CN107209071B - 包含感测结构的感测系统 - Google Patents

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Abstract

在一个一般方面中，一种设备可包含具有包含在基质中的多个导电填充物的感测隔膜。所述设备可包含耦合到所述感测隔膜的外部部分的多条电引线，其中所述导电填充物具有小于所述感测隔膜的体积的25％的体积百分比。

Description

包含感测结构的感测系统
相关申请案
本专利申请案要求2014年9月17日提交的第62/051,925号美国临时申请的优先权及权益，所述临时申请的全文是以引用方式并入本文中。
本专利申请案是2015年9月16日提交的第14/856,235号美国申请案的接续且要求其优先权，所述美国申请案要求2014年9月17日提交的第62/051,925号美国临时申请的优先权及权益，所述两个申请的全文是以引用方式并入本文中。
联邦政府资助研究
本申请案是在美国政府的财政拨款支持下根据由国家科学基金会授予的财政拨款号CMMI-1235365做出的。政府可对本申请案拥有特定权利。
技术领域
本专利申请案涉及一种包含感测结构的感测系统。
背景技术
应变及力传感器可为许多力学及动力学应用提供重要信息。大多数情况下，使用压电响应应变仪测量此类量。压电响应应变仪通常分为两种类别。一些应变仪是压阻式的，意指仪表的导电率在变形期间改变。此类仪表需要电源(例如，电池)来操作。其它应变仪是压电式的，意指仪表在应变下产生呈可测量的电压的形式的电势。现有应变仪在其可测量的应变大小方面并其应用上有所限制，此外，许多此类仪表是昂贵的，且难以校准，从而将此类仪表的使用限制于实验室环境。
发明内容
在一个普通方面中，一种设备可包含具有包含在基质中的多个导电填充物的感测结构。所述设备可包含耦合到所述感测结构的部分的多条电引线，其中所述导电填充物具有小于所述感测结构的体积的25％的体积百分比。
在附图及下文描述中阐述一或多个实施方案的细节。从具体实施方式、附图说明及权利要求书，其它特征将显而易见。
附图说明
图1是说明耦合到物体的感测结构的图。
图2A及2B是说明包含引线及隔膜的感测隔膜的图。
图2C说明来自图2A及2B中的引线中的多对引线之间的电阻图。
图3A到3C说明根据实施方案的多种感测结构。
图4是说明耦合到物体的表面的感测结构的图。
图5A及5B是基于导电填充物体积百分比说明感测结构的特性的图。
图6是说明感测结构耦合到衬底时所述感测结构与所述衬底的组合的机械性质的变化的图。
图7是说明与感测结构相关联的电性质的时间跟踪的图。
图8是说明识别变形的位置的方法的流程图。
具体实施方式
图1是说明耦合到物体10(或衬底)(例如，并入在物体中、嵌入在物体内)的感测结构100(例如，感测隔膜、感测仪、感测圆柱体)的图。计算装置12操作地耦合到感测结构100。虽然被示为耦合到物体10，但是计算装置12可耦合到感测结构100及/或可安置在物体10(例如，织物、薄板、塑料、金属)的外部。计算装置12可经配置以处理(例如，收集、存储、接收、传输、产生等)与感测结构100有关的数据。在一些实施方案中，感测结构100可称为感测仪或仪表。
感测结构100可经配置使得可确定(例如，识别)感测结构100(又可称为应变感测结构)的一或多个变形(例如，应变、压缩)的一或多个位置。可基于包含在感测结构100中或耦合到感测结构100的一系列(例如，一群组、一组)电引线(又可称为触点或探针)102之间的静态、瞬间或变化的电性质(例如，压阻、压电性质)来确定变形的位置。在一些实施方案中，感测结构及计算装置12可统称为感测系统14。感测结构100可不同于用于测试一个方向上的电阻的单个材料带。在一些实施方案中，感测结构100可为或可包含可以多种形式布置(例如，可堆叠(例如，垂直堆叠)或横向安置(例如，横向并排安置))的多个感测结构。结合至少图2A描述与感测结构100(及感测系统14)有关的更多细节。
图2A是说明包含引线A1到A8(例如，电引线)及隔膜202的感测隔膜200的图。感测隔膜200是一种类型的感测结构的实例。换句话来说，结合图2A到2C说明且描述的感测结构可为至少图1中所示的感测结构100的变型。
如图2A中所示，引线A1到A8耦合到隔膜202的外部部分(例如，周边)。在一些实施方案中，引线A1到A8可耦合到隔膜202的不同部分，所述不同部分包含隔膜202的内部部分。在一些实施方案中，感测隔膜200可包含多于或少于图2A中所示的引线。在一些实施方案中，引线的数目可为偶数或奇数。在一些实施方案中，感测隔膜200可包含不同于图2A中所示般间隔开的引线。在一些实施方案中，引线A1到A8中的一或多者可由导电材料制成。虽然被示为具有图2A中的圆形轮廓，但是在一些实施方案中，隔膜202可具有例如正方形形状、不规则形状等不同形状。
在此实例实施方案中，可使用引线A1到A8识别变形20的位置(例如，坐标位置、X/Y位置等)，所述变形可响应于施加于隔膜202的力或移位而限定。可经由引线A1到A8(或其子组)确定(例如，检测、测量)跨或通过隔膜202的电性质(例如，电阻)的变化(或瞬间测量)。具体地，可使用引线A1到A8(或其子组)确定电性质的一或多个变化。结合图2C中所示的表来说明实例。
