CN105190298A

CN105190298A - 用于保护电子设备免于受水侵害的装置和方法

Info

Publication number: CN105190298A
Application number: CN201480017938.2A
Authority: CN
Inventors: S·M·博里尼; R·怀特; J·基维奥亚; M·R·阿斯特莱; C·鲍尔
Original assignee: Nokia Technologies Oy
Current assignee: Nokia Oyj; Nokia Technologies Oy
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-12-23
Also published as: PH12015501959B1; WO2014135745A1; PH12015501959A1; US20140247529A1; US9042075B2; EP2965071A4; EP2965071A1

Abstract

一种装置包括：具有感应膜和至少两个电极的传感器；以及可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件。所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号。所述电子组件被配置为提供输出电压的改变以便触发将电子设备与电源断连的电子开关。

Description

用于保护电子设备免于受水侵害的装置和方法

技术领域

在本文中公开的示例性和非限制性实施例一般涉及保护电子设备免于受水侵害，并且特别涉及一种用于保护电池供电的移动电子设备免于受水侵害的装置和方法。

背景技术

已熟知各种类型的用于保护电子设备免于受水侵害的系统和设备。一些设备利用防水封装来抑制水进入电子电路所位于的隔间。其它设备采用水检测传感器，在所述水检测传感器中，电路使用电极来检测该电路向水中的浸入。被动式水进入检测器(诸如当暴露于水时改变颜色的测试条)也被移动设备的制造商用来避免由于移动设备的用户导致的水损害而产生的保修更换。然而，这样的检测器并不为移动设备的用户提供任何益处。电容感应设备也被用于测量湿度，但这样的设备倾向于基于对聚合物或金属氧化物的介电常数值的改变的测量，并且因此相对慢地对湿度的改变做出响应。

发明内容

下面的摘要仅旨在是示例性的，并且不旨在限制权利要求的范围。

根据一个方面，一种装置包括：传感器，其包括感应膜和至少两个电极；以及可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件。所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号。所述电子组件被配置为提供输出电压的改变以便触发将电子设备与电源断连的电子开关。

根据另一方面，一种方法包括：提供包括感应膜和至少两个电极的传感器以及可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件，其中，所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号；以及使用所述感应膜来感应电子电路中的湿度，以便确定传感器电压。

根据另一方面，一种非瞬态计算机可读存储介质包括一个或多个指令的一个或多个序列，所述一个或多个指令的一个或多个序列当被装置的一个或多个处理器执行时导致该装置至少：使用感应膜来感应电子电路中的湿度，以便确定传感器电压。

附图说明

在下面结合附图进行的描述中阐述了前述方面和其它特征，其中：

图1是一种用于保护电子设备免于受水侵害的设备的一个示例性实施例的示意电路图，所述设备包括传感器，所述传感器包括氧化石墨烯膜；

图2A是图1的传感器的电阻随时间变化的图形表示；

图2B是图1的设备的输出电压随时间变化的图形表示；

图3A是采用多孔纳米结构涂层的传感器的示例性配置的示意表示，其中，所述多孔纳米结构涂层在所述传感器的表面上生成超疏水性层；

图3B是图3A的传感器的示意表示，其示出了被圈闭(trapped)在水与超疏水性层之间的空气膜；

图4A是由电阻值表现其特征的各种传感器的响应随时间变化的图形表示；

图4B是图4A的传感器的响应的归一化时间导数的图形表示；

图5是氧化石墨烯膜传感器对于相对湿度突然增大的响应的图形表示；

图6A是在10kHz的频率下GO膜的电阻对于高湿度脉冲的响应的图形表示；

图6B是在直流电情况下GO膜的电阻对于高湿度脉冲的响应的图形表示；以及

图7是示出了一个示例性方法的示图，该示例性方法使用由图1的电路图体现的设备。

具体实施方式

诸如电话、相机等的便携式电子设备当使其与水接触时可被损坏。意外受水损害占全部便携式电子设备故障的相当大比例。修理处于保修的设备的受水损害一般涉及劳动力成本，所述劳动力成本可以大大增加更换材料的成本，特别是在较不昂贵的设备中，这是不可接受的成本负担。

一种用于避免便携式电子设备受水损害的示例性方法在于使所述设备“防水”。防水涉及防止或抑制水变得与设备内的电子电路相接触。存在几种可以实现电子设备的防水的方式，一种方法在于通过使用弹性密封装置来有效密封该设备上的全部开放孔隙。然而，所述方法意味着：各种访问端口(例如USB端口、插头连接器等)被配备了可装卸的密封装置，其中，用户必须记得在使用之后将所述可装卸的密封装置放回原位，否则设备将仍然容易进水。

