CN102414546A - 可弹性伸展的织物力感应器阵列及制造方法 - Google Patents

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Abstract

力或压力传感器阵列(30)具有可弹性伸展的导电聚合物细丝(31)、(32)，细丝以平行的行和列的方式布置，在其相交处接触压阻材料(37)，压阻材料的电阻率随着施加在其上的压力或力相反地改变以形成力或压力感应元件的矩阵阵列。细丝固定到单独一个或一对柔性的可弹性伸展的基片(33)、(35)上，基片由绝缘聚合物如PVC的薄片制成，或者对于形状不规则的物体如人体部分而言，为了较大的弹性和适形性，基片由可弹性伸展的织物如莱卡或氨纶制成。可选地通过以蜿蜒弯曲的、蛇状的路径而非直线的方式布置行或列的导电细丝(201-1)、(201-2)两者之一或它们两者来增强感应器阵列的弹性伸展性。

Description

可弹性伸展的织物力感应器阵列及制造方法
技术领域
本发明涉及用来测量施加在表面上的力或压力的传感器或感应器，更特别地，本发明涉及织物力感应器阵列，其利用可弹性伸展的压阻细丝感应元件并且充分适形于形状不规则的物体以便结合到人可穿的衣服中，以及涉及制造这种阵列的方法。
背景技术
只要人体由物体如椅子或床支撑，以对个体重量的反作用力的形式产生的法向力和剪切力就会从支撑表面通过皮肤、脂肪组织、肌肉等等传递到骨骼。支撑表面施加在身体部位上的与身体重力大小相等且方向相反的力在某些情况下可能对组织造成伤害。身体部位上的力可以挤压内部血管并堵塞来自组织的营养物，这些力的大小和持续时间的乘积决定是否发生组织伤害或病状。单独的高压力一般不足以有害地影响组织，例如深海潜水员遭受高的但均匀分布的法向力，不会遭受组织伤害。然而，如果在身体部分上有足够大的外部压力梯度，例如由高压区域附近的低压区域产生的外部压力梯度，则内部体液可迁移到压力较低的区域。由外部施加到身体部分上的切向力或剪切力还可以通过沿纵轴扭曲内部的毛细管和血管而将其破坏。因此了解施加在组织上的表面力梯度(压力梯度)和外加剪切力是极重要的，因为正是由于这些因素综合起来导致组织损伤以及随后的组织死亡。因此，即使相对较小的外部剪切力和法向力，两者可能相互独立，也可能结合从而在内部组织上产生很大的剪切应力。最容易发生组织破坏例如褥疮的人体区域是：脚后跟、坐骨结节、大转子、枕骨部和骶骨。
可以获取可用于测量施加在人体组织上的法向力和剪切力的各种压力/力感应器、剪切感应器和感应器阵列。例如，本发明人的美国专利5751973，1996年11月5日，Multi-Directional Piezoresistive Shear AndNormal Force Sensors For Hospital Mattresses And Seat Cushions公开了薄的、平面感应器用于测量床垫或椅垫施加在躺着的或坐着的患者身体上的反作用力。在’973专利的说明书中公开的该发明的一个实施例包括由隔离的感应元件垫的二维阵列构成的感应器，每个感应元件垫由薄的、平的层组成，该平的层由填充有导电颗粒的绝缘的弹性体聚合物基体构成。与每个感应器垫的上侧和下侧电接触的上部和下部导体元件的矩阵能够对每个垫的电阻进行单独的测量。例如响应于由人体施加到感应器矩阵上的法向力而施加到每个垫上的压力减小了感应器垫的厚度，因此通过大小或体积压阻效应减小了其电阻。
本发明人还在美国专利6216545，2001年4月17日，Piezoresistive FootPressure Measurement中披露了一种用于测量施加在人脚或马蹄上的压力的新方法和设备。“545专利中披露的新装置包括封装在薄的、柔性的聚合物包装中的压阻力感应元件的矩形阵列，每个感应元件包括聚合物网状织物，其充满了悬浮在弹性体基体如硅橡胶中的导电颗粒。压阻网状层被夹在阵列的行和列导体带叠层之间，所述叠层优选地由充满印刷的金属路径的尼龙网制成。被夹在行导体和列导体之间的压阻材料的每个区域包括矩形感应器阵列中的可单独编址的法向力或压力感应器，其电阻作为施加在感应器上的压力的函数以预定方式相反地变化，因而能绘制接触阵列的物体所施加的力或压力分布的图。
在美国专利6543299，2003年4月8日，Pressure Measurement SensorWith Piezoresistive Thread Lattice中，本发明人披露了一种用于测量施加在表面上的力或压力的传感感应器阵列，阵列包括单独的力或压力感应传感元件的织物状二维格栅，其包括多对细长柔性的细丝的多个相交区域，每个细丝都由被一层压阻材料覆盖的中央导电的金属丝芯构成，压阻材料的电阻率随着施加在材料上的压力相反地变化。
在美国专利7201063，2007年4月10日，Normal Force Gradient/ShearForce Sensors And Method Of Measuring Internal Biological Tissue Stress中，本发明人披露了一种法向力梯度/剪切力感应器装置和用于测量被椅子或床支撑的人的组织中的内部应力的测量方法。该装置包括与中央的剪切力感应器在径向上隔开的外围法向力感应器的平面矩阵阵列，每个感应器都包括位于圆形开口内的导电盘，圆形开口以沿圆周隔开的电极为界。盘和电极位于由可伸展材料如聚氨酯制成的上和下盖板之间，一个盖板粘接到盘而另一个盖板粘接到电极的支撑片。响应于施加在阵列上的剪切力的盖板间运动使盘或多或少地紧紧压靠在电极上，因而与剪切力的大小和方向成比例地改变盘和电极之间的电导。每个法向力感应器包括压在行和列导体之间的导电薄膜。与施加在感应器上的法向力成比例地变化的多对感应器电导值的测量结果用来计算由身体部分施加在感应器阵列上的法向力的梯度向量，将该向量与剪切力向量在算法上结合起来以计算例如在骨隆起附近的人体上的内部反作用剪切力。
在2008年3月15日申请的共同待决的美国专利申请12/075937中，本发明人披露了用于将人体上的力集中减到最小的自适应垫方法和装置。该装置包括放置在床垫或椅子上的自适应垫，垫具有可通过空气压缩机和阀单独增压到可变压力的多个气泡单元构成的矩阵。在该申请中披露的装置还包括构造新颖的力感应传感器的柔性可伸展的平面阵列，其优选地位于垫的上表面上，阵列具有至少一个与垫的每个气泡单元垂直地成一直线的感应器。
在上面引用的专利申请中披露的感应器阵列包括可伸展的织物行和列导体，所述导体被夹在其面向内部的导电表面和覆盖有压阻材料的可伸展织物片之间。通过这样构造，平面感应器阵列可响应于由支撑在感应器阵列上表面上的人体重量施加在阵列上的力而弹性地变形，其中感应器阵列覆在气泡单元上面。优选地，将感应器阵列置于气泡单元的上表面上并通过贴身的、防水的、与轮廓相合的薄片将感应器阵列保持在该位置中。用于行和列导体的织物基体以及中央的压阻层都由可在材料的平面内沿任意方向弹性变形的材料制成。在优选实施例中，织物基体或行导体薄片和列导体薄片镀有铜基镀层和镍覆盖镀层。中央的压阻薄片由覆有压阻覆层的人造织物基体构成。感应器阵列还具有由织物如莱卡制成的上部覆盖薄片，其具有双向伸展特性，即可沿正交方向弹性伸展。
