JP2009501326A - Large surface distributed pressure sensor based on polythiophene - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも一層が、式(I):
(I)
(式中、R1とR2は、独立的にC1−C12アルキル基を表すか、任意選択でC1−C12アルキル、C2−C12アルケン、ビニレン、ベンジル、フェニル、ハロゲン基によって置換された、または任意選択でC1−C12アルキル基で置換されたエステル、アミノ、アミドもしくはエーテル官能基によって置換されたC1−C121,n−アルキレン基(n=1〜12)を形成する)を有する繰り返し構造を含有するポリチオフェンの層で全面的あるいは部分的に被覆された少なくとも二層のフレキシブル基材と、一個または複数個の絶縁スペーサと、を有する大表面分布型圧力センサに関する。本発明のセンサは、フレキシブルで、製造が容易で、要求に応じて相異なる単層または多層の対称構造を有し得る。In the present invention, at least one layer is represented by the formula (I):
(I)
Wherein R 1 and R 2 independently represent a C 1 -C 12 alkyl group, or optionally a C 1 -C 12 alkyl, C 2 -C 12 alkene, vinylene, benzyl, phenyl, halogen group. A C 1 -C 12 1, n-alkylene group (n = 1-12) substituted by an ester, amino, amide or ether functional group substituted by or optionally substituted by a C 1 -C 12 alkyl group A large surface distributed pressure having at least two layers of a flexible substrate covered entirely or partially with a layer of polythiophene containing a repeating structure having a) and one or more insulating spacers It relates to sensors. The sensor of the present invention is flexible, easy to manufacture, and may have a single-layer or multi-layer symmetric structure as required.
Description
本発明は、ポリチオフェンをベースとする大表面積の分布型圧力センサに関する。より具体的には、本発明は、ポリチオフェン類似の化合物で被覆し、好適な絶縁スペーサを使って相異なる構造にアセンブリされたフレキシブルシートに関する。前述の構造としては、特に、対称構造、単一構造、および多層構造を含む。本発明のデバイスは、フレキシブルで、製造が容易で、センサ要素としてポリチオフェンタイプの本質的に導電性のポリマを使用する。 The present invention relates to a distributed pressure sensor with a large surface area based on polythiophene. More specifically, the present invention relates to a flexible sheet coated with a polythiophene-like compound and assembled into different structures using suitable insulating spacers. Such structures include, in particular, symmetrical structures, single structures, and multilayer structures. The device of the present invention is flexible, easy to manufacture, and uses a polythiophene-type intrinsically conductive polymer as the sensor element.
分布型圧力センサは、柔らかい物体に加わる力または圧力を決定するのに、例えば、椅子に座っている人のインタフェース圧力を測定するのに有用である。この適用のためには、センサがフレキシブルであることが必要であるが、それは椅子の湾曲形状に厳正に従い、及ぼされた力を適正に測定するためである。さらに、当該センサは、十分に薄くし、読み誤差を導入しないようにしなければならない。このタイプのセンサは、通常、0.1mm〜数mmの厚さを有する。表面の相異なるポイントで圧力を測定するには、分布型センサの各エレメントのセンサ領域は、可能な限り小さいことが必要である。一般に、使用されるセンサのエレメントの数に基づいて分類すると、単一センサと、n×n個のエレメントから成るアレイ形式センサとに分類される。これらは、さらに、出力信号に基づいて、2個の出力信号を有するセンサ(オン−オフ形式)と2個超の出力信号を有するセンサ(アナログまたはデジタル形式センサ)とに分類することができる。 Distributed pressure sensors are useful for determining the force or pressure on a soft object, for example, measuring the interface pressure of a person sitting in a chair. For this application, the sensor needs to be flexible in order to strictly follow the curved shape of the chair and to properly measure the applied force. In addition, the sensor must be sufficiently thin so as not to introduce reading errors. This type of sensor usually has a thickness of 0.1 mm to several mm. In order to measure pressure at different points on the surface, the sensor area of each element of the distributed sensor needs to be as small as possible. In general, classification based on the number of sensor elements used can be divided into single sensors and array type sensors consisting of n × n elements. These can be further classified on the basis of output signals into sensors with two output signals (on-off type) and sensors with more than two output signals (analog or digital type sensors).
フレキシブル圧力センサに必要な性能は、通常、従来の硬い材質のセンサに必要な性能より低く、5%〜10%の測定不正確さは許容し得る。フレキシブル圧力センサは、通常、一連の行と列のエレメントから成るマトリックス形式の配列で構成される。n×n個のセンサエレメントから成るフレキシブル圧力センサは、当該センサのn2個の領域上に示される圧力分布に関するデータを提供する。このデータは、センサエレメントによって提供された抵抗変化の測定値を電圧または強度に変換することによって、電子信号の形で収集される。このようにして得られたデータは、その解像度を最適化し、その解釈を簡素化するために線形化される。測定精度を向上するため、相異なるセンサエレメントは、対応するゲインとオフセットを調節したり、または較正曲線を確立したりすることによって較正される。このように処理されたデータを使用して、2次元および3次元の圧力マップをリアルタイムに作製可能である。 The performance required for flexible pressure sensors is usually lower than that required for conventional hard material sensors, and measurement inaccuracy of 5% to 10% can be tolerated. A flexible pressure sensor typically consists of a matrix-type array of a series of row and column elements. A flexible pressure sensor consisting of nxn sensor elements provides data relating to the pressure distribution shown on n 2 regions of the sensor. This data is collected in the form of an electronic signal by converting the resistance change measurement provided by the sensor element into a voltage or intensity. The data thus obtained is linearized in order to optimize its resolution and simplify its interpretation. In order to improve the measurement accuracy, different sensor elements are calibrated by adjusting corresponding gains and offsets or by establishing a calibration curve. Using the data processed in this way, 2D and 3D pressure maps can be generated in real time.
