CN107003190B - 高分辨率压力感测 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种压力感测设备，该设备可以包括包含一种或多种压阻材料的第一感测元件和第二感测元件；其中第一感测元件具有第一梯度；其中第二感测元件具有第二梯度；其中第二梯度与第一梯度不同；其中第一梯度和第二梯度有利于确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的负载和位置。

Description

高分辨率压力感测
相关申请的交叉引用
本申请要求2004年12月9日提交的美国临时专利序列第62/089,268号的优先权，该申请全部内容并入本文。
背景技术
诸如电子皮肤(e-皮肤)的智能贴片是像素化的柔性感测阵列，其以类似于人类皮肤的方式感测外部刺激和环境刺激。智能贴片已经由多种技术(诸如半导体有机物、纳米线、碳纳米管和纳米纤维)生产。
虽然已经用这些技术实现了有希望的结果，但是多像素集成、复杂的接线、所施加的电压以及分析仍然是待克服的挑战。例如，10×10像素化智能贴片需要200-300个接线设备和100个电测量设备，从而增加了能量消耗和智能贴片成本。
通常，GNP膜的电阻取决于颗粒间距离(inter-particle distance)。当GNP膜被沉积在柔性衬底上时，衬底的变形影响膜中的颗粒间距离并且电阻相应地改变。
在图1A中描绘了弹性变形的柔性衬底上的GNP的示意图。然而，对于智能贴片应用，需要许多像素和相关的接线。在应变/压力传感器的像素化阵列中，分辨率受像素大小限制，并且像素之间的灵敏度差异可减少总体压力分辨率和检测极限。
发明内容
根据本发明的各种实施例，可以提供压力感测设备和/或用于激活压力感测设备的方法。
根据本发明的各种实施例，可以提供一种压力感测设备，其可以包括可包含一种或多种压阻材料的第一感测元件和第二感测元件；其中第一感测元件具有第一梯度；其中第二感测元件具有第二梯度；其中第二梯度与第一梯度不同；其中第一梯度和第二梯度有利于确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的负载和位置。
一种或多种压阻材料可以是导电纳米颗粒。
一种或多种压阻材料可以是纳米管。
一种或多种压阻材料可以是纳米线。
一种或多种压阻材料可以是碳纳米管。
一种或多种压阻材料可以是碳纳米线。
所述压力感测设备，其中第一梯度和第二梯度中的至少一个可以是厚度梯度。
所述压力感测设备，其中第一梯度和第二梯度中的至少一个可以是宽度梯度。
所述压力感测设备，其中第一梯度和第二梯度中的至少一个可以是浓度梯度。
所述压力感测设备，其中第一梯度和第二梯度中的至少一个可以是电阻梯度。
所述压力感测设备，其中第一梯度和第二梯度中的至少一个可以是对应变梯度的灵敏度。
所述压力感测设备，其中第一梯度和第二梯度中的至少一个可以是封盖层厚度梯度。
所述压力感测设备还可以包括感测电路，该感测电路可以耦合到第一感测元件和第二感测元件，可以布置成感测在第一感测元件和第二感测元件处的电阻和电导中的至少一个以及确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的位置和负载中的至少一个。
第一感测元件可以包括多个第一区域，其中多个第一区域在位置上彼此不同；其中在不存在事件的情况下，可以存在第一区域的给定属性和第一区域的位置之间的一对一映射。
第二感测元件可以包括多个第二区域，其中多个第二区域在位置上彼此不同；其中在不存在事件的情况下，可以存在第二区域的给定属性和第二区域的位置之间的一对一映射。
第一区域的给定属性与第一区域的位置之间的一对一映射可以与第二区域的给定属性与第二区域的位置之间的一对一映射反对称。
第一梯度与第二梯度可以是反对称的。
感测电路可以被布置成以可为第一感测元件的长度的分数的空间分辨率确定位置。
感测电路可以被布置成以可小于第一感测元件的长度的百分之一的空间分辨率确定位置。
根据本发明的各种实施例，可以提供一种压力感测设备，其可以包括感测元件阵列，该感测元件阵列可以包括可包含一种或多种压阻材料的多个感测元件；其中该感测元件阵列可以由感测阵列给定属性函数表征，该感测阵列给定属性函数将多个感测元件的给定属性的值映射到涉及将压力施加在感测元件阵列的至少一个感测元件上的事件的位置和负载中的至少一个；其中事件的位置可以从可与感测元件阵列相关联的一组位置中选择；并且其中多个感测元件中的每一个可以与一组位置中的多个位置相关联。
给定的属性可以是电阻。
给定的属性可以是灵敏度。
一种或多种压阻材料可以是导电纳米颗粒。
一种或多种压阻材料可以是纳米管。
一种或多种压阻材料可以是纳米线。
一种或多种压阻材料可以是碳纳米管。
一种或多种压阻材料可以是碳纳米线。
压力感测设备可以包括感测电路，该感测电路可耦合到感测元件阵列，可被布置成感测该阵列的多个感测元件中的至少一些的电阻并且确定事件的位置和负载。
压力感测设备9，其中感测元件阵列的感测元件中的至少两个在它们的感测元件给定属性函数上彼此不同。
感测元件的感测元件中的至少两个具有可彼此反对称的感测元件给定属性函数。
压力感测设备可以具有一对压力感测元件，其特征在于给定属性函数，该给定属性函数可以是命令式的并且将该对感测元件中的感测元件的给定属性的值映射到施加在该对感测元件中的至少一个感测元件上的变形事件的位置和负载中的至少一个。
该对感测元件中的感测元件具有可彼此反对称的感测元件给定属性函数。
感测元件的阵列可以是条带，该条带可以包括可基本上彼此平行的两个感测元件。
所述压力感测设备，其中感测元件阵列可以包括第一层感测元件和第二层感测元件；其中第一层感测元件可以被定位在第二层感测元件上方。
第一层感测元件和第二层感测元件可以基本上彼此平行。