一种可替换方法在于：在设备的内表面上或在某些情况下在整个设备之上使用疏水性涂层，所述涂层被构制为通过降低毛细效应而最小化水对设备的渗入。然而，如果是严重弄湿的状况(例如，设备完全浸没到水或含有大量水的液体中)，则所述方法可能不足以完全防止水进入，因为通常仍然存在水可以流入的大的开放孔隙。在这样的情况下，在电子电路处可发生电迁移。电迁移是由于导体中的离子的逐渐移动产生的材料传输，所述导体中的离子的逐渐移动由构成互连材料的点阵的传导电子和离子之间的动量转移导致，所述电迁移在电子电路中的发生可以导致电子设备的短路故障。疏水性涂层可以通过用防水屏障层覆盖全部活跃电路来便于延迟当水变得与电场接触时所发生的电迁移效应。

尽管有防水屏障，但只要电路仍然被供电，则存在电迁移将导致设备的短路故障的可能性。一种能够在电子产品被水损害之前断连电源的系统因此是值得高度期望的。然而，电路应当被配置为避免由于极端湿度状况所导致的不必要的关机。此外，所述电路还应当快得足以避免不可逆转的短路损害。

在本文中公开了一种用于保护电池供电的电子设备免于受水侵害的设备的示例性实施例。所述设备包括传感器，该传感器能够基于对非常大的时间导数值的测量而感应出具有液体或蒸汽形式的水。所述传感器包括(i)氧化石墨烯(在下文中为“GO”)薄膜，以及(ii)两个或更多与所述薄膜相接触的电极。电子开关被连接到所述传感器和为电子设备中的电路供电的电源(例如电池)。用于激活电子开关以便将电子设备的电路与电源断连的一种可能的触发器可以是GO传感器信号的时间导数的所测量到的门限值。

在所述设备的示例性实施例中，如果相对湿度突然增大达到高值(例如高达90％，或者高于预定的标准设备操作条件)，则GO薄膜的电阻抗的值呈指数并且几乎是立即地下降几个数量级。这样立即的响应转换为GO阻抗的时间导数的大的值，这使得电子开关在电路被液体水接触之前将电源与电子设备的电路断连，由此提供针对感应到水而言的超快响应时间。

GO可以轻松地作为薄膜被集成到传感器中，例如通过被印在电源上。举例来说，传感器可以被集成到电池中，例如通过将GO膜和电极直接印在电池的表面上。在某些示例性实施例中，该膜可以小于约100纳米(nm)厚。由于GO(其一般以薄片形式被采用)的二维性质，例如通过朗格缪尔-布洛杰特沉积(Langmuir-Blodgettdeposition)，可以获得具有等于少量原子层的厚度的GO膜。可以形成GO膜的其它示例性方法包括但不限于喷涂涂层和旋转涂层。通过采用这样的方法，可以以低成本来制造所述设备。

在备选的示例性实施例中，传感器可以包括除GO之外的材料，诸如氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯、功能化石墨烯、氟化石墨烯、辉钼矿、氮化硼、硫化钨，以及前述材料的组合等。

将时间导数门限用作用于激活电子开关的触发器可以适应不常见的和潜在的有害情形，例如几乎立即发生的剧烈湿度改变(例如，电子设备浸没在水中)。将时间导数门限用作触发器还可以用于将所述情形与以下情形区分开：在仅仅是具有高湿度的环境中使用含有所述传感器的电子设备。

在一个示例性方面中，可以在移动电话中实现所述设备，以便在与水相接触的情况下保护该移动电话的电路。

现在参考图1，一种用于保护电子设备免于受水侵害的示例性系统或设备一般地由参考标号100指定，并且在下文中称为“设备100”。设备100包括传感器(在200处示出)和关联的电子组件，其全部被布置为电路。在所示的示例性设备中，传感器200包括由GO层定义的薄的感应膜。在备选的示例性设备中，传感器200可以包括如上面指出的其它材料的薄膜。

设备100被配置为测量来自传感器200的信号，从而使得可以被保护免于湿度突然增大(例如，由于将电子设备掉落到水中所导致)的损害，但却使得如果电子设备仅仅是在湿度相对高的环境状况下(例如在有雾的天气下)使用时所述保护不被触发。电路对所述信号进行检测和处理，这基于的是感应膜的电阻抗的变化。对所述信号的处理被实施为测量传感器200的时间导数(电阻的改变速率)。在所示的示例性实施例中，设备100被定义为测量GO膜的电阻改变速率的电路。更特别地，该电路产生与GO膜的电阻改变速率成比例的输出电压。

