CN108469548B - 一种导电连接件及惠斯通桥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电连接件及由其构成的惠斯通桥，所述导电连接件，包括：弹性体；在所述弹性体内部形成贯穿所述弹性体相对两侧的管道，所述管道由管体和位于所述管体两端的两个管口构成；其中，两个所述管口分别位于所述管体的下方；所述管体内设置有液相金属/液相合金；两个所述管口处分别设置用以封堵所述液相金属/液相合金、且具有导电性质的密封件。本发明通过由液相金属和弹性体构成的导电电阻，提出了一种具有柔性可弯曲、拉伸的电阻，可满足电阻的柔性需求，以及柔性电路的需求。
Description
技术领域
本发明属于电子元件技术领域，尤其涉及一种导电连接件及惠斯通桥。
背景技术
惠斯登桥(英语：Wheatstone bridge，又称惠斯同电桥、惠斯通电桥)是在1833年由Samuel Hunter Christie发明，1843年由查理斯·惠斯登改进及推广的一种测量工具。它用来精确测量未知电阻器的电阻值，其原理和原始的电位计相近。在一个电路内，将4个电阻两两串联，再将这两个串联的电路并联，在和之间的电线中点跟在和之间的电线中点接驳上一条电线，在这条电线上放置检流计。由于是否有电流经过是十分敏感的，惠斯登桥可以获取颇精确的测量。现有的电阻均为刚性电阻，电阻本身无法满足拉伸、弯曲需求，进而所构成的电路同样无法满足拉伸、变形的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种导电连接件,以解决刚性电阻无法满足柔性电路的需求的问题。
在一些说明性实施例中，所述导电连接件，包括：弹性体；在所述弹性体内部形成贯穿所述弹性体相对两侧的管道，所述管道由管体和位于所述管体两端的两个管口构成；其中，两个所述管口分别位于所述管体的下方；所述管体内设置有液相金属；两个所述管口处分别设置用以封堵所述液相金属/液相合金、且具有导电性质的密封件。
在一些可选地实施例中，所述弹性体由第一弹性体和第二弹性体相互贴合而成；其中，所述第一弹性体位于所述第二弹性体的上方，其下表面具有线状凹槽；所述第二弹性体的上表面的两端具有凹口；所述第一弹性体和所述第二弹性体之间形成具有所述管体及管口的管道。
在一些可选地实施例中，所述液相合金为镓铟锡合金。
在一些可选地实施例中，所述液相金属/液相合金为至少混合有非金属颗粒的粘稠态液相金属/液相合金；所述非金属颗粒的导电性小于所述液相金属/液相合金。
在一些可选地实施例中，所述液相金属为至少混合有磁性颗粒的粘稠态液相金属/液相合金。
在一些可选地实施例中，所述磁性颗粒为以下任意之一或任意组合：钕铁硼粉、铁、镍、钴及其氧化物。
在一些可选地实施例中，所述弹性体由有机硅橡胶，丁苯橡胶，乙丙橡胶，丁腈橡胶，异戊二烯橡胶，氯丁橡胶，顺丁橡胶，聚氨酯弹性体，聚酰胺弹性体，聚烯烃弹性体或聚酯弹性体制成。
在一些可选地实施例中，位于所述管体内的所述液相金属/液相合金的厚度为10μm。
本发明的另一个目的在于提出一种柔性的惠斯通桥。
在一些说明性实施例中，所述惠斯通桥，由4个相同的如权利要求6所述的导电连接件收尾相接组成，形成正方形结构的惠斯通桥；每两个所述导电连接件的连接处的引出一接线点，所述接线点分别用以连接输入电压Vb、接地GND、作为输出正电压Vout+、以及作为输出负电压Vout-。
在一些可选地实施例中，所述惠斯通桥满足如下公式：
其中，所述RA、RB、RC和RD分别为第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件的磁阻；所述θ为磁场H与磁阻R的夹角；所述R⊥为磁场方向与电流方向垂直时，导电连接件的磁阻；所述R□为磁场方向与电流方向平行时，导电连接件的磁阻。
与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：
本发明通过由液相金属和弹性体构成的导电电阻，提出了一种具有柔性可弯曲、拉伸的电阻，可满足电阻的柔性需求，以及柔性电路的需求；并且，通过将管口设计在管体的下方，可避免管体内液相金属填充不充分导致与密封件接触不良的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中导电连接件的正视图；
图2是本发明实施例中弹性体的正视图；
图3是本发明实施例中导电连接件的侧视图；
图4是本发明实施例中导电连接件的俯视图；