图2C说明来自图2A中所示的引线A1到A8中的多对引线之间的电阻图。在此实例实施方案中将电阻值标准化为1(其是无变形的电阻)。可通过在引线A1到A8中的多对引线之间引发电压(例如，通过注入电流)使用装置(例如，图1中所示的计算装置12)来确定电阻值。例如，将引线A2与引线A6之间的电阻值确定(例如，检测、测量)为0.5，其与图2A中所示的变形20相交(如由虚线表示)。相比之下，引线A2与引线A5之间的稍微较高电阻值确定为0.9，其靠近(例如，相邻于)但切向于变形20。作为又一实例，引线A2与引线A4之间确定没有电阻变化(如由电阻值1表示)。因此，经由引线A1到A8之间的电阻测量的组合，可(例如，使用图1中所示的计算装置12)确定变形20的位置。换句话来说，可使用电阻值至少以二维(或更多维)绘制变形20的位置、大小、形状(或轮廓)及/或其它特性(例如，变形类型)。虽然图2C说明电阻图，但是可使用不同的电性质来限定类似绘图。
在一些实施方案中，引线A1到A8可以多种方式使用来识别变形。例如，在一些实施方案中，引线A1到A8中的一或多者可用作接地或参考，且引线A1到A8中的其它者可用于测量信号。作为特定实例，引线A1可用作参考引线，且来自其它引线A2到A8的信号可参考引线A1来测量。在一些实施方案中，此模式可在第一测量循环期间使用，且不同的参考引线可在第二测量循环期间使用。在一些实施方案中，第一引线可用作第一组引线的第一参考，且第二引线可用作第二组引线(其可与第一组引线相交或可为相对于第一组引线的正交组)的第二参考。
返回参考图2A，引线A1到A8在此实施方案中耦合到隔膜202的外部部分203。因此，电性质的测量是隔膜202的外部部分203上的一点(例如，第一点)与隔膜202的外部部分203上的一或多个额外点(例如，至少第二点)之间的端对端电阻测量。在一些实施方案中，一或多条引线可耦合到隔膜202的内部部分(例如，中间部分可具有可安置在内部部分中的导电部分)。因此，电性质可介于隔膜202的内部位置(点)之间或介于隔膜202的内部位置(或点)与外部部分位置之间。在一些实施方案中，不同水平(例如，不同的组距离、不同的分组、不同的径向距离)的引线可包含在隔膜202中。在一些实施方案中，一或多条引线可包含在隔膜202的顶部部分或底部部分(而非侧部分)上。
返回参考图1，感测结构100(例如，隔膜)可由多种材料制成。例如，感测结构100可包含结合不同类型的硅氧烷或其它聚合物使用的纳米复合填充物材料的各种组合。
感测结构100可为根据一个实施方案展现出对压缩及松弛的压电响应及/或负压阻效应的复合物材料(例如，感测结构可具有应变与电阻之间的负相关)。展现出应变与电阻之间的正相关(例如，电阻随着仪表变长而增大)的压阻式应变仪(或结构)可具有相对较高功率需求。感测结构100还可响应于拉伸或压缩应变而展现出压电响应及/或压阻。感测结构100可包含若干组件：具有导电填充物(例如，导电纳米颗粒、导电稳定剂)中的一或多者的基质。在一些实施方案中，基质与一或多个导电填充物的组合可相对没有空隙或可基本上不包含空隙(又可称为没有空隙或无空隙)。换句话来说，空隙可小于感测结构100的材料(例如，复合物材料)的5体积％(例如，小于1％)。因此，无空隙复合物材料可具有小于5体积％的空隙。在一些实施方案中，不导电填充物也可包含在上述基质中。
感测结构100可包含若干组件：具有导电填充物(例如，导电纳米颗粒、导电稳定剂)及空隙中的一或多者的基质。在一些实施方案中，空隙及导电填充物可均匀地分散在整个基质中。在一些实施方案中，基质可为任何聚合物(例如，弹性聚合物、热塑性聚合物、热固性聚合物等)，例如硅氧烷基材料、聚氨酯材料、其它泡沫状材料等，所述聚合物在变形后保持其形状且在整个材料中包含空隙。换句话来说，基质可具有弹性、孔隙率及高疲劳应变，通常从50％到1000％应变。
在一些实施方案中，聚合物基质可为例如通过化学反应、引入发泡剂、通过气体注入等形成空隙的泡沫基产物。空隙可赋予复合物材料相对较低的重量、相对较低的密度及相对较高的能量吸收。换句话来说，不同于固体材料，在复合物材料中，空隙分散在整个基质中。例如，用于基质的聚合物的密度在没有空隙的情况下可大约是有空隙情况的二倍到三倍半。例如，在一些实施方案中，感测结构100可具有350kg/m3到800kg/m3的密度。
在一些实施方案中，用作基质的聚合物可能能够在固化之前与导电填充物混合。例如，一些聚合物可为热固性的，或经由加热、化学反应或照射不可逆地固化。在固化之前，导电填充物可与未固化的聚合物组合。例如，经由化学反应固化的聚合物(例如泡沫)可包含两个部分，当两个部分混合或组合时形成聚合物。一旦组合，两部分发生化学反应，产生泡沫材料特有的气泡或空隙，并硬化。导电填充物可在组合之前与一个或两个部分混合。一些聚合物可在固化之前与发泡剂混合。此类聚合物可在与发泡剂混合之前与导电填充物组合。可通过气体注入、通过搅拌等在聚合物中形成空隙。一些聚合物可通过加热固化。热固性聚合物可在混合之后且在其固化之前被浇铸、模制、喷涂或挤出。感测结构可包含第14/266,438号美国专利申请案中描述的复合物材料(例如，空隙复合物材料)中的任一者，所述专利申请案是以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，导电填充物可包含导电纳米颗粒。在一些实施方案中，导电纳米颗粒是具有至少一个尺寸的颗粒，所述尺寸为1000纳米(nm)或更小(例如，100nm)且也由导电材料制成。此类导电材料的实例包含镍、铂、金、银、铜等。导电纳米颗粒的实例包含纳米线、粉末及纳米链。可包含的一种类型的纳米链是镍纳米链(NiN)。
