CN102656957A - 在给定表面上制造电路的方法 - Google Patents

Abstract

描述了能够形成导电轨道或绝缘轨道的化合物（2）以及极化所述化合物的方法。所述化合物包括溶剂基质，以及所述基质中的分散体。所述分散体包括(i)具有双共价共轭键的聚合物（M），也就是，由以环状结构链接的n个碳原子和其他类型原子构成的杂环化合物；以及(ii)所述聚合物的功能化成分（Q1），以便所述聚合物在被电磁场影响时，所述聚合物的状态从绝缘体改变为导体或从导体改变为绝缘体。

Description

在给定表面上制造电路的方法

技术领域

本发明主要涉及在任何表面上制造信号或电流形式的导体电路和/或电荷发生器的方法，本发明还涉及使用此类方法制造的电路。

背景技术

众所周知，对表面或系统进行布线是一项昂贵费事的操作。不仅要使用很长的电缆，而且其成本和重量也经常会影响成品，有时甚至使这项工作成为不智之举。

本发明着手解决例如住宅领域或汽车行业或其他领域中的此问题。

发明内容

因此，本发明的目标是实现通过电压和/或电流将信号或指令从住宅、汽车、船只或其他任何物体的墙体或表面的一点发送到另一点，无需在所述墙体或表面安装绝缘电导体电线或电缆或指令装置（command）的系统。

另一目标是，假如，以电压和/或电流产生信号或指令，无需安装电线或电缆或指令装置（command）。

这些目标通过所附权利要求1中所述的化合物实现。所述化合物的特定结构允许实现简单可靠的极化和去极化，以便在其中选择性地产生导体或绝缘路径。

本发明针对此目的提出权利要求11中所述的极化方法。

所述化合物可以液体或胶体的形式直接施加到介质或通过单独的膜或刚性或挠性支持层施加。

-另一使用形式是权利要求23中所述的用于操作者的触摸或压敏接触层。

诸如产生电力或机械振动（请参见权利要求18或24）之类的利用化合物的电气特性的方法构成本发明的一部分。

所有从属权利要求定义有利的实施例。

附图注释

通过下面对借助附图中的实例示出的优选实施例的描述，本发明的特性和优点将变得更为清晰明显，在所述附图中：

-图1示出根据本发明的用于具有导电涂料的表面的一系列涂料层；

-图2和2a示出使用饰面（finishing）涂料的涂料层；

-图3示意性地示出用于极化经过根据本发明的涂料处理的表面，以使其路径或部分导电的过程和装置；

-图4示意性地示出图3中对涂料层执行极化步骤的物理结果；

-图5和6示意性地示出带电涂料层的横截面。

具体实施方式

现在参考图1，介绍在金属叠层或其他材料构成的介质L的可涂敷表面上制造电路或电气路径的过程。

在介质L的表面上沉积具有增强的粘合功能的任何涂料的适当厚度的至少一个层（层1），这样做可消除任何轻微的多孔性，使其电绝缘，这与所述表面L或多或少的导电性或绝缘性有关。

如果表面L是金属片，则层1大约0.0001-1mm厚，而如果所述表面L导电性不强，例如是木头、塑料、树脂或是差导体或电绝缘材料的其他材料，则层1具有为约0.001-0.7mm的限制的厚度。

很明显，减小的厚度匹配于涂料的喷射应用并且可能根据所用的涂敷技术而变化。例如，如果使用辊为层1涂敷，则该层的厚度匹配于使用此类涂敷方法获取的层的厚度。

在基础层1上，施加包含金属氧化物的至少一个第二涂料层（层2）。这些氧化物非常重要，下面将解释原因，它们使基体（matrix）中具有可用电子。

需要指出，在分散体（dispersion）中包含下面将描述的所有成分的层2一般为溶剂，优选地为芳香剂。具体而言，优选地使用苯，并且优选地为二氯苯（因为它能很好地溶解噻吩）、二氯甲烷或硝基型稀释剂。

与金属氧化物一起还存在进一步的成分，例如石墨。石墨是优良的掺杂剂，主要是因为它们具有高导电性。此外，它们可使整个层2具有油滑（oily）性，即，始终保持一定的流动度，始终不会干燥。

因此，例如即使在UB射线下曝露多年，也不会脱落（flake）。被证实极为有利（因为强化了所述特性）的特定石墨子族包括富勒烯（fullerene）和石墨烯（graphene）。