第一层感测元件和第二层感测元件可以基本上彼此正交。
第一层感测元件和第二层感测元件可以相对于彼此定向。
压力感测设备可以包括可定位在第一层和第二层之间的中间隔离层。
压力感测设备可以包括可定位在第一层和第二层之间的至少一个中间层。
压力感测设备可以包括至少一个保护层，这些保护层可以耦合到第一层和第二层中的至少一个的外部刻面。
所述压力感测设备，其中多个感测元件中的每一个可以与一组位置中的至少一百个位置相关联。
感测电路可以通过一系列导体耦合到感测元件阵列，其中导体的数目在多个感测元件的数目的数量级上。
感测元件阵列可以是柔性的。
所述压力感测设备，其中多个感测元件中的感测元件具有沿感测元件的纵向轴线单调变化的空间特征。
空间特征可以是感测元件的宽度。
空间特征可以是感测元件的高度。
所述压力感测设备，其中多个感测元件中的感测元件具有沿感测元件的轴线变化的导电纳米颗粒浓度特征。
所述压力感测设备，其中多个感测元件中的感测元件具有沿感测元件的纵向轴线单调变化的导电纳米颗粒浓度特征。
所述压力感测设备，其中当感测元件可能不处在压力下时，多个感测元件中的感测元件具有沿感测元件的纵向轴线单调变化的电阻。
所述压力感测设备，其中每个感测元件可以是条带。
根据本发明的各种实施例，可以提供一种压力感测设备，其可以包括可按串联方式布置以覆盖感测设备的不同区域的多对感测元件；其中每对感测元件可以包括可包含一种或多种压阻材料的第一感测元件和第二感测元件；其中第一感测元件具有第一梯度；其中第二感测元件具有第二梯度；其中第二梯度与第一梯度不同；其中第一厚度梯度和第二厚度梯度有利于确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的负载和位置。
多对感测元件可以耦合到提供至该多对感测元件中的每一个的独立通路的导体。
所述压力感测设备，其中多对感测元件可以耦合到柔性衬底并且可被配置为感测柔性衬底的弯曲点。
不同的区域可以是串联定位的区域。
不同的区域可以是不交叠的。
不同的区域部分地交叠。
根据本发明的各种实施例，可以提供用于操作上述压力感测设备中的任一个的方法和/或用于制造上述压力感测设备中的任一个的方法。
根据本发明的各种实施例，可以提供一种用于感测的方法，该方法可以包括提供压力感测设备，该压力感测设备包括包含一种或多种压阻材料的第一感测元件和第二感测元件；其中第一感测元件具有第一梯度；其中第二感测元件具有第二梯度；其中第二梯度与第一梯度不同；其中第一梯度和第二梯度有利于确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的负载和位置；以及通过压力感测设备感测该事件的负载和位置。
根据本发明的各种实施例，可以提供一种用于感测的方法，该方法可以包括提供包括感测元件阵列的压力感测设备，该感测元件阵列包括包含一种或多种压阻材料的多个感测元件；其中感测元件阵列由感测阵列给定属性函数表征，该感测阵列给定属性函数将多个感测元件的给定属性的值映射到涉及将压力施加在感测元件阵列中的至少一个感测元件上的事件的位置和/或负载；其中事件的位置从与感测元件阵列相关联的一组位置中选择；其中多个感测元件中的每一个与该组位置中的多个位置相关联；以及通过压力感测设备感测事件的负载和位置。
根据本发明的各种实施例，可以提供一种用于感测的方法，该方法可以包括提供压力感测设备，该压力感测设备包括以串联方式布置以覆盖感测设备的不同区域的多对感测元件；其中每对感测元件包括包含一种或多种压阻材料的第一感测元件和第二感测元件；其中第一感测元件具有第一梯度；其中第二感测元件具有第二梯度；其中第二梯度与第一梯度不同；其中第一厚度梯度和第二厚度梯度有利于确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的负载和位置；以及通过压力感测设备感测该事件的负载和位置。
附图说明
在本说明书的结论部分中特别指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。然而，通过参考结合附图阅读的以下具体实施方式，可以最佳地理解本发明(既作为操作的机构，也作为操作的方法)以及其对象、特点和优点，在附图中：
图1A示出根据本发明的实施例的条带；
图1B示出根据本发明的实施例的条带；
图2示出根据本发明的实施例的条带和在校准阶段期间扫描条带并在不同定位处施加压力的测试元件；
图3示出根据本发明的实施例的预测负载和实际负载之间的相关系数；
图4示出根据本发明的实施例的预测定位和实际定位；
图5示出根据本发明的实施例的条带对在不同位置处的0.02gr至1.5gr范围内的负载的连续变形事件的响应；
图6示出根据本发明的实施例的用于预测图1A的条带中的位置和负载的数学模型；
图7示出根据本发明的实施例的包括条带的贴片和手指；
图8示出根据本发明的实施例的包括双层阵列的条带；
图9示出根据本发明的实施例的图8的条带的负载和定位的所得预测；
图10示出根据本发明的实施例的接触图8的条带的手指和施加在某一位置处的压力；
图11示出根据本发明的实施例的矩形双层感测元件阵列；
图12示出根据本发明的实施例的在尺度与布线和/或读出电路的数量或复杂度之间的关系；
图13示出根据本发明的实施例的实验结果；
图14示出根据本发明的实施例的方法；
图15示出根据本发明的实施例的方法；
图16是根据本发明的实施例的设施的图像，其中触点使用商业银油墨印刷并且感测层使用定制金纳米颗粒油墨印刷；
图17示出根据本发明的实施例的多弯曲监测条带(MBMS)；
图18示出根据本发明的实施例的环形感测元件；
图19示出根据本发明的实施例的具有宽度梯度的印刷的己硫醇封端的NP；
图20示出根据本发明的实施例的宽度梯度传感器对恒定速度应变的灵敏度，其作为沿着感测条带的位置的函数；和
