CN108139282B - 关于敏感力传感器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

根据本公开的实施例包括装置、设备和方法。例如，一种装置包括具有第一相对电极和第二相对电极的电子力传感器。第一和第二相对电极被配置为产生指示施加到电子力传感器的力的输出。电子力传感器进一步包括布置在第一和第二相对电极之间并具有多个导电‑电阻元件的多个可恢复变形结构。每个可恢复变形结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个，并且被配置和布置有设置电子力传感器的力敏感度的属性。

Description

关于敏感力传感器的方法和装置

技术领域

本申请大体涉及关于敏感力传感器的方法和装置。

背景技术

人类或其他动物皮肤提供了提供敏感的压力、温度和振动感测的敏感的多样化的传感器的非凡网络。皮肤可以将环境刺激转换(transduce)成生理信号，然后生理信号被大脑解释。此外，一些动物、爬行动物或昆虫皮肤表现出额外的特性，诸如具有改变其肤色的能力的变色龙和头足类动物。各种力传感器和设备可试图模仿人类或动物皮肤的特性以提供各种特征。

上述问题以及其他问题已经给用于各种应用的力传感器带来了挑战。

发明内容

本发明旨在克服上述挑战以及与以上讨论的设备类型以及其他实现有关的其他挑战。本发明在多个实现和应用中被例示，其中一些在下面作为示例被概述。

本公开的各方面涉及一种柔性电子力传感器，其对不同的力和/或刺激做出响应并且被用于通过提供指示施加到力传感器的力的输出来检测不同的力或刺激。

多个具体方面涉及包括电子力传感器和传感器电路的装置。电子力传感器包括第一和第二相对电极以及布置在其间的多个可恢复变形结构。第一和第二相对电极生成指示施加到电子力传感器的力的输出(例如，电容或电阻值)。多个可恢复变形结构具有设置电子力传感器的力敏感度的属性。例如，多个可恢复变形结构具有多个导电-电阻元件。此外，多个可恢复变形结构中的每一个都是可变导体或可变电阻器。设置力敏感度的示例属性包括形状和材料成分属性。传感器电路接收来自电子力传感器的输出并基于该输出来输出指示施加的力的量的信号(例如，基于电子力传感器输出的电容或电阻，指示施加的力的量的电子信号被输出)。

在其他具体实施例中，电子力传感器包括第一相对电极和第二相对电极，其生成指示施加到电子力传感器的力的输出。电子力传感器进一步包括布置在第一和第二相对电极之间并具有多个电阻-导电元件的多个可恢复变形结构。此外，多个可恢复变形结构中的每一个都是可变导体或可变电阻器。多个可恢复变形结构具有设置电子力传感器的力敏感度的导电材料和非导电材料。

其他具体实施例涉及包括电子力传感器和传感器电路的装置。电子力传感器包括用于生成指示施加到电子力传感器的力的输出的电路。该电路包括具有导电部分和电阻部分的多个结构。为了设置电子力传感器的力敏感度的目的，所述结构可以具有相对于彼此设置的属性，包括形状和材料成分属性。传感器电路基于来自电子力传感器的输出来输出指示施加的力的量的信号。

多个具体实施例涉及方法，所述方法包括：固化非导电材料以形成包括具有多个可恢复变形结构的相对电极的膜，将导电材料的涂层施加到该多个可恢复变形结构，以及施加胶带以去除所述导电材料的部分。基于使用的导电材料的量和/或导电材料在可恢复变形结构上的位置来设置多个可恢复变形结构的电阻率和/或电子力传感器的电阻切换范围的阈值。进一步，该电阻切换范围的阈值可以通过施加特定量的导电材料的涂层和/或使用胶带去除导电材料的特定部分来微调。

其他具体方法实施例包括：将非导电材料与导电材料固化在一起以形成包括相对电极的膜；以及以多个步骤固化导电和/或非导电材料以形成从相对电极延伸的多个可恢复变形结构，所述多个可恢复变形结构遍及所述多个可恢复变形结构的横截面具有导电材料与非导电材料的不同比率。基于所使用的导电材料的量和/或遍及多个可恢复变形结构的横截面的导电材料与非导电材料的不同比率的位置来设置多个可恢复变形结构的电阻率和/或电子力传感器的电阻切换范围的阈值。电阻切换范围的阈值可通过在多个可恢复变形结构的特定横截面处固化特定比率的导电材料与非导电材料来微调。

以上概述并非旨在描述本发明的每个所解说实施例或每个实现。下面的附图和详细描述更具体地例示这些实施例。

附图说明

考虑以下结合附图的详细描述，可以更全面地理解各示例实施例，在附图中：

图1A-1C解说了根据各实施例的装置的示例；

图2解说了根据各实施例的装置的示例；

图3解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例；

图4A-4B解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例；

图5解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例；

图6A-6D解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例；

图7A解说了根据各实施例的形成电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例过程；

图7B-D解说了根据各实施例的使用图7A的过程形成的可恢复变形结构的示例；

图8A-8F解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性；

图9A-9F解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性；

图10A-10B解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性；

图11A-11E解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性；

图12A-12D解说了根据各实施例的电子力传感器改变颜色的示例；

图13解说了根据各实施例的可穿戴设备的示例；

图14A-14C解说了根据各实施例的电子力传感器的示例实现；

图15A-15F解说了根据各实施例的具有对力的不同响应的具体电子力传感器的示例；

图16A-16D解说了根据各实施例的具有对力的不同响应以测量硬度性质的具体电子力传感器的示例；

图17A-17D解说了根据各实施例的对剪切力进行响应的具体电子力传感器的示例；

图18A-18B解说了根据各实施例的对由细胞产生的牵引力进行响应的具体电子力传感器的示例；

图19解说了根据各实施例的具有对力的不同响应以监测细胞的生长的具体电子力传感器的示例；

图20A-20C解说了根据各实施例的具有被不同定向以提供施加的力的方向和/或对压力和剪切力的响应的多个可恢复变形结构的具体电子力传感器的示例；以及

图21A-21D解说了根据各实施例的对应变进行响应的具体电子力传感器的示例。

尽管本文讨论的各实施例可以经受修改和替代形式，但是其各方面已经通过示例在附图中示出并且将被详细描述。然而，应该理解，本发明不是将本发明限制于所描述的特定实施例。相反，意图是覆盖落入包括权利要求中限定的方面的本公开的范围内的所有修改、等同和替代。另外，贯穿本申请所使用的术语“示例”仅用于说明而非限制。

具体实施方式

相信本公开的各方面适用于涉及触觉传感器和电子力传感器的各种不同类型的设备、系统和布置。电子力传感器可以包括在选择性地具有导电材料和非导电材料以设置传感器的力敏感度的电路(例如，相对电极)之间的多个可恢复变形结构。在某些实现中，本公开的各方面已经被显示为当在电子感测应用的上下文中使用时是有利的，所述电子感测应用使用具有被配置为保存电力使用的可恢复变形结构的传感器来实现。尽管本发明不一定限于这样的应用，但是可以通过使用该上下文讨论各种示例来领会本发明的各个方面。

因此，在以下描述中阐述了各种具体细节以描述本文中呈现的具体示例。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有下面给出的所有具体细节的情况下实践这些示例的一个或多个其它示例和/或变体。在其他情况下，公知特征未被详细描述，以免混淆本文示例的描述。为了便于说明，可以在不同的图中使用相同的附图标记来指示相同的元件或相同元件的附加实例。

如同由人类皮肤提供的敏感的不同传感器的非凡网络一样，本公开的具体方面适用于触觉感测、健康监测和温度感测。根据各种实施例，本公开的电子力传感器能够将机械刺激转换为信号，然后以对特定应用有益的方式解释信号。与人类皮肤一样，特定实施例包括模拟人类皮肤的特性的电子皮肤(e-skin)设备，用于诸如可佩戴设备、人造假肢、健康监测和智能机器人的应用。在这种上下文中，电子皮肤是使用与电子设备(例如电子电路)集成的表面对接结构来模仿皮肤特性的人造皮肤。在各种实施例中，电子力传感器设备包括具有与电子皮肤应用相关的集成结构的低功耗电子系统。电子力传感器可以是可拉伸、可微调触觉传感器，其通过集成可拉伸有机电致变色设备(ECD)而可以改变颜色。力传感器可检测施加的力，区分不同的力或事件，并通过可见的颜色变化提供力的视觉指示。

本公开还涉及许多其他特性(或参数)。根据本公开的电子力传感器的示例具体实施涉及触觉感测和可拉伸性(stretchability)。触觉感测允许与外部设备(或外部环境)进行通信，而可拉伸性(与人体皮肤一样)允许相对自由的移动。其他特性涉及改变类皮肤界面的颜色。还有一些特性，如可适用于仿生应用的，允许着色中的改变以控制温度和/或通信，类似于变色龙可如何控制其色素细胞并为了伪装、温度维持和通信而改变其着色。在一些实现中，将这些特性中的某些特性组合起来用于应用特定优点的更复杂集成，诸如以提供可拉伸性、颜色改变和触觉感测。

根据各种实施例，本公开的各方面包括力传感器和装置，其令人惊讶地示出了全解决方案处理的受变色龙启发的可拉伸电子皮肤(e-skin)，其中可通过改变施加的力以及施加的力持续时间来控制电子皮肤颜色。颜色改变也可以用来区分施加到电子力传感器的力。可拉伸、可微调阻力传感器和完全可拉伸有机电致变色设备的集成提供了具有触觉感测控制的可拉伸电致变色活性电子皮肤。此系统具有一定范围的具体实现，诸如交互式可穿戴设备、人造假肢和智能机器人。

本公开的各种其他实施例涉及包括用户交互式和颜色可微调电子力传感器的装置和方法，所述电子力传感器能够通过实时吸收变化来检测并区分各种力。另外，系统中伴随有相应吸收带的不同力显示出可以通过施加各种力来控制电子力传感器的物理颜色。替代地或附加地，可控颜色改变可以用于识别各种力，例如压力、应变，流动等。这种电子力传感器可以包括具有电阻或电容和/或所微调传感器的切换范围的可拉伸和超薄碳基电致变色设备。例如，该设备可以是具有触觉感测控制的伪装电子力传感器。电子力传感器可集成颜色可微调特性和触觉感测能力，并可用于健康监测、交互式和可穿戴设备、军事应用、人造假肢和智能机器人等多样化应用。

本文描述的许多传感器涉及技术中的电子力感测应用，所述技术诸如但不限于：机器人、假肢、手持式设备、触摸屏设备以及生理信号监测和医疗护理中的应用。例如，电子皮肤压力传感器可以被实现为可穿戴设备(诸如手腕可穿戴设备(例如智能手表)，生物医学胸部可穿戴设备等)的一部分。

有利地并且作为用于某些具体实施例的选项，电子力传感器可以与传感器电路分开制造。然后可以根据应用/最终用途(例如，可穿戴或假肢)适当地组装或合作地布置分开制造的力传感器和传感器电路。此外，电子力传感器的电路特定方面可以被简单地实现为电极，其中所述电极中的至少一个电极包括呈现响应于施加的力的电阻率和/或部分电导率的多个结构(例如，被导电材料部分覆盖或盖住或内部包括导电材料)。

在各个方面，电子力传感器可以包括电阻或电容力传感器，其包括作为相对电极或具有相对电极的电路。多个可恢复变形结构位于相对电极之间并设置电子力传感器的力敏感度。如本文进一步描述的，多个可恢复变形结构可以具有包括导电部分和电阻部分的多个导电-电阻元件。第一和第二相对电极中的至少一个可以与多个可恢复变形结构一起形成为膜。

在具体实施例中，可恢复变形结构/特征可与相对电极中的一个相关联、位于其上、和/或与其接触。可以没有和/或有最少的导电材料位于最初接触另一个相对电极的可恢复变形结构的表面(例如，初始接触表面)上。施加压力和/或剪切力后，可能会发生电导变化。本公开的某些方面包括在初始接触表面上没有导电材料和/或具有最少导电材料的力传感器，从而导致在没有施加压力或剪切力(或最小压力/剪切力)时的低功耗，以及在施加压力或剪切力后的电导的改变。这可以导致在没有施加力时缓解电力消耗(或不消耗电力)。对于电池供电的力传感器，这可以增加电池的寿命。

