CN101479582B - 纺织物的扭曲和/或张力和/或压力传感器 - Google Patents

纺织物的扭曲和/或张力和/或压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纺织物的扭曲和/或张力和/或压力的传感器。该纺织物传感器是电阻类的传感器，由以下组成：至少一个基础织物层(1)，包括任意合成物和/或混合物，并且利用任意技术制得；可选的表面处理层(2)，以使织物(1)的表面更为均匀；单个导电层(3)，具有几何形状分布的轨迹以确定对导电流体的应力敏感的区域(31)；以及位于导电层(3)上的封装和保护层(4)；可选的织物上层(5)；以及连接至轨迹的至少一个信号转换器(7)，当上述的一个区域(31)被压时，张力或扭曲将使所述轨迹的电阻产生很大变化，并可被转换器(7)检测出。传感器可选的包括印记(6)，其用于在一个织物层(1、5)的外表面上形成上述区域(31)。

Description

纺织物的扭曲和/或张力和/或压力传感器
技术领域
本发明涉及一种纺织物的扭曲和/或张力和/或压力传感器，可用于该纺织物表面的一个或多个区域上。
背景技术
目前，纺织物的应力传感器主要基于金属线的运用。
在纺织物的压力传感器中，一些导线形成两个导电层，这两个导电层被连续的或间断的非导电的或部分导电的夹层隔开。
在这种结构的情况下，传感器的属性可以为电阻变量，因为两个导电层可由于压力而相互接触，夹层无法使之避免，一旦压力消失两个导电层又恢复到原来的位置。这类传感器称为电阻传感器。在其他类型的传感器中，传感器可以为电容器的电容变量，这通过在两个导电层之间插入了绝缘或非导电层来实现。因为这种设计的电极或导电层之间的距离也是变化的，所以层或线之间的电容发生变化。这类传感器称为电容传感器。
在拉伸应力传感器中，导线具有压电电阻特性，这种材料的一种固有特性，通过这种特性，拉伸应力可获得电阻的变化。
没有关于纺织物的扭转传感器的任何参考文献。
已有若干类装置可以使织物或织物片材发挥应力传感器的作用，尤其是通过接触应力，而将电子装置实施于布料、柔性片材及其它类似物。
由ETHETH TRANSFER提出的PCT专利申请WO2005121729已经公知。该专利公开了一种接触式电容类压力传感器。具有电容系统的传感器的致动原理在于形成了至少三个层，其中两层是导电类的，第三个是非导电类的，以形成电容器；其中一个导电层是连续的，另一个导电层由若干分离的电极形成，使得可测定其表面上应力的不同分布。
由KONINK PHILIPS ELECTRONICS NV提出的PCT专利申请WO2005096133已经公知。该专利公开了由三层形成的接触式压力传感器：两个导电层和一个由压电电阻材料构成的中间层，压电电阻材料不连续地分布在中间层上。
由TEXTILFORSCHUNG-INSTITUT
Figure G2007800235024D00022
VOGT提出的德国登记DE102001025237已经公知。该文献公开了一种基于形成网的导线的压力和作用力传感器。由于网的扭曲引起的线的扭曲将导致电阻的变动。这样得到的是用来测定压力的牵引传感器，因而它只能进行一种测定。
由LAB ELECTRONIQUE ANGELIDIS&SARRAULT提出的专利FR2834788已经公知。该专利公开了一种接触式压力传感器，其绝缘的织物两面均浸渍有通过浸渍步骤或金属颗粒稀释制得的传导颗粒。该传感器的操作利用一模块来进行，该模块可比较织物受压时电容量的变化。该传感器是由以检测存在为目的的三个电容型层形成的有源系统。
由ELEKSEN LTD提出的PCT专利申请WO2005073685已经公知。该专利公开了一种线性传感器，其由设置在两层织物上的导线形成，一层是纵向的，另一层是横向的，当表面受压时，两面上的线彼此接触，因此发生导电。