图21示出根据本发明的实施例的两层二维阵列，其中梯度为宽度梯度。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，阐述许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，未详细描述熟知的方法、步骤和部件，以免模糊本发明。
在说明书的结论部分中特别指出并明确地要求保护被认为是本发明的主题。然而，通过参考结合附图阅读的以下具体实施方式，可以最佳地理解本发明(既作为操作的机构，也作为操作的方法)以及其对象、特点和优点。
应当理解，为了说明的简单和清楚起见，附图中示出的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚起见，某些元件的尺寸可相对于其他元件放大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应的或类似的元件。
因为本发明的所示实施例在多数情况下可以使用本领域技术人员已知的电子部件和电路来实施，所以为了理解和了解本发明的基本概念以及为了不混淆或偏离本发明的教导，将不会以比上文示出的被认为是必要的程度更高的程度来解释细节。
在说明书中对方法的任何引用应该变通地应用于能够执行该方法的设备。
在说明书中对设备的任何引用应该变通地应用于可由该设备执行的方法。
根据本发明的实施例，提供具有感测元件并且具有比感测元件的数量更精细的空间分辨率的设备。换句话说，每个感测元件可以表示多个可能的位置——并且可以等同于多个像素。该设备的这个属性是术语“未像素化”——因为该设备并未为每个位置(每个像素)分配整个感测元件。
根据本发明的实施例，提供一种压力感测设备，其包括(a)第一感测元件，该第一感测元件由一种或多种压阻材料制成或包含一种或多种压阻材料并且具有第一梯度；以及(b)第二感测元件，该第二感测元件由一种或多种压阻材料制成或包含一种或多种压阻材料并且具有与第一梯度不同的第二梯度。例如，作为对压力或应变的响应，该压阻材料可以改变其电阻率。
包含在第一感测元件和/或第二感测元件中的压阻材料的非限制性示例包括纳米颗粒、碳纳米管和纳米线。在不同的实施例中，第一元件和/或第二元件可以包括导电聚合物或半导体聚合物。
为了解释的简洁，以下解释涉及纳米颗粒。对纳米颗粒的任何引用应加以变通地应用于对诸如但不限于碳纳米管或纳米线的压阻材料的引用。
梯度的非限制性示例可以包括厚度梯度、宽度梯度、浓度梯度、电阻梯度、对应变的灵敏度的梯度、封盖层厚度梯度、横截面梯度等。
为了解释的简洁，以下解释涉及厚度梯度。对厚度梯度的任何引用都应该加以变通地应用于对任何其他梯度(诸如但不限于宽度梯度、浓度梯度、电阻梯度、对应变的灵敏度的梯度、封盖层厚度梯度、横截面梯度等)的引用。
根据本发明的实施例，可以提供一种纳米颗粒压力感测设备，其可以包括：包含多个导电纳米颗粒的第一感测元件；其中第一感测元件具有第一厚度梯度；包含多个导电纳米颗粒的第二感测元件；其中第二感测元件具有与第一厚度梯度不同的第二厚度梯度。其中第一感测元件和第二感测元件具有这样的电阻，这些电阻一旦被感测电路读取则允许感测电路确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的位置和/或负载。该纳米颗粒压力感测设备可以包括该感测电路。第一感测元件和第二感测元件的非限制性示例是金纳米颗粒。
根据本发明的实施例，可以提供一种纳米颗粒压力感测设备，其可以包括包含多个感测元件的感测元件阵列；其中每个感测元件包含多个导电纳米颗粒；其中该感测元件阵列由感测阵列电阻函数表征，该感测阵列电阻函数将多个感测元件的电阻映射到涉及将压力施加在感测元件阵列中的至少一个感测元件上的事件的位置和/或负载。该感测元件阵列可以是一维的、二维的，可以是柔性的，成形为条带等。该感测元件阵列可以包括一层或多层感测元件。该感测元件阵列可以是感测电路，其耦合到感测元件阵列，被布置成感测该阵列的多个感测元件中的至少一些的电阻并确定事件的位置和负载。事件的位置从与感测元件阵列相关联的一组位置中选择。感测元件中的每一个与该组位置中的多个位置相关联。
根据本发明的实施例，提供具有两个平行的金纳米颗粒(GNP)条带的柔性衬底，其具有用于仅减小针对两个电阻测量的读出数据(通过三个终端获取)的未像素化皮肤条带的反平行灵敏度梯度。智能贴片表现出对沿着感测条带的所施加负载和定位的高敏感性预测并且对各种环境刺激(诸如温度、湿度和挥发性有机化合物)敏感。
以下文本假设感测设备包括彼此平行且厚度梯度相反的一对或多对感测元件，诸如GNP感测条带GSS。这仅是非限制性示例。
根据本发明的一个实施例，提供具有彼此平行且厚度梯度相反的两个GNP感测条带(2-GSS)的柔性聚合物箔。
可以沿着与感测元件的纵向轴线定向(例如，与其正交)的任何假想轴线测量感测元件的厚度。例如，厚度可以表示感测元件的高度、感测元件的宽度，或是这两者的组合。感测元件沿着其纵向轴线的厚度的变化可以表示感测元件的横截面的变化。
图1A示出根据本发明的实施例的条带10，其包括彼此间隔开并安装在柔性衬底30上的两个GSS 11和GSS 12。这两个GSS具有斜率相反的三角形形状——其中在一个GSS中，最右边缘具有最大高度，而在另一GSS中，最左边缘具有最大高度。需注意，GSS的横截面可以以另一种方式变化(例如，GSS的宽度可以如图1B所示以反对称方式变化，和/或高度及宽度的组合可以变化)。图1B还示出导体50和感测电路70。感测电路70测量第一GSS 11和第二GSS 12的电阻。需注意，导体50的数量可以等于四或可以不同于四。例如，一个导体可以与GSS 11和GSS 12中的每一个的一端并联连接。需注意，对电阻进行感测等同于感测GSS的电导率或对指示事件发生的感测元件的任何电参数和/或磁参数进行的任何感测。
