KR20220039781A - 컴플라이언트 3축 힘 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20220039781A
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자카르야 엘모 후세인
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터치랩 리미티드
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Abstract

소프트 로봇 또는 전자 스킨에 통합될 수 있는 컴플라이언트(또는, 순응성) 3축 힘 센서가 개시된다. 상기 센서는 제1 배향의 열 전극들을 포함하는 제1 전극층; 상기 제1 배향과 직교하는 제2 배향의 열 전극들을 포함하는 제2 전극층; 힘이 가해질 때 양자 터널링, 전도율, 저항률, 또는 전하와 같은 적어도 하나의 특성을 변화시키도록 구성된 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 제공되는 힘-의존 활성층; 상기 활성층을 통해 외부로부터 가해진 힘을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 3차원 범프; 및 외력이 가해질 때까지 상기 센서의 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열된 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.

Description

컴플라이언트 3축 힘 센서 및 그 제조 방법
본 발명은 컴플라이언트(또는, 순응성) 3축 힘 센서 및 그러한 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
로봇과 기계가 인간과 유사한 방식으로 주변 세계와 상호 작용하려면 인간과 유사한 매우 민감한 촉각도 가져야 한다. 로봇에서 가장 모방하기 어려운 영역 중 하나는 인체에서 가장 밀도가 높은 신경 수용체 중 하나인 손바닥이다. 더욱이, 피부는 진동 주파수뿐만 아니라 다양한 힘/압력을 감지하기 위한 다수의 기계수용체들(mechanoreceptors)을 가지고 있다. 압력의 정적 감지는 로봇이 섬세한 물체를 다룰 수 있는 능력에서 가장 중요하다. 이를 위해, 압력 데이터를 제공하기 위해 다수의 촉각(tactile) 센서들이 만들어졌다.
현재 시장에 나와 있는 대부분의 센서들은 개별 힘 센서들 또는 기타 센서들로 구성된다. 이것들은 상대적으로 큰 표면적이라고 간주될 수 있는(또는, 큰 표면적을 가로지르는) 압력에 대한 스칼라 값만을 제공한다. 더 진보된 햅틱 정보(more advanced haptic information)를 제공하는 다른 것들(또는, 센서들)은 견고하지만 전체 로봇 손가락을 교체해야 하는 센서들을 포함한다.
그러나, 힘은 크기와 방향이라는 두 가지 구성 요소가 있는 벡터이다. 방향 정보/데이터는 수년 동안 로봇 공학(robotics)을 개선하는 데 큰 관심을 가져왔다. 크기와 방향을 모두 결정할 수 있는 센서를 일반적으로 3축 힘 센서라고 한다. 이러한 힘 토크 (F/T) 센서들은 로봇 엔드-이펙터 암(robotic end-effector arm)의 일부(또는, 부분)로(설명 끝에 나열된 참조 문헌 1 참조), 또는 최근에는 로봇 핑거-팁(robot finger-tips)의 힘 방향 구성 요소를 측정하는 데 주로 사용된다(설명 끝에 나열된 참조 문헌 2 참조). 이러한 센서들에 대한 많은 시도가 역사적으로 이루어졌으며, 그 중 더 최근의 센서들은 비교적 높은 밀도를 달성했지만 고체 상태 재료(또는, 물질) 및/또는 미세 기계 가공 기술(micromachining techniques)을 사용하여 이루어졌다. 힘 판독값은 주어진 표면 주위의 벤딩(또는, 굽힘)에 민감할 뿐만 아니라, 그들 중 다수는 굽힐 수 없으며 하드 로봇(또는, 단단한 로봇)에만 통합될 수 있다. 보다 최근에는, 로봇 모니터링은 물론 인간 모니터링을 위한 컴플라이언트(또는, 순응성) 촉각 시스템(compliant tactile systems)의 필요성이 실현되었다. 이러한 컴플라이언트(또는, 준수)/적합 압력 감지 시스템(compliant/conformable pressure-sensing systems) 중 다수는 전자 피부(e-skin) 유형으로 분류될 수 있다.
일부 최근 전자 스킨들 및 데이터 글러브들(data gloves)은 다수의 포인트들 또는 고밀도 촉각 정보를 제공하는 기능으로 만들어졌지만(설명 끝에 나열된 참조 문헌 3 및 4 참조), 대부분은 많은 현상을 측정하는 데 중요한 방향 정보를 제공할 수 없다. 이를 통해 로봇들은 물체를 잡고 지구와 같은 중력 환경에서 물체의 질량을 감지할 수 있을 뿐만 아니라 다른 물리적 현상 중에서도 보행 분석(gait analysis)을 위해 깔창의 지면 반력(ground reaction force)을 측정할 수 있다.
최근에, 완벽하게 순응하는(또는, 호환되는) 3축 힘 센서들을 만들기 위한 많은 시도가 있었다. 제조가 어렵고 유독성 누출을 일으킬 수 있는 로제트 스트레인 게이지(Rosette strain gauges)와 유사한 일부 디자인들을 갖는 eGaIn(공정 갈륨 인듐(eutectic gallium indium))(설명 끝에 나열된 참조 문헌 5 참조)과 같은 액체 금속을 사용하는 컴플라이언트 스트레인-게이지(compliant strain-gauges)의 다양한 디자인들, 부피가 큰 공압 챔버 기반 센서들, 자체-조정 탄소 나노튜브 어레이(self-adjusting Carbon Nanotube (CNT) arrays) 등 다양한 난해한 방법이 이를 위해 사용되었다.
이러한 감지 시스템(또는, 센싱 시스템) 중 하나를 고밀도로 통합하려는 경우, 매트릭스 어레이는 배선 고려 사항을 줄이고 전자 피부에서 차지하는 공간을 줄이기 때문에 필요하다. 이것은 금속, 전도성 액체, 또는 기타 방법(설명 끝에 나열된 참조 문헌 6, 7 및 8 참조)에 관계없이 정전 용량 감지에서 상당 부분 수행되었지만, 이러한 유형의 감지는 표면과 센서에서 발생할 수 있는 정전 용량 결합으로 인해 사용되는 기판(예: 인간의 피부, 금속 로봇)에 민감하다. 또한, 정전 용량 감지는 복잡한 판독 전자 장치를 필요로 하고 배경 전자기(electromagnetic, EM) 노이즈에 민감하여 많은 응용 분야에서 비실용적이다. 다른 방법도 사용되었지만, 모두 특정한 단점을 겪는다; 잠재적인 작동 및 감지(설명 끝에 나열된 참조 문헌 10 참조) 능력이 있는 압전 감지(설명 끝에 나열된 참조 문헌 9 참조)는 상당한 배경(background) 전자기 호환성(electromagnetic compatibility, EMC) 노이즈에 민감하고 정적 감지를 수행할 수 없다; 자기 감지(홀-효과 및 유도 방법 포함)(설명 끝에 나열된 참조 문헌 11~14 참조)는 배경 EMC 및 주변 자기장의 영향도 받으며, 그 중 일부는 로봇 자체 작동기(actuators)에 의해 생성될 수 있다.
또한, 대부분의 솔루션/시스템이 부족한 컴팩트한 전자기기 판독 시스템을 갖추면서 개조할 장치를 방해하지 않도록 전자 피부를 가능한 한 얇게 만드는 것이 가장 중요하다. 매우 유망하지만 다소 비싼 제조 공정이 최근에 개발되어 자체-조정 탄소 나노튜브 어레이는 우수한 사이클링 반복성과 함께 제조 공정 동안 측벽에서 성장하는 통합 어레이의 3축 정보를 판독하는 데 사용된다(설명 끝에 나열된 참조 문헌 15 참조).
양자 터널링 재료와 압전 저항형 복합체가 이전에 사용된 적이 있지만, 제안된 시스템 중 어느 것도 고도로 통합 가능(integratable)하거나 포장(wrappable)할 수 없다. 종종 유연한 배선은 재료가 너무 단단하거나 1축에서만 유연하거나 층이 충분히 얇지 않기 때문에 유연하지 않거나 충분히 컴플라이언트(또는, 유연)하지 않는다. 이러한 장치에 대한 아키텍처(architecture)는 일반적으로 4개의 직각으로 배열된 압력 센서들 또는 압력 감지 픽셀들(센서들(sensels)) 바로 위에 배치되는 토크로 힘을 변환하는 '범프(bump)'의 배치를 포함한다. 포스트가 팁에서 주어진 방향으로부터 힘을 받을 때, 이것은 측면 토크뿐만 아니라 하향력으로 변환된다. 결과적으로, 4개의 압력 센서들은 서로 다른 힘들/압력들을 경험한다. 이러한 각 센서의 저항 변화량을 측정하면 힘을 3D 데카르트 구성요소(3D Cartesian components)(F x, F y 및 F z)로 분석(또는, 해부)(dissect)하는 데 사용할 수 있다. 다양한 전극 구성을 사용하여 압전 저항형 재료에서 신호를 읽을 수 있다(설명 끝에 나열된 참조 문헌 16 참조).
현재까지, 압전 저항형 3축 센서 어레이를 만드는 데 가장 근접한 것은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)에 내장된 측벽과 마이크로 피라미드 어레이 구조를 포함하는 연동 구조(interlocked structure)를 포함한다(설명 끝에 나열된 참조 문헌 17 참조). 전자는 상대적으로 조밀한 3x3 어레이에 배치할 수 있다는 장점이 있지만, 0-225Pa의 매우 낮은 로드(loads)에서만 작동한다. 후자는 128Pa ~ 44kPa의 넓은 다이내믹 레인지(dynamic range)를 갖는다는 장점이 있다. 그러나, 매트릭스로 전개하기 어려운 데다 전체 구조가 수 밀리미터의 두께로 표면을 감쌀 수 없고 복잡성으로 인해 대향 생산이 매우 어려울 것이므로, 많은 양의 배선이 필요하다.
양자 터널링 복합 재료(QTC®) 재료는 1996년 David Lussey에 의해 발견되었다. 이들은 본질적으로 금속 입자와 비전도성 탄성중합체 결합제(elastomeric binder) 또는 매트릭스로 구성된 복합(또는, 복합체) 재료이다. 이러한 재료(또는, 물질)은 전류에 대한 저항이 매우 높으며 압력이 가해지지 않을 때 본질적으로 절연체(insulators)이다. 압력이 가해지면, 저항이 기하급수적으로 떨어지고, 이는 올바른 전기 회로(electrical circuitry)를 사용하여 측정할 수 있다. 그 이유는 금속 입자가 재료(또는, 물질)에 특정 농도로 분산되어 있지만, 서로 물리적으로 접촉하지 않기 때문이다. 압력을 가하면, 금속 입자가 서로 접근하고, 서로 접촉할 수 없음에도 불구하고, 전자가 양자 터널링으로 알려진 현상을 통해 한 입자에서 다른 입자로 점프할 수 있게 된다. 압력이 높을수록, 입자가 서로 더 가까워지므로 이러한 터널링 효과가 증가하고 재료의 저항이 감소한다. 이것이 잘 작동하려면, 터널링이 작은 규모에만 영향을 미치기 때문에 바인더 내 입자의 우수한 분산과 작은 크기가 필요하다. 이러한 이유로 입자는 일반적으로 마이크로미터 또는 나노미터 크기이며 전도성 물질, 일반적으로 은, 금 또는 자철광(magnetite)과 같은 금속으로 구성된다. 그것들은 또한 종종 나노 패턴화되며, 예를 들어 '스파이키(spiky)' 나노 입자는 입자가 서로 더 먼 거리에 있더라도 미세한 스파이크의 팁(tips of the microscopic spikes)이 터널링 전류를 향상시키기 때문에 둥근 것보다 더 나은 터널링 거동을 나타낸다. 이것은 감도와 전반적인 성능을 향상시킨다.
Peratech에서 제공하는 QTC® 정제(pills)는 3축 센서들을 만들기 위해 사용되었지만 이러한 장치는 소형화 및 센서 히스테리시스(hysteresis)와 같은 기타 문제를 겪고 있다. QTC® 정제는 대량 제조 과정 동안 통합할 수 있는 능력이 부족하고 두께와 최소 직경 모두 부피가 커서 번거롭고 특별히 민감하지 않는다.
요약하자면, 시중에 판매되는 상업적인 플렉시블 힘 센서는 힘에 대한 스칼라 값만 제공할 뿐, 방향이나 전단력은 제공하지 않는다. 그들은 상당한 구부림을 견딜 수 없으며, 구부리는 동안 값도 변경된다. 또한, 여러 고급 응용 프로그램을 활성화하는 데 필요한 데이터를 얻으려면 3축 기술을 포함한 어레이 기술이 필요하다. 이는 예를 들어, 지상 반력을 측정해야 하는 사람과 로봇의 보행 분석, 복잡한 방식으로 물체를 조작하는 로봇, 섬세한 물체를 손상시키지 않고 다루는 로봇, 웨어러블 의복(garments)을 입은 사람의 근육 활동과 혈류와 같은 생리적 힘의 모니터링, 조수(tidal) 및 풍력(wind) 터빈의 상단에서 공기나 물과 같은 유체의 흐름 현상 감지, 외과의사(surgeons)가 수술 로봇(surgical robots)으로 조직을 '촉진(palpate)'할 수 있도록 하는 것 등에서 특히 중요하다.
