明的目的和优点，但是其中在这些例子中引用的特定的材料和数量还有其他的条件和细节，不应被理解为对本发明的不应有的限制。
材料
在例子中使用的材料在下面的表格中示出。材料的复合以phr(对每100份(以质量计)橡胶添加的份数)表示。UC硅酮由可从克朗普顿(康涅狄格州的格林威治)商业买得到的Y-7942的聚二甲基硅氧烷；铂催化剂是可从加拿大的奥尔德利(加拿大的奥克维尔)买到的、在以1phr分散在UC硅酮中的分散的铂细粉末；DC1107是可从DowCorning公司(迈阿密州Midland市)买得到的交叉连接器；DM是二甲基马来酸酯，可从Fischer Scientific公司(加拿大渥太华)购得；以及硅石，是可从Cabot公司(伊利诺斯州的Tuson市)买到的M3 Cab-o-sil煅制氧化硅(fumed silica)。
    UC硅酮(phr) 铂催化剂(phr)   DC1107(phr)     DM(phr)   硅石(phr)
  SMHV3SMHV-3SSMHV-9SMHV-16     100100100100 0.330.330.330.33   1.102.100.390.80     0.900.900.260.60   0200
G165730N是KratonTM G1657(可从德克萨斯州休斯顿市的KratonPolymers公司买到)和的30phr的Nyflex 22b处理油(可从德克萨斯州休斯顿市的Nynas USA Inc.公司买到)的混和物。
测试单元
使用称作力装置(the force apparatus)的装置来评定传感器，其由测量施加在传感器上的正交力的载荷单元(可从美国康涅狄格州Hartford市Omega Engineering Inc.买到)组成。
将被评定的传感器水平放置在载荷单元上并用胶带固定。在具有大约275kPa压缩空气的计算机控制的条件下，连接到两个阀(可从俄亥俄州辛辛那提的Clippard Instrument Laboratory买到的型号EC-2-12)的气动缸(可从康涅狄格州Norwalk的Airpot公司的型号E9X 0.5N)，直接位于载荷单元上方。通过依次打开和关闭阀，缸以预定的固定步骤向下移动以增加放置在载荷单元上的传感器上的压力。载荷单元连接到显示装置(可从康涅狄格州Hartford市Omega Engineering Inc.买到的型号DP41-S-A)，显示出施加的力。一旦达到力的预定限度，则使用排气阀将空气从系统中排出以减少传感器上的压力。
传感器的导体连接到万用表以记录传感器的电响应。使用数字万用表(可从俄亥俄州克里夫兰的Keithley有限公司买到的Keithley型197-A微伏DMM)来测量传感器的阻抗。从载荷单元读取的施加压力以及从万用表读取的传感器的电响应由基于数据获取系统的PC捕获。施加的压力范围在0.1牛顿到10牛顿，且施加的压力以大约0.028牛顿/秒(1.67牛顿/分钟)的比率实现。
n值的说明
当测量跨越压力传感器两端的阻抗时，阻抗相对压力的响应绘制在对数-对数图表上。在特定范围内，幂律关系可以由以下公式给出：阻抗＝A/Fn，其中A是常数，F是力，n(“n值”)是对数-对数图表上最佳拟合线(由线性回归确定)的斜率。n值表示传感器的敏感度。n值越高，施加压力的给定变化对应的传感器的阻抗变化就越大。n值较低意味着对于施加压力的相同变化，阻抗的变化较小。
R2的说明
如上所述，阻抗相对力的响应可以绘制在对数-对数图表上，并能够确定最佳拟合线。如本领域中已知的，线性回归的拟合度(或者拟合良好的程度)可以由R2指出。R2是在0.0和1.0之间的分数。R2越接近1.0，拟合越好。当R2是1.0时，所有的绘制点恰好位于一条直线上而没有散点。
例子1
涂覆有铟锡氧化物(ITO)的玻璃纤维，可从3M公司(明尼苏达州圣保罗市)作为SD220买到，其分散在未固化的、刮刀涂覆层(大约25微米厚)的734硅酮橡胶上(Dow Corning公司，迈阿密州Midland市)。使用已经在美国专利申请公开号03/0129302号(Chamber等人)中描述的粒子分布器来分散粒子。在硅酮橡胶在室温下一个晚上固化之后，一小块(大约20毫米×20毫米)嵌入有粒子的硅酮橡胶被切下并转移到一铜箔带(明尼苏达州圣保罗市3M公司的3M 1190)上并通过将胶带围绕在嵌入有粒子的硅酮的边缘上而使用ScotchTM胶带固定。另一铜箔带放置在其顶端上，确保两个铜箔不会彼此接触。两个铜箔通过ScotchTM胶带彼此电隔离。
产生的传感器使用上述的力装置测试单元测试。在对数-对数图表上绘制的测试数据在图6中示出。最佳拟合线的n值是1.02，R2是0.992。
例子2
在例子1中描述的传感器通过如下的重复加载和卸载循环来测试周期其耐用性。
生命周期测试系统(来自伊利诺斯州Elgin市的Tricor Systems公司的型号933A)用于测试传感器的耐用性。测试系统有气动控制缸，其以选定的频率压传感器，同时对上/下循环数计数。跨过传感器两端连接的万用表测量了跨越它两端出现的电压。传感器被测试了1000个循环并可以看到每个循环对力曲线大约生产相同的电压。
例子3
在例子1中描述的传感器连接到LED(发光二极管)条形图显示电路。通过用手指压传感器在传感器上施力，使得显示器响应于施加的力而点亮LED区段。
例子4
在将不同的覆盖材料放置传感器上之后，使用力装置测试单元如上所述地测量基本上与在例子1中描述相同的传感器的特性。覆盖材料简单放置在传感器的顶部。覆盖物包括：
1.MelinexTM聚酯膜(弗吉尼亚州Hopewell市的杜邦公司)以及
2.EquateTM泡沫缓冲鞋垫，140mil厚(加拿大安大略省Downsview市的National Home Products有限公司)