传感器200被建模为具有感应膜(GO膜)，其被示为与4皮法(pF)电容器220并联的可变电阻器210。

针对关联于传感器200的电子组件，晶体管Q1提供了通过传感器200的恒定电流源(例如约50毫微安培(50nA))，从而使得放大器U1的非反相输入处的传感器电压(V_sensor)与传感器电阻成比例。放大器U1对由于传感器200的阻抗产生的该电压进行缓存。在感兴趣的测量频率(几赫兹(Hz))处，运算放大器U2、电容器C1和电阻器R5产生具有如下输出电压(V_out)的微分放大器：

V_{o u t} = - R_{5} C_{1} \frac{{dV}_{s e n s o r}}{d t}

还是在设备100中，电阻器R4和电容器C2有助于电路的稳定性和移除高频噪声。

现在参考图2A和2B，在设备100的电路的示例性操作期间，在一秒之后，湿度突然被增大，并且因此传感器200的感应膜210的电阻从40兆欧(MΩ)呈指数下降(在300处示出)到100千欧(kΩ)。这一突然改变导致产生输出电压(V_out)中的电压脉冲。在一个实施例中，所述突然改变可由归一化导数R'/R(其中，R'是时间导数dR/dt，并且R是电阻)指示为用于指示门限值(例如约5s^-1到约15s^-1)的参数。在含有设备100的电子设备掉落到水中的情形下，所述电压脉冲在水的进入能够导致电路的电子组件中的短路之前出现相当大的一段时间，这可能对电子设备造成不利影响。在图2A中，传感器200的电阻被示为随时间变化。在图2B中，电路的输出电压(V_out)被示为随时间变化。

在一些实施例中，输出电压(V_out)可用于驱动闭锁继电器，所述闭锁继电器当被触发时移除电子设备(诸如移动电话)的电路的供电；或者输出电压(V_out)可被附接到数控开关，所述数控开关含有TTL(晶体管-晶体管逻辑)输入或CMOS(互补金属氧化物半导体)逻辑输入来触发更复杂的掉电例程。在其中运用了对触发值的增大控制的其它实施例中，输出电压(V_out)还可用于驱动比较器。

在一些示例性实施例中，疏水性纳米涂层可被沉积在电极上以便增强传感器200对进水的选择性。该涂层的材料可以是与可用作膜的材料相同的疏水性材料，以便涂覆电子设备的外表面来免于受水侵害，所述疏水性材料的示例性实施例包括但不限于烯烃类、氟化材料和其它疏油表面。在采用疏水性纳米涂层的示例性实施例中，对渗透通过该涂层的水的测量可能是可行的，并且可以允许高湿度环境与实际进水之间的更好区分。可以通过改变涂层的厚度和/或孔隙率以及/或者所使用的疏水性材料的类型来调整传感器200的灵敏度。在一些实施例中，可以在碳与氟原子的特定比率下使用聚合物涂层。通过调整聚合物的氟化程度，抗水程度可被提高或降低，从而使得与进水关联的指定湿度级别导致开关切换，而诸如可在周围环境中遭遇到的较低湿度级别并不触发开关。在一些示例性实施例中，由疏水性材料定义的层可以保持特定的孔隙率级别，以便允许传感器可靠地操作。

现在参考图3A和3B，涂层的一种备选示例性配置可用于调整传感器200的灵敏度。该备选示例性配置通过采用多孔纳米结构涂层400而避免孔隙率的滞留，其中，所述多孔纳米结构涂层400在传感器200的表面上形成圈闭空气膜的超疏水性层。在图3A中所示的配置中，导电极410被放置在衬底420上，并且GO的涂层430被沉积或用别的方式安排在导电极410上。由材料的离散颗粒定义的多孔纳米结构涂层400被沉积在GO的涂层430上。

纳米结构涂层400被形成和看作是疏水性的，从而使得其材料排斥水/基于水的液体。这样的材料例如包括烯烃类、氟化材料和其它疏油表面。纳米结构涂层400可以通过以下方式来制成：喷涂来自挥发性溶剂的溶液的疏水性二氧化硅纳米颗粒，或者直接火焰喷涂无机疏水性二氧化硅或氧化铝纳米颗粒，其中，可以通过在氟硅烷材料(尽管其它化学处理也是可能的)情况下的受控暴露而使所述无机疏水性二氧化硅或氧化铝纳米颗粒呈现超疏水性。这导致纳米结构层的表面能的降低，该降低进一步导致表面具有约为145度的对水的大的前进接触角以及类似地大的后退接触角，导致低的接触角滞后(水滴可被看作轻易地滑离所述表面)。还可以通过氟化聚合物材料(其具有氟原子相对于碳原子的大比率)的喷涂涂层来产生纳米结构层，其中，所述氟化聚合物材料例如是聚四氟乙烯(PTFE)或类似材料。