分布型圧力センサの開発のために存在する相異なる技術としては、特に、圧電気エレメントを使用する技術の他に、空気圧、油圧、抵抗および容量の変化を使用する技術を挙げ得る。圧電気を使用する技術は、静的測定には使用不可能である。これらのセンサでは電流ロスが生じ、応答信号が時間の経過に従ってゼロになるからである。空気圧および油圧の技術に基づくセンサは、極めて複雑なアセンブリと大きな厚さを必要とするので、フレキシブルセンサに適用するには限界がある。今日では、抵抗および容量の変化を使用する技術が、フレキシブル圧力センサに対して最も多用されている。 Different technologies that exist for the development of distributed pressure sensors may include, among other things, technologies that use changes in air pressure, hydraulic pressure, resistance, and capacity, as well as technologies that use piezoelectric elements. Techniques using piezoelectricity cannot be used for static measurements. This is because current loss occurs in these sensors, and the response signal becomes zero over time. Sensors based on pneumatic and hydraulic technology require very complex assemblies and large thicknesses, which limits their application to flexible sensors. Today, techniques that use resistance and capacitance changes are most commonly used for flexible pressure sensors.
抵抗型センサの作動原理は、ピエゾ抵抗効果を示す材料に力または圧力を加えたときに当該材料に生じる電気抵抗の変化に基づく。容量型センサのケースでは、これらの作動原理は、2枚の平行板間にエラストマ非導電体を挟み込んで得られる構造の上に力または圧力を加えたときに生ずる容量の変化に基づく。この後者のタイプのセンサは、極めて精密、かつ高度に敏感、かつ安定に作動するエレクトロニクスを必要とするという欠点を有する。測定される容量の変化が、通常、ピコファラディ未満だからである。対照的に、抵抗タイプのフレキシブル圧力センサは、極めて簡単なエレクトロニクスを使用する。抵抗の変化は、数桁も大きく、多くのセンサ要素のアレイにとって重要な高速性を有し、そして電磁界に対する感応性もほとんど存在しない(容量型センサはこの点でも欠点を有する)からである。これらの従来のセンサの不利な点として、本発明者らが強調し得るのは、センサ特性が非直線性であることおよび使用サイクル数とセンサの履歴にセンサ応答が依存することである。さらに、これらのセンサの応答は、通常、温度と相対湿度に依存するので、センサが示す信号安定性が低くなり、寿命も十分には長くはなくなるおそれがある。 The principle of operation of a resistive sensor is based on the change in electrical resistance that occurs in a material that exhibits a piezoresistive effect when a force or pressure is applied. In the case of capacitive sensors, these operating principles are based on the change in capacitance that occurs when a force or pressure is applied over a structure obtained by sandwiching an elastomeric non-conductor between two parallel plates. This latter type of sensor has the disadvantage that it requires electronics that are extremely precise, highly sensitive and operate stably. This is because the measured change in capacitance is usually less than picofarady. In contrast, resistive type flexible pressure sensors use very simple electronics. The change in resistance is several orders of magnitude, has a high speed that is important for many sensor element arrays, and has little sensitivity to electromagnetic fields (capacitive sensors also have drawbacks in this regard). . As a disadvantage of these conventional sensors, we can emphasize that the sensor characteristics are non-linear and that the sensor response depends on the number of cycles used and the history of the sensor. Furthermore, the response of these sensors usually depends on temperature and relative humidity, so that the signal stability exhibited by the sensors is reduced and the lifetime may not be sufficiently long.
一般に、市場に存在するフレキシブル圧力センサは、三層で構成されている。すなわち、外側の上下二層は、フレキシブル材料(織布またはポリマ、米国特許第6,155,120号と米国特許第6,501,465号)で製造され、これに導電性の線材、通常、金属ワイヤ(米国特許出願第2003/0173195号と国際公開第99/39168号)または金属粒子充填導電性ペースト(米国特許第6,646,540号と米国特許第6,291,568号)またはカーボンブラック(米国特許第6,597,276号と国際公開第00/25325号)を被覆したものであり、中間層は、導電性インクタイプ(米国特許第5,652,395号と米国特許第5,838,244号)または非導電性エラストマ誘電体(米国特許第5,010,774号と国際公開第2004/061401号)から製造される感圧材料で製造されたものである。 Generally, a flexible pressure sensor existing in the market is composed of three layers. That is, the outer upper and lower two layers are made of a flexible material (woven fabric or polymer, US Pat. No. 6,155,120 and US Pat. No. 6,501,465) to which conductive wire, usually, Metal wire (US patent application 2003/0173195 and WO 99/39168) or metal particle filled conductive paste (US 6,646,540 and US 6,291,568) or carbon It is coated with black (US Pat. No. 6,597,276 and WO 00/25325), and the intermediate layer is made of a conductive ink type (US Pat. No. 5,652,395 and US Pat. No. 5). , 838,244) or non-conductive elastomer dielectrics (US Pat. No. 5,010,774 and WO 2004/064011). It is those prepared from a material.
