CN113168260B - 具有到可拉伸线路的连接的传感器 - Google Patents

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Abstract

一种电容式传感器(100)，包括柔性且可拉伸的第一导电线(222)、可压缩层(310)、一体的加强结构(320)和用于测量电容并联接到第一导电线(222)的第一电极(224)。第一导电线(222)附接到第一接头(226)，第一接头(226)用于将第一线(222)连接到另一导电结构(400)，诸如柔性电路板(410)或连接器(405)。电容式传感器(100)能够被划分成电容式传感器(100)的第一部分(100a)和电容式传感器(100)的第二部分(100b)，第一部分(100a)和第二部分(100b)在传感器的厚度的方向(Sz)上延伸通过传感器(100)。第一导电线(222)从第一接头(226)经由传感器(100)的第二部分(100b)延伸到传感器(100)的第一部分(100a)，并进一步延伸到第一电极(224)。第二部分(100b)的回弹性得到提高。因此，[A]传感器(100)的第二部分(100b)包括可压缩层(310)的第二部分(310b)，其中，可压缩层(310)的第二部分(310b)的平面内刚度小于可压缩层(310)的第一部分(310a)的平面内刚度，或者[B]可压缩层(310)不延伸到传感器(100)的第二部分(100b)。

Description

具有到可拉伸线路的连接的传感器
技术领域
本发明涉及力传感器、压力传感器和触摸传感器。本发明涉及电容式力传感器、电容式压力传感器和电容式触摸传感器。本发明涉及可穿戴的电容式力传感器、压力传感器和触摸传感器。
背景技术
对幸福感的兴趣已经增加。这涉及个人幸福感以及医疗保健。这已经造成诸如传感器的许多个人和医疗监测设备。这样的传感器可嵌入诸如手套、连指手套、鞋具、头盔等的服装中。对于用于衣服的力传感器或压力传感器，它们可为例如压阻式、压电式或电容式的。触摸传感器(即触觉传感器)最常见的是电容式的。电容式力/压力/触摸传感器典型地仅涉及可容易获得的材料。作为示例，专利FI 127245公开了一种电容式力和/或压力传感器。与力和/或压力传感器相反，触摸传感器不需要在电极附近具有可变形材料。
参考图1，这样的传感器典型地包括微电子芯片910，其为刚性构件。微电子芯片910包括输入通道912a/输出通道912b，诸如凸块。这些输入通道912a/输出通道912b彼此靠近定位，以便具有用于芯片910的许多输入通道912a/输出通道912b，以用于更好的功能。
特别是在可穿戴传感器中，使用的舒适性是优选的。因此，传感器的大部分可形成在可适形片材930上。可适形片材930可包括也可适形且导电的线路932。这样的线路932可例如通过印刷制成。然而，由于制造技术，可适形线路932的线宽典型地比微电子芯片910的输入通道912a/输出通道912b之间的距离所需的线宽大得多。
为了将可适形线路932电接合到输入通道912a/输出通道912b，可在微电子芯片910和可适形片材930中间使用柔性电路板920。柔性电路板920可制造成具有比可适形线路932小得多的线宽。因此，在柔性电路板上的线路922可在第一位置处制得足够窄，以便接触输入通道912a/输出通道912；并且在第二位置处，线路922的线可彼此分离，以便接触可适形线路932的线。
然而，这样的解决方案经常在机械上是不可靠的。特别地，当以使得可适形部分930和/或柔性部分920的形状改变的方式使用时，经常遇到可靠性问题。
发明内容
本发明涉及一种具有可适形区段和柔性区段的电容式传感器。特别地，本发明涉及一种电容式传感器，其中可适形区段能够附接到柔性区段，使得附接的可靠性在机械上改变的环境中也高。通过利用电力线路的可拉伸性来提高可靠性。首先，可通过使传感器在用于连接到例如柔性板的接头附近更具回弹性来利用可拉伸性。在本发明中公开一些用以提高可拉伸性的方式。其次，可通过在第一点处在传感器的厚度的方向上将线连接到加强结构并且通过在第二点处在传感器的厚度的方向上不将线连接到加强结构来利用可拉伸性，其中加强结构从第一点延伸到第二点。在本发明4中更具体地公开传感器的一些部分的可拉伸性。
附图说明
在附图中，方向Sz表示传感器的厚度的方向。方向Sx和Sy相互垂直，并且垂直于Sz。附图以基本上平面的形式图示传感器，但是由于传感器是可适形的，故它可被成形为另一种形式。
图1示意性地示出相关技术，
图2a以俯视图示出多层导体结构，
图2b以侧视图示出包括线路的多层导体结构的这样的部分，该线路包括第一线，
图2c以侧视图示出包括线路的另一多层导体结构的这样的部分，该线路包括第一线，
图2d以侧视图示出不包括线的多层导体结构的这样的部分，
图3a1以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图3a2以侧视图示出图3a1中描绘的部分，该部分被划分成第一部分100a和第二部分100b，第一部分和第二部分由虚线示出，
图3a3以侧视图示出在移除加强结构之后图3a2的部分的平面内弹性模量，
图3a4以侧视图示出作为图3a1中所示出的部分的备选方案的传感器的部分，
图3b1以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图3b2以侧视图示出图3b1中描绘的部分，该部分被划分成第一部分100a和第二部分100b，第一部分和第二部分由虚线示出，
图3b3以侧视图示出在移除加强结构之后图3b2的部分的平面内弹性模量，
图3b4以侧视图示出作为图3b1中所示出的部分的备选方案的传感器的部分，
图3c1以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图3c2以侧视图示出图3c1中描绘的部分，该部分被划分成第一部分100a和第二部分100b，第一部分和第二部分由虚线示出，
图3c3以侧视图示出在移除加强结构之后图3c2的部分的平面内弹性模量，
图3d以侧视图示出传感器的被划分成第一部分100a和第二部分100b的部分，第一部分和第二部分由虚线示出，
图3e1以侧视图示出传感器的部分，其中粘合剂形成可压缩层的部分，
图3e2以侧视图示出传感器的部分，其中第二部分中的可压缩材料比第一部分中的可压缩材料更薄，
图3f以侧视图示出传感器，其中电子器件的包装形成加强结构，
图4a以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图4b以侧视图示出图4a中描绘的部分，该部分被划分成第一部分100a和第二部分100b，第一部分和第二部分由虚线示出，
图4c以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图4d以侧视图示出图4c中描绘的部分，该部分被划分成第一部分100a和第二部分100b，第一部分和第二部分由虚线示出，
图5a以俯视图示出电容式传感器100，
图5b以俯视图示出电容式传感器100，
图6a以俯视图示出电容式传感器100，
图6b以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图7以侧视图示出电容式传感器100，
图8a1以侧视图示出电容式传感器100，其被划分成第一部分100a、第二部分100b和第三部分100c，第一部分、第二部分和第三部分由虚线示出，
图8a2以侧视图示出图8a1的部分的平面内弹性模量，
图8b1以侧视图示出电容式传感器100，其被划分成第一部分100a、第二部分100b和第三部分100c，第一部分、第二部分和第三部分由虚线示出，
图8b2以侧视图示出图8b1的部分的平面内弹性模量，
图9a至图9d以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图10以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图11以侧视图示出电容式传感器100的部分，
图12示出用作鞋垫的电容式传感器，以及
图13a和图13b示出用于其它用途的电容式传感器。
具体实施方式
如在背景技术中指示的，本发明涉及一种电容式传感器，例如力和/或压力传感器或触摸传感器，其在可变机械应力下具有提高的可靠性。优选地，传感器是可适形的。
在电容式传感器中，电极的电容被测量。电容可相对于周围环境或相对于另一个电极(诸如接地电极)来测量。大体上，存在三种工作原理：(1)靠近电极(例如，在两个电极中间)的介电材料改变，这改变了电容；和/或(2)两个电极之间的距离改变，这改变了这些电极中间的电容；和/或(3)电极的面积改变或两个电极之间的共有面积改变，这改变了电极的电容(例如相对于另一个电极或周围环境)。共有面积可例如在剪切载荷下改变。这些原理是技术人员已知的。以简单的形式，当物体靠近或远离电极移动时，电极相对于其周围环境的电容改变。典型地，使用两个电极来提高准确度，使得电极中间的材料在使用中被压缩。专利FI 127245中公开了这样的传感器。在触摸传感器中，触摸物体(例如，用户的手指)具有与例如空气不同的介电常数。因此，电极的电容通过触摸物体的移动而改变(根据上述工作原理1)。