如图3B中所示，纳米结构涂层400的材料是超疏水性的，以便在传感器200的表面上圈闭空气膜440，从而使得基本上防止(或至少抑制)水变得与传感器表面相接触，并且GO仍然还对周围状况开放，由此在防止水与传感器200相接触的同时允许湿度测量。

示例1

在一个示例中，传感器200被配置为在电子设备完全浸没之前提供切断触发，这是商用湿度传感器和包括“裸电极”的传感器无法做到的。在所述配置中，包括GO的传感器200与“裸电极”传感器以及利用模拟和数字信号处理的商用湿度传感器一起被安装在(未被装在防水容器中的)移动电话的电池腔内。该移动电话突然地并且几乎立即浸没在水中。图4A示出了随时间变化的每个传感器的响应。图4B示出了如图4A中所示的“裸电极”传感器以及包括GO的传感器200的响应的归一化时间导数。如在图4A和4B中可见，在设备被水浸没的情况下提供了切断触发。当浸没移动电话时，关于在环境中的相对湿度突然改变的情况下是否可以提供切断触发的结果是不确定的。如图4B中所指出的，指示如由传感器200所测量的相对湿度的突然改变的归一化导数的一个示例性门限值是大约10s^-1。

示例2

为了评估将在环境中相对湿度突然改变的情况下(如可由在潮湿天气中离开装有空调的建筑的用户所体验到的)提供的切断触发的能力，同样的在电池腔内具有传感器的移动电话被装在处于外室内的内室中。该外室被配置为通过被保持在大于95％的相对湿度下而模拟环境状况。通过打开内室，该移动电话然后突然被暴露于这一高相对湿度环境。

图5示出，移动电话内的湿度缓慢改变，以及未检测到包括GO的传感器200的任何即时响应(即，未提供任何切断触发)。如图5中所示，当在t＝1000秒时打开内室时，内室中的湿度迅速提高，如线条510所指示的。在这样做时，利用模拟和数字信号处理的商用湿度传感器显示出相对湿度的相应提高，如线条520所指示的。相应地，含有GO膜的示例性传感器200降低电阻，如线条530所指示的。由于为了访问和打开内室而打开外室，放置在外室中的参考电极显示出如线条540所指示的倾降(dip)。

在如本文中所公开的传感器200的示例性实施例中，包括GO的薄膜的传感器可以显示出针对暴露于相对湿度的超快响应。如图6A中所示，示出了随时间变化的在10kHz处的电阻的响应。如图6B中所示，示出了GO薄膜在直流电下的电阻针对高湿度脉冲而随时间变化的响应。

现在参考图7，一种示例性方法一般地由参考标号700来指示，该方法用于当水在电子设备的电路上实际存在之前将该电子设备与电源断连，并且在下文中称为“方法700”。可以由软件定义并且体现在计算机的非瞬态存储介质中的方法700包括感应步骤710，在该感应步骤710中，基于传感器200的感应膜210处的电阻的下降而对水进行感应。在基于电阻感应出水时，确定与感应膜210的电阻值成比例的传感器电压(V_sensor)的第一值，并将其存储在存储器中。然后确定第二传感器电压(V_sensor)。任何合适的时钟功能均可用于记录和(在存储器中)存储在第一传感器电压(V_sensor)与第二传感器电压(V_sensor)之间逝去的时间。

然后执行计算步骤720，在该计算步骤720中，结合电阻器R5和电容器C1，基于传感器电压(V_sensor)的改变而计算出来自微分放大器的输出电压(V_out)。

然后执行比较步骤730。在该比较步骤730中，做出关于输出电压(V_out)是否超过预定值的确定。如果输出电压(V_out)不超过预定值，则将控制传递回测量步骤720以便重新计算输出电压(V_out)。然而，如果输出电压(V_out)确实超过预定值，则将控制传递到断连步骤740，在该断连步骤740中，触发电子开关，并且中断对电子设备的电路的供电。如上面所述，如果输出电压(V_out)超出预定值，则输出电压(V_out)可用于驱动闭锁继电器，或者用于通过TTL或CMOS输入来触发掉电例程。