컴플라이언트(또는, 준수) 3축 센서들은 압전 저항형(예: 스트레인 게이지 또는 나노 복합체 사용); 용량성(또는, 정전 용량); 압전; 유도성; 광학; 또는 자기와 같은 다수의(또는, 다중) 전달 메커니즘을 사용하여 (연구실에서) 생성될 수 있다. 압전 저항형 및 용량성 센서들은 우수한 성능으로 인해 지배적이다. 그러나, 용량성 센서들은 이 표면과의 용량성 커플링(capacitive coupling)으로 인해 배치되는 기판에 민감할 수 있으며 훨씬 더 복잡한 판독 전자 장치가 필요한데 이는 공간 요구사항과 구현 복잡성으로 인해 방해가 된다. 다른 센서들의 단점은 다음과 같다: 압전 센서들은 재료(또는, 물질)의 유도 전하(induced charge)가 매우 빠르게 소멸하기 때문에 정적 접촉력을 감지할 수 없다; 이 센서들 대부분은 온도에 민감하고, 일반적으로 강건하지 않다; 동적 힘 감지 범위가 부족하다; EMC 노이즈에 민감하다(특히 자기 및 압전 센서들에서); 일부 압전 센서들은 빛에 민감하다. 또한, 이러한 센서들을 만들기 위한 대부분의 알려진 프로세스(또는, 공정)들은 본질적으로 수율이 낮고, 일관성 및 확장성이 없다. 종종, 그러한 센서들을 이용한 측정들은 반복 가능하지 않아 센서들을 신뢰할 수 없게 만든다.
사용 가능한 모든 센서들 중, 어느 것도 실제 설정에서 바람직한 방식으로 기능할 만큼 충분히 강건하지 않다. 수천∼수백만 사이클(또는, 주기)을 견딜 수 있고, 온도와 열악한 환경 조건에 둔감하고, 3축 힘 센싱(또는, 감지)을 수행할 수 있는 내구성 있는 소재를 갖는 견고한 센서에 대한 업계의 긴급한 요구가 있다. 또한 센서는 기능을 방해하지 않고 기존 기기에 추가할 수 있도록 매우 얇아야 하고, 센서의 작동은 벤딩(또는, 굽힘)에 둔감해 부드러운 로봇이나 사람 피부와 같은 부드러운 표면에서도 기능할 수 있도록 해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 현재 기술에 대해 위에서 논의된 문제들 중 적어도 일부를 다룰 수 있는 컴플라이언트 3축 힘 센서 및 그러한 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예들의 목적은 소프트 로봇 또는 전자 스킨에 통합될 수 있는 컴플라이언트 3축 힘 센서 및 그러한 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에서, 다음을 포함하는 컴플라이언트(또는, 순응성) 3축 힘 센서가 제공된다:
제1 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제1 전극층;
상기 제1 배향에 직교하는 제2 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제2 전극층;
힘이 가해질 때 적어도 하나의 특성(property)을 변화시키도록 구성되고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 제공되는 힘-의존 활성층(force-dependent active layer); 및
상기 활성층을 통해 외부로부터 가해진 힘을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 3차원 범프(bump);를 포함하고,
외력이 가해질 때까지 상기 센서 내의 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열되는 적어도 하나의 스페이서(spacer)가 제공된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 얇은 재료층들로 만들어질 수 있는 컴플라이언트(또는, 순응성) 3축 힘 센서를 포함하여 완전히 순응하고 유연할 수 있지만 특정 층들 사이의 간격을 유지하기 위해 하나 이상의 스페이서들을 포함하여 센서의 벤딩 자체는 잘못된 힘 판독을 일으키지 않으므로 센서는 견고하고 신뢰할 수 있으며 반복 가능하다. 따라서, 센서는 고장 없이 수천~수백만 주기를 견딜 수 있으므로, 산업 환경에서 효과적으로 작동할 수 있다. 일관된 출력은 또한 각 감지 요소(또는, 센싱 요소)를 개별적으로 보정(calibrate)하는 데 필요할 수 있는 상당한 시간을 제거한다. 이것은 택텔(tactel)(촉각 요소(tactile element)), 즉 범프당 4개의 센셀(sensels)(감지 요소(sensing elements))를 사용하는 일부 실시예에서 특히 유용하다. 또한, 센서는 배경 잡음에 대한 민감도가 낮고 응용 프로그램에 따라 다양한 힘 감지 범위에 대해 쉽게 구성될 수 있다(즉, 활성층 두께를 늘리거나 줄임으로써).
유리하게는, 센서는 3개의 상이한 축들(x, y 및 z)에서 힘을 측정할 수 있는 얇고, 신축성 있고, 정합성이 있는 나노복합체 기반 촉각 장치로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예는 매우 작은 벤딩 반경 또는 소프트 로봇 주위를 감싸기에 충분히 컴플라이언트(또는, 순응)할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 방향뿐만 아니라 힘 크기의 정확한 측정을 허용하는 신호 무결성(integrity) 또는 응답에 대한 최소한의 영향을 갖는다. 따라서, 센서 성능은 벤딩(또는, 굽힘)에 둔감하다. 플렉서블(또는, 유연한) 연결과 전기 배선은 레이어(또는, 층)와 전극 구조를 통해 센서에 통합되고, 상단에는 힘을 토크로 변환하는 '범프(bump)' 레이어가 있다. 또한, 센서는 높은 수율을 유지하면서 맞춤형 재료를 사용하는 스크린 프린팅 및 롤-투-롤 프린팅와 같은 기존의 손쉬운 대량 제조 공정(facile volume manufacturing processes)을 사용하여 대량 생산이 가능하다. 따라서, 전자 피부 응용 분야에 필요할 수 있는 것과 같은 대규모 어레이에 배포(또는, 배치)할 수 있다. 현재, 이러한 유형의 범용 전자 스킨은 존재하지 않는다. 이 센서는 다양한 장치, 제품 또는 의복에 고도로 통합 가능하고 단단하고 부드럽고 신축성 있는 표면에 다시 장착(retro-fittable)할 수 있다. 또한, 환경 친화적인 재료가 사용될 수 있다.
각 층은 (예를 들어, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅에 의해) 프린트(또는, 인쇄)되어 고도로 소형화될 수 있다(최소한 로봇 엔드-이펙터(robotic end-effector)에 필요한 이상적인 1mm x 1mm 3축 픽셀 밀도까지). 일부 실시예에서, 상기 제1 및/또는 제2 전극층은 아래 층에 증착된 전도성 잉크로부터 형성될 수 있다.
위의 모든 이점은 본 발명의 실시예가 제어된 실험실 환경 또는 학계 외부의 '실세계(real-world)' 산업 응용에 적합한 상업적으로 실행 가능한 센서를 제공할 수 있게 한다.
상기 활성층은 양자 터널링 재료(또는, 물질), 압전 저항 재료 또는 압전 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 활성이 힘을 받을 때 변경될 수 있는 적어도 하나의 특성은 양자 터널링(quantum tunnelling); 전도율(conductivity); 저항률(resistivity) 또는 전하(electrical charge)이다. 따라서, 본 발명의 실시예는 인가된 힘을 감지된 신호로 변환하기 위해 양자 터널링 전도 메커니즘 또는 압전 저항형(또는, 압저항) 전도 메커니즘을 이용하는 복합 재료를 사용할 수 있다. 상기 활성층은 물질 특성으로 인해 얇은 층에 증착될 때 수직력(normal forces)에 더 선택적으로 반응하도록 편리하게 이방성(anisotropic)이다.
상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 범프에 가해진 힘이 적어도 4개의 개별 영역들에서 상기 활성층을 통해 전달될 수 있도록 상기 제1 전극층의 적어도 2개의 열 전극들 위로 적어도 부분적으로 연장(또는, 확장)되고 상기 제2 전극층의 적어도 2개의 열 전극들 위로 적어도 부분적으로 연장(또는, 확장)되는 풋프린트(footprint)를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 각 택텔(또는, 촉각)(촉각 요소)은 4개의 센셀(또는, 감지)(감지 요소) 또는 픽셀에 연결되고 각 센셀에서 힘의 강도는 적용된 힘의 크기와 방향을 모두 결정하는 데 사용할 수 있다(즉, 결과적으로 전단력과 압축력의 조합).
다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 제1 전극층에서 2개의 열 전극들 사이 및 상기 제2 전극층에서 2개의 열 전극들 사이의 공간 내에 포함된 풋프린트를 갖는다. 이 경우, 하나 이상의 스페이서를 사용하여 상기 범프에 가해지는 힘을 4개의 센셀(센싱 요소) 각각에 재분배할 수 있다.
상기 활성층은 사이에 갭(gap)을 갖는 제1 활성층과 제2 활성층을 포함할 수 있다.
상기 센서는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 상기 제1 전극층 아래의 베이스층; 상기 제2 전극층 위의 상부층; 상기 제1 전극층과 상기 활성층 사이의 제1 탄소층; 상기 제2 전극층과 상기 활성층 사이의 제2 탄소층; 및 상기 적어도 하나의 3차원 범프 위의 커버층.
상기 제1 및/또는 제2 탄소층은 상기 제1 및/또는 제2 전극층의 다수의 열 전극들에 걸쳐 연속적일 수 있다.
상기 적어도 하나의 스페이서는 상기 활성층 내에; 상기 베이스층과 상기 상부층 사이에; 또는 상기 제1 또는 제2 전극층 상에 또는 이를 통해 제공될 수 있다.
상기 적어도 하나의 스페이서는 점(dot), 열(column), 포스트(post), 실린더(cylinder), 관형(tubular), 피라미드(pyramid) 또는 메쉬(mesh) 형태일 수 있다.
상기 적어도 하나의 스페이서는 원형, 정사각형, 직사각형, 다이아몬드, 오각형, 육각형 또는 벌집 격자 형태의 솔리드(solid) 또는 할로우(hollow) 횡단면을 가질 수 있다.
상기 센서는 상기 스페이서들의 어레이를 포함할 수 있다. 상기 어레이의 상기 스페이서들은 복수의 상이한 차원들을 가질 수 있다.
상기 활성층은 상기 제1 및/또는 제2 전극층에서 다수의 열 전극들에 걸쳐 연속층(또는, 연속적인 층)을 형성할 수 있다.
상기 활성층은 상기 제1 및/또는 제2 전극층에서 상기 열 전극들에 걸쳐 불연속층을 형성할 수 있다.
상기 센서는 상기 제1 및/또는 제2 전극층에서 인접한 전극들 사이에 절연체를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 스페이서는 상기 활성층과 상기 제1 및/또는 제2 전극층 사이에 제공된 바인더의 형태를 취할 수 있고, 상기 바인더는 인접한 열 전극들 사이의 갭들에 제공되고 상기 활성층과 상기 인접한 열 전극들의 각 에지들 사이에서 연장된다.
상기 센서는 하나 이상의 인접한 층들 사이에 제공된 접착층을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 센서의 나머지 부분(remainder)과 다른 탄성을 갖는 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 3차원 범프는 메사(mesa), 돔(dome), 반구, 반구 섹션, 원뿔, 원뿔 섹션, 직육면체, 실린더, 반원통, 피라미드, 피라미드 섹션, 사면체, 사면체 섹션, 육면체, 삼각형 프리즘, 다면체, 또는 기타 모양 형태일 수 있다.
상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 센서의 나머지 부분의 높이의 적어도 2배인 높이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 범프들은 전단력을 충분히 높은 토크로 변환하기 위해 상기 센서의 상기 나머지 부분보다 상당히 높을 수 있으며(예를 들어, 높이 3mm까지), 이는 차례로 상이한 압력으로 아래의 활성층 재료를 압축한다. 일부 실시예에서, 상기 활성층은 전극들 사이에 1mm의 폭을 가질 수 있고, 각 택텔(또는, 촉각)은 매트릭스 어레이에서 4개의 픽셀들로 구성될 수 있고, 각각은 2mm 간격을 가지고, 센싱 영역(또는, 감지 영역)은 3mm x 3mm = 9mm2이다. 그러나, 더 민감한 활성층을 사용하면 더 나은 해상도를 얻을 수 있다. 상기 택텔들과 센셀들 사이의 간격(또는, 공간)은 서로 접촉하지 않고 터널링이 발생하지 않는 한 분해능을 높이기 위해 매우 낮을 수 있다(예: 500μm 이하). 이러한 방식으로 전극들을 분리하면 상기 센서의 혼선(cross-talk)을 줄이는 데 도움이 된다.