由BREED AUTOMOTIVE TECHNOLOGY INC提出的PCT专利申请WO0161298已经公知。该专利公开了一种基于沉积在塑料膜上的导电油墨检测输出电压从而检测出按纽和传感器中电压中断的时刻的装置，这类装置在专利US 5398962、US 5563354和US 5541570中有所公开，目的是发展汽车工业现有的传感器。
由DREAGER TN提出的美国专利US 5371326已经公知。该专利公开了针对玩具制造业开发的电导体，其中在无纺织物上沉积了导电材料，当导电材料颗粒在所述织物之间接触时该织物可用作开关。
发明内容
本发明公开的纺织物的扭曲和/或张力和/或压力传感器包括一系列技术特征，目的是获得所谓的“智能织物”，作为一种基本的实施，其可实施为电子装置中的输入装置和界面，当然也包括其它应用。另外，这个过程允许非常有规律地沉积导电轨道，这些轨道适于在电子装置之间供给和传送数据，即，源于智能织物的所有应用，例如：嵌入织物并由所述轨道供电的LED、纺织物连接线和柔性电路板。
本发明是一种电阻型的纺织物的扭曲和/或张力和/或压力传感器及其制造方法，该传感器具有单个导电层、面积大、高分辨率、以及百分之百利用纺织物材料制成。
该纺织物传感器具有一系列叠层，至少包括以下的层：
a)由任意合成物和/或混合材料并利用任意编织技术制得的基础织物层：具有或不具有均匀表面的针织物、纺织物和/或无纺织物。如果织物是不均匀的，可加上表面处理步骤以获得均匀性。该处理可以是例如在织物层基础上施加一个聚合物涂层。公知的是，聚合物涂层通常被施加在织物上以加强织物的抗磨损性和耐久性并且根据选择的孔隙率和/或阻燃要求以及其它特性提供具有或不具有散发性的流体静力学阻力。该涂层可在改善织物表面均匀性的同时提供良好的导电流体的粘附性。
b)位于织物层上的导电层，通过在基础织物层上沉积导电流体获得，该导电层由形成应力区的轨迹确定。这些流体可由例如金属颗粒、碳或导电聚合物组成。对于大部分情况来说，这些流体利用金属颗粒，如银或铜，或利用碳颗粒沉积在支撑矩阵材料上制成，但目前可使用以导电聚合物为基的油墨。称为PTF(聚合物厚膜)的聚合物树脂形成该支撑矩阵。这些PTF可以是热塑性或热稳定的。这两类都可用于应力传感器的开发中。可例如利用传统的织物压印法如丝网压印法沉积这些流体，以及为了达到相同目的，也可使用通过数字压印法施加的数字导电流体。织物数字压印法是更为通用的制造方法。在两种制造系统的任一种中，通过设计系统来设计导电轨迹，优选借助于电脑。
c)导电层的封装和保护层，例如聚合物可形成该层。这些聚合物能抗高温，具有较好粘度并被调整为易于模制的。这些聚合物适宜粘附在聚酯、棉或任意其它类型组合的织物上。
d)可包括的织物上层，由任意合成物和/或混合物利用任意织物技术制成：具有或不具有均匀表面的针织物、网格织物和/或无纺织物。
e)连接至导电轨迹的信号转换器，目的是通过测定轨迹电阻的变化来检测应力，发出数字信号。
f)可包括的在织物层结构的两外表面上的任何一个上的印记，该印记由激活区图标形成。该印记可利用任意传统压印技术和/或利用任意数字织物获得。
纺织物的压力织物传感器的操作原理基于一种线状轨迹的实施方式，在该轨迹的长度上的某处，可在很小的表面上形成至少一个之字形、螺旋形或其它较长形的应力区。
称为激活区的这个应力区可覆盖特定的表面，例如感知接触的纺织物的压力传感器可用于触控按钮中，其表面可等于或大于按压接触期间手指的平均表面积。激活区的目的是当由于压力而扭曲时该区域上的应力必须产生轨迹电阻的最大变化。当其上被施加应力时，具有导电流体的压印线的电阻将发生显著变化。这个电阻变化由在Z方向上施加压应力时轨迹的变形引起。例如，这时由于电阻的增大，在轨迹的全部X、Y和Z方向上均出现显著变形。例如，单层结构在1.5kgf/cm2的压力下(在1.5cm2的平均接触表面上食指训练时的平均最大压力)在Z轴上可承受最大12％的变形，与选择的材料相一致。