水性分散物から処理し得る極めて安定な本質的に導電性ポリマのファミリであるポリチオフェン類を、分布型圧力センサの製造のための活性物質として使用することは、最新の技術情報にも記載されていない。米国特許第4,959,430号と米国特許第4,987,042号は、ポリ(エチレン−ジオキシ−チオフェン)に基づいて分散物を調製する相異なる手順を記載し、米国特許第5,766,515号と米国特許第5,370,981号は、エレクトロルミネセンス装置の透明電極としてこれらを使用すること、および静電プラスチックスを製造することを、それぞれ記載している。 The use of polythiophenes, a family of extremely stable intrinsically conductive polymers that can be processed from aqueous dispersions, as active substances for the manufacture of distributed pressure sensors is also described in the latest technical information. Absent. US Pat. No. 4,959,430 and US Pat. No. 4,987,042 describe different procedures for preparing dispersions based on poly (ethylene-dioxy-thiophene), and US Pat. No. 5,766. 515 and US Pat. No. 5,370,981 describe the use of these as transparent electrodes in electroluminescent devices and the production of electrostatic plastics, respectively.
従って、最新技術の欠点を克服する別法の大表面分布型圧力センサのための最新技術に対するニーズが依然として存在する。 Accordingly, there remains a need for an advanced technology for an alternative large surface distributed pressure sensor that overcomes the shortcomings of the state of the art.
本発明の目的は、少なくとも一層がポリチオフェンの層で全面的あるいは部分的に被覆されている少なくとも二層のフレキシブル基材と一個または複数個の絶縁スペーサとを有する大表面分布型圧力センサを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a large surface distributed pressure sensor having at least two layers of a flexible substrate and one or more insulating spacers, at least one layer of which is entirely or partially covered with a polythiophene layer. That is.
同様に、本発明の目的は、前記圧力センサを作製する方法を提供することである。 Similarly, an object of the present invention is to provide a method of making the pressure sensor.
本発明は、少なくとも一層が、式(I):
(式中、R1とR2は、独立的にC1−C12アルキル基を表すか、任意選択でC1−C12アルキル、C2−C12アルケン、ビニレン、ベンジル、フェニル、ハロゲン基によって置換された、または任意選択でC1−C12アルキル基で置換されたエステル、アミノ、アミドもしくはエーテル官能基によって置換されたC1−C121,n−アルキレン基(n=1〜12)を形成する)を有する繰り返し構造を含有するポリチオフェンの層で全面的あるいは部分的に被覆された少なくとも二層のフレキシブル基材と、一個または複数個の絶縁スペーサと、を有する大表面分布型圧力センサを提供する。
In the present invention, at least one layer is represented by the formula (I):
Wherein R 1 and R 2 independently represent a C 1 -C 12 alkyl group, or optionally a C 1 -C 12 alkyl, C 2 -C 12 alkene, vinylene, benzyl, phenyl, halogen group. A C 1 -C 12 1, n-alkylene group (n = 1-12) substituted by an ester, amino, amide or ether functional group substituted by or optionally substituted by a C 1 -C 12 alkyl group A large surface distributed pressure having at least two layers of a flexible substrate covered entirely or partially with a layer of polythiophene containing a repeating structure having a) and one or more insulating spacers Provide a sensor.
本発明の文脈内では、「大表面分布型圧力センサ(large surface distributed pressure sensor)」は、大表面(1cm×1cm超)全体の圧力測定が可能となるセンサであって、ポイント圧力センサとは対照的にフレキシブルで曲面形状とし得るセンサである。 Within the context of the present invention, a “large surface distributed pressure sensor” is a sensor capable of measuring the pressure of the entire large surface (greater than 1 cm × 1 cm), In contrast, the sensor is flexible and can be curved.
本発明の全く新規な面は、センサ要素として上記のポリチオフェン(以下「本発明のポリチオフェン」と称する)を使用することである。従って、本発明のセンサの具体的な実施の形態では、ポリチオフェンのR1とR2の基は、メチレン、1,2−エチレンおよび1,3−プロピレンから選択されるアルキレン基を形成する。好ましい実施の形態では、前記R1とR2の基は、1,2−エチレン基を形成する。すなわち、本発明のセンサの実施の形態に使用する好ましいポリチオフェンは、ポリ(エチレン−ジオキシ−チオフェン)である。 A completely novel aspect of the present invention is the use of the above polythiophene (hereinafter referred to as “the polythiophene of the present invention”) as a sensor element. Thus, in a specific embodiment of the sensor of the present invention, the R 1 and R 2 groups of the polythiophene form an alkylene group selected from methylene, 1,2-ethylene and 1,3-propylene. In a preferred embodiment, the R 1 and R 2 groups form a 1,2-ethylene group. That is, the preferred polythiophene used in the sensor embodiment of the present invention is poly (ethylene-dioxy-thiophene).
本発明のセンサの別の一つの具体的な実施の形態では、フレキシブル基材は、フレキシブルプラスチック製シートである。好ましい実施の形態では、フレキシブルプラスチック製シートは、高融点または高ガラス転移温度を有するポリマ、好ましくはポリエチレンテレフタレートまたはポリカーボネートから製造される。別の一つの好ましい実施の形態では、フレキシブルプラスチック製シートは、可塑剤添加PVC、熱可塑性ゴム、繊維、またはポリマの布で製造される。 In another specific embodiment of the sensor of the present invention, the flexible substrate is a flexible plastic sheet. In a preferred embodiment, the flexible plastic sheet is made from a polymer having a high melting point or glass transition temperature, preferably polyethylene terephthalate or polycarbonate. In another preferred embodiment, the flexible plastic sheet is made of plasticized PVC, thermoplastic rubber, fiber, or polymer cloth.
