JP2015531877A - 単一層力センサ - Google Patents

Abstract

圧力の印加を感知するセンサが開示される。センサは、基板、導電素子及び電気活性層を含む。第１及び第２の導電素子は基板上に支持され、互いに離れて配置される長端部を有する。電気活性層は導電素子に対向して接着する共通表面を有する。電気活性層は導電素子間の層の一部において少なくとも１つの電気的特性を定義する。電気的特性は圧力の大きさに関連して変化するように構成されている。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は「SINGLE LAYER FORCE SENSOR（単一層力センサ）」と題する２０１２年９月１７日出願の米国仮特許出願第６１／７０１，８８４号の利益を主張し、当該出願の全内容は引用することにより本明細書に組み込まれている。

本発明は感圧センサに関する。特に本開示は単層圧力センサを作製する電気活性材料の使用に関する。

圧力センサは広範囲の応用に使用されている。ほとんどの圧力センサは導体間の空間又は隙間にまたがるたわみ素子に依存している。このようなたわみ素子は、小さな荷重を印加する間に導電素子に接触することによってセンサの偶発的な起動を避ける利点を有している。

ピエゾ効果に依存する圧力センサは、機械的位置又は圧力に応答して電気信号を生成する。しかし、ピエゾ材料は制御アルゴリズムの最大範囲まで汎用的に適用できる信号を生成できない。

制御アルゴリズムの異なった範囲に適用できる圧力センサの必要性が残っている。

圧力の印加を感知するセンサが開示される。センサは、基板、導電素子及び電気活性層を含む。第１及び第２の導電素子は基板上に支持され、互いに離れて配置される長端部を有している。電気活性層は導電素子に接着する共通表面を有している。電気活性層は導電素子間の層の一部において少なくとも１つの電気的特性を定義する。電気的特性は圧力の大きさに関連して変化するように構成されている。

電気的特性は抵抗又は容量であることができる。

ロジックデバイスは導電素子に結合され、電気的特性を決定するように構成されることができる。第１及び第２の導電素子は電源に接続されることができる。電気的特性は導電素子間に電圧差を発生する抵抗であることができる。電圧差は圧力の大きさに比例して変化する。

センサは、電圧差を利用して圧力の大きさを決定するように構成された校正器を含むこともできる。

電気活性層は量子トンネリング複合体（ＱＴＣ）又はナノチューブドープインク又はドープカーボンを含む。ドープカーボンは、例えば第２の基板上に印刷された、及び基板上に薄層されたインクであり、並びに導電素子である。

導電素子は異なったパターン、例えば正方形又は渦巻パターンを有することができる。正方形パターンは互いに嵌合するフィンガーを含むことができる。渦巻パターンは絡み合う導電素子を含むことが可能である。第１の導電素子は複数の第１のフィンガーを含むことができる。第２の導電素子は複数の第２のフィンガーを含むことができる。フィンガーはお互いの間が、例えば平行に、間隔を取って並べた配列で延びることができる。フィンガーは共通表面を挟んで交互に組むことができ、互いに間隔をあけて離れて複数の隣接する端部を形成する。また、フィンガーは異なった方向にも延びることができる。

第１のフィンガーは第１の幹線からも延び、第２のフィンガーは第２の幹線から延びることができる。第１の幹線は第１のくぼみを有することができる。第２の幹線は第２のくぼみを有することができる。第１及び第２のフィンガーは互いから反対方向にくぼみに延びることができる。くぼみは互いに向き合い、円状の圧力感知領域を定義する。

また、フィンガーは間隔を変えることができる。第１及び第２のフィンガーの１対は第１及び第２のフィンガーの他の対よりより狭い間隔を取って配置されることができる。より狭い間隔は圧力に対してより高い感度を提供するように使用されることができる。

電気活性層は感度を変えることもできる。いくつかの領域はフィンガー間で、より高い抵抗を有することができる。他の領域はフィンガー間で、より低い抵抗を有することができる。

電気活性層の電気的特性は特徴的な曲線、例えば、圧力と抵抗との間の関係を示すことができる。この特性は導電素子の長端部間の距離の関数として変化させることができる。例えば、距離の増加は圧力印加を検知する閾値を増加させる。また、導電素子の幅は閾値を増加させるように変化させることができる。また、距離又は幅の増加は特性曲線の曲率半径を増加させることができる。

導電素子又はフィンガーの幅及び／又は間隔は１０ミクロンから５００ミクロンまで及ぶことができる。例えばエアゾール噴射印刷のような印刷を用いて、下範囲は達成されることができる。より狭い間隔及びより狭い幅はカーボンインクを用いて導電素子を印刷することにより容易にできる。

電気活性層は第２の基板上に印刷され及び接着層を使用して導電素子に対向して接着した導電性カーボンインクを含むことができる。この接着層は、例えば５ミクロンの厚みで液体又は感圧接着剤で構成されている。

センサは電気活性層上に堆積したコーティングを含むことができる。コーティングは、例えば水に不浸透性であることにより環境から保護することができる。また、コーティングはセンサの特徴的な応答曲線を修正するように構成されることができる。例えば、コーティングはセンサの特性曲線の曲率半径を増加するように構成されることができる。コーティングは、例えばセンサの特徴的な応答曲線を修正するために、硬度、剛性、厚み、材料組成又は形状を変化させることができる。

コーティングは例えば、印刷、化学気相蒸着、原子層蒸着、スプレー又はディッピングによって適用できる。コーティング材料は例えば、パリレン、シリコーン及び誘電体を含むことができる。コーティングは電気活性層上又は電気活性層に接着する第２の基板として形成されることもできる。コーティングはドーム形状又は分離した単一厚み層であることができる。

電気活性層は調整可能な成形体を含む一部を備えることができる。調整可能な成形体は導電性ポリマー、例えばフェノール系レゾール又は導電性エラストマーを含むことができる。