典型地，在力和/或压力传感器中，测量电极附近(例如在两个电极中间)的弹性材料取决于(局部)施加的压力而至少局部地被压缩和变形。未必需要第二电极，因为典型地形成压力的物体具有不同于被压缩的弹性材料的介电常数，由此变形已经引起电容相对于周围环境的改变。因此，可确定电极附近的局部压力。此外，当在不同位置处使用多个电极时，可在不同位置处确定多个局部压力。力是压力的积分。因此，为了测量力，基本上所有的测量区域都应当被用于测量的电极覆盖，如在前面提到的专利中描述的。因此，在力传感器中，基本上所有的测量区域都应当被用于测量的电极覆盖，而在压力传感器中，仅向将测量压力的这样的区域提供用于测量的电极就足够了。
如在背景技术中指示的，为了能够广泛应用于具有多种形状的物体上，传感器或者传感器的至少大部分应当是可适形的。可适形传感器也能够用于它们的形状在其中经受改变的这样的环境(诸如可穿戴电子器件)中。
在本文中，用语“可适形”是指至少柔性且可拉伸并且优选地还可压缩的材料。对于用语“柔性”，平面柔性材料在20℃的温度下可弯曲到10mm(或更小)的曲率半径，而不会使材料断裂。此外，柔性材料可在20℃的温度下随后返回到平面形式，而不会使材料断裂；或者柔性材料可自发地返回到平面形式而不断裂。对于用语“可拉伸”，可拉伸材料可以以可逆的方式拉伸至少10％。特别地，可拉伸材料的层可以以可逆的方式在垂直于该层的厚度的方向的方向上拉伸至少10％。拉伸的可逆性是自发的，即弹性的。对于用语“可压缩”，可压缩材料可以以可逆的方式压缩至少10％。特别地，可压缩材料的层可以以可逆的方式在该层的厚度的方向上压缩至少10％。压缩的可逆性是自发的，即弹性的。以此方式，平面可适形材料是如上文所指示的那样柔性的，并且在平面可适形材料的平面的方向上是可拉伸的；并且优选地在其厚度的方向上还是可压缩的，如上文详述的。平面可适形材料可布置成在20℃的温度下适形于具有10cm(或更小)的半径的球体的半球的表面而不断裂。典型地，平面可适形材料可布置成在20℃的温度下适形于具有10cm(或更小)的半径的半球的表面，而不会向材料引入显著的塑性(即不可逆)变形。在本文中，用语“显著”意味着当布置在半球上时可适形材料的弹性应变大于其塑性应变。因此，平面可适形材料可布置成适形于例如脚或拳头的表面。
图2a至图2d示出一些传感器的部分。图2a是俯视图，而图2b至图2d是侧视图，如由图中的方向Sx、Sy、Sz指示的。Sz是指传感器100的厚度的方向。至少当传感器不是平面的时，方向Sx、Sy和Sz相互垂直并且可取决于位置。如常规的那样，用语“厚度”是指传感器延伸最小的方向。因此，厚度小于长度或宽度。参考图2a至图2c，传感器100包括导电线路220，导电线路220包括第一导电线222。传感器100包括用于测量电容并且联接到第一导电线222的第一电极224。第一导电线222的功能是例如经由柔性结构将电极224联接到测量电路。因此，第一接头226接合到第一导电线222，如例如图3a1中所指示的。接头226适合于将第一导电线222接合到其它电子器件。电极224可形成线路220的部分。线路220(特别是其第一导电线222)在上文针对这些用语讨论的含义中是柔性且可拉伸的。优选地，第一电极224在上文针对这些用语讨论的含义中也是柔性且可拉伸的。如下文将详述的，线路220可布置为导电多层结构200的部分。
参考图3a1至图3f，传感器100包括第一导电线222。第一导电线222在上文针对这些用语讨论的含义中是柔性且可拉伸的。第一导电线222形成线路220的至少部分(参见图2a)。线路220和/或第一导电线222可例如通过使用产生可拉伸传导线路的这样的增材制造技术(诸如印刷)来制造。在备选方案中，线路可被层压到一层材料上。线路220可被制造(例如印刷或层压)到柔性且可拉伸的衬底210上。在备选方案中，线路220可被制造(例如印刷或层压)到可压缩层310上。
参考图3a1至图3f，传感器100包括可压缩层310。在力和/或压力传感器中，可压缩层310构造成在使用中在压力下被压缩和变形。此外，由于电容操作原理，可压缩层310也是电绝缘的。下文讨论针对层310的其它性质和合适的材料。当传感器100用作触摸传感器(即触觉传感器)时，在电极(224,225)附近不需要可压缩层310。然而，同样在触摸传感器中，可压缩层310可用于提高可靠性。因此，可压缩层310不需要延伸以便与第一电极224重叠。
参考图3a1至图3f，传感器100包括加强结构320，诸如加强层。加强结构320的功能是将传感器100的第一部分100a连接到传感器的电子部分，特别是柔性板410。因此，加强结构320的功能是防止传感器的第二部分100b在第一部分100a和接头226中间的太大的平面内拉伸。以此方式，加强结构320的功能是至少在第一导电线222与传感器100的其它电子器件的连接附近加强传感器100。为了适当地加强，加强结构320是一体的，即不是由单独的部分构成。因此，加强结构320在加强结构320的每两点之间延伸。特别地，加强结构320的第一部分320a延伸到加强结构320的第二部分320b(这些部分将稍后限定)。这些部分(320a,320b)直接连接或经由加强结构320的另一部分连接。此外，优选地，在第一部分320a和第二部分320b中间没有布置材料界面。第一导电线222和可压缩层310布置在加强结构320的同一侧上。对应地，在传感器100的厚度的方向Sz上，加强结构320的部分不布置在第一导电线222和可压缩层310中间。优选地，可压缩层310的部分在方向Sz上布置在第一导电线222和加强结构320中间。然而，如图3d中所指示的，第一导电线222的部分可布置在可压缩层310和加强结构320中间。加强结构320可为或包括一层合适的加强材料。加强结构320可为或形成用于传感器100的刚性构件420和/或柔性板410的包装的部分，如在图3f中那样。加强结构320可为导电的，由此它可以以与公共电势电极340类似的方式用作接地电极。加强结构320可为顶层，并且可根据需要来精加工。因此，加强结构可用作顶层380。
已经注意到，第一导电线222的可拉伸性可用于提高传感器100的可靠性。特别地，由于第一导电线222是可拉伸的，故其拉伸能力可用于提高可靠性。可利用这种性质，使得在使用中，第一导电线222的部分(即，在传感器的第二部分100b内的第一导电线222的部分，如下文将讨论的)吸收大部分机械变形。这可通过材料设计来实现，使得传感器100(除了加强结构320之外)在接头226附近比更远离接头226处更容易平面内变形。接头226连接到第一导电线222，并经由第一导电线222连接到第一电极224。
更具体地并且参考图3a2、图3b2和图3e2，传感器100(除了加强结构之外)在接头226附近的回弹性可通过至少三种解决方案来提高：
(i)传感器100的第二部分100b包括可压缩层310的第二部分310b，如图3a1和图3a2中所指示的；并且可压缩层310的第二部分310b的杨氏模量小于可压缩层310的第一部分310a的杨氏模量，或者
(ii)可压缩层310不延伸到传感器100的第二部分100b，如图3b2中所指示的，或者
(iii)可压缩层310的第二部分310b的厚度T310b小于可压缩层310的第一部分310a的厚度T310a，如图3e1和图3e2中所指示的。
如下文将详述的，通过利用这些解决方案中的至少一种，传感器100的第二部分100b的回弹性得到提高。特别地，备选方案(i)和(iii)中的每一个都具有如下的技术效果：可压缩层310的第二部分310b的平面内刚度小于可压缩层310的第一部分310a的平面内刚度。在本文中，部分310a、310b的平面内刚度是指该部分的平面内弹性模量乘以该部分的厚度。在本描述中，平面内弹性模量被认为等同于平面内杨氏模量，该用语也常用于该性质。
对于备选方案(ii)，由于可压缩层310不延伸到第二部分100b，故在可压缩层的第一部分310a旁边留有间隙312，并且实际上，间隙的平面内刚度为零。因此，所有备选方案(i)-(iii)都旨在降低第二部分100b内的可压缩层的平面内刚度。此外，第二部分100b的至少部分布置在接头226和第一部分100a中间。在本文中，用语“在...中间”是指在垂直于传感器的厚度的方向Sz的方向上处于中间。
然而，结构的其它层也可影响回弹性。已经发现，当传感器具有带有第一平面内刚度的修改的第一部分100a’和带有低于第一平面内刚度的第二平面内刚度的修改的第二部分100b’时，可靠性进一步提高，其中通过移除加强结构320的第一部分320a，修改的第一部分100a’已经相对于传感器100的第一部分100a修改，并且通过移除加强结构320的第二部分320b，修改的第二部分100b’已经相对于传感器100的第二部分100b修改。平面内刚度是指平面内弹性模量(Y100a,Y100b)乘以层的厚度。修改的第一部分(100a’)和修改的第二部分(100b’)以及对应的平面内弹性模量在图3a3、图3b3和图3c3中示出。同样在这里，第二部分100b的至少部分在垂直于传感器的厚度的方向Sz的方向上布置在接头226和第一部分100a中间。另外，优选地，在接头226和第一部分100a中间的整个区域比第一部分100a更具回弹性。更精确地，在实施例中，传感器100不具有这样的部分：(i)该部分布置在接头226和第一部分100a中间，并且(ii)在移除加强结构320之后，该部分的平面内刚度(例如弹性模量)等于或大于第一平面内刚度(例如弹性模量Y100a)。更优选地，传感器100不具有这样的部分：(i)该部分布置在接头226和第一部分100a中间，并且(ii)在移除加强结构320之后，该部分的平面内刚度(例如弹性模量)高于第二平面内刚度(例如弹性模量Y100b)。在实施例中，传感器的第二部分100b从第一部分100a和第二部分100b的公共边缘100ab延伸到接头226。