该金属氧化物可以随机的方式在例如基于醋酸乙烯酯或乙烯基酯（vinyl esther）的涂料的基体中自由分散。

替代地，该金属氧化物还可以在具有双共价共轭键的聚合物基体（也就说由以环状结构链接的n个碳原子和不同类型原子构成的杂环化合物）中分散。

这些聚合物的一个有利族是丁二烯，它具有非常稳定的分子。

聚合物的另一有利族是噻吩，它替代了乙烯基。噻吩分子具有与众不同的以分层方式定位自身的特性，将在下面了解，全部在一个平面上没有重叠。此外，噻吩中的硫原子与基体具有一些电子亲和力。实际上，噻吩具有在聚合阶段充当单体链之间的接合剂的自由硫原子。

甚至可以在基体中一起混合噻吩和丁二烯。

上述聚合物和石墨可以在基体中一起与金属氧化物协作。但需要指出，该聚合物中的一种或多种还可以在基体中单独使用，无需氧化物的帮助和/或替代它们（对基质（substrate）的剩余部分的任何描述仍然有效）。

可以将具有或不具有彩色颜料的氯化铁或氯化铝添加到金属氧化物和聚合物中，或在单独使用金属氧化物或聚合物时添加到它们中的一种中。此类氯化物高度掺杂并且非常方便，这是因为它们可以消除滞后现象（将在下面对此进行详细描述）以及具有卓越的释放/接收电子的能力。具体而言，氯化铁或氯化铝是溶入氯中的氧化物，它们可以很好地溶入是塑料的噻吩中。出色的均化作用确保在电子级上实现最佳传递（communication），有利于与聚合物（例如，噻吩）的电子相互交换。

该金属氧化物例如可以由公式为Fe₂O₃、Fe₃O₄或更佳地，针对改进的磁化强度/饱和曲线，可以由氧化铬或公式为CrO₂的二氧化铬构成。

具有任何石墨的金属氧化物和/或任何聚合物将分散在涂料的基体或基质中，其量与所述涂料必须传到的电流或电信号的类型成比例。通过非限制性实例，可以假设每平方米涂料中具有任何石墨的金属氧化物的比例约为1350cm3的分散，并且可以通过喷射，使用辊或通过其他公知的方法施加由此获得的涂料。还可以使用采取纳米结构形式的具有任何石墨的金属氧化物来实现极佳的结果。

如果通过喷射施加层2，则指示性的厚度为0.001-1mm，而如果使用辊或其他技术施加，则该层可能更厚。在层2上应用至少一个饰面层（层3）。

该第三层（层3）可以通过喷射，辊或使用其他技术来施加，因为它的厚度可以在0.01至1mm之间变化（请见下面）。层3可以由同一乙烯基或聚合物基体（如上所述）和/或通过任何产品形成，以便所述层3具有良好的防大气作用特性和良好的向外电绝缘特性。

在图1中制造的多层涂料表面VM上，可以根据客户要求（图2）施加饰面涂料（层4），使得所述涂料表面VM的上层3中具有一个有效的增强粘合表面。

但是，可以对已具有上述饰面涂料4的介质L进行多层涂料VM处理，如图2a所示。在这种情况下，所述多层涂料表面VM可以是透明的或彩色的，并可以条状、岛状或其他形状的膜的形式施加，这是为了进行装潢和/或装饰。该多层VM表面就像要施加于任何介质的膜那样。

执行上述涂敷步骤之后，在包含具有任何石墨的金属氧化物的中间涂层2中制造与邻近区域导电连接或电绝缘的线形路径（linear path）或极化区域，然后沿着这些路径或区域传输形式为电流、电压或信号的电荷。

为了执行此步骤，可以使用图3的实例中的激光器或极化器P，其具有至少一个绕线5，该绕线5缠绕在具有空隙7的铁磁核6上并且连接到产生适合实现此目的的电压和频率的振荡器8。

极化器P具有良好的携带和处理特性，并且可以通过自带电池或外部电源供电。极化器P必须能够为其空隙7的极提供零频率磁场，可通过DC电源或通过约16KHz或更高（请见下面）的可变频率实现。

通过使极化器P的空隙7接近多层涂料表面VM，如图3所示，可以在具有金属氧化物和/或聚合物以及任何石墨的中间层2中诱发电磁场，可以在所述层2中创建具有取向偶极子的序列的区域，所述区域具有取决于外部施加的极化类型以及与此类层2中使用的具有任何石墨的氧化物的类型相关的可变欧姆电阻，所述电阻可从几欧姆变为几千欧姆。

通过使极化器P的头5、6以可变和预定的速度（取决于本发明的应用类型）例如沿图3中箭头F方向经过涂层表面VM，将在层2中创建至少一个受磁场直接影响的路径9，其特征为存在具有任何石墨的金属氧化物的取向偶极子109，所述取向偶极子还来自与所述路径9相邻的区域10、110，该区域10、110不带电荷并且含有具有任何石墨的金属氧化物的一部分，它们使得极化磁场的作用在路径9中发生迁移。