電気活性層の上側は力−たわみ素子、例えばへこみ又は力−たわみ素子の接触領域を減少させる補助的機能を含むことができる。

他の実施において、第１及び第２の導電素子は電気活性層に対向して接着された同じ長さ及び幅を持つことができる。更に、導電素子は同じ方向に平行に延びることができる。それらは互いに等間隔で配置されることもできる。複数の第１及び第２の導電性素子は専用チャネルとして使用できる。例えば、導電素子は２５０から５００ミクロンメータまでの範囲の間隔と幅を有することができる。

図１は、圧力センサの模式図である。 図２は、図１の圧力センサのもう１つの模式図である。 図３は、図１の圧力センサへの力の印加を表す模式図である。 図４は、図１の圧力センサの導電経路を示す模式図である。 図５は、円形圧力センサの模式図である。 図６は、圧力センサの力−抵抗応答曲線である。 図７は、もう１つの圧力センサの力−抵抗応答曲線である。 図８は、いくつかの圧力センサのいくつかの力−抵抗応答曲線を示す。 図９は、圧力センサの修正された構成に応じて力−抵抗応答曲線の移動を示す。 図１０は、圧力を印加された導電性フィンガー素子の補充を示す模式図である。 図１１は、等置された導電性フィンガー素子を示す模式図である。 図１２及び１３は、導電性フィンガー素子の選択的な間隔を示す模式図である。 図１４は、圧力センサの電気活性層の選択的な修正を示す模式図である。 図１５は、機械的特徴を有する圧力センサの力−変位線図である。 図１６は、図１５の圧力センサの力−接触面積線図である。 図１７及び１８は、保護コーティングを有する圧力センサの模式図である。 図１９〜２２は、力応答曲線を修正するための機械的特徴を有する圧力センサの模式図である。 図２３及び２５は、専用信号線を有する圧力センサ、及び平行な導電素子の模式図である。 図２４及び２６は、専用信号線を有する圧力センサ、及び互いに嵌合する導電性フィンガーの模式図である。 図２７Ａ及び２７Ｂは、単一及び多層構造を組み合わせたハイブリッドセンサの模式図である。 図２８は、ハードウエア、ソフトウエア及び他の構成要素を含む圧力センサシステムの模式図である。

本明細書で使用される用語は特別な実施を記載するためでだけあり、本発明を制限することを意図していない。文脈上別段の意味を有することが明らかな場合を除き、本明細書に於いて、単一形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は複数形も含むことを意図している。用語「備える」及び／又は「備えている」は、本明細書で使用される時、明記された特徴、整数、工程、操作、素子、及び／又は構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、操作、素子、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除しないと更に理解されるであろう。

図１〜４を参照すると、本発明の実施は基板１２、複数の第１の導電素子１４、複数の第２の導電素子１６、及び電気活性層１８を含む圧力センサ１０を含む。導電素子１４、１６は基板１２上に支持され、長端部２０は互いに離れて配置されている。電気活性層１８は第１及び第２の導電素子１４、１６に対向して接着された共通表面２２を有している。電気活性層１８は少なくとも１つの電気的特性、例えば第１及び第２の導電素子間の抵抗を定義する。電気的特性は、例えば量子トンネリング複合体又はドープした材料の使用を通して、印加された圧力の大きさに関連して変化するように構成されている。圧力センサ１０はよりコンパクトで頑丈なハードウエアの隙間のない構造を含む優位性を提供する。また、導電素子１４、１６、電気活性層１８及び他の構成要素の形状及び配列は、センサの力−応答曲線の選択的な調整を可能にする。

下記の特許請求の範囲において対応する構造、材料、作業、並びに全ての手段又は工程及び機能要素の同等物は、特別に要求されたような他の要求された要素と組み合わせて機能を実施するための任意の構造、材料、又は作業を含むことを意図している。本発明の説明は例示及び説明の目的のために提示されており、開示された形態で本発明を網羅する、及び制限することを意図していない。
多くの修正及び変形は、本発明の範囲及び精神を逸脱しない範囲で当業者に明らかであろう。本発明の原理及び実際の応用を最もよく説明するために、及び当業者の他の人が意図された特定の用途に適合するように様々な変形でさまざまな実施のために本発明を理解することができるように、実施は選択されて記載された。

１つ以上のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせが利用可能である。コンピュータ可読媒体はコンピュータ可読信号媒体又はコンピュータ可読記憶媒体である。コンピュータ可読記憶媒体は例えば、電気的な、磁気的な、光学的な、電気磁気的な、赤外線の、若しくは半導体のシステム、装置、若しくはデバイス、又は前述の任意の適切な組み合わせであるが、これらに限定されない。コンピュータ可読記憶媒体の更に具体的な例（非排他的なリスト）は以下の、１つ以上の配線を有する電気的接続、ポータブルコンピュータディスク、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光学記憶デバイス、磁気記憶デバイス、又は前述の任意の適切な組み合わせを含むであろう。本明細書の文脈において、コンピュータ可読記憶媒体は命令実行システム、装置、又はデバイスによって、又は関連して使用のためのプログラムを含み又は記憶できる有形の媒体であり得る。

コンピュータ可読信号媒体は、例えばベースバンドで又は搬送波の一部として、その中に取り込まれたコンピュータ可読プログラムコードを有する伝播データ信号を含む。このような伝播信号は、電気磁気、光学、又はそれらの任意の適切な組み合わせを含む任意の各種形態をとることができるが、これらに制限されない。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体ではなく、命令実行システム、装置、又はデバイスによって、又は接続して使用のためのプログラムを通信、伝播、又は送信できる任意のコンピュータ可読媒体であり得る。