상기 센서는 상기 3차원 범프들의 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 두 번째 측면에 따르면, 다음을 포함하는 전술한 제1 측면에 따른 센서를 제조하는 방법이 제공된다:
제1 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제1 전극층을 제공하는 단계;
상기 제1 배향에 직교하는 제2 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제2 전극층을 제공하는 단계;
힘이 가해질 때 적어도 하나의 특성을 변화시키도록 구성되고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 제공되는 힘-의존 활성층을 제공하는 단계;
상기 활성층을 통해 외부로부터 가해진 힘을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 3차원 범프를 제공하는 단계; 및
외력이 가해질 때까지 상기 센서에서 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열된 적어도 하나의 스페이서를 제공하는 단계.
따라서, 본 발명의 이러한 측면의 실시예는 다양한 기존 기술을 사용하여 용이하게 대량 생산될 수 있는 센서의 제조 방법을 제공한다.
각 층, 범프 또는 스페이서는 프린팅, 스크린-프린팅, 롤-투-롤 프린팅, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅, 전기 방사(electrospinning), 증착, 액적 도포(droplet dispensing), 캐스팅(casting), 코팅, 성형(moulding), 스피닝(spinning) 또는 직조(weaving) 중 하나에 의해 제공될 수 있다.
상기 방법은 단일 기판 상에 적어도 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 형성하는 단계; 상기 기판을 두 부분들로 분리하는 단계; 및 상기 두 부분들을 함께 적층(stacking)하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 분리 및/또는 적층 전에 적어도 하나의 부분 상에 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예들에 따르면, 소프트 로봇 또는 전자 스킨에 통합될 수 있는 컴플라이언트 3축 힘 센서 및 그러한 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예는 이제 단지 예시를 위해 다음 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 돔형 범프(dome-shaped bump)를 포함하는 컴플라이언트(또는, 순응성) 3축 힘 센서의 상부 사시도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 센서의 측면도를 도시한다.
도 1c는 도 1a의 센서의 평면도를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 입방형 범프(cubic-shaped bump)를 포함하는 컴플라이언트 3축 힘 센서의 상부 사시도를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 센서의 측면도를 도시한다.
도 2c는 도 2a의 센서의 평면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원통형 범프(cylindrical-shaped bump)를 포함하는 컴플라이언트 3축 힘 센서의 상부 사시도를 도시한다.
도 3b는 도 3a의 센서의 측면도를 도시한다.
도 3c는 도 3a의 센서의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 제조 방법의 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 제조 방법의 단계들을 도시한다.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 제조 방법의 단계들을 도시한다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 제조 방법의 단계들을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 원통형 지지 포스트 배열들(different cylindrical support post arrangements)을 포함하는 센서의 일부(또는, 부분)의 평면도들을 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 다이아몬드 지지 포스트 배열들(different diamond support post arrangements)을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 정사각형 지지 포스트 배열들(different square support post arrangements)을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 육각형 지지 포스트 배열들(different hexagonal support post arrangements)을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 센서의 단일 촉각 요소(택텔)의 상부 사시도를 도시한다.
도 12b는 대응하는 힘과 함께 비스듬한(oblique) 힘이 가해진 전후의 도 12a의 촉각 요소의 측면 사시도를 시간 그래프와 함께 도시한다.
도 12c는 비스듬한 힘이 가해질 때 도 12b의 촉각 요소의 측면도를 도시한다.
도 1a, b 및 c에 따르면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 4개의 3차원 돔형 범프들(102)을 포함하는 컴플라이언트(또는, 순응성) 3축 힘 센서(100)가 도시되어 있다. 센서(100)는 하부 멤브레인 캡슐화층(bottom membrane encapsulation layer) 형태의 베이스층(104); 제1 배향(또는, 방향)의 열 전극들(106a)의 어레이를 갖는 제1(하부) 전극층(106); 제1 배향과 직교하는 제2 배향의 열 전극들(108a)의 어레이를 갖는 제2(상부) 전극층(108); 힘이 가해지면 적어도 하나의 특성이 변하도록 구성되고 제1 전극층(106)과 제2 전극층(104) 사이에 제공되는 양자 터널링 물질층 형태의 힘-의존 활성층(110); 및 상부 멤브레인 캡슐화층(top membrane encapsulation layer) 형태의 상부층(112)을 포함한다. 돔형 범프들(102)은 상부층에 제공되고, 활성층(110)을 통해 외부로부터 인가된 힘을 전달하도록 배열된다. 도 1a, b, c에는 도시되지 않았으나, 외력이 가해질 때까지 센서(100)에서 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열되는 적어도 하나의 스페이서가 제공된다. 스페이서들에 대해서는 도 4 내지 도 11c와 관련하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 선택적인 절연 어레이(114)가 제1 전극층(106)의(또는, 에서) 열 전극들(106a) 사이에 제공된다. 유사한 절연 어레이(116)가 또한 제2 전극층(108)의 열 전극들(108a) 사이에 제공된다. 각 범프(102)는 원형 베이스(102a) 및 평평한 상부(102c)로 연장되는 만곡된 측벽(102b)을 갖는다.
본 실시예에서, 베이스층(104), 제1 전극층(106), 활성층(110), 제2 전극층(108) 및 상부층(112) 각각은 0.50mm 두께의 센서 바디(또는, 센서 본체)를 형성하는 0.10mm 두께이다. 또한, 각 열 전극(106a, 108a)은 폭이 1mm이고, 각 범프(102)는 높이가 1mm이며 최대 직경 풋프린트(footprint)가 3mm이다. 각각의 인접한 범프(102) 사이에는 1mm의 갭(또는, 간격)이 있다. 다른 실시예에서, 다른 차원(또는, 치수)들이 특정 응용(또는, 적용)들에 적합하도록 사용될 수 있다. 그러나, 센서 본체는 보통 센서가 순응할 수 있도록 그리고 곡선 또는 다른 형상의 표면에 적용될 수 있도록 비교적 얇은 층들로 형성될 것으로 예상된다. 여기에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 범프(102)는 전단력을 충분히 높은 토크로 변환하기 위해 센서 바디보다 상당히 높을 수 있고, 이는 차례로 상이한 압력으로 활성층(110)을 하부로(underneath) 압축한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 각 3차원 돔형 범프(102)는 범프(102)에 가해지는 힘이 적어도 4개의 개별 영역들에서 활성층(110)을 통해 전달될 수 있도록 제1 전극층(106)의 적어도 2개의 열 전극들 위로 적어도 부분적으로 연장되고 제2 전극층(108)의 적어도 2개 이상의 열 전극들 위로 적어도 부분적으로 연장되는 풋프린트를 갖는다. 이와 같이, 각 범프(102)는 4개의 센싱 요소(센셀) 또는 픽셀에 연결되는 촉각 요소(택텔)로 간주될 수 있으며, 각 센셀에서의 힘의 세기는 도 12a, b 및 c를 참조하여 아래에서 더 설명하는 바와 같이, 가해지는 힘의 위치, 크기 및 방향(즉, 전단력과 압축력의 조합을 초래하는)을 결정하는데 사용될 수 있다. 도 1c에서 열 전극들(106a, 108a)은 센서(100)의 층들이 투명한 것처럼 파선(dashed lines)으로 도시된다.
센서(100)가 4개의 범프들(102)의 어레이로 도시되어 있지만, 센서 바디는 연장(또는, 확장)될 수 있고, 임의의 주어진 애플리케이션(또는, 응용)에 필요한 임의의 수의 범프들(102)을 포함할 수 있다.
기술된 임의의 실시예에서, 센서는 아래에 나열된 재료들의 임의의 선택으로부터 형성될 수 있다.
베이스층(104) 및 상부층(106)은 임의의 적합한 기판 재료로부터 형성될 수 있고, 하나 이상의 폴리(파라-자일렌) 폴리머(파릴렌), 2,8-디클로로트리실로[8.2.2.24,7]헥사데카-1(12),4,6,10,13,15-헥사엔(Parylene-C),폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(PI), 폴리부티레이트 아디페이트 테레프탈레이트(폴리부티레이트), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA/아크릴), 프롭-2-에노에이트(아크릴레이트), 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리우레탄(PU), 폴리실록산(실리콘), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌아이민(PEI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 지방족 또는 30 반방향족 폴리아미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 부직포 또는 그 혼합물을 포함할 수 있다. 낮은 영률 폴리머(Low Young's modulus polymers)는 최대 1.5 MPa(메가-파스칼), 보다 바람직하게는 최대 1.2 MPa, 더욱 더 바람직하게는 최대 1 MPa, 및 바람직하게는 700 kPa 내지 1 MPa 범위, 예를 들어, 700 ~ 800 kPa와 같이 적어도 500 kPa의 영률을 갖는 폴리머와 같이 더 높은 적합성(또는, 순응성)을 달성하는 데 도움이 될 수 있다. 이는 특히 PDMS에 적용된다. 이러한 낮은 영률 폴리머의 단점은 일부 응용 분야에 대해 종종 너무 약하거나 내열성이 충분하지 않다는 것이다. 이러한 이유로 TPU 코팅된 실리콘과 같은 혼합물이 사용될 수 있다. 리스트(또는, 목록)에 있는 더 많은 강성 폴리머(또는, 중합체)(예: PEN)는 예를 들어 25 미크론(microns)의 두께에서 매우 플렉서블(또는, 유연)하다. 다양한 가능한 기판에 대한 몇 가지 예시적인 두께는 다음과 같다: Parylene-C, 500-10000nm; PEN, 25-100 미크론; PET, 36-125 미크론; 실리콘, 5-500 미크론; 및 TPU, 50-75 미크론.
제1 전극층(106) 및 제2 전극층(108) 모두의 열 전극들(106a, 108a)은 금속 필러(또는, 충전제) 입자(마이크로 또는 나노 스케일)를 함유하는 잉크와 같은 전도성 복합(체) 재료로 형성될 수 있다. 탄소, 은, 금, 및 구리가 가장 일반적으로 사용된다. 금속 박막(예: 금/구리)은 기판이 신축성이 없거나 특별히 얇은 경우, 또는 금속 자체가 늘어나는(또는, 신축시키는) 대신 기판이 늘어나는 동안 금속이 휘어지는(또는, 구부러지는) 비틀림을 갖는 경우에 사용할 수 있다. 이들 모두는 전도성이 높아야 하며, 모든 금속 중에서 가장 유연하고(또는, 가단성이 있고)(malleable) 연성이 좋아 가장 잘 사용되는 금속은 금이다. 열 전극들(106a, 108a)에 사용될 수 있는 일부 예시적인 재료는 Engineered Materials Solutions, Inc. (EMS)의 전도성 잉크(CI)(예를 들어, 25.4 미크론 두께에서 시트 저항이 0.010 Ω /square 미만인 은 전도성 잉크인 CI-1036; 또는 25.4 미크론 두께에서 시트 저항이 50 Ω /square 미만인 탄소 기반(또는, 탄소계) 전도성 잉크인 CI-2051)이다. 다른 적합한 재료로는 AsahiTM 잉크와 섭씨 20도에서 ~2.44 x 10-8 Ω m의 저항을 갖는 금 박막을 포함한다.
활성층(110)은 양자 터널링 재료(또는, 물질), 압전 저항형(또는, 압저항) 물질 또는 압전 물질을 포함할 수 있다. 양자 터널링 재료는 매우 큰 동적 힘 범위에 걸쳐 최대 1012 Ω의 대규모 저항 변화를 초래하는 양자 터널링으로 인해 기하급수적인 저항 감소를 보일 것이다. 일부 실시예에서, 감지될 수 있는 힘 범위는 0.003N에서 최대 200N까지 낮을 수 있으며, 센서에 더 많은 강성 재료가 사용되는 경우 이는 더 높게 확장될 수 있다. 적절한 양자 터널링 재료의 예는 바인더 재료와 고종횡비 팁(high aspect ratio tips)(예를 들어, 원형, 스파이키(spiky) 또는 니들형(needle-like))을 갖는 니켈 또는 실리콘(반도체) 필러(또는, 충전제) 입자를 포함하는 양자 터널링 복합체(QTC®)이다. 이산화티타늄 또는 흄드 실리카 입자와 같은 유전체 재료로 구성된 입자도 재료에 사용될 수 있다. 보이드 베어링 구조를 갖는 금속 또는 금속-합금은 또한 다양한 상이한 바인더들과 함께 사용될 수 있다. 또 다른 적합한 양자 터널링 재료는 스파이키 또는 침상 자철광(acicular magnetite) 및/또는 니켈 입자와 폴리우레탄 바인더를 포함하는 QTSS®이다. 입자들은 서로 접촉하지 않지만 전류는 양자 터널링 메커니즘에 의해 그것들을 통과할 수 있다. 0차원, 1차원, 또는 2차원 나노입자 물질(또는, 재료)은 이들의 향상된 동적 범위 및 감도로 인해 바람직할 수 있다. 그 이유 중 일부는 팁에서 전계가 국소적으로 집중되어 양자 터널링이 향상될 뿐만 아니라 필요한 재료의 낮은 침투(percolation) 임계값(및 이에 따른 양)에 기인할 수 있다. 유리하게는, 양자 터널링 재료는 저항을 측정하는 전극들 사이의 압축 압력에 가장 민감하며, 이는 예를 들어 스트레인 게이지에 의해 제공되지 않는 상당한 선택성을 허용한다. 양자 터널링 재료는 또한 많은 다른 센서들 및 재료들보다 온도 및 환경 전자기 호환성(또는, 적합성) 노이즈(또는, 잡음)에 덜 민감하다.
