CN1204578C - 可变形开关装置 - Google Patents

Abstract

可变电阻用户接口，它包含可变形的导电材料和一种能随机械形变表现阻抗的变化的可变形的可变阻性元件，其特征在于具有织物状电极(10、12)、一个织物状可变阻性的元件(14)以及与外围电路连接的织物状构件。

Description

可变形开关装置

技术领域

本发明涉及电开关装置，尤其涉及可变形开关装置的结构组成，以及其在电流的开关和比例控制上的应用。

背景技术

这些装置的工作部件呈现的形态以及运行都类似常规的织物材料，从而可以用作用户接口(包括压力传感器)，尤其用在织物/可穿戴电子产品领域中。这种装置可以作为“硬”电子用户接口的替代品。通常这种装置可以通过商业化的织物制造工序生产，但是本发明并不局限于这种生产工序。

在本说明书中：

“织物”包括任何纤维的集合，比如编织品、非编织品、毡制品或是成簇的纤维，其中纤维包括有纱、单丝和多丝纤维。目前，纤维可以是天然的、半合成的、合成的、以及其混合物和金属、合金。

“电子的”包括电子电路中的“弱”电流和常被称为电气电路中的“强”电流。

“用户接口”包括任何一种其中的机械动作被以电阻或电导变化的形式纪录下来的系统。举例来说，机械动作可以是像手指压力和脚步这样有意识的身体动作，也可以是动物性运动，病态的身体运动，由于身体或非生命体温度变化引起的扩展和收缩，土木工程中结构的位移。

“机械形变”包括压力、延展、弯曲以及它们的组合。

发明内容

本发明提供一种可变电阻用户接口，包括：多个与相关电路连接的织物状可变形导电电极；以及一个能够根据机械形变而表现出阻抗的变化的织物状可变阻性元件，其作为一个涂层加在夹在所述电极中间的一个织物上。

本发明提供一种可变阻性用户接口，包括：一个能够根据机械形变而表现出阻抗的变化的织物状可变阻性元件，其形成为一个涂层并被加到与相关电路相连接的第一织物状可变形的导电电极；以及一个或多个第二织物状可变形的导电电极，其相邻于所述织物状可变阻性元件并连接到相关电路。

优选地，用户接口的各个部件的织物形式可以单独提供也可以与相邻的组件共享。

电极提供一个通向和离开可变阻性元件各侧的导电通路，电极通常是导电织物(它们可以是编织的、纺织的或非纺织的)、纱线、纤维、涂覆织物或印刷织物，电极全部地或部分地由诸如金属、金属氧化物这样的导电材料，或者由诸如导电聚合物(聚苯胺，聚吡咯和聚噻吩)或碳之类的半导体材料组成。用于向织物上涂覆或印刷导电层的材料可以包括油墨或聚合物，其中聚合物包含金属、金属氧化物或诸如导电聚合物或碳之类的半导体材料。理想的电极包括不锈钢纤维、单丝纤维和多丝纤维或可靠的导电聚合物，以在清洗织物的条件下提供耐久性。