导电填充物还可包含多个导电稳定剂。导电稳定剂也可在形成空隙之前加入到未固化的聚合物。导电稳定剂可为用作稳定剂的任何导电材料。在一个实施方案中，导电稳定剂可为涂覆有导电材料的纤维。例如，导电稳定剂可为涂覆有纯镍的碳纤维。在一些实施方案中，纤维可涂覆有约20重量％到40重量％的导电材料。纤维可被切割成短的长度，例如从0.1mm到1mm。纤维可具有达到10μm(例如0.2μm、1μm、5μm、8μm)的直径。在一些实施方案中，纤维可为中空的(例如，管)。在一些实施方案中，纤维可为也可从Conductive Composites，LLC获得的涂覆镍的碳纳米管(CNT)或涂覆镍的碳纤维(NCCF)。导电稳定剂可增加感测结构100的强度及能量吸收能力。导电纳米颗粒也可增加感测结构100的强度及能量吸收能力，但通常作用小于导电稳定剂。在一些实施方案中，导电纳米颗粒可为主要导电填充物，且导电稳定剂可为次级导电填充物。
因为导电填充物(例如导电纳米颗粒及/或导电稳定剂)与聚合物基质混合且因此安置在整个聚合物基质中，所以复合物材料是均匀的。换句话来说，复合物材料及因此应变仪没有多层，且其组合物在宏观(例如，裸眼)水平上从外表面(外壁)到外表面大体上一致。感测结构100还可在宏观水平上具有各向同性的性质，因为其未展现出优选的方向性。在一些实施方案中，感测结构100可在宏观水平上具有各向异性的性质，其展现出优选的方向性。
由于包含例如导电纳米颗粒及/或导电稳定剂的导电填充物，感测结构100可展现出对沿任何轴(例如x轴、y轴及z轴)施加的冲击或其它变形的负压阻及压电响应。
在一些实施方案中，包含在感测结构100的复合物材料中的纳米颗粒可小于复合物材料的25体积％(但大于0％)(例如，小于20％、小于15％、小于15％、小于10％、小于5％、小于2％)。特定地，在没有空隙或基本上没有空隙的复合物材料的实施方案中可能是这种情况。
在一些实例中，小于复合物材料的25体积％的导电填充物(例如，纳米颗粒)对于复合物材料的适当电性质变化或响应性(例如，压阻响应性(例如，电阻降低)、导电性的增加)至关重要。例如，当复合物材料具有小于25体积％的纳米颗粒时，复合物材料内的导电路径可经修改(例如增加)，导致响应于应变的较高导电性或降低的电阻。
响应于应变导致电导率增加或电阻降低的一种潜在机制的非限制性实例是隧穿(例如，量子隧穿)。导致压阻响应性的隧穿效应可由复合物材料内的纳米颗粒的相对低的体积组成促进。通过基质材料分离的纳米颗粒之间的距离相对较小的偏移(例如，降低)可促进跨安置在纳米颗粒之间的基质材料的隧穿。换句话来说，安置在纳米颗粒之间的基质材料的厚度的降低可促进或允许纳米颗粒之间的隧道效应(及传导)。在一些实施方案中，纳米颗粒之间的距离可在几纳米或更小(例如，1nm、5nm、10nm)的数量级上。在应变之前，感测结构100的复合物材料可为相对绝缘的材料。换句话来说，隧穿概率可在应变之前相对较低(可导致相对电阻的材料性质)且在应变之后相对较高(可导致相对导电的材料性质)。
相反，如果纳米颗粒的体积百分比太高(例如，大于50％)，那么材料的厚度及纳米颗粒之间的距离的偏移可能不会导致感测结构100的复合物材料的电性质的改变(例如，实质性改变)(或电阻降低)。具体地说，具有相对较高的纳米颗粒体积百分比的复合物材料中的纳米颗粒之间可能已经限定了基本上导电的路径，因此应变将不会改变(例如，显著或基本上改变)复合物材料的导电率。
在一些实施方案中，感测结构100可为相对平坦的材料。换句话来说，材料的厚度可相对于材料的长度及/或宽度相对较薄。横截面图(沿着图2A中的C1切割)说明了图2B中的感测隔膜200的尺寸。
如图2B中所示，与隔膜202的长度B2(或直径)相比，隔膜202的厚度B1相对较小。隔膜202(或本文中所述的任何其它感测结构)的厚度B1相对于长度B2可足够薄，使得可避免可能不利地影响测量的泊松效应。因此，跨引线A1到A8之间的长度(或宽度或直径)的测量可为二维测量。如图2B中所示，引线A3及A7沿着某个平面(或表面(例如，弯曲表面))对准，隔膜202的长度沿着所述表面对准。在一些实施方案中，通过隔膜202的测量轴可沿着某个平面(或表面(例如，弯曲表面))对准，隔膜202沿着所述表面对准。
图3A到3C说明根据实施方案的多种感测结构。结合图3A到3C描述的感测结构的特征中的任一者可应用于本文中描述的其它感测结构(例如，结合图2A到2C描述的感测隔膜200、结合图1描述的感测结构100)。
图3A到3C中说明的感测结构为至少图1中所示的感测结构100的变型。图3A到3C中说明的感测结构可具有本文中描述的特性(例如，组合物等)中的任一者。例如，本文中描述的感测结构中的任一者可包含基质(其可包含不导电填充物)与可相对无空隙或可基本上不包含空隙的一或多个导电填充物的组合。作为另一实例，图3A到3C中说明的感测结构中的任一者可具有可用于识别(例如，绘制)结构内的(例如，如结合至少图2A到2C所描述的)变形(例如，应变)的一或多条引线(也可以称为电引线)。在一些实施方案中，一或多条电引线可包含在感测结构的一或多个表面上。作为特定实例，单条引线可包含在感测结构的表面中的每一者上或包含在并非所有感测结构表面上(例如，感测结构的单个表面上)。
