CN109844705B

CN109844705B - 柔性传感器

Info

Publication number: CN109844705B
Application number: CN201780056273.XA
Authority: CN
Inventors: 马修·格斯佩尔
Original assignee: Peratech Holdco Ltd
Current assignee: Peratech Holdco Ltd
Priority date: 2016-10-01
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: EP3519929C0; CN109844705A; EP3519929A2; GB2557894A; JP7118054B2; EP3519929B1; WO2018060667A2; JP2019533243A; WO2018060667A3; GB2557894B; US20200133418A1; US10990235B2; GB201616751D0; KR20190059915A; KR102483583B1

Abstract

本发明提供了一种柔性传感器(201)，包括第一导电层(202)和第二导电层(203)。第一导电层和第二导电层限定了用于确定相互作用(例如，机械相互作用)的感测区(205)。第一导电层包括第一衬底(206)，第一衬底具有印制在其上的多个导电行(207)；第二导电层包括第二衬底208，第二衬底具有印制在其上的多个导电列(209)。第一导电层和第二导电层被约束装置(505)约束，约束装置将第一导电层和第二导电层保持在一起，但允许所述层在感测区中的彼此垂直的移动。

Description

柔性传感器

技术领域

本发明涉及柔性传感器以及制造柔性传感器的方法。

背景技术

人们已知传感器可用于多种应用场景和产业中。特别地，提供响应于机械相互作用（例如，压力）的触觉能力的传感器经常用在例如电子设备应用中，以提供触摸屏、按钮或类似物。标准矩阵传感器通常包括两个独立的衬底（包括导电材料），以提供对力或位置值的指示，其中衬底被约束，以防止衬底相对于彼此的运动。

此类传感器的一个问题是，即使衬底被做成柔性的，传感器（以及衬底）的弯曲也会导致每个衬底的内表面在其弯曲时发生压缩。传感器（以及衬底）的弯曲还导致每个衬底的外表面在其弯曲时伸长。这使得衬底彼此接触，从而产生导电通路或起动电阻，导电通路造成误触发，而起动电阻通过弯曲过程中激活的残余应力而被引入传感器。而且，引起的任何起动电阻还是不规则的，因而难以预测（因为其取决于弯曲的曲率半径）。

此外，对于相对薄的衬底，衬底围绕内表面发生屈曲，而不是在内表面上经受压缩且在外表面上经受伸长。类似地，屈曲产生了压力点，衬底在该点接触，这导致产生起动电阻以及传感器的相应应力。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种柔性传感器，包括：第一导电层；以及第二导电层；所述第一导电层和所述第二导电层限定了用于确定机械相互作用的感测区；其中所述第一导电层包括第一衬底，所述第一衬底具有印制在其上的多个导电行；所述第二导电层包括第二衬底，所述第二衬底具有印制在其上的多个导电列；并且所述第一导电层和所述第二导电层被约束装置约束，以将所述第一导电层和所述第二导电层保持在一起，同时允许所述层在所述感测区中的彼此垂直的移动。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造柔性传感器的方法，包括步骤：提供第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层限定了用于确定机械相互作用的感测区，所述第一导电层包括第一衬底，所述第二导电层包括第二衬底；在所述第一衬底上印制多个导电行；在所述第二衬底上印制多个导电列；由约束装置约束所述第一导电层和所述第二导电层，使得所述第一导电层和所述第二导电层被保持在一起，同时允许所述第一导电层和所述第二导电层在所述感测区中彼此垂直地移动。

附图说明

图1示出了示例性的应用，在弧形的电子设备上使用柔性传感器；

图2示出了柔性传感器的导电层的分解图；

图3示出了柔性传感器的导电层的截面分解图；

图4示出了柔性传感器的感测区的安排；

图5示出了孤立的柔性传感器；

图6A示出了包括销的第一衬底；

图6B示出了包括槽的第二衬底；

图6C示出了通过约束装置约束的第一衬底和第二衬底；

图7A示出了处于非活动配置中的柔性传感器的截面图；

图7B示出了处于弧形配置中的图6A的柔性传感器的截面图；

图8A示出了受到机械相互作用的柔性传感器的截面图；

图8B示出了受到机械相互作用的、处于弧形配置中的图8A的柔性传感器的截面图；

图9示出了一示例性实施例中的柔性传感器；

图10示出了折叠成收纳配置的平板电脑；

图11示出了悬在壳体中的柔性传感器的截面图；

图12示出了处于弓形配置中的图11的柔性传感器。

具体实施方式

图1

图1示出了示例性的实施例，其中显示了柔性传感器在典型环境中的使用。示出了用户101正在看电视102。

电视102基本是弧形的并且包括铰接的元件，例如铰接件103，铰接件可以来回移动以增强用户101的观看体验。电视102还具有包括柔性传感器的屏幕104，柔性传感器具有触觉能力，使得用户101可以通过按压屏幕104进行互动，从而提供指示或选择数据。