为了避免阵列中的单个感应器的电阻测量结果之间的串扰，其中通过该测量结果确定施加在感应器上的力，感应器被以新颖的方式构造，该方式赋予感应器非双向的、不对称的电流-电压阻抗特性。通过在本申请公开内容中详细描述的新颖方法，通过改变中央压阻薄片的上或下表面以在其上形成P-N、半导体类型的结，将感应器更改成具有如同二极管的特性。
已经证明上面描述的柔性的力感应器阵列在执行它们的预定功能上是非常有效的。然而，存在这样的情形，其中希望具有可用的力感应器阵列，其具有不被在前的感应器阵列提供的稍微不同的特性。
例如，如果用典型的现有的柔性感应器阵列测量通过非常贴身的、共形的轮椅座垫或极低压力床垫或垫子施加在人体上的压力，则这种感应器阵列常常妨碍垫子或床支撑表面的功能，并且给出错误的力测量结果，该力测量结果用来绘制床或椅子支撑人的方式的图。该错误由“吊床”效应引起，其中部署在固定的支撑位置之间的柔性但不可悬垂的感应器阵列不能精确地适形于患者的外形。例如在使用利用金属丝芯感应元件的感应器阵列时，该结果可以发生，金属丝芯感应元件使阵列基本上不可伸展。感应器阵列的适形性的缺乏改变了垫子或床支撑患者的方式，并且还频繁导致施加在阵列中单个感应器上的力或压力大于在没有感应器阵列时患者实际遭遇的力或压力。
当试图以非强迫的、非干扰的方式对具有复杂形状的身体部分如脚形成这种测量结果时，会出现目前用于测量施加在人体部分上的力并绘制该力的图的力感应器阵列不令人满意的另一种情形。
例如，有糖尿病的人常常会丧失其脚的知觉。由于他们在不合脚的鞋子对脚的部分施加过大的压力时不能有知觉，压力点可导致溃疡，溃疡又可能导致必须对脚进行截肢。因而，为了防止这种不希望有的结果，希望有一种能用来识别这种问题的感应器阵列，以使得可以以及时的方式采取纠正行为，如改变鞋子的尺寸或形状。
为了解决测量在具有复合曲线的复杂形状如人脚上施加的力并绘制该力的图的问题，希望具有可用的感应器阵列，其在其性能上与衣服织物类似以便容易适形于复杂的、复合弯曲的物体如人脚。这种感应器阵列可以结合到衣物如短袜中。本发明构想成至少部分地响应于当前感应器阵列的不可利用性以满足上述需求。
发明目标
本发明的一个目标是提供可弹性伸展的力或压力感应传感器阵列，其可适形于具有复杂的、复合弯曲形状的物体如人体部分，以便于测量施加在该物体上的力或压力并绘制该力或压力的图。
本发明的另一个目标是提供可弹性伸展的织物状压力或力感应器阵列，其重量足够轻并且可共形地悬垂以结合到人可穿戴的衣物中。
本发明的另一个目标是提供压力或力感应器阵列，其包括薄的、柔性的单独的力感应器的矩阵，所述力感应器结合到可弹性伸展的织物基体中。
本发明的另一个目标是提供压阻力或压力感应器的薄的、可弹性伸展的可悬垂平面阵列，其结合到短袜或其它衣物中。
本发明的另一个目标是提供压阻力或压力感应器的薄的、可弹性伸展的可悬垂平面阵列和电力地耦合到阵列的电子控制模块，电控模块能有效测量单独感应器的电阻，因而便于绘制施加到阵列不同部分上的力或压力的图。
本发明的另一个目标是提供一种力或压力测量系统，其包括单独压阻压力或力感应元件的可弹性伸展的织物状阵列，感应元件以多行和多列的矩阵方式布置并且通过行和列电极连接到电阻测量电子模块，通向每个感应元件的传导路径包括象二极管的电路元件，从而将单独感应器的矩阵编址的串扰减到最小。
本发明的另一个目标是提供利用布置在行和列中的多组导电细丝来制造可弹性伸展的柔性、织物状力或压力感应器阵列的方法。
本发明的另一个目标是提供制作布置在X-Y矩阵中的柔性的、可弹性伸展的织物状力或压力感应器的方法，感应器包括与相交的导电细丝接触的压阻物质。
本发明的另一个目标是提供制作织物状力或压力感应器阵列的方法，感应器阵列包括覆盖有压阻材料的可弹性伸展的柔性导电细丝。
本发明的另一个目标是提供制作织物状力或压力感应器阵列的方法，其中用绝缘的细丝将可弹性伸展的导电细丝缝合到织物基体中。
本发明的另一个目标是提供制作具有压阻特性的可弹性伸展的导电细丝的方法。
本发明的另一个目标是提供制作可弹性伸展的压阻导电细丝的方法，该导电细丝具有象二极管的、非双向的电阻抗特性。
本发明的另一个目标是提供可弹性伸展的柔性的力或压力感应器阵列，其使用了可弹性伸展的导电细丝从而增强了阵列的伸展性。
本发明的另一个目标是提供可弹性伸展的柔性的力或压力感应器阵列，其使用的导电细丝被蜿蜒地布置并且连接到可弹性伸展的基底，从而增强了阵列的弹性伸展性。
通过细读所附的说明书、附图和权利要求，本发明的各种其他目标和优点及其最新颖的特征对于本领域技术人员将变得显而易见。
应该懂得，虽然在此披露的发明完全能实现目标并且提供了所描述的优点，但在此描述的发明的特征仅仅是对优选实施例的说明，因而，我并未打算让我的独占权利和发明的专利权的范围局限于所描述实施例的细节。我打算将能从在此包含的说明合理推理出的发明的等价方案、改编方案和变型都包括在由所附权利要求限定的发明的范围内。
发明内容
简要地说，本发明包括新颖的压力或力感应传感器，其包括布置在基底上或基底中的平面阵列中的多个单独的力感应元件，基底由薄的柔性聚合物薄片或者编织或非编织的织物薄片构成。本发明的压力或力感应器阵列使用了可弹性伸展的导电细丝，导电细丝利用新颖的制造技术附接到由绝缘聚合物薄片或织物薄片构成的薄的可弹性弯曲的基片上。阵列是足够柔性的、可悬垂的和可弹性伸展的以结合到衣物如短袜中。这个新颖构造使本发明的可弹性伸展的、可共形地悬垂的压力或力感应器阵列能用来测量在复合弯曲的、复杂成形的物体如人脚上的力或压力分布并对其进行绘图。
本发明的压力感应器阵列例如可以有利地用来测量由于糖尿病或其它医学疾病而丧失脚上知觉的患者的脚上不合脚的鞋子所施加的压力或力集中并对其进行绘图。可用本发明的适形的感应器阵列产生压力图，利用该压力图提供的信息能调整不合脚鞋子的尺寸或修改或更换不合脚的鞋子以将患者脚上的压力集中减小到足够低的值，以便预防在脚上形成威胁健康的溃疡。
本发明的可弹性伸展的力或压力感应器阵列的基本实施例使用柔性的导电细丝，导电细丝具有相对小的直径，例如处于大约2mm至4mm的范围内。在本发明的基本的聚合物膜基底形式中，阵列中的每个感应元件由第一、例如上部的、行导电细丝和第二、下部的列导电细丝的相交部形成，第一、上部的、行导电细丝附接到上面薄的、绝缘的聚合物基片的下表面，第二、下部的列导电细丝附接到下面薄的、绝缘的聚合物基片的上表面。优选地，上部的和下部的聚合物基片由柔性且可弹性伸展的材料制成，如0.05-0.076m m厚的弹性体的聚氯乙烯(PVC)。
根据本发明，感应器阵列中每对导电细丝的相交部，例如行细丝和列细丝的相交部，包括夹在细丝之间由压阻材料制成的层、覆层或小点，其电阻随着施加在其上的力或压力相反地变化。优选地，压阻材料具有弹性的或弹性体的特性以使得感应器上的周期性压力变化不会在感应器的电阻-压力转换函数上引起过大的滞后效应。满足前述要求的合适的压阻材料包括充满导电颗粒如碳黑或碳纤维的硅橡胶的固溶体。
当一对相交的导电细丝之间的压阻材料由于法向力而被挤压，使细丝被更紧密地压在一起时，在该对导电细丝之间测量的电阻与力或压力的大小成比例地减小。电阻的减小被相信是由于表面和体积压阻效应的联合结果。