图3A到3C说明了感测结构的几种实例形状。本文中描述的感测结构可具有其它形状或塑形部分(例如，球形、不规则形状、锥形、三角形、椭圆形)。在一些实施方案中，可限定一或多个形状使得感测结构可机械地坚固。
图3A说明具有盒状形状(例如，矩形形状、正方形形状)的感测结构300。如图3A中说明，感测结构300包含在感测结构300的各个表面上的引线310(为了方便起见，仅标记几条引线)。在此实施方案中，引线310中的第一者安置在感测结构300的顶面上且引线310中的第二者安置在感测结构300的底面上。剩余的引线310安置在感测结构300的侧表面上。在一些实施方案中，引线310可不安置在在顶面、底面或侧表面中的一或多者上及/或比所示更多的引线可安置在顶面、底面或侧表面中的一或多者上。
在一些实施方案中，引线310中的至少一些可沿着平面对准。例如，安置在感测结构300的侧表面上的引线310可安置在平面内。在一些实施方案中，引线310中的一或多者可不与具有引线310中的其它者的任何平面对准。例如，一或多条引线310可限定模式、可在各个位置(例如，垂直位置)处交错、可具有安置在感测结构300的内部部分中的导电部分等。
正如与本文中描述的感测结构的其它实例，引线310可用于识别变形的位置。在此实施方案中，引线310可用于响应于感测结构300的任何表面上的变形识别变形的X-Y位置(例如，在垂直于投影P1的X-Y平面内)。例如，响应于感测结构300的顶面上的变形(例如，应变、压缩)，引线310可用于识别垂直于投影P1的X-Y平面内的变形的X-Y位置。如果变形在感测结构300的侧表面上，那么如果从投影P1的角度观察，X-Y位置将被识别为处于感测结构300的边缘处。
图3B说明了具有圆柱形形状的感测结构320的另一实例。如图3B中说明，感测结构320包含在感测结构320的各个表面上的引线330(为了方便起见，仅标记几条引线)。在此实施方案中，引线330中的第一者安置在感测结构320的顶面上且引线330中的第二者安置在感测结构320的底面上。剩余的引线330安置在感测结构320的侧表面周围。在一些实施方案中，引线330可不安置在顶面、底面或侧表面中的一或多者上及/或比所示更多的引线可安置在顶面、底面或侧表面中的一或多者上。如结合图3A所述，在此实施方案中，引线330可用于响应于感测结构320的任何表面上的变形识别变形的X-Y位置(例如，在垂直于投影P2的X-Y平面内)。在一些实施方案中，感测结构320可具有从图3B中所示的形状修改的形状(例如，高度小于直径、高度大于直径、锥形侧壁、一或多个凹口、一或多个平坦部分、椭圆形等)。
图3C说明了具有细长形状(例如，如线的形状)的感测结构340的另一实例。在此实施方案中，感测结构340具有圆形横截面形状(或轮廓)。在一些实施方案中，感测结构340可具有不同的横截面形状(例如，三角形横截面形状、正方形横截面形状、椭圆形横截面形状)。
如图3C中说明，感测结构340包含在感测结构350的各个表面上的引线350(为了方便起见，仅标记几条引线)。在一些实施方案中，引线330可不安置在顶面、底面或侧表面中的一或多者上及/或比所示更多的引线可安置在顶面、底面或侧表面中的一或多者上。在此实施方案中，引线350可用于响应于感测结构340的任何表面上的变形识别沿着细长形状的变形。例如，一对引线350之间的变形可用于识别在所述对引线350之间已经发生变形。换句话来说，引线350可用于识别沿着所述对引线350之间的段的变形。在一些实施方案中，段可在相邻对引线350之间(没有介入引线)或非相邻对引线350之间。在一些实施方案中，多于一个引线(例如，一对引线)可位于感测结构340的细长形状的横截面处。
返回参考图1，在一些实施方案中，计算装置12可为例如以下项或可经配置以与例如以下项进行通信：有线装置及/或无线装置(例如，启用wi-fi的装置)、微控制器、计算实体(例如，个人计算装置)、服务器装置(例如，网络服务器)、移动电话、触摸屏装置、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、电视(所述电视包含或关联于一或多个处理器)、平板装置、电子阅读器等。计算装置12可经配置以基于一或多个平台(例如，一或多个类似或不同的平台)进行操作，所述平台可包含一或多种类型的硬件、软件、固件、操作系统、运行时库等。在一些实施方案中，计算装置12的组件可经配置以在装置的群集或网络(例如，服务器集群)内操作。在此实施方案中，计算装置12的组件的功能性及处理可被分布到装置群集的多个装置。
图4是说明耦合到物体40的表面的感测结构400(例如，感测隔膜、感测圆柱体)的图。在一些实施方案中，感测结构400具有小于物体40的厚度的厚度。在一些实施方案中，感测结构400的厚度可大约相同于或小于物体40的厚度。在一些实施方案中，感测结构400与物体40的耦合使得感测结构400的电性质测量(例如，电阻测量)与感测结构400/物体40(例如，仪表/织物)组合的机械刚性分离。
在一些实施方案中，感测结构400可嵌入在例如物体40(其也可称为衬底)的物体内。在一些实施方案中，多个感测结构可耦合到物体的任何表面(例如，耦合到顶面及底面)。在一些实施方案中，感测结构可经配置以覆盖物体的多个不平行表面。在一些实施方案中，多个感测结构可耦合到单个表面。在一些实施方案中，物体40可包含电组件(例如，触觉组件)、织物、金属，或者可为其部分。