当没有力被施加到电子力传感器时，可恢复变形结构可以提供高于数百kOhm(千欧姆)的电阻。当电阻率高于数百千欧姆时，电子力传感器可处于低功耗状态和/或关闭状态。电子力传感器的切换比的阈值电阻的范围(例如，开/关比范围)可以包括小于1的范围。作为示例，开/关比的范围可以是1E-2或更低。在具体示例中，该范围是1E-3或更低，并且在关闭状态下包括无限电阻。在相关示例中，电子力传感器的最大电阻处的接触电阻可以在1E10欧姆至1E3欧姆或更高的范围内，包括处于关断状态的无限电阻以及最大电阻处的包括1E-3瓦或更少的功耗(例如，1E-10瓦)。此外，在一示例实现中对于0-400kPa的力(例如压力)范围，且在和另一示例实现中对于0-400MPa的力(例如压力)范围，可以提供电阻减小。当施加力时(例如，开启状态)，电阻可以减小一个或多个数量级。例如，电阻可以减小，直到达到切换范围的阈值电阻，此时，电子力传感器可以变得足够导电以提供电流。切换范围的阈值电阻可以像开关那样起作用，从而导致电子力传感器从低功耗状态和/或关闭状态改变到更高功耗状态和/或开启状态。在更大的力的量的情况下，可能出现电阻的更大的减小。由此，电子力传感器的电阻与施加的力的量成反比，并且电子力传感器的电阻和/或电导率可以用于量化施加的力的量。这种力传感器可以是模拟的和/或数字的。

在一些相关实施例中，该装置进一步包括聚合物层，该聚合物层被配置并布置有传感器电路以改变电子力传感器的物理颜色。物理颜色中的改变包括不同颜色和/或一种或多种颜色的不同强度和/或指示施加的力的量。在各种实施例中，聚合物层包括电致变色材料(例如电致变色设备)。例如，聚合物层可以被集成到可穿戴设备的一部分中和/或同与可穿戴设备(例如，智能手表的表带或直接在诸如衬衫等服饰中)相关联的电路通信或集成到假肢和/或智能机器人的一部分中。电子力传感器和/或传感器电路可以集成到可穿戴设备(例如，集成到智能手表的电路中)、假肢和/或智能机器人的不同部分中和/或与其集成，并且可以与聚合物层/电致变色设备处于通信(无线和/或有线)。

本公开的各种其他实施例涉及一种形成如由下面的描述/实施例的方面所例示或支持的装置的方法，所述方法包括固化非导电材料以形成可恢复变形结构，将导电材料涂层施加到形成的可恢复变形结构，以及施加胶带以去除导电材料的部分，和/或以多个步骤固化导电和/或非导电材料以形成导电材料与非导电材料的不同比率。在各种实施例中，该多个步骤可以包括固化和/或部分固化可恢复变形结构的一部分，并且在固化/部分固化之后，固化和/或部分固化该可恢复变形结构的另一部分。

符合本公开的各方面的可恢复变形结构可以是各种形状和/或具有各种刚度(或弹性)水平，诸如金字塔形、柱形、方形、六边形柱，和/或对称或不对称结构，以及其他形状。所述结构可以连接的或可以是分立的不连接的结构。可恢复变形结构可以由非导电材料形成并且部分涂覆有导电材料。在各种实施例中，导电材料可以包括纳米结构，诸如碳纳米管、纳米线、金属、导电聚合物和/或其他导电材料。部分覆盖在导电材料中的结构可以响应于没有施加力或施加低的力提供比响应于施加更大的力而提供的电阻率更高的电阻率。例如，当可恢复变形结构提供更高的电阻率时，该装置和/或电子力传感器可以处于低功耗状态。该结构也可以由嵌入在可恢复变形结构内的导电材料制成。在各种实施例中，导电材料可以包括纳米结构，诸如碳纳米管、纳米线、金属、导电聚合物和/或其他导电材料。导电材料在一个或多个(例如每个)可恢复变形结构内部形成至少一个导电通路。导电率可以在可恢复变形结构的不同横截面处变化。

可恢复变形结构的电阻率和/或电子力传感器的阈值电阻切换范围可以基于覆盖可恢复变形结构的导电材料的量和/或导电材料在可恢复变形结构之上和/或之内的位置而被微调。例如，导电材料可以被布置在可恢复变形结构的顶部、可恢复变形结构的一侧和/或可恢复变形结构的多侧上。根据本公开的一些方面，导电材料以在可恢复变形结构的每一侧上不同的浓度布置在可恢复变形结构的多侧上，使得可恢复变形结构响应于施加在不同方向上的相同量的力而提供不同的电阻率。电子力传感器可基于不同的电阻率区分不同的刺激(例如，力传感器电路可基于来自电子力传感器的输出)。如本文所用，可恢复变形结构的顶部可以指或包括可恢复变形结构的初始接触表面和/或接近和/或最接近(与可恢复变形结构的其它表面相比)相对电极的表面。可恢复变形结构的底部可以指或包括与初始接触表面相对和/或最接近与相对电极相对的电极的表面。在各种实施例中，可恢复变形结构形成在膜上，其中可恢复变形结构由与膜相同的导电或非导电材料形成，并且膜包括电子力传感器的电极(例如，底部电极)。

在各种实现中，导电材料可以以导电材料与非导电材料的一定比率位于多个可恢复变形结构内。与可恢复变形微结构的基部和/或底部处的非导电材料相比，导电材料可以以更高的比率布置和/或可以以多层布置在多个可恢复变形结构内。可恢复变形结构的底部可以包括与顶部相对的部分(例如，靠近可恢复变形结构形成于其上的电极的表面)。例如，电子力传感器的电路可以包括第一和第二相对电极，并且导电材料位于靠近第一相对电极的多个可恢复变形结构内，并且不位于第二相对电极附近和/或相比于非导电材料以低比率位于第二相对电极附近。

所述结构的电阻部分(例如，压力、应变或流动力相对部分)可以包括可恢复变形结构的顶部/上部部分，其包括非导电材料和/或未被导电材料覆盖，可恢复变形结构的至少一个侧面部分包括非导电材料和/或未被导电材料覆盖，和/或可以位于可恢复变形结构的顶部/上部处的可恢复变形结构内或在多个层内，导电材料以导电材料与非导电材料的一定比率被布置在多个可恢复变形结构内。

现在转到附图，图1A解说了根据各种实施例的装置的示例。如图所示，该装置可以包括电子力传感器100。如本文所述，电子力传感器100是由多个层构成的柔性设备，其可以对施加的力做出响应。在各种实施例和具体实现中，力可以包括压力、剪切力、应变、流动力、定向力以及其他力和其组合。在各种实施例中，该装置包括传感器电路106，以处理来自电子力传感器100的输出并且输出指示施加到电子力传感器100的力的量的电子信号。

电子力传感器100包括电路。例如，该电路包括第一相对电极101和第二相对电极102。第一和第二相对电极101、102可以是支撑在刚性、柔性和/或可拉伸基板上的导电材料片。示例刚性基板可以包括玻璃、钢和/或塑料以及其他刚性材料或者可以使用玻璃、钢和/或塑料以及其他刚性材料来实现。示例柔性基板可以包括塑料(聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯)、柔性玻璃和/或钢以及其他柔性材料或者可以使用塑料(聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯)、柔性玻璃和/或钢以及其他柔性材料来实现。示例可拉伸基板可以包括硅弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、交联全氟聚醚(PFPE)、聚氨酯、聚苯乙烯-聚丁基二烯-聚苯乙烯和/或氟化弹性体诸如聚(偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP))以及其他可拉伸材料或可以使用硅弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、交联全氟聚醚(PFPE)、聚氨酯、聚苯乙烯-聚丁基二烯-聚苯乙烯和/或氟化弹性体诸如聚(偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP))以及其他可拉伸材料来实现。示例电极(导电)材料可以包括纳米结构，诸如碳纳米管、纳米线、金属、导电聚合物、石墨烯和/或其它导电材料。如在此进一步描述的，第一和第二相对电极101、102被用于生成指示施加到电子力传感器100的力的输出。

电子力传感器100包括多个可恢复变形结构104-1、104-2、104-3、104-4(在此统称为“多个可恢复变形结构104”)。可恢复变形结构可以包括或者指的是弹性物体，其通过变形对施加于其上的力做出响应以及响应于力的去除从变形中恢复。在各种实施例中，在力被去除后，可恢复变形结构104恢复到它们的原始(例如，力之前的)形状。多个可恢复变形结构104被布置在第一和第二相对电极101、102之间并设置电子力传感器100的力敏感度。例如，多个可恢复变形结构104具有多个导电-电阻元件103-1、103-2、103-3、103-4、105-1、105-2、105-3、105-4。导电-电阻元件103-1、103-2、103-3、103-4、105-1、105-2、105-3、105-4可以包括多个可恢复变形结构104的导电部分和电阻部分，如此处进一步描述的。如结合图2进一步描述的，第一和第二相对电极101、102中的至少一个可以与多个可恢复变形结构104一起形成为膜。

基于导电-电阻元件103-1、103-2、103-3、103-4、105-1、105-2、105-3、105-4，相应多个可恢复变形结构104可以包括至少一个可变导体和至少一个可变电阻器。可变导体是指或包括物体，该物体传导或阻挡电力的程度可变。在某种上下文中，可变导体是指物体，该物体阻挡电力的程度可变。

每个电子力传感器可以包括一个或多个可恢复变形结构104。多个可恢复变形结构104具有设置电子力传感器100的力敏感度的各种属性。所述属性包括形状和材料成分属性。示例形状属性包括可恢复变形结构的形状或大小，诸如金字塔、柱、方形、立柱和/或六边形立柱。所述结构可以是连接的或分立的结构。可恢复变形结构104的示例大小和/或尺寸包括在几十微米(例如，10-80微米)和几十毫米(例如，10-80毫米)之间的范围内的尺寸。在具体示例中，所述结构可以具有小于5μm的尺寸(例如，在1μm和5μm之间)，并且在其他示例中，所述结构可以具有大于200μm的尺寸(例如在200μm和10mm之间)。可恢复变形结构的大小/尺寸可以指宽度、长度、高度。尽管各实施例不受限于此，并且尺寸可以指横截面、直径、整体体积和/或其各种组合，并且可以针对不同实现(如此处进一步讨论的)改变或微调。结构到结构的中心到中心的距离可以在数十纳米(例如10-80nm)到数十毫米(例如10-80mm)之间的范围内，并且距离可以具有在一个电子力传感器内的宽范围。如此处进一步描述的，材料成分属性可以包括导电材料和/或非导电材料(或电阻材料)的位置和/或量。此外，多个可恢复变形结构104可以由非导电材料和/或与第二和/或第一相对电极101、102相同的材料形成。

在各种具体实施例中，当力被施加到第一和/或第二相对电极101、102中的一个时，第一和/或第二相对电极101、102之间的距离可以改变和/或可恢复变形结构104的方向可以调整。响应于该力，电子力传感器100的电容或电阻改变。这种改变可以由诸如传感器电路106的电路来感测。

如前所述，导电-电阻元件103-1、103-2、103-3、103-4、105-1、105-2、105-3、105-4可以包括至少一个导电部分105-1、105-2、105-3、105-4和至少一个电阻(或非导电)部分103-1、103-2、103-3、103-4。导电部分105-1、105-2、105-3、105-4和电阻部分103-1、103-2、103-3、103-4分别包括导电材料和非导电材料。导电材料和非导电材料的位置、量和/或类型可以包括设置力敏感度和阈值的属性。在各种实施例中，导电部分(例如，导电部分105-1、105-2)位于基部处或靠近第二相对电极102，并且电阻部分(例如，非导电部分103-1、103-2)位于顶部处或靠近第一相对电极101。图1A所解说的第一可恢复变形结构104-1和第二可恢复变形结构104-2具有在基部处的导电部分和在可恢复变形结构的顶部处的电阻部分。当不施加力时和/或施加低于由可恢复变形结构设置的切换范围的阈值电阻的力时，这种可恢复变形结构可以提供电阻值。如图所示，可恢复变形结构104的形状可以包括不同的形状，诸如金字塔(例如，104-2)和/或平顶金字塔(例如，104-1)。在各种具体实施例中，单个电子力传感器100中的可恢复变形结构104的形状可以包括与相同的导电-电阻元件或不同的导电-电阻元件相同的形状或不同的形状和/或相同的形状。