电极可以由非导电的织物支撑，支撑物最好向电极外的区域延伸，以便同时支撑将要描述到的连接构件。

在电极和可变阻性元件之间产生所需电接触的方法可以是以下方法中的一种或几种：

a)导电细线可被纺织、编织、绣入支撑物的选定区域内，以便产生导电通路或者孤立的导电区域或电路；

b)导电织物可被缝制或粘合到支撑物上；

c)通过使用一些技术，比如喷洒、丝网印刷、数字印刷、直接涂覆、转移涂覆、喷射涂覆、气态沉积、撒粉式涂覆和表面聚合作用，可以把导电涂料或印刷油墨放置到支撑物上。

为了产生复杂的接触样式和进行重复性生产，最好是采取印刷方式，如果正确的使用了抗腐蚀这样的技术的话。

支撑物在电极区域外的延伸足以容纳将要描述的连接构件。它可以相对较小，使元件自身具有完整性，并可应用于一种用户装置，比如一件衣服。

此外它也可以作为一种用户装置的一部分，而电极和可变阻性元件仍装配在原处。它可以带有接线头，连接构件可以通过接线头把电流传递到其它导体。

该可变阻性元件在两片电极间提供可控的导电通路，它有多种构成形式，举例如下：

a)一个自支撑的层；

b)一个包含连续的或长纤维织物加强的层；

c)一种覆于织物表面的涂层，织物可以是布料、纱线或纤维。这种涂层最好含有如PCT/GB99/00205中所描述的颗粒状的可变阻性材料，并且可以包含例如聚亚安酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、硅树脂、或其他弹胶物这样的聚合物粘合剂。此外，可变阻性材料也可以是例如一种金属氧化物、导电聚合物(如聚苯胺，聚吡咯和聚噻吩)或碳。这种涂层可以通过例如直接涂覆、转移涂覆、印刷、填充或是喷洒这样的商业方法而被使用，；

d)它可能含有这样一种纤维，该纤维本身具有导电性或被挤压为含有PCT/GB99/00205中描述的可变阻性材料；

e)它可能被合并到或覆盖到两个电极之一，以便简化生产工序或提加某些情况下的耐久度。

该可变电阻通常包含一种聚合物和一种颗粒状导电材料。该导电材料可以存在于下述的一种或几种状态中：

a)元件的基本结构的一个组成部分；

b)落入缝隙中或粘附在表面的微粒；

c)由于导电粒子间相互作用形成的平面相(下述i或ii)，其上是元件的基本结构或一个涂层。

无论可变阻性元件中的导电材料存在于哪种状态中，都可以通过下述方式引入：

i)“裸露的”，是指未经预先涂覆处理，但可能在表面带有表面相的残余，所述表面相的残余与存储空间达到平衡或是在被混合入元件的过程中形成。这对状态a)和c)而言明显是可行的，但对于状态b)则可能导致物理性能上不够稳定的元件；

ii)轻度涂覆，是指携带钝化或排水材料的稀薄的涂层，或是携带在混合入元件时形成的该种涂层的残余。这与i)很相似，但能在制造中提供较好的可控性；

iii)聚合物涂覆，但是在无形变的时候可导电。有些颗粒状的镍/聚合物的混合物说明了这种情况，这种混合物中镍的含量很高以至于聚合物的物理性质即使能辨别出来也是非常微弱的。举例来说，对于容积密度在0.85-0.95的镍起始微粒混合物，这对应于通常超过10的镍/硅树脂体积比(脱水体积：无空隙固体)。方式iii)的材料能够在水悬浮液中使用。聚合物可以是弹胶物，也可以不是。方式iii)也能在制造中提供比方式i)更好的可控性；

iv)聚合物涂覆，但仅当有形变时可导电。这种情况可以由比方式iii)中提到的镍含量低的镍/聚合物混合物说明，其中镍含量低到足以使聚合物的物理性质能被辨别出来；而又高到一定程度，使得在混合过程中镍微粒和液状聚合物分解为颗粒，而不是凝聚成一大块。这对b)而言是较佳的方式，而对于a)和c)则并非必要。该方式对于本发明是十分可取的，在共同提交的申请PCT/GB99/00205中给出了更多的细节。另一种选择是使用通过碾碎下面v)中所述的材料制成的微粒。与i)和iii)不同，材料iv)不仅能对颗粒间的形变做出响应，同时也能对各个颗粒内部形变做出响应，而碾碎材料v)的灵敏度就稍差一些。在元件的生产中，材料iv)可以应用于水悬浮液。

v)嵌入块状的聚合物中。该情况仅与a)、c)相关。对于块状体内的形变和织物纤维之间的形变，该材料都能做出响应。

对于上述iv)和v)中所描述的较佳的可变阻性材料有一个通用的定义就是能够在产生形变的时候显示出量子隧道效应导电性(QTC)。当把某些导电的填充物与非导电的弹胶物质混合在一起，形成的聚合物合成材料就具有上述特性，其中所述填充物可以从粉末状金属或合金、上述元素与合金的导电氧化物、以及它们的混合物中选取，以某种可控方式与非导电的弹胶物质混合，从而填充物散布到弹胶物质中并在结构上保持完整，并且起始填充物粉粒中的空隙被弹胶物填满，同时填充物的颗粒在弹胶物质固化的过程中固定在了邻近的位置上。