图5A及5B是基于导电填充物体积百分比说明感测结构的特性的图。虽然被说明为导电填充物体积百分比，但是可基于导电填充物重量百分比、导电填充物密度等来证明类似的关系(或对例如刚性的机械性质或例如导电率的电性质的影响)。
如图5A中说明，感测结构的机械性质(在此曲线图中表示为刚性)随着导电填充物体积百分比的变化而改变(例如，增加、减小)。具体地，感测结构的刚性随导电填充物体积百分比的变化而增加(例如，以非线性方式增加)。例如，具有导电填充物体积百分比Q1的感测结构可具有如图5A中所示的刚性R1。为了比较，如图5A中所示，具有导电填充物体积百分比Q2(高于Q1)的感测结构可具有刚性R2(其高于R1)。可能受导电填充物体积百分比的变化影响的感测结构的其它机械性质可包含例如感测结构的密度、感测结构的弹性等。
如图5B中说明，感测结构的电性质(在此曲线图中表示为导电率)随着导电填充物体积百分比的变化而改变(例如，增加、减小)。具体地，感测结构的导电率随导电填充物体积百分比的变化而增加(例如，以非线性方式增加)。例如，具有导电填充物体积百分比Q1的感测结构可具有如图5B中所示的刚性C1。为了比较，如图5A中所示，具有导电填充物体积百分比Q2(高于Q1)的感测结构可具有刚性C2(其高于C1)。
可能受导电填充物体积百分比的变化影响的感测结构的其它电性质可包含例如感测结构的电响应性、感测结构的电阻等。例如，具有相对较高体积百分比的导电填充物的感测结构可具有较高的响应性。具体地说，具有较高体积百分比的导电填充物的感测结构可在相对较小的应变范围内从低导电状态(或低电导)变为高导电状态(或高电导)(例如，状态之间对数方式或逐步方式改变)。此感测结构可具有类开关行为。
相反地，具有相对较低体积百分比的导电填充物的感测结构可具有较低的响应性。具体地说，具有相对较低体积百分比的导电填充物的传感结构可在相对较大应变范围内从低导电状态逐渐(例如，以线性方式或接近线性方式)变为高导电状态。此感测结构可具有粒状或逐渐的检测能力。
仅通过实例来说明图5A及5B。包含在感测结构中的导电填充物(及其数量或特性)与机械及/或电性质之间可能存在不同类型的关系。例如，在一些实施方案中，相对于导电填充物的变化(例如，感测结构内的导电填充物的体积百分比的变化)，感测结构可经配置使得感测结构的刚性(及/或不同的机械性质)可以线性方式、对数方式、逐步方式等改变(例如，增加、减小)。在一些实施方案中，相对于导电填充物的变化(例如，感测结构内的导电填充物的体积百分比的变化)，感测结构可经配置使得导电率(及/或不同的电性质)可以线性方式、对数方式、逐步方式等改变(例如，增加、减小)。
在一些实施方案中，感测结构可具有一定的组成，使得导电填充物的变化(例如，导电填充物的体积百分比的变化)可能对传感结构的电性质及/或机械性质有很少或没有影响。
在一些实施方案中，感测结构可以复合方式(如上所述)与衬底组合以实现特定的机械及/或电性质。例如，感测结构的组合物可包含一定体积百分比的导电填充物，以对于特定应用实现所需电响应。然而，具有组成的感测结构可具有由导电填充物的体积百分比限定的机械性质，这对于特定应用可能是不期望的。感测结构可耦合到衬底(例如，物体)(例如，与衬底集成在一起)，使得当感测结构与衬底组合时，感测结构及衬底共同具有所需机械性质(及所需电性质)。
图6是说明感测结构耦合到衬底时所述感测结构与所述衬底的组合的机械性质的变化的图。在图6中说明的曲线图中，与以下感测结构的刚性(由虚线说明且如图5A中说明)相比，组合物的刚性在导电填充物体积百分比(例如，具有导电填充物体积百分比Q3的组合物)下通常更大。尽管组成具有潜在的变化，但电性质可相同(例如，与图5B相同)。
作为特定实例，感测结构可耦合到带或其它类型的粘合剂(例如，由包含聚合物的材料制成的带、运动带)。带可用作可与感测结构结合使用的粘合剂，使得感测结构与粘合剂的组合可耦合到另一物体。在一些实施方案中，带可比感测结构更灵活或更不灵活。感测结构可提供可以所需方式结合带使用的电性质。
作为另一实例，感测结构可耦合到织物。织物可集成到例如衣服中。感测结构可提供可以所需方式结合织物使用的电性质。
作为又一实例，感测结构可耦合到弹性体。在一些实施方案中，弹性体可在例如关节(例如，铰链，人的关节)周围使用。感测结构可提供可以所需方式结合弹性体使用的电性质。
作为另一实例，感测结构可耦合到金属(例如，柔性金属、镍钛诺(nitinol))。在一些实施方案中，金属可用作导体(例如，感测结构的导体)。感测结构可提供可以所需方式结合金属使用的电性质。
在一些实施方案中，感测结构可使用各种耦合机构耦合到衬底(例如，本文中描述的衬底中的任一者)。例如，感测结构可使用一或多个细丝(例如，缝合线)、粘合剂(例如胶水、胶带、环氧树脂)、螺钉、按压配合机构、夹子、钩、线、销钉、订书钉、铰链等耦合。
在一些实施方案中，经由耦合机构将感测结构耦合到衬底可影响感测结构的一或多个电性质。例如，具有一些导电性质的胶水可增强感测结构与衬底的组合的导电性。具体地，作为耦合机构的胶水可提供可由感测结构使用的一定导电率，其可影响感测结构与衬底的组合的总体电性质。作为另一实例，用于将感测结构与衬底耦合的耦合机构可渗透到感测结构中并且可中断(例如，特意中断，可导致区域内或位置处的电阻)或可增强(例如，特意增强，可导致区域内或位置处的导电率)感测结构内的电信令。作为具体实例，具有安置在感测结构内的至少部分的导电订书钉可在感测结构内提供增强的导电率(例如，可在一或多个区域内提供导电率，可提供导电跨接)，所述导电率在变形期间可由感测结构使用以检测一或多个变形位置。作为具体实例，具有安置在感测结构内的至少部分的不导电细丝可在感测结构内提供降低的导电率(或电阻)(例如，可在一或多个区域内提供电阻)，所述电阻在变形期间可由感测结构使用以检测(或不检测)一或多个变形位置。