参考图3a1至图3f，电容式传感器100具有电容式传感器100的第一部分100a和电容式传感器100的第二部分100b。因此，传感器能够被划分成部分100a、100b。传感器100的这样的划分例如在图3a1至图3d和图4a至图4d中由虚线矩形示出。第一部分100a在传感器100的厚度的方向Sz上延伸通过传感器100。第二部分100b在传感器的厚度的方向Sz上延伸通过传感器100。图3a2示出图3a1的传感器被划分成这两个部分，图3b2示出图3b1的传感器被划分成这两个部分，图3c2示出图3c1的传感器被划分成这两个部分，图4b示出图4a的传感器被划分成这两个部分，并且图4d示出图4c的传感器被划分成这两个部分。如图8a1至图8b2中所指示的，传感器可被划分成多于两个的部分。划分将被理解为限定这样的部分的心理过程；物理传感器100没有在物理上被划分。如图3a2、图3b2、图3c2和图12中所示出的，传感器100的第一部分100a和传感器100的第二部分100b被限定为使得它们共享公共边缘100ab。
传感器100的第一部分100a包括加强结构320(如上文所讨论的)的第一部分320a、第一导电线222的第一部分222a和可压缩层310的第一部分310a。这些层相对于彼此布置成使得加强结构320的第一部分320a在传感器100的厚度的方向Sz上与第一导电线222的第一部分222a重叠，或者至少与合理靠近第一导电线222的第一部分222a的区域重叠。因此，可压缩层310将加强结构320的支承力传递到第一部分100a内的第一导电线222。例如，加强结构320可设置有孔口，使得该孔口与第一导电线222的第一部分222a重叠。在优选实施例中，在第一部分100a内，加强结构320的第一部分320a径向地环绕在第一导电线222的第一部分222a的位置处平行于厚度的方向Sz并穿透第一导电线222的第一部分222a的这样的直线。
此外，加强结构的第一部分320a在传感器100的厚度的方向Sz上与可压缩层310的第一部分310a(或至少其部分)重叠。遍及本描述，用语重叠是指层的部分在传感器100的厚度的方向Sz上彼此上下地布置。如例如图3b2中所指示的，第一导电线222的第一部分222a可由多层导体结构200的第一部分200a构成。在这样的情况下，优选地，加强结构320的第一部分320a在传感器100的厚度的方向Sz上与多层导体结构200的第一部分200a重叠。此外，可压缩层310的第一部分310a的至少部分在传感器100的厚度的方向Sz上与第一导电线222的第一部分222a的至少部分重叠。典型地，可压缩层310的第一部分310a的部分在传感器100的厚度的方向Sz上与第一导电线222的第一部分222a重叠。
电容式传感器100的第二部分100b包括加强结构320的第二部分320b和第一导电线222的第二部分222b。这些层可相对于彼此布置成使得加强结构320的第二部分320b在传感器100的厚度的方向Sz上与第一导电线222的第二部分222b重叠，或者至少靠近第二部分222b。在优选实施例中，在第二部分100b内，加强结构320的第二部分320b径向地环绕在第一导电线222的第二部分222b的位置处平行于厚度的方向Sz并穿透第一导电线222的第二部分222b的这样的直线。如例如图3b2中所指示的，第一导电线222的第二部分222b可由多层导体结构200的第二部分200b构成。
如上文所指示的，在实施例中，传感器100的修改的第一部分100a’(修改的第一部分100a’包括传感器100的除了加强结构320之外的所有其它部分)具有第一平面内弹性模量Y100a。用语平面内弹性模量是指例如如在测试中测量的杨氏模量，其中变形的方向垂直于传感器100的厚度的方向Sz。在这样的情况下，变形的方向平行于垂直方向Sx和Sy的线性组合(照此包括Sx和Sy)。在传感器100是平面的情况下，变形的方向在传感器100的平面内。此外，在这样的实施例中，传感器100的修改的第二部分100b’(修改的第二部分100b’包括传感器100的除了加强结构320之外的所有其它部分)具有第二平面内弹性模量Y100b。在实施例中，第二平面内弹性模量Y100b小于第一平面内弹性模量Y100a。第一弹性模量Y100a和第二弹性模量Y100b在图3a3、图3b3和图3c3中指示。特别地参考图3a3和图3c3，第二弹性模量Y100b较小，因为在那些实施例中，在传感器的第二部分100b内，可压缩层310的第二部分310b的材料比传感器的第一部分100a内的材料(即可压缩层的第一部分310a的材料)更软。特别地参考图3b3，第二弹性模量可较大，因为第二部分100b不包括可压缩层310的部分。然而，在这样的情况下，如上文所讨论的，修改的第二部分100b’的平面内刚度小于修改的第一部分100a’的平面内刚度。此外，在图3b2中，在第一导电线222的第二部分222b和加强结构320的第二部分320b中间形成间隙312。回弹性(或刚度)是就修改的部分100a’和100b’而言给出的，因为已经注意到加强结构320也可根据需要局部设计(即在部分100a和100b两者中单独设计)，而不显著影响可靠性。
可压缩层310(如果存在)的第二部分310b的材料可具有比可压缩层310的第一部分310a的材料更低(例如至少低25％)的杨氏模量。在使用间隙312代替第二部分310b的材料的情况下，间隙的模量是未限定的，并且几乎为零。
参考图3e2，平面内刚度可另外或备选地受到(多个)层的厚度的影响。如图3e2中所指示的，在第一部分100a内，可压缩层310可比在第二部分100b内更厚，由此在可压缩层310旁边留有其高度小于层310的厚度的间隙312。因此，传感器100的修改的第一部分100a’的平面内刚度比传感器100的修改的第二部分100b’的平面内刚度更大，因为可压缩层310在第二部分100b内更薄。即使可压缩层的第一部分310a和第二部分310b的材料相同，也会发生这种情况。可压缩层的第一部分310a的厚度由T310a表示，并且可压缩层的第二部分310b的厚度由T310b表示。在图3e1中，层310在第二部分100b中较薄，因为缺少粘合剂314，粘合剂314存在于第一部分100a中并形成可压缩层310的部分。第二部分310b的厚度T310b可为例如第一部分310a的厚度T310a的至多98％(特别是如果粘合剂314仅在第一部分100a中用于使层310加厚)。在这样的情况下，粘合剂314典型地比可压缩层的其余部分更硬。
图2a至图2d示出传感器的部分，其中线路220布置为导电多层结构200的部分。
参考图2b，在实施例中，传感器100包括多层导体结构200，该多层导体结构200包括包含第一导电线222的线路220。多层导体结构200包括柔性且可拉伸的衬底210。因此，衬底在上文针对这些用语讨论的含义中是柔性且可拉伸的。优选地，柔性且可拉伸的衬底210也是可压缩的，由此它优选地是可适形的。线路220(特别是第一导电线222)布置在衬底210上。因此，柔性且可拉伸的衬底210与第一导电线222形成界面236。参考图3a4，至少当多层导体结构200仅包括线路和衬底210时，衬底210可用于保护线路220(和第一导电线222)。至少具有衬底210使得它与第一导电线222形成界面236提高结构的可靠性，因为在这样的情况下，第一导电线222在至少一侧上附接到回弹性层210(参见图2b)。
参考图2c，更优选地，多层导体结构200进一步包括柔性且可拉伸的保护层230。保护层230可进一步保护线路220的至少部分。此外，在其它部分中，保护层230附接到衬底210。因此，线路220布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。在实施例中，第一导电线222的至少部分布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。通过如此布置，在线路不存在的这样的位置处，保护层230与柔性且可拉伸的衬底210形成第一界面232(参见图2d)。对应地，在线路220存在的这样的位置处，保护层230与第一导电线222形成第二界面234(图2c)。还具有保护层230使得它与第一导电线222形成界面234进一步提高结构的可靠性，因为在这样的情况下，第一导电线222在两侧上附接到回弹性层210、230(参见图2c)。
在第一电极224形成线路220的部分的这样的实施例中，第一电极224的至少部分布置在柔性且可拉伸的衬底210的与线路220相同的侧部上。在这样的情况下，优选地，(整个)第一电极224布置在柔性且可拉伸的衬底210的与线路220相同的侧部上。在还使用保护层230并且第一电极224形成线路220的部分的情况下，第一电极224的至少部分布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。在这样的情况下，优选地，(整个)第一电极224布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。
优选地，多层导体结构200由柔性且可拉伸的衬底210、柔性且可拉伸的保护层230以及柔性且可拉伸的衬底210与柔性且可拉伸的保护层230中间的一层或多层组成。如上文所指示的，在实施例中，线路220的至少部分布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。然而，一些粘合剂也可布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间，以便将层接合在一起。