关于在本文中公开的传感器的装置和方法的示例性实施例可以被有利地认为是对通过防水封装来防止移动电子设备受水侵害的其它装置和方法的补充。此外，在本文中公开的示例性实施例可以在不具有专用于特定移动电子设备的防水容器的情况下被使用，可以按照低成本轻易地与其它移动电子设备集成，并且可以在降低由于针对受水损害的保修索赔产生的成本的同时提升移动电子设备的寿命。此外，在本文中公开的示例性实施例可以提升移动电子设备的稳健性并且降低受水损害发生的可能性，由此提升品牌印象和信任。

在一个示例中，一种装置包括：具有感应膜和至少两个电极的传感器，以及可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件。所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号。所述电子组件被配置为提供输出电压的改变以便触发将电子设备与电源断连的电子开关。

在仍然另一示例中，一种方法包括：提供包括感应膜和至少两个电极的传感器以及可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件，其中，所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号；以及使用所述感应膜来感应电子电路中的湿度以便确定传感器电压。

在另一示例中，一种非瞬态计算机可读存储介质包括一个或多个指令的一个或多个序列，所述一个或多个指令的一个或多个序列当被装置的一个或多个处理器执行时，导致所述装置至少：使用感应膜来感应电子电路中的湿度以便确定传感器电压。

应当理解，前述说明书是仅示例性的。本领域的技术人员可以设想各种备选方案和修改。例如，在各种从属权利要求中详述的特征可以以任何合适的组合被彼此合并。另外，来自上面描述的不同实施例的特征可以有选择地被合并成新的实施例。相应地，本说明书旨在包括落在所附权利要求的范围内的全部这样的备选方案、修改和变化。

Claims

1.一种装置，其包括：

传感器，其包括感应膜和至少两个电极，所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号；以及

可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件，其中，所述电子组件被配置为提供输出电压的改变以便触发将电子设备与电源断连的电子开关。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感应膜包括从由以下内容组成的组中选出的材料：氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯、功能化石墨烯、氟化石墨烯、辉钼矿、氮化硼、硫化钨以及前述材料的组合。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，基于湿度的所述信号是所述感应膜的电阻抗的变化。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电阻抗的变化是所述传感器的电阻的改变速率。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述传感器的电阻的改变速率与所述电子组件的输出电压的改变成比例。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述输出电压由微分放大器产生，所述微分放大器由所述电子组件的至少一部分来定义。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述电子组件与所述电源断连的所述电子开关是闭锁继电器或数控开关。

8.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括所述电极上的疏水性涂层。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，调整所述电极上的疏水性涂层的厚度来改变所述传感器的灵敏度。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，通过改变以下中的一个或多个来调整所述疏水性涂层：所述疏水性涂层的厚度、所述疏水性涂层的孔隙率，以及用于所述疏水性涂层的材料的类型。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，通过改变氟原子与碳原子的比率来调整所述疏水性涂层。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述疏水性涂层是在所述传感器的表面上圈闭空气膜的多孔纳米结构涂层。

13.一种方法，其包括：

提供包括感应膜和至少两个电极的传感器以及可在操作上关联于所述传感器的多个电子组件，其中，所述感应膜被配置为基于与液体水接触之前即时的湿度来提供信号；以及

使用所述感应膜来感应电子电路中的湿度，以便确定传感器电压。

14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：

基于传感器电压的改变来计算输出电压，

将所述输出电压与预定值进行比较，以及

基于将所述输出电压与所述预定值进行比较的结果，重新计算所述输出电压，或者断连电子开关以便中断从电源向电子设备的供电。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，感应电子电路中的湿度包括：确定所述传感器电压的第一值和确定所述传感器电压的第二值。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，基于传感器电压的改变计算所述输出电压是通过微分放大器来实现的。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，断连所述电子开关以便中断从所述电源向所述电子设备的供电包括以下之一：驱动闭锁继电器、基于TTL输入使所述电子设备掉电，以及基于CMOS输入使所述电子设备掉电。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述感应膜包括从由以下内容组成的组中选出的材料：氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯、功能化石墨烯、氟化石墨烯、辉钼矿、氮化硼、硫化钨以及前述材料的组合。

19.一种非瞬态计算机可读存储介质，其包括一个或多个指令的一个或多个序列，其中，所述一个或多个指令的一个或多个序列当被装置的一个或多个处理器执行时导致该装置至少：

使用感应膜来感应电子电路中的湿度，以便确定传感器电压。