在一些实施方案中，穿透到感测结构中且增强或中断一或多个电性质的机构可不用作耦合机构。在一些实施方案中，一或多个耦合机构可用作(例如，可充当)引线。
返回参考图1，感测系统14(或其部分)可集成到各种物体(例如物体10)中(例如，耦合到、附接到各种物体、嵌入在各种物体内、包含于各种物体中)用于各种应用。例如，感测系统14(或其部分)可集成到柔性表面、刚性表面(等)中。感测系统14(或其部分)可集成到物体10中，例如，以检测物体10的物理性质的变化。
作为几个特定实例，感测系统14(或其部分)可集成到健康监视器中用于跟踪运动。在一些实施方案中，感测系统14(或其部分)可集成(例如，直接集成)到衣服(例如，嵌入有镍纳米颗粒的硅氧烷基衣服)的一或多个部分中。在一些实施方案中，感测系统14(或其部分)可集成到一或多个椅子组件中用于以跟踪坐在椅子上的人的特性，例如(例如)位置及重量。在一些实施方案中，感测系统14(或其部分)可集成到可充当键盘或触摸表面的一或多个表面或组件中。
作为另外的实例，感测系统14(或其部分)可集成到例如篡改识别系统的安全系统中。在一些实施方案中，感测系统14(或其部分)可集成到一或多个可充气物体(例如轮胎)中，以识别凸起等，其可指示弱点或即将爆裂。在一些实施方案中，可使用感测系统14(或其部分)来识别此类凸起的一或多个位置、尺寸等，使得可缓解此类凸起。在一些实施方案中，感测系统14(或其部分)可用于感测纤维中，或包含在感测纤维内(例如，掺杂的聚氨酯纤维及掺杂施加到许多纤维上的硅氧烷涂层)。在一些实施方案中，感测系统14(或其部分)可包含在例如人造皮肤的皮肤中。在一些实施方案中，光纤可嵌入在感测系统14的结构内用于例如智能织物应用(与1-D仪表相反)。
图7是说明与感测结构(例如，图1中所示的感测膜100、图3中所示的感测结构300)相关联的电性质的时间跟踪的图。如图7中所示，在y轴上展示了电性质的值，且在x轴上展示了时间。电性质的时间跟踪可与一对引线相关联。在一些实施方案中，时间跟踪可与多于两条引线相关联。在一些实施方案中，可使用一或多个电性质的时间跟踪来识别变形的变化及/或移动。在一些实施方案中，可通过时间跟踪一或多个电性质来限定感测结构的复合图(例如，二维、三维)。在一些实施方案中，可使用例如压阻变化的时间跟踪来识别与物体相关联的不同类型的运动。例如，如果感测结构被并入到鞋内底中，那么可使用时间跟踪来识别对应于每种类型的运动的一种或多种不同类型的拉伸模式。作为另一实例，使用感测结构的时间跟踪可用于识别胎儿踢腿与母亲的运动与分娩挛缩。作为又一实例，时间跟踪可用于识别每个指节中的不同水平的拉伸，其对应于可由计算机解译为输入(例如，字母或单词、对计算机游戏输入以移动方向、速度、跳跃、武器更换等)的唯一机械信号。
图8是说明识别变形的位置的方法的流程图。结合图8描述的方法可应用于上述感测结构(例如，感测隔膜)中的任一者。可在计算装置(例如，结合图1展示且描述的计算装置12)处执行方法的至少一些部分。
如图8中所示，流程图包含从耦合到包含包括在基质中的多个导电填充物的感测结构的第一引线(例如，电引线)接收第一信号(框810)。在一些实施方案中，感测结构可为感测隔膜。在一些实施方案中，第一信号可响应于变形而产生。
所述方法还可包含从耦合到感测结构的第二引线接收第二信号(框820)。在一些实施方案中，第一引线(或不同引线)可充当相对于第二引线的参考引线。在一些实施方案中，第二信号可响应于变形而产生。
所述方法还可包含基于第一信号及第二信号识别与感测结构的变形相关联的位置(框830)。在一些实施方案中，识别位置可包含基于第一信号及第二信号识别与所述位置处的感测隔膜的变形相关联的感测隔膜的表面区域内的位置。
在一个普通方面中，一种设备可包含具有包含在基质中的多个导电填充物的感测结构以及耦合到所述感测结构的部分的多条电引线，其中所述导电填充物可具有小于所述感测结构的体积的25％的体积百分比。此设备可与以下特征的任何组合相组合。
在一些实施方案中，所述设备还可包含衬底，其中所述感测结构耦合到所述衬底使得所述衬底与所述感测结构的组合在不修改所述感测结构的电性质的情况下具有不同于单独的所述感测结构的机械性质的机械性质。在一些实施方案中，所述部分可包含感测结构的外部部分。在一些实施方案中，所述多条电引线包含偶数条电引线。在一些实施方案中，所述多条电引线包含奇数条电引线。在一些实施方案中，所述多条电引线包含至少三条电引线。在一些实施方案中，感测结构可具有压阻响应。在一些实施方案中，所述设备可包含计算装置，其经配置以识别所述感测结构的变形。在一些实施方案中，感测结构包含感测隔膜。
在另一普通方面中，一种设备可包含具有包含在基质中的多个导电填充物的感测结构以及耦合到所述感测结构的部分的多条电引线，其中所述感测结构可具有压阻响应。此设备可与以下特征的任何组合相组合。