织物状连接构件提供了通入和离开各个电极的导电通路，所述的导电通路具有高度柔韧性和耐久度，织物状连接构件可以包含例如在非导电的支撑织物、带子或胶布内的导电导轨。该导电导轨可以由导电细线制成，导电细线可以被纺织、编织、缝制或绣到非导电支撑织物的表面或内部。在电极的制造中，不锈钢纤维、单丝纤维和多丝纤维与导电细线一样方便。导电导轨也可以印制到非导电支撑织物上。在某些情况下，导电导轨可能需要被绝缘以避免电路短路，可以采取一些措施，比如用柔韧的聚合物包裹、封装到非导电织物中、或是在编织过程中实现隔离，就能做到这一点。另一种方法是纺制这类细线时就带有导电的芯线和不导电的护层。还有一种选择是如PCT/GB99/02402中所述，使至少一个连接构件由可变阻性材料构成，且材料已经过预压而具有导电性。

附图说明

图1示出了一个基本开关；

图2示出了一个能适应多个外部电路的开关；

图3示出了一个多按钮装置；以及

图4示出了一个位置感测开关。

具体实施方式

与合适的电子设备连接后，本装置可以在下列产品中用于数字开关、模拟开关、比例控制、压力感测、弯曲感测，例如：

电子设备的接口装置，例如：

计算机，PDA(个人数字助理)，个人音响设备，GPS(全球定位系统)；

家用设备，电视/视频设备，计算机游戏，电子乐器，玩具的

发光发热，钟和手表；

个人保健设备，如心律监测器，残疾和移动辅助设备；

汽车用户控制装置；

可佩带电子产品的控制装置；

教育辅助设备；

医疗设备，如压力感测绷带，敷料，衣服，床垫，运动背带；

运动产品，如体育运动传感器，身体接触项目(武术，拳击，击剑)中使用的传感器，可以探测并计量击打、拳击、刺击次数的身体护具，运动服装中的运动探测装置；

用于各种就座场合如大礼堂、等待室的座位传感器；

衣服和鞋的试穿；

存在感知器，如放置在地毯下，地板内或是墙皮里。

参照图1，基本的织物状开关/传感器装置包含2个自支撑的织物状电极10、12，所述电极10、12之间夹入可变阻性元件14，如PCT/GB99/00205中所述的，将携带大量空隙的颗粒状镍-硅树脂的水悬浮液用到尼龙织物上，就可制得所述可变阻性元件，其中镍/硅树脂混合的体积比为7∶1，能表现出量子隧道效应导电性。电极10、12和元件14被紧密接触固定在一起，以使得它们外观和功能上都好象是一个织物层。每个电极各自导电地连接到一个织物状的连接元件16，该连接元件由从电极10、12中延伸出来地尼龙带子18里的不锈钢细线组成。对电极10、12上的任何区域施加压力时，它们之间的阻抗减小；弯曲也能减小电极10、12之间的阻抗。

参照图2，在基本织物状开关/传感器装置的一个变形中，上层20是一个不导电的织物状支撑，在它下面粘合着由一块分立的导电子区域22构成的上电极，该导电子区域22导电地连接到连接构件24，连接构件24是支撑物20的延伸部分26中的一个导电导轨。可变阻性元件28与上述的元件12相似，但含有聚亚安酯粘合剂，可变阻性元件28作为下电极29的涂层使用，下电极29的面积大于上电极22。下电极与下连接构件24组合在一起，该连接构件24是在电极29的延伸部分26中的一个导电导轨。对子区域22施加压力时，元件22和29之间的阻抗发生变化。这样在上层20中有效地定义了一个单个的开关装置或压力感测区域22。

参照图3，这是一个多按钮的织物状开关/传感器装置，它与图2所示装置相似，除了在它的上层30下面粘合着3块分立电极。这3块电极由导电子区域32、34、36构成，所述导电子区域32、34、36彼此间由不导电的支撑织物绝缘，并能通过连接构件33、35、37分别与外部电路连接，其中连接构件33、35、37是支撑层30延伸出的部分31上的导电导轨。可变阻性元件38作为下电极39上的涂层使用；产生机械形变时它的阻抗会降低，因为它依靠元件38平面的低导电率甚至是零导电率。跟图2中一样，下电极39依靠导电导轨24和延伸部分26与外围电路电连接。对覆盖电极32、34、36的任何区域施加压力时，相应的电极与下电极39之间的阻抗降低。这有效地定义了3个独立的开关装置或是压力感测区域32、34和36，可以作为织物状键盘上的独立按键或是织物状的传感垫上独立的压力传感器。如果传感器要对弯曲做出响应，将提供与下层39相接触的其他电极，以测量该层平面上导电率的变化；同时外围电路将临时切换出对垂直于层39平面的方向上的测量。