在相关实施例中，导电-电阻元件包括靠近第一相对电极且包括非导电材料和/或不包括导电材料或未被导电材料覆盖的电阻部分(例如，如104-1、104-2、104-4所解说的)。此外，导电-电阻元件可以包括导电部分，导电部分靠近第二相对电极102并且包括导电材料和/或是被导电材料覆盖的非导电材料。

在各种实施例中，非导电材料可以包括硅弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、交联全氟聚醚(PFPE)、聚氨酯、聚苯乙烯-聚丁基二烯-聚苯乙烯和/或氟化弹性体诸如聚(偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP))以及其他非导电材料。导电材料可以包括碳、碳纳米管、石墨烯、纳米线、金属、导电聚合物和/或其它导电材料。

其他相关实施例包括导电-阻性元件，该导电-阻性元件包括位于至少一个可恢复-可变形结构(例如，104-3)的至少一个侧面部分上的导电部分(例如，105-3)。导电部分包括导电材料和/或是被导电材料覆盖的非导电材料。此外，可恢复变形结构的其他侧面部分可以是包括非导电材料和/或不包括导电材料或未被导电材料覆盖的电阻部分(例如，103-3)。在各种实施例中，可恢复变形结构的多个侧面包括具有不同浓度的导、电材料和/或不同导电材料的导电部分(或电阻部分)。例如，可恢复变形结构可以响应于在不同方向上施加的相同量的力而电阻地和/或导电地提供不同的。传感器电路106可基于电子力传感器100的输出基于不同电阻率和/或电导率来区分不同的刺激。

在其他实施例中，导电-电阻元件包括位于可恢复变形结构(例如，结构104-4)内的至少一个电阻部分和至少一个导电部分(相对于彼此)。例如，导电材料和非导电材料可以形成可恢复变形结构。导电材料和/或非导电材料可以以导电材料与非导电材料的一定比率布置在可恢复变形结构内。例如，导电材料与非导电材料在导电部分(例如导电部分105-4)中的比率高于在电阻部分(例如电阻部分103-4)中的比率。与第一相对电极101相比，该比率可以更靠近第二相对电极102，反之亦然，以在未施加力时提供高电阻率或容量。此外，在一些实施例中，导电材料以多层布置在可恢复变形结构内。

可恢复变形结构104可以设置电子力传感器100的切换范围的阈值电阻。切换范围的阈值电阻可以指或包括电子力传感器的电阻的其中电阻(或电容)开始急剧下降的点(例如，力)。非导电材料(和/或电阻部分)的位置和/或量可以设置切换范围的阈值电阻。与响应于施加的较大力(或大于切换的阈值电阻率的力)所提供的电阻率(或电容)相比，可恢复变形结构104可响应于不施加力或施加低的力而提供更高的电阻率(或容量)。在各种实现中对于0-400kPa的力范围，且在其它实现中切换的阈值电阻对于0-400MPa的力范围(例如，压力范围)，切换的阈值电阻可在1E10/1E1欧姆的范围内。

响应于不施加力和/或施加的力小于切换范围的阈值电阻，电子力传感器100可以提供电阻值和/或可以不消耗电功率。在这样的实施例中，当不施加力时，电子力传感器100不消耗功率，这可以保存电池并且导致更长的电池寿命。在各种实施例中，诸如当传感器位于远程位置和/或有创地放置在活体内(例如，人、动物或其他)时，避免电池更换可能是有益的。当不施加力时，电阻可以高于数百千欧姆。此外，电子力传感器100的电阻率可以响应于施加的力而减小数量级，并且直到达到切换范围的阈值电阻(其中电子力传感器100可以变为电容性的)。尽管以上将切换范围的阈值电阻描述为与电子力传感器100变为电容性的点有关，但是实施例不限于此。例如，在各种实施例中，当不施加力时电子力传感器100是电容性的，并且响应于施加的力达到或超过切换范围的阈值电阻，电子力传感器100变为电阻性的。例如，电阻值由电子力传感器100输出并由传感器电路106检测。

传感器电路106检测来自电子力传感器100的输出并输出指示施加的力量的电子信号。例如，传感器电路106检测电容值或电阻值，并且基于该值输出指示施加的力的量的信号。传感器电路106可以包括力传感器电路。力传感器电路基于电子力传感器100的电阻率或容量的改变来确定施加到电子力传感器的力的量。例如，响应于施加的力达到或超过电阻切换范围的阈值，电子力传感器100向力传感器电路输出电容(或电阻)值。

在各种实施例中，传感器电路106还包括电致变色设备电路。例如，电子力传感器100可以包括与传感器电路106一起布置的聚合物层以改变电子力传感器100的物理颜色。如在此进一步描述的，颜色可以基于和/或响应于施加的力的量而改变。此颜色改变可包括指示施加的力的量的不同颜色和/或一种或多种颜色的不同强度。

尽管图1A的实施例解说了类似形状且具有不同导电-电阻元件的结构，但实施例不限于此。例如，所述结构可以包括与图1A所示的不同的形状。示例性形状包括四面锥体、三面锥体、圆锥体、立方体、棱柱体、直角柱体、球体、半球体、圆柱体、平截头体、多面体和不规则多面体，以及其他形状。此外，每个结构可以包括相同的导电-电阻元件或不同的导电-电阻元件。例如，每个结构可以是相同的。在其他实施例中，结构可以不同。例如，电子力传感器100的不同区段可以包括不同类型的可恢复变形结构以对不同事件做出响应(例如，不同的可恢复变形结构集合)。作为具体示例，电子力传感器100可以包括三个不同的区段，其中第一区段包括多个第一类型的可恢复变形结构(例如，第一子集)，第二区段包括多个第二类型的可恢复变形结构(例如，第二子集)，并且第三区段包括多个第三类型的可恢复变形结构(例如，第三子集)。三种不同类型的可恢复变形结构可以具有不同的切换的阈值电阻和/或电阻-导电元件的不同布局。

图1B解说了根据各种实施例的电子力传感器100的示例。如图所示，电子力传感器100包括具有位于两个相对电极101、102之间的电阻-导电元件(例如，S₁、S₂、S₃、S₄、S_N、S_N+1)的多个可复性可变形结构。如上所述，具有电阻-导电元件的可恢复变形结构可以是各种不同形状的。此外，电阻-导电元件可以是由不同材料形成的可恢复变形结构的分离部分和/或可以一体成型并使用至少一种导电材料和一种电阻材料。

图1C解说了根据各种实施例的电子力传感器100的示例。具体而言，图1C解说了电子力传感器100的子区段。在各种实施例中，位于两个相对电极101、102之间的多个可恢复变形结构不限于由电阻部分和导电部分形成的电阻-导电元件。例如，如图1C所示，多个可恢复变形结构中的一个或多个可恢复变形结构的电阻-导电元件包括三个或更多个部分S_A、S_B、S_N。该三个(或更多个)部分S_A、S_B、S_N可以包括两个电阻部分和一个导电部分，一个导电部分和两个电阻部分，和/或具有导电材料与电阻材料的不同比率的部分。作为具体示例，第一部分S_A可以包括具有第一电阻率的第一电阻部分，第二部分S_B可以包括具有低于第一电阻率的第二电阻率的第二电阻部分，并且第三部分S_N可以包括具有导电值和/或导电材料的导电部分。三个部分S_A、S_B、S_N可以由相同或不同的材料形成和/或包括不同量的导电材料和/或电阻材料。

图2解说了根据各种实施例的装置的示例。根据本公开的各个方面，装置可以包括电子力传感器210(作为示例详细/实验压力传感器实施例)和传感器电路215。所解说的示例性电子力传感器210包括分层材料211、212、213、214(从立体图示出)和传感器电路215(示意性示出)，其被集成并配置为生成指示施加到电子力传感器210的力(例如，压力)的输出。

在一些具体实施例中，电子力传感器210包括多个分层材料。分层材料可以包括单壁碳纳米管(SWNT)涂覆的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层214、充当色素细胞的电致变色聚合物层213、另一个SWNT涂覆的PDMS层212和SWNT-涂覆的PDMS金字塔层211，其形成用于触觉感测的传感器的集成阵列/集合。金字塔层形成电路的一部分，该电路包括部分覆盖在导电材料(例如，SWNT)中的多个可恢复变形结构(例如，金字塔形结构)。

传感器电路215可以包括力传感器电路217以及可选地包括电致变色设备电路216。力传感器电路217基于电子力传感器210的电阻率的改变来确定施加到电子力传感器210的力的量。例如，响应于施加的力达到或超过电阻切换范围的阈值，电子力传感器210向力传感器电路217输出电容(或电阻)值。力传感器电路217和电致变色设备电路(ECD)216两者均被示意性地示出在传感器电路215内。

如本文使用的ECD包括或者指代基于电压的施加以连续且可逆的方式控制诸如光学传输、吸收、反射和/或发射之类的光学特性的电路。ECD可以包括电致变色细胞。两个电致变色细胞层可以通过电解质层分开，并且在每个电致变色细胞层的另一侧上具有导电电极。ECD可以基于电压起作用，为此在电致变色细胞层的每一侧上使用导电电极。电解质层分离两个电致变色细胞层并且是离子导体。当电子从导体移动进入电致变色细胞层并伴随电荷平衡离子从电解质层进入时，发生光吸收。对于ECD的更多信息，参考Paul Monk等人的“Applications of electrochromic devices(电致变色设备的应用)”，其在Electrochromism and Electrochromic Devices(电致变色及电致变色设备)，第395-416页(2007年)，剑桥：剑桥大学出版社，可从Cambridge Books Online http://dx.doi.org/10.1017/CBO9780511550959.015获得，因为其关于ECD和应用的一般和具体的教导而被全部并入本文。

响应于力被施加(如通过上部SWNT涂覆的PDMS层顶部的人类皮肤接触所描绘的)，传感器电路215对从电子力传感器210输出的电阻率的改变做出响应。虽然未在其中解说，传感器电路215还可以被配置和布置为通过发送导致电致变色聚合物层213改变颜色(例如，由于跨电致变色聚合物层213的施加电势的变化)的信号来对触觉刺激或其他刺激做出响应，该信号也可以被使用并且(视觉地)被识别为来自电子力传感器210的输出信号，例如具有或不具有透明或半透明的外层。因此，传感器电路215可以通过检测施加到电子力传感器210的力的量和/或基于施加的力的量改变电子力传感器210的(至少部分)的物理颜色来对电子力传感器210做出响应。

在一些具体实施例中，跨力传感器电路217和/或电致变色设备电路216施加第一电压(V1)。例如，力传感器电路217和/或电致变色设备电路216以第一电压(V1)被偏置。第二电压(V2)响应于来自电子力传感器210的输出被施加并且经由力传感器电路217由传感器电路215检测。力传感器电路217例如检测第二电压(V2)并输出指示施加的力的量的电信号。此外，在一些实施例中，第二电压由电致变色设备电路216检测。例如，来自力传感器电路217的输出可以被输入到电致变色设备电路216，但是各实施例不限于此，并且传感器电路215的具体图示仅用于解说目的。