区域10和110将在主路径9的周围创建，它们是具有强电阻的死区，充当朝向包含非取向氧化物的最外部区域11、111的电介质，从而使所述路径9具有希望的电荷导体功能并且与在其上施加并制造所述路径9的表面电绝缘。

如果在层2仍处于聚合或硬化阶段干涉（intervening）表面VM，则可以通过适度的电压和可变频率以及限定的时间执行上述极化过程，因为，同时从电子和物理观点来看，具有任何石墨的氧化物的颗粒可以被磁化，更容易取向，更容易从区域10、110迁移到直接受极化器P的头5、6诱发的电磁极化场影响的区域9。

但是应该理解，对于同一频率，使用比上述磁场更强的磁场，可以在多层涂料VM的中间层2上制造所述电导体路径9，即使当所述涂料已干燥或聚合。借助极化器P的电压和不同频率的变化，可以在单个活性层2中产生在层2中的不同深度延伸的多个路径，因为其中每个路径通过发生器P的值和频率的各种变化产生。

通过将插座和/或其他适当的装置连接到导体路径9，如图4中的箭头12和112示意性地指示，可以将形式为电流或信号的电荷从同一路径9的一个区域传输到另一区域。

使用具有电压和在千兆赫量值上变化的极化频率的上述极化器P（或激光器），相信还可以沿路径9传输图像信号。即使在该项目的第一部分中，也认为可以沿所述路径9传输弱电流和电压，加厚层1和3的方法可以创建适当的安全阻抗绝缘，防止分散和电击，一般在范围30mA至50Hz内构建。

很明显，层2中的氧化物的极化不需要机械分子运动，而是只需要分子的不同激励状态。为了类比，请参考图5，其中示出层2的垂直横截面。分子M例如是金属氧化物并且掺杂剂是石墨，或者分子M是聚合物（例如，噻吩或丁二烯）并且掺杂剂D是金属氧化物。根据层2中基体的组成，存在作用（role）和重量百分比的交换。

电磁辐射R的作用（通过激光或空隙产生的电磁场）是对根据方程能量=h*v发送正确能量的分子M进行激励或去激励。当被激励时（标记为E的虚线），它们的电子状态发生更改并变为导体。

我们可以形象化地假想在序列中以有序方式定位的所有分子M之间创建导电“桥”。例如，当分子M是处于静止状态的聚合物时，它的特性就如电介质。随着能量到来，电子被从聚合物的分子M剥夺，该分子变为离子并导电。

被剥夺的电子在分散的电子云内沿轨道运行。

当激励的分子处于E状态时，包括层2的激励部分的外部电路CR闭合，并允许电流循环。

后续的辐射R将能量注入经激励的分子E。在上述氧化物的情况下，它们将自身置于不稳定状态，通过再次获取作为绝缘体的原始配置来脱离这种不稳定状态。如果分子E是聚合物，则更多的能量不足以使其返回到电介质状态，但是需要在原子级上非常接近的仿射成分D，它们在反极化能量到来时诱捕被剥夺电子并使其返回到聚合物（因此，聚合物的分子通过成分D功能化）。适合于此目的的成分为石英，但也可以使用其他材料实现此目的。

通过使至少外部层3上的表面阻抗值到至少20KOhm的量值上，可确保上述调整值内的必要电流保护。层3的0.3-0.5mm量值的厚度能够为用户提供必要的绝缘和安全保证，防止在额定电源电压和频率下有几十安培的电流经过路径9，但存在同时传输直流电和交流电流的可能性。

应该指出，在同一中间涂层2上（例如具有金属氧化物和任何石墨），可以制造多个导体路径9，甚至在单个应用中，改变针对此目的适当构建的极化器P的头的工作频率和电压，并且此类路径或区域可以具有任何相对设置，甚至是交叉设置（也就是说，它们位于平行平面上并且方向不同，甚至交叉）。

所述氯化物可以加速分子M和E的状态转换之间的通过，从而避免出现导致极低响应速度的滞后现象。

最后，应该指出，在本发明的范围内，还可以使用在彼此顶上并重复的几个涂层，以便形成含有多个具有任何石墨的金属氧化物的例如导体层2的晶片，并且通过层3相互电绝缘，可以在这些导体层上制造所述电导体路径或区域9，它们可以具有任何的相对设置，甚至重叠和/或交叉。