本発明のセンサの別の一つの具体的な実施の形態では、フレキシブル基材は、非プラスチック製材料のシートである。 In another specific embodiment of the sensor of the present invention, the flexible substrate is a sheet of non-plastic material.
好ましい実施の形態の一つでは、フレキシブル基材は、セルロース誘導体材料のシート、好ましくはセルロースペーパのシートである。 In one preferred embodiment, the flexible substrate is a sheet of cellulose derivative material, preferably a sheet of cellulose paper.
好ましい別の一つの実施の形態では、フレキシブル基材は、織物材料のシートである。 In another preferred embodiment, the flexible substrate is a sheet of woven material.
好ましい別の一つの実施の形態では、フレキシブル基材は、フレキシブルガラスのシートである。 In another preferred embodiment, the flexible substrate is a sheet of flexible glass.
驚くべきことに、見出されたことは、本発明のポリチオフェンで被覆した二枚のフレキシブルシートを接触させ、その結果として両導電性フィルムが互いに近接するようにし(適切な絶縁スペーサを使用して)、両フィルム間に電圧差を確立させるとき、通過する電流は、所与の範囲の圧力で前記シートに加えられた圧力に直比例し、極めて高い圧力では、前記電流が、一定の値に飽和するということである。 Surprisingly, it has been found that two flexible sheets coated with the polythiophene of the present invention are brought into contact so that both conductive films are in close proximity to each other (using suitable insulating spacers). ), When establishing a voltage difference between the two films, the current passing through is directly proportional to the pressure applied to the sheet at a given range of pressure, and at very high pressures the current will be constant. It is saturated.
この効果は、前述のポリチオフェンに基づく分布型圧力センサの製造のために本発明に使用される効果であるが、使用された導電性フィルムの、nmレベルでの、ラフ(そして、同時に粘弾性)特性に起因すると考え得る。そのラフ特性は、原子力間顕微鏡(AFM)を使って図1に示されるようなものである。前記形態は、以下に説明されるように、前記ポリチオフェンの導電性粒子(電子伝導性)とドーパントとして使用されたポリアニオンの相対的に絶縁性の領域とを含むことで生ずる。従って、考え得ることは、ポリチオフェン被覆シートに加わる圧力が増大すると、nmスケールでの導電性接触ポイントの数は、最大可能の数の接触ポイントが到達されるある一定の圧力まで、増大し、従って、電流の値はその点で飽和するということである。圧力がフィルム材料の粘弾性特性によって緩和されると、電流値は、圧力がなくなるので大略初めの状態に戻る結果となる。 This effect is the effect used in the present invention for the production of the distributed pressure sensor based on the aforementioned polythiophene, but the rough (and simultaneously viscoelastic) of the used conductive film at the nm level. It can be attributed to the characteristics. The rough characteristics are as shown in FIG. 1 using an atomic force microscope (AFM). As will be described below, the form is caused by including conductive particles (electron conductivity) of the polythiophene and relatively insulating regions of the polyanion used as a dopant. Thus, it is conceivable that as the pressure applied to the polythiophene coated sheet increases, the number of conductive contact points on the nm scale increases to a certain pressure at which the maximum possible number of contact points is reached, and therefore The current value is saturated at that point. When the pressure is relieved by the viscoelastic properties of the film material, the current value will result in a return to roughly the original state since the pressure is gone.
短絡(圧力がないときの)を防止するためには、センサが直線性を保って応答する圧力範囲を調整するためにも、本発明の分布型圧力センサをアセンブリするとき、絶縁スペーサを使用することが便利である。前記スペーサは、圧力の決定範囲をカバーする好適な伸縮性モジュールの材料で製造するのが好ましい。そうすれば、センサが検出し得る圧力範囲は、その厚さと粘弾性特性に基づいて制御し得る。 In order to prevent short circuits (when there is no pressure), an insulating spacer is used when assembling the distributed pressure sensor of the present invention to adjust the pressure range in which the sensor responds in a linear manner. Is convenient. The spacer is preferably made of a suitable stretchable module material that covers the pressure range. Then, the pressure range that the sensor can detect can be controlled based on its thickness and viscoelastic properties.
従って、好ましい実施の形態では、絶縁スペーサは、シリコーン、発泡ポリマまたはエポキシ樹脂である。 Accordingly, in a preferred embodiment, the insulating spacer is silicone, foamed polymer or epoxy resin.