包含在屏幕104中的柔性传感器基本类似于本文所描述的传感器，并且允许铰接件103在不对传感器产生过度的应力或误触发的情况下被有效移动，从而防止对屏幕104的任何触觉能力的削弱。因此，用户101能够按照意愿来调节电视102，以观看电视102屏幕104的更大部分，或者调节观看角度。此外，用户101能够继续使用电视的触觉能力，即使屏幕是弯曲的。现在，参照下面的附图描述本示例中使用的柔性传感器。

图2

根据本发明的一方面的柔性传感器201在图2中以部分分解图的形式示出。柔性传感器201包括第一导电层202和第二导电层203。在该示意图中，第一导电层202和第二导电层203以分解的形式示出，使得它们之间存在缝隙204。可以理解的是，在实践中，第一导电层202和第二导电层203在一些实施例中比示图中靠得更近，缝隙204可以忽略。

导电层202和导电层203结合起来，限定了用于确定相互作用的感测区205。在一实施例中，该相互作用是机械相互作用，例如，通过手指施加的力或压力，或者触笔压力。在可替换的实施例中，该相互作用可以是化学的、电磁的，或来自电离辐射。

如图2所示，导电层202包括衬底206，衬底206包括印制到该衬底上的多个导电行207。

以类似的方式，导电层203包括衬底208，多个导电列209印制到该衬底上。导电行和列被配置为以矩阵传感器的形式进行配合，正如将要参照图3进一步的描述。

在该示例中，衬底206和208由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制造。PET衬底中的每一个通常是100微米（100μm）厚。然而，在可替换的实施例中，衬底206和208由聚酰亚胺制造，其在一实施例中通常有12微米（12μm）左右的厚度。

图3

图3以示意图的方式示出了感测区的安排205。感测区205由导电层202和导电层203限定，图3示出了导电层202和导电层203中的每一个的一部分。

导电层202包括多个导电行207，而导电层203包括多个导电列209。每一行与其他行电绝缘，类似地，每一列与其他列电绝缘。

在该示例中，感测区205由8行（标示为R1至R8）8列（标示为C1至C8）的矩阵提供。可以使用此类的矩阵传感器来检测机械相互作用并且确定该机械相互作用的位置和范围属性。可以理解的是，在可替换的实施例中，相互作用可以通过化学的、电磁的或电离辐射装置来完成，并且制作适宜的感测区安排。

关于术语“行”和“列”的使用，可理解的是，行207和列209分别在第一导电层202和第二导电层203中被定位为彼此平行。多个行还被定位为本质上与多个列垂直，即使它们分别位于涉及到第一导电层202和第二导电层203的独立的平面中。

为了确定位置属性，每一行被配置为允许沿着它在第一端子（位于任意一行的一个端部）和第二端子（位于该行的相对端部）之间建立电势梯度。例如，沿着行R4在端部301和端部302之间建立电势梯度。类似地，每一列被配置为允许在列的第一端部和第二端部之间建立电势梯度，例如列C3的第一端部303和第二端部 304。例如，点X处的位置属性就能够以基本上传统的方式确定。

图4

在图4的实施例中，导电行207和导电列209结合起来限定了感测区205，感测区205用于经由与电路的连接而确定机械相互作用，从而确定机械作用的位置和/或范围属性。这通过导电材料（其施用于衬底）的使用来计算，正如将要进行的描述那样。

图4以示意性的截面分解图示出了导电层202和导电层203。导电层202包括衬底206，用多个导电行207对所述衬底206进行叠印。导电行207包括一层载银油墨401和一层载碳油墨402。在制造中，在用导电碳402叠印之前，首先用银油墨401对PET衬底206进行印制。

以类似的方式，导电层203包括PET衬底208，用一层载银油墨403对衬底208进行叠印，接着用导电的载碳油墨404对载银油墨403进行叠印。导电层203还包括物质405，物质405具有可变的电阻率。在一实施例中，物质405的电阻率取决于施加到导电层203上的压力。