优选地，传感器100包括多个电极，诸如第一电极224和第二电极225(参见图2a)。图2a还示出其它电极，即使为了清楚起见，它们没有它们自己的参考编号。优选地，电极布置成使得能够同时使用所有电极测量电容。相比之下，在一些现有技术的应用中，使用多路复用，由此一次仅可使用电极中的一些来测量电容。特别地，在实施例中，电极覆盖传感器的大部分横截面面积，诸如至少50％或至少80％的横截面面积，并且在由电极覆盖的整个横截面面积上能够同时使用所有电极测量电容。
因此，在实施例中，电极224(或电极224、225)限定测量区域。测量区域是传感器100的在厚度的方向Sz上延伸通过传感器100的部分。在测量区域内，布置至少一个电极224(或225)。由电极限定的测量区域是来自其的电容配置成由电极测量的区域。此外，两个不同测量区域的电极彼此不流电接触。此外，传感器100的刚性构件420可配置成使用电极来测量测量区域中的每一个的电容，电极中的每个电极限定测量区域中的一个且仅一个。优选地，刚性构件420配置成在一个时刻测量来自第一电极224的整个区域的电容。换句话说，优选地，不执行后续测量以测量来自第一电极224的整个区域的电容。这具有如下的有益效果：因为不需要使用多路复用，故可提高测量的时间准确度。更优选地，对于每个测量区域，传感器包括以导电方式附接到电极224、225的第一导电线222、第二导电线223。这具有如下的有益效果：能够从每个测量区域同时测量电容。优选地，第一导电线222仅电连接到一个电极224。更优选地，第一导电线222、第二导电线223仅电连接到一个电极(分别电连接到电极224、225)。
除了可压缩层310的范围或其部分310a、310b的材料选择之外，已经注意到，通过在传感器100的第一部分100a内将第一导电线222任选地经由(多个)其它层在传感器的厚度的方向Sz上附接到加强结构320，可进一步提高可靠性。在传感器的厚度的方向Sz上附接并不意味着加强结构320需要与第一导电线222的第一部分222a重叠(例如当一层材料布置在第一导电线222的第一部分222a和加强结构320中间时)。参考图3a2，第一导电线222的第一部分222a附接(在方向Sz上)到可压缩层310的第一部分310a，该第一部分310a附接(在方向Sz上)到加强结构320a的第一部分320a。即使加强结构320不与第一导电线222重叠，也可这样做，例如加强结构320设置有与第一导电线222重叠的孔口。通过将线的第一部分222a附接到加强结构320，加强结构320强化结构以用于提高可靠性。
此外，通过在传感器100的第二部分100b内不将第一导电线222的第二部分222b在传感器100的厚度的方向Sz上附接到加强结构320b的第二部分320b(既不直接附接也不经由(多个)其它层附接)，可提高可靠性。参考图3a2，在这样的情况下，(i)第一导电线222的第二部分222b不附接到可压缩层的第二部分310b，和/或(ii)可压缩层的第二部分310b不附接到加强结构320的第二部分320b。通过不将第一导电线222附接(在第二部分100b内)到加强结构320，第一导电线222构造成相对于加强结构320自由移动，这允许第一导电线222吸收机械应变。
在第一导电线222形成多层导体结构200的部分的情况下，如上文所讨论的，出于制造原因，可为可行的是，在第二部分100b内，不将多层导体结构200的第二部分200b附接到加强结构320b的第二部分320b，而第一导电线222保持附接到多层导体结构200的另一层210或层210、230。
因此，在实施例中，多层导体结构的第一部分200a(或者第一导电线222的第一部分222a，如果层210、230两者都不使用的话)附接到相邻层310、320、330；优选地附接到两个相邻层(如果存在)；以提高传感器的第一部分100a内的可靠性。此外，相邻层附接到加强结构320的第一部分320a；除非相邻层已经是加强结构320。在实施例中，多层导体结构的第二部分200b构造成相对于相邻层310、320、330相对自由地移动，以进一步提高连接附近的可靠性。对于用语“相邻层”，该用语是指在多层导体结构200旁边的层。例如，在图3a1至图3a3中，可压缩层310形成针对第一导电线222的相邻层。例如，在图3b1至图3c3中，可压缩层310形成针对多层导体结构200的相邻层。在图3d中，加强层320和可压缩层310两者都是相邻层，并且任一层都可被认为是相邻层。在图4a至图4d中，可压缩层310和间隔层330两者都是相邻层，并且任一层都可被认为是相邻层。对于用语“相对自由地移动”以及第二部分100b的限定，优选地，多层导体结构的整个第二部分200b构造成相对于相邻层310、320、330相对自由地移动。因此，在实施例中，第一导电线222的第二部分222b没有部分在传感器100的厚度的方向Sz上直接或经由其它层附接到加强结构320的第二部分320b。
在传感器的第一部分100a内，第一导电线222的第一部分222a在传感器100的厚度的方向Sz上附接到相邻层或两个相邻层；并且进一步附接到加强结构320的第一部分320a(除非第一部分320a已经是相邻层)。第一部分222a可使用粘合剂附接。这提高了第一部分100a内的可靠性。此外，在实施例中，第一导电线222的第二部分222b不附接到加强结构320(如果存在)的第二部分320b。就其本身而言，这允许层相对于彼此自由移动。
如上文所指示的，相对自由的移动首先通过可压缩层310的范围或其部分310a、310b的材料选择、其次通过不将第一导电线222的第二部分222b附接到加强结构320的第二部分320b并且再次通过由相应的修改部分100a’、100b’的厚度和平面内模量Y100a、Y100b的乘积限定的不同的平面内弹性刚度来实现。
在加强层320之外，多层导体结构200(如果使用)优选地附接到相邻层(310,330)以帮助处理和提高可靠性。如果不使用多层导体结构200，则在加强层320之外，第一导电线222优选地附接到邻近于第一导电线222的相邻层(310,330)，以帮助处理和提高可靠性。
为了提高与其它电子器件的连接的可靠性，第一导电线222附接到用于将第一导电线222连接到另一导电结构400的第一接头226。这样的接头226例如在图3a1、图3a2、图3b2、图3c2、图3d、图4b、图4d、图6b和图12中示出。即使未示出，这样的接头也存在于其它实施例中。这样的另一导电结构400可为例如柔性电路板410或连接器405。连接器405可用于将第一导电线222连接到例如柔性板或芯片。此外，为了使用第一接头226、第一导电线222和第一电极224来进行测量，第一导电线222从第一接头226经由传感器100的第二部分100b延伸到传感器100的第一部分100a，并进一步延伸到第一电极224。第一接头226可布置在传感器100的第二部分100b内；或者第一接头226可布置在第一部分100a之外和第二部分100b之外。然而，如上文所指示的，第二部分100b的至少部分布置在接头226和第一部分100a中间。在本文中，用语“在...中间”是指在垂直于传感器100的厚度的方向Sz的方向(Sx、Sy或它们的线性组合)上处于中间。在优选实施例中，加强结构320的部分与第一接头226重叠。然而，加强结构不需要与第一接头226重叠。只要加强结构320至少部分地径向地环绕在第一接头226的位置处平行于厚度的方向Sz并穿透第一接头226的这样的直线就足够了。这进一步提高可靠性。在另一个优选实施例中，加强结构320的部分与柔性电路板410的至少部分重叠。这进一步提高可靠性。
对于第二部分100b提高可靠性的能力，第一导电线222应当在第二部分100b内(例如，在第一接头226和第一部分100a中间)延伸合理的长度。已经发现，优选地，第一导电线222在第二部分100b内延伸比第一部分100a内的可压缩层310的厚度T310a更长的这样的距离。因此，并且参考图3a2和图3b2，优选地，第一导电线222的在传感器100的第二部分100b内延伸的部分222b的长度L222b大于第一部分100a内的可压缩层310的厚度T310a，即L222b>T310a(参见图3a2和图3b2)。另外或备选地，长度L222b可为例如至少1mm、至少2mm或至少5mm。在第一导电线222迂回弯曲(meander)的情况下，长度L222b可沿着第一导电线222测量。
如上文所指示的，多层导体结构200(如果使用)是柔性且可拉伸的，并且优选地是可适形的。此外，柔性且可拉伸的衬底210以及还有柔性且可拉伸的保护层230(如果使用)是电绝缘的。例如，在23℃的温度下，它们的电阻率可至少为10Ωm。至少以下材料适合于层210和/或230：聚氨酯、聚乙烯、聚(乙烯-醋酸乙烯酯)、聚氯乙烯、聚硼二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、乙烯丙烯橡胶、氯丁橡胶、软木、乳胶、天然橡胶、硅酮和热塑性弹性体凝胶。层210、230中的任一者或两者可从该组材料中选择。
对于线路220，在实施例中，第一导电线222由能够拉伸至少10％而不断裂的这样的材料制成。此外，在实施例中，第一电极224由能够拉伸至少10％而不断裂的这样的材料制成。这样的材料可为例如墨、糊剂或传导性聚合物。在实施例中，第一导电线222(和任选地第一电极224)包括在23℃的温度下具有至少1S/m的电导率的某种材料。在实施例中，第一导电线222(和任选地第一电极224)包括以导电方式附接到彼此的导电颗粒，诸如薄片或纳米颗粒。在实施例中，第一导电线222(和任选地第一电极224)包括在23℃的温度下具有至少1S/m的电导率的某种材料的导电颗粒。在实施例中，第一导电线222(和任选地第一电极224)包括导电颗粒，该导电颗粒包括碳、锌、镍、铂、铁、铜、银、铝和金中的至少一种。在实施例中，第一导电线222(和任选地第一电极224)包括导电聚合物，诸如聚苯胺、聚乙烯(例如聚乙烯醇或聚氯乙烯)和/或PEDOT:PSS(即聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。在一些导电聚合物中，传导性可为如上文所讨论的导电颗粒的结果。在实施例中，已关于第一导电线222的材料讲述的内容适用于线路220(即，第一导电线222、第二导电线223)和/或所有电极(224,225)，任选地也适用于(多个)公共电势电极(340,350)。