コンピュータ可読媒体に取り込まれたプログラムコードは、ワイヤレス、ワイヤライン、光ファイバケーブル、無線など、又は前述の任意の適切な組み合わせを含む任意の適切な媒体を用いて送信されることができるが、これらに限定されない。

本発明の態様の操作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、オブジェクト指向プログラミング言語、例えばＪａｖａ、スモールトーク、Ｃ＋＋など、及び従来の手続き型プログラミング言語、例えば「Ｃ」プログラミング言語又は同様なプログラミング言語を含む１つ以上のプログラム言語の任意の組み合わせで記述されることができる。プログラムコードはユーザのコンピュータ上で完全に、独立型のソフトウエアパッケージとしてユーザのコンピュータ上で部分的に、ユーザのコンピュータ上で部分的に及びリモートコンピュータ上で部分的に、又はリモートコンピュータ若しくはサーバー上で実行できる。後半のシナリオにおいて、リモートコンピュータはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）若しくはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを通してユーザのコンピュータに接続できる、又は外部のコンピュータに接続できる（例えば、インターネットサービスプロバイダを用いてインターネットを介して）。

本発明の態様は、本発明の実行に従う方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート説明図及び／又はブロック図、を参照して以下に記述される。フローチャート図及び／又はブロック図の各々のブロック、並びにフローチャート図及び／又はブロック図中のブロックの組み合わせは、コンピュータプログラム命令により実行されることを理解されるであろう。コンピュータ又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令がフローチャート及び／又はブロック図のブロック若しくはブロック（複数）において特定される機能／作業を実施するための手段を生成するように、これらのコンピュータプログラム命令は汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供されて機械を製造する。

コンピュータ可読メディアに記憶された命令が、フローチャート及び／又はブロック図ブロック若しくはブロックにおいて指定された機能／作業を実施する命令を含む製品を製造するように、これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、又は他のデバイスに特別な方法で機能するように命令できるコンピュータ可読メディアに記憶することもできる。

コンピュータ又は他のプログラマブル装置上で実行する命令が、フローチャート及び／又はブロック図ブロック若しくはブロック（複数）において指定された機能／作業を実施するためのプロセスを提供するように、コンピュータプログラム命令はコンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、又は他のデバイスに読み込まれることもでき、一連の操作工程がコンピュータ、他のプログラマブル装置、又は他のデバイス上で、コンピュータ実行プロセスを生成するように実行させる。

再び図１〜４を参照して、基板１２はその上に残留成分が支持される基板表面であり得る。例えば、基板１２は電気活性層１８の周辺形状に合致するような大きさと形状に作られている比較的固く、平坦な、平面状表面で構成される。このような特性は、介在する電気活性層１８及び導電素子１４、１６によって圧力に対して予想可能な応答を促進する。

任意の方法で基板１２の圧縮率は電気活性層１８及び導電素子１４、１６の補充を調整するように調整されることができる。例えば、圧縮率の増加は電気活性層を曲げ及びたわませ、並びに力の印加に対する応答を修正させる。追加の隣接する導電素子もたわみ、導電特性は変化する。柔らかい基板は、例えば自動車のインテリア又はテキスタイルでサポートされた制御等、表面用に適切な魅力的な柔らかい触感特性も有することができる。

基板１２は平坦とは異なった表面の外形、例えば曲線、凹凸のある又は角のある外形、を有することができる。表面の変化は様々な制御装置の外形に合うようにセンサ１０を適用することができる。例えば、丸い形状は窓に隣接する丸みのある表面に合う自動車の内装の窓の制御に使用されることができる。円柱状の形状はハンドルの周りを包むために使用できる。

基板１２は、望ましい制御力に基づいた制御装置に合わせるように異なった周囲の長さの形を有するように作ることもできる。例えば、帯形はセンサ１０に圧力を加えながら長く滑らす行為又はスワイプ操作用に使用されることができる。拡張した２次元形状は、力（Ｚ）の次元のみならず２つの次元（Ｘ−Ｙ）において感知を容易にする。円形状は、加圧とともに円周位置の検出又は円運動若しくはダイヤルする動作の検出のために使用されることができる。

一般に、基板１２は隣接して配置された第１及び第２の導電素子１４、１６の間で不用意な通信を防止するように、僅かに導電性を示すか又は全く導電性を示さないべきである。基板１２は、圧力センサ１０に対して圧力の印加中に導電素子間での電気的通信を容易にするように電気活性物質で構成されることもできる。

図２〜４に示されるように、基板は導電素子１４、１６の下に配置することができ、導電素子１４、１６の端部の前で終わる（図１に示すように）周辺部を有することができる。これにより端部は制御装置、増幅器、又は他のロジック若しくはハードウエアと通信のために、配線又は他の導電体に取り付けられる。

基板１２は厚みの範囲を有し、制御される対象物の下地表面の構造体であることができる。例えば、それはその上に導電素子１４、１６及び電気活性層１８が取り付けられた自動車内部の計器盤である。基板１２は導電素子及び電気活性層を支持するだけでなく、印加された力で「押し戻す」ことによりこれらの構成要素の圧縮を容易にする優位性を有する。

図１に示されるように、第１の導電素子１４は基板１２の１つの端部に向かって、基板１２の中心に延びている。第１の導電素子１４は、基板１２上で比較的長く及び間隔をあけて平行に配列された長方形の「フィンガー」形状を有する。フィンガーは、フィンガーとフィンガーとの間が等間隔で幅５０ミクロンまで製造されることができる。より小さな寸法、例えば１０ミクロン、はエアゾール噴射印刷のような代替製造プロセスを用いて達成されることができる。このような印刷は化学蒸着又は原子層蒸着も含むことができる。印刷された回路基板のエッチングも使用されることができる。より小さなフィンガーは導電カーボン及び銀や金よりマイグレーションする傾向の少ない他の材料から構成されることができる。