적합한 압전 저항성 재료는 나노 복합체 및 전기 방사 마이크로 또는 나노 섬유를 포함한다. 압전 저항성 재료는 다른 전위가 재료에 가해지고(또는, 적용되고) 재료에 압력이 가해질 때 전류 흐름을 조절한다. 이들은 탄소, 탄소나노튜브(CNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT), 그래핀, 보로핀(Borophene), 은, 양자점, 또는 임의의 다른 전기 전도성 또는 반도체 마이크로/나노입자일 수 있는 활성 필러(또는, 활성 충전제)(마이크로/나노입자)를 포함한다. 이들은 또한 분산을 증가시키고, 예를 들어 반 데르발스 힘에 의한 응집을 감소시키기 위해 일반적으로 나노 입자의 표면에서 기능화되는 계면활성제를 포함할 수 있다. 바인더는 또한 PDMS, 실리콘, 테트라플루오로에틸렌(TFE), 프로필렌, PVDF(모든 상태에서 압전이 아님), 기판 또는 콘크리트에 포함된 것과 같은 다른 폴리머(또는, 중합체)와 같이 사용된다. 폴리머는 열경화성(즉, 열, 수분, 빛, 또는 공기에 의해 영구적인 가교 반응을 겪음) 또는 비열경화성(즉, 용융)일 수 있다. 그들은 또한 플루오로폴리머(fluoropolymers)일 수 있다. 압전 저항성 재료는 또한 점도(viscosity)를 제어하기 위해 용매를 포함할 수 있으나(예를 들어, 프린팅 동안), 이는 통상적으로 공기 중에 또는 큐어링(또는, 경화)되는 동안 대부분 증발된다. 나노 입자는 재료의 이방성 거동을 향상시키기 위해 이상적으로 수직으로 정렬(및 잘 분산)되어 있으며, 이는 재료의 굴곡(flexing)과 신축(stretching)으로 인한 최소 압력 판독으로 법선 방향의 압력을 감지할 수 있다. 압저항 재료의 일부 입자는 (경화 및/또는 증착 전 및/또는 동안 재료에 걸쳐 정적 또는 가변 전기장 및/또는 자기장의 인가(또는, 적용)에 의해) 전기적 또는 자기적으로 정렬될 수 있다. 예를 들어, 이것은 경화 전 재료를 통해 AC(교류) 전기장을 변화시키는 유전영동 정렬을 사용하거나, 재료를 통해 DC 전류를 인가하는 DC(직류) 정렬을 사용하거나, 전도성 입자를 통해 이동하는 전류 없이 재료에 정적 필드(또는, 정지장)이 존재하는 DC 전기장을 순수하게 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 정렬은 압전 저항형 재료를 보다 이방성 또는 광학적으로 투과성 있게 만들기 위해 수행될 수 있다. 압전 저항형 재료의 전도성 입자 자체가 인가된 장에 반응하지 않는 경우, 정렬을 위해 다른 나노 입자(예: 강자성체인 산화철 나노 입자)와 함께 기능화될 수 있다. 다른 잠재적으로 적합한 압전 저항형 재료는 위에 나열(또는, 열거)된 나노 복합체에 사용되는 임의의 필러의 박막을 포함한다.
적합한 압전 재료는 또한 나노 복합체 및 전기 방사 마이크로 또는 나노 섬유를 포함한다. 이들은 외부 응력에 의한 전하 분리를 나타내는 활성 필러(마이크로/나노 입자)를 포함할 수 있으며, 이는 산화아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리[(비닐리덴플루오리드-코-트리플루오로에틸렌)][P(VDF-TrFE)], 티탄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 바륨(BaTiO3), 티탄산 납(II)(PbTiO3), 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 질화 알루미늄(AlN), 복합 요소가 포함된 붕소-규산염 미네랄(전기석(Tourmaline)), 니오브산 납 마그네슘 - 티탄산 납(PMN-PT) 또는 이들의 조합과 위에 나열된 것과 같은 바인더를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 다른 잠재적으로 적합한 압전 재료는 위에 나열된 나노 복합체에 사용되는 임의의 필러들의 박막들을 포함한다.
범프들(102)은 유전체 폴리머, 폴리실록산, 고무, 실리콘과 같은 폴리머, 또는 유리와 같은 비정질 결정질 재료(또는, 물질)를 포함할 수 있다.
도 2a, b 및 c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 4개의 3차원 입방형 범프들(202)을 포함하는 컴플라이언트 3축 힘 센서(200)를 도시한다. 센서(200)는 센서(100)에 대해 전술한 것과 동일한 센서 바디를 포함하지만 4개의 돔형 범프들(102)이 4개의 입방형 범프들(202)로 대체된다. 따라서 유사한 참조 번호는 유사한 부품(또는, 부분)에 대해 사용된다. 위와 같이, 범프들(202)은 범프(202)에 가해지는 힘이 적어도 4개의 개별 영역들에서 활성층(110)을 통해 전달될 수 있도록 제1 전극층(106)의 2개의 열 전극들(106a) 위로 그리고 제2 전극층(108)의 2개의 열 전극들 위로 연장되는 풋프린트를 각각 갖는다.
도 3a, b 및 c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 4개의 3차원 원통형 범프들(202)을 포함하는 컴플라이언트 3축 힘 센서(300)를 도시한다. 센서(300)는 센서(100)에 대해 위에서 설명된 것과 동일한 센서 바디를 포함하지만 4개의 돔형 범프들(102)이 4개의 원통형 범프들(302)로 대체된다. 따라서 유사한 참조 번호는 유사한 부품(또는, 부분)에 대해 사용된다. 위와 같이, 범프들(302)은 범프(302)에 가해지는 힘이 적어도 4개의 개별 영역들에서 활성층(110)을 통해 전달될 수 있도록 제1 전극층(106)의 2개의 열 전극들(106a) 위로 그리고 제2 전극층(108)의 2개의 열 전극들 위로 연장되는 풋프린트를 각각 갖는다.
상술한 3차원 범프들은 예시적인 것일 뿐, 다른 실시예에서, 각 범프는 메사(mesa), 돔(dome), 반구(hemisphere), 반구 섹션(hemispherical section), 원뿔(cone), 원뿔 섹션(cone section), 직육면체(cuboid), 원기둥(또는, 실린더)(cylinder), 반원기둥(또는, 반원통)(half-cylinder), 피라미드(pyramid), 피라미드 섹션(pyramid section), 사면체(tetrahedron), 사면체 섹션(tetrahedron section), 육면체(hexahedron), 삼각형 프리즘(triangular prism), 다면체(polyhedron) 또는 다른 모양 형태일 수 있다. 더욱이, 센서는 임의의 주어진 애플리케이션에 적합하도록 상이한 형상 및/또는 재료의 범프들을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 위에서 설명된 것과 같은 센서를 제조하는 일반적인 방법(400)의 흐름도이다. 방법(400)은 제1 배향의 열 전극들(106a)의 어레이를 갖는 제1 전극층(106)을 제공하는 단계(402); 제1 배향과 직교하는 제2 배향의 열 전극들(108a)의 어레이를 갖는 제2 전극층(108)을 제공하는 단계(404); 힘을 받을 때 적어도 하나의 특성을 변화시키도록 구성되고 제1 전극층(106)과 제2 전극층(108) 사이에 제공되는 힘-의존 활성층(110)을 제공하는 단계(406); 활성층(110)을 통해 외부에서 가해진 힘을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 3차원 범프(102, 202, 302)를 제공하는 단계(408); 및 외력이 가해질 때까지 센서에서(또는, 의) 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열된 적어도 하나의 스페이서를 제공하는 단계(410)를 포함한다. 상기와 같이, 스페이서들에 대해 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
각 층, 범프 또는 스페이서는 프린팅(printing), 스크린-프린팅(screen-printing), 롤-투-롤 프린팅(roll-to-roll printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 3D 프린팅(3D printing), 전기 방사(electrospinning), 증착(depositing), 액적 도포(droplet dispensing), 캐스팅(casting), 코팅(coating), 성형(moulding), 스피닝(spinning) 또는 직조(weaving) 중 하나에 의해 제공될 수 있다. 방법(400)은 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 단일 기판(104) 상에 적어도 제1 전극층(106) 및 제2 전극층(108)을 형성하는 단계; 기판을 두 부분으로 분리하는 단계; 및 두 부분을 함께 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 방법(400)은 또한 상술한 분리 및/또는 적층 전에 적어도 한 부분(상)에 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 실시예에 따른 센서를 제조하는 특정 방법(500)의 단계들을 도시한다. 도 5a에서 베이스층(504)은 하부 폴리머 캡슐화층을 형성하는 얇은 멤브레인(또는, 막)으로 스핀 코팅(spin-coated), 증착(deposited), 캐스팅(cast) 또는 스프레이 코팅(spray-coated)된다. 이상적으로, 베이스층(504)은 활성층의 바인더 물질의 일부를 형성할 수도 있는 PDMS 또는 Parylene-C와 같이 원하는 탄성 특성을 갖는 절연 폴리머로 제조된다. 스핀 코팅의 경우, 실란 처리된 실리콘 웨이퍼(silanized silicon wafer)에서 수행될 수 있으므로, 폴리머가 들러붙지(또는, 고착되지) 않고 생산 후 소자가 벗겨질(또는, 박리될) 수 있다. 도 5b에서 제1 전극층(506)은 하부 열 전극들의 매트릭스 어레이로 스크린-프린팅(screen-printed), 캐스팅(cast), 스퍼터-코팅(sputter-coated), 또는 스핀-코팅(spin-coated)(예를 들어, 포토리소그래피 패턴을 사용)된다. 제1 전극층(506)은 탄소-함침 엘라스토머(carbon-impregnated elastomers)와 같은 전도성 접착제, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)와 같은 고유 전도성 폴리머 또는 금 또는 은과 같은 금속으로 구성될 수 있다. 도 5c는 스크린-프린팅 또는 포토리소그래피 패터닝을 사용하여 추가적인 강성 또는 강건성(또는, 견고성)을 위해 제1 전극층(506)의 각 열 전극 사이에 절연층(514)을 추가하는 선택적인 단계를 도시한다. 이 경우, 절연층(514)은 베이스층(504)과 동일한 물질(또는, 재료)일 수 있다. 도 5d는 얇은 활성층(510) 예를 들어, 위에서 설명한 것과 같은 양자 터널링 재료의 스크린 프린팅, 캐스팅, 스핀-코팅, 스프레이-코팅 또는 부착을 도시한다. 활성층(510)의 두께는 센서의 감도(sensitivity)를 결정할 수 있고, 수십 미크론에서 밀리미터까지 다양할 수 있다. 바인딩(또는, 결합) 매트릭스 재료뿐만 아니라 금속의 종류는 원하는 용도(또는, 응용 분야)에 따라 다양할 수 있고, 재료의 조성은 액체 또는 고체 형태일 수 있다. 예를 들어, 활성층(510)은 금 나노입자 및 PDMS를 포함할 수 있거나, 대안적으로 자성체(magnetite) 및 수계 중합체 잉크(water based polymeric ink)를 포함할 수 있다. 그것은 알려진 재료(known material) 또는 맞춤형 제형 재료(custom formulated material)일 수 있다. 도 5e는 전극 에지(또는, 가장자리)들이 스페이서 에지(또는, 가장자리)들 위에 위치하도록, 전극들이 증착될 사이의 영역들에서만 스페이서들(520)을 형성하기 위한 바인더 재료의 얇은 층(~10-100um 두께)을 생성하기 위한 스크린-프린팅, 캐스팅, 스퍼터-코팅, 또는 스핀-코팅(예: 포토리소그래피 패턴 사용)을 도시한다. 이러한 스페이서들은 전극들 사이에 작은 에어 갭(air gap)을 형성한다. 예를 들어, 광경화성 폴리머(또는, 중합체)를 사용하여 부분적으로 용해될 수 있는 층을 패터닝하는 것과 같은 표준 미세 가공 또는 화학 기술을 사용하여 에어 갭(또는, 공극)을 생성할 수 있다. 도 5f는 스페이서들(520)의 상부에 제1 전극층(506)과 수직한 제2 전극층(508)의 상부 전극들의 매트릭스 어레이를 형성하기 위한 스크린-프린팅, 캐스팅, 스퍼터-코팅, 스핀-코팅 또는 부착(예를 들어, 포토리소그래피 패턴 사용)을 도시한다. 제2 전극층(508)은 탄소-함침 엘라스토머와 같은 전도성 접착제, PEDOT:PSS와 같은 고유 전도성 폴리머 또는 금 또는 은과 같은 금속으로 구성될 수 있다. 선택적으로, 상부 전극들이 형성된 스페이서들(520) 사이에 지지층이 제공된다. 도 5g는 스크린-프린팅 또는 포토리소그래피 패터닝 기술을 사용하여 추가적인 강성 또는 견고성을 위해 제2 전극층(508)의 상부 전극들 사이에 절연층(514)을 추가하는 선택적인 단계를 도시한다. 상술한 바와 같이, 절연층(514)은 베이스층(504)과 동일한 물질일 수 있다. 도 5h에서 상부층(512)은 상부 폴리머 캡슐화층을 형성하기 위해 얇은 멤브레인으로 스핀-코팅, 증착, 캐스팅, 또는 스프레이-코팅된다. 상부층(512)은 PDMS 또는 Parylene-C와 같이 원하는 탄성 특성을 갖는 절연(성) 폴리머로 이루어질 수 있으며, 이상적으로는 활성층(510)의 바인더 물질(또는, 재료)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 도 5i에서 4개의 중첩 전극들 또는 센셀(또는, 감지기)의 모든 세트위에 범프들(502)을 형성하기 위해 폴리머층을 캐스팅함으로써 4개의 3차원 표면 범프들(502)이 상부층(512)에 추가된다. 특히, 범프들(502)은 센서의 나머지 부분에 대해 상이한 탄성 및 강성을 가질 수 있다(예를 들어, 범프들(502)은 센서 바디보다 더 강성일 수 있음). 각 범프(502)의 3차원 형상은 예를 들어 정육면체, 원뿔 또는 메사/반구일 수 있으며, 그 모서리(또는, 코너)는 4개의 하부(또는, 밑에 있는) 전극들(underlying electrodes)과 어느 정도 중첩되어야 한다. 이는 어레이의 4개의 전극들(즉, 센셀)의 각 그룹에 단일 3차원 또는 3축 힘 감지 촉각 요소(택텔)가 될 수 있는 능력을 제공한다. 방법(500)에 기술된 모든 단계 후, 선택적인 산소 플라즈마층, 티올(thiol)층 또는 다른 화학적 접착층이 센서의 견고성을 증가시키기 위해 추가될 수 있다. 베이스층(502)이 스핀-코팅된 경우, 웨이퍼를 벗겨냄으로써 웨이퍼로부터 전체 어셈블리를 분리하기 위한 추가 단계가 필요할 수 있다.