参照图4，在一种阵列开关/传感器装置中，上层40和下层42各自包含平行的线状电极，所述的线状电极由被织入不导电的支撑织物中的一行行彼此绝缘的导电区44和一列列导电区46组成。导电区44、46都是被织入不导电的纱线之间的弯曲的细线。可变阻性元件48是一片携有镍/硅树脂QTC颗粒的织物薄片，在产生机械形变时阻抗降低，其中如图1那样，在织物中填入上述颗粒的水悬浮液可以得到该可变阻性元件。层48被支撑于层40和42之间并与电极44和46重合。当对层40或42的局部区域施加压力时，落入受压区域内的导电行44和导电列46的接合处的阻抗将降低。该装置可用作压力示意图，来对施加到织物状电极区域内的外力进行定位。通过把织物状电极的各个区域定义为按钮，该装置也可以作为多键的键盘使用。

一个电极是一片由20克/平方米的编织格网组成的织物，其中所述的格网含有金属化尼龙细线。可变阻性元件经过对如下材料的转移涂覆应用于上述织物中：

75％w/w体积比水基聚亚安酯(Impranil-Dow化学制剂)；以及

25％w/w镍/硅树脂QTC颗粒(尺度在45-70毫米之间)

并在110摄氏度下凝固到织物上。另一个织物状电极元件是另一片同样编织的格网。然后各个电极被缝制到一片面积较之稍大的不导电的支撑织物上。传感器与第一电极元件有涂层的一面装在一起，面向第二电极。彼此独立的包含金属化尼龙线的织物状连接元件被缝制到各个电极中，以保证与每个电极都有良好的电接触。在电极外的不导电支撑织物上装有2个金属按钉，它们与两根导电引线末端相接。然后将电路接到按钉上，这样一个传感器电路就完整了。

Claims (34)

1.一种可变电阻用户接口，包括：

多个与相关电路连接的织物状可变形导电电极；

以及一个能够根据机械形变而表现出阻抗的变化的织物状可变阻性元件，其作为一个涂层加在夹在所述电极中间的一个织物上。

2.根据权利要求1的用户接口，其中至少一个电极作为被纺织、编织或绣到不导电的织物上的导电细线而被支撑在该不导电的织物上。

3.根据权利要求1中所述的用户接口，其中至少一个电极是通过在支撑织物上使用导电印刷油墨制成的。

4.根据上述任何一个权利要求所述的用户接口，其中可变阻性元件由颗粒状可变阻性材料和一种弹胶物粘合剂组成。

5.根据权利要求4中所述的用户接口，其中可变阻性材料是一种聚合物的混合物，混合物中的填充物是从粉末状金属元素或合金、上述元素和合金的导电氧化物、以及它们的混合物中选取的，该填充物以某种受控方式与非导电弹胶物质混合，从而填充物散布到弹胶物质中并在结构上保持完整，并且起始的填充物粉粒中存在的空隙被弹胶物填满，同时填充物颗粒在弹胶物质凝固的过程中被固定在了邻近的位置上。

6.根据权利要求1的用户接口，包括至少一个支撑织物，其形成有一个延伸在所述电极的区域外侧的子区域，其中所述电极连接到导电织物状构件，该导电织物状构件被连接到相关电路，以及延伸到所述电极的区域外侧的所述子区域支撑至少一个所述导电织物状构件。

7.根据权利要求1的用户接口，其中所述电极被连接到织物状构件，所述织物状构件被连接到相关电路，并且所述织物状构件由导电材料构成，所述导电材料以导电导轨形式安置在支撑织物、带子和胶布的至少一个上或至少一个中。