在一些实施方案中，所述导电填充物可具有小于所述感测结构的体积的25％的体积百分比。在一些实施方案中，所述设备可包含衬底，其中所述感测结构耦合到所述衬底使得所述衬底与所述感测结构的组合在不修改所述感测结构的电性质的情况下具有不同于单独的所述感测结构的机械性质的机械性质。在一些实施方案中，压阻响应可为负压阻响应。在一些实施方案中，感测结构包含感测隔膜。
在另一普通方面中，一种设备可包含具有包含在基质中的多个导电填充物的感测隔膜以及耦合到所述感测隔膜的部分的多条电引线，其中所述感测隔膜可具有小于所述感测隔膜的宽度的厚度。此设备可与以下特征的任何组合相组合。
在一些实施方案中，所述感测隔膜的所述厚度足够薄以避免泊松效应。在一些实施方案中，所述导电填充物可具有小于所述感测隔膜的体积的25％的体积百分比。在一些实施方案中，所述导电填充物具有小于所述感测隔膜的体积的40％的体积百分比。在一些实施方案中，所述部分包含感测结构的外部部分。在一些实施方案中，所述设备可包含计算装置，其经配置以识别与所述感测隔膜有关的数据。
还将理解的是，当元件(例如层、区域或衬底)被称作在另一元件上、连接到、电连接到、耦合到或电耦合到另一元件时，所述元件可直接在另一元件上、连接到或耦合到另一元件，或可存在一或多个介入元件。相比之下，当元件称为直接在另一元件上、直接连接到或直接耦合到另一元件或层时，不存在介入元件或层。虽然术语直接在上面、直接连接到或直接耦合到可能并未在整个详细描述中使用，但是被示为直接在上面、直接连接或直接耦合的元件可称为这样。可以对本申请的权利要求进行修改，以叙述说明书中描述或图中所示的示范性关系。
如本描述中所使用，除非明确地指示背景的特定情况，否则单数形式可包含复数形式。除图中描述的的定向之外，空间相对术语(例如，上方、上、上面、下方、下面、下、底部等)旨在涵盖使用或操作中的装置的不同定向。在一些实施方案中，相对术语上及下可分别包含垂直在上及垂直在下。在一些实施方案中，术语相邻可包含横向地相邻或水平地相邻。
本文中描述的各种技术的实施方案可在数字电子电路中、或在计算机硬件、固件、软件或其组合中实施。实施方案可被实施为计算机程序产品，即，有形地体现在信息载体中的计算机程序，所述计算机程序例如在机器可读存储装置(计算机可读媒体)中或在传播的信号中以供数据处理设备(例如可编程处理器、计算机或多个计算机)处理或控制数据处理设备的操作。计算机程序(例如上述计算机程序)可以任何形式的编程语言(包含编译语言或解释语言)编写，且其可以任何形式(包含作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适于用于计算环境中的任何其它单元)部署。计算机程序可经部署以在一个计算机或多个计算机上处理，所述多个计算机位于一个地点处或跨多个地点分布且由通信网络互连。
方法步骤可由一或多个可编程处理器执行，所述可编程处理器执行计算机程序以通过作用于输入数据及产生输出来执行功能。方法步骤还可由专用逻辑电路(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用-集成电路))执行，且设备可被实施为所述专用逻辑电路。
适用于处理计算机程序的处理器包含，例如，通用及专用微处理器两者及任何种类的数字计算机的任何一或多个处理器。通常，处理器将从只-读存储器或随机存取存储器或两者接收指令及数据。计算机的元件可包含用于执行指令的中央处理器及用于存储指令及数据的一或多个存储器装置。通常，计算机还可包含用于存储数据的一或多个大容量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或操作地耦合以从一或多个大容量存储装置接收数据或将数据传送到一或多个大容量存储装置，或两者。适用于体现计算机程序指令及数据的信息载体包含所有形式的非易失性存储器、包含(例如)半导体存储器装置，例如，EPROM、EEPROM及闪速存储器装置；磁盘，例如，内置硬盘或可抽换式磁盘；磁光盘；及CD-ROM及DVD-ROM光盘。处理器及存储器可由专用逻辑电路增补或并入在专用逻辑电路中。
为提供与用户的交互，实施方案可实施于计算机上，所述计算机具有用于向用户显示信息的显示装置(例如，阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)监视器)及键盘及指向装置，例如，鼠标或轨迹球，用户可通过其提供输入给计算机。其它种类的装置也可用于与用户交互；例如，提供到用户的反馈可为任何形式的感测反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或触觉反馈)；且来自用户的输入可按任何形式接收，包含声学、语音或触觉输入。
实施方案可在包含下列组件的计算系统中实施：后端组件(例如，如数据服务器)或中间件组件(例如，应用程序服务器)或前端组件(例如，具有图形用户界面或网络浏览器的客户端计算机，用户可通过其与实施方案交互)、或此类后端组件、中间件组件或前端组件的任何组合。组件可由数字数据通信(例如，通信网络)的任何形式或媒体互连。通信网络的实例包含局域网(LAN)、广域网(WAN)，例如因特网。
虽然已经如本文中所述般说明了所述实施方案的某些特征，但是所属领域技术人员现在将想到许多修改、替换、改变及等效。因此，应当理解的是，所附权利要求书旨在涵盖落在实施例的范围内的所有此类修改及改变。应当理解的是，其已经仅由实例方式呈现且没有限制，且可在形式及细节上做出各种改变。本文中描述的设备及/或方法的任何部分可组合在除相互排斥组合之外的任何组合中。本文中描述的实施例可包含所述的不同实施例的功能、组件及/或特征的各种组合及/或子组合。