図１に示すように第２の導電素子１６は、基板１２の反対の端部に向かって基板１２の中心に延びている。第２の導電素子１６もフィンガー形状で第１の導電素子１４と同様に構成されている。それらが反対方向及び平行な構造であるため、第１及び第２の導電素子１４、１６は互いに嵌合できる。言い換えれば、フィンガーは第１及び第２の導電素子の間で基板１２の中央部分を横切って互い違いになっている。

第１及び第２の導電素子１４、１６はそれぞれ、ある形態の電源に取り付けた第１及び第２の導電体に結合している。この電源は導電素子間における電圧差を発生する。以下に記述するように、力の印加量及び面積は圧力センサ１０の導電素子間の電流の電導を可能にする。

図２〜４に示されるように、電気活性層１８は導電素子１４、１６上に広がり、導電素子１４、１６に対して位置決めされた、又はあるいは逆で導電素子１４、１６に接着された共通（図中、底）表面２２を有している。電気活性層１８は一貫した形状寸法又は厚みである必要はなく、代わりに導電素子１４、１６上に又はその近位に位置決めするようにあるタイプの表面を提供する必要があるだけである。例示された実施において、電気活性層１８は下部基板１２に対応する長方形型の比較的に薄い層である。

電気活性層１８は好ましくは印加された力で変化する電気的特性を有する。例えば、電気活性層１８はその上に作用する力又は圧力に応答して抵抗又は導電性／電気的特性を変えるように構成された感圧材料から構成されることができる。感圧材料は、力及び圧力が存在しない時には実質的に絶縁体として働き、より大きな力又は圧力が存在するに従って抵抗が低下する。弱い力と強い力の間で感圧材料は予想できる方法で力又は圧力に応答し、力が増加するにつれて抵抗が低下する。

感圧材料は例えば、カーボンナノチューブ導電性ポリマーであることができる。感圧材料は印刷プロセス、例えば、２次元若しくは３次元インクジェット若しくはスクリーン印刷、蒸着、又はエッチング、写真製版、若しくはミリングのような印刷回路技術により導電素子１４、１６上に適用できる。グラフェン又はグラフェン導電性ポリマーのようなより小さな粒子を有する感圧材料が使用される場合、感圧材料は蒸着のような印刷回路技術によっても適用できる。

他の実施によると、感圧材料は銀又は銅のような導電体をドープしたシリコーンポリマー材料であることができる。他の例によると、感圧材料はファウラー・ノルデハイム・トンネリングを使用する可変抵抗感圧材料である量子トンネリング複合体（ＱＴＣ）であることができる。センサにおけるＱＴＣ材料は圧力及び力が全く印加されない時、導電性粒子があまりに遠く離れて電導しないため絶縁体として働く。しかし圧力（又は力）が印加される時、電子がセンサの抵抗を変化させる絶縁層を変化させる絶縁層を通って通過できるように、導電性粒子は他の導電性粒子の近くに移動する。だから、センサでのＱＴＣの抵抗はセンサ上で作用する力又は圧力の関数である。

図３及び４に示されるように、力（Ｆ）の印加は第１の導電素子１４の１つと力に対して反対の第２の導電素子１６の１つとの間の下部導電経路（点線）の抵抗を減少させる。導電性フィンガー間の電圧差は、加えられた力の量に比例する抵抗の低下に比例して信号を生成する。

有利なことにフィンガーの大きさ、配置及び他の特性は、２つの導電体の間に挿入された電気活性層１８に期待される応答以上にセンサの特性応答曲線を修正するために使用することができる。例えば、図８に示されるように、２つの導電体の間に厚みを有して介在する電気活性層（ＱＴＣから構成される）を有する２層センサの特性曲線は２つの相対的に直線の間に非常に小さな「肘」を有する（即ち、非ＩＤフィンガーベースセンサ）。これは曲線７２によって示されている。この肘は低い閾値の力を印加した後の急激な変化を反映している。

特性曲線はより緩やかな応答特性を必要とするシステムに適用できないであろうが、例えば決定的なオン−オフスイッチ動作のための優位性を有している。例えば、ファジーロジックシステムはセンサの力−抵抗応答における緩やかな変化から恩恵を受けることができる。このような特性は、単一層センサ１０の導電素子１４、１６の上述したフィンガー構成を使用して、プログラムされるか又は特注で作られる。フィンガーの大きさ、長さ、及び組成の変化並びに他の形状は特性応答曲線を修正及び軟化することができる。例えば図８は、フィンガーの幅と同じ間隔の小さなＩＤフィンガー、例えば０．２５ｍｍを用いることの効果を示している。これは曲線７４により示されている。（図６は小さなフィンガーのための専用線図である。）抵抗の低下でより高い力の印加を必要とするので、２層センサの鋭い肘は平坦化され右に移動させられる。さらに大きなフィンガー、例えば０．３５ｍｍの幅と間隔を有するフィンガーは、曲線をさらに平坦に、及び右側に押し動かす。これは曲線７６によって示される。（図７は中間フィンガーの専用線図である。）

言い換えると、１つ以上のフィンガー形状、例えば幅若しくは間隔、又はフィンガー材料を修正することにより、結果として得られる圧力センサ１０の力−応答特性曲線は変えることができる。小さな及び中間のフィンガーの大きさ及び間隔では、曲線は抵抗スケール上で上側へ移動する。これは力の閾値「Ｆ」による抵抗の低下を引き起こし、その結果より大きな力の閾値を生じさせる。

センサ１０の特徴的な応答曲線はフィンガーの形状以外にも導電素子の形状により修正できる。例えば、フィンガーは絡み合う線の形、例えば渦巻パターンを基板１２上に形づくることができる。