图3解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例。电子力传感器包括包括多个可恢复变形结构的弹性膜/相对电极321(例如，基部电极或底部电极)。例如，多个可恢复变形结构从形成膜的相对电极321的表面突出。如可恢复变形结构322所例示的，多个可恢复变形结构包括至少一个电阻部分323和至少一个导电部分324。在一些情况下，可恢复变形结构可以由SWNT涂覆的PDMS结构制成，其中顶部的SWNT被去除或覆盖有电阻材料的以形成电阻部分323。最右边的图描绘了具有在其下面的相对电极321的多个可恢复变形结构325的俯视图。在该具体实施例中，电阻部分323是可恢复变形结构的顶部并且用于响应于垂直于相对电极321施加的力来设置阈值切换范围。在各种实施例中，电阻材料可以是可恢复变形结构的大部分并充当基部(例如，导电部分324由电阻材料形成并涂覆或填充有导电材料)，但是实施例不限于此，并且各种实施例包括相反的情况。

图4A-4B解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例。如图4A所解说的，在各种实施例中，可恢复变形结构形成在相对电极432上和/或形成有相对电极432。例如，多个可恢复变形结构430中的一个可恢复变形结构以较大视图解说。如图所示，电阻部分433可以包括可恢复变形结构的大部分并且可以充当基部。导电部分434可以包括可恢复变形结构430的至少一个侧面部分并且包括导电材料或被导电材料覆盖，如可恢复变形结构430的横截面视图进一步解说的。

在各种实施例中，电阻部分可以在图4A中导电部分处，如图4B所解说的，其中导电部分在一侧被示出以感测向右移动的力。图4B示出了各种力(诸如剪切力)如何影响力传感器。如所解说的，多个可恢复变形结构可以包括电阻部分439和导电部分438。例如，如图4B的左侧上所解说的，响应于左剪切力(或向左的力)，当第一和第二相对电极437、436通过多个可恢复变形结构的电阻部分439彼此连接时，电子力传感器是电阻性的。如图4B的中间所解说的，当不施加剪切力(或向左或向右的力)时，电子力传感器可以是电阻性的(但是在施加左力或左剪切力时处于较低值)或者可以是导电的，因为第一和第二相对电极437、436通过导电部分438的至少一些部分和多个可恢复变形结构的电阻部分439的至少一些部分彼此连接。如图4B的右侧所解说的，响应于右剪切力(或向右的力)，电子力传感器是电容性的(但是处于比不施加剪切力或不施加力时更高的值)，因为第一和第二相对电极437、436通过导电部分438的至少一部分(和/或比不施加力时连接到多个可恢复变形结构中的更少的电阻部分439)彼此连接。

图5解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例。一些实施例涉及不同的导电材料、不同量的导电材料以及导电材料的不同放置/布置(见图3和4A)。例如，如图5所解说的，导电材料位于该结构的每一侧上，从而允许电子力传感器输出对在两个或更多个方向(例如，轴)上的移动的不同响应。多个可恢复变形结构可以形成有相对电极551或在相对电极551上形成。多个可恢复变形结构550中的一个可恢复变形结构被解说为更大的版本，并且解说了所述结构具有电阻部分(例如结构的基部)以及多个导电部分552、553。多个导电部分552、553响应于在不同方向上施加的相同量的力而具有不同的导电率。在各种实施例中，响应于在不同方向上施加的相同量的力，一个或多个可恢复变形结构的每一侧相对于彼此被涂覆或包括具有不同导电率的导电材料。

其他实施例包括改变导电材料的类型以实现各种电阻范围，例如，所述结构的一侧上的导电部分可以具有比另一侧的导电部分更小的电阻值，其更可能与更小的力相互作用。该实施例的各种类型可以用于感测风或流体流动。

图6A-6D解说了根据各实施例的电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例。在一些实施例中，如图6A-D所解说的，可恢复变形结构包括与该结构上或该结构内的位置有关的导电材料与非导电材料的不同比率。图6A解说了不具有有区别的电阻部分和导电部分，而是具有具有低导电材料比率的部分(例如电阻部分)和具有高导电材料比率的部分(例如导电部分)的可恢复变形结构661。即使力没有达到某个水平，或者打破了特定的阈值，这样的实施例也可以用于感测力。如果力足够大以与具有高比率的导电材料的部分相互作用，则电子力传感器不同地做出反应。

图6B解说了其中可恢复变形结构具有有区别的电阻部分666和两个不同的基于比率的导电部分664、665两者的示例实施例。此设计适用于多个实施例，此设计可允许力传感器充当图3中的缓冲器且如图6A中所见保留增量电导。

图6C解说其中可恢复变形结构667具有导电材料的存在(例如，SWNT存在)逐渐增加的示例实施例，其可导致电子力传感器对施加的力具有同样渐变的反应。例如，逐渐增加包括沿图6C所解说的箭头668的方向增加导电材料与非导电材料的比率。

图6D解说了其中可恢复变形结构具有贯穿该结构的高度以及在层670、671、672、673中以递增方式放置的导电材料的示例实施例。这样的实施例可导致电子力传感器随着达到每个电导水平具有有区别的反应。例如，传感器电路可以基于不同的电导水平来对多个事件做出响应。

图7A解说了根据各实施例的形成电子力传感器的多个可恢复变形结构的示例过程。

在各种示例过程中，在774处，使用非导电材料来形成包括具有多个可恢复变形结构的相对电极的膜。相对电极和可恢复变形结构可以由PDMS表面形成。在具体实验实施例中，所述金字塔结构的PDMS的高度为34μm，顶部为10×10μm²，基部为50×50μm²，且周期间隔为41μm。如本文所使用的，可恢复变形结构的顶部可以包括初始接触表面。在775处，金字塔的顶部(例如10×10μm²)被诸如SWNT的导电材料覆盖。被SWNT覆盖可以包括在金字塔结构的PDMS表面的顶部上喷涂SWNT的层(例如，均匀喷涂)。在776处可将聚亚酰胺胶带用于通过将胶带放置在金字塔上而从金字塔的顶部去除SWNT，并在777处去除胶带。如778处所解说的，去除胶带从SWNT的顶部去除SWNT，并且当没有力被施加到电子力传感器时可以导致低电阻(并且即使在施加力之后，直到达到切换的阈值电阻也导致低电阻)。.此外，在779处，由在PDMS的平坦表面上的SWNT的层组成的相对电极可以被放置在SWNT部分涂覆的金字塔的顶部上。基于这样的设计，当不施加压力时，传感器是不导电的，并且可以防止由于金字塔顶部缺少SWNT涂层带来的电流。电子力传感器变成导电的并且电阻随着施加的力而下降。

然而，实施例不限于此，并且电子力传感器可以以各种方式形成。例如，形成电子力传感器可以包括固化非导电材料以形成包括具有多个可恢复变形结构的相对电极的膜。相对电极和结构可以由PDMS表面形成。PDMS或其他材料可以在与预期的相对电极和结构相反的模具中固化。导电材料的涂层可以被施加到多个可恢复变形结构。在各种实施例中，导电材料被均匀地施加。在其他实施例中，不同类型或量的导电材料被施加到不同位置。胶带被施加到结构的一些部分以去除导电材料的一些部分。例如，可恢复变形结构的其中施加胶带的部分(和/或施加到胶带的压力的量)通过选择性地去除导电材料而形成电阻部分(并且因此形成导电部分)。此外，基于所使用的导电材料的量，导电材料在可恢复变形结构上的位置，和/或由胶带去除的导电材料的位置或量，设置多个可恢复变形结构的电阻率和/或电子力传感器的电阻切换范围的阈值。例如，电子力传感器的电阻切换范围的阈值可以通过施加特定量的导电材料和/或通过使用胶带去除导电材料的特定部分来微调。

在其他相关实施例中，形成电子力传感器可以包括固化非导电材料和导电材料以形成包括相对电极的膜。形成相对电极的导电材料与非导电材料的比率可以很高。通过在多个步骤中固化导电和/或非导电材料以形成从相对电极延伸的多个可恢复变形结构来形成多个可恢复变形结构。遍及多个可恢复变形结构的横截面，不同步骤包括导电材料与不导电材料的不同比率。基于所使用的导电材料的量和/或遍及多个可恢复变形结构的横截面的导电材料与非导电材料的不同比率的位置来设置多个可恢复变形结构的电阻率和/或电子力传感器的电阻切换范围的阈值。例如，在一些实施例中，电子力传感器的电阻切换范围的阈值可以通过在多个可恢复变形结构的特定横截面处固化导电材料与非导电材料的特定比率来微调。

图7B-D解说了根据各实施例的使用图7A的过程形成的可恢复变形结构780-1、780-2、780-3的示例。根据多个实施例，上述方法针对具体实现而定制，以基于在聚亚酰胺带上施加不同压力来调整金字塔结构的PDMS上的SWNT的高度来设置切换的阈值电阻。图7B-D解说了施加在胶带上的压力越大(例如，1、10和30kPa)，在金字塔上留下的SWNT越少。这可以为力传感器提供可微调电阻和电阻切换范围的可微调阈值两者。值得注意的是，高度为34μm的金字塔允许更大的动态范围来调制金字塔上的SWNT的高度。可以基于传感器厚度、动态范围和/或敏感度来选择结构的大小。更大和更厚的结构可对于检测更大的压力范围有用，而相应地更小和更薄的结构可对于检测更低的压力范围有用。有关于相对电极101、102之间的距离变化，敏感度和动态范围也可以基于与相对电极101中的一个相接触的变化面积来选择。相对电极101和102之间的相同距离变化情况下的更大的面积变化可以导致更敏感的力传感器。

图7B解说了在将1kPa的压力施加到胶带(PS-1)之后的可恢复变形结构780-1，图7C解说了在将10kPa的压力施加到胶带(PS-10)之后的可恢复变形结构780-2，并且图7D解说了将30kPa的压力施加到胶带(PS-30)之后的可恢复变形结构780-3。每个图中较暗的区域是电阻部分(该处SWNT已被去除)，而较亮区域是SWNT覆盖或导电部分。

更具体/实验性的实施例

图8A-8F解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性。图8A-C分别示出了对应于PS-1、PS-10、PS-30的金字塔形结构的PDMS的四次连续测量的力响应。得到的方形力敏感垫的大小可以是1cm²。在PS-1和PS-10的情况下对于第一个循环可以观察到稍高的电阻，随后的循环可以被再现。PS-1可以在相同的施加的力下显示最低的电阻，这是由于PS-1的SWNT的更高的覆盖率。力传感器PS-1、PS-10和PS-30可分别通过施加在0至20kPa、0至50kPa和0至1kPa之间的力来展现高达五个数量级的电阻改变。

图8D解说了SWNT的高度可以与电阻切换范围的阈值相关，电阻切换范围的阈值被定义为电子力传感器的电阻的其中电阻开始急剧下降的点。在具体示例实施例中，PS-1、PS-10和PS-30的电阻切换范围的阈值可以有关于导电材料(例如，SWNT)的高度而逐渐增加，其分别示出了2.2、7.4和13.3kPa处对力的开始检测(第二前进)。通过修改SWNT结构的高度，阻力范围和电阻切换范围的阈值两者都是可微调的。在某些实施例中，目标压力范围可以等同于人的触摸。保持物体的正常握力在几kPa到几百kPa的范围内。握手期间施加的力在几十kPa的量级中。因此，这种力传感器的可微调设计可对于各种人机交互应用有用。

在许多实施例中，电子力传感器可以是可拉伸和透明的传感器，同时还具有宽范围的可微调的电阻动态范围。这种传感器的弹性可以通过在20％和50％两种应变下拉伸传感器来测试。图8E-F使用PS-10来演示适用于许多实施例的特性，并且可能不仅仅归因于电子力传感器PS-10。电子力传感器PS-10在图8E中被示出为保持其功能。PS-10在20％的应变处表现出高达5个数量级的电阻改变。在50％的应变处，可以保持高达四个数量级的电阻改变。