在表面压阻效应中，当细丝被压在一起时，一对导电细丝之间的相互接触区域和压阻点的尺寸增大，因而细丝之间的电导增大。由于体积压阻效应，弹性体的压阻材料的压缩显然使电导增大，其中弹性体的压阻材料的压缩的结果是压阻点的弹性体基体中的导电颗粒被更紧密地压在一起，并且压阻点的厚度减小。
根据本发明一个方面，使用聚合物薄片基底的本发明的基本实施例采用被夹在上部的和下部的聚合物薄片之间的一薄片压阻材料，行和列导电细丝分别附接到上部的和下部的聚合物薄片上。本发明的这个实施例有三个分离的层。
在本发明的聚合物膜感应器阵列的优选的、两层的实施例中，压阻材料直接覆盖在行导电细丝、列导电细丝、或优选地行和列导电细丝两者的外表面上，因而消除了对包含压阻材料的第三、中间基片的需求。
在Q个单独感应元件的阵列如上面描述的发明的两个基本实施例的阵列中，明确地确定施加在每个感应器上的压力或力的大小所需的每个单独感应器电阻的明确测量结果需要Q个感应元件，R＝Q+1个引出导线。因而，Q个感应元件中的每一个都可以具有与公共导电引出导线相连的感应元件的一个终端，和与每个感应元件的相对终端相连的单独的引出导线。
对于m×n＝Q个感应器的正方形矩阵，对位于m行和n列感应器导电细丝的Q个交点处的Q个感应器中的每一个进行编址所需的引出导线的数量仅仅是R＝2√Q。因而，例如，在64个感应元件的阵列中，单独测量每个感应元件的电阻将需要65个电绝缘的引出导线。另一方面，利用矩阵编址布置，将仅仅需要总共16个引出导线，即8个行导线和8个行列导线。因而，希望用矩阵编址来测量每个感应元件的电阻。
然而，利用感应元件的矩阵编址测量阵列中的感应元件的电阻存在问题，该问题起因于下列事实：阵列中所有未编址的感应元件的电阻与每个编址感应元件的电阻并联，导致单个感应元件电阻的测量结果的串扰误差，因而导致从哪些测量结果推断的压力的误差。
为了克服串扰问题，本发明的感应器优选地制造成具有不对称的、象二极管的电流-电压传输功能。通过在导电细丝的表面上涂上压阻覆层以在其上形成P-N结，来实现象二极管的传输功能。作为选择，行和列导电细丝之间的压阻膜的上表面和下表面之一或两者被涂上涂层以给予其P-N结特性。如下面详细说明的，通过将包含铜或其它金属的氧化物的无电镀覆层沉积到含碳压阻层的表面来提供P-N结特性。
优选地利用多片编织的弹性织物而非多片聚合物膜来制造本发明的压力感应器阵列的优选实施例。编织的织物导致更伸展的和悬垂的感应器阵列，因此更容易适形于不规则的曲面。
在本发明的使用编织织物基底的力感应器阵列的基本实施例中，横向隔开的、纵向布置的导电细丝固定到第一、上部的织物片的下表面。优选地，用直径小于导电细丝的绝缘细丝通过缝合、花针法将导电细丝固定到上部的织物基片。
以与上部的片相同的方式准备第二、下部的织物基片，其中导电细丝位于下部的片的上侧上。
上部的和下部的片可以可选地由单个织物基片制造，该单个织物基片具有缝合到其一个表面上的导电细丝，将该单个织物基片切成两半，将其中一个半部翻转并旋转90度以便两个半片的面对面的表面形成由相交部构成的矩阵，该矩阵包括多行导电细丝和多列导电细丝。然后将压阻膜层置于上部的和下部的织物基片之间，将三个片沿着它们的周界边缘固定在一起，从而形成包含多个单独感应元件的矩阵的二维平面阵列。
在本发明的使用织物基底的力感应器阵列的优选实施例中，位于感应器的行和列导电细丝之间的压阻膜层由应用于导电细丝外表面上的压阻物质的覆层组成。可以通过本发明的新颖工艺将压阻覆层应用于行或列导体的外表面，但优选地将压阻覆层应用于行和列细丝两者上。
本发明的具有新颖构造的感应器阵列使用高度柔性的、可弹性伸展的行和列导体细丝，所述行和列导体细丝被缝到由重量轻的可悬垂织物制成的一对面对面的基板的面向内的表面上，本发明的具有新颖构造的感应器阵列容易适形于不规则的表面，因而使得对于施加在形状不规则物体的表面上的力的测量更容易。
通过用包含氨纶或莱卡的可伸展织物作为基底材料，使本发明的织物基底压阻力感应器阵列的优选实施例具有增强的伸展性、悬垂性和适形性。优选地，可伸展织物基底具有各向同性的伸展特性或至少双向的伸展特性，以使得感应器阵列可以在所有方向上或至少分别在两个垂直方向上具有相等柔量的情况下弹性地伸展以适形于形状不规则的物体。通过该构造，导电细丝本身可以限制感应器阵列的伸展性。优选地通过下列两种方法中的任一种增加本发明的感应器阵列的伸展性和适形性。
根据本发明的增强感应器阵列伸展性的第一个方法，通过将可展延的导电丝线而非单丝用于行和列导电细丝来增加阵列的伸展性。可以将导电丝线用作行或列压阻细丝的芯部，但优选地将导电丝线用于行和列导体细丝两者，以提供增强的双向伸展性。
在本发明的增强感应器阵列伸展性的第二个方法中，行和列压阻细丝中的任一个或它们两者在行或列细丝的相对两端之间相对于直的基线设置在蛇状地或蜿蜒地布置的线上，而非留在基线上。通过这种蜿蜒的布置，由导电细丝的横向布置部分所形成的松弛部分使蜿蜒弯曲细丝的波峰和波谷之间的纵向间隔能在织物沿细丝基线的方向伸展时增大，和在织物放松成未伸展状态时减小。换句话说，当感应器阵列弹性地伸展时，蜿蜒弯曲的导电细丝的空间波长增大，当阵列上的伸展力放松从而允许阵列弹性地恢复其未伸展形状时，该空间波长减小。
可选地，本发明的感应器阵列可以采用可展延的弹性导电细丝以及蜿蜒地弯曲的细丝布置方式，以使阵列的弹性伸展性达到最大。
根据本发明另一个方面，提供了一种重量轻且适形性非常好的单层织物基底感应器阵列。本发明的感应器阵列的这个实施例使用充满压阻物质的单个织物基板，行和列导电细丝被缝合到织物基底的相反的外表面。通过利用可展延的丝线和导电细丝的蜿蜒弯曲中的任一个或两者，可以可选地提供该实施例的增强伸展性和适形性，如上所述。
附图说明
图1是本发明的三层的压阻细丝压力感应器阵列的基本实施例的部分断开的透视图，其使用一对聚合物膜外部基底和一中间压阻层；
图2是沿方向2-2获得的图1的感应器阵列的垂直横截面图或端视图；
图3是本发明的压阻细丝压力感应器阵列的第二、两层的实施例的部分断开的上部透视图，其中图1和2的基本实施例中所示的中间压阻层被感应器阵列的导电细丝上的压阻覆层所取代；
图4是沿方向4-4获得的图3的感应器阵列的垂直横截面图或端视图；
图5是图1和3的感应器阵列的变型的不完整透视图，其中相邻的多对被更紧密压紧的行和列导体细丝被绝缘细丝在空间上彼此隔开且在电力上彼此绝缘；
图6A是图1和2的感应器阵列的不完整横截面图，在进一步放大的比例上，示出了交叉的行和列导体细丝与中央的压阻层接触形成力感应元件的布置，其中没有外力施加到元件上；
图6B是类似于图6A中所示的视图，但是具有施加到感应元件上的中等法向力；
图6C显示了其上施加了较大外力的感应元件；
图7是显示了作为施加到图1和3所示感应器阵列的感应元件上的力或压力的函数而绘制的电阻的图；
图8A是在进一步放大的比例上，图3和4的感应器阵列的不完整横截面图，示出了行和列压阻细丝形成力感应元件的布置，其中没有外力施加到阵列上；
图8B是类似于图8A中所示的视图，但是具有施加到感应元件上的中等法向力；