可以利用这个现象获得所需功能，即使由于在制造过程期间的差异，没有施加压力时所述电阻值大不相同。在任何情况下，这个剩余(left-to-stand)电阻在数百欧姆的范围内，当激活层被按压时它的变化可以是第六个量级(从数百欧姆至数兆欧姆)。
任一轨迹的输出端受到监控电压时，可获得一个变化的信号，该信号根据在之字形区域或在拉应力的情况下在其延伸段上施加的应力模式(或无应力的)而变化。参考电压值本身并不相关，但提供了根据织物导电轨迹，即，确定的应力区上的等量电阻值调整电路灵敏度的可能。
该信号转换器负责响应于织物上施加的应力获得数字信号，该应力施加在之字形区域和其它在很小的面积上的线状图案上。一旦获得这种标准数字信号，将被送至电子设备中以获得解释或操作调整。
该信号转换器可包括电位计或类似根据之字形区域或线状图案的应力和响应监控敏感性的设备，还包括分压器，例如电阻，其可确定触发器阈值。
在转换器输出端激活纺织物传感器导致信号斜升和尤其是斜降的电阻变化，这些变化均不是瞬时的，也不是恒定的也不是反复的，而是产生一个导电轨迹调整电阻的瞬变周期。用于转换器中的比较器具有足够的滞后以吸收这些变化并产生稳定的数字信号。还可能进行数字信号的后处理。
可能由于设计的需要，一个轨迹可示出不止一个应力区，这些区以连续的方式排列。
通过将数个轨迹以交叉的形式重叠，可以实施一种矩阵设计，从而可以倍增数个激活区。
事实上，传感器可包括在封装和保护层以及织物上层之间的放大结构，其中设置了第二敏感导电层轨迹。在一层中的每个轨迹均具有多个与所述增加的层的轨迹中的激活区相匹配的激活区。这些增加的轨迹设置成与第一层轨迹的取向垂直，因而在任何纺织物传感器轨迹的之字形区或线状图案上的任何应力可导致每个层中单个轨迹的激活，因而只要两个信号时即可确定每个激活区。为此，传感器最后还具有一个倍增转换器，用于对位于两个层上的数个轨迹进行矩阵处理，处理速度比比较器的一个轨迹接一个轨迹快。计划使所述倍增转换器还适用于监控单层上的数个轨迹。
附图说明
为了使本说明书更为充实以及使本发明的特征更易于理解，本说明书还包括了一组附图，这些附图是示例性的，不起到限定的作用，附图是：
图1示出了具有不同层结构的传感器的横截面图；
图2示出了一个实施例中具有与两个触控按钮相关的两个敏感应力区的传感器的底面图；
图3示出了具有多个激活区的轨迹的示意图；
图4示出了具有不同层的矩阵型传感器的横截面图，其中突出了形成矩阵结构的两个层；
图5示出了两层错位轨迹的底面图；
图6示出了在一个层上的信号转换器的电路例子的图。
具体实施方式
在附图中可以看出，纺织物传感器被构建成一种层压状结构，它包括：
-一层基础织物层(1)，其形成了传感器外表面中的一个。
-可带有的表面处理层(2)，以使织物(1)均匀。
-单层的轨迹导电层(3)，由导电流体形成，通过织物层(1)上的扭曲和可选的表面处理(2)使每个轨迹与一个应力或激活区(31)相一致，因而构建了对应力敏感的导电层，这些轨迹(3)例如通过数字压印法沉积在织物层(1)和可选的表面处理(2)上。
-导电层(3)上的封装和保护层(4)，例如利用温度和压力以片材形式施加的热塑反应类聚合物，因为它们具有胶粘的特性。
-信号转换器(7)，其将构建在层(3)上的轨迹的电阻变化转换成数字信号，该电阻变化由在层压结构上施加应力使其扭曲和最终撕裂所导致，该数字信号可被发送至进行解释的装置或机构(未示出)等和可操纵一些其他装置的设备上。
-可带有的上织物层(5)，利用任意技术和合成物和/或混合物形成，并形成第二外侧。