为了进一步评估电阻响应，可以分析电子力传感器的响应曲线的斜率。如图8F中所示，在PS-10的响应曲线中观察到五个不同种类的斜率。当施加力时，斜率1对应于触及可恢复变形结构的顶部(缺少SWNT)的反电极，但是是在该反电极接触SWNT涂覆的部分之前的。在此时间段期间，随着力传感器保持在非导电状态中，观察到几乎平坦的斜率。斜率2对应于首先接触可恢复变形结构的SWNT涂覆部分的反电极(例如，图1A所解说的第一相对电极101)。斜率2的陡度是可恢复变形结构的SWNT涂覆部分提供大的片电阻以显著降低电阻的结果。当反电极刚好在触及SWNT涂覆的PDMS的基部之前与SWNT涂覆的可恢复变形结构接触时，产生斜率3。当反电极触及SWNT涂覆的PDMS的基部时产生斜率4。最终，PS-10的电阻响应曲线变得饱和的区域为斜率5。

图9A-9F解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性。图9A示出可拉伸的基于聚合物的ECD的UV-Vis谱。中性P3HT的最大吸收可以是约550纳米，而氧化的P3HT可被红移至约800纳米。通过使用10秒的步长在1.0伏和-1.0伏之间的偏置电压循环，动力吸收测量被用于确定可拉伸ECD在550nm处的切换行为和稳定性，如图9B中所示。值得注意的是，±1.0伏的低驱动电压对于低功耗的理念是有益的。图9C示出了图9E的放大视图以便分析0％应变处的切换时间。中性状态(变为暗红色)和氧化状态(变为淡蓝色)的切换时间分别可以看作是1.4秒(s)和1.2秒。图9D示出了20％应变处的图9F的放大图。中性状态(变为暗红色)和氧化状态(变为淡蓝色)的切换时间可分别增加到3.1秒和1.7秒处。在0％和20％两种应变处的可拉伸有机ECD都显示出稳定的循环切换，并且即使在长期测量之后颜色对比度可以保持在90％以上。然而，由于增加的电阻，切换速度可能降级。值得注意的是，可以使用市售聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)来证明完全可拉伸的ECD；然而，本发明不限于仅使用P3HT，可以使用其他电致变色聚合物。

图10A-10B解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性。为了阐明ECD中的中性和氧化P3HT/SWNT叠层的应变和电特性之间的关系，可以测量中性和氧化P3HT/SWNT膜两者的电阻对应变。在特定实验实施例中，在拉伸测量之前，可以将两个膜浸入液体电解质(CH₃CN中0.1M LiClO₄)30秒。图10A描绘了这两种薄膜在从0％伸展到100％应变时的归一化电阻。氧化P3HT在100％应变处的电阻可增加到约1.9倍，而中性P3HT在100％应变处可增加到约3.2倍。在20％应变处，氧化和中性P3HT的电阻可分别增加到其原始电阻的1.23倍和1.12倍。如果薄膜被拉伸至50％的应变，则中性和氧化P3HT的电阻可分别增加到1.85和1.33倍。中性P3HT电阻中的更高的增加可能导致在50％应变处ECD的切换速度的降级。氧化P3HT薄膜中的更慢的电阻增加可能是由于氧化P3HT薄膜中的更高浓度的空穴有助于即使在升高的应变下也保持更导电的通路，以抑制电阻增加。

图10B进一步通过比较P3HT在不同应变水平下的吸收谱来解说应变对ECD的影响。P3HT在600nm处的吸收肩峰(通常归因于P3HT的聚集态)当经受大于50％的应变时增加。这证明聚集聚合物的分数在拉伸期间增加，这可能是由应变引起的链延伸和随后的结晶化造成的。

本公开的各种实施例可以应用于可穿戴电子设备。可穿戴电子产品的关键参数是重量。在一些实施例中，轻量能力可以通过利用超薄(1.2μm厚)聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜来制造有机ECD来实现。制造过程与PDMS衬底上的有机ECD的制造过程类似。该设备可以重约9.3mg cm^-2，这比织物上类似大小设备(诸如由棉聚酯混合物制成的常规实验室涂层(16.7mg cm^-2))的重量轻。结果，诸如上述实施例的可拉伸有机ECD具有快速的颜色响应，透明且轻量，并且对于可穿戴电子设备来说可以是理想的。

图11A-11E解说了根据各实施例的电子力传感器的示例特性。许多实施例采用触觉控制设备的概念，其颜色取决于用户施加的力。可以制造集成可拉伸力传感器(例如，压力传感器(PS))和可拉伸ECD(被表示为“PSEC”)。PSEC的示例示意性布局在图2中被示出为传感器电路232。基于此集成，可以通过施加各种压力水平来控制颜色。

图11A解说了通过施加从0至200kPa的不同的力而由UV-Vis吸收谱测量的光谱改变。在实验实施例中，每个施加的力保持10秒，然后关闭该设备并测量吸收谱。在施加任何压力之前，对于氧化P3HT，可以观察到在800nm处的吸收峰。随着压力增加，可以观察到550nm处的另一吸收峰的出现(其可归因于中性P3HT的形成)，并且可以观察到其强度随着施加的压力的增加而增加。可以使用各种吸收谱/颜色来进一步量化施加的压力的相应量值。通过引入各种颜色的电致变色聚合物，PSEC系统可以被设计成具有很大范围的颜色并且可以通过各种力来调制。如此，力传感器可以经由吸收水平来区分不同的施加的力水平。另外，为了实现PSEC系统的功耗特性，可以测量ECD在或自然状态或氧化状态下的吸收带/颜色。

如图11B解说了中性和氧化P3HT的吸收带/颜色可以在周围环境条件下保持6小时而不施加任何额外偏置。可观察到一天后ECD的吸收带中的轻微增加。这证明对于各种实施例，为了维持颜色，不需要恒定偏置，这可以降低功耗。市售电致变色聚合物P3HT可被用于产生图11A-B中可见的结果，但是可以使用其他电致变色聚合物。

在一些实施例中，颜色改变的响应时间(使用UV-Vis测量)作为施加的力的函数来操作。因此，可以使用实时吸收改变来确定施加的压力的大小。

图11C示出了施加于PSEC并保持10秒的不同压力的结果。如图所示，在一些实施例中，可以使用200kPa的最高压力获得吸收的最大改变响应。当施加的力下降到150、100、70、50和10kPa时，相应的吸收水平也下降。

图11D解说了增加的力的施加导致PSEC系统的ECD达到颜色饱和的时间减少。例如，200kPa的施加的力可以使用7秒来实现颜色饱和，而10kPa的施加的力可以在37秒之后达到颜色饱和。值得注意的是，斜率的值可被用来量化施加的力的大小。当施加较低的力(例如压力)时，每个响应曲线的斜率可以减小。

图11E示出施加的力(压力)、ECD的吸收和时间之间的关系。基于响应时间测量，较轻压力体系(从0到100kPa)提供剧烈的吸收改变和饱和时间改变，而较高压力体系(从100到200kPa)显示轻微的吸收改变和饱和时间改变。因此，PSEC系统可以在高压力下操作，以达到更快的颜色饱和。替代地，可以在更低的压力处驱动PSEC系统以提供更大的动态范围来微调各种颜色。

图12A-12D解说了根据各实施例的电子力传感器改变颜色的示例。图12A-D中的示例示出了具有交互式颜色改变和触觉感测特性两者的电子力传感器的展示。该特定实施例包括可伸展压力传感器和可伸展颜色可变性，其可以被安装和连接到商业购买的泰迪熊的手心和手背。在施加弱握手(约50kPa)时，ECD的颜色可以从深红色变为蓝灰色。释放握手将颜色恢复为深红色，同时施加强握手(大约200kPa)再次将颜色改变为淡蓝色。在每幅图中，流逝的时间可以在右下角看到。这展示了从触觉感测到可见颜色改变的信息的表达，以及与施加的各种力相关的颜色的可调节性。

图13解说了根据各实施例的可穿戴设备的示例。各种实施例中的可穿戴设备1368可以用作电子皮肤或e-skin设备。可以通过改变施加的力1384以及施加的力持续时间来控制电子皮肤设备的颜色。可穿戴设备1368可以包括图1所解说的设备，诸如电子力传感器和传感器电路。因此，电子皮肤设备的颜色改变也可以被用来区分施加的力。电子皮肤设备可以包括与可拉伸ECD集成的力传感器。各种实施例将电子皮肤设备描绘为可穿戴设备，诸如图13，但是其他实施例可以被用作可植入设备，诸如监测动脉血压的设备。

值得注意的是，对于用户交互式设备，碳纳米管(CNT)的毒性和致癌性引起了关注，因为它们与石棉具有相当相似的形状。先前的报道已经证明，与更低纵横比相比，更长和更厚的CNT(长度>5μm且直径>20nm)可以诱发显著更多的DNA损伤和炎症。在各种实施例中，可以使用远为更短和更小直径的SWNT(束长度范围从0.5-1.5μm，以及平均束直径为4-5nm)，这可以减少潜在的不利影响。此外，该系统的适当封装可以用于各种实施例中。多种弹性衬底，诸如硅树脂、聚氨酯或含氟弹性体，具有生物相容性和高度可拉伸性。另外，可以用银纳米线、金属颗粒膜和/或可拉伸导电聚合物或聚合物碳复合导电材料代替CNT。

图14A-C解说了根据各实施例的电子力传感器的示例实现。在一些实施例中，包括触觉控制功能的电子力传感器被集成到手表和/或表带1489中以允许用户交互式颜色可变功能，如图14所解说的。

图14B解说了其中ECD被植入到一件衣服1491(例如，衬衫，裤子，帽子，太阳镜)中，而传感器电路和力传感器被结合在手表中以用于远程控制衣服1491颜色的可穿戴设备实现。各种实施例可以应用于体育中、通用时尚世界中或作为可调整的伪装。

图14C解说了电子力传感器在中性集成的假体皮肤或智能机器人1492中的应用。针对机器人的各种实施例包括将设备应用在机器人或假肢的曲线和动态表面上。可调节电阻力传感器可用于模拟生物机械感受器的不同力响应并允许机器人1492感测压力/触摸。电子力传感器也可以用于通过施加不同的力来改变假肢和机器人1492的外观(颜色)。

在多个具体实施例中，电子力传感器可以被结合到弹性带中并用作应变传感器。在其它相关实施例中，电子力传感器可以与无线电路组合以被供电和/或无线传送感测信息。此外，在具体实施例中，电子力传感器可以放置在物体(例如，电池、反应器、食物包装、存储包装)和/或人或动物内部以监测器官(例如心脏、肝、胃、卵巢、肺、动脉、动脉内、心脏内)的(一个或多个)大小改变。例如，电子力传感器可以用于监测物体(诸如管道、反应器、电池、食品包装，存储包装)的(一个或多个)形状改变。

根据各种具体实施例，结构(例如，可恢复变形结构)包括在结构上和/或结构内分布的在深度处和/或特定表面处图案化的导电材料，以提供用于可在电特征中实现的设计电子力传感器的设计通用性。可以通过结构上的导电材料的高度和/或与力曲线相比的阻抗的形状来确定电阻的阈值切换范围和/或电子力传感器的起始点，其可以通过结构内的导电材料(例如，CNT)来确定。

图15A-15F解说了根据各实施例的具有对力的不同响应的具体电子力传感器的示例。如图15A-15D所解说的，电子力传感器包括相对电极之间(例如，形成在相对电极1502中的一个上)的结构1504。如本文所使用的，结构可以包括或指代如前所述的可恢复变形结构，并且为了易于参考而被称为结构。结构1504可以具有不同的导电-电阻元件，诸如导电部分1505和电阻部分1503的不同形状和/或尺寸和/或结构内导电材料与电阻材料的不同比率。

图15A、15B和15E解说了导电材料的高度对电阻的阈值切换范围的影响。如图15A和15B所解说的，结构1504的表面上的导电材料(例如，导电部分1505)的高度可以被调整以调整阈值切换范围。例如，与图15A的结构1504相比，图15B的结构1504具有更大的导电材料高度。图15E解说导电材料的不同高度对所得电子力传感器的电阻的阈值切换范围的影响。如图所示，图15B所解说的电子力传感器具有比图15A的电子力传感器更低的阈值切换范围。