图8C显示了其上施加了较大外力的感应元件；
图9是本发明的压阻细丝压力感应器阵列的第三、三层的实施例的局部断开透视图，其使用一对织物外部基底和一中央压阻层；
图10是在放大比例下图9的感应器阵列的不完整视图，其中显示了感应器阵列的上部的、水平的行导体部件的下平面图；
图11是在放大比例下图9的感应器阵列的不完整视图，其中显示了感应器阵列的下部的、纵向列导体部件的上平面图；
图12是沿方向12-12获得的图9的感应器阵列的垂直横截面图；
图13A是根据本发明使用织物基底的第四、两层的压阻细丝压力感应器阵列的局部断开的、分解的上部透视图，其中图9中所示实施例的中央压阻层替换为感应器阵列的导体细丝上的压阻覆层；
图13B是沿方向13B-13B获得的图13A的感应器阵列的垂直横截面图；
图14是根据本发明具有单个织物基底的压阻细丝压力感应器阵列的第五、单层的实施例的局部断开的上部透视图，其中行和列压阻细丝被固定到单个绝缘基片的同侧；
图15是图14的感应器阵列的上平面图；
图16是沿方向16-16获得的图14的感应器阵列的垂直横截面图；
图17是图9、13或14的织物基底感应器阵列的变型的局部断开的、分解上部透视图，其中感应器阵列的下部的列导体细丝以蜿蜒的排列布置在织物下部基板上；
图18是图14的单层织物基底感应器阵列的另一个变型的上部透视图，其中行和列导体细丝蜿蜒布置并且位于压阻基片的相对两侧；
图19是图18的感应器阵列的上平面图；
图20是图18的感应器阵列的下平面图；
图21是图19的感应器阵列的垂直横截面图；
图21A是单层织物基底感应器阵列的不完整上部透视图，其中上部的行和下部的列压阻细丝蜿蜒布置并且固定到单个绝缘基片的同侧；
图22A是显示了测量线性阵列中单个感应元件的电阻所需的导电引出线数量的示意图；
图22B显示了不必为线性布置的感应元件；
图23是显示了给布置在矩阵阵列中的感应元件阵列进行编址的矩阵所需的更少引出线数量的示意图；
图24是示意图，显示了被改进为包括二极管结的图23的阵列的感应元件；
图25是使用了图5所示类型的两层感应器阵列的力测量感应器装置的上部透视图；
图26是显示了与信号处理和显示电路互联以构成力测量系统的图1和3的感应器阵列的框图；
图27A是包含图14-16或17-20的感应器阵列的短袜的透视图；
图27B是图27A的短袜的水平横截面图；
图28是本发明的感应器的典型的电阻-法向力的图表；
图29是图1阵列的感应元件的优选变型的局部示意图，其中阵列的感应元件进行了改进以为其提供P-N结、二极管类型的结；
图30是图27的感应元件的电流-电压的图表；
图31是本发明的力感应器阵列的另一个实施例的分解透视图；
图32是图31的感应器阵列的透视图；
图33是本发明的力感应器阵列的另一个实施例的组件的分解透视图；
图34是图33的感应器阵列的透视图。
具体实施方式
美国专利6543299的整个公开内容在此并入本发明作为参考。
图1-34示出了本发明的可弹性伸展的、可适形的织物力感应器阵列的各种方面，以及制造该阵列的方法。
首先参考图1和2，其中显示了本发明的力感应器阵列的第一、基本的、三层的实施例。
如图1和2中所示，本发明的三层的力感应器阵列30包括复数m个细长的、直而细的导电行细丝31-1至31-m和复数n个细长的、直而细的导电列细丝32-1至32-n。
根据本发明，导电行细丝31和列细丝32由可弹性伸展的单丝或编织的聚合物芯31C、32C组成，其已进行处理以使细丝可导电，例如通过给芯镀上银以在芯31C、32C上分别形成覆层31P、32P。
本发明的感应器阵列30的一种类型的示例性实施例使用由镀银的尼龙细丝制造的行和列导电细丝31、32，尼龙细丝是从LESS EMF，809Madison Avenue，Albany，New York 12208，USA获得的2股的117/17，目录编号#A264。该导电细丝具有大约为75欧姆每英尺的线性电阻率，和大约1％的弹性伸展性，即，比相似直径的不锈钢丝的弹性伸展性大至少10倍。
本发明的感应器阵列的第二种类型的示例性实施例使用由镀银的可展延尼龙丝线制造的行和列导电细丝，所述镀银的丝线具有标志Shieldex，
Figure BDA0000103500530000151
Lycra dtex 20，从W.Zimmerman，GmbH&Co.K6，Riederstrasse 7，D-88171，Weiter-Simmerberg，Germany获得。所述导电细丝具有大约500欧姆每英尺的线性电阻率。所述导电丝线的弹性伸展性大于30％，即，比相似直径的不锈钢丝的弹性伸展性大至少300倍。
如图1和2中所示，行细丝31和列细丝32位于平行的平面中但相对于彼此倾斜，例如相对于彼此倾斜九十度角。在示例性的实施例30中，行导电细丝31固定到上部的基片33的下表面34上，而列导电细丝32固定到下部的基片35的上表面36上。
如通过参考图2最好地看到的，感应器阵列30包括由压阻材料制成的薄的中央层或片37。如图2中所示，行和列导电细丝的相对的面向内的外表面38、39分别与中央压阻片37的上表面和下表面40、41相切地接触。因此，如图1和2中所示，行导电细丝31和列导电细丝32的每个交叉点或相交部形成压阻感应元件48，其由与行导电细丝和列导电细丝发生导电接触的一小部分中央压阻片37组成。
在感应器阵列32的示例性实施例中，通过覆有压阻材料的可展延的，即可弹性伸展的薄的莱卡状织物片制造压阻片37。形成用于支承压阻材料的基体的合适织物片是公知的商品名为Platinum、Milliken，类型#247579的织物，所述织物从制造商Milliken&Company，Spartenburg，SouthCarolina，USA获得。该织物具有69％尼龙和31％氨纶的纤维含量，大约88根细丝每英寸的经纬密度，和0.010英寸的厚度。
用来涂覆织物基体的压阻材料如下制造：
根据需要按比例混合石墨、碳粉、镍粉和丙烯酸粘合剂以获得所需的电阻和压阻性质。镀银的镍碎片用来获得0至1磅/平方英寸的低力范围的力响应，石墨用于1至5磅/平方英寸的中间范围，木炭炭黑用于5至1000磅/平方英寸的高的力范围。下面描述压阻材料组分物质：
镀银的镍碎片：
大约1微米厚且直径为5微米的片晶，
筛析(-325网孔)95％，
表观密度2.8，
Microtrac d50/微米12-17，
来源：Novamet Specialty Products Corporation，
681Lawlins Road，Wyckoff，NJ 07481
石墨粉：
人造石墨，AC-4722T
来源：Anachemia Science
4-214DeBaets Street
Winnipeg MB R2J 3W6
木炭炭黑粉：
Anachemia Part号AC-2155
来源：Anachemia Science
4-214DeBaets Street
Winnipeg MB R2J 3W6
丙烯酸粘合剂：
Staticide丙烯酸高性能地板折刷油
P/N 4000-1Ph 8.4至9.0
来源：Static Specialties Co.Ltd.