在所描述的实施例中，物质405是量子隧穿材料，例如本申请人（佩拉泰克控股有限公司，Brompton-on-Swale，英国）提供的油墨形式的QTC（RTM）。量子隧穿材料405叠印在导电碳油墨404上方，银导电层403、碳导电层404和量子隧穿材料405一起形成多个导电列209。

可以理解的是，在可替换的实施例中，量子隧穿材料印制在衬底206上并且形成导电层202（而不是导电层203）的一部分。可以进一步理解的是，在另一实施例中，导电层202和导电层203二者都包括量子隧穿材料的层。

银油墨提供了高导电性并且通常可具有大约0.4欧姆（0.4Ω）的膜电阻。相比之下，碳油墨在该区域提供了400欧姆（400Ω）的膜电阻，但却印制为相对光滑的表面，从而改进了层间的接触。

图5

柔性传感器501在图5中以平面图的形式独立地被示出，其中导电层202覆盖导电层203。导电层202和203现在已被放置成本质上非常靠近，以形成本质上薄的柔性传感器501。导电层202和导电层203限定了用于确定相互作用（在该示例中是通过施加的力所引起的机械相互作用）的感测区205。感测区205包括导电层202的多个行207和导电层203的多个列209。

在传感器501的第一端部502处，导电层202和203通过压敏粘着剂（PSA）而被约束，所述压敏粘着剂将衬底206和衬底208粘合在一起。在第一端部502，柔性传感器501还设有分别连接至导电层202和203的电连接器503和504。如此，能够建立并处理先前在图3中描述的电势梯度，以便以传统方式确定机械相互作用的位置和范围属性。

柔性传感器501包括约束装置505，其被配置为将导电层202和导电层203保持在一起。约束装置505定位为沿着传感器501的第一边缘506和第二边缘507。然而，尽管可理解的是，约束装置被配置为将衬底206和208保持在一起，但是约束装置505并未在感测区205中约束柔性传感器201。

在示出的该实施例中，约束装置505包括衬底206上的多个销以及衬底208上的多个对应的槽。如此，衬底206和208被松散地连接，以便将导电层202和导电层203保持在一起且不限制层的移动。约束装置505的结构将进一步参照图6进行描述。

图6A、图6B和图6C

参照图6A、图6B和图6C，更加详细地示出了约束装置505的结构。图6A示出了导电层202的包括衬底206的一部分。具有t形轮廓（其已经划刻到衬底206中）的形式的销601位于边缘507与多个行207之间。已经用线603经衬底206切割出T形轮廓602，这提供了铰链，衬底在铰链处没有被切割，从而使得t形轮廓602能够绕铰链603并且远离衬底206的主要部分进行移动。

图6B示出了导电层203的包括衬底208的一部分。衬底208包括槽604，槽604已被切割到衬底208中以呈现出孔。槽604位于衬底206的销601的相对位置，在边缘507和多个列209之间。

因此，当衬底206和208被结合且非常靠近时，销601和槽604能够以图6C的方式结合。因此，在图6C中，t形轮廓602被铰接且被推动经过槽604，以将衬底206和208约束在一起。在图5的实施例中，可以理解的是，沿着边缘507使用多个槽和销。

还可以理解的是，在可替换的实施例中，可以针对约束装置使用其他安排。例如，可以使用钳、夹、粘合剂或其他紧固件，只要它们将导电层202和203保持在一起且不约束感测区205。此外，还可对t形轮廓和长方形槽使用不同的形状。

因此，在该示例中，约束装置经过这些层，从而在第一和第二方向上（即，在与图5和图6平行的两个平面内）限制衬底的运动，但不在与这些图的平面垂直的第三方向上限制它们。因此，导电层202和导电层203能够在该方向上彼此独立地移动。因此，在感测区205中，当传感器501被弯曲或变弯时，导电层202和203被配置为能够在彼此上方滑动。这将在图7中进一步描述。

图7A和图7B

图7A和图7B示出了导电层202和203的示意图。

图7A示出了非活动配置中的柔性传感器501，借此，导电层202被定位为基本平行于导电层203，它们之间具有相对小的空气隙。然而可以理解，尽管图6A示出了两个导电层其间具有空气隙，但是在其他实施例中，导电层202和导电层203可以接触；但是，参照图7A的配置，在该非活动配置中，两层之间的导电是不被允许的。

正如先前在图5中描述的，导电层202和203在边缘506和507处被松散地约束，并且约束装置起到防止导电层202和203分开的作用。如此，导电层202和203还保持足够的对准，从而能够确定位置和范围属性。现在参照图7B，传感器501已经被弯曲或变弯为基本是弓形或弧形的形状，使得导电层203形成r₁所表示的曲率半径并且导电层202形成r₂的曲率半径。