위의 방법을 위한 바인더 재료가 스트레처블(또는, 신축성) 엘라스토머인 경우, 전체 센서 어레이를 신축성 있게 만드는 것도 가능하여, 그것의 잠재적인 응용 분야를 더욱 증가시킬 수 있다.
센서를 생성하기 위해 사용되는 기판 또는 베이스층(504)은 애플리케이션에 따라 다소 다르다. 두께가 25-125 미크론으로 다양한 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 및 두께가 10-100 미크론(보통 25 미크론)으로 다양한 PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트)과 같이 한 축에서만 문제가 되는 기존 플렉서블 전자 기판을 사용할 수 있다. 이러한 재료는 고해상도가 요구될 때, 또는 장치가 수중과 같은 가혹한 외부 환경에 대한 내성이 필요할 때 요구될 수 있다. 덜 가혹한 조건의 경우, TPU(열가소성 폴리우레탄) 또는 실리콘과 같이 하나 초과의 축(more than one axis)을 컴플라이언트하는 기판들이 사용될 수 있다. 또는 증착 후 나노복합 잉크의 열 경화 동안 실리콘에 유도되는 수축을 줄이기 위해 TPU 코팅된 실리콘이다. 이들 재료는 또한 25-125 미크론 사이의 두께 범위에 있을 수 있다. 부직포는 또한 종이뿐만 아니라 기판으로도 사용될 수 있고 다양한 고무 또는 라텍스로 사용될 수 있다. 다양한 기타 폴리머도 기판으로 사용될 수 있다. Parylene-C는 10nm-1micron 범위에서 사용될 수 있는데, 예를 들어 생체 적합성 응용 또는 외부 세계에 대한 극도의 규정 준수(compliance) 및/또는 완전한 밀봉이 필요한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 나아가, 인쇄 공정 동안 전극용 잉크의 퍼짐(또는, 확산)(spreading)을 용이하게 하기 위해 필요에 따라 기판의 상부에 오일을 제공할 수 있다.
전도성 잉크의 제1 층이 프린트될 수 있고, 이는 제1 전극층(506)에 대한 전도성 트랙으로서 기능하고 높은 전도성을 갖는다. 이러한 제1 전극층(506)에 대한 매트릭스 패턴을 정의하기 위해, 스텐실 필름(stencil film) 또는 마스크(mask) 또는 적절한 개구부를 잘라내거나 용매로 씻어내는 스크린 프린팅 메쉬(screen printing mesh)를 사용할 수 있으며, 이를 통해 스크린 프린팅 또는 롤-투-롤 프린팅에서 흔히 볼 수 있는 스퀴지(squeegee)를 사용하여 잉크를 기판에 도포할 수 있다. 0.05 옴(ohm)/mm2 범위의 시트 저항을 갖는 이 전극층은 나노 복합 재료로 만들어지며 신축성이 있거나 구부러질 수 있다(either flexible of stretchable). 스트레처블(또는, 신축성) 잉크는 TPU 또는 실리콘과 같이 일정 비율의 신축성을 허용할 수 있는 기판과 함께 작동한다. 이러한 잉크는 종종 1차원 나노미터 단위이고 종종 전체적인 크기가 미크론 단위인 전도성 입자를 포함하고, 일반적으로 용매 화학 물질과 계면활성제가 혼합된 폴리머 매트릭스에 내장되어 잉크 내 입자 간 균일한 분산을 보장한다. 입자는 일반적으로 은이나 탄소로 구성되지만, 금, 그래핀, 구리, 텅스텐, 아연 등으로 동일하게 구성될 수 있다. 증착된 잉크의 두께는 스크린 프린팅에서 10-50 미크론(때로는 100) 정도일 수 있지만, 잉크젯 프린팅을 사용하면 더 적을 수도 있다. 일부 전극들의 폭(또는, 너비)은 20 미크론에서 최대 1 밀리미터까지 낮을 수 있다.
전극 잉크가 증착된 후에는, 보통 80-120°C의 온도에서 경화되어야 한다. 경화 과정에서 폴리머 복합 재료를 경화하는 동안 용매의 일부가 증발한다.
센서를 판독 전자 장치에 연결하는 데 필요할 수 있는 트랙의 구성과 전극 자체는 동일한 구성이거나 다른 구성으로 만들어질 수 있다. 선택적으로, 각 전극 하부(또는, 아래)의 영역으로 연장되는 전도성 트랙의 상부(또는, 상단)에, 다른 조성을 갖는 잉크로 코팅이 전극에 대해 프린트(또는, 인쇄)될 수 있다.
하나 이상의 민감한(잠재적으로 이방성, 즉 재료 두께 또는 고유 특성을 통해 법선 방향(normal direction)에만 민감한) 활성층들이 각 센서에 제공된다.
또한, 유전체 폴리머로 구성된 스페이서들은 액적 분사 방법(droplet dispensing methods)을 사용하여 센서(상)에 프린트되거나 증착될 수 있다. 높이가 ~10-50 미크론이고, 직경 또는 폭이 1-200 미크론일 수 있는 이러한 스페이서들은 특정 힘이 가해질 때까지 센서의 그리드층들(grid layers)을 서로 분리된 상태로 유지하는 역할을 한다. 그들은 또한 힘을 재분배하고 구부릴 때 센서 피부(또는, 표면)의 구겨짐(creasing)이나 주름(wrinkling)지는 것을 방지하는 역할을 하며, 이는 결과적으로 센서에 압력 판독을 일으킬 수 있는 국소 압력 포인트(local pressure points) 또는 '기포(bubbles)'를 생성할 수 있다.
센서가 프린트(또는, 인쇄)되면, 유연성(compliant)이 높고 신축성(stretchable)이 있는 재료의 경우 연결된 전극 트레이스 또는 트랙의 단부(또는, 끝)에 보강재(stiffeners)를 추가하거나 25 미크론 이하와 같이 매우 얇은 재료의 경우 일반 솔더 탭 또는 케이블을 압착할 수 있고 센서 전자 장치는 견고한 전자 처리 회로에 연결될 수 있다.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 다른 실시예에 따라 다른 센서를 제조하는 방법(600)의 단계들을 도시한다. 각 단계에서, 센서는 3차원 및 2차원 뷰(또는, 보기)(view) 모두에서 보여진다. 도 6a에서, 적절한 기판 재료(604)(예를 들어, PEN, PET, TPU, PDMS, TPU 코팅된 실리콘, 라텍스 등)를 선택하여 원하는 두께로 제작한다. 이때, 기판(604)은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 센서의 베이스층과 상부층을 모두 형성할 것이다. 본 실시예에서, 기판(604)은 두께가 36 미크론인 PET이다. 도 6b는 서로 수직으로 배향된 행 및 열 전극들을 갖는 매트릭스 어레이에서 제1 전극층(206) 및 제2 전극층(608) 모두를 프린팅(예를 들어, 스크린-프린팅 또는 잉크젯 프린팅)하는 단계를 도시한다. 전극들은 일반적으로 은 또는 저 저항 탄소를 포함하는 잉크로부터 형성된다. 본 실시예에서, 전극들은 25.4 미크론 두께에서 0.010 Ω/square 미만의 낮은 시트 저항을 갖는 CI-1036 스트레처블 은계 전도성 잉크로 만들어진다. 이 예에서, 전극들은 에멀젼 두께(emulsion thickness)로 스크린 프린트되므로, 14~25 미크론의 경화 전의 두께를 갖는다. 각 전극은 2mm의 폭을 가지며, 조립될 때 폭 1cm x 길이 1cm가 되는 센서를 형성하도록 제1 및 제2 전극층들(606, 608) 각각에 3개의 전극들이 제공된다. 기판(604) 상의 제1 전극층(606)과 제2 전극층(608) 사이에는 2mm의 갭(또는, 간격)이 제공되어 후술하는 바와 같이 각 층이 용이하게 분리될 수 있다. 도 6c는 제1 및 제2 전극층(606, 608)의 전극들 각각에 탄소층(607, 609)을 스크린 프린팅하는 선택적 단계를 도시한다. 도 6d는 제1 및 제2 전극층(606, 608)의 전극들 각각에 활성층(610)을 증착(예를 들어, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 전기-방사(electro-spinning))하는 단계를 도시한다. 활성층은 압전 저항형(또는, 압저항) 및/또는 양자 터널링 및/또는 압전 재료층을 포함할 수 있고, 층 두께를 제어하기 위해 단일층 또는 복수의 층들(또는, 다중층)로 서로의 상부에 증착될 수 있다. 활성층은 예를 들어, 선, 사각형, 점 또는 다른 형상들의 형태로 연속적인 시트(continuous sheet) 또는 불연속 부분들(discrete portions)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 활성층은 그리드 영역만의 전극 열과 행의 상부에 프린트된 QTSS®(Quantum Technology SuperSensors) C75 압전 저항형 잉크로 형성되며, 이전 층들과 유사한 두께를 갖는다. 도 6e에서 스페이서층(620)은 유전체, 절연체 또는 전도성 재료를 사용하여 증착된다. 스페이서층(620)은 예를 들어, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 액적 디스펜서(droplet dispenser)를 사용하여 증착될 수 있다. 본 실시예에서, 스페이서층(620)은 제2 세트의 전극들(608)을 형성하는 전극들 사이의 갭에서 기판(604)의 한 쪽(또는, 면)에만 형성된다. 이 예에서, 스페이서층(620)은 각각의 직경이 50 미크론이고 높이가 100 미크론이고 기판(604)을 가로질러 1mm의 간격(spacing)으로 제공되는 원통형 포스트들의 어레이를 포함한다. 이 예에서 스페이서층(620)을 위해 사용된 재료는 플렉서블 뿐만 아니라 스트레처블이 있는(또는, 신축성이 있을 뿐만 아니라 구부러질 수 있는) EMS DI-7548과 같은 유전체이다. 스페이서층(620)은 단일 두꺼운 층으로 센서의 한면에 프린트될 수 있고, 서로의 상부에 다중층으로 프린트될 수도 있고, 층들이 얇은 경우(정밀 정렬이 필요하긴 하지만) 센서의 양면에 프린트될 수도 있다.