1371-4Church street
Bohemia，New York 11716
下面是用来制造具有不同灵敏度的压阻材料的混合物的例子：
用于0至30磅/平方英寸的范围内的力的例子I：
-200ml的丙烯酸粘合剂
-10ml的镍碎片粉
-10ml的石墨粉
-20ml的炭黑
用于0至100磅/平方英寸的范围内的力的例子II：
-200ml的丙烯酸粘合剂
-5ml的镍碎片粉
-5ml的石墨粉
-30ml的炭黑
用于0至1000磅/平方英寸的范围内的力的例子III：
-200ml的丙烯酸粘合剂
-1ml的镍碎片粉
-1ml的石墨粉
-40ml的炭黑
将用于压阻片37的织物基体浸没在压阻涂覆混合物中，将过多的材料轧去，将压阻片悬挂并将其风干。
根据本发明，上部和下部的基片33、34由薄的、柔性的绝缘材料制成，例如0.002英寸厚的聚氨酯或聚氯乙烯(PVC)。优选地，基片33、34由具有相对高的弹性伸展性程度的弹性体材料制成，以使得感应器阵列30容易伸展并且适形于形状不规则物体的表面。然而，应该懂得，导电细丝31、32也是可弹性伸展的以促进感应器阵列30的伸展性。这是因为导电细丝31、32例如通过多滴粘合剂42分别粘到基片33、34，如图2中所示。压阻片37也通过多滴胶水42固定到上部和下部的基片33、34。
图6A-6C示出了行和列导电细丝31、32的布置怎样与图1和2中所示感应器阵列30的中央压阻层37联合形成单独的力感应元件48。每个力感应元件48位于行导电细丝如31-1、31-2......31-m与列导电细丝如32-1、32-2......32-n的交叉点或相交点49，用于形成M×N的感应元件矩阵。因而，单独的感应元件可以由名称48-XXX-YYY标识，其中XXX表示行数而YYY表示列数。
如其中没有外力施加到感应器阵列30上的图2和6A中所示，在感应器阵列30的行导电细丝31和列导电细丝32的每个交叉点49，有位于中央压阻层37与上部的导电行细丝之间的上部导电切向接触区域43，和位于压阻层与下部的列导电细丝之间的下部导电切向接触区域44。
在没有外力施加到感应器阵列30的情况下，行导电细丝31和列导电细丝32之间的构成上部接触区域43、下部接触区域44的串联电阻的电阻，以及上部和下部接触区域之间的压阻层37的压阻材料45的有效电阻，比较高。比较高的电阻由下列事实导致：在这种情况下，切向接触区域43和44比较小，未受挤压的压阻体积45的厚度处于其最大值。然而，如图6B和6C中所示，当将感应器阵列30放置于支撑表面S上，并且将大小逐渐增加的法向力N施加到感应器阵列30的上表面47上时，行导电细丝31和列导电细丝32之间的电阻减小，如现在将描述的。
仍然参考图2和6A，可以看出在没有外力施加到感应器阵列30上的情况下，行和列导电细丝31、32和中央压阻层37之间的切向接触区域43、44比较小，这是因为细丝具有圆形的外部横截面形状，其切向地接触压阻层的平坦的平面表面。在这些情况下，接触区域43、44的小尺寸导致中央压阻层37和行和列导电细丝31、32之间的较高电阻。此外，在中央压阻层37未被压缩的情况下，其厚度处于最大值，因此电阻处于最大值。
图6B和6C示出了施加到感应器阵列30上的增加的外部法向力或压力的效果。如图6B和6C中所示，放置感应器阵列30使其下表面46支撑在表面S上，并且使力N垂直向下施加到阵列的上表面47上，导致通过支撑面S向上施加到阵列的下表面46上的反作用力U。因为中央压阻层37是可弹性变形的，所以其上的压力减小了行导电细丝31和列导电细丝32之间的那部分层的厚度T。在行导电细丝31和列导电细丝32之间的这个穿过压阻层37的路径长度的减小使细丝之间的电阻R的值减小。
如图6B中所示，对于中等的法向力N值，中央压阻层37的弹性变形比较小，导致细丝之间电阻R的降低比较小。更大的力N施加到感应器阵列30上导致中央压阻层的更大变形，如图6C中所示，导致电阻R降低更大的百分比。图7以普通方式示出了作为在这些点处施加在阵列30上的法向力或压力的函数，在行导电细丝31和列导电细丝32之间可测量的电阻的减小。
图3和4示出了本发明的压阻细丝压力感应器阵列的另一个实施例50，其中图1和2中所示及在上面描述的中央压阻层被替换为在行导电细丝51和列导电细丝52中任一个上的，或优选地在它们两者上的压阻覆层。感应器阵列50表面上类似于美国专利6543299的图1和2中公开和示出的感应器阵列20，但在重要的方面不同于该感应器阵列。因而，感应器阵列50的行和列压阻细丝51、52由可弹性伸展的聚合物芯51C、52C构成，通过给芯镀银以分别在细丝上形成导电覆层51P、52P来处理聚合物芯51C、52C。芯51C、52C中的任一个上或它们两者上的覆层分别包覆有具有压阻特性的材料层51R、52R。根据本发明，用来在压阻导电细丝51、52的芯51C、52C的镀面51P、52P上形成包覆层51R、52R的压阻材料可以具有与上面描述的组分类似的组分以形成压阻片层37。
根据本发明通过用一层压阻材料包覆导电细丝来制造压阻感应器细丝的方法包括准备具有上面在例子1、2和3中所描述的组分的压阻材料的浆状物。然后，将高度导电的聚合物细丝，例如可从LESS EMF Inc.，804Madison Avenue，Albany，New York 12208获得的2股的117/17、目录编号#124的镀银的尼龙丝线，浸入装有该浆状物的容器中大约10秒的时间。将已经浸入的细丝的末端从容器取出，在细丝还是湿的时，将它拉过穿过刮板的圆形小孔。
在示例性实施例中，芯直径为0.25mm且湿涂覆直径在大约0.4mm至0.5mm范围内的导电细丝被拉过直径为0.45mm的#360号刮板，由此产生了大约0.45mm的湿刮取直径。然后以100mm/分钟的线运送速度将刮取的细丝送入加热到70摄氏度温度的空气流中5分钟的时间，从而形成直径为大约0.4mm的固化覆层。
如图3和4中所示，通过合适的方式例如粘合剂滴74，将压阻行和列细丝51、52固定到上部和下部的基片63、65上。基片63、64由弹性程度较高的薄的柔性材料例如0.003英寸厚的弹性体聚氨酯或聚氯乙烯(PVC)制造。
图3和8A-8C示出了感应器阵列50的行和列压阻细丝51、52的布置如何形成单个力感应元件69。响应于逐渐变大的法向压力，在行和列导电芯细丝51C、52C上的压阻包覆层51R、52R被逐渐压缩成直径更小的椭圆形横截面形状。因此，如图8A-8C中所示，每个感应元件70的电阻与所施加的压力成反比地减小，如图7中所示。
图5示出了图1和3中示出的和上面描述的感应器阵列的变型70。改进的感应器阵列70可另选采用图1中所示感应器阵列30的三层结构，或图3中所示感应器阵列50的两层结构。所述变型由制造出的在相邻行和/或列导电细丝之间具有电绝缘材料的感应器阵列70构成。因此，例如，图3中所示的两层的感应器50的变型70包括置于每对相邻的行导电细丝51和每对相邻的列导电细丝52之间的细长的绝缘细丝71，其例如由0.012英寸直径的聚酯制成。
通过任何合适的方式将绝缘细丝71固定在合适位置上，例如将细丝粘结到基片63、65上(见图2和4)。这种结构使感应器阵列70能够显著皱折或以其他方式变形而适形于形状不规则的表面，而不会有成对的相邻行或列导电细丝51或52相互接触从而导致电短路的可能性，电短路可导致错误的感应元件电阻测量结果和力测定值。可选地，相邻对的行和列导电细丝之间的绝缘可通过稍微喷涂气溶胶绝缘丙烯酸涂料而施加以将导电细丝保持在合适位置上。