图15C、15D和15F解说了与力曲线相比，结构内的导电材料的分布对阻抗的形状的影响。图15C解说了在整个结构1504中具有不同分布的导电材料的结构1504。在一些实施例中，导电材料的不同分布可以导致结构1504具有相对于彼此的导电部分1505和电阻部分1503。图15D解说了在整个结构1504中具有相同分布的导电材料的结构1504。图15F解说了结构内的导电材料的不同分布对与力曲线相比的阻抗的形状的影响。例如，图15C所解说的电子力传感器可以包括与力相比的阻抗的线性曲线，图15D所解说的电子力传感器可以包括与力相比的阻抗的非线性曲线。

压力传感器有许多不同的应用，其可以包括不同的传感器特征。例如，不同的参数可影响对不同应用的适用性。根据本公开的实施例可以包括用于各种不同应用的力传感器的设计，所述力传感器具有传感器使用和/或要求中的变化。例如，可以调整总体电子力传感器大小、电极之间的结构的形状和大小、导电材料的形状和/或位置和/或导电材料的分布，以针对不同的应用按需设计和制造具有不同特征的电子力传感器。可以做出这样的设计来满足需要相对较少数量(例如<100000)的传感器的许多公司的需要。不同传感器的设计和制造可以包括通过改变结构(例如金字塔)的大小或形状、弹性体的模量以及导电材料(例如填料)的含量和分布来改变感测特征。该方法可以允许调整许多传感器特征，包括动态范围、敏感度、阻抗范围和/或刺激响应曲线的形状。这种类型的通用性可对于像力和/或压力传感器这样的涵盖具有多种要求的应用的领域有用。

在各种具体实施例中，电子力传感器可以包括可以通过结构的形状和/或导电材料分布调整的线性或非线性力特征。许多电阻式压力传感器具有限于具有特定形状的刺激响应曲线的特征。例如，基于固有压敏电阻的设备具有在电阻和压痕之间具有线性关系的刺激响应曲线。基于接触电阻的设备通常在电阻和力之间具有幂律关系。然而，在一些不同的实施例中，电子力传感器能够在压力和电阻之间产生不同的关系。例如，当制造与用于测量剪切力或硬度的传感器类似的传感器时，电子力传感器实现可具有线性特征。线性特征可以通过调节可恢复变形结构的形状或填充物在可恢复变形结构的矩阵内的垂直分布来产生。

图16A-16D解说了根据各实施例的具有对力的不同响应以测量硬度性质的具体电子力传感器的示例。在一些实施例中，可以使用具有不同顺应性的两个电子力传感器来测量硬度。图16A-16B解说了第一电子力传感器，且图16C-16D解说了第二电子力传感器。可以通过改变材料、传感器的模量(例如分布)、结构的大小或形状、和/或导电材料的垂直分布来调节相应的第一和第二电子力传感器的顺应性。电子力传感器的调节可以调制力响应曲线的形状。

如图16A和图16B所解说的，电子力传感器包括相对电极1601、1602之间的结构1604。结构1604可以是不同的形状，诸如图16A的金字塔形状和图16B的六面体。图16C和图16D分别解说了图16A和图16B的电子力传感器响应于施加的相同的力的响应。在各种实施例中，该力包括表面的硬度。基于硬度，表面以不同方式影响两个电子力传感器的偏转。使用两个电子力传感器测量表面的硬度的示例实现可以包括测量水果(在商店中和/或对于包装设施)的成熟度，测量仪器化手术中组织(人、动物和/或其他)的硬度(用于标识肿瘤)，测量组织的硬度以用于自动化乳房X线照片，以及其他具体实现。

取决于具体实现，结构1604可以具有不同的尺寸大小。例如，用于测量水果的成熟度的结构可以具有5至100μm的大小/尺寸，用于测量仪器手术中的组织的硬度的结构可以具有2至20μm的大小/尺寸，并且用于测量组织的硬度以用于自动化乳房X线照片的结构可以具有2至100um的大小/尺寸以用于瞄准分辨率和/或敏感度特征。在各种实施例中，如本文使用的结构的大小/尺寸可以包括结构的宽度、高度、长度、直径、横截面、总体积和/或其组合(例如宽度和高度两者，宽度、高度和长度全部三者等)。替代地，大小/尺寸可以包括电子力传感器的宽度、高度、长度、总体积和/或其组合(例如，宽度和高度两者，宽度、高度和长度全部三者等)。

图17A-17D解说了根据各种实施例的具有对剪切力的响应的具体电子力传感器的示例。在多个实现中，可以使用电子力传感器来测量剪切力。图17A-17B解说了可以测量剪切力的电子力传感器的示例实现。如图17A所解说的，电子力传感器包括位于两个相对电极1701、1702之间的多个结构1704。结构1704可以包括以共同比例分散(例如，均匀分散)在整个范围内的导电材料。一个相对电极1701位于靠近力被认为和/或被设计为与电子力传感器对接的位置。特定电极1701包括凸出界面接触件1795，该凸出界面接触件1795被设计为与施加到电子力传感器的力对接并且将力集中在不同的方向上。如图17B所解说的，突出界面接触件1795集中力并导致不同结构1704针对力或多个力不同地变形。这种方法可以被称为比较式方法。

另一种方法由图17C-17D解说。在各种实施例中，多个结构1704的一个侧面(位于相对的电极1701、1702之间)被涂覆有导电材料。结构1704的侧面形成结构1704的导电部分1705，并且剩余侧面包括电阻部分1703(例如，未涂覆在导电材料中和/或包括电阻材料)。如图17D所解说的，响应于特定剪切力(例如，右剪切力)，导电部分1705与相对电极1701接触和/或电阻部分1703失去与相对电极1701的接触，这导致导电率增加和/或电阻率降低。图17C-17D所解说的电子压力传感器可以包括各向异性感测结构。

剪切力检测可用于各种附加实现。例如，电子力传感器可以测量由细胞产生的牵引力，测量各种设备中的流体流动(例如，微流体设备中的流体流动)，监测细胞的生长，监测邻近植入设备的血流或剪切力，监测飞机机翼上的气流，并且用于调整假体电子皮肤中的抓握力，和/或用于标识工业制造应用中的部件之间的错位以及其他应用。

具体而言，为了监测飞机机翼上的气流，可以封装电子力传感器以允许测量流体静力学压力。飞机机翼的表面上的气压中的压差可能较大并且因此测得的压力可能较大。

结构的尺寸/大小或电子力传感器的大小可以取决于用途而变化。例如，用于测量各种设备中的流体流动的电子力传感器的结构或整体大小可能受到设备的大小的限制(例如，小于设备的尺寸)。作为具体示例，用于检测微流体设备内的流动的电子力传感器可以包括具有比微流体通道的大小更小的尺寸/大小的结构，诸如具有2-20微米尺寸/大小的结构。用于测量细胞的生长的电子力传感器可以包括具有由细胞和/或细胞在其中生长的设备限制的尺寸/大小的结构。例如，如图19所解说的，用于检测筛电极中的细胞的生长的电子力传感器可以包括具有小于筛电极结构的大小(或电子力传感器的尺寸)的尺寸/大小的结构，诸如具有小于10微米的尺寸/大小的结构或电子力传感器。用于监测飞机的机翼上的气流的电子力传感器可以包括具有有利于动态范围和感测大的力的尺寸/大小的结构，诸如具有大于50微米的尺寸/大小的结构。图20A-20C所解说的假肢电子皮肤中使用的电子力传感器可以包括具有提供与皮肤类似的动态敏感度范围的尺寸/大小的结构，诸如具有20-100μm的尺寸/大小的结构。并且，用于标识工业制造应用中的部件之间的错位的电子力传感器可以包括用于提供动态感测范围的结构，诸如具有大于50μm的尺寸/大小的结构。在数十kPa或MPa范围内(例如，20kPa至1MPa或大于1MPa)的测量力/压力范围对于测量脚印或用于褥疮预防的与床垫的身体接触区域的形状可能是有用的，并且可以使用尺寸在毫米范围内(例如1-50毫米)的更大和更高的结构来实现。

在各种实施例中，结构的大小/尺寸可以包括结构的宽度、高度、长度、总体积和/或其组合(例如，宽度和高度两者，宽度、高度和长度全部三者等)。替代地，大小/尺寸可以包括电子力传感器的宽度、高度、长度、直径、横截面、总体积和/或其组合(例如，宽度和高度两者，宽度、高度和长度全部三者等)。

图18A-18B解说了根据各种实施例的对由细胞产生的牵引力做出响应的具体电子力传感器的示例。如图18A-18B所解说的，电子力传感器可以包括在包括导电-电阻元件的相对电极1801、1802之间的多个结构1804。导电-电阻元件可以包括导电部分1805和电阻部分1803。

可以使用电子力传感器来检测细胞1896的牵引力。例如，电子力传感器可基于细胞的大小(例如，对于结构1804的大小为小大小，诸如5μm或更小)来确定大小。随着细胞1896相对于电子力传感器移动，剪切力被生成并被测量。电子力传感器可以包括各向异性感测结构，诸如先前关于图17C-17D所讨论的，因为产生的剪切力很小(例如，比较式方法可以使用两倍于在各向异性设备中的占地面积)。如图18B所解说的，随着细胞1896移动，结构1804被用于检测剪切力。

结构1804可以具有小于细胞1896的大小(诸如小于5微米)的大小/尺寸。在各种实施例中，结构1804的大小/尺寸可以包括结构的宽度、高度、长度、总体积和/或其组合(例如，宽度和高度两者，宽度、高度和长度全部三者等)。替代地，大小/尺寸可以包括电子力传感器的宽度、高度、长度、直径、横截面、总体积和/或其组合(例如，宽度和高度两者，宽度、高度和长度全部三者等)。

图19解说了根据各实施例的具有对力的不同响应以监测细胞的生长的具体电子力传感器的示例。可以在组织移植物和筛电极中监测和/或测量细胞生长。例如，可以开发可以通过小通路刺激神经元的生长的设备。此外，在通路内包括一个或多个电子力传感器可以给出关于生长动力学的信息。

图20A-20C解说了根据各种实施例的具有多个结构的具体电子力传感器的示例，所述结构被不同地定向以提供施加的力和/或对压力和剪切力的响应的方向。检测剪切力对于调整假肢电子皮肤中的抓握力可能是有用的。生物皮肤包含对施加的力的方向敏感的受体。此外，生物传感器对压力和剪切力都很敏感，这与前面讨论的各向异性剪切力传感器类似。因此，具有不同定向的传感器的阵列可以提供与生物皮肤相同的功能。这对于在非结构化环境中运行的机器人的机器人皮肤可能非常有用。图20A和20B解说了具有从其突出的多个结构2004的相对电极2097的示例。多个结构2004可以具有相同的导电-电阻元件但是被不同地定向。在一些实施例中，结构2004包括具有导电材料的一个侧面并且被不同地定向，使得具有导电材料的一个侧在相应结构2004之间面向不同方向。在其他实施例中，结构2004的两个或更多个侧面包括具有不同导电率值的导电材料且该多个结构被不同地定向，使得不同的导电率值面向不同的方向。尽管实施例不受此限制，并且该多个结构2004可以附加地和/或替代地包括不同的导电-电阻元件(例如，不同的导电材料比率，不同的位置，不同的量，不同的形状)。

具有不同定向的结构的阵列可用于检测和/或测量仿生电子皮肤中的法向力和剪切力。结构的大小范围可以在50-100μm的范围内以便为该应用实现足够的动态范围，但是实施例不限于此。例如，如图20C所解说的，图20A-20B所解说的结构的阵列可用于测量各种细胞2098相对于皮肤的力以用于电子皮肤应用。

图21A-21D解说了根据各实施例的对应变进行响应的具体电子力传感器的示例。在可拉伸和柔性的系统中，应变传感器对于测量复杂的力分布是有用的。根据各种实施例，电子力传感器可以用导体图案化以测量应变。

图21A-21B解说了被图案化以减少活性材料中的应变并用于检测大应变的结构2104的示例。图21C-21D解说了不同材料2104、2119(具有不同的导电材料与非导电材料的比率)的图案化区域的示例。通过对不同材料的区域进行图案化，可以局部化应变力以提高对应变力的敏感度以用于高精度应用。