8.根据权利要求7的用户接口，其中所述导电导轨被纺织、编织、缝制、绣入或印刷中的至少一个方式形成。

9.根据权利要求1所述的用户接口，其中至少一个电极包含被预压过的具有导电性的可变阻性材料。

10.根据权利要求6的用户接口，其中所述延伸到所述电极的区域外侧的子区域带有一个接线端，一个导电织物状构件在该接线端把电流传给其它导体。

11.根据权利要求1的用户接口，其中至少一个电极作为被缝制或粘接到不导电的织物的导电织品而被支撑在该不导电的织物上。

12.根据权利要求1的用户接口，其中至少一个电极作为被加到不导电的织物上的导电涂层而被支撑在该不导电的织物上。

13.根据权利要求1的用户接口，其中所述织物状可变阻性元件被固定为与每一个所述织物状电极紧密接触。

14.根据权利要求1的用户接口，其中所述织物状可变阻性元件由颗粒状导电聚合体和一种弹胶物粘合剂组成。

15.根据权利要求14的用户接口，其中所述导电聚合体是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩组成的组中的一个。

16.根据权利要求1的用户接口，其中所述可变阻性元件由颗粒状碳材料和一种弹胶物粘合剂组成。

17.根据权利要求1的用户接口，其中所述电极被连接到织物状构件，所述织物状构件被连接到相关电路，以及至少一个织物状构件包括被预压为可导电的可变阻性材料。

18.一种可变阻性用户接口，包括：

一个能够根据机械形变而表现出阻抗的变化的织物状可变阻性元件，其形成为一个涂层并被加到与相关电路相连接的第一织物状可变形的导电电极；以及

一个或多个第二织物状可变形的导电电极，其相邻于所述织物状可变阻性元件并连接到相关电路。

19.根据权利要求18的用户接口，其中至少一个电极作为被纺织、编织或绣到不导电的织物上的导电细线而被支撑在该不导电的织物上。

20.根据权利要求18的用户接口，其中至少一个电极是通过在支撑织物上施加导电印刷油墨而形成。

21.根据权利要求18的用户接口，其中所述可变阻性元件由颗粒状可变阻性材料和一种弹胶物粘合剂形成。

22.根据权利要求21中所述的用户接口，其中可变阻性材料是一种聚合物的混合物，混合物中的填充物是从粉末状金属元素或合金、上述元素和合金的导电氧化物、以及它们的混合物中选取的，该填充物以某种受控方式与非导电弹胶物质混合，从而填充物散布到弹胶物质中并在结构上保持完整，并且起始的填充物粉粒中存在的空隙被弹胶物填满，同时填充物颗粒在弹胶物质凝固的过程中被固定在了邻近的位置上。

23.根据权利要求18的用户接口，包括至少一个支撑织物，其形成有一个延伸在所述电极的区域外侧的子区域，其中所述电极连接到导电织物状构件，该导电织物状构件被连接到相关电路，以及延伸到所述电极的区域外侧的所述子区域支撑至少一个所述导电织物状构件。

24.根据权利要求18的用户接口，其中所述电极被连接到织物状构件，所述织物状构件被连接到相关电路，并且所述织物状构件由导电材料构成，所述导电材料以导电导轨形式安置在支撑织物、带子和胶布的至少一个上或至少一个中。

25.根据权利要求24的用户接口，其中所述导电导轨被纺织、编织、缝制、绣入或印刷中的至少一个方式形成。

26.根据权利要求18的用户接口，其中至少一个电极包括被预压为导电的可变阻性材料。

27.根据权利要求23的用户接口，其中所述延伸到所述电极的区域外侧的子区域带有一个接线端，一个导电织物状构件在该接线端把电流传给其它导体。

28.根据权利要求18的用户接口，其中至少一个电极作为被缝制或粘接到不导电的织物的导电织品而被支撑在该不导电的织物上。

29.根据权利要求18的用户接口，其中至少一个电极作为被加到不导电的织物上的导电涂层而被支撑在该不导电的织物上。

30.根据权利要求18的用户接口，其中所述织物状可变阻性元件被固定为与每一个所述织物状电极紧密接触。

31.根据权利要求18的用户接口，其中所述织物状可变阻性元件由颗粒状导电聚合体和一种弹胶物粘合剂组成。

32.根据权利要求31的用户接口，其中所述导电聚合体是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩组成的组中的一个。

33.根据权利要求18的用户接口，其中所述可变阻性元件由颗粒状碳材料和一种弹胶物粘合剂组成。

34.根据权利要求18的用户接口，其中所述电极被连接到织物状构件，所述织物状构件被连接到相关电路，以及至少一个织物状构件包括被预压为可导电的可变阻性材料。

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