前述のように、酸化された状態の前記ポリチオフェンには、ポリマ鎖の遊離正電荷キャリアを安定化する作用を有するアニオン基を添加し得る。従って、本発明のセンサの具体的な実施の形態では、ポリチオフェンはアニオン系ドーパントを含有する。好ましい実施の形態では、前記アニオン系ドーパントは、無機アニオン、好ましくは、硫酸塩、塩化物、または臭化物アニオンである。別の一つの実施の形態では、前記アニオン系ドーパントは、スルホネートまたはホスフェート基を有する有機アニオン、好ましくはp−トルエンスルホン酸またはp−トルエンホスホン酸である。別の一つの好ましい実施の形態では、前記アニオン系ドーパントは、ポリマ系カルボン酸、好ましくはポリ(アクリル酸)、ポリ(メタクリル酸)またはポリ(マレイン酸)、ポリマ系スルホン酸、好ましくは、ポリ(スチレンスルホン)酸またはポリ(ビニルスルホン酸)、またはビニルカルボン酸およびビニルスルホン酸の他の重合可能のモノマ、好ましくはスチレンおよびアクリルまたはメタクリルモノマとのコーポリマとから選択される有機ポリアニオンである。さらに好ましい実施の形態では、前記ポリアニオンの分子量は、好ましくは、15,000〜300,000ダルトンである。 As described above, an anionic group having an action of stabilizing the free positive charge carrier of the polymer chain can be added to the oxidized polythiophene. Thus, in a specific embodiment of the sensor of the present invention, the polythiophene contains an anionic dopant. In a preferred embodiment, the anionic dopant is an inorganic anion, preferably a sulfate, chloride, or bromide anion. In another embodiment, the anionic dopant is an organic anion having a sulfonate or phosphate group, preferably p-toluenesulfonic acid or p-toluenephosphonic acid. In another preferred embodiment, the anionic dopant is a polymeric carboxylic acid, preferably poly (acrylic acid), poly (methacrylic acid) or poly (maleic acid), polymeric sulfonic acid, preferably poly Organic polyanions selected from (styrene sulfonic) acid or poly (vinyl sulfonic acid), or other polymerizable monomers of vinyl carboxylic acid and vinyl sulfonic acid, preferably copolymers of styrene and acrylic or methacrylic monomers. In a further preferred embodiment, the molecular weight of the polyanion is preferably 15,000 to 300,000 daltons.
本発明を実施し得る可能な構造に関して、最も簡単な構造は、ポリチオフェン導電性トラックが堆積された二枚の同一のフレキシブルシートで形成され、両シートの間に垂直に配置された絶縁スペーサで規則的に分離された対称構造である。このケースでは、前記スペーサの高さは、ポリチオフェン導電性トラックの高さより大きくなければならない。前記のように、非導電性絶縁スペーサは、これらがサンドイッチ状に組み合わされたり、任意選択でカプセル化されたりした後は、図2に示されるように、電流強度が頂部と底部のシートの間に印加されるとき、圧力が加わっていない場合は、両シートの導電性のトラックの間の電気的接触を防止する機能を有する。 Regarding the possible structures in which the present invention can be implemented, the simplest structure is formed by two identical flexible sheets on which polythiophene conductive tracks are deposited, ordered by insulating spacers arranged vertically between both sheets. Separated symmetrical structure. In this case, the height of the spacer must be greater than the height of the polythiophene conductive track. As mentioned above, after the non-conductive insulating spacers are combined in a sandwich or optionally encapsulated, the current intensity is between the top and bottom sheets as shown in FIG. When no pressure is applied, it has the function of preventing electrical contact between the conductive tracks of both sheets.
このように構成された圧力センサは、加えられた圧力に比例する電気信号を提供し、マトリックス配置(n行×n列)によってセンサのn2個の領域に対する圧力分布データを得ることが可能となる。さらに、検出可能な圧力の範囲は、使用されるスペーサの粘弾性特性に依存して修正し得る。 The pressure sensor configured in this manner provides an electrical signal proportional to the applied pressure, and can obtain pressure distribution data for n 2 regions of the sensor by means of a matrix arrangement (n rows × n columns). Become. Furthermore, the detectable pressure range can be modified depending on the viscoelastic properties of the spacer used.
前述の構成のバリエーションは、ポリチオフェン導電性トラックを備えるシートの一枚を他の導電性材料の堆積から製造された導電性トラックで置換することである。従って、本発明のセンサの別の一つの実施の形態では、ポリチオフェン導電性トラックが堆積され、絶縁スペーサで規則的に分離された一枚のフレキシブルシートと、トラックが他の導電性材料で堆積された非導電性フレキシブルシートとで形成された単一構造で、別の一つの実施の形態では、二個の電極を形成する単一構造が示される。 A variation of the foregoing configuration is to replace one sheet with polythiophene conductive tracks with conductive tracks made from deposits of other conductive materials. Thus, in another embodiment of the sensor of the present invention, a polythiophene conductive track is deposited, a flexible sheet regularly separated by insulating spacers, and the track is deposited with another conductive material. In another embodiment, a single structure formed with two non-conductive flexible sheets is shown.
本発明の文脈内では、「導電性材料」は、導電性の銀ペースト、黒鉛ペースト、銅のタイプの金属材料(銀、銅、ニッケルなど)、または溶液または分散物から堆積されたポリピロール、ポリアニリンまたはポリチオフェンのタイプの本質的に導電性のポリマを称する。 Within the context of the present invention, “conductive material” means conductive silver paste, graphite paste, copper type metal material (silver, copper, nickel, etc.), or polypyrrole, polyaniline deposited from solution or dispersion. Or refers to an intrinsically conductive polymer of the polythiophene type.
本発明に含まれる他の構造は、シートの上にポリチオフェンの均一堆積(例えば、フィルム)で得られるシートを使って得られるものである。 Other structures included in the present invention are those obtained using a sheet obtained by uniform deposition (eg, a film) of polythiophene on the sheet.