如本文所述，各方面和实施例针对具有交互式颜色改变和触觉感测特性的生物启发可拉伸电子力传感器(例如，电子皮肤设备)。这是通过开发和集成可拉伸可调节电阻力传感器和可拉伸有机电致变色设备(ECD)实现的。除了检测施加的压力之外，这种类型的力传感器能够通过实时可见的颜色改变来区分变化的施加的压力或其他力。此外，这种电子力传感器展现出低功耗，可以是交互式和颜色可变的，并且可以通过具有成本效益的全解决方案处理方法容易地制备。

根据本公开的各实施例包括一种电子力传感器，所述电子力传感器包括第一相对电极，第二相对电极，其中所述第一和第二相对电极被配置和布置为生成指示施加到所述电子力传感器的力的输出。所述电子力传感器进一步包括多个可恢复变形结构，所述多个可恢复变形结构被布置在所述第一和第二相对电极之间并且具有多个导电-电阻元件，所述结构中的每个结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个，并且被配置和布置有设置所述电子力传感器的力敏感度的导电材料和非导电材料。在多个实施例中，上述电子力传感器包括以下的各种组合：其中所述第一和第二相对电极之一以及所述多个可恢复变形结构形成为膜；其中所述多个可恢复变形结构被配置和布置为响应于没有施加力或小的施加力来提供比响应于更大的施加力而提供的电阻率更高的电阻率；其中所述多个可恢复变形结构基于所述导电材料或非导电材料的量或位置中的至少一个来提供阈值电阻切换范围；被配置和布置为改变所述电子力传感器的物理颜色的聚合物层，其中所述物理颜色的改变包括指示施加的力的量的不同颜色或一种或多种颜色的不同强度中的至少一者；其中所述多个可恢复变形结构由非导电材料形成并且成形为金字塔形、柱形、方形、立柱形和/或六边形立柱；其中所述导电材料位于所述多个可恢复变形结构内靠近所述第一相对电极并且不位于和/或与所述非导电材料相比以低比率位于所述第二相对电极附近；其中所述导电材料包括纳米结构，所述纳米结构包括从由碳纳米管、纳米线、金属及其组合组成的组中选择的至少一个；其中所述导电-电阻元件包括在所述多个可恢复变形结构的第一部分处的非导电材料以及至少在所述多个可恢复变形结构的第二部分处的导电材料；和/或进一步包括被配置和布置为输出指示施加的力的量的信号的传感器电路。

根据本公开的多个实施例包括一种装置，所述装置包括电子力传感器和传感器电路。所述电子力传感器包括第一相对电极，第二相对电极，其中所述第一和第二相对电极被配置和布置为生成指示施加到所述电子力传感器的力的输出。所述电子力传感器进一步包括多个可恢复变形结构，所述多个可恢复变形结构被布置在所述第一和第二相对电极之间并且具有多个导电-电阻元件，所述结构中的每个结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个，并且被配置和布置有设置所述电子力传感器的力敏感度的导电材料和非导电材料。所述传感器电路被配置和布置为基于来自所述电子力传感器的输出而输出指示施加的力的量的信号。在多个实施例中，上述装置包括以下的各种组合：其中所述多个导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构的至少一个导电部分和至少一个电阻部分；其中所述导电-电阻元件包括在所述多个可恢复变形结构的第一部分处的非导电材料以及在所述多个可恢复变形结构的第二部分处的至少导电材料；其中所述多个可恢复变形结构被配置和布置为响应于不施加力而提供高于数百千欧姆的电阻，并且响应于施加的力而将所述电子力传感器的电阻率减小数量级；，其中所述电子力传感器进一步包括聚合物层，所述聚合物层被配置并布置为具有所述传感器电路以改变所述电子力传感器的物理颜色，所述物理颜色中的改变对应于施加的力的量；其中所述导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构中的至少一个可恢复变形结构的电阻部分，其中所述电阻部分靠近所述第一相对电极且包括非导电材料或没有被导电材料覆盖；其中所述导电-电阻元件中的至少一个导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构中的至少一个可恢复变形结构的电阻部分，其中所述电阻部分包括所述至少一个可恢复变形结构的至少一个侧面部分并且包括非导电材料或没有被导电材料覆盖；其中所述导电-电阻元件中的至少一个导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构中的至少一个可恢复变形结构的导电部分，所述导电部分包括所述至少一个可恢复变形结构的具有彼此不同的导电材料浓度的多个侧面，使得至少一个可恢复变形结构被配置和布置为响应于在不同方向上施加的相同的力的量而提供不同的电阻率；其中所述传感器电路被配置和布置为基于基于来自所述电子力传感器的输出的所述不同电阻率来区分不同的刺激；其中所述导电-电阻元件中的至少一个导电-电阻元件包括位于所述多个可恢复变形结构中的所述至少一个可恢复变形结构内的电阻部分和导电部分，其中导电材料按照导电材料与非导电材料的比率被布置在至少一个可恢复变形结构内在所述导电部分中；其中与所述导电材料按照与所述电阻部分处的导电材料与非导电材料的比率相比更高的导电部分与非导电材料的比率被布置在所述多个可恢复变形结构中的所述至少一个可恢复变形结构内；和/或其中所述导电材料以多层被布置在所述多个可恢复变形结构内。

根据本公开的各实施例包括一种装置，所述装置包括电子力传感器和传感器电路。所述电子力传感器包括被配置和布置为生成指示施加到所述电子力传感器的力的输出的电路，其中所述电路包括多个结构，所述多个结构具有导电部分和电阻部分，并且被配置和布置为具有包括形状和材料成分属性的属性，所述属性关于彼此被设置以用于设置所述电子力传感器的力敏感度。所述传感器电路被配置和布置为输出基于来自所述电子力传感器的输出的施加的力的量的指示。在多个实施例中，上述装置包括以下的各种组合：其中所述电子力传感器进一步包括聚合物层，所述聚合物层被配置且布置为具有所述传感器电路以改变所述电子力传感器的物理颜色，所述物理颜色的所述改变包括指示施加的力的量的不同颜色或一种或多种颜色的不同强度；其中所述多个结构被配置和布置为响应于不施加力而提供高于数百千欧姆的电阻，并且响应于施加的力而将所述电子力传感器的电阻率减小数量级；其中所述多个结构被配置和布置为提供在1E10到1E3欧姆的范围内和/或对于0到400kPa和0到400mPA的压力范围的切换的阈值电阻；其中所述属性包括从由以下各项组成的组中选择的至少一个：导电材料相对于所述结构的位置，所述结构的非导电材料相对于所述导电材料的位置，切换的阈值电阻，响应没有施加到所述电子力传感器的力而提供的电阻率，及其组合；其中所述多个结构中的至少一个结构包括在所述电阻部分处的非导电材料并且在所述导电部分处至少部分地被导电材料覆盖，并且被配置和布置为响应于施加的力而改变所述电子力传感器的电阻率；其中所述多个结构中的至少一个结构的所述电阻部分包括所述结构的顶部或上部，并且包括非导电材料或未被导电材料覆盖；其中所述多个结构中的至少一个结构的所述电阻部分包括所述至少一个结构的至少一个侧面部分并且包括非导电材料或未被导电材料覆盖；其中所述多个结构中的至少一个结构的所述导电部分包括所述至少一个结构的多个侧面并且包括不同浓度的导电材料，使得所述至少一个结构被配置和布置为响应于在不同方向上施加的相同的力的量而提供不同的电阻率；其中所述电子力传感器被配置且布置为基于所述不同的电阻率来区分不同的刺激；其中所述多个结构中的至少一个结构的所述电阻部分和所述导电部分在所述至少一个结构内，其中导电材料按导电材料与非导电材料的比率被布置在所述导电部分中在所述至少一个结构内；其中与所述导电材料按照与所述电阻部分处的导电材料与非导电材料的比率相比更高的导电部分与非导电材料的比率被布置在所述至少一个结构内；和/或其中所述导电材料以多层被布置在所述多个结构内。

根据本公开的其它示例实施例包括一种方法，所述方法包括固化非导电材料以形成包括具有多个可恢复变形结构的相对电极的膜，将导电材料的涂层施加到所述多个可恢复变形结构，以及施加胶带以去除所述导电材料的一部分，其中所述多个可恢复变形结构的电阻率和所述电子力传感器的电阻切换范围的阈值中的至少一者基于所使用的导电材料的量和所述导电材料在所述多个可恢复变形结构上的位置中的至少一者来设置。在多个实施例中，上述方法包括以下的各种组合：通过施加特定量的所述导电材料的涂层来调节所述电子力传感器的电阻切换范围的所述阈值，和/或通过使用所述胶带去除所述导电材料的特定部分来调节所述电子力传感器的电阻切换范围的所述阈值。

根据本公开的其它示例实施例包括一种方法，所述方法包括将非导电材料与导电材料固化在一起以形成包括相对电极的膜，以及在多个步骤中固化导电和/或非导电材料以形成从所述相对电极延伸的多个可恢复变形结构，并且所述多个可恢复变形结构遍及所述多个可恢复变形结构的横截面具有所述导电材料与所述非导电材料的不同比率，以及其中所述多个可恢复变形结构的电阻率和所述电子力传感器的电阻切换范围的阈值中的至少一者基于所使用的导电材料的量和遍及所述多个可恢复变形结构的横截面的所述导电材料与所述非导电材料的比率中的至少一者来设置。在多个实施例中，上述方法进一步包括通过在所述多个可恢复变形结构的特定横截面处固化所述导电材料与所述非导电材料的特定比率来调节所述电子力传感器的电阻切换范围的所述阈值。

用于例示定向的术语，诸如上/下、左/右、顶/底和高于/低于，可以在本文中用于指代如图中所示的元件的相对位置。应该理解，所述术语仅用于标记的方便，并且在实际使用中，所公开的结构可以与图中所示的定向不同地定向。因此，这些术语不应该以限制的方式来解释。

根据2015年7月29日提交的题为“Methods and Apparatus ConcerningSensitive(E-Skin)Pressure Sensors(关于敏感(电子皮肤)压力传感器的方法和装置)”的基础临时申请(序列号62/198,550)以及六个附录来实现各实施例，要求其权益并且通过援引将其全部纳入本文。例如，在本文和/或该临时申请(包括其中的附录)中的实施例可以以不同程度(包括整体)组合。还可以参考在该基础临时申请中提供的实验教导和基础参考，包括形成临时申请的一部分的附录。除非特别指出，否则附录中讨论的实施例不旨在以任何方式限于整体技术公开或要求保护的发明的任何部分。

基础临时申请的附录因其一般和具体教导而通过援引全部纳入本文。题为“AChameleon-Inspired Stretchable Electronic Skin with Interactive Color-Changing Controlled by Tactile Sensing(具有由触觉感测控制的交互式变色的变色龙启发的可伸缩电子皮肤)”的附录A一般并且具体地描述了如这里解说的各种力传感器、传感器电路、形成该传感器电路的方法以及使用方法。题为“Resistive Pressure Sensor(电阻式压力传感器)”的附录B一般并具体地描述了力的感测，电阻变化和机械刺激，导电材料在结构上的不同放置，包括位于结构内的导电材料，以及涉及调节力传感器的电阻响应和/或电阻切换范围的应用。题为“A Chameleon-Inspired Stretchable Electronic Skinwith Interactive Color-Changing Controlled by Tactile Sensing(具有由触觉感测控制的交互式变色的变色龙启发的可伸缩电子皮肤)”的附录C一般并且具体地描述了力的感测，响应于触觉感测的颜色变化以及电阻响应的可调节性。附录D是题为“Multifunctional,flexible electronic systems based on engineerednanostructured materials(基于工程纳米结构材料的多功能、柔性电子系统)”的已发表的论文，其一般并且具体地描述了电子设备的电路，模块和架构。题为“Engineering-Specific Illustrations(特定于工程的插图)”的附录E一般并且具体地描述了将电子力传感器和传感器电路与诸如智能手表的可穿戴设备集成和/或集成到诸如智能手表的可穿戴设备中，以及电致变色材料的不同放置(诸如在衣服中)以及旨在将电子皮肤压力传感器和传感器电路集成到假肢和智能机器人中的应用。题为“Resistive Pressure SensorsTechnology Comparison(电阻式压力传感器技术比较)”的附录F一般并且具体地描述了电子力传感器和传感器电路的接触电阻和压力范围，以及旨在与其它电路相比地调节压力传感器的电阻响应和/或电阻切换范围的应用。这些文档一般并且具体地涉及其中描述和示出的结构、过程、方法和用途，这些文档因其教导通过援引完全纳入本文(包括其中引用的背景参考文献并且公开了对本公开的各方面有益的应用)。