図５は導電素子の別の代表的な形状を示している。図５に示されるように、第１の導電素子１４は左側にあり、第２の導電素子１６は右側にある。導電素子は円弧状線２４から延びるフィンガーの形状をしている。これらの線は互い嵌合する導電素子１４、１６の「幹」を形成している。線２４は曲線部分から離れて延びて電源及びコントロールと接続している。有利なことには、図５の圧力センサ１０の全体の円形形状はボタンスタイルのコントロールによく合っている。センサ１０は、ボタンのためのフィンガーチップの大きさよりむしろ他の目的のためにより大きくもできるであろう。

特に、追加又はより小さい若しくはより密接な間隔を有する導電素子の使用は基板１２の特性曲線に向かって曲線が移動するという結果につながる。例えば、図９は矢印でこの進行を示している。より小さいフィンガーの別の特性は、例えば図１０に示すようにより大きな面積上における圧力の印加で複数のフィンガーの補充である。例えば、加えた力の増加は接触面積を増加することができる。

より小さくより狭い間隔のフィンガーを使用するようにセンサ１０を修正することは、電気活性層１８に使用される材料の範囲を広げ、より感度の低い材料を含むことができる。例えば、カーボンインクの電気活性層１８はカバー層上にカーボンインクを印刷することにより形成されることができる。そしてカバー層は基板１２上の導電素子１４、１６の上に適用される。図１０に示されるように、増加した力又は圧力はマイクロフィンガー上の増加した接触面積に一致する。増加した接触面積は、数が増えた電気伝導経路を通って導電率を増加させる結果となる。

カーボンインクの一つの優位性は銀又は軟質材料より移動する可能性が少ない（一般的に）ことである。このため、カーボンインクは幅及び間隔が狭い導電素子に使用されることができる。カーボンインク電気活性層１８は小さい及び間隔の狭い素子１４、１６の使用により促進される曲線の移動を前提としてより高い抵抗特性をもつこともできる。この実施では、導電素子と電気活性層１８との間に小さな又は薄い層を有する優位性がある。この中間層は、例えば５ミクロン以上の液体接着剤又は感圧接着剤を含むであろう。図１９は、導電素子１４、１６上に電気活性層１８を吊るす粘着性セパレータ層３０を示す。

導電素子１４、１６は、例えばプリント回路基板エッチング、印刷、化学蒸着、原子層蒸着又はエアゾール噴射で基板上に堆積されることもできる。電気活性層１８は半調整可能な成形体の形で導電性プラスチック又はエラストマーを含むことができる。成形体は図２０に示すような許容特徴３２を含む許容特徴は上部の電気活性層１８を下部基板及び導電素子１４、１６上に吊るす。追加の成形体ユニット３４は、図２１に示すように一貫した圧力印加を容易にする形状及び接触位置を提供する。成形体ユニット３４は中央の厚みが厚くテーパの付いた端部を有する曲線状の成形体を含み、圧力印加の中央の接触区域の感度を高める。成形体ユニット３４は、場所の特定した変位の減少及び／又は感度向上のために図２２に示すようないくつかの曲線状のエンボスを含むことができる。

図１１〜１５はセンサ１０の感度に影響するフィンガーの幅、間隔及び他の形状を変える実施を示す。例えば、導電素子の間隔及び数はセンサ１０の感度を変化させるように変えられることができる。図１１は規則的な間隔を示し、一方、図１２はフィンガーが感知エリアの中央で間隔がより狭く配列されている実施を示す。中央から遠く離れる程、間隔は低下された感度のためにより大きくなる。

一方、図１３の実施は中央での低下された感度のために中央でより大きな間隔を有している。フィンガーの間隔及び大きさ、並びに他の形状は特定の力に対して感度を集中するためにセンサ１０を横切り変えられる。例えば、距離はスパイラルセンサの半径方向位置に基づいて変化するであろう。又は、帯の場合間隔及びフィンガーの幅は帯に沿って増加及び減少されることができる。導電素子の選択的に増加及び減少した距離並びに幅並びに数は低感度の電気活性層１８にとって特に有益であることができる。

図１４は、電気活性層１８がセンサ１０の選択的な感度のためにより高い又はより低い抵抗領域を含むように修正されることができる実施を示す。例えば、センサ１０の感知領域内の感知区域２６は比較的により低い又はより高い抵抗材料でドープされることができる。これは感知区域２６内の感度を弱め、又は強調する。他の恩恵は所定の領域内の接触感知の再現性である。感度の向上は、高感度材料、例えば量子トンネリング複合体の使用により得られることができる。

別の選択肢としてハイブリッドセンサ１０は単層構造及び多層構造とを結合して作られる。ハイブリッドセンサ１０の例は図２７Ａ及び２７Ｂに示されている。例えば、感知領域の部分は、電気活性層１８と導電素子１４、１６との間又は上部電極４２と電気活性層１８との間に、上部電極４２及び空間層又はギャップ４４を備えることができる。図２７Ａに示すように、電気活性層１８は上部電極４２に接着することができ、隙間は電気活性層１８と導電素子１４、１６との間に提供されることができる。あるいは、図２７Ｂに示すように、電気活性層１８は導電素子１４、１６に接着することができ、隙間４４は上部電極４２と電気活性層１８との間に提供されることができる。

フィンガー１４、１６はセンサ１０の特徴的な感度を設定するように修正されることもできる。例えば、フィンガーの幅はよりロバストな測定のために増加することができる。また、フィンガー材料は長さに沿ってより高い抵抗からより低い抵抗材料に変更することができるであろう。