-在织物片材(1、5)的一个外表面上可带有的印记(6)，如图2所示，在该印记(6)上形成的图标和字符，其与对应力敏感的区域(31)相匹配。
如图2所示的轨迹导电层(3)具有压力区域(31)，通过在轨迹上采用具有银颗粒的导电流体，该区域构建成小面积的实心之字形或线状的图案。
图3中可注意到具有一系列排列的数个应力区(31)的层(3)的轨迹，目的是形成若干个应力点，优选压力点，如按钮或触觉传感器上的压力点。
在一个替换实施例中，可制造与具有若干之字形区的矩阵传感器结构相一致的传感器，该传感器包括位于封装和保护层(4)与织物上层(5)之间的导电轨迹第二敏感层(3a)和表面处理层(2a)，因而获得具有层叠轨迹的两个敏感层(3、3a)的结构。图5示出了层(3、3a)的这些轨迹，其中可注意到，第一层由具有数个平行排列的应力区(31)的轨迹构成，第二层由按类似方法但以交叉方式排列的横向轨迹(3a)构成，一个层的应力区(31)与另一个层的至少一个应力区(31a)相叠加，形成匹配物。
在种个结构中，两个层(3、3a)的轨迹均连接至信号转换器(未示，但与图6示出的类型类似)，在这种情况下为倍增转换器，用于检测对于所有的形成的轨迹来说都是叠加的匹配或成对的应力区域。
转换器(7)主要包括张力比较器(71)，其由轨迹(3)和限制触发阈值的分压器电阻(72)构成循环，二者均提供一特定的电压，而以电位计(73)的电压一可变电阻为建立灵敏度的参考值。
以上参考上述实施例解释了本发明。然而，显然的是，可对公开的部件的材料、形状、尺寸和排列进行修正，只要不改变本发明的必要技术特征即可。

Claims (9)

1.一种纺织物的力传感器，用于检测纺织物的扭曲和/或张力和/或压力，其特征在于包括：
-至少一层织物基础层(1)，其由任意合成物和/或任意其它材料的混合物通过任意技术制成；
-导电层(3)，通过采用任意可用的压印技术，在织物基础层(1)上沉积多个导电流体轨迹而形成，这些轨迹对其整体和/或应力区(31)上扭曲所引起的应力和/或应力引起的撕裂敏感，也对由相邻层材料引起的回弹敏感；
-至少一层封装和保护层(4)，位于导电轨迹上，由具有绝缘、保护和粘附特性的可反应聚合物组成；
-织物上层(5)，由任意合成物和混合物通过任意技术制得，位于封装和保护层(4)上，
-至少一个信号转换器(7)，直接或通过导体连接至导电层(3)的轨迹。
2.根据权利要求1的传感器，其特征在于：织物基础层(1)的起到支撑织物导电层作用的表面上带有表面处理层(2)，由具有隔热和电绝缘特性的聚合物涂层形成，目的是获得更均匀的表面。
3.根据权利要求1的传感器，其特征在于：包括位于织物基础层(1)和织物上层(5)中任一层的外表面上的一个层或印记(6)，其上形成应力区(31)。
4.根据权利要求1的传感器，其特征在于：应力区(31)的导电层上的轨迹的结构是在很小的表面上的之字形、螺旋型或任意其他较长的形状。
5.根据权利要求1的传感器，其特征在于：导电层(3)轨迹的导电流体的成分是金属导电颗粒、碳或导电聚合物。
6.根据权利要求1的传感器，其特征在于：导电层(3)的轨迹具有连续排列的数个应力区(31)。
7.根据权利要求1的传感器，其特征在于：信号转换器(7)包括至少一个电阻和/或电压比较器(71)，目的是获得数字和/或双稳态的输出。
8.根据权利要求1的传感器，其特征在于：在封装和保护层(4)与织物上层(5)之间设置了第二敏感导电层(3a)的轨迹和一层表面处理层(2a)，目的是形成包括简单的信号转换器的矩阵传感器。
9.根据权利要求1或7的传感器，其特征在于：信号转换器(7)是倍增转换器，以对排列在一层或两层中的数个导电层的轨迹(3、3a)进行矩阵处理。
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