加强结构320是在已经观察到其提高可靠性的意义上的加强件。它不需要是硬的或刚硬的。参考图3e1，在实施例中，加强件可包括纺织品和/或薄膜。因此，类似于图11的顶层380的顶层可用作加强结构320。然而，如图11中所指示的，传感器可包括顶层和加强结构两者。如图3e1中所指示的，可压缩层310可包括可压缩主体310’和粘合剂314。粘合剂314可将可压缩主体310’附接到第一导电线222。粘合剂314此外使可压缩层310加厚，并增加其平面内刚度。在图3e1中，传感器100的第一部分100a包括粘合剂314，并且粘合剂314不延伸到传感器的第二部分100b。以此方式，第一部分100a中的可压缩层310的厚度比第二部分100b中的可压缩层310的厚度更小。此外，由于第二部分100b不存在粘合剂314，故第二部分100b(或修改的第二部分100b’)的平面内刚度小于第一部分100a(或修改的第一部分100a’)的平面内刚度。
然而，优选地，加强结构320是在其合理地厚并且合理地硬的意义上的加强件。就杨氏模量而言，加强结构320可由杨氏模量比可压缩层310、柔性且可拉伸的衬底210(如果存在)和柔性且可拉伸的保护层230(如果存在)中的每一个更高的材料制成，或者至少包括该材料。加强结构320的杨氏模量可例如大于15MPa。在实施例中，加强结构320的厚度为至少0.1mm，优选地为至少0.5mm。加强结构320可包括纤维材料，诸如玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和碳纤维中的至少一种。加强结构320可包括聚合物，例如杨氏模量大于15MPa的聚合物。参考图3f，加强结构320可为例如用于其它电子器件的包装422，诸如柔性板410和/或刚性构件420的至少部分。当传感器100的有源电子器件的包装422形成加强结构320的至少部分时，加强结构320可包括聚合物；例如杨氏模量大于15MPa的聚合物；该聚合物任选地利用如上文所指示的纤维加强。
可压缩层310的可压缩性水平可例如就杨氏模量而言来限定。在实施例中，可压缩层310的杨氏模量为0.05MPa至15MPa，诸如0.2MPa至5MPa。在23℃的温度下，可压缩层310的电阻率可为至少10Ωm。此外，由于层310是可压缩的，故它可以以可逆的方式压缩至少10％。
与用于衬底210的材料相同的材料适合于可压缩层310。因此，在实施例中，可压缩层310的材料选自由聚氨酯、聚乙烯、聚(乙烯-醋酸乙烯酯)、聚氯乙烯、聚硼二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、乙烯丙烯橡胶、氯丁橡胶、软木、乳胶、天然橡胶、硅酮和热塑性弹性体凝胶组成的组。优选地，可压缩层310的厚度T310a为至少0.5mm。
对于适合于柔性电路板410的材料，这些材料包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚醚醚酮。在实施例中，柔性电路板410包括选自由这些材料组成的组的材料。柔性电路板410的柔性也是板410相对薄的结果。在实施例中，柔性电路板410的厚度小于1mm，诸如至多0.5mm或小于0.4mm。另外，柔性电路板410包括如上文所指示的导电线路。
这样的材料是柔性的，但在很大程度上不能够可逆地拉伸。材料中的一些可以可逆地拉伸百分之几，但不像上文针对可拉伸材料而限定的那样多。由于低的可拉伸性，诸如蚀刻的传统电路板制造技术可用于生产具有线路的柔性板410。由于这些制造技术和同样不可拉伸的线路材料，线宽可比柔性且可拉伸的多层导体结构200的线宽小得多。因此，在实施例中，柔性板410包括导电线路。在23℃的温度下，柔性板410的线路的电导率可为至少1S/m。在实施例中，第一导电线222具有第一线宽，并且柔性板410的线路包括具有第二线宽的线，其中第二线宽小于第一线宽。
参考图5a和图5b，在实施例中，传感器100包括刚性构件420。刚性构件420布置在传感器100的第一部分100a之外。刚性构件420电连接到第一接头226。典型地，传感器100还包括第二接头227，并且刚性构件420还电连接到第二接头227，并且经由第二接头227电连接到第二导电线223，并且进一步电连接到第二电极225。刚性构件是指无源电子构件(例如连接器)或有源电子构件(例如芯片)。用语“刚性构件”是指厚度(即三个垂直测量值中最小的一个)大于0.1mm并且包括具有至少1GPa的杨氏模量的材料的构件。除了具有这样的高的杨氏模量的材料之外，刚性构件还可包括具有较低杨氏模量的另一种材料。例如，除了一些软的机械部分之外，刚性构件还可包括包含硅的芯片。注意，晶体硅的弹性性质取决于取向，但是大体上弹性性质在从60GPa至170GPa的范围内。在实施例中，加强结构320的部分与刚性构件420重叠。这也提高了刚性构件420附近的可靠性。另外，在一些应用中，这提高了使用的舒适性，因为加强结构320分散由刚性构件420引起的应力(例如，如果在鞋垫或连指手套中使用传感器100)。
刚性构件420可包括由一个或多个电子芯片组成的电子芯片布置，以及任选地与其相关的包装。电子芯片布置配置成测量第一电极224的电容。如上文详述的，优选地，刚性构件420配置成在一个时刻测量来自第一电极224的整个区域的电容。更优选地，刚性构件420配置成在一个时刻测量来自第一电极224的整个区域的电容并且在同一时刻或另一时刻测量来自第二电极225的整个区域的电容。电容可相对于周围环境或诸如公共电势电极340的另一个电极来测量。电容可能够以模拟形式传递到接收器。然而，优选地，电子芯片布置配置成将(多个)测量的电容转换成数字信号。优选地，刚性构件420包括配置成将(多个)电容转换成数字形式的电子芯片。这样的芯片通常被称为电容-数字转换器(CDC)。在实施例中，刚性构件420包括电容-数字转换器。
参考图5a和图5b，在实施例中，传感器100包括经由第一接头226连接到第一导电线222的柔性板410。此外，在这样的实施例中，柔性板410连接到刚性构件420。因此，刚性构件420经由柔性板410连接到第一接头226。因此，刚性构件420可经由柔性板410连接到第二接头227。线-板连接器可用于将刚性构件420连接到柔性板410。在实施例中，柔性板410的至少部分与加强结构320的部分重叠。这进一步提高了第一接头226附近(即多层结构200和柔性板410之间)的可靠性。
在实施例中，柔性板410使用合适的接合技术(诸如压接连接或诸如各向异性传导性粘合剂(ACF)的传导性粘合剂)连接到第一导电线222。在这样的情况下，传导性粘合剂可形成第一接头226或其部分。已经发现传导性粘合剂形成可靠的接头。最优选地，加强结构320的部分与刚性构件420重叠，并且加强结构320的另一部分与柔性板410的至少部分重叠。这提高了刚性构件420附近和第一接头226附近两者的可靠性。柔性板410可以以类似的方式连接到第二导电线223，以便形成第二接头227的部分。
参考图6a和图6b，已经注意到，通过使第一导电线222在第一接头226附近迂回弯曲，可进一步提高第一接头226附近的可靠性。迂回弯曲的线比直的线(即使是可拉伸的)甚至更有效地吸收机械应力。因此，在实施例中，并且在电容式传感器100的第二部分100b内，第一导电线222迂回弯曲。第一导电线222可至少在第二部分100b内迂回弯曲，使得第一导电线从第一点P1延伸到第二点P2，使得如沿着第一导电线222测量的这些点(P1,P2)之间的距离大于这些点(P1,P2)之间直线测量的距离。优选地，第一导电线222在第二部分100b内迂回弯曲，使得第一导电线从第一点P1延伸到第二点P2，使得如沿着第一导电线222测量的这些点(P1,P2)之间的距离比这些点(P1,P2)之间直线测量的距离大至少5％。第二点P2可位于第一接头226处。第一点P1可位于传感器100的第一部分100a和第二部分100b的公共边缘100ab处。
参考图6a，在实施例中，第一导电线222在衬底210上迂回弯曲(如从顶部看到的)，例如在衬底210和保护层230中间迂回弯曲。衬底210不需要迂回弯曲，但是它可迂回弯曲。因此，第一导电线222可(至少)在衬底210的切向平面内迂回弯曲。另外或备选地，多层导体结构200可在厚度的方向Sz上迂回弯曲，如图6b中所指示的。已经注意到，特别是在传感器的厚度的方向Sz上的迂回弯曲提高了可靠性，因为在Sz方向上迂回弯曲的线在平面内方向(即垂直于Sz)上极具回弹性。即使仅使用衬底210和保护层230中的一个或者两者都不使用，第一导电线222也可迂回弯曲。
如上文所启发的，传感器100的至少部分(例如多于一半)是可适形的。然而，加强结构320不需要是可适形的，或者至少不像传感器100的其余部分一样可适形。参考图7，在实施例中，第一导电线222延伸超过加强结构320的边缘322。因此，第一导电线222的部分不与加强结构320重叠。此外，在实施例中，加强结构320不与第一电极224的部分重叠。然而，在实施例中，加强结构320与整个第一电极224重叠。此外，在实施例中，加强结构320与所有电极(包括224和225)重叠。这可提高可靠性。