图2示出根据本发明的实施例的条带10，该条带10包括两个GSS 11和GSS 12、导体50和测试元件40，该测试元件40在校准阶段期间扫描两个GSS并将压力施加在不同的定位处。GSS延伸8mm的距离并且彼此间隔开0.5mm。图2还示出标尺为50纳米的GSS之一的扫描电子显微镜图像60。
由于厚度的逐渐改变，GSS 11和GSS 12的电属性(电阻或电导率)沿着在相邻条带相反方向上的纵向尺度而改变。因此，测量在特定位置经受负载的相邻条带的电阻使得能够准确地计算所施加的负载和该负载沿着感测条带10的位置。
需注意，条带可以包括或耦合到感测电路，例如图1B的感测电路70。感测电路70可以被配置为通过任何已知方法来测量电阻。感测电路70可以位于GSS附近，或者位于更远距离处。它可以是柔性贴片的一部分或耦合到该贴片。
GSS可以通过任何适用的方法来生产。例如，它们可以通过“驱动防堵塞油墨滴(PAPID)”制造工艺来制造，该制造工艺适用于制备几厘米长的GNP线。
使用PAPID方法，在聚酰亚胺箔的条带上制备厚度梯度方向相反且电阻为约50MΩ的两个8mm长的GNP感测条带(2-GSS)。使用高分辨率扫描电子显微镜来研究和验证截面厚度梯度和相关形态。
一般来说，条带的“厚”边缘段、中部段和GSS的“薄”边缘段的平均厚度分别为约4微米、1.5微米和0.5微米。“厚”段、中部段和“薄”段的沿着感测条带的不同平均厚度也可以更小，诸如300nm、200nm和100nm。
GSS提供在GSS条带上的GNP的连续(或无缺陷)覆盖。GSS可以在室温下操作，这对于柔性和印刷电子器件是有利的。可以使用简单制备工艺来制造GSS、导体和衬底，其中使用相同的GNP解决方案和类似的制备工艺来制备导电电极和感测条带。
在恒定速度变形被施加在不同位置处时，本发明人测量了2-GSS的电阻(约10次/秒)。预测的负载基于预定义的校准方程组来计算。
针对沿着2-GSS的8个位置(间隔1mm)计算预测负载和实际负载之间的相关系数。结果揭示在所有位置上的高相关性(0.99以上)，如图3的曲线图100所呈现。
图3的插图110表示预测负载与实际负载的典型曲线图。在此设施中，可检测到小到0.014gr的负载变化。该负载与使用单个像素时报告的最小可检测负载相当。
相同方程组被用于基于预测负载来预测所施加负载/应变的位置。预测定位与实际定位由图4的曲线图120呈现。圆圈代表计算结果，而黑线代表完美的相关性。
图4的插图130是用于所有负载的预测定位的示例。用于2-GSS的计算出的定位分辨率(沿着厚度梯度方向)<1mm，这是在压敏传感器阵列方面报告的最高位置分辨率之一。
对于所呈现的未像素化智能贴片，设备的最终尺寸不受密集接线的影响，该密集接线在像素化技术的情况下可能会影响并且可能阻碍大规模应用。
可以将GSS与其中总电阻等于局部电阻器的电阻之和的一系列电阻器进行比较。因此，在给定位置处的变形事件导致电阻变化，该电阻变化具有与应变相同但在位置不同处的变形事件不同的特性。在图5的曲线图140和曲线图150中呈现GSS设备随时间推移对在不同位置处的在0.02gr-1.5gr范围内的负载的连续变形事件的响应——上面的曲线图140是指第一GSS 10，而下面的曲线图150是指第二GSS 12。
例如，当使GSS设备的高电阻(低厚度)段(比如曲线图150中的位置1)变形时，总体电阻的改变是显著的并且对变形的高响应被记录。将具有相反梯度的两个GSS组合可以得到一维传感器，其可用作智能贴片并且基于两个预定义校准方程和作为读出数据的仅两个电阻测量结果来感测压力/应变和位置。
将单个GSS对在线性传感器上的特定位置处的负载的响应计算为偏转传感器的电阻R与不施加偏转的电阻Rb之间的差值与Rb相比。
2-GSS条带组装在四个PDMS载体上。通过100μm厚的聚酯片材以恒定速度(1.5mm/sec)按压条带而将负载施加在该条带上。在该设施中所施加负载的范围为0.02gr-1.5gr。在每个位置(1-8)，负载增加且然后减小，同时记录GSS的电阻。
图6示出用于预测图1A的条带10和条带11中的位置和负载的数学模型。
用于预测2-GSS设备上的变形事件的负载和位置的模型基于两组校准实验，其中每组实验针对一个GSS。
在校准过程中，2-GSS设备在沿着设备的不同指定位置(xi)处经受连续偏转，同时测量每个GSS在每个位置处的负载和电阻的变化。
通过这些负载和电阻测量结果，在每个特定位置xi处针对每个GSS调整线性拟合，得到每个GSS的一组线性拟合，如在表格210中所概述的——参见第三列和第四列。
例如，当在特定位置xi处施加连续偏转时，GSS1的电阻R1的变化将是线性的。在特定位置处对负载的灵敏度为斜率a1，其定义了作为负载的函数的电阻变化。
当不施加负载时，截距C将是GSS的电阻。
第一GSS 11和第二GSS 12的各自负载灵敏度与位置xi之间的线性拟合将给出一组两个新方程：R1＝(A1X+B1)P+C R2＝(A2X+B2)P+D
加上这两个方程，当不施加负载时，GSS的电阻(C和D)给出一组两个校准方程，该组方程定义每个GSS的测量电阻R1和R2与施加在GSS上的负载及其位置这两者之间的相关性，如曲线图220所示。
图6还示出根据本发明的实施例的在沿着条带10的特定位置处的负载230的运用。第一GSS 11和第二GSS 12中的每一个由具有变化的灰度级211和212的线示出。变化的灰度级表示GSS 11和GSS 12中的每一个或局部薄层电阻的可变高度(或宽度)。两个校准方程组将使用户能够通过简单地测量两个GSS的电阻来计算所施加负载的位置和该负载。压力(230)的运用的估计位置241由条带240的黑线241示出。
图7示出根据本发明的实施例的接触人的手30的手指的条带10。条带70经由导体耦合到感测电路70。感测电路70可以同时(或以顺序的方式)测量两个感测GSS 11和感测GSS 12的电阻，并且应用基于具有两个变量(负载和定位)的两个方程的数学三角算法，通过该算法，施加在2–GSS上的负载及其沿条带的定位均可以以模拟方式来预测。