Claims (20)

1.一种用于测量应变的设备，其包括：
感测结构，其包含复合物材料，所述复合物材料具有包括在基质中的多个导电填充物，所述多个导电填充物具有小于所述感测结构的体积的25％的体积百分比，所述多个导电填充物包含：
包含导电纳米链的导电纳米颗粒；及
包含碳纤维的多个导电稳定剂；及
耦合到所述感测结构的一个或多个部分的多条电引线。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
衬底，
所述感测结构耦合到所述衬底，使得对于特定应用所述衬底与所述感测结构的组合在不修改所述感测结构的电响应的情况下具有不同于单独的所述感测结构的机械性质的机械性质，所述电响应基于所述多个导电填充物的体积百分比，用于所述感测结构的特定应用。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述感测结构包含外部部分和内部部分；及
耦合到所述感测结构的一个或多个部分的所述多条电引线包括耦合到所述感测结构的外部部分的多条电引线，其特征在于，所述多条电引线对所述感测结构的电性质的测量是感测结构的外部部分上的第一点与所述感测结构的外部部分上的一个或多个额外点之间的端对端电阻测量。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述感测结构具有应变与电阻之间的负相关。
5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
计算装置，其经配置以识别所述感测结构的变形。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述感测结构包含感测隔膜。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述碳纤维各自包括0.1mm至1mm的长度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述碳纤维包括涂覆镍的碳纤维，并且所述纳米链包括镍纳米链。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述感测结构包含外部部分和内部部分；及
耦合到所述感测结构的一个或多个部分的所述多条电引线包括：
所述多条电引线的一条或多条第一电引线，其各自耦合到所述感测结构的内部部分；及
所述多条电引线的一条或多条第二电引线，其各自耦合到所述感测结构的外部部分，其特征在于，所述多条电引线对所述感测结构的电性质的测量在所述感测结构的内部部分和外部部分之间。
10.一种用于测量应变的设备，其包括：
感测结构，其包含包括在基质中的多个导电填充物，所述多个导电填充物包含：
包含导电纳米链的导电纳米颗粒；及
包含碳纤维的多个导电稳定剂；及
耦合到所述感测结构的部分的多条电引线，所述感测结构具有压阻响应。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述导电填充物具有小于所述感测结构的体积的25％的体积百分比。
12.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括：
衬底，
所述感测结构耦合到所述衬底使得对于特定应用所述衬底与所述感测结构的组合在不修改所述感测结构的电响应的情况下具有不同于单独的所述感测结构的机械性质的机械性质，所述电响应基于所述多个导电填充物的体积百分比，用于所述感测结构的特定应用。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述感测结构具有应变与电阻之间的负相关。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述感测结构包含感测隔膜。
15.一种用于测量应变的设备，其包括：
感测隔膜，其包含包括在基质中的多个导电填充物，所述多个导电填充物包含：
包含导电纳米链的导电纳米颗粒；及
包含碳纤维的多个导电稳定剂；及
耦合到所述感测隔膜的一个或多个部分的多条电引线，所述感测隔膜具有小于所述感测隔膜的宽度的厚度。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述感测隔膜的所述厚度足够薄以避免泊松效应。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述导电填充物具有小于所述感测隔膜的体积的25％的体积百分比。
18.根据权利要求15所述的设备，其中所述导电填充物具有小于所述感测隔膜的体积的40％的体积百分比。
19.根据权利要求15所述的设备，其中所述感测隔膜包含外部部分和内部部分；及
耦合到所述感测结构的一个或多个部分的所述多条电引线包括耦合到所述感测隔膜的外部部分的多条电引线，其特征在于，所述多条电引线对所述感测结构的电性质的测量是感测结构的外部部分上的第一点与所述感测结构的外部部分上的一个或多个额外点之间的端对端电阻测量。
20.根据权利要求15所述的设备，其进一步包括：
计算装置，其经配置以处理与所述感测隔膜有关的数据。
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