图5是本发明实施例中由导电连接件构成的惠斯通桥的结构示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
如图1-4所示，本发明公开了一种导电连接件，其包括：弹性体100；在所述弹性体100内部形成的、贯穿所述弹性体100相对两侧的管道10；所述管道10由管体11和位于管体11两端的第一管口12和第二管口13构成；其中，第一管口12和第二管口13分别位于管体11的端部下方；所述管体11内填充有液相金属/液相合金20；第一管口12和第二管口13处分别设置有用以封堵所述液相金属/液相合金、且具有导电性质的第一密封件14和第二密封件15。
本发明通过由液相金属和弹性体构成的导电电阻，提出了一种具有柔性可弯曲、拉伸的电阻，可满足柔性电阻的需要，使该电阻或主要由其构成的电路具备柔韧性，可弯曲、可拉伸，便于安装及使用。并且，通过将管口设计在管体的下方，可避免管体内液相金属填充不充分导致与密封件接触不良的问题，液相金属将受到重力的影响与密封件保持良好的接触，保证之间的电连接关系。
在一些实施例中，所述弹性体100及其内管道10为一体化结构，可例如通过模具浇筑胶体后，形成包覆模具的弹性体100，再通过化学溶液消融模具形成弹性体100内部管道10。
在另一些实施例中，所述弹性体100可由两个及两个以上的弹性体(例如第一弹性体101和第二弹性体102)组合而成，第一弹性体101位于上方，第二弹性体102位于下方，第一弹性体101的下表面具线状的凹槽103，第二弹性体的上表面的两端分别设置有第一凹口104和第二凹口105(即上表面的端部，及端部相邻的侧面为空)，第一弹性体101和第二弹性体102的尺寸一致，第一弹性体101在上，第二弹性体102在下相互贴合；凹槽103与第二弹性体102两端的第一凹口104和第二凹口105相通；相互贴合后由凹槽103和第一凹口104和第二凹口105形成所述管道10，其中，凹槽103为管道10的管体11；第一凹口104和第二凹口105分别为管道10的第一管口12和第二管口13。
本发明实施例中的液相金属可采用熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金，成分包括镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅等中的一种或多种，其形式可以是金属单质、合金，也可以是金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。优选地，所述的液相金属/液相合金包括汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。
本发明实施例中的液相金属可采用在常温下呈固体状态，在高于常温的温度下(例如100°以下)呈液态状态的低熔点金属或合金。例如：铟、锡单质、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、锡银铜合金、铋铅锡合金。利用上述特性，可实现导电连接件在常温下为固态，但通过升温后可对导电连接件进行塑性处理，再降温定型。
本发明实施例中的液相金属亦可采用在常温下呈液体状态的低熔点金属或合金，例如：镓单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金。可使导电连接件在非极端条件下均可实现弯曲、弯折的能力。
在一些具体的实施例中，本发明中的所述液相合金的组分包括：21％-25％的镓、75％-79％的铟。
在另一些具体的实施例中，本发明中的所述液相合金的组分包括：26％的镓、74％的锡。
在另一些具体的实施例中，本发明中的所述液相金属的组分包括：100％的镓单质。
在一些实施例中，所述液相金属/液相合金为至少混合有非金属颗粒的粘稠态液相金属；所述非金属颗粒的导电性小于所述液相金属/液相合金。优选地，所述非金属颗粒可选用碳粉、石墨烯或碳纳米管等。该实施例中通过在液相金属/液相合金中混合导电性较差的物质，可使液相金属/液相合金整体的电阻值升高，便于作为电阻使用。
在一些实施例中，所述液相金属/液相合金为至少混合有磁性颗粒的粘稠态液相金属/液相合金。
其中，该实施例中的粘稠状液相金属/液相合金可为混合有粉末状/颗粒状的磁性物质的液浆，磁性颗粒大小可选在10nm-50um；具体的，磁性物质可选用铁粉、镍粉、钴粉、铁氧化物(例如γ-Fe2O3、Fe3O4)、镍氧化物、钴氧化物以及钕铁硼粉。优选地，磁性物质可以选择片状颗粒结构。该实施例中的片状颗粒结构的磁性颗粒可在液浆中形成堆叠效应，相比圆型颗粒及不规则粉末，其可大幅提高液浆的导磁性能。