根据本发明的实施例，GSS和/或条带本身可以由可连接到GSS和/或条带的保护层来保护。保护层可以足够薄，以便不使GSS和/或条带与压力隔离开并且可以是柔性的。保护层可以在外部刻面(指向预期施加压力的位置)处连接到GSS和/或条带和/或连接至内部刻面。
图8示出根据本发明的实施例的双层阵列10’，其中一对GSS 11和GSS 12彼此上下放置，其中一个或多个PDMS层81和82保护该对GSS免受物理损坏，并且定位在GSS之间。需注意，可以在第一GSS和第二GSS之间提供使这些层彼此电隔离的中间层。图9的曲线图160和曲线图170示出根据本发明的实施例的负载和定位的所得预测结果。定位分辨率保持为1mm，但是在此设施中施加的负载较高(负载范围：4.5gr-35gr)，因为设备的衬底较厚。如图10所示，该负载范围适合于感测手指上的lμm直径尖端。图10示出根据本发明的实施例的接触条带10’的手指300和在特定位置230处施加的压力。GSS 11和GSS 12经由导体50耦合到感测电路(未示出)。此外，PDMS保护层提供在设备和皮肤之间的改善的粘附性。未像素化的智能贴片可以植入到一系列器具(比如外科机器人和可穿戴传感器)中，其中许多像素、大量的读出数据和丰富的接线可能阻碍技术进步。因此，所呈现的技术可用作三端的一维电子皮肤以便感测准确的位置和负载/应变。
图11示出根据本发明的实施例的二维感测设备300，其包括感测元件的第一层311、感测元件的第二层312和导体及衬底320的组合。每个层的感测元件可以彼此平行并相对于另一层的感测元件定向(例如，成90度)。这些层的感测元件可以是例如GSS 11和/或GSS 12。同一层的感测元件可以具有对称或不对称的电阻梯度，它们可以具有相同的电阻梯度，或者可以彼此不同。可替代地，同一层的一些感测元件可以具有相同的电阻梯度，而同一层的一些其他感测元件可以具有不同的电阻梯度。
图12的曲线图180示出像素或感测条带的二维阵列(称为矩阵维度)与接线和/或读出电路的数量或复杂度之间的关系。插图190表示在像素化压力传感器阵列和无差异的等同智能贴片之间的读数或所需接线的差异。
实验结果
烧结和随后GNP的扩大影响GSS设备的感测属性。GNP膜的电阻随着烧结时间的增加而降低(曲线图410)，这对应于GNP的有效扩大。例如，初始GSS电阻为2.7·108Ω，随后在150℃下烧结5分钟后降低至9.5·106Ω，且最后在总共烧结22.5分钟后达到5·104Ω的值。需要电阻的这种降低以生产具有适用设备电阻(～5·108Ω)的厘米级GSS。
对于智能贴片应用，对应变(或压力)的高耐久性和灵敏度是关键因素。在我们以前的报告中执行了GNP设备的疲劳测试。可再现和可靠的响应被记录多达10,000个标记循环。基于GNP的传感器对应变的灵敏度主要来自相邻纳米颗粒之间的隧穿机制。平均量规因数(GF)和标准偏差在曲线图420中示出。
结果可以分为三个节段。在节段I中，在烧结(150℃)的第一个15分钟期间，在烧结13分钟之后，GF从初始值50逐渐线性增加到220。实际上，随着GNP大小的增加，预计GF会线性上升。在节段II中，在烧结18分钟后，观察到突然跳跃至更高GF值(～300)，伴随着标准偏差的显著(数量级)增加。只要烧结步骤短(5分钟)，那么节段II中变化的高GF测量结果就会继续。这种现象可归因于在弯曲步骤期间裂纹的形成而非隧穿机制。最后，在节段III中，在长烧结时间(＞35分钟)下，GF下降至相对低值～25。低GF值与金属般的行为相关。
对于在第二节段中的弯曲期间的裂纹形成的构造，使用AFM在类似位置处扫描在150℃下20分钟烧结步骤之后的平坦和弯曲(曲率半径～10mm)的GSS设备(图像430)。在这两种情况下，直径范围为100nm-500nm的聚集体是可见的。然而，对于弯曲设备的图像，这些聚集体之间的间距较大，从而支持作为管理应变感测机制的裂纹开口机制。控制压力/应变感测的机制的研究使得能够因隧穿机制而制备具有高灵敏度的未像素化智能贴片，并避免不稳定的裂纹形成。
曲线图440呈现对小压力(0.0015kpa-0.5kPa)的高灵敏度(24％kPa-1)和15Pa的高检测极限。此外，对负载的响应是高度线性的并且增加和降低负载的行为是类似的。近年来，在OFET作为有源部件的情况下，报道了较高灵敏度。然而，所报道的OFET需要高工作电压(＞20V)，而本文呈现的设备可在低至0.5V的电压下操作，这使其适用于移动应用和便携式应用。未像素化方法的另一个突出优点是，为了精确地读出负载和位置，仅需要两个电阻测量结果和三个端子，而在所有其他智能贴片方法中，接线和同时测量许多像素阻碍了该技术的未来应用。
发现GNP烧结工艺对于控制GNP设备的其他固有感测能力(如感测温度、相对湿度(RH)和挥发性有机化合物(VOC))非常有用。GSS设备的部分烧结提高了控制和调整感测能力的新机会。例如，控制对温度的灵敏度是应变/压力传感器的主要优点，因为其允许减少对感测信号的与温度相关的干扰。
总而言之，当今的触摸和定位感测技术的前沿依赖于需要在感测“像素”之间的致密接线网络的触摸传感器的像素化阵列。为了克服该限制，提供了柔性线性应变传感器，其实时地感测沿着传感器的变形事件的定位和应变(或负载)。柔性聚合物衬底可以被沉积有作为电阻应变敏感层的2-GSS。使用印刷在聚合物箔上的两个电极测量的每个GSS的电阻与聚合物箔的变形成比例地变化。因为2-GSS中的每一个的NP膜被有意地沉积为具有沿着线(两个感测条带之间的相反方向)的厚度梯度，所以每条线的电阻改变也与变形事件沿着线的位置成比例。在这种简单设计中，传感器使用两个负载及定位校准方程和两个电阻读数来预测施加到2-GSS的负载和变形事件沿设备的定位。此外，具有感测膜的聚合物箔可以粘附到可拉伸衬底诸如PDMS上，以支撑该箔并赋予其皮肤般的属性。所描述技术的未来前景包括印刷用于大面积感测的GSS阵列。由于新印刷和图案化技术，对GSS的梯度属性的更好控制应进一步增加负载及位置灵敏度并且为智能贴片应用提供易于制作且直观的技术。具有不同取向的2D形式的此类阵列的层可以使得能够感测纹理化表面或多个应变位置。