在需要时，或者在需要进行适当规模服务的任何情况下，可以将基于纳米结构的石英的填充剂填入内含金属氧化物（以及任何石墨）的涂料混合物中，可以选择性地使用氯化铁或过氯化铁或氯化铝进行表面处理。

将所述聚合物（具体来说是噻吩和丁二烯）与石英一起放入混合物中。但是要记住可以单独使用金属氧化物和/或聚合物。

具体而言，涂料混合物可以加载有金属氧化物，甚至只有一种或多种所述聚合物（优选地为噻吩），和基于石英的填充剂（或其19个族的一种或多种），特别地，BaTiO₃或PbTiO₃。具有TiO₃的成分具有极大粘合效果的优点，不会干燥并且能够以少的能量获得自由电子。

上述具有石英的混合物以及提供可极化状态（也就是说，可通过外部辐射选择性地改变导电能力）通过石英的特定性质获得唯一的压电特性。

这样可以通过用手指或元件或重物FG（请参见图6）或其他系统压缩所述涂料来原地产生信号或电流（通过适当的绘制，有用的外部显现该功能中涉及的表面）。

在层2中，优选地分散具有不同颗粒尺寸的石英。由Q1指示的石英非常细小，颗粒尺寸至多20nm，另一Q2较大，尺寸在600-700nm到约1μm的范围内。一般而言，可以选择在Q1和Q2之间的具有至少一个差别量级的颗粒尺寸。

Q1基本用作朝向聚合物的电荷载体并且促进激励状态的改变，Q2用作电压/电流发生器。

当按压石英石时，它会产生电流脉冲（类似于放电的电容器），对于层2中分散的Q2，情况也是如此。然后，通过物体FG的推进，产生通过层2传播的电流。

一般而言，存在两种可能性。如果层2中的分子M（例如，噻吩）被激励（E状态）并由此导电，则它们会收集电流并通过电路CR将电流向外引导。但如果分子M处于去激励状态（因此不导电），则以平衡方式重新聚集电子状态，没有外部效果。

请注意石英Q1和Q2的不同功能。

可由功能类似成分（例如，降低电子传递的滞后的氯化物）替代的石英Q1可用作与噻吩进行电子会话的功能成分，也就是说，它充当电荷的传输媒介，如果没有它，噻吩仍将处于电惰性状态或者不可去激励。另一优点是Q1使最终的化合物具有油滑性，不允许所述化合物干燥。

石英Q2仅充当电压/电流发生器，但不依赖于Q1。石英Q2即用于在受到机械压力时产生电荷也用于在通过激励的聚合物链E施加电脉冲时振动。

然后可以看到分子M的极化（类似于上面所述的内容）如何像开关那样控制层2产生电流。

物体FG的连续压力不会循环往复地产生电流，只会产生脉冲。通过周期按压和释放层2来产生脉动电流。例如，如果施压物体FG在层2的表面上移位，便会为分散的石英Q1提供可移动力。这样，层2中每个受压局部区域都会产生电流，在应力终止时再充电。

具体而言，层2上的空间可变压力局部地产生电流脉冲，这些脉冲相加得到几乎连续的总电流。

考虑涂敷道路。移动中的车辆充当层2上的移动施压器FG。车辆首先按压涂料的每个微部分，然后再释放。在每次施压时，所述微部分产生电流脉冲。层2只需连接到外部电路CR（图6）以收集所有脉冲的总和，也就是实际自由的电功率。

注意仅通过上述极化为层2的产生预定路径来容易地限定来自层2的电流输出。可以同样的方式，通过对层2的一部分执行去极化来中断电流。

因此，本发明能够产生按钮、键、游标、字母数字键盘或其他装置来直接通过上述涂料进行操作，因为通过该涂料明显标记的区域上的机械压力产生的电信号将通过已经获知的相同编程逻辑沿通过极化具有任何石墨的金属氧化物填充剂而分配的路径行进。

层2中的石英2也可以用于机械作用。

当极化层2时，分子E能够将电荷转移给石英Q2，在未转移之前，石英Q2将在基体中保持绝缘状态。通过从外部以交流电压为层2供电，可以选择性地激励石英2以使其在被施加的频率上振动。

令人惊讶的结果是，可以在涂料上任意设计振动产生区域（通过极化）。替代地或附加地，可通过对石英进行电激励，在选定区域中任意激活振动。

例如，考虑通过涂料（或层2）涂敷船只的龙骨。不仅波动可以通过上述效应发电（波的周期运动=层2上的周期压力=层2输出的电流），而且通过适当的频率为层2供电，层2在接触水面时振动，振动点或振动区域很容易通过现有极化进行设计。振动使得水与龙骨分离，从而船能更快地行进。