在一些实施例中，所述弹性体的材质为有机硅橡胶，丁苯橡胶，乙丙橡胶，丁腈橡胶，异戊二烯橡胶，氯丁橡胶，顺丁橡胶，聚氨酯弹性体，聚酰胺弹性体，聚烯烃弹性体、聚酯弹性体等制成。
在一些可选地实施例中，位于所述管体内的所述液相金属的厚度为10μm。
本发明的另一个目的在于提出一种柔性的惠斯通桥。
如图5所示，本发明公开的所述惠斯通桥，由4个相同的导电连接件(第一导电连接件a、第二导电连接件b、第三导电连接件c、第四导电连接件d)收尾相接组成，形成正方形结构的惠斯通桥；每两个所述导电连接件的连接处的引出一接线点，所述接线点分别用以连接输入电压Vb、接地GND、作为输出正电压Vout+、以及作为输出负电压Vout-。
第一导电连接件、第一导电连接件、第一导电连接件、第一导电连接件中相连的两个导电连接件相互垂直，构成直角；
设磁场H与磁阻R的夹角为θ，则可根据各项异性磁阻得到：
将本发明中的惠斯通桥中的数据带进上述公式，变形可得到：
进一步，还可变形呈如下公式：
其中，所述RA、RB、RC和RD分别为第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件的磁阻；所述θ为磁场H与磁阻R的夹角；所述R⊥为磁场方向与电流方向垂直时，导电连接件的磁阻；所述R□为磁场方向与电流方向平行时，导电连接件的磁阻。
由本发明实施例中的导电连接件所构成的惠斯通桥，其中每个导电连接件相互为各项异性电阻，在液相金属/液相合金的厚度为10μm时，对其中的同一个导电连接件进行以下测试：①在无磁场的条件下，电阻率可为ρ＝5.7mΩ·cm；②当产生磁场，并且磁场方向与电流方向平行时，电阻率可为ρ□＝6.43mΩ·cm；③在磁场方向与电流方向垂直时，电阻率可为ρ⊥＝5.34mΩ·cm。可以发现，基于液相金属/液相合金构成的惠斯通桥，其每个电阻的各项异性明显。
借此，与地磁场的角度变化可以转化为输出电压，更进一步可以转化成可见的电信号。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种导电连接件，其特征在于，包括：
弹性体；
在所述弹性体内部形成贯穿所述弹性体相对两侧的管道，所述管道由管体和位于所述管体两端的两个管口构成；其中，两个所述管口分别位于所述管体的下方；
所述管体内设置有液相金属/液相合金；
两个所述管口处分别设置用以封堵所述液相金属/液相合金、且具有导电性质的密封件。
2.根据权利要求1所述的导电连接件，其特征在于，所述弹性体由第一弹性体和第二弹性体相互贴合而成；
其中，所述第一弹性体位于所述第二弹性体的上方，其下表面具有线状凹槽；所述第二弹性体的上表面的两端具有凹口；
所述第一弹性体和所述第二弹性体之间形成具有所述管体及管口的管道。
3.根据权利要求1所述的导电连接件，其特征在于，所述液相合金为镓铟锡合金。
4.根据权利要求1所述的导电连接件，其特征在于，所述液相金属/液相合金为至少混合有非金属颗粒的粘稠态液相金属/液相合金；
所述非金属颗粒的导电性小于所述液相金属/液相合金。
5.根据权利要求1所述的导电连接件，其特征在于，所述液相金属/液相合金为至少混合有磁性颗粒的粘稠态液相金属/液相合金。
6.根据权利要求5所述的导电连接件，其特征在于，所述磁性颗粒为以下任意之一或任意组合：
钕铁硼粉、铁、镍、钴及其氧化物。
7.根据权利要求1所述的导电连接件，其特征在于，所述弹性体由有机硅橡胶，丁苯橡胶，乙丙橡胶，丁腈橡胶，异戊二烯橡胶，氯丁橡胶，顺丁橡胶，聚氨酯弹性体，聚酰胺弹性体，聚烯烃弹性体或聚酯弹性体制成。
8.根据权利要求1所述的导电连接件，其特征在于，位于所述管体内的所述液相金属/液相合金的厚度为10μm。
9.一种惠斯通桥，其特征在于，所述惠斯通桥由4个相同的如权利要求6所述的导电连接件收尾相接组成，形成正方形结构的惠斯通桥；
每两个所述导电连接件的连接处的引出一接线点，所述接线点分别用以连接输入电压Vb、接地GND、作为输出正电压Vout+、以及作为输出负电压Vout-。
10.根据权利要求9所述的惠斯通桥，其特征在于，所述惠斯通桥满足如下公式：
其中，所述RA、RB、RC和RD分别为第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件的磁阻；所述θ为磁场与磁阻的夹角；所述R⊥为磁场方向与电流方向垂直时，导电连接件的磁阻；所述R□为磁场方向与电流方向平行时，导电连接件的磁阻。
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