도 6f에서, 기판(604)은 예를 들어 가위, 레이저, 나이프 플로터 또는 메스로 절단되어 제1 전극층(606)과 제2 전극층(608)을 두 부분으로 분리한다. 그 다음, 두 부분은 안쪽으로 접혀서 제2 전극층(608)이 제1 전극층(606) 위에 적층되어 도 6g에 도시된 바와 같이 전도성 매트릭스 그리드를 형성한다. 이 구성에서, 제2 전극층(608)에 부착된 기판(604)은 센서의 상부 층을 형성한다. 또한, 스페이서층(620)의 포스트들은 베이스층을 형성하는 기판(604)과 상부층을 형성하는 기판(604) 사이에서 연장되어, 제1 전극 층(606) 상에 제공된 활성층(610) 부분과 제2 전극층(608) 사이에 에어 갭(622)이 존재한다. 도 6g와 같이 센서를 적층할 경우, 스페이서층(620)은 센서가 구부러질 때 힘을 분산시키는 역할을 하며, 이때 활성층(610) 사이의 에어 갭을 유지하는 역할도 하므로, 주어진 오프셋 힘이 가해질 때까지 개방 회로가 존재하는지 확인한다. 일부 실시예에서, 센서의 측면은 외부 환경으로부터 밀봉하고 내구성 방식(durable manner)으로 센서 측면을 서로 라미네이트하기 위해 장치의 에지(또는, 가장자리)를 따라 그리고 센싱층(또는, 감지층)들 영역 주변에 접착 페이스트(adhesive paste)(예를 들어, 실리콘 PDMS)로 본딩(또는, 접착)될 수 있다. 또한, APTES(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 링커의 증착물(vapour deposit)을 상부층 상에 1시간 동안 도포할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는 이 단계에서 라텍스와 같은 컴플라이언트 폴리머(또는, 순응성 중합체)로 완전히 코팅될 수 있다. 매우 얇은 센서의 경우, 딥-코팅 기술(dip-coating technique)이 사용될 수 있다.
도 6h에 도시된 바와 같이, 범프들(602)은 힘을 토크(torque)로 변환하기 위해 센서의 상부 표면(또는, 상면)에 적용된다. 힘의 방향과 크기를 모두 감지하기 위해, 범프들은 눌렸을 때 가해지는 모든 힘을 토크로 변환하는 4개의 직교하여 배열된 전극들(센셀들)의 각 세트의 중심에 배치되어야 한다. 그런 다음, 토크는 센셀들 중 일부를 다른 것들보다 더 압축할 것이며, 이는 부착된 전자 회로를 통해 판독될 수 있다. 범프는 다양한 인쇄 기술(3D 프린팅 또는 실리콘 에칭 포함)을 사용하여 다수의 유전체층들을 프린팅함으로써 만들어지거나, 범프들을 몰드(mould)에 캐스팅하여 만들어질 수 있다(이 경우 사용할 폴리머가 액체 상태이거나 부분적으로 경화된 상태에서 센서를 몰드(위)에 거꾸로 놓아야 하며 전체 어셈블리를 경화해야 한다). 본 실시예에서, 마스터 몰드(master mould)는 높이가 2mm이고, 길이와 폭이 6mm인 4개의 입방형 범프들(602)에 대해 PLA로부터 제조된다. 그런 다음, 액체 PDMS(또는 실리콘/라텍스/TPU/러버(또는, 고무))를 몰드(엘라스토머 대 경화제의 중량비 10:1)에 캐스트(또는, 주조)하고 섭씨 80도에서 1시간 동안 오븐에서 경화한다. 그 후, PDMS는 UV-오존 또는 산소 플라즈마로 처리되어 기판(604)의 PET 상부층에 본딩(또는, 접착)되기 전에 접착력을 더욱 증가시킨다. PDMS 범프들과 PET 사이에 강한 본드(또는, 결합)이 형성될 수 있도록 어셈블리를 밤새 방치할 수 있다. 범프들(602)은 장치가 주어진 두께로 굴곡되게 허용하는 한, 자체적으로 강성이거나 유연(또는, 순응)할 수 있다. 더 얇은 범프들(602)과 고순응성 재료로 만들어진 범프들은 벤딩 시(또는, 굽힘 시) 측정값을 덜 왜곡하고 따라서 장치가 굽은 상태에 있는 동안 수직력에 대해 더 나은 이방성 선택성을 제공한다.
도 6i에 도시된 바와 같이, 최종 선택적 단계는 외부 요소에 대해 불투과성인 커버층(624)을 만들기 위해 센서의 상부 또는 센서의 에지 또는 전체 센서 구조의 적층 또는 절연을 포함할 수 있다. 적층은 예를 들어 완전히 등각인 파릴렌 코팅(Parylene coating)(더 구체적으로 1 나노미터에서 1 미크론 두께의 파릴렌-C(Parylene-C))으로 수행될 수 있고, 절연은 실리콘, 러버(또는, 고무), 폴리우레탄, 또는 기타 폴리머 블렌드로 달성될 수 있다.
센서의 임의의 층들에 대해 임의의 적합한 프린터가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 그러나, 적절한 스크린 프린터의 예로는 Horizon Dek i3TM이 있다.
센서의 판독은 알려진 제로 전위 방법(zero potential method)을 사용하여 수행될 수 있다. 이는 큰 어레이 내에서 인접한 센서들 사이의 혼선(또는, 누화)(crosstalk)을 최소화한다. 저항성 어레이 회로들에서, 하나의 센싱 요소의 저항이 그 주변의 다른 요소들의 저항에 근접할 때 큰 간섭 전류가 생성될 수 있다. 여기에 설명된 것과 같은 음의 압전 저항형(또는, 압저항) 계수 센서에서, 센싱 요소들은 높은 저항에서 시작하여 압력이 가해짐(또는, 인가됨)에 따라 저항이 감소한다. 이는 설명된 센서들에서, 재료가 정지 상태에서 높은 저항을 가지므로 낮은 압력들이 더 높은 간섭을 생성한다는 것을 의미한다. 이러한 센서들의 동작에 대한 더 자세한 내용은 도 12a 내지 c와 관련하여 아래에 제공된다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서를 제조하는 방법의 단계들을 도시한다. 이 센서는 위에서 설명한 다른 센서들과 다르게 작동하는 4-와이어 단일 포인트 센서(4-wire single point sensor)로 간주될 수 있다. 특히, 이 센서는 전극 그리드에서 4개의 와이어들 사이에 있는 저항 영역에 가해지는 압력의 '질량 중심(centre of mass)'을 측정한다는 점에서 다르다. 이 센서의 범프는 질량 중심의 위치가 힘의 방향을 제공할 수 있다는 점에서 조이스틱과 유사한 방식으로 기능한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 적절한 기판(704) 재료는 그 두께와 함께 선택된다. 본 실시예에서, 기판(704)은 36 미크론 두께의 PET로 형성된다. 도 7b는 동일한 기판(704) 상에 제1 및 제2 전극층들(706, 708) 모두의 스크린 프린팅을 나타낸 것으로, 각 층의 전극들은 서로 수직으로 배향된다. 본 실시예에서, 전극들은 25.4 미크론 두께에서 0.010 Ω /square 미만의 낮은 시트 저항을 갖는 EMS CI-1036TM 신축성 은계 전도성 잉크로 제조된다. 본 실시예에서, 전극들은 경화 전의 잉크 두께가 14 내지 25 미크론일 수 있도록 에멀젼 두께로 스크린 프린트(또는, 인쇄)된다. 전극들은 폭이 2㎜이고 제1 및 제2 전극층들(706, 708) 각각의 에지(또는, 가장자리)를 따라 2개의 전극들만이 제공되어 1cm x 1cm 풋프린트 센서를 형성한다.
도 7c는 제1 전극층(706)의 2개의 전극들 위에 증착되고 그 사이에서 연장되는 제1 고저항 탄소층(707) 및 제2 전극층(709)의 2개의 전극들 위에 증착되고 그 사이에서 연장되는 제2 고저항 탄소층(709)의 스크린 프린팅을 도시한다. 본 실시예에서, 두 고저항 탄소층들은 ECI 7004 HR 및 NCI 7002 잉크(80/20 % 중량 혼합)라고 하는 2개의 HenkelTM 잉크들로부터 혼합되어 경화 후 10 미크론 두께에서 ~10,100 Ω/square/mil의 시트 저항을 제공한다. 증착은 ~20-40 미크론 에멀젼 두께를 갖는 메쉬를 통해 수행된다. 다른 실시예에서, 고저항 탄소층은 EMSTM CI-2050 LR(25.4 미크론에서 1,500 - 2,500 Ω/square/mil) 및/또는 HR(25.4 미크론에서 >10M Ω/square/mil)을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 고저항 탄소층들(707, 709)은 서로 다를 수 있다(또는, 상이할 수 있다).
이러한 유형의 센서의 경우 고저항 탄소층들(707, 709)은 장치 내의 리드 저항과 외부 세계와의 인터페이스(또는, 접점)를 위한 접촉 저항의 합보다 훨씬 더 높은 저항을 갖는 것이 중요하다. 그 이유는, 소자(또는, 장치)의 상부 전극층(708) 또는 하부 전극층(706)에 걸쳐서 전압이 인가될 때, 대부분의 전압 강하가 저항성 탄소 영역 내에서 발생하는 것이 바람직하기 때문이다. 이는 범프층에 가해지는 토크의 압력 중심의 위치가 측정될 수 있음을 보장한다: 압력이 장치에 가해질 때, 두 활성층들(710)이 주어진 지점 주위에서 서로 접촉할 때. 장치의 한 면(위 또는 아래)의 전극들에 전위차가 가해지고(또는, 적용되고), 장치의 다른 면의 전극들 중 어느 하나에서 측정된 전압은 전위 분배 회로(potential divider circuit)를 형성한다. 전위차가 가해지는 탄소 평면에 반대되는(또는, 대향하는) 전극들 중 하나에서 판독된 전압은 압력이 가해지고 있는 두 전극들 사이의 압력의 위치(한 축에서)를 제공할 것이다. 이러한 전기 구성은 장치의 반대측의 전극들/탄소층과 함께 다른 축의 위치를 판독하기 위해 뒤집힐 수 있다.
도 7d는 제1 고저항 탄소층(707) 및 제2 고저항 탄소층(709) 각각의 활성층(710)의 스크린-프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 전기 방사를 도시한다. 본 실시예에서, 활성층(710)은 QTSS®(Quantum Technology SuperSensors) C75 압저항 수계 잉크로 형성된다.
도 7e에서 짧은 원통형 스페이서 도트들의 정사각형 어레이를 포함하는 스페이서층(720)은 기판의 한 면(제1 면)(상)의 활성층(710)(상)에 제공된다. 각 스페이서 도트는 높이가 200 미크론으로 주변으로부터 2mm 이격되어 있다. 본 실시예에서, 스페이서층(720)은 고무 열가소성 엘라스토머를 시뮬레이션하는 PolyJetTM 인쇄 가능한 재료인 Stratasys의 TangoTM(즉, TangoPlusTM, FLX930) 재료를 사용하여 인쇄된다. 재료의 일반적인 특성은 26-28의 쇼어 경도(shore hardness)와 170-220%의 파단 연신율(elongation at break)이다. 따라서 스페이서는 장치 자체가 평평한 상태에서 가해지더라도 곡선을 그리면서 장치 상단과 하단에서 인장 및 압축 응력의 차이를 견딜 수 있다. 그런 다음, 기판(704)은 예를 들어 가위, 레이저, 나이프 플로터 또는 메스로 절단되어 제1 전극층(706)과 제2 전극층(708)을 두 부분으로 분리한다. 그 다음, 두 부분은 안쪽으로 접혀서 제2 전극층(708)이 제1 전극층(706) 위에 적층되어 도 7e에 도시된 바와 같이 전도성 매트릭스 그리드를 형성한다. 이 구성에서, 제2 전극층(708)에 부착된 기판(704)은 센서의 상부 층을 형성한다. 또한, 스페이서층(720)의 포스트들은 도 7f에 도시된 바와 같이 활성층(710)의 중간에 에어 갭이 있도록 제1 전극층(706)(상)의 활성층(710)과 제2 전극층(708)(상)의 활성층(710) 사이에서 연장된다. 일단 장치가 절단되고 접히면, 측면들은 장치의 에지들 주위에 도포된 실리콘 PDMS 접착제로 본딩(또는, 접합)된다. 그런 다음, APTES(3-아미노프로필 트리에톡시실란) 링커의 증착물은 아래에 설명된 PDMS 접착을 촉진하기 위해 1시간 동안 장치의 상단 표면에 도포(또는, 적용)된다.
도 7g에서, 범프(702)는 전극 그리드로부터 이격된 센서의 중앙에 제공된다. 범프(702)는 캐스트(또는, 주조)되거나 프린트(또는, 인쇄)될 수 있고 많은 폴리머, 예를 들어 더 순응적인 PDMS 또는 덜 순응적인 SU8이 이를 위해 사용될 수 있다. 범프(702)는 원하는 애플리케이션에 따라 다양한 형상, 크기, 및 높이를 가질 수 있다. 본 실시예에서, 마스터 몰드는 높이가 2mm이고 길이와 폭이 6mm인 직육면체 범프(702)용 PLA로 제조된다. 액체 PDMS를 몰드(엘라스토머 대 경화제의 중량비 10:1)로 캐스트(또는, 주조)하고 섭씨 80도에서 1시간 동안 오븐에서 경화시킨다. 그 후, PDMS는 UV-오존 또는 산소 플라즈마로 처리되어 기판(704)의 상부층에 본드(또는, 접합 또는 접착)되기 전에 접착력을 더욱 증가시킨다. 어셈블리는 PDMS 범프들와 기판(704) 사이에 강한 결합이 형성될 수 있도록 밤새 방치된다.