就横截面面积而言，在实施例中，加强层的横截面面积A320(参见图12)为传感器100(例如，多层导体结构200)的横截面面积A200(参见图12)的至多50％或至多35％。在本文中，横截面面积是指在传感器100的切向表面上测量的横截面的面积。在传感器100是基本上平面的或者可使其成为基本上平面的形式的情况下，横截面面积是指在传感器的厚度的方向Sz上具有法线的平面上的横截面的面积。具有这种类型的相对小的加强层提高了传感器的使用的舒适性。
如在许多附图中指示的，加强结构320的部分可与第一导电线222重叠；然而，如上文所指示的，加强结构320不需要重叠。特别地，第一导电线222从第一接头226经由多层导体结构的第二部分200b延伸到多层导体结构的第一部分200a，并进一步延伸到第一电极224。在实施例中，多层导体结构200的第一部分200a包括第一导电线222的第一部分222a。在实施例中，多层导体结构200的第二部分200b包括第一导电线222的第二部分222b。除了第一导电线222之外，衬底210和保护层230也可延伸超过加强结构320的边缘322。此外，在该实施例中，可压缩层310也延伸超过加强结构320的边缘322。如图8a1至图8b2中所指示的，在这样的情况下，传感器100能够进一步被划分成第三部分100c，第三部分100c在传感器100的厚度的方向Sz上延伸通过传感器100，并且不包括加强结构320的部分。此外，传感器的第三部分100c具有第三平面内弹性模量Y100c。第三平面内弹性模量Y100c可与修改的第一部分100a’(即没有加强结构320的第一部分100a)的第一平面内弹性模量Y100c相同或基本上相同。在备选方案中，如上文所指示的，并且特别是结合触摸传感器而指示的，可压缩层310和公共电势电极340不需要延伸超过边缘322。在这样的情况下，第三部分100c的平面内刚度将小于修改的第一部分100a’的平面内刚度。
如上文所指示的，可通过测量两个电极之间的电容来提高测量的准确度。两个电极中的另一个可被称为第一公共电势电极340(参见图8a1和图8b1)。在第一公共电势电极340的电势被设置为接地电势的情况下，该电极可被称为第一接地电极。第一公共电势电极340可用作第一对电极(包括第一公共电势电极340和第一电极224)和第二对电极(包括第一公共电势电极340和第二电极225)共有的电极。当可压缩层310的部分留在第一公共电势电极340和第一电极224中间时，特别地，可测量第一电极224相对于第一公共电势电极340的电容。
因此，在实施例中，传感器100包括第一公共电势电极340。此外，可压缩层310的部分布置在第一公共电势电极340和第一电极224中间。以此方式，在第一公共电势电极340和第一电极224中间形成可测量的电容。优选地，传感器100的这些层相对于彼此布置，使得第一公共电势电极340的至少部分与第一电极224的至少部分重叠。此外，可压缩层310的部分在传感器100的厚度的方向Sz上布置在第一公共电势电极340和第一电极224中间。更优选地，第一公共电势电极340的至少部分与整个第一电极224重叠。在实施例中，第一公共电势电极340连接到刚性构件420。第一公共电势电极340也可以以类似的方式加上必要的变更来与第二电极225重叠。
第一公共电势电极340可为均一传导性的，例如在均一表面上使用传导性墨、糊剂或传导性聚合物制成。对于传导性材料，适合于第一导电线222的材料(如上文所讨论的)也适合于第一公共电势电极340的传导性材料。在备选方案中，第一公共电势电极340可为例如使用传导性墨或糊剂或细丝制成的传导性纱的网片。第一公共电势电极340由迂回弯曲的导电线组成也可为足够的。第一公共电势电极340包括多根单独的导电线也可为足够的。在实施例中，第一公共电势电极340的至少部分由传导性墨制成。在实施例中，第一公共电势电极340包括导电织物。在实施例中，第一公共电势电极340包括导电聚合物(例如聚苯胺、聚乙烯、PEDOT:PSS或具有传导性颗粒的聚合物)。
参考图4a至图4d，传感器100的可靠性可通过施加间隔层330来进一步提高。间隔层330可用作上文讨论的相邻层。当间隔层330任选地经由多层结构200的其它部分附接到第一导电线222时，间隔层330也为第一导电线222提供机械支承，并且以此方式提高可靠性(至少当第二部分100b中的回弹性不受损害时)。如附图中所指示的，第一导电线222的至少部分在传感器的厚度Sz的方向Sz上布置在可压缩层310和间隔层330中间。
间隔层330的材料可根据需要来选择。在间隔层330需要为可适形的和/或构造成在使用中被压缩的情况下，间隔层330的材料可选自由下者组成的组：聚氨酯、聚乙烯、聚(乙烯-醋酸乙烯酯)、聚氯乙烯、聚硼二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、乙烯丙烯橡胶、氯丁橡胶、软木、乳胶、天然橡胶、硅酮和热塑性弹性体凝胶。然而，在间隔层330为柔性的就足够的情况下，也可使用选自由聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚醚醚酮组成的组的材料；除了一些其它柔性材料之外。此外，在间隔层330不需要甚至是柔性的情况下，环氧树脂和/或酚醛树脂也可用作间隔层330的材料。优选地，间隔层330至少是柔性的，并且更优选地还是可拉伸的。在间隔层330甚至不是柔性的情况下，整个传感器100可为刚性的，在这种情况下，结构本身不那么容易显示出机械可靠性问题。以此方式，在优选实施例中，传感器100的至少部分(诸如传感器100的横截面的至少一半)在上文限定的含义中是柔性的。此外，在另一个优选实施例中，传感器100的至少部分(诸如传感器100的横截面的至少一半)在上文限定的含义中是柔性且可拉伸的。间隔层330的厚度可为例如至少0.1mm，诸如至少0.5mm。如果间隔层330用作在使用中变形的层，由此例如第一电极相对于例如第二公共电势电极350的电容也在使用中改变，则间隔层330的厚度优选地为至少0.5mm。对于适合于这样的用途的材料，适合于可压缩层310的材料也可用于间隔层330，如上文所指示的。
在间隔层330延伸到传感器的第二部分100b的情况下，如在图4a、图4b和图9c中那样，间隔层330的第二部分330b的材料，该第二部分330b由传感器100的第二部分100b构成，第二部分330b优选地由比间隔层330的第一部分330a更软的材料制成，该第一部分330a由传感器100的第一部分100a构成。在备选方案中，通过在传感器的第一部分100a中具有间隔层330，使得间隔层330不延伸到传感器的第二部分100b，可提高相对回弹性(参见图8b1)。
参考图8b1、图9b、图9d、图10和图11，在实施例中，电容式传感器包括第二公共电势电极350。此外，间隔层330的部分布置在第二公共电势电极350和第一电极224中间。以此方式，可测量第一电极224的另一电容，即其相对于第二公共电势电极350的电容。此外，当第二公共电势电极350的至少部分与第一电极224的至少部分重叠时，另一电容对压力敏感。因此，在实施例中，至少这些电极224、250的部分以这样的方式重叠。第二公共电势电极350可以以类似的方式加上必要的变更来与第二电极225重叠。已关于第一公共电势电极340的材料而讲述的内容适用于第二公共电势电极350的材料。
参考图2a、图5a、图5b和图6a，优选地，多层导体结构200包括第二导电线223。第二导电线223的至少部分可布置在柔性且可拉伸的衬底210上，诸如在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。第二导电线223附接到第二接头227，第二接头227用于将第二导电线223连接到另一导电结构400，诸如柔性电路板410或连接器405。此外，第二导电线223从第二接头227经由传感器的第二部分100b延伸到传感器的第一部分100a，并进一步延伸到第二电极225。在实施例中，传感器的第一部分100a包括第二导电线223的第一部分。在实施例中，传感器的第二部分100b包括第二导电线223的第二部分。第二导电线223在上文针对这些用语讨论的含义中也是柔性且可拉伸的。已关于第一导电线222的材料而讲述的内容适用于第二导电线223的材料。优选地，第二电极225在上文针对这些用语讨论的含义中也是柔性且可拉伸的。已关于第一电极224的材料而讲述的内容适用于第二电极225的材料。
参考图9a和图9b，在实施例中，传感器100包括底层360。可压缩层100的部分布置在加强结构320和底层360中间。在图9a和图9b中，第一导电线222的部分布置在加强结构320和底层360中间。为了降低第二平面内刚度，在加强结构320的第二部分320b和第一导电线222的第二部分222b之间布置间隙312。因此，间隙312也布置在加强结构320的第二部分320b和底层360中间。在图9b中，间隙332也布置在加强结构320的第二部分320b和底层360之间。这样的间隙(312,332)在厚度的方向Sz上留在与相邻层(310,330)相同的水平处。对应地，间隙312可留在可压缩层310的水平处。本文中的水平指示在传感器的厚度的方向Sz上距加强结构320的距离。以类似的方式，间隙332可留在间隔层330的水平处。