在已知的传感器中，这种曲率使得导电层203的内表面701经受压缩力，该压缩力引起内表面起皱或屈曲，这又导致导电层203和导电层202之间有害的接触。类似地，导电层202的外表面702伸展。然而，图5和图6所描述的约束装置意味着允许导电层202和导电层203在半径r₁的中心的方向上相对于彼此进行移动。因此，导电层202和导电层203具有额外的运动自由，使得能够在两层之间保有缝隙，从而防止误触发以及防止在两层之间感应出起动电阻。

图8A和图8B

图8A和图8B以与图7A和图7B的方位类似的方位进一步示出了传感器501。图8A示出了施加机械相互作用时的导电层202和导电层203，在此情况下，机械相互作用是由手指801施加的力。当以此种方式施加力时，使得导电层202和203一起提供经层的导电性。

因此，通过使用电连接器提供与电路的连接，可以通过传统的处理设备而根据需要确定位置和范围属性。

以类似的方式，在图8B的弧形配置中（此时由手指802施加力），使得导电层202和导电层203一起在803处提供机械相互作用点，由此，导电层202和203接触，以提供经层的导电性。

如此，对于手指801和手指802所施加的基本相等的力，传感器201的读数在图8A的配置和图8B的配置中基本相似。

图9

图9示出了根据本发明的一方面的可替换的柔性传感器901。柔性传感器901与先前描述的柔性传感器201和501在操作和结构上基本相似。柔性传感器901包括第一导电层902和第二导电层903，第一导电层902和第二导电层903限定了用于确定机械相互作用的感测区。导电层902和导电层903被配置为在感测区904中彼此独立地移动，使得当传感器901变弯或弯曲时，传感器不会误触发或者在导电层的衬底中引起应力。传感器901包括约束装置905，约束装置905定位为沿着第一边缘906和第二边缘907。在一实施例中，约束装置包括：定位在导电层902上的边缘906和907周围的多个销，以及定位在导电层903上的边缘906和907周围的多个槽。在该实施例中，所述多个销和所述多个槽与图6所描述的基本相似。然而可以理解，可以使用其他的、允许在感测区中在至少一个方向上具有柔性的约束装置。

在该实施例中，柔性传感器901通过压敏粘着剂（PSA）而被沿着中心点908约束。如此，在围绕中心线908的区域909中将层进行约束，并且所述层并未彼此独立地移动。这有效地产生两个感测区904A和904B，由此，在感测区904A或904B中，可以在传感器901被弯曲时对机械相互作用进行确定。区域909被粘合，并且该区域中包括电连接器910。因此，保持了跨柔性传感器901的最大的位置完整性。如此，仅有最小量的由于电连接器而损失的柔性感测区。

图10

使用前述柔性传感器的应用可以是提供平板电脑。平板电脑包括使用柔性传感器的触摸屏，例如，柔性传感器201。用户可以使用平板电脑，以使得触摸屏的柔性传感器处于前面的图7A和图8A所示出的配置，其中柔性传感器处于基本平坦的配置。然而，平板电脑被配置为柔性的，使得如果用户希望调节例如触摸屏的角度，则可以在不破坏传感器的触觉能力的情况下实现。如此，用户可根据需要自由地重复调节触摸屏角度，而不损害其中的柔性传感器的功能。

一旦用户已经完成对平板电脑的使用，理想的是将电脑收纳起来。图10示出了处于柔性模式中的模式平板电脑，由此，其被弯曲以产生图示的曲率半径1101。因此，用户可以选择以图10所示的方式折叠该平板，使得该平板能够以其通常截面积的一半（1002所示）进行收纳。然而，由于本文描述的柔性传感器的本质，触摸屏的导电层在处于收纳中时没有处于任何过度的压力下，并且在被收纳时不产生起动电阻，因为导电层被允许相互移动并且比传统的力传感器弯曲更大的角度。

图11

图11进一步以截面侧视图示出了先前描述的柔性传感器的又一实施例。柔性传感器1101包括第一导电层1102和第二导电层1103。在该实施例中，第一导电层1102和第二导电层1103包含在壳体1104中，并且以自由浮动的配置悬在壳体1104中。导电层1102和1103与先前在图2和图3中描述的导电层基本相似，并且响应于机械相互作用（例如，手指按压或施加的力），导电层1102和1103在一起提供用于确定位置和/或范围属性的感测区。