传感器特性在施加有覆层时基本不变，如表1(聚酯膜)和表2(泡沫鞋垫)所示。n值示出将不同覆层放置在传感器顶端上不会显著改变传感器的敏感度。
表1-聚酯覆层
    条件     n     R2
    123     无覆层PET 10mil覆层PET 14mil覆层     1.481.581.49     0.9600.9870.979
    4     PET 20mil覆层     1.48     0.984
表2-泡沫鞋垫覆层
    条件     n    R2
    12     无覆层有泡沫覆层     1.151.12    0.9900.933
例子5
为了分析在导体和复合材料层之间的空气间隙的影响，将3M 810带(明尼苏达州圣保罗)用于在传感器的硅酮橡胶层和顶部铜箔带之间建立一个空间，该传感器基本与在例子1中描述的相同。使用力装置测试单元测试该传感器，具有下面列出的空气间隙厚度。结果(在表3中)表示出当空气间隙增大时，传感器的敏感度增加，如增加的n值所示。
表3
    间隔(微米)     n     R2
    1234     0187.5375562.5     1.71.73.34.2     0.9820.9820.9610.907
例子6
传感器基本如例子1中所描述地制备，除了下面示出的弹性体和涂有玻璃珠而非纤维的铟锡氧化物(ITO)。覆有玻璃珠的铟锡氧化物(ITO)是可从3M公司(明尼苏达州圣保罗)买到的SD110，其被分散在未固化的、刮刀涂覆的弹性体上，如下所示弹性体大约1mil(25微米)厚。使用力装置测试单元测试该传感器。还记录了传感器(Fi)的致动力，其定义为以出现1k欧姆的阻抗所需的力。
表4
   弹性体   G′(Pa)     Tan delta     Fi(kg)     n
    123    Dow Corning 734SMHV-3SG5730N   2.0×1052.0×1052.5×105     0.050.010.15     0.1500.1500.250     1.41.12.4
例子7
所研究的弹性体(在表5中示为“底部”弹性体)被刮刀涂覆在涂有ITO的聚酯形成的导电层上，以获得37.5微米(1.5mil)的厚度。涂有ITO的玻璃珠以大约1.5g/ft2的密度分散在弹性体层上。通过在两个橡胶辊之间辊压带涂层的弹性体，将粒子嵌入弹性层内。这种涂层弹性体在烤箱的120℃空气中固化5分钟。在涂有ITO的聚酯构成的分开的导电层上，弹性体(在表5中示出为“顶部”弹性体)被刮刀涂覆到厚度为12.5微米(0.5mil)，且弹性体在烤箱的120℃空气中固化5分钟。将两层放到一起使得弹性体彼此面对，然后用包装胶带(明尼苏达州的圣保罗3M公司的3M 3710胶带)捆在一起。使用铜电箔带(明尼苏达州圣保罗的3M公司的3M 1190带)对两个导电层形成电连接，且使用力装置测试单元测试该传感器。结果如表5所示。
在表中示出每个传感器的G′和顶部弹性体层的tan delta以及致动力(Fi)，致动力定义为表现出1 k欧姆的阻抗所需的力，还示出了n值。更高模量的弹性体显示出更高的致动力和更高的n值，也就是对力的更高的敏感度。
表5
  弹性体(顶部/底部)     顶部G’(Pa) 顶部Tan Delta     Fi(kg)     n
  1234   SMHV16/SMHV16SMHV16/G5730NSMHV3/SMHV16SMHV3/G5730N     0.5×1052.0×105 0.040.01     0.0300.0300.1200.090     0.970.941.41.3
对于本领域技术人员而言，在不背离本发明的精神和范围的情况下，对本发明进行多种修改和替换是显而易见的。应该了解本发明意图并不在于受到例示的实施例和其中提出的例子的没必要的限制，并且这种例子和实施例只以举例的方式表示，而本发明的范围只受到提出的权利要求的限制。

Claims (46)

1.一种力感测薄膜，包括：
(a)第一导体，可向第二导体移动，
(b)第二导体，
(c)复合材料，布置在第一和第二导体之间用于在其中间施加足够的压力时电连接第一和第二导体，以及
(d)用于测量跨越力感测薄膜的动态电响应的装置，
复合材料，包括至少部分嵌入弹性层中的导电粒子，
导电粒子，没有相对取向并被布置使得基本上所有的在第一和第二导体之间形成的电连接在z方向上，以及
弹性层在释放压力时能够基本回到它的初始尺寸。
2.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括在大约0℃和大约100℃之间有基本常量G′的弹性材料。
3.根据权利要求2所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括在大约0℃和大约60℃之间有基本常量G′的弹性材料。
4.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括在大约1×103Pa/cm2和大约9×105Pa/cm2之间的G′，并在23℃时在1 Hz处具有在大约0.01和大约0.60之间的损耗角正切值。
5.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括自愈合的弹性材料。
6.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括选自硅酮和苯乙烯类嵌段共聚物的弹性材料。
7.根据权利要求6所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括硅酮。
8.根据权利要求6所述的力感测薄膜，其中所述弹性层包括苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物。