従って、本発明の具体的な実施の形態では、センサは三層で構成される。すなわち、ポリチオフェンの均一導電性層が堆積されたフレキシブルシートと、導電性材料のトラックが堆積された非導電性のフレキシブルシートと、ポリチオフェンの前記導電性シートの上に堆積された絶縁スペーサとから形成される。 Therefore, in a specific embodiment of the present invention, the sensor is composed of three layers. That is, formed from a flexible sheet on which a uniform conductive layer of polythiophene is deposited, a non-conductive flexible sheet on which tracks of conductive material are deposited, and an insulating spacer deposited on the conductive sheet of polythiophene Is done.
別の一つの具体的な実施の形態では、センサは、ポリチオフェンの均一導電性層が堆積されたフレキシブルシートと、導電性材料のトラックが堆積された非導電性のフレキシブルシートと、導電性材料のトラックを有する非導電性シートの上に堆積された絶縁スペーサとから形成される三層構造を有する。 In another specific embodiment, the sensor comprises a flexible sheet deposited with a uniform conductive layer of polythiophene, a non-conductive flexible sheet deposited with a track of conductive material, and a conductive material. It has a three-layer structure formed from insulating spacers deposited on a non-conductive sheet having tracks.
前記構造は、ポリチオフェンの均一堆積物を有するシートと、不均一電気絶縁層または絶縁スペーサと、導電性材料の堆積から得られた導電性トラックを有するシートとから形成され、特に、二個の電極を形成し得る多層構造である。電気絶縁層は、どのような他の層の上にも非導電性材料または高電気抵抗性材料を堆積させて製造し得るが、この電気絶縁層の構造、厚さ、および粘弾性係数は、相異なり得るので、上記の記載に基づいて、センサの測定範囲についてはどのようにも適応し、最適化を図ることが可能である。 The structure is formed from a sheet having a uniform deposit of polythiophene, a non-uniform electrically insulating layer or insulating spacer, and a sheet having conductive tracks obtained from the deposition of a conductive material, in particular two electrodes Is a multilayer structure capable of forming The electrical insulation layer can be manufactured by depositing a non-conductive material or a high electrical resistance material on top of any other layer, but the structure, thickness, and viscoelastic coefficient of this electrical insulation layer are Since they may be different, the sensor measurement range can be adapted and optimized in any way based on the above description.
本発明の別の一つの態様では、上記の記載に基づく大表面分布型圧力センサを作製する方法が提供される。本方法では、ポリチオフェンが、例えば、上述のように、フィルムの形で、またはトラックの形でフレキシブル基材の上に全面的にまたは部分的に堆積される。 In another aspect of the invention, a method of making a large surface distributed pressure sensor based on the above description is provided. In this method, polythiophene is deposited, in whole or in part, on a flexible substrate, for example, in the form of a film or in the form of a track, as described above.
本発明に使用されるポリチオフェンは、対応するモノマの酸化重合によって、または基材上に行うその場(in situ)重合法、例えば、参考文献のADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 14, 615-622, 2004に記載の方法によって、水溶液と溶媒ベースとを問わず、真溶液、コロイド状分散物、または微粒子の安定分散物から形成されるとき、フィルム形成能力を有する。好ましい溶媒としては、アルコール類、メタノール、エタノール、およびイソプロパノール、さらにはこれらのアルコール類と水、または他の水混和性有機溶媒、例えば、アセトンと水との混合物が挙げられる。好ましい酸化剤としては、過硫酸アンモニウム、三塩化鉄、およびトシル鉄が挙げられる。さらに、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(ビニルアセテート)などのタイプのポリマ系バインダ、およびシラン類や粘着性付与樹脂などのタイプの接着促進剤が、基材に高度に接着性のフィルムを容易に形成するために使用し得る。 The polythiophenes used in the present invention can be prepared by oxidative polymerization of the corresponding monomers or in situ polymerization methods carried out on the substrate, for example as described in the reference ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 14, 615-622, 2004. Depending on the method, it has film-forming ability when formed from true solutions, colloidal dispersions, or stable dispersions of fine particles, whether aqueous or solvent based. Preferred solvents include alcohols, methanol, ethanol, and isopropanol, as well as mixtures of these alcohols with water, or other water-miscible organic solvents such as acetone and water. Preferred oxidizing agents include ammonium persulfate, iron trichloride, and iron tosyl. In addition, polymer binders such as poly (vinyl alcohol) and poly (vinyl acetate), and adhesion promoters such as silanes and tackifying resins make it easy to make highly adhesive films on substrates. Can be used to form.
従って、前記方法の具体的な実施の形態では、ポリチオフェンは、対応するチオフェンモノマの酸化重合によって、水溶液と溶媒ベースとを問わず、真溶液、コロイド状分散物、または微粒子の安定分散物からフィルムとして堆積される。これらの好ましい実施の形態では、ポリ(ビニルアルコール)、またはポリ(ビニルアセテート)などのタイプのポリマ系バインダとシラン類や粘着性付与樹脂などのタイプの接着促進剤が、フレキシブル基材に高度に接着性のフィルムを容易に形成するために使用し得る。 Thus, in a specific embodiment of the method, the polythiophene is filmed from a true solution, a colloidal dispersion, or a stable dispersion of fine particles, whether aqueous or solvent based, by oxidative polymerization of the corresponding thiophene monomer. As deposited. In these preferred embodiments, polymer-based binders such as poly (vinyl alcohol) or poly (vinyl acetate) and adhesion promoters such as silanes and tackifying resins are It can be used to easily form an adhesive film.