機械的適応も圧力センサ１０の応答特性を修正するために行われる。例えば、図１５及び１６の特性曲線の形状は、どのように力−変位要素、例えばプランジャーが第１の電気活性層１８と導電素子１４、１６との間の中間層として使用されることができるかを示す。中間層は物理的なへこみ、例えばシリコーンドームキャップを有するたわみ素子を含むことができる。たわみ素子はより高い力で感知領域２６の外周に係合する補助的機能を含むことができる。図１５に示すように、特性曲線１５０１Ａの一部は、力がたわみ素子例えばドームキャップに加えられた時、圧力センサ１０の応答を示す。点１５０１Ｂにおいてドームキャップは設計された力に到達し、ドームキャップは１５０１Ｃで押しつぶれる。特性曲線１５０１Ｄの一部は、追加の力が加えられた時の圧力センサ１０の応答（例えば、電気活性層１８の応答）を示す。

図１７及び１８に示されるように、圧力センサ１０は電気活性層１８の表面を保護するためにコーティング層２８を含むことができる。封止された防水障壁及び環境条件に対して保護を提供するために、コーティング２８は有機又は無機材料であることができる。また、追加の力応答曲線特性を提供するために、コーティング２８は形状又は組成を変化することができる。例えば、コーティング２８の硬度、剛性、厚さ、形状又は材料タイプは変化する。コーティング２８は印刷、化学気相蒸着、原子層蒸着、スプレー又はディッピングにより適用されることができる。コーティング２８はパリレン、シリコーン、誘電体等を含むことができる。図１８に示されるように、コーティングは電気活性層１８の上部上に接着された第２の基板であることができる。

図２３及び２４に示されるように、圧力センサ１０複数の導電素子が使用され、それらの各々（又はいくつか）は専用チャネルを含む。

例えば、図２３及び２５に示されるように、直線３６の専用線は導電素子１４、１６のそれぞれの１つに接続している。複数の導電素子は、隣り合う平行な配列で狭い間隔で配置され、１つ又は２つの電気活性層１８上に延びている。この線型追跡３６は、例えば１０ｍｍ直径のセンサ末尾に接続又は圧着するために構成された張り出し部３８を含むことができる。

直線３６及び導電素子１４、１６の一部は異なった材料を含むことができる。例えば、それらは両方とも印刷された銀であることができる。又は、１つは印刷された銀及び他方は印刷されたカーボンであることができる。線幅及び間隔は上述のように、例えば２５０、３５０、又は５００ミクロン幅及び／又は間隔で変えることもできる。

図２４及び２６は、長方形電気活性層１８、及び互いに嵌合する等しい長さのフィンガー１４、１６を有する長方形圧力センサ１０の別の例を示す。各々のフィンガーは近接して積層された直線３６を経由する独自の専用チャネルを有し、フィンガー１４、１６の側縁部４０に沿って延びている。直線３６及びフィンガー１４、１６は全体が同じ銀又はカーボン材料から構成されることができる。又は、直線の接続部はフィンガーとは異なった材料、例えばフィンガーがカーボンの時は銀で構成されている。また、直線３６は電気活性層１８領域の外側に設ける又は印刷されることができる。圧力センサ１０は、フィンガー及び線幅並びに間隔が２５０から３５０又は５００ミクロンまでの範囲にあり、約１０又は１５ｍｍの外形寸法を有している。

専用チャネルはセンサ１０から読み出すための複数の出力線を提供する。これらの線からのこれらの出力は異なる距離にわたって互いに比較されることができる。抵抗は入力（印加された圧力）からの距離で増加するため、複数の出力線はセンサの長さに沿って移動するトラッキングを容易にすることができる。また、複数の出力線は余分な自己検査又は２回の解析結果を可能にする。センサ又はコンピュータロジックは、加えられた力又は圧力によって橋渡しさられた隣接する又は近位の線をチェックすることができる。複数の出力は、幅方向位置又は印加された力の領域を決定するためにも使用される。

図２８を参照すると、本発明の一実施に従ってセンサシステムを実行するように構成された中央サーバー５００、又は同様なネットワークエンティティの模式図が提供される。本明細書で使用されるように、名称「中央」は単にサーバーが複数のクライアント又は他のコンピュータデバイスのために提供する共通の機能性を記述するのに用いられ、他のコンピュータデバイスに対してサーバーの任意の集中配置を必要及び推測しない。図２８から理解されるように、本実施において中央サーバー５００は、システムインターフェース又はバス５４５を介して中央サーバー５００内の他の構成要素と通信するプロセッサ５１０を含むことができる。また、データを受信及び表示するためのディスプレイデバイス／入力デバイス５２０も中央サーバー５００に含まれることができる。このディスプレイデバイス／入力デバイス５２０は、例えばモニターと組み合わせて使用されるキーボード又はポインティングデバイスであることができる。中央サーバー５００は更にメモリ５０５を含み、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）５３５及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５３０の両方を含むことができる。サーバーのＲＯＭ５３５は基本入力／出力システム５４０（ＢＩＯＳ）を格納するために使用され、１つ以上のネットワークを越えて情報を転送するのに役立つ基本的なルーチンを含むことができる。

更に、中央サーバー５００は、様々なコンピュータ可読媒体、例えばハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、又はＣＤＲｏｍディスク上に情報を記憶するための少なくとも１つの記憶装置５１５、例えばハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、又は光ディスクドライブを含むことができる。当業者によって高く評価されるであろうように、各々の記憶デバイス５１５は適切なインターフェースによってシステムバス５４５に接続されることができる。記憶デバイス５１５及びそれらに関連するコンピュータ可読媒体は、中央サーバーのために不揮発性記憶装置を提供することができる。上述されたコンピュータ可読媒体は、当技術分野で周知の任意の他のタイプのコンピュータ可読媒体により置き換え可能であることに注意することが重要である。このような媒体は、例えば磁気カセット、フラッシュメモリカード、及びデジタルビデオディスクを含む。