图9-12示出了本发明的压阻细丝力感应器阵列的三层的实施例80。感应器阵列80类似于在图1-2中所示的和上面描述的感应器阵列的基本实施例30。然而，感应器阵列80使用的上部和下部的基片83、85由编织的织物而非聚合物膜构成。该构造与由镀金属的尼龙或莱卡芯制造的可展延导电行和列细丝81、82的使用共同导致比感应器阵列30更柔性的、弹性伸展性和悬垂性更好的感应器阵列。
如可以参考图10最好地看到的，感应器阵列80包括多个平行的、横向隔开的导电行细丝81，其固定到上部织物基片83的下表面84上。行导电细丝81通过任何合适的方式固定到上部基片83的下表面84上。在优选实施例中，如图10中所示，通过用以细长的之字形图案布置的直径较小的绝缘细丝90将细丝缝合到织物基片83来将每个行导电细丝81固定到基片。在示例性实施例中，细丝90由0.005-0.010英寸直径、100％聚酯的编织细丝构成。对于用来测量较大力的感应器阵列所需的较大强度，细丝90可选地可以是单丝。
在本发明的感应器阵列80的示例性实施例中，上部和下部基片83、85由重量轻的、可弹性伸展的织物制成。测试了下面两种织物并且发现它们适合于基片83、85，(1)Milliken“Millglass”牌，型号#247579，由69％尼龙、31％氨纶构成，具有1.8盎司/平方码的重量，(2)Milliken“Interlude”牌，产品#247211，由82％尼龙、18％莱卡构成，具有3.2-3.4盎司每平方码的重量。上述两种织物都可从Miliken&Company，23Fiddler’s Way，Lafayette，NJ07848得到。
如图11中所示，通过与绝缘细丝90相同类型的绝缘细丝91并以相同的花针法方式将下部的列导电细丝82固定到下部织物基片85的上表面86上。
如图9和12中所示，三层的织物基底感应器阵列80包括中央的压阻片87，其可以具有与上述感应器阵列30的中央压阻片37相似的成分和构造。
如参考图13B最好地看到的，通过以花针法布置的绝缘缝纫细丝90将上部的行压阻细丝101附接到上部织物基片113的下表面114。相似地，通过以花针法布置的缝纫细丝91将下部的列压阻细丝102附接到下部基片115的上表面116。
图13A和13B示出了本发明的压阻细丝力感应器阵列的另一个两层的实施例100。感应器阵列100与感应器阵列80相似，然而，在感应器阵列100中，导电行和列细丝81、82由压阻细丝101、102代替，压阻细丝101、102具有与在图3和4中示出及在上面描述的两层聚合物膜基底感应器阵列50的压阻细丝51、52相同的特性。该构造消除了对上述三层的织物感应器阵列80的中央压阻片87的需求。
图14-16示出了力感应器阵列的第五、单层的实施例120，其中行和列压阻细丝附接到单个绝缘织物基片127的单侧上。
如图14-16中所示，单层织物力感应器阵列120具有其由重量轻的、可弹性伸展的织物制成的单个基片127。列出了下面两种织物并且发现它们适合于制造基片127，(1)Milliken“Millglass”牌，型号#247579，由69％尼龙、31％氨纶构成，具有1.8盎司/平方码的重量，(2)Milliken“Interlude”牌，产品#247211，由82％尼龙、18％莱卡构成，具有3.2-3.4盎司每平方码的重量。上述两种织物都可从Miliken&Company得到。
多个平行的、横向隔开的列压阻细丝122固定到基片的上表面130，列压阻细丝由从LESS EMF获得的目录编号#A-264的镀银尼龙线制成，或优选地由镀银的可展延尼龙丝线制成，它们两者都上面结合感应器阵列30的说明进行了详细描述。
在单个织物基片感应器阵列120的优选实施例中，通过以细长的花针法图案布置的直径较小的绝缘细丝91将每个列压阻细丝122固定到基片127。在示例性实施例中，细丝91由0.005-0.010英寸直径、100％聚酯构成。如图14、15和16中所示，感应器阵列120包括多个平行的、横向隔开的压阻行细丝121，其也固定到基片127的上表面130。如图16中所示，通过与细丝91相同类型的绝缘细丝90且以相同的花针法方式将m行压阻细丝121固定到基片127。
如图16中所示，行和列压阻细丝121、122的相对的面向内的外表面128、129彼此切向地接触。因而，如图14-16中所示，行压阻细丝121与列压阻细丝122的每个交叉部都形成压阻感应元件138，压阻感应元件138由彼此切向地接触的行和列压阻细丝的小部分压阻覆层构成。
图17示出了力感应器阵列的变型，其使用了在图9、13或14中示出及在上面描述的织物基片。如图17中所示，改进的力感应器阵列140的下部织物基片145附接到下部的列导电压阻细丝142上，列导电压阻细丝142在每个细丝的相对两端之间相对于平行的直的基线蜿蜒地弯曲，而不是如同图11中所示的感应器阵列80的列导电细丝82那样直接落在基线上。通过这种布置，下部织物基片145更容易沿平行于列细丝基线的方向弹性伸展，因为织物基片上的纵向隔开的点不会受到较小弹性伸展性的导电细丝的约束而处于最大长度，因而，列基片145的伸展性仅仅受其固有伸展性的限制，因为列导电细丝142的布置允许它们通过改变蜿蜒弯曲的导电细丝的波峰和波谷之间的间隔，即改变由细丝形成的蜿蜒曲线的空间波长，来容易地适应基片的尺寸。
可选地，上部的行压阻细丝141也能以与图17中所示的下部列压阻细丝相同的方式蜿蜒地布置，从而增强感应器阵列140沿平行于行导电细丝的方向以及沿平行于列压阻细丝的方向的弹性柔量或伸展性。三层感应器阵列例如图1中所示类型的感应器阵列的行和列导电细丝中的任一个或两者可以蜿蜒地布置以提供增强的单轴或双轴伸展性。
图18-21示出了图14的单个织物基片感应器阵列120的另一个变型180。感应器阵列180具有上部的、行导电细丝181和下部的、列导电细丝182，它们两者蜿蜒地布置在织物压阻中央基片187的相对两侧上。这个构造使阵列180在平行于列导电细丝182的方向上以及平行于行导电细丝181的方向上具有更大的弹性。
图21A示出了另一个变型200，其行和列压阻细丝201、202都蜿蜒地布置并以图16中所示的方式附接到绝缘基片210的上表面211上。
图22A示出了测量感应元件线性阵列的各单独元件的电阻从而确定施加在每个感应元件上的力或压力的数值所需的导电引线的数量。如图22A中所示，通过在每个相交点处的压阻材料，单个公共的引出导线C与相交的引出导线Li至Ln的线性阵列相连以形成多个感应元件SI至Sn。因而，对于总共n个感应器S，需要总共R等于n+1个引出导线以测量每个感应元件SI至Sn的单独电阻，并因此确定施加在每个单独感应元件上的力F1至Fn。
图22B示出了多个感应元件Sn+1、Sn+2、Sn+3，其不必以线性阵列方式布置，而是例如位于单独的指尖上。如图22B中所示，对于该构形也需要n+1个引出导线。
图7示出了使用压阻片37的一平方英寸压阻力感应元件48的电阻，压阻片37具有作为施加在感应器阵列30的上部基片33上表面47上的法向力或压力的函数，为图1和2中所示且如上所述制造的示例性感应器阵列30列出的模式。如图7中所示，电阻作为法向力的函数相反地改变。
如图1中所示，与列导电细丝32-1至32-n呈垂直排列的行导电细丝31-1至31-m与列和行导电细丝之间的压阻层片37形成m×n个力元件48的m×n矩形矩阵阵列。
如果每个感应元件48的上部和下部的电连接部与每个其他感应元件的连接部在电力上绝缘，则每个感应器将需要单独一对引出导线，即对于Q个感应元件需要总共2Q个引出导线，或如果如图22中所示那样采用单个公共的电极引出线，则需要总共Q+1个引出线。