壳体1104包括保护层1105，保护层1105通过压敏粘合剂1107而被约束到电子设备1106。

在该实施例中，电子设备1106是显示器，例如，图1的电视102或者与图10所示类似的平板电脑。电子设备1106被配置为是柔性的。保护层1105直接安装至电子设备1106，然而可以理解的是，导电层1102和导电层1103不直接连接至电子设备1106。

在图11中，电子设备1106被示出为处于基本平坦的配置中，因此，柔性传感器1101处于非活动配置，在导电层 1102和导电层1103之间没有导电性。然而，电子设备1106能够弯曲，以形成弓形配置，正如图12所进一步示出和描述的。

图12

柔性传感器1101在图12中被进一步示出为处于弓形的配置中（此时其被安装至电子设备1106）。电子设备1106已经被弯曲，使得电子设备1206的前表面1201形成弧形面（以图1的电视102的方式）。当力1202施加到前表面1201时，导电层1102和1103以与先前参照图8A和图8B所描述类似的方式来到一起。因此，当未施加力时，导电层1102和1103弯曲但其是非活动的，使得不允许导电层1102和1103之间的导电性。然而，当力1302施加到前表面1301时，弧形的导电层1102和1103来到一起，使得导电层1103和1102之间发生导电。

因此，在图11或图12的配置中，没有向导电层1102和1103给予应力。然而，当施加力1202时，导电层1202和1203连接，以提供经层的导电性。

因此，本发明通过避免导电层内部的压缩（这导致不希望的屈曲和误触发）而提供了对可弯曲或弧形传感器所遇到的上述问题的解决方案。

Claims

1.一种柔性传感器，包括：

第一导电层；以及

第二导电层；

所述第一导电层和所述第二导电层限定了用于确定机械相互作用的感测区；其中

所述第一导电层包括第一衬底，所述第一衬底具有印制在其上的多个导电行；

所述第二导电层包括第二衬底，所述第二衬底具有印制在其上的多个导电列；并且

所述第一导电层和所述第二导电层被约束装置沿着所述柔性传感器的边缘约束，以将所述第一导电层和所述第二导电层保持在一起；以及

所述约束装置位于所述感测区外，以允许所述层在所述感测区中的彼此垂直的移动。

2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其中所述第一导电层和所述第二导电层在分别平行于所述第一导电层和所述第二导电层的第一方向和第二方向上被所述约束装置约束。

3.根据权利要求1所述的柔性传感器，其中所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个包括具有可变的电阻率的物质，并且所述电阻率取决于施加到所述第二导电层的压力。

4.根据权利要求3所述的柔性传感器，其中所述物质是量子隧穿复合材料。

5.根据权利要求1所述的柔性传感器，其中每个所述导电行包括载银油墨或载碳油墨中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的柔性传感器，其中每个所述导电列包括载银油墨或载碳油墨中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的柔性传感器，其中所述约束装置包括在所述第一导电层和所述第二导电层中的一个上的多个槽，以及在所述第一导电层和所述第二导电层中的另一个上的多个相对应的销。

8.根据权利要求1所述的柔性传感器，其中所述第一导电层和所述第二导电层以自由浮动的配置悬在一壳体中。

9.根据权利要求8所述的柔性传感器，其中所述壳体附接至一电子设备。

10.根据权利要求9所述的柔性传感器，其中所述电子设备是显示器。

11.根据权利要求9所述的柔性传感器，其中所述电子设备基本是弧形的。

12.一种制造柔性传感器的方法，包括步骤：

提供第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层限定了用于确定机械相互作用的感测区，所述第一导电层包括第一衬底，所述第二导电层包括第二衬底；

在所述第一衬底上印制多个导电行；

在所述第二衬底上印制多个导电列；

由约束装置沿着所述柔性传感器的边缘约束所述第一导电层和所述第二导电层，以将所述第一导电层和所述第二导电层保持在一起；以及

将所述约束装置设置在所述感测区外，以允许所述第一导电层和所述第二导电层在所述感测区中彼此垂直地移动。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：将所述第一导电层和所述第二导电层以自由浮动的配置悬在一壳体内。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括步骤：将所述壳体附接至一电子设备。

15.根据权利要求12所述的方法，其中定位的步骤包括：由所述约束装置在分别平行于所述第一导电层和所述第二导电层的第一方向和第二方向上约束所述第一导电层和所述第二导电层。

16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：将具有可变电阻率的物质印制到所述第一衬底上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述物质是量子隧穿油墨。