前記方法の別の一つの実施の形態では、ポリチオフェンは、前記基材上に行うその場(in situ)重合法によって、水溶液と溶媒ベースとを問わず、真溶液、コロイド状分散物、または微粒子の安定分散物からフィルムとしてフレキシブル基材に堆積される。 In another embodiment of the method, the polythiophene is a true solution, colloidal dispersion, or microparticle, whether aqueous or solvent based, by an in situ polymerization method performed on the substrate. The film is deposited as a film from a stable dispersion of
フレキシブル基材の上に成膜する形としては、浸漬、噴霧、スピンコーティング技法などによって分散物または溶液を基材上に展開した(塗布した)後に液を直接蒸発させることによって行い得る。 Forming the film on the flexible substrate can be performed by directly evaporating the liquid after the dispersion or solution is developed (applied) on the substrate by dipping, spraying, spin coating technique or the like.
従って、前記方法の別の一つの実施の形態では、ポリチオフェン溶液または分散物は、塗布、浸漬、噴霧、スピンコーティング技法などによってフレキシブル基材上に成膜して、後で溶媒を直接蒸発させることによって行われる。 Thus, in another embodiment of the method, the polythiophene solution or dispersion is deposited on a flexible substrate by coating, dipping, spraying, spin coating techniques, etc., and later directly evaporating the solvent. Is done by.
前記方法の別の一つの実施の形態では、ポリチオフェンは、導電性ポリマのリソグラフィ、選択的堆積の従来の方法を使用してトラックとして、インクジェット印刷によって、または機械的方法、好ましくは研削でフレキシブルシートから導電性材料を剥離することによってトラックとしてフレキシブル基材上に堆積される。 In another embodiment of the method, the polythiophene is a flexible sheet as a track using conventional methods of conductive polymer lithography, selective deposition, by ink jet printing, or by mechanical methods, preferably grinding. Is deposited on the flexible substrate as a track by peeling the conductive material from the substrate.
好ましい実施の形態では、導電性トラックは、n個のセンサに対応して2n個の電極を形成する。 In a preferred embodiment, the conductive track forms 2n electrodes corresponding to n sensors.
以下、本発明を3つの実施例で説明するが、いずれのケースも本発明の範囲を限定すると考えてはならない。 In the following, the present invention will be described in three examples, but any case should not be considered as limiting the scope of the present invention.
(実施例1)
<5cm×5cmのアクティブ領域を有する対称構造に基づく圧力センサの作製>
5cm×5cmのアクティブ領域と各々175μmの厚さを有し、ポリ(エチレン−ジオキシ−チオフェン)であってポリアニオンとしてポリ(スチレンスルホン)酸を含有するもの(PEDOT−PSS)の薄い層(1〜2μm)で被覆されたポリエチレンテレフタレート(PET)の二枚のフレキシブルシートから圧力センサを作製した。上記薄い層は、水中におけるエチレン−ジオキシ−チオフェン単量体の酸化重合によって、2.5%の固形物含有量である分散物から堆積されたものである。シートは、0.125mm厚さの両面接着性絶縁スペーサ(IS)を使って、対称サンドイッチ型構造にアセンブリされた(PET/PEDOT−PSS/IS/PEDOT−PSS/PET)。スペーサは、PEDOT−PSSを被覆したシートのエッジに沿って、幅0.5cmのフラットバンドとして配置した。このようにアセンブリされたデバイスは、両シートの間に電圧が印加されたとき、圧力が加えられない状態では、デバイスに電流が通る徴候は全く見られなかった。センサ表面に相異なる重さを加え、そして両シートの間に1Vの電圧差を印加するときに電流強度として測定されたセンサ応答が、図3に示される。
Example 1
<Preparation of pressure sensor based on symmetrical structure having active area of 5 cm × 5 cm>
A thin layer of 1 cm active area and 175 μm thickness each of poly (ethylene-dioxy-thiophene) containing poly (styrene sulfonic) acid as polyanion (PEDOT-PSS) A pressure sensor was prepared from two flexible sheets of polyethylene terephthalate (PET) coated with 2 μm). The thin layer was deposited from a dispersion with a solids content of 2.5% by oxidative polymerization of ethylene-dioxy-thiophene monomer in water. The sheet was assembled into a symmetrical sandwich type structure using a 0.125 mm thick double sided adhesive insulating spacer (IS) (PET / PEDOT-PSS / IS / PEDOT-PSS / PET). The spacer was arranged as a flat band having a width of 0.5 cm along the edge of the sheet coated with PEDOT-PSS. The device thus assembled showed no signs of current passing through the device when no voltage was applied when a voltage was applied between the sheets. The sensor response measured as current intensity when applying different weights to the sensor surface and applying a voltage difference of 1V between both sheets is shown in FIG.