设备制造
Kapton衬底是从杜邦公司(DuPont)接收的。
在电极制备之前，用乙醇、丙酮和异丙醇冲洗衬底，之后在150℃下进行5分钟的UVO清洁过程。通过驱动防堵塞油墨滴(PAPID)沉积方法，使用己硫醇(HT)封装的GNP油墨来制备金电极(GNP的合成规程详见于第6节的S I)，同时在300℃下烧结1小时。简而言之，HT封装的GNP被悬浮在甲苯：壬烷(7：3)溶液中，达到42mg(GNP)/ml(溶液)的浓度。这两种不同溶剂的组合使得能够通过以受控方式使衬底倾斜来致动油墨的固着液滴，以产生GNP迹线。然后，该GNP迹线经烧结，从而生产出具有数量级为数十欧姆的电阻的超薄导电电极。用1mm间距制备点设备(point device)的电极，而对于GSS设备，采用8mm间距。使用在金电极顶部上被垂直地致动的相同HT封装的GNP油墨的固着液滴，以类似方式制备GSS的GNP膜。GSS的烧结在150℃下进行不同时间段。
图14示出根据本发明的实施例的方法500。
方法500可以从感测第一感测元件和第二感测元件的电阻的阶段510开始。第一感测元件可以包括多个导电纳米颗粒并且具有第一厚度梯度。第二感测元件可以包括多个导电纳米颗粒。第二感测元件具有与第一厚度梯度不同的第二厚度梯度。
阶段520可以接着阶段510，并且可以包括确定涉及将压力施加在第一感测元件和第二感测元件上的事件的位置和/或负载。方法500可加以变通地应用于说明书中提及的任何压力感测设备。
图15示出根据本发明的实施例的方法600。
方法600可以从对感测元件阵列的多个感测元件中的至少一些的电阻进行感测的阶段610开始。感测元件阵列可以包括多个感测元件。每个感测元件可以包括多个导电纳米颗粒。感测元件阵列可以由感测阵列电阻函数来表征，该函数将多个感测元件的电阻映射到涉及将压力施加在感测元件阵列的至少一个感测元件上的事件的位置和/或负载。
阶段620可以接着阶段610，并且可以包括确定事件的位置和/或负载。事件的位置是从与感测元件阵列相关联的一组位置中选择。多个感测元件中的每一个与该组位置中的多个位置相关联。阶段610可以包括确定和/或输出事件的负载和位置中的仅一个。
可以使用常规印刷方法(例如，喷墨印刷、移印)完全地印刷该压力感测设备，通过该方法，导电层和感测层均被印刷在柔性衬底上。
方法600可以加以变通地应用于说明书中提及的任何压力感测设备。
图16是根据本发明的实施例的设施760的图像，其中使用商业银油墨印刷触点并且使用定制金纳米颗粒油墨(使用己硫醇作为NP的封盖层)来印刷该感测层。
图17示出根据本发明的实施例的多弯曲监测条带(MBMS)770。
图17示出以串联方式布置的四对反平行感测条带771、772、773和774——每对反平行感测条带沿着MBMS的纵轴“覆盖”MBMS的不同段。每对反平行感测条带被配置成独立于其他的成对反平行感测条带而(经由导体775)提供该对反平行感测条带的读数。
在多对反平行感测条带之间可以存在稍微的交叠。可替代地，在不同的多对反平行感测条带之间可以不存在交叠。
对于每个MBMS可以存在少于四对或多于四对的反平行感测带。
MBMS可以包括成行的一系列独立成对的反平行感测条带。可以通过独立成对的反平行感测条带沿着MBMS监测独立的弯曲点，而每对反平行感测条带可以感测(独立于其他的成对反平行感测条带)单个弯曲点。以这种方式，通过不同组的耦合反平行感测条带来检测和监测每个弯曲点。当多对反平行感测条带的大小适配手指的不同骨骼时，MBMS可以准确地监测手指的移动。
图18示出根据本发明的实施例的环形感测元件780。
在图18中，梯度是以径向方式沿着环变化的宽度梯度。这对反平行感测条带包括弧形条带781和782。
以这种方式，可以根据测量的两个条带的电阻来计算触摸点沿弧形反平行感测条带的平均定位以及触摸水平/触摸力。
图19示出根据本发明的实施例的具有宽度梯度的印刷己硫醇封盖NP790。
图20包括根据本发明的实施例的曲线图800，其示出作为沿着感测条带的位置的函数的宽度梯度传感器对恒定速度应变(1.5mm/sec)的灵敏度。
图21示出根据本发明的实施例的二维阵列810的两个层811和812，其中梯度为宽度梯度。
图21示出多对感测条带以及耦合到这些感测条带的导体。
例如，参见分别耦合到一对反平行感测条带811(3)和811(4)的第一层811的导体811(1)和811(2)。
例如，参见分别耦合到一对反平行感测条带812(3)和812(4)的第二层812的导体812(1)和812(2)。
第一层的多对反平行感测条带与第二层的多对反平行感测条带正交。
根据本发明的各种实施例，压力感测设备可以被包括在计算机化设备(诸如计算机、机器人和智能物体)中，和/或耦合到和/或附接到该计算机化设备(诸如计算机、机器人和智能物体)。
压力感测设备可以提供用于感测触摸的接合器件和/或感测器件，从而使计算机化设备能够“感知”其周围环境。
由压力感测设备提供的触觉可以向计算机化设备提供关于计算机化设备和与其接触的任何物体之间的接触的直接信息，从而使得能够对接触的性质(例如，量值、位置、动力学、刚度甚至质地)进行几乎即时的反馈。
压力感测设备可以被嵌入到将允许计算机化设备感知与其周围环境的交互的各种元件(诸如但不限于触感智能贴片)中。
可受益于压力感测设备的使用和/或应用领域的非限制性示例包括：
强制映射条带/贴片
模拟触摸屏或触摸板(其增大触摸量值的大小)