9.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子被布置使得基本上所有的在第一和第二导体之间形成的电连接经过单一粒子形成。
10.根据权利要求9所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子被布置使得只有两个粒子彼此接触。
11.根据权利要求10所述的力感测薄膜，其中没有两个粒子彼此接触。
12.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子包括金属。
13.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子包括有导电涂层的核部粒子。
14.根据权利要求13所述的力感测薄膜，其中所述核部粒子包括玻璃粒子。
15.根据权利要求13所述的力感测薄膜，其中所述核部粒子包括中空粒子。
16.根据权利要求13所述的力感测薄膜，其中所述导电涂层包括金属。
17.根据权利要求13所述的力感测薄膜，其中所述导电涂层包括导电氧化物。
18.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子基本为球形。
19.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子是纤维。
20.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述第一和第二导体分别布置在第一和第二基体上。
21.根据权利要求20所述的力感测薄膜，其中第一和第二基体的至少其中之一有柔性。
22.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其还包括布置在第一或第二导体上的覆盖层。
23.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中在复合材料和第一和第二导体的其中之一之间有间隙。
24.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述复合材料还包括非导电填充物。
25.根据权利要求1所述的力感测薄膜，其中所述薄膜的厚度在大约1mm和大约500mm之间。
26.根据权利要求25所述的力感测薄膜，其中所述薄膜的厚度在大约1mm和大约50mm之间。
27.一种力感测薄膜，包括：
(a)布置在第一导体上弹性层；以及
(b)复合材料，包括至少部分嵌入布置在第二导体上的绝缘材料中的导电粒子；
第一和第二导体的至少其中之一可向另一导体移动，
导电粒子，在其中间施加足够压力的情况下电连接第一和第二导体，
导电粒子，没有相对取向并布置使得基本上在第一和第二导体之间形成的所有的电连接在z方向上，以及
弹性层在释放压力时能够基本回到它的初始尺寸。
28.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其中所述绝缘材料在释放压力时能够基本回到它的初始尺寸。
29.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其中所述弹性层和绝缘材料之一或两者包括在大约0℃和大约100℃之间有基本常量G′的弹性材料。
30.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其中所述弹性层和绝缘材料之一或两者包括在大约0℃和大约60℃之间有基本常量G′的弹性材料。
31.根据权利要求27的力感测薄膜，其中所述弹性层和绝缘材料之一或两者包括在大约1×103Pa/cm2和大约9×105Pa/cm2之间的G′和在23℃时在1Hz处在大约0.01和大约0.60之间的损耗角正切值。
32.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其中所述弹性层和绝缘材料之一或两者包括自愈合的弹性材料。
33.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子被布置使得基本上所有的在第一和第二导体之间形成的电连接经过单一粒子。
34.根据权利要求33所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子被布置使得只有两个粒子彼此接触。
35.根据权利要求34所述的力感测薄膜，其中没有两个粒子彼此接触。
36.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其中所述复合层的厚度比导电粒子的平均大小小。
37.根据权利要求36所述的力感测薄膜，其中所述导电粒子的至少其中一些总与第二导体接触。
38.根据权利要求27所述的力感测薄膜，其还包括用于跨越力感测薄膜测量动态电响应的装置。
39.含有根据权利要求1所述的力感测薄膜的装置。
40.根据权利要求39所述的装置，其中所述装置与袜子、绷带或鞋垫结合。
41.包括多个权利要求1所述的力感测薄膜构成的阵列的装置。
42.包括权利要求27所述的力感测薄膜的装置。
43.根据权利要求42所述的装置，其中所述装置与袜子、绷带或鞋点结合。
44.包括多个根据权利要求27所述的力感测薄膜构成的阵列的装置。
45.一种力感测方法，包括：
将压力施加到权利要求1所述的力感测薄膜，以及跨越力感测薄膜测量电属性的变化。
46.一种力感测方法，包括：
(a)将权利要求27的力感测薄膜的第一和第二导体电连接到用于测量动态电响应的装置，以及
(b)跨越力感测薄膜测量电响应。
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