然而，参考图9c和图9d，间隙312、332中的至少一个可利用软材料填充，以形成可压缩层310和/或间隔层330的一个或多个第二部分310b、330b。如果可压缩层310的第二部分310b的材料比可压缩层310的第一部分310a的材料更软，则传感器的修改的第二部分100b’的平面内弹性模量Y100b小于传感器的修改的第一部分100a’的平面内弹性模量Y100a。以此方式，多层导体结构的第二部分200b构造成在使用中吸收机械变形。在本文中，传感器100的第一部分100a包括可压缩层310的第一部分310a，并且传感器100的第二部分100b包括可压缩层310的第二部分310b。在这种情况下，电容式传感器100的第二部分100b内的相邻层310的材料比电容式传感器100的第一部分100a内的相邻层310的材料更软。
相同的发现也适用于间隔层330。如果间隔层330的第二部分330b的材料比间隔层330的第一部分330a的材料显著更软，则多层导体结构的第二部分200b构造成吸收机械变形。在本文中，传感器100的第一部分100a包括间隔层330的第一部分330a，并且传感器100的第二部分100b包括间隔层330的第二部分330b。在这种情况下，电容式传感器100的第二部分100b内的相邻层330的材料比电容式传感器100的第一部分100a内的相邻层330的材料更软。间隔层330(如果存在)的第二部分330b的材料可具有比间隔层330的第一部分330a的材料更低(例如至少低25％)的杨氏模量。
传感器100可包括另外的层。参考图10，传感器100可包括第二加强结构370，诸如第二加强层370；在这种情况下，加强结构320可被称为第一加强结构320。第一导电线222的部分和可压缩层310的部分布置在(第一)加强结构320和第二加强结构370中间。公共电势电极340(如果存在)的至少部分可布置在第一加强结构320和第二加强结构370中间。第二公共电势电极350(如果存在)的至少部分可布置在第一加强结构320和第二加强层结构中间。间隔层330(如果存在)的至少部分可布置在第一加强结构320和第二加强结构370中间。在本文中，用语“在...中间”是指厚度的方向Sz。然而，如果传感器100包括第二加强结构370和底层360两者，则优选地，第一加强结构320和第二加强结构370两者布置在底层360的同一侧上。因此，底层360可例如为了传感器的视觉外观和/或为了提高使用的舒适性而精加工。第二加强结构370可由上文已经讨论的适合于第一加强结构320的这样的材料制成。
参考图11，传感器100可包括顶层380。加强结构320、第一导电线222的部分和可压缩层310的部分布置在顶层380的同一侧上。因此，顶层380可例如为了传感器的视觉外观和/或为了提高使用的舒适性而精加工。优选地，顶层380由纺织品(合成或天然)制成。在实施例中，顶层380包括纤维材料。在实施例中，顶层380包括织造纤维材料。传感器可包括顶层380，即使不包括以下层中的一层或多于一层：第二加强层370、底层360、(第一)公共电势电极340、第二公共电势电极350和间隔层330。
因此，如上文详细讨论的，通过允许第一导电线222的第二部分222b相对于加强结构相对自由地移动，可提高可靠性。标识以下两种备选方案：
-使用其至少部分不在横向方向(即垂直于厚度的方向Sz)上延伸到远至第一导电线222的层(310,330)。结果，形成间隙312、332，这实际上降低了第二部分100b的平面内刚度；以及
-第二部分100b内的层(310,330)使用比第一部分100a内的层(310,330)更软的材料。
对于第一种选择，当另一部分(例如粘合剂314)不延伸时，层(310,330)的薄部分(例如主体310’)在横向方向上延伸就足够了，从而形成间隙。
即使在附图中未示出，也可能使用具有软区域(310b,330b，例如在第二部分100b内)和硬区域(在第一部分100a内)两者的层(310,330)，并且进一步具有这样的间隙(312,332)，使得该间隙留在接头226和软区域(310b,330b)之间。
此外，如上文详细讨论的，一方面，通过在第一部分100a内在厚度的方向Sz上将第一导电线222附接到加强结构320，并且通过在第二部分100b内在厚度的方向Sz上不将第一导电线222附接到加强结构320，可进一步提高可靠性。不附接可通过使用间隙(312,332)，或者在间隙被填充的情况下不将填充间隙的材料附接到至少在填充间隙的材料旁边的层来实现。
此外，修改的部分(100a’,100b’)的平面内刚度可如上文所讨论的那样设计，以进一步提高可靠性。可能性包括设计修改的部分(100a’,100b’)的弹性模量(Y100a,Y100b)和/或设计修改的部分(100a’,100b’)的厚度。
这样的传感器可用于多种应用中，这些应用包括但不限于服装，诸如手套、连指手套、鞋具(鞋、鞋垫、袜子)、头盔等。在服装中，特别地可指出两种应用：拳击手套和用于鞋具的鞋垫。其它应用包括用于测量质量的秤和例如用于多种用户接口设备的触觉传感器。
为此，图12示出传感器100，传感器100被成形为用于鞋具的鞋垫。包括诸如芯片的刚性构件420的测量电子器件布置于在使用中布置在脚弓下方的位置处。构件420附接到柔性板410，柔性板410附接到多层导体结构的第一导电线222，多层导体结构是柔性且可拉伸的。构件420、柔性板410和第一导电线222的部分布置在加强结构320下方。传感器100在加强层320之外横向地延伸，并且包括(也在加强结构320之外)多层导体结构200的部分和可压缩层310的部分；以及典型地还有公共电势电极340的部分。第一电极224形成多层导体结构200的线路的部分，并且布置在柔性且可拉伸的衬底210和柔性且可拉伸的保护层230中间。传感器100的第一部分100a和第二部分100b的可能选择在图12中指示。如上文所指示的，选择第一和第二部分(100a,100b)两者使得它们两者都包括加强结构320的部分。如上文所讨论的，修改的第一部分100a’的平面内弹性模量Y100a可大于修改的第二部分100b’的平面内弹性模量Y100b。此外，在图12的实施例中，在第一部分100a内，多层导体结构200例如使用粘合剂附接到可压缩层310。另外，在加强结构320之外，多层导体结构200附接到可压缩层310。当传感器用作鞋垫时，多层导体结构200由于不同的平面内弹性模量而通过变形吸收应力。即使图12示出仅具有两个电极的传感器100，该传感器也可根据需要设置有多个电极。例如，传感器100可设置有专利FI 127245中公开的电极配置。
图13a和图13b示出用于除了鞋垫之外的其它应用的传感器的一些其它形状。

Claims (31)

1.一种电容式传感器(100)，包括：
-第一导电线(222)，其为柔性且可拉伸的，
-可压缩层(310)，
-一体的加强结构(320)，以及
-第一电极(224)，其用于测量电容并联接到所述第一导电线(222)，其中，所述电容式传感器(100)能够被划分成：
-所述电容式传感器(100)的第一部分(100a)，所述第一部分(100a)在所述传感器的厚度的方向(Sz)上延伸通过所述传感器(100)，所述电容式传感器(100)的所述第一部分(100a)包括：
·所述加强结构(320)的第一部分(320a)，
·所述第一导电线(222)的第一部分(222a)，以及
·所述可压缩层(310)的第一部分(310a)，使得
·所述加强结构(320)的所述第一部分(320a)的至少部分在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上与所述可压缩层的所述第一部分(310a)的至少部分重叠，并且
·所述可压缩层(310)的所述第一部分(310a)的至少部分在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上与所述第一导电线(222)的所述第一部分(222a)的至少部分重叠，以及
-所述电容式传感器(100)的第二部分(100b)，所述第二部分(100b)在所述传感器的厚度的方向(Sz)上延伸通过所述传感器(100)，所述电容式传感器(100)的所述第二部分(100b)包括：
·所述加强结构(320)的第二部分(320b)，以及
·所述第一导电线(222)的第二部分(222b)，其中
-所述第一导电线(222)附接到第一接头(226)，所述第一接头(226)用于将所述第一导电线(222)连接到另一导电结构(400)，
-所述第一导电线(222)从所述第一接头(226)经由传感器(100)的所述第二部分(100b)延伸到所述传感器(100)的所述第一部分(100a)并进一步延伸到所述第一电极(224)，并且
[A]
-所述传感器(100)的所述第二部分(100b)包括所述可压缩层(310)的第二部分(310b)，其中
-所述可压缩层(310)的所述第二部分(310b)的平面内刚度小于所述可压缩层(310)的所述第一部分(310a)的平面内刚度，或者
[B]
-所述可压缩层(310)不延伸到所述传感器(100)的所述第二部分(100b)。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述另一导电结构(400)是柔性电路板(410)或连接器(405)。
3.根据权利要求1所述的电容式传感器(100)，其特征在于，
-所述可压缩层(310)的所述第二部分(310b)的杨氏模量小于所述可压缩层(310)的所述第一部分(310a)的杨氏模量，和/或
-所述可压缩层(310)的所述第二部分(310b)的厚度(T310b)小于所述可压缩层(310)的所述第一部分(310a)的厚度(T310a)。