이러한 유형의 센서에 대해, 판독값은 각 범프(702)에 대한 3개의 개별 판독값들로 구성된다. 아래에 설명된 대로 X-로케이션(또는, 위치)에 대해 하나의 판독값이 필요하고 Y-로케이션에 대해 다른 판독값이 필요하다. 매번, 전압(및 전류)은 한 평면(즉, 제1 또는 제2 전극층(706, 708))의 전극들에 걸쳐 인가되고, 반대 평면(즉, 제1 또는 제2 전극층(706) 중 다른 하나)의 전극들 중 하나는 전압을 판독하는데 사용된다. 이것은 판독되는 전압이 두 평면이 접촉하는 (x 또는 y) 위치에 해당하는 전위 분배기 회로를 형성하며, 이는 힘이 가해지고 있는 곳이다. 고저항 탄소층들이 장치를 외부 세계에 연결하는 리드 및 접촉 저항보다 저항이 훨씬 높아서 본질적으로 무시할 수 있는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 리드에서 상당한 전압 강하가 발생하므로 위치 판독값이 제한된다.
힘 자체를 판독하기 위해서는, 활성층(710)(즉, 압저항 물질)을 사이에 두고 전류가 한 (평)면에서 다른 (평)면으로 흘러야 한다. 이는 상부 평면(즉, 제2 전극층(708))의 한 전극과 하부 평면(즉, 제1 전극층(706))의 다른 전극 사이의 전위차를 인가함으로써 이루어질 수 있다. 이 경우, 가해지는 압력은 활성층의 저항에 영향을 주어, 결국 장치를 통과하는 전류를 변화시킨다. 그 결과, 활성층(710)에 걸친 전체 전압 강하에도 변화가 있다. 두 평면(전류를 전달하는 데 사용되지 않고 있는)의 대향 전극을 사용하여, 어느 곳에서의 전압을 측정할 수 있다. 이는 접촉 저항을 측정하지 않거나 이 경우 해당 리드뿐만 아니라 장치에 대한 전극의 전압 강하를 측정하지 않기 때문에 전자 문헌에서 4-포인트 프로브 측정(4-point probe measurement)으로 알려진 것에 해당한다. 그러나, 우리는 전압 강하를 측정하고 있기 때문에 완벽하지 않다. 가해지는 압력의 위치에 따라, 고저항 평면(상)의 상이한 거리는 가변 저항으로 이어지는 전류에 의해 통과(또는, 횡단)되어야 하며, 따라서 가해지는 압력의 위치로 인해 저항층들에서 가변 전압 강하가 발생한다. 고저항층의 저항과 균일성을 알면 위치와 장치의 교정에 따라(또는, 기초하여) 저항 측정값이 얼마나 조정되어야 하는지 알 수 있다. 따라서, 센서 상부의 범프(702)가 힘을 받을 때, 그 전단 성분은 압력의 중심을 장치의 특정 영역으로 집중시키는 범프(702)에 토크를 발생시킨다(또는, 야기한다). 이것의 위치와 크기를 측정하면 힘의 평균 방향과 크기를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 스페이서는 압력으로 잘못 등록될 센서에 힘을 분산시키고 주름이 형성되는 것을 방지하는 동시에, 오프셋 힘이 가해지지 않을 때 개방 회로가 존재하는지 확인하는 역할을 한다. 도 8a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 다양한 예시적인 스페이서 배열들을 도시한다. 설명을 위해 각 경우에 센서의 일부만 표시된다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 원통형 스페이서 배열들을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다. 두 경우 모두에서 기판(804)에는 제1 전극층(806)에 3개의 수평 전극들(horizontal electrodes)이 제공되고 제2 전극층(808)에 3개의 수직 전극들(orthogonal electrodes)이 제공된다. 활성 재료(또는, 활성 물질)(810)는 제1 전극층(806) 및 제2 전극층(808)의 전극들 사이에 제공된다. 두 경우 모두, 스페이서들은 원통형 포스트(cylindrical posts), 필러(pillars) 또는 도트(dots)로 형성된다.
도 8a에서 스페이서들(820a)은 기판(804)의 양면에 프린트되고, 전극 매트릭스 중첩 사이에서 각 전극층으로부터 또는 이를 통해 기판(804)까지 연장되도록 배열된다.
도 8b에서 스페이서들(820b)은 기판(804)의 한 면에만 프린트되고 전극 매트릭스 중첩 사이에서 기판(804)의 하부 및 상부 사이에서 연장되도록 배열된다.
도 8a 및 도 8b의 스페이서들은 유전체 폴리머, 폴리실록산, 고무 또는 실리콘과 같은 폴리머 또는 유리와 같은 비정질 결정질 물질로 형성될 수 있다. 스페이서는 원기둥, 원뿔 또는 원뿔 섹션, 피라미드 또는 피라미드 섹션, 직육면체, 반구 또는 반구 섹션, 반원기둥, 사면체 또는 사면체 섹션, 육면체, 삼각형 프리즘, 다면체, 기타 형상으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 스페이서들은 센서를 가로질러 높이, 형상, 치수 또는 간격이 변경되도록 등급이 매겨질 수 있다. 일 예에서, 스페이서들은 50 미크론의 폭, 25 미크론의 높이 및 1mm의 간격을 갖는 원뿔 형상(또는, 원추형)일 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 다이아몬드 스페이서 배열들을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다. 두 경우 모두에서 기판(904)에는 제1 전극층(906)에 3개의 수평 전극들이 제공되고 제2 전극층(908)에 3개의 수직 전극들이 제공된다. 활성 재료(910)는 제1 전극층(906)과 제2 전극층(908)의 전극들 사이에 제공된다. 두 경우 모두, 스페이서들은 다이아몬드 또는 사각형 메쉬로 형성된다.
도 9a에서 스페이서들(920a)은 기판(904)의 한 면에만 프린트(또는, 인쇄)되고, 전극 매트릭스 중첩 사이의 각 전극층으로부터 또는 이를 통해 연장되도록 배열된다.
도 9b에서 스페이서들(920b)은 기판(904)의 양면에 인쇄되고, 전극 매트릭스 중첩 상에서 및/또는 그 사이에서 기판(904)의 하부 및 상부 상에서 및/또는 그 사이에서 연장되도록 배열된다.
도 9a 및 도 9b의 스페이서들은 직물 메쉬 또는 가요성/고무성 폴리머 메쉬로 형성될 수 있으며, 이는 예를 들어 다양한 소프트 폴리머를 사용하여 3D 프린팅된다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 (정)사각형 스페이서 배열들을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다. 두 경우 모두에서 기판(1004)에는 제1 전극층(1006)에 3개의 수평 전극들이 제공되고 제2 전극층(1008)에 3개의 수직 전극들이 제공된다. 활성 재료(1010)는 제1 전극층(1006)과 제2 전극층(1008)의 전극들 사이에 제공된다. 두 경우 모두, 스페이서들은 속이 빈 정사각형 기둥(hollow square post)으로 형성된다.
도 10a에서 스페이서들(1020a)은 기판(1004)의 한 면에만 인쇄되고, 예를 들어 단일 정사각형으로 9개의 전극 중첩을 둘러싸는 넓은 센서 영역 주위로 연장되도록 배열된다.
도 10b에서 스페이서들(1020b)은 기판(1004)의 한 면에만 인쇄되고, 예를 들어 각 전극 매트릭스 중첩 사이에서 작은 센서 영역 주위로 연장되도록 배열된다.
도 10a 및 도 10b의 스페이서들은 원통형 또는 다이아몬드형 스페이서들에 대해 전술한 것과 유사한 재료로 형성될 수 있다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 육각형 스페이서 배열들을 포함하는 센서의 일부의 평면도들을 도시한다. 각 경우에 기판(1104)에는 제1 전극층(1106)에 3개의 수평 전극들이 제공되고 제2 전극층(1108)에 3개의 수직 전극들이 제공된다. 활성 재료(1110)는 제1 전극층(1106)과 제2 전극층(1108)의 전극들 사이에 제공된다. 각 경우에, 스페이서들은 다른 크기의 중공 육각형(hollow hexagonal)(즉, 벌집형) 메쉬로 형성된다.
도 11a에서 스페이서들(1120a)은 기판(1104)의 한 면에만 인쇄되고, 전극 매트릭스 중첩 사이에서 연장되도록 배열된다.
도 11b에서 스페이서들(1120b)은 기판(1104)의 한 면에만 인쇄되고, 작은 센서 영역 주위로, 각 전극 매트릭스 중첩 상에서 및/또는 그 사이에서 연장되도록 배열된다.
도 11c에서 스페이서들(1120c)은 기판(1104)의 한 면에만 인쇄되고, 전극 매트릭스 중첩 사이에서 연장되고 상기 전극 매트릭스 중첩을 묶도록(또는, 결속시키도록)(bound) 배열된다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c의 스페이서들은 압출 또는 인쇄된 메쉬로 형성될 수 있다. 이들은 벌집 모양, 삼각형, 사각형, 다이아몬드, 페룰이 있는 다이아몬드, 정사각형 또는 일반 모양(plain)일 수 있다. 애플리케이션에 따라 다양한 상이한 직조들(weaves)을 선택할 수 있으며 센서 활성층들이 서로 접촉할 수 있도록 충분히 보장해야 한다. 직조 메쉬(woven mesh)는 다른 스페이서층들과 동일한 목적을 갖는다. 플레인 더치 위브(plain Dutch weave), 트윌 위브(twill weave), 플레인 위브(plain weave), 트윌 더치(twill Dutch), 잠금 크림프(lock crimp), 인터-크림프(inter-crimp), 트윌 더치 더블(twill Dutch double) 또는 스트랜디드 위브(stranded weave)가 사용될 수 있다. 메쉬는 비전도성 텍스타일 스레드(of non-conductive textile thread) 또는 전기 전도성 스레드(electrically conductive thread)(예를 들어, 은 또는 티타늄)로 제조될 수 있으며, 센서 내의 압력을 분산시키면서 감도를 향상시키는 데 사용될 수 있다.
평평하고 완전히 호환(compliant)되는 센서를 만들기 위해서는 센서가 얇아야 하고, 전극이 호환(compliant)되어야 하고, 센서가 원하는 것 이외의 힘에 반응하지 않아야 하는 여러 문제가 있다. 양자 터널링 활성층 재료는 매우 높은 저항(~109 Ω)에서 시작하므로 유리하다. 이 물질에 대한 접점은 여러 다른 물질로 구성될 수 있지만, 전극들은 물질이 물체를 감싸는 데 사용될 수 있도록 순응적이고(또는, 유연하고) 약간 탄성이 있어야 한다. 이를 위한 한 가지 방법은 신축성 있는 은 전극들을 만들거나, 압력에 따라 약간씩 달라지더라도 전도성 접착제를 번갈아 사용하는 것이다.
상술한 바와 같이, 양측(또는, 양쪽)에서 수직 방향으로 진행하는 행과 열 전극들 사이에 활성층을 끼워 이러한 센서들의 그리드/매트릭스를 만드는 것이 가능하다. 이는 이전에 비호환(또는, 비순응성) 전극들(non-compliant electrodes)과 전자 장치, 그리고 굽힘 반경이 제한적이지만 거시적으로 관측 가능한 표면에 대해 완전히 호환되지 않는 '유연한(flexible)' 전자 장치에서도 수행되었다. 매트릭스를 판독하기 위해서는, 어레이의 모든 센셀(센싱 픽셀)을 하나씩 판독하는 멀티플렉서가 필요하고 그것은 마이크로컨트롤러 또는 기타 신호 처리 하드웨어 및 소프트웨어에 부착된다.
본 발명의 실시예에서, 전체 장치 자체가 호환될 뿐만 아니라, 장치의 상부층에 대한 힘 전달 구조로 작용하는 '범프들(bumps)' 또는 형상을 포함하여 그리드에 있는 4개의 센셀들의 모든 클러스터(cluster)가 3D 힘 센싱 '택텔(tactel)'(촉각 픽셀)로 변환될 수 있는 간단한 장치가 제안된다.
제안된 장치는 롤-투-롤 프린팅, 스크린 프린팅 또는 유사한 미세 가공 기술과 같은 프린팅을 사용하여 대량 생산을 위해 만들어졌다.