优选地，如图1中所示，感应器阵列30布置成m行和n列的矩阵，因而仅仅需要R＝m×n个引出导线。然而，如图23中所示，如果用感应器阵列30的矩阵编址来测量单个感应器48的电阻以由此确定施加在感应器上的法向力，则由于通向未编址感应器的平行电流路径，在编址的感应器48上的电阻和未选择的感应器之间会有相当大的串扰。为了克服这个串扰问题，本发明人研究出了用于改进感应器48以给予它们象二极管的特性的方法。如可以参考图24确认的，具有非双向的、对极性敏感的转换函数的感应元件40之间的串扰减轻了在图23中所示的对称导电感应器48的矩阵中存在的串扰问题。
通过如下改进压阻层片37的制备来将感应元件48改进成具有象二极管的特性：首先，通过上面描述的过程制备压阻层片37，然后，改变压阻片37的压阻覆层37A的上表面40或下表面41以在其上形成半导体类型的P-N结。
改变压阻覆层37A形成P-N结的执行过程如下：首先制备浆状物，其具有上面描述的三个示例性混合物之一的组分，但通过添加5ml呈50微米大小颗粒的细粉末形式的氧化铜(CuO)和5ml呈50微米大小颗粒的细粉末形式的氧化亚铜(Cu2O)并将上述成分彻底搅拌混合来进行改变。然后利用大约30mg的氢化硼钠或磷酸铵的溶液还原最后得到的溶液，以形成PH值为大约5.5的溶液，氢化硼钠也被称为硼氢化钠(NaBH4)。然后，将溶液涂覆在压阻片37上的压阻覆层37B的上表面40或下表面41上。用滚筒涂膜法来执行这个涂覆过程，其导致每平方厘米施加大约0.5ml的溶液。然后，让表面覆层在室温和低于20％的相对湿度下风干4小时。在涂覆的表面干燥后，它充当P-型半导体，而覆层37B的未涂覆侧充当P-N结二极管的N-型半导体。
图29示出了感应元件48和用于获得感应器的I-V(电流-电压)转换函数的电路，感应元件48被如上所述地制备以给予感应器象二极管的特性。图30示出了图29的感应元件48的典型I-V曲线。
如上所述，通过添加象二极管一样起作用的半导体层来改进感应器阵列30的感应元件48的优点是它减小了感应器之间的串扰。如图23中所示，由于所谓的“配方”现象而出现这个串扰，在“配方”现象中，在形成正方形三个角的三个未编址电阻器的方矩阵阵列中形成三个连接部。因而，在纵列中的任何两个连接部和在相同行中的第三个连接部也充当导体的X-Y阵列中的连接部，在正方形的第四个角处的电阻器显现为与编址的电阻器平行的幻影，因为电流可以向后流动通过该电阻器，并向前流动通过其他电阻器。在电子设备中必须注意并且存在额外的花费以消除这个幻影的影响。例如，如果如图23中所示，在行和列导体X1Y1之间施加电势V，从而确定压阻感应器电阻R11的电阻，则流过“幻影”电阻R22的反向电流将使电阻R12+R21+R22的总和与R11并联，导致由图23中的箭头所示的平行电流路径，其又将导致下面的不正确的电阻值：
Rx1y1＝R11//(R12+[R22]+R21)，Rx1y1＝R11(R12+[R22]+R21)/(R11+R12+[R22]+R21)，其中电阻值周围的中括号表示通过该电阻的电流为逆时针方向而非顺时针方向，即，对角地向下朝左。因而，例如，如果上面列出的四个电阻中的每一个都具有10欧姆的值，则R11的测量值将为：
R11＝10(10+10+10)/(10+10+10+10)＝300/40＝7.5欧姆，即，低于R11的实际值10欧姆25％。如果由于较大的力集中在那些感应元件48上而使得三个未编址的压阻感应元件48的R12、R22和R21的电阻值均较低，例如1欧姆，则R11的测量值将为：
R11＝10(1+1+1)/(10+1+1+1)＝30/13＝2.31欧姆，即低于R11的实际值大约百分之77的值。
另一方面，通过将二极管与每个压阻感应元件48串联地放置，如图24中所示，与通过图23和24中所示其他电阻的电流的顺时针前进路径相比，在与流过感应元件的测试电流相反的、逆时针的方向上测量到的元件电阻，例如R22，实际上将是任意大，或无穷大。在这种情况下，对于每个电阻都具有10欧姆的值的由四个电阻组成的2×2矩阵而言，测量到的电阻值将会是：
Rx1y1＝10(1+∞+1)/(10+1+∞+1)＝10欧姆，为正确值。
因而，将每个感应元件48改进成包括p-n结由此赋予感应元件象二极管的特性使每个感应元件48电绝缘，即防止电流倒流过每个感应元件48。这使得能用行和列矩阵编址精确地测量每个感应元件48的电阻的正确值Rx1y1并因此精确地测量施加在其上的力，而不需要为每个感应元件提供单独一对导线。
图25示出了本发明的力测量装置150。该装置可以使用上面描述的任一种类型的感应器阵列，但在图25中所示的特定例子中使用了图5中所示类型的感应器阵列70。
如图25中所示，力测量装置150使用四个感应器阵列70-1、70-2、70-3和70-4，每一个感应器阵列都具有16行导电细丝乘16列导电细丝的矩阵。四个阵列以正方形矩阵的方式布置，因而形成由32行×32列导电细丝组成的复合感应器阵列70-C，在它们的相交处形成了32×32＝1024个感应元件88。如图25中所示，32行导电细丝的引出线中的每一个和32列导电细丝的引出线中的每一个都连接到一对电接口连接器153-1、153-2的多个接线插脚154-1至154-64的单独的导电接线插脚上。
图26示出了使用上述力感应器装置150的力测量系统160。
如图26中所示，力测量系统160包括计算机161，其通过力感应器接口模块162双向偶联到力感应器装置160的力感应器阵列70上。感应器接口模块162包括数模转换器(DAC)163用于响应来自计算机161的控制信号而产生被引导向矩阵编址的单个力感应器88的测试电压或电流。
如图26中所示，通过将受DAC 163控制的电流或电压源的一个终端连接到X-行导体51-1-51-m中由X多路转接器164选定的一个上，和将所述电流或电压源的另一个终端连接到Y-列导体52-1-52-m中由Y多路转接器165选定的一个上，来对单个力感应元件88进行编址。感应器接口模块162还包括模数转换器(ADC)166，其测量由施加测试电流或电压而产生的通过感应元件88的电压降或电流，并且将测量值输入到计算机161。使用预定的比例因子，计算机161计算出选定的被编址的感应元件88的电阻的瞬间值，并且根据该电阻值计算出瞬间施加到编址的感应器上的相应法向力。
响应于计算机161周期性地发出的控制信号，用X多路转接器164和Y多路转接器165以例如3000采样每秒的相对快速的速度周期性地测量每个力感应元件88的电阻，使计算机161能以该采样速度算出施加在每个力感应元件88上的力。
测量系统160包括操作者接口单元167，其使得感应元件88测量到的力或压力值能作为数值和/或图表或压力/力图显示在计算机监视器168的显示屏上，或通过I/O单元169输出到外围设备，例如打印机，或输出到网络，例如因特网。
图27A和27B示出了短袜170，其包括采用了上面描述的导电细丝的新颖感应器阵列中的一种，例如图14-16或17-20中示出的单层的、织物基底压阻细丝感应器阵列。如图17中所示，短袜170包括单层织物力感应器阵列180，其是在图14-16中示出及在上面描述的平面力感应器阵列120的变型。通过考虑将阵列120的左和右侧边缘从纸面向上提升以使其碰上并形成中空的圆柱形管，改变力感应器阵列120形成力感应器阵列180可以被最好地形象化。