如所解说的，可以实现各种模块和/或其他基于电路的构建块(在紧接在前的图中示出)以执行本文中或附录中描述的和/或在块图形附图中示出的操作和活动中的一个或多个。在这样的上下文中，这些模块和/或构建块表示执行这些或相关操作/活动中的一个或多个的电路。例如，在上面讨论的某些实施例中和在附录中，一个或多个模块和/或块是被配置和布置用于实现这些操作/活动的分立逻辑电路或可编程逻辑电路，如在上面和附录中示出的电路模块/块。在某些实施例中，可编程电路是被编程为执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)的一个或多个计算机电路。指令(和/或配置数据)可以是存储在存储器(电路)中并可从中访问的固件或软件的形式。作为示例，第一和第二模块/块包括基于CPU硬件的电路和固件形式的一组指令的组合，其中第一模块/块包括具有一组指令的第一CPU硬件电路，并且第二模块/块包括具有另一组指令的第二CPU硬件电路。

以上描述的和在临时申请的附录中讨论的各实施例可以一起和/或以其他方式实现。在本公开和附录中描绘的一个或多个项也可以单独地或以更整合的方式实现，或者在某些情况下被去除和/或呈现为不可操作，如根据特定应用有用的那样。例如，所示出和讨论的所解说的具体结构可以用其他结构代替和/或在同一电子力传感器中组合在一起和/或附加于ECD使用。鉴于本文的描述，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以对其做出许多改变。

Claims (39)

1.一种电子力传感器，包括：

第一相对电极；

第二相对电极，其中所述第一和第二相对电极被配置和布置为生成指示施加到所述电子力传感器的力的输出；以及

多个可恢复变形结构，所述多个可恢复变形结构被布置在所述第一和第二相对电极之间并且具有多个导电-电阻元件，所述结构中的每个结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个，并且被配置和布置有设置所述电子力传感器的力敏感度的导电材料和非导电材料，并且被配置和布置为在所述电子力传感器的不同区域提供不同的力敏感度特征。

2.根据权利要求1所述的电子力传感器，其中所述多个可恢复变形结构被配置和布置为经由以下中的一个或多个提供所述不同的力敏感度特征：所述可恢复变形结构的形状、在所述可恢复变形结构中的相应可恢复变形结构中的所述可变导体和所述可变电阻器中的所述至少一个中的差异。

3.根据权利要求1所述的电子力传感器，其中所述多个可恢复变形结构被配置和布置为响应于没有施加力或小的施加力来提供比响应于更大的施加力而提供的电阻率更高的电阻率。

4.根据权利要求1所述的电子力传感器，其中所述多个可恢复变形结构基于所述导电材料或非导电材料的量或位置中的至少一个来提供阈值电阻切换范围。

5.根据权利要求1所述的电子力传感器，进一步包括被配置和布置为改变所述电子力传感器的物理颜色的聚合物层，其中所述物理颜色的改变包括指示施加的力的量的不同颜色或一种或多种颜色的不同强度中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的电子力传感器，其中所述多个可恢复变形结构由非导电材料形成并且成形为以下中的一个：金字塔形、柱形和方形。

7.根据权利要求6所述的电子力传感器，其中所述多个可恢复变形结构成形为立柱形。

8.根据权利要求1所述的电子力传感器，其中所述导电材料位于所述多个可恢复变形结构内靠近所述第一相对电极并且不靠近所述第二相对电极。

9.根据权利要求1所述的电子力传感器，其中所述导电材料包括纳米结构，所述纳米结构包括从由碳纳米管、纳米线、金属及其组合组成的组中选择的至少一个。

10.一种关于敏感力传感器的装置，包括：

电子力传感器，包括：

第一相对电极；

第二相对电极，其中所述第一和第二相对电极被配置和布置为生成指示施加到所述电子力传感器的力的输出；以及

多个可恢复变形结构，所述多个可恢复变形结构被布置在所述第一和第二相对电极之间并且具有多个导电-电阻元件，所述结构中的每个结构包括可变导体和可变电阻器中的至少一个，并且被配置和布置有设置所述电子力传感器的力敏感度的属性，所述属性包括形状和材料成分属性，其中在所述电子力传感器的不同区域处具有不同的力敏感度特征；以及

传感器电路，所述传感器电路被配置和布置为基于来自所述电子力传感器的输出而输出指示施加的力的量的信号。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构的至少一个导电部分和至少一个电阻部分。

12.根据权利要求10所述的装置，其中所述导电-电阻元件包括在所述多个可恢复变形结构的第一部分处的非导电材料以及至少在所述多个可恢复变形结构的第二部分处的导电材料。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个可恢复变形结构被配置和布置为响应于不施加力而提供高于数百千欧姆的电阻，并且响应于施加的力而将所述电子力传感器的电阻率减小数量级。

14.根据权利要求10所述的装置，其中所述电子力传感器进一步包括聚合物层，所述聚合物层被配置并布置为具有所述传感器电路以改变所述电子力传感器的物理颜色，所述物理颜色中的改变对应于施加的力的量。

15.根据权利要求10所述的装置，其中所述导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构中的至少一个可恢复变形结构的电阻部分，其中所述电阻部分靠近所述第一相对电极，并且所述电阻部分包括非导电材料或没有被覆盖在导电材料中。

16.根据权利要求10所述的装置，其中所述导电-电阻元件中的至少一个导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构中的至少一个可恢复变形结构的电阻部分，其中所述电阻部分包括所述至少一个可恢复变形结构的至少一个侧面部分，并且所述电阻部分包括非导电材料或没有被覆盖在导电材料中。

17.根据权利要求10所述的装置，其中所述导电-电阻元件中的至少一个导电-电阻元件包括所述多个可恢复变形结构中的至少一个可恢复变形结构的导电部分，所述导电部分包括所述至少一个可恢复变形结构的具有彼此不同浓度的导电材料的多个侧面，使得至少一个可恢复变形结构被配置和布置为响应于在不同方向上施加的相同量的力而提供不同的电阻率。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述传感器电路被配置和布置为基于所述不同的电阻率来区分不同的刺激，所述不同的电阻率基于来自所述电子力传感器的输出。

19.根据权利要求10所述的装置，其中所述导电-电阻元件中的至少一个导电-电阻元件包括位于所述多个可恢复变形结构中的所述至少一个可恢复变形结构内的电阻部分和导电部分，其中导电材料按照导电材料与非导电材料的比率被布置在至少一个可恢复变形结构内在所述导电部分中。

20.根据权利要求19所述的装置，其中与所述电阻部分处的导电材料与非导电材料的比率相比,所述导电材料在导电部分处按照更高的所述导电材料与非导电材料的比率被布置在所述多个可恢复变形结构中的所述至少一个可恢复变形结构内。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述导电材料以多层被布置在所述多个可恢复变形结构内。

22.一种关于敏感力传感器的装置，包括：

电子力传感器，所述电子力传感器包括被配置和布置为生成指示施加到所述电子力传感器的力的输出的电路，其中所述电路包括多个结构，所述多个结构具有导电部分和电阻部分，并且被配置和布置为具有包括形状和材料成分属性的属性，所述属性关于彼此被设置以用于设置所述电子力传感器的力敏感度以在所述电子力传感器的不同区域处提供不同的力敏感度特征；以及

传感器电路，所述传感器电路被配置和布置为输出基于来自所述电子力传感器的输出的施加的力的量的指示。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述电子力传感器进一步包括聚合物层，所述聚合物层被配置且布置为具有所述传感器电路以改变所述电子力传感器的物理颜色，所述物理颜色的所述改变包括指示施加的力的量的不同颜色或一种或多种颜色的不同强度。

24.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构被配置和布置为响应于不施加力而提供高于数百千欧姆的电阻，并且响应于施加的力而将所述电子力传感器的电阻率减小数量级。

25.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构被配置和布置为提供在1E10到1E3欧姆的范围内和/或对于0到400kPa的压力范围的切换的阈值电阻。

26.根据权利要求22所述的装置，其中所述属性包括从以下各项中选择的至少一个：导电材料相对于所述结构的位置，所述结构的非导电材料相对于所述导电材料的位置，切换的阈值电阻以及响应没有力施加到所述电子力传感器而提供的电阻率。

27.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构中的至少一个结构包括在所述电阻部分处的非导电材料并且在所述导电部分处至少部分地被覆盖在导电材料中，并且被配置和布置为响应于施加的力而改变所述电子力传感器的电阻率。

28.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构中的至少一个结构的所述电阻部分包括所述结构的顶部，并且包括非导电材料或未被覆盖在导电材料中。

29.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构中的至少一个结构的所述电阻部分包括所述至少一个结构的至少一个侧面部分，并且所述电阻部分包括非导电材料或未被覆盖在导电材料中。

30.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构中的至少一个结构的所述导电部分包括所述至少一个结构的多个侧面并且包括不同浓度的导电材料，使得所述至少一个结构被配置和布置为响应于在不同方向上施加的相同的力的量而提供不同的电阻率。

31.根据权利要求30所述的装置，其中所述电子力传感器被配置且布置为基于所述不同的电阻率来区分不同的刺激。

32.根据权利要求22所述的装置，其中所述多个结构中的至少一个结构的所述电阻部分和所述导电部分在所述至少一个结构内，其中导电材料按导电材料与非导电材料的比率被布置在所述导电部分中在所述至少一个结构内。

33.根据权利要求32所述的装置，其中与所述导电材料按照与所述电阻部分处的导电材料与非导电材料的比率相比更高比率的导电部分与非导电材料被布置在所述至少一个结构内。

34.根据权利要求32所述的装置，其中所述导电材料以多层被布置在所述多个结构内。

35.一种形成电子力传感器的方法，包括：

固化非导电材料以形成包括具有多个可恢复变形结构的电极的膜；

将导电材料的涂层施加到所述多个可恢复变形结构；以及

施加胶带以去除所述导电材料的部分，而留下施加到所述多个可恢复变形结构的所述导电材料的其他部分，在所述其他部分中修改所述多个可恢复变形结构的导电特征，

其中所述多个可恢复变形结构的电阻率和所述电子力传感器的电阻切换范围的阈值中的至少一者基于所使用的导电材料的量和所述导电材料在所述多个可恢复变形结构上的位置中的至少一者来设置。

36.根据权利要求35所述的方法，进一步包括通过施加特定量的所述导电材料的涂层来调节所述电子力传感器的电阻切换范围的所述阈值。

37.根据权利要求35所述的方法，进一步包括通过使用所述胶带去除所述导电材料的特定部分来调节所述电子力传感器的电阻切换范围的所述阈值。

38.一种形成电子力传感器的方法，包括：

将非导电材料与导电材料固化在一起以形成包括电极的膜；以及

在多个步骤中固化导电和/或非导电材料以形成从所述电极延伸的多个可恢复变形结构，并且所述多个可恢复变形结构遍及所述多个可恢复变形结构的横截面具有所述导电材料与所述非导电材料的不同比率；

其中所述多个可恢复变形结构的电阻率和所述电子力传感器的电阻切换范围的阈值中的至少一者基于所使用的导电材料的量和遍及所述多个可恢复变形结构的横截面的所述导电材料与所述非导电材料的不同比率的位置中的至少一者来设置。

39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括通过在所述多个可恢复变形结构的特定横截面处固化所述导电材料与所述非导电材料的特定比率来调节所述电子力传感器的电阻切换范围的所述阈值。

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