위에서 설명한 센서들의 주요 작동 메커니즘은 다음과 같다: 4개의 센셀들 각각의 저항 변화와 정규 분포는 센서에 대한 3방향 힘을 추정하는 데 사용된다. 각 범프는 힘 전달 구조로 작용한다. 각 범프에 방향성 힘을 부여하여 '범프'를 변형시켜 응력을 발생시킨다. 힘의 수직 성분(또는, 법선 구성요소)(normal component)은 그 아래의 각 센셀을 동등하게 압축하지만(대칭 저항 변화를 초래함), 전단 성분은 활성층에서 토크를 생성하여 일부 센셀들을 다른 센셀들보다 더 많이 압축한다(비대칭 저항 변화를 초래함). 이것의 감도 조정은 활성층의 두께와 바인딩 재료뿐만 아니라 '범프'와 기본(또는, 기저) 기판 재료(underlying substrate materials)의 높이와 강성을 변경하여 수행할 수 있다.
개별 그리드 라인들은 10um만큼 작게 만들 수 있으며, 혼선(또는, 누화)과 단락을 생성할 층들 사이에 터널링이 설정되지 않으면 필요한 만큼 그 사이의 간격을 작게 만들 수 있다.
신호를 판독하기 위해서는, 각 열 및 행 전극이 적절한 전기 판독 회로에 연결되어야 한다. 신호를 판독할 때, 각 전극이 서로 공간적으로 분리되므로 저항성 혼선 노이즈가 현저히 감소한다. 그러나, 각 센셀의 혼선을 더 줄이거나 신호 대 잡음비(SNR)를 증가시키기 위해 다음 방법 중 하나가 채택될 수 있다: i) 측정 지점에서 고려되지 않은 드라이브 라인을 출력 전압과 동일한 전위로 설정하는 Pubrick의 전압 미러 방법, 또는 ii) 스캐닝 전극들의 전압을 0으로 설정하는 더 간단한 영전위 방법. 이들은 혼선의 영향을 제거하는 등전위 영역을 형성한다. 실제로 위의 회로를 구성하는 방법은 여러 가지가 있다.
장치의 보정(또는, 교정)이 필요하지만, 적절한 학습 데이터를 제공한 경우 머신 러닝(또는, 기계 학습) 또는 인공 지능 알고리즘은 센서가 작동하는 방법을 '학습(learn)'할 수도 있다. 이러한 센서로 측정할 수 있는 힘의 범위는 활성층의 조성, 바인더 및 센서의 전체 두께에 따라 0.01N에서 이론적으로 무한한 양까지이다.
어느 층들도 적절한 두께를 갖지 않지만, 전체 장치가 규정을 준수하기 위해서는 두께가 1mm 이하이고 두께가 10nm 이상이어야 한다. 표면의 범프들은 나열된 것과 다른 형상을 포함할 수 있지만, 대부분의 경우 4개의 센셀당 1개의 범프가 있어야 한다는 제약이 적용된다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 센서의 단일 촉각 요소(택텔)(1200)의 상부 사시도를 도시한다. 이 택텔은 판독하고자 하는 픽셀들을 나타내는 4개의 센셀들(C1, C2, C3, C4) 위에 제공된 돔 형상의 범프(1202)를 갖는다. 아래 표 1은 서로 다른 힘을 받았을 때 4개의 센셀들 각각이 경험하는 전기 저항의 변화를 보여준다. 따라서 이러한 센서에 대한 전기 판독값이 적용된 힘의 위치, 크기 및 방향의 측정으로 어떻게 변환될 수 있는 지 결정할 수 있다.
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표 1: 힘 방향에 대한 센셀 변화
도 12b는 대응하는 힘과 함께 비스듬한 힘(또는, 경사력)이 범프(1202)에 인가되기 전후의 도 12a의 촉각 요소(1200)의 측면 사시도를시간 그래프로 도시한다. 이것은 비스듬한 힘이 가해졌을 때 x, y, z축에서 경험하는 힘의 차이를 보여준다.
도 12c는 비스듬한 힘이 범프(1202)에 가해졌을 때 도 12b의 촉각 요소(1200)의 측면도를 도시한다. 이는 상부 및 하부 기판(1204) 사이에 낀 활성층(1210)을 포함하는 예시의 용이성을 위해 단순화된 센서층 구조를 보여준다. 이 예에서, 센셀(C3)은 작은 변형을 경험하는 반면, 센셀(C4)은 힘의 인가 시 큰 변형을 경험한다. 이는 C4에서보다 C3에서 더 약한 변화로 변환되어 적용된 힘의 방향을 정확히 찾아내는 데 도움이 된다.
설명된 센서들에는 여러 응용 프로그램이 있다. 이는 안정적으로 작동하는 컴플라이언트 3축 힘 센서에 대한 대규모 산업, 가정 및 의료 수요에서 기인한다. 예로는 로봇 공학(단단하고 부드러운 로봇, 슬립 감지), 전자 피부, 인공 의수, 인간-로봇-상호작용, 햅틱 시스템 및 벽과 바닥과 같은 표면, 가상 현실, 게임, 구조 무결성 모니터링(비행기 날개, 건물), 스마트 의류(예: 장갑), 보행 분석 깔창(지반 반력 방향, 전체 압력, 당뇨병 족부궤양 모니터링 등 힘 센싱 플레이트 대체 가능) 스포츠 충격 모니터링(충격 방향 및 크기 감지 가능), 이식형 장치, 웨어러블(예: 스마트 홈 사용용), 생체 의학 장치, 약물 전달 패치/시스템, 신축성 있는 전자 회로, 성인용 및 성완구 산업(예: 실시간 성능/피드백 및/또는 적응형 장치를 갖춘 장난감이나 인형), 움직임을 감지하는 베개, 욕창, 혈압 모니터링 및 감지를 모니터링하는 병상(예: 의복 또는 웨어러블을 통한 혈압 및 흐름 모니터링에 의한 관상동맥 심장질환(CVD) 진단용), 근력/운동, 피로 모니터링 및 감지, 수명 또는 에너지 생성 용량을 증가시키기 위해 블레이드 주변의 흐름 특성에 대한 조수 또는 풍력 터빈 모니터링, 자율 로봇이 예상될 수 있고 높은 수준의 손재주와 촉각 정보가 필요한 모든 영역(예: 창고 피킹 및 선별, 우주 탐사, 수색 및 구조, 노인 간호, 요리, 전자제품 조립, 물고기 잡기, 소셜 로봇 등), 항공기 날개(무게 및 비용 절감은 물론 날개 설계 개선에 도움이 될 수 있는 하중/힘 모니터링), 건설 작업 환경의 힘 모니터링, 말 안장 압력 모니터링, 근력 매핑/모니터링, 조직 경도/밀도 모니터링(예: 유방암 진단/여성이 출산에 얼마나 가까운지), 보철(예: 절단 환자를 위한 것이지만 파킨슨병, ALS 등과 같은 특정 질병에 대한 떨림 보상) 등이 있다.
일부 실시예에서, 피부의 고주파수 및 저주파 기계수용기를 더 잘 모방하기 위해, 범프층을 적용하기 전에 압전 저항형 및 압전층들이 적층될 수 있다.
또한, 장치를 거꾸로 사용할 수 있으며(즉, 범프들이 사용자의 피부에 접하고 힘이 베이스층을 통해 가해짐), 이는 공기역학적 또는 유체역학적 특성이 장치 표면에서 유지되어야 하는 경우 특히 유용할 수 있다.
전술한 설명은 예시적인 실시예를 설명했지만, 실시예의 많은 변형이 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 더욱이, 하나 이상의 실시예들의 특징들은 하나 이상의 다른 실시예들의 특징들과 혼합되고 매칭될 수 있다.
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100: 센서
102: 범프
104: 베이스층
106: 제1 전극층
108: 제2 전극층
110: 활성층
112: 상부층

Claims (26)

  1. 컴플라이언트 3축 힘 센서(compliant tri-axial force sensor)에 있어서,
    제1 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제1 전극층;
    상기 제1 배향에 직교하는 제2 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제2 전극층;
    힘이 가해질 때 적어도 하나의 특성(property)을 변화시키도록 되고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 제공되는 힘-의존 활성층(force-dependent active layer); 및
    상기 활성층을 통해 외부로부터 가해진 힘을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 3차원 범프(bump);를 포함하고,
    외력이 가해질 때까지 상기 센서의 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열되는 적어도 하나의 스페이서(spacer)가 제공되는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층은 양자 터널링 재료, 압전 저항 재료 또는 압전 재료 중 적어도 하나를 포함하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 특성은 양자 터널링(quantum tunnelling); 전도율(conductivity); 저항률(resistivity) 또는 전하(electrical charge)인, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 범프에 가해진 힘이 적어도 4개의 개별 영역들에서 상기 활성층을 통해 전달될 수 있도록 상기 제1 전극층의 적어도 2개의 열 전극들 위로 적어도 부분적으로 연장되고 상기 제2 전극층의 적어도 2개의 열 전극들 위로 적어도 부분적으로 연장되는 풋프린트(footprint)를 갖는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 제1 전극층의 2개의 열 전극들 사이 및 상기 제2 전극층의 2개의 열 전극들 사이의 공간 내에 포함된 풋프린트를 갖는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 제1 활성층과 그 사이에 갭(gap)을 갖는 제2 활성층을 포함하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극층 아래의 베이스층; 상기 제2 전극층 위의 상부층; 상기 제1 전극층과 상기 활성층 사이의 제1 탄소층; 상기 제2 전극층과 상기 활성층 사이의 제2 탄소층; 및 상기 적어도 하나의 3차원 범프 위의 커버층 중 하나 이상을 더 포함하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 탄소층은 상기 제1 및/또는 제2 전극층의 다수의 열 전극들에 걸쳐 연속적인, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스페이서는 상기 활성층 내에; 상기 베이스층과 상기 상부층 사이에; 또는 상기 제1 또는 제2 전극층 상에 또는 이를 통해 제공되는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스페이서는 점(dot), 열(column), 포스트(post), 실린더(cylinder), 관형(tubular), 피라미드(pyramid) 또는 메쉬(mesh) 형태인, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스페이서는 원형, 정사각형, 직사각형, 다이아몬드, 오각형, 육각형 또는 벌집 격자 형태의 솔리드(solid) 또는 할로우(hollow) 횡단면을 갖는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서들의 어레이를 포함하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 어레이의 상기 스페이서들은 복수의 상이한 차원들을 갖는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 제1 및/또는 제2 전극층의 다수의 열 전극들에 걸쳐 연속층을 형성하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  15. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 제1 및/또는 제2 전극층의 상기 열 전극들에 걸쳐 불연속층을 형성하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  16. 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연체가 상기 제1 및/또는 제2 전극층에서 인접한 전극들 사이에 제공되는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 스페이서는 상기 활성층과 상기 제1 및/또는 제2 전극층 사이에 제공된 바인더(binder)의 형태를 취하고,
    상기 바인더는 인접한 열 전극들 사이의 갭들에 제공되고 상기 활성층과 상기 인접한 열 전극들의 각 에지들 사이에서 연장되는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  18. 제1 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    접착층이 하나 이상의 인접한 층들 사이에 제공되는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  19. 제1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 센서의 나머지 부분(remainder)과 다른 탄성을 갖는 폴리머를 포함하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  20. 제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 3차원 범프는 메사(mesa), 돔(dome), 반구, 반구 섹션, 원뿔, 원뿔 섹션, 직육면체, 실린더, 반원통, 피라미드, 피라미드 섹션, 사면체, 사면체 섹션, 육면체, 삼각형 프리즘 또는 다면체 형태인, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  21. 제1 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 3차원 범프는 상기 센서의 나머지 부분의 높이의 적어도 2배인 높이를 갖는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  22. 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차원 범프들의 어레이를 포함하는, 컴플라이언트 3축 힘 센서.
  23. 제1 항 내지 제22 항 중 어느 한 항을 따르는 센서 제조 방법에 있어서,
    제1 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제1 전극층을 제공하는 단계;
    상기 제1 배향에 직교하는 제2 배향의 열 전극 어레이를 갖는 제2 전극층을 제공하는 단계;
    힘이 가해질 때 적어도 하나의 특성을 변화시키도록 구성되고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 제공되는 힘-의존 활성층을 제공하는 단계;
    상기 활성층을 통해 외부로부터 가해진 힘을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 3차원 범프를 제공하는 단계; 및
    외력이 가해질 때까지 상기 센서에서 2개 이상의 층들 사이의 분리를 유지하도록 배열된 적어도 하나의 스페이서를 제공하는 단계;를 포함하는, 센서 제조 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    각 층, 범프 또는 스페이서는 프린팅, 스크린-프린팅, 롤-투-롤 프린팅, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅, 전기 방사(electrospinning), 증착, 액적 도포(droplet dispensing), 캐스팅(casting), 코팅, 성형(moulding), 스피닝(spinning) 또는 직조(weaving) 중 하나에 의해 제공되는, 센서 제조 방법.
  25. 제23 항 또는 제24 항에 있어서,
    단일 기판 상에 적어도 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 형성하는 단계; 상기 기판을 두 부분들로 분리하는 단계; 및 상기 두 부분들을 함께 적층(stacking)하는 단계;를 포함하는, 센서 제조 방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 분리 및/또는 적층 전에 적어도 하나의 부분 상에 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는, 센서 제조 방법.
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