(実施例2)
<1cm×1cmのアクティブ領域を有する単一構造に基づく圧力センサの作製>
1cm×1cmのアクティブ領域と175μmの厚さを有し、ポリ(エチレン−ジオキシ−チオフェン)であってポリアニオンとしてポリ(スチレンスルホン)酸を含有するもの(PEDOT−PSS)の薄い層(1〜2μm)で被覆されたポリエチレンテレフタレート(PET)の一枚のフレキシブルシートから圧力センサを作製した。上記薄い層は、水中におけるエチレン−ジオキシ−チオフェン単量体の酸化重合によって、2.5%の固形物含有量である分散物から堆積されたものである。エポキシ樹脂の点のマトリックスを、図4に示される構造の一つでこのシート上に堆積した(厚さ15μm)。導電性材料(銀)の二つの電極が堆積された別の一枚のフレキシブルシート(ポリエステル)を、上記のように得られたサンプルに接着した。アセンブリされたデバイスは、二つの電極の間で極めて高い電気抵抗(MΩのオーダー)を示した。センサ表面に相異なる重さを加えたときのセンサ抵抗の変化が、図5に示される。
(Example 2)
<Production of pressure sensor based on a single structure having an active area of 1 cm × 1 cm>
A thin layer (1-2 μm) of 1 cm × 1 cm active area and a thickness of 175 μm, poly (ethylene-dioxy-thiophene) containing poly (styrenesulfonic) acid as polyanion (PEDOT-PSS) ) Was used to produce a pressure sensor from a single flexible sheet of polyethylene terephthalate (PET). The thin layer was deposited from a dispersion with a solids content of 2.5% by oxidative polymerization of ethylene-dioxy-thiophene monomer in water. A matrix of dots of epoxy resin was deposited on this sheet (thickness 15 μm) in one of the structures shown in FIG. Another flexible sheet (polyester) on which two electrodes of conductive material (silver) were deposited was adhered to the sample obtained as described above. The assembled device showed very high electrical resistance (on the order of MΩ) between the two electrodes. The change in sensor resistance when different weights are applied to the sensor surface is shown in FIG.
(実施例3)
<5cm×5cmのアクティブ領域を有する対称構造に基づく圧力センサの作製>
5cm×5cmのアクティブ領域と各々105μmの厚さを有し、ポリ(エチレン−ジオキシ−チオフェン)であってポリアニオンとしてポリ(スチレンスルホン)酸を含有するもの(PEDOT−PSS)の薄い層(1〜2μm)で被覆されたセルロースペーパ(CP)の二枚のフレキシブルシートから圧力センサを作製した。上記薄い層は、水中におけるエチレン−ジオキシ−チオフェン単量体の酸化重合によって、2.5%の固形物含有量である分散物から堆積されたものである。シートは、0.125mm厚さの両面接着性絶縁スペーサ(IS)を使って、対称サンドイッチ型構造にアセンブリされた(CP/PEDOT−PSS/IS/PEDOT−PSS/CP)。スペーサは、PEDOT−PSSで被覆されたシートのエッジに沿って、幅0.5cmのフラットバンドとして配置した。このようにアセンブリされたデバイスは、両シートの間に電圧が印加されたとき、圧力が加えられない状態では、デバイスに電流が通る徴候は全く見られなかった。センサ表面に相異なる重さを加え、そして両シートの間に1Vの電圧差を印加するときに電流強度として測定されたセンサ応答は、実施例1のセンサで得られたものと同様であった。
(Example 3)
<Preparation of pressure sensor based on symmetrical structure having active area of 5 cm × 5 cm>
A thin layer of 1 cm active area and a thickness of 105 μm each, comprising poly (ethylene-dioxy-thiophene) and containing poly (styrenesulfonic) acid as a polyanion (PEDOT-PSS) A pressure sensor was produced from two flexible sheets of cellulose paper (CP) coated with 2 μm). The thin layer was deposited from a dispersion with a solids content of 2.5% by oxidative polymerization of ethylene-dioxy-thiophene monomer in water. The sheet was assembled into a symmetrical sandwich type structure using a 0.125 mm thick double-sided adhesive insulating spacer (IS) (CP / PEDOT-PSS / IS / PEDOT-PSS / CP). The spacer was arranged as a flat band having a width of 0.5 cm along the edge of the sheet coated with PEDOT-PSS. The device thus assembled showed no signs of current passing through the device when no voltage was applied when a voltage was applied between the sheets. The sensor response measured as the current intensity when different weights were applied to the sensor surface and a voltage difference of 1 V was applied between both sheets was similar to that obtained with the sensor of Example 1. .
Claims (27)
(式中、R1とR2は、独立的にC1−C12アルキル基を表すか、任意選択でC1−C12アルキル、C2−C12アルケン、ビニレン、ベンジル、フェニル、ハロゲン基によって置換された、または任意選択でC1−C12アルキル基で置換されたエステル、アミノ、アミドもしくはエーテル官能基によって置換されたC1−C121,n−アルキレン基(n=1〜12)を形成する)を有する繰り返し構造を含有するポリチオフェンの層で全面的あるいは部分的に被覆された少なくとも二層のフレキシブル基材と、
一個または複数個の絶縁スペーサと、
を有することを特徴とする大表面分布型圧力センサ。 At least one layer is of formula (I):
Wherein R 1 and R 2 independently represent a C 1 -C 12 alkyl group, or optionally a C 1 -C 12 alkyl, C 2 -C 12 alkene, vinylene, benzyl, phenyl, halogen group. A C 1 -C 12 1, n-alkylene group (n = 1-12) substituted by an ester, amino, amide or ether functional group substituted by or optionally substituted by a C 1 -C 12 alkyl group And at least two layers of a flexible substrate covered entirely or partially with a layer of polythiophene containing a repeating structure having
One or more insulating spacers;
A large surface distribution type pressure sensor characterized by comprising:
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