触敏医疗设备/工具(例如，剖腹术中的第一插入针头)，其可以帮助外科医生监测组织和器官的感觉。
触敏机器人
假肢，其具有保留对截肢者的触摸感的触感反馈。
用于机器人(或假肢)夹具/手的滑动阈值传感器，其使得机器人(或截肢者)能够识别在夹持指状物和物体之间的滑动阈值并且将夹具施加在物体上的力调整到滑动阈值以上(而非低于滑动阈值)。
智能运动装置(抓握/冲击监测)。
物理治疗和康复智能手套/贴片(移动和抓握监测)。
大面积应变监测，其用于航空和航天器中的裂纹和结构变形检测。
对触摸做出反应的交互式物体
照明控制器/开关(例如，由智能条带独立控制的可穿戴RGB LED条带，其中一端是光谱的红色边缘，而另一端是光谱的蓝色/紫色边缘，并且强度是根据所施加的用户手指力的量值控制的)。
采样声音控制器(例如，产生采样声音变体的一类乐器，其中x轴定义声音的音调，y轴定义音阶，并且所施加的用户手指力的量值定义声音的强度)。
磁道节距/速度控制，其分别以类似于CDJ设备上的微动调节器或节距调节器的方式暂时地或恒定地改变节距/速度)。
可穿戴智能手机控制器(嵌入到可穿戴服装内或独立佩戴)，其用于控制关键特征，诸如但不限于应答来电呼叫、结束呼叫、增加或降低智能手机输出音量、在磁道之间跳过、在磁道内扫描)。
用于具有任何2D或3D几何形状(例如线性条带、环、矩形、盖等)的通用设备(例如TV、AC、视频、立体声等)的强度控制和/或功能选择器。
多轴无人机或多螺旋桨无人机控制器，其使得用户能够控制无人机的飞行方向以及无人机的向上或向下加速度。
签名垫，其在书写签名过程中记录签名的形状和由手施加在该垫上的压力。
扭矩计量条带。
脉搏或心跳监测贴片。
在前述说明书中，已经参考本发明的实施例的具体示例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不偏离如所附权利要求中阐述的本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对示例进行各种修改和改变。
此外，在说明书和权利要求中的术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在…上”、“在…下”(如果有的话)等用于描述目的，而不一定用于描述永久性相对定位。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的实施例例如能够以除本文所示出或以其他方式描述的方式之外的其他取向操作。
本文所讨论的连接可以是适于例如经由中间设备从相应节点、单元或设备传送信号或将信号传送至相应节点、单元或设备的任何类型的连接。因此，除非另外暗示或陈述，连接可以是例如直接连接或间接连接。可以参考单连接、多个连接、单向连接或双向连接来示出或描述连接。然而，不同的实施例可以改变连接的实现方式。例如，可以使用独立单向连接，而非双向连接，反之亦然。此外，多个连接可以用串联地或以时间复用方式传送多个信号的单连接来代替。同样，承载多个信号的单连接可以分离成承载这些信号的子集的各种不同的连接。因此，存在用于传送信号的许多选项。
虽然在示例中已经描述了特定电导率类型或电位极性，但是应当理解，电导率类型和电位极性可以翻转。
本文描述的每个信号可以设计成正逻辑或负逻辑。在负逻辑信号的情况下，信号为低态动作，其中逻辑真实状态对应于逻辑电平为零。在正逻辑信号的情况下，信号为高态动作，其中逻辑真实状态对应于逻辑电平1。需注意，本文所描述的任何信号可以设计成负逻辑信号或正逻辑信号。因此，在替代实施例中，被描述为正逻辑信号的信号可以被实施为负逻辑信号，而被描述为负逻辑信号的信号可以被实施为正逻辑信号。
此外，当指代分别认为信号、状态位或类似装置是其逻辑真或逻辑假时，在本文中使用术语“断言”或“设定”和“否定”(或“取消”或“清除”)。如果逻辑真状态为逻辑电平1，则逻辑假状态为逻辑电平0，如果逻辑真状态为逻辑电平0，则逻辑假状态为逻辑电平1。
本领域技术人员将认识到，逻辑块之间的边界仅是例示性的并且替代实施例可以合并逻辑块或电路元件或者在各种逻辑块或电路元件上施加功能性的替代分解。因此，应当理解，本文描绘的架构仅是示例性的，并且实际上可以实施实现相同功能性的许多其他架构。
实现相同功能性的部件的任何布置被有效地“相关联”，使得实现所期望的功能性。因此，本文中进行组合以实现特定功能性的任何两个部件可被视为彼此“相关联”，使得实现所期望的功能性，而不管架构或中间部件如何。同样，如此相关联的任何两个部件也可以视为“可操作地连接”或“可操作地耦合”到彼此以实现所期望的功能性。
此外，本领域技术人员将认识到，上述操作之间的界限仅是例示性的。多个操作可以组合成单个操作，单个操作可以在分布成附加操作并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。此外，替代实施例可以包括特定操作的多个实例，并且可以在各种其他实施例中更改操作的顺序。
还例如，在一个实施例中，所示的示例可以实施为位于单个集成电路上或在相同设备内的电路系统。另选地，示例可以按适当方式实施为彼此互连的任何数量的独立集成电路或独立设备。
然而，其他修改、变化和替代方案也是可能的。因此，说明书和附图被认为是例示性的而非限制性的。
在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。单词“包括”并不排除在权利要求中列出的那些元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在。此外，如本文所使用的，术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。另外，即使当相同权利要求包括引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词诸如“一”或“一个”时，在权利要求中使用诸如“至少一个”和“一个或多个”等引导短语也不应被解释为暗示通过不定冠词“一”或“一个”引入另一个权利要求的元件限制了任何特定的权利要求。使用定冠词也是如此。除非另有说明，否则术语诸如“第一”和“第二”用于任意区分这些术语描述的元件。因此，这些术语不一定旨在指示这些元件的时间上的或其他优先级。纯粹的事实是，某些措施在相互不同的权利要求中叙述不指示这些措施的组合不能有利地使用。