4.根据权利要求1所述的电容式传感器(100)，其特征在于，
-在所述传感器(100)的所述第一部分(100a)内，所述第一导电线(222)的所述第一部分(222a)在所述传感器(100)的厚度的方向(Sz)上直接或经由至少一层附接到所述加强结构(320)的所述第一部分(320a)，并且
-在所述传感器(100)的所述第二部分(100b)内，所述第一导电线(222)的所述第二部分(222b)在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上不直接或经由至少一层附接到所述加强结构(320)的所述第二部分(320b)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，
-所述传感器(100)的修改的第一部分(100a’)具有第一平面内刚度，并且所述传感器(100)的修改的第二部分(100b’)具有低于所述第一平面内刚度的第二平面内刚度，其中
-通过从所述传感器(100)的所述第一部分(100a)移除所述加强结构(320)的所述第一部分(320a)，所述修改的第一部分(100a’)已经相对于所述传感器(100)的所述第一部分(100a)修改，并且
-通过从所述传感器(100)的所述第二部分(100b)移除所述加强结构(320)的所述第二部分(320b)，所述修改的第二部分(100b’)已经相对于所述传感器(100)的所述第二部分(100b)修改。
6.根据权利要求5所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述传感器(100)的所述修改的第一部分(100a’)具有第一平面内弹性模量(Y100a)，并且所述传感器(100)的修改的第二部分(100b’)具有低于所述第一平面内弹性模量(Y100a)的第二平面内弹性模量(Y100b)。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-柔性板(410)，其连接到所述第一导电线(222)。
8.根据权利要求7所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述柔性板(410)的至少部分与所述加强结构(320)的部分重叠。
9.根据权利要求8所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述柔性板(410)的线路连接到所述第一导电线(222)。
10.根据权利要求9所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述柔性板(410)的线路利用压接连接或利用传导性粘合剂来连接到所述第一导电线(222)。
11.根据权利要求10所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述传导性粘合剂是各向异性传导性粘合剂(ACF)。
12.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-刚性构件(420)，其
·布置在所述电容式传感器(100)的所述第一部分(100a)之外，并且
·电连接到所述第一接头(226)。
13.根据权利要求12所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述加强结构(320)与所述刚性构件(420)重叠。
14.根据权利要求7所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-刚性构件(420)，其
·布置在所述电容式传感器(100)的所述第一部分(100a)之外，并且
·电连接到所述第一接头(226)；其中
-所述柔性板(410)连接到所述第一导电线(222)，并且
-所述柔性板(410)连接到所述刚性构件(420)。
15.根据权利要求14所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述柔性板(410)利用线-板连接器连接到所述刚性构件(420)。
16.根据权利要求14所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述加强结构(320)与所述刚性构件(420)重叠。
17.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-多层导体结构(200)，其包括柔性且可拉伸的衬底(210)，其中，所述第一导电线(222)布置在所述衬底(210)上。
18.根据权利要求17所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述多层导体结构(200)进一步包括柔性且可拉伸的保护层(230)，所述柔性且可拉伸的保护层(230)形成与所述柔性且可拉伸的衬底(210)的第一界面(232)和与所述第一导电线(222)的第二界面(234)。
19.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，
-在所述电容式传感器(100)的所述第二部分(100b)内，所述第一导电线(222)迂回弯曲。
20.根据权利要求19所述的电容式传感器(100)，其特征在于，在所述第二部分(100b)内，所述第一导电线从第一点(P1)延伸到第二点(P2)，使得如沿着所述第一导电线(222)测量的这些点之间的距离大于这些点之间直线测量的距离。
21.根据权利要求20所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述第二点(P2)是所述第一接头(226)。
22.根据权利要求19所述的电容式传感器(100)，其特征在于，
-在所述电容式传感器(100)的所述第二部分(100b)内，所述第一导电线(222)在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上迂回弯曲。
23.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，
-所述传感器(100)的所述第二部分(100b)的至少部分在垂直于所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)的方向上布置在所述接头(226)和所述传感器(100)的所述第一部分(100a)中间，并且
-所述第一导电线(222)的在所述第二部分(100b)内延伸的这样的部分的长度(L222b)大于所述第一部分(100a)内的所述可压缩层(310)的厚度(T310a)。
24.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-第一公共电势电极(340)，使得
-所述可压缩层(310)的部分在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上布置在所述第一公共电势电极(340)和所述第一电极(224)中间。
25.根据权利要求24所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述第一公共电势电极(340)的至少部分与所述第一电极(224)的至少部分重叠。
26.根据权利要求1至4中的任一项所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-间隔层(330)，使得
-所述第一导电线(222)的至少部分在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上布置在所述可压缩层(310)和所述间隔层(330)中间。
27.根据权利要求26所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-第二公共电势电极(350)，使得
-所述间隔层(330)的部分在所述传感器(100)的厚度的所述方向(Sz)上布置在所述第二公共电势电极(350)和所述第一电极(224)中间。
28.根据权利要求27所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述第二公共电势电极(350)的至少部分与所述第一电极(224)的至少部分重叠。
29.根据权利要求17所述的电容式传感器(100)，其特征在于，包括：
-第二电极(225)；以及
-第二导电线(223)，其中
-所述第二导电线(223)附接到第二接头(227)，所述第二接头(227)用于将所述第二导电线(223)连接到另一导电结构(400)，
-所述第二导电线(223)从所述第二接头(227)经由所述多层导体结构的第二部分(200b)延伸到所述多层导体结构的第一部分(200a)并进一步延伸到所述第二电极(225)。
30.根据权利要求29所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述另一导电结构(400)是柔性电路板(410)或连接器(405)。
31.根据权利要求29所述的电容式传感器(100)，其特征在于，所述加强结构(320)的所述第一部分(320a)的至少部分与所述第二导电线(223)的部分重叠，并且所述加强结构(320)的所述第二部分(320b)的至少部分与所述第二导电线(223)的部分重叠。
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