多くのプログラムモジュールは様々な記憶デバイスによりＲＡＭ５３０内に記憶されることができる。このようなプログラムモジュールはオペレーティングシステム５５０及び複数の１つ以上（Ｎ）のモジュール５６０を含むことができる。モジュール５６０は、プロセッサ５１０及びオペレーティングシステム５５０の支援を受けて中央サーバー５００のオペレーションのある側面を制御することができる。例えばモジュールは、上述され、並びに図及び本明細書に開示された他の資料によって例示された機能を実行することができる。モジュールは、導電素子への電気活性層ベースの接続の電気的特性を決定するように構成された電気的特性決定モジュール５６２を含むことができる。更に、モジュールは導電素子間の電圧差を用いて圧力の大きさを決定するように構成された校正モジュール５６４を含むことができる。

この図中のフローチャート及びブロック図は、本発明の様々な実施に従って構成、機能、並びにシステムの可能な実施操作、方法及びコンピュータプログラム生成物を図示している。この点で、フローチャートの各ブロック又はブロック図は、モジュール、セグメント又は特定のロジック機能を実行するための1つ以上の実行可能命令を含むコードの一部を示している。いくつかの代わりの実施においてブロックに記載した機能は図に記載した順番と異なって現れるかもしれないことにも注意するべきである。例えば、連続して示される２つのブロックは事実、実質的に同時に実行される。又はブロックは該当する機能によって時々逆の順序で実行されることができる。ブロック図及び／又はフローチャート図の各々のブロック、及びブロック図及び／又はフローチャート図のブロックの組み合わせは、指定された機能若しくは動作、又は専用ハードウエア及びコンピュータ命令の組み合わせを実行する専用ハードウエアベースのシステムによって実行されることにも注意が必要であろう。

下記の特許請求の範囲において対応する構造、材料、作業、並びに全ての手段又は工程及び機能要素の同等物は、特別に要求されたような他の要求された要素と組み合わせて機能を実施するための任意の構造、材料、又は作業を含むことを意図している。本発明の説明は例示及び説明の目的のために提示されており、開示された形態で本発明を網羅する、及び制限することを意図していない。多くの修正及び変形は、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく当業者に明らかであろう。本実施は、本発明の原理及びその実際的な用途の最良の説明を提供し、それによって当業者が本発明を様々な実施で、また企図される特定の用途に適するように様々な修正を行って利用できるように、選択され説明された。

１０・・・圧力センサ
１２・・・基板
１４・・・第１の導電素子
１６・・・第２の導電素子
１８・・・電気活性層
２０・・・長端部
２２・・・共通表面
２４・・・弧状線
２６・・・感知領域
２８・・・コーティング
３０・・・接着セパレータ層
３２・・・許容特徴
３４・・・成形体ユニット
３６・・・直線
３８・・・張り出し
４０・・・側縁部
４２・・・上部電極
４４・・・隙間
７２・・・非ＩＤフィンガーベースセンサの曲線
７４・・・小さなＩＤフィンガーセンサの曲線
７６・・・中間のＩＤフィンガーセンサの曲線

Claims (64)