虽然在本文中已经示出和描述了本发明的某些特点，但是本领域普通技术人员现在将会想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。

Claims (20)

1.一种压力感测设备，包括：
包含一种或多种压阻材料的第一感测元件和第二感测元件；
其中所述第一感测元件是细长的并且具有沿所述第一感测元件的纵向轴线的第一梯度；
其中所述第二感测元件是细长的并且具有沿所述第二感测元件的纵向轴线的第二梯度；
其中所述第二梯度与所述第一梯度反平行；
其中耦合到所述第一感测元件和所述第二感测元件的感测电路被布置成感测所述第一感测元件和所述第二感测元件的电阻和电导中的至少一个，以确定事件在所述第一感测元件和所述第二感测元件的范围内的位置以及所述事件的负载的量值，其中所述事件涉及将压力施加在所述第一感测元件和所述第二感测元件上；并且
其中所述第一梯度和所述第二梯度独立地选自由下列项组成的组：厚度梯度、宽度梯度、浓度梯度、电阻梯度、对应变的灵敏度的梯度和封盖层厚度梯度。
2.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述一种或多种压阻材料是导电纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述一种或多种压阻材料是纳米管。
4.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述一种或多种压阻材料是纳米线。
5.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述一种或多种压阻材料是碳纳米管。
6.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述一种或多种压阻材料是碳纳米线。
7.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述第一感测元件包括保护层。
8.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述第一感测元件包括多个第一区域，其中所述多个第一区域在位置上彼此不同；其中在不存在所述事件的情况下，存在第一区域的给定属性与所述第一区域的位置之间的一对一映射。
9.根据权利要求8所述的压力感测设备，其中所述第二感测元件包括多个第二区域，其中所述多个第二区域位置上彼此不同；其中在不存在所述事件的情况下，存在第二区域的给定属性与所述第二区域的位置之间的一对一映射。
10.根据权利要求9所述的压力感测设备，其中在所述第一区域的所述给定属性与所述第一区域的所述位置之间的所述一对一映射与在所述第二区域的所述给定属性与所述第二区域的所述位置之间的一对一映射是反对称的。
11.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述感测电路被布置成以空间分辨率确定所述位置，所述空间分辨率是所述第一感测元件的长度的分数。
12.根据权利要求1所述的压力感测设备，其中所述感测电路被布置成以小于所述第一感测元件的长度的百分之一的空间分辨率确定所述位置。
13.一种压力感测设备，其包括多对感测元件，所述多对感测元件以串联方式布置成覆盖所述感测设备的不同区域；
其中每对感测元件包括包含一种或多种压阻材料的细长的第一感测元件和细长的第二感测元件；其中所述第一感测元件具有第一梯度；其中所述第二感测元件具有第二梯度；
其中所述第二梯度与所述第一梯度反平行；其中耦合到所述第一感测元件和所述第二感测元件的感测电路被布置成感测所述第一感测元件和所述第二感测元件的电阻和电导中的至少一个以确定事件在所述第一感测元件和所述第二感测元件的范围内的位置以及所述事件的负载的量值，其中所述事件涉及将压力施加在所述第一感测元件和所述第二感测元件上，并且其中所述第一梯度和所述第二梯度独立地选自由下列项组成的组：厚度梯度、宽度梯度、浓度梯度、电阻梯度、对应变的灵敏度的梯度和封盖层厚度梯度。
14.根据权利要求13所述的压力感测设备，其中所述多对感测元件耦合到提供至所述感测元件对中的每一个的独立通路的导体。
15.根据权利要求13所述的压力感测设备，其中多对感测元件耦合到柔性衬底并且被配置为感测所述柔性衬底的弯曲点。
16.根据权利要求13所述的压力感测设备，其中所述不同区域是串联定位的区域。
17.根据权利要求13所述的压力感测设备，其中所述不同区域是不交叠的。
18.根据权利要求13所述的压力感测设备，其中所述不同区域部分地交叠。
19.一种用于感测的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求1-12中任一项所述的压力感测设备；以及
由所述压力感测设备感测所述事件的所述负载的量值和所述事件的所述位置。
20.一种用于感测的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求13-18中任一项所述的压力感测设备；以及
由所述压力感测设备感测所述事件的所述负载的量值和所述事件的所述位置。
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