最后，这样的变体同样落在本发明的范围内，根据该变体，包含具有任何石墨和/或石英（对应于所述的石英Q1）的金属氧化物和/或聚合物（例如，噻吩）的层2不是以涂层形式制造，而是例如以其中包含该金属氧化物并具有任何石墨和/或石英的彩色或透明塑料膜的形式制备该层2，层2可以使用粘合方式施加于涂料的基层，如果需要可已经极化，并可以通过饰面涂层进行覆盖。

Claims (25)

1.一种化合物（2），包括：

-溶剂基质，以及

-所述基质中的分散体，包括：

-(i)具有双共价共轭键的聚合物（M），也就是，由以环状结构链接的n个碳原子和其他类型原子构成的杂环化合物；以及

-(ii)所述聚合物的功能化成分（Q1），以便所述聚合物在被电磁场影响时所述聚合物的状态从绝缘体改变为导体或从导体改变为绝缘体。

2.根据权利要求1的化合物，其中所述聚合物包括噻吩和/或丁二烯。

3.根据权利要求1或2的化合物，其中所述分散体包括石墨，特别地，石墨烯和/或富勒烯。

4.根据上述权利要求之一的化合物，其中所述分散体包括石英（Q1、Q2）。

5.根据权利要求4中的化合物，其中所述分散体包括(i)功能化所述聚合物的石英颗粒（Q1），以及(ii)适合于通过压电效应将电荷提供给所述基质或从所述基质接收电荷的石英颗粒（Q2）。

6.根据权利要求5的化合物，其中所述分散体包括BaTiO₃或PbTiO₃或具有TiO₃根的成分。

7.根据权利要求5或6的化合物，其中分散的功能化石英具有至多20nm的颗粒尺寸，和/或电荷的提供石英/接收石英具有在600-700nm到约1μm的范围内的颗粒尺寸。

8.根据上述权利要求之一的化合物，其中所述溶剂包括苯，特别地，二氯苯或二氯甲烷。

9.根据上述权利要求之一的化合物，其中所述溶剂包括醋酸乙烯酯或乙烯基酯基体。

10.根据上述权利要求之一的化合物，其中所述分散体包括具有或不具有彩色颜料的氯化铁或氯化铝。

11.一种在任何表面上制造电荷的导体电路的方法，其特征为具有以下步骤：

-将权利要求1中的化合物施加到层(2)的表面(L)，

-通过电磁场(R)极化或预先极化所述化合物(2)的路径或区域，所述电磁场适合于将修改所述聚合物的电阻的能量包传送到所述聚合物，以便所述聚合物从绝缘体变为导体或从导体变为绝缘体。

12.根据权利要求11的方法，其中使用激光产生所述电磁场。

13.根据权利要求11或12的方法，其中通过变化所述电磁场的频率和/或强度而在所述基质中的不同深度处的各平行面上制造导体路径。

14.根据权利要求11至13中的任一权利要求的方法，其中将粘合增强层沉积在要施加所述化合物层的表面上。

15.根据权利要求11的方法，其中将饰面层施加在所述化合物层之上。

16.根据权利要求11至15中的任一权利要求的方法，其中通过喷射或使用辊来施加所述化合物层。

17.一种可施加到表面的膜（VM），所述膜包括包含权利要求1至10中限定的化合物的层。

18.一种产生信号或电流的方法，包括：

-对权利要求4至10中所述的化合物施加压力；

-通过由所述化合物中的极化获得的导体路径将在所述化合物内部产生的电荷导出。

19.根据权利要求18的方法，其中施加不连续的或交替的或周期性的压力。

20.根据权利要求18或19的方法，其中

-将所述化合物施加到道路或实际通道的表面，

-将经过的车辆或行人作为所述化合物的施压器元件（FG），

-从所述化合物收集电流脉冲。

21.根据权利要求18或19的方法，其中

-使用根据权利要求4至10的化合物制造作为按钮或键或字母数字键盘执行功能的区域；

-处理与施加在所述区域上的机械压力所产生的电荷有关的信号。

22.根据权利要求18或19的方法，其中将所述化合物施加到船只的船体并且将波动用作施压媒介以产生电功率。

23.包括根据权利要求4至10的化合物的层且作为按钮或键或字母数字键盘执行功能的区域。

24.一种产生表面振动的方法，包括：

-提供根据权利要求4至10的化合物，所述化合物被施加到所述表面并通过利用交流电激励的外部极化而产生导电性。

25.根据权利要求24的方法，其中将所述化合物施加到船只的船体；以及

-将交流电功率供给到所述化合物，以使所述化合物在水的附近振动，以便所述振动使水与所述船体分离。

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