1. 圧力の印加を検知するセンサであって、前記センサは、
   基板と、
   前記基板上に支持され、間隔を取って互いに離れて配置される長端部を有する少なくとも第１及び第２の導電素子と、
   前記第１及び第２の導電素子に接着した共通表面を有する電気活性層と、を備え、前記電気活性層は前記第１及び第２の導電素子の間の層の一部に少なくとも１つの電気的特性を定義し、前記電気的特性は前記圧力の大きさに関連して変化するように構成される、センサ。
2. 前記電気的特性は抵抗である、請求項１記載のセンサ。
3. 前記第１及び第２の導電素子に接続され及び前記電気的特性を決定するように構成されるロジックデバイスを更に備える、請求項１記載のセンサ。
4. 前記第１及び第２の導電素子に接続される電源を更に備え、前記電気的特性は前記導電素子間に電圧差を生成する抵抗であり、前記電圧差は前記圧力の前記大きさに比例して変化する、請求項３記載のセンサ。
5. 前記ロジックデバイスは前記電圧差を用いて前記圧力の前記大きさを決定するように構成される校正器を含む、請求項４記載のセンサ。
6. 前記電気活性層は少なくとも1つの量子トンネル複合体又はナノチューブドープインクを備える、請求項１記載のセンサ。
7. 電気活性層は第２の基板上に印刷され、並びに前記基板上及び導電素子上に薄層にされたドープカーボンインクを備える、請求項１記載のセンサ。
8. 前記第１及び第２の導電素子は渦巻パターンを有する、請求項１記載のセンサ。
9. 前記渦巻パターンは互いに絡み合う、請求項８記載のセンサ。
10. 前記第１の導電素子は複数の第１のフィンガーを含み、及び前記第２の導電素子は複数の第２のフィンガーを含む、請求項１記載のセンサ。
11. 前記第１のフィンガーは前記第２のフィンガーの間に延びる、請求項１０記載のセンサ。
12. 前記第１のフィンガーは平行に間隔を取って並べた配列であり、前記第２のフィンガーは平行に間隔を取って並べた配列である、請求項１１記載のセンサ。
13. 前記第１及び第２のフィンガーは前記共通表面を横切って交互に組み、互いに間隔をあけて離れて配置される複数の隣接する端部を形成する、請求項１２記載のセンサ。
14. 前記第１及び第２のフィンガーは異なった方向に延びる、請求項１３記載のセンサ。
15. 前記第１のフィンガーは第１の幹線から延び、前記第２のフィンガーは第２の幹線から延びる、請求項１４記載のセンサ。
16. 前記第１の幹線は第１のくぼみを有し、前記第２の幹線は第２のくぼみを有し、前記くぼみは互いに向き合う、請求項１５記載のセンサ。
17. 前記第１のフィンガーは前記第２のくぼみに延びる前記第２のフィンガーと反対方向に、前記第１のくぼみに延びる、請求項１６記載のセンサ。
18. 前記フィンガー及び幹は円形の圧力領域を定義する、請求項１７記載のセンサ。
19. 第１及び第２のフィンガーの少なくとも１つの対は、第１及び第２の他の対よりも狭い間隔を有する、請求項１０記載のセンサ。
20. 前記より狭い間隔は、前記圧力に対してより高い感度の領域を定義する、請求項１９記載のセンサ。
21. 前記電気活性層は、第１及び第２のフィンガーの異なった対の間で色々な抵抗を有する、請求項１０記載のセンサ。
22. 前記色々な抵抗は、第1及び第２のフィンガーの少なくとも１つの対の間でより高い、請求項２１記載のセンサ。
23. 前記色々な抵抗は、第１及び第２のフィンガーの少なくとも１つの対の間でより低い、請求項２１記載のセンサ。
24. 前記電気的特性は特性曲線を示す、請求項１記載のセンサ。
25. 前記特性曲線は前記長端部間の距離の関数として少なくとも部分的に変化する、請求項２４記載のセンサ。
26. 前記距離の増加は圧力の前記印加の検知の閾値を増加させる、請求項２５記載のセンサ。
27. 前記導電素子の幅の増加は圧力の前記印加の検知の前記閾値を増加させる、請求項２６記載のセンサ。
28. 前記距離又は幅の少なくとも１つの増加は前記特性曲線の曲率半径を増加させる、請求項２７記載のセンサ。
29. 前記距離又は幅は１０ミクロンから．３５ｍｍまで変化する、請求項２８記載のセンサ。
30. 前記導電素子はエアゾール噴射印刷を用いて製造され、及び５０ミクロン以下の幅を有する、請求項２８記載のセンサ。
31. 前記長端部は５０ミクロン以下の間隔で離れて配置されている、請求項３０記載のセンサ。
32. 前記電気活性層は第２の基板上に印刷されたカーボンインクを備える、請求項３１記載のセンサ。
33. 前記導電素子は導電性カーボンインクを備える、請求項３１の記載のセンサ。
34. 前記導電素子は複数の互いに嵌合するフィンガーを含む、請求項３１記載のセンサ。
35. 前記電気活性層は接着層を用いて前記導電素子に対向して接着される、請求項３４記載のセンサ。
36. 前記接着層は少なくとも５ミクロンの厚みである、請求項３５記載のセンサ。
37. 前記接着層は液体又は圧力感知接着剤の少なくとも1つである、請求項３６記載のセンサ。
38. 前記電気活性層上に堆積されたコーティングを更に備える、請求項１記載のセンサ。
39. 前記コーティングは水に不浸透性である、請求項３８記載のセンサ。
40. 前記コーティングは前記センサの特性曲線を調整するように構成されている、請求項３８記載のセンサ。
41. 前記コーティングは前記センサの前記特性曲線の曲率半径を増加するように構成されている、請求項４０記載のセンサ。
42. 前記コーティングは印刷、化学気相蒸着、原子層蒸着、スプレー又はディッピングの少なくとも１つにより適用される、請求項４０記載のセンサ。
43. 前記コーティングはパリレン、シリコーン、及び誘電体から成る群の少なくとも１つを含む、請求項４０記載のセンサ。
44. 前記コーティングは前記電気活性層に接着した第２の基板を形成する、請求項４０記載のセンサ。
45. 前記コーティングは硬度、剛性、厚み、材料組成又は形状の少なくとも１つを使用して前記特性曲線を調整する、請求項４０記載のセンサ。
46. 前記コーティングはドーム形状を有する、請求項４０記載のセンサ。
47. 前記電気活性層の一部は少なくとも部分的に調整可能な成形体を含む、請求項１記載のセンサ。
48. 前記調整可能な成形体は導電性ポリマーを含む、請求項４７記載のセンサ。
49. 前記導電性ポリマーはフェノール系レゾールを含む、請求項４８記載のセンサ。
50. 前記半調整可能な成形体は導電性エラストマーを含む、請求項４７記載のセンサ。
51. 前記導電素子は印刷回路基板エッチング、印刷、化学蒸着又は原子層蒸着の少なくとも１つを用いることにより前記基板上に堆積される、請求項４７記載のセンサ。
52. 前記基板と反対側の前記電気活性層の面に結合された力−たわみ素子を更に備える、請求項１記載のセンサ。
53. 前記力−たわみ素子はくぼみを含む、請求項５２記載のセンサ。
54. 前記力−たわみ素子は前記力−たわみ素子の接触面積を減少させる補助的機能を含む、請求項５３記載のセンサ。
55. 前記電気活性層は、圧力の印加の増加とともに増加するように構成される導電特性を有する電気活性材料を含む、請求項１記載のセンサ。
56. エアゾール噴射印刷は化学蒸着又は原子層蒸着の少なくとも１つを含む、請求項３０記載のセンサ。
57. 前記第１及び第２の導電素子は前記電気活性層に対して接着する同じ長さ及び幅を有する、請求項１記載のセンサ。
58. 前記第１及び第２の導電素子は同じ方向に平行に延びる、請求項５７記載のセンサ。
59. 前記第１及び第２の導電素子は反対方向に平行に延びる、請求項５７記載のセンサ。
60. 複数の第１及び第２の導電素子を更に備える、請求項５７記載のセンサ。
61. 前記導電素子のそれぞれは専用チャネルを有する、請求項６０記載のセンサ。
62. 前記導電素子は平行な配列で互いに等間隔で配置される、請求項６０記載のセンサ。
63. 前記導電素子間の間隔は前記導電素子の幅に等しい、請求項６２記載のセンサ。
64. 前記間隔及び幅は２５０から５００ミクロンメータの範囲である、請求項６３記載のセンサ。

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