然后将从阵列的成一直线的边缘突出的行导体细丝121导电地固定到第一、行导体带状电缆181，将从卷曲的阵列的一个边缘突出的列导电细丝导电地固定到第二、列导体带状电缆182。将从阵列120的边缘突出的外端183、184电连接到如图26中所示且在上面描述的电阻测量电路。
图31-34示出了本发明的使用导电细丝的织物基底力感应器阵列的变型，其中没有用缝纫而是通过直接应用到导电细丝上的粘合剂将导电细丝固定到织物基片上。因而，第一、三层的织物感应器阵列190包括多个平行的、隔开的行导电弹性细丝191，其粘附地粘接到上部可伸展织物基片193的下表面194，上部可伸展织物基片193由3密耳厚的聚酯或上述两种Milliken织物中的任一种制成。感应器阵列190还包括多个平行的隔开的列导电弹性细丝192，其粘附地粘接到下部可伸展织物基片195的上表面196。制备成以上述方式赋予其压阻性能的可伸展织物的薄片包括位于行和列导电细丝191、192之间的中央压阻层197。然后，将前述三个层彼此上下堆叠并通过全部三层织物基底的网孔喷射多点胶水以将它们粘合在一起，从而形成完成的感应器阵列190。
图33中所示的感应器阵列200使用了单个基片207。通过双面粘贴磁带条213、214将被绝缘细丝210、211分开的导电行和列细丝191、192粘合到片207的上表面212和下表面213上。

Claims (37)

1.一种用于测量施加在其上的力的力感应传感器，所述传感器包括：
a.细长的、可弹性伸展的、导电的行细丝，
b.细长的、可弹性伸展的导电的列细丝，和
c.位于所述行细丝和列细丝之间并与所述行细丝和列细丝导电接触的压阻材料。
2.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述压阻材料被进一步限定为包含在所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少一个上的可弹性变形的覆层中。
3.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述压阻材料被进一步限定为包含在可弹性变形的压阻基片中，压阻基片包含与所述导电的行细丝接触并与所述导电的列细丝接触的压阻物质。
4.如权利要求3所述的力感应传感器，其中所述压阻基片充满所述压阻物质。
5.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少任一个的弹性伸展性至少为大约百分之一那么大。
6.如权利要求5所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少任一个具有聚合物芯。
7.如权利要求6所述的力感应传感器，其中所述聚合物芯呈细丝的形式。
8.如权利要求6所述的力感应传感器，其中所述聚合物芯呈丝线的形式。
9.如权利要求6所述的力感应传感器，其中所述聚合物芯具有形成于其上的导电覆层。
10.如权利要求9所述的力感应传感器，其中所述导电覆层具有形成于其上的压阻覆层。
11.如权利要求6所述的力感应传感器，其中所述聚合物芯具有形成于其上的压阻覆层。
12.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少任一个的弹性伸展性至少为大约百分之十那么大。
13.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少任一个的弹性伸展性至少为大约百分之三十那么大。
14.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝包括复数m个平行的导电的行细丝之一。
15.如权利要求14所述的力感应传感器，其中所述导电的列细丝相对于所述导电的行细丝成一角度。
16.如权利要求15所述的力感应传感器，其中所述导电的列细丝包括复数n个导电的列细丝之一。
17.如权利要求16所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝位于第一表面中。
18.如权利要求17所述的力感应传感器，其中所述导电的列细丝位于第二表面中。
19.如权利要求18所述的力感应传感器，其中所述第一和第二表面相互平行。
20.如权利要求2所述的力感应传感器，其中所述行细丝和列细丝附接到一对可弹性变形的基片的面向内的侧面。
21.如权利要求20所述的力感应传感器，其中所述基片中的至少一个由编织织物制成。
22.如权利要求21所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中的至少一个通过缝合的绝缘细丝附接到基片。
23.如权利要求2所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝附接到绝缘的可弹性变形基片的一侧。
24.如权利要求23所述的力感应传感器，其中所述基片中的至少一个由编织织物制成。
25.如权利要求24所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中的至少一个通过缝合的绝缘细丝附接到基片。
26.如权利要求3所述的力感应传感器，其中所述行细丝和列细丝附接到所述压阻基片的相反的平面表面。
27.如权利要求26所述的力感应传感器，其中所述行细丝和列细丝中的至少一个附接到可弹性变形的基片。
28.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少任一个沿一路径布置，该路径相对于连接所述细丝的第一端和第二端的线蜿蜒地布置。
29.如权利要求1所述的力感应传感器，其中所述导电的行细丝和导电的列细丝中至少任一个由聚合物制成，所述聚合物选自由单丝、编织细丝和编织丝线构成的组。
30.一种力感应传感器阵列，用于测量施加在其在空间上分开的各部分上的力，所述传感器阵列包括：
a.复数m个细长的可弹性伸展的导电行细丝，其在空间上彼此分开，
b.复数n个细长的可弹性伸展的导电列细丝，其在空间上彼此分开，
c.压阻材料，其位于所述导电行细丝和导电列细丝之间并与所述导电行细丝和导电列细丝导电接触，从而在其p＝m×n个相交部处形成复数p个感应元件。
31.如权利要求30所述的力感应传感器阵列，其中所述压阻材料被进一步限定为包括与所述p个感应器中的至少一个串联的具有非双向电阻抗特性的电路元件，用于通过选定的多对导电行细丝和导电列细丝的矩阵编址减小所述感应元件电阻抗的测量之间的串扰。
32.如权利要求31所述的力感应传感器阵列，其中所述非双向电阻抗特性被进一步限定为像二极管的特性。
33.如权利要求32所述的力感应传感器阵列，其中所述压阻材料被进一步限定为包括悬浮在弹性体固溶体中的导电颗粒。
34.如权利要求33所述的力感应传感器阵列，其中通过用至少一种金属氧化物涂覆所述压阻材料的表面来形成所述像二极管的特性。
35.如权利要求34所述的力感应传感器阵列，其中所述金属氧化物被进一步限定为包括至少一种氧化铜。
36.如权利要求33所述的力感应传感器阵列，其中所述压阻材料被进一步限定为包含在所述导电行细丝和导电列细丝中的至少一个上的可弹性变形的覆层中。
37.如权利要求33所述的力感应传感器阵列，其中所述压阻材料被进一步限定为包含在可弹性变形的压阻基片中，压阻基片包含与所述导电行细丝接触并与所述导电列细丝接触的压阻物质。
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