用于感测材料应变的设备制造技术

本发明专利技术提供了一种传感器，其包括：以电方式包括可切换的聚合物元件。所述聚合物元件具有至少第一电状态和第二电状态，并且可根据预定的机械应变变化在所述第一电状态和所述第二电状态之间切换。所述传感器包含应变敏感性聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的多个导电颗粒。

Apparatus for sensing material strain

The present invention provides a sensor which includes a switchable polymer element in an electrical manner. The polymer element has at least a first electrical state and a second electrical state, and can be switched between the first electrical state and the second electrical state according to a predetermined mechanical strain change. The sensor comprises a strain sensitive polymer matrix and a plurality of conductive particles embedded in the polymer matrix.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对环境变化敏感的感测设备。本专利技术具体地涉及对设备的机械应变敏感的感测设备。
技术介绍
感测系统目前在世界上是普遍的。带有专用传感器和处理器回路的反馈系统提供对速度、加速度、温度、力学状态、以及大量其它信息块的指示。这些系统通常要求昂贵的硬件元件以实现它们的性能。存在对传感器的尚未满足的需求，所述传感器可以低成本结合到系统中以便能够为改进消费者的日常生活提供日常情况期望的信息。当前世界在智能电话的可用性方面的一个独特优势是其还可经由构建到装置中的能力诸如近场通信、RFID、蓝牙、WiFi和使装置能够找出适当构造的传感器的当前状态的其它通信协议来充当传感器询问装置。需要可远程询问的简单的低成本环境传感器。
技术实现思路
一种传感器包括：机械应变敏感的可切换的聚合物元件。所述聚合物元件具有至少第一电状态和第二电状态，并且可根据预定的机械应变变化在第一电状态和第二电状态之间切换。所述传感器包含应变敏感性聚合物基体和嵌入聚合物基体中的多个导电颗粒。附图说明图1提供了本专利技术的实施方案的示意图。图2提供了本专利技术的实施方案的示意图。具体实施方式下文示出本专利技术的多个不同实施方案的广泛说明。本说明应被视为仅是示例性说明，并没有描述每一个可能的实施方案，因为描述每一个可能的实施方案即便是可能的话，也是不切实际的，并且应当理解，本文所述的任何特征、特性、组件、组成、成分、产品、步骤或方法均可被删掉、全部或部分地与本文所述的任何其它特征、特性、组件、组成、成分、产品、步骤或方法相组合或用后者取代。可使用当前技术或在本专利的提交日期之后开发的技术来实施众多可供选择的实施方案，在本专利的提交日期之后开发的技术仍然应落入本权利要求的范围内。还应当理解，除非一个术语在本专利中用句子“如本文所用，术语‘______’被定义为是指…”或类似的句子明确定义，否则并不意图将该术语的含义明确或隐含地限制超出其平常的或普通的含义，并且此类术语不应当被解释为被限制在基于本专利任一部分中所作出的任何语句(除了权利要求书的语言之外)的范围之内。除非指明，否则任何术语均不旨在对于本专利技术是必需的。当在本专利中以符合单一意义的方式来提及本专利最后权利要求书中叙述的任一术语时，只是为了清晰起见以便不使读者感到困惑，且并不旨在隐含地或换句话讲将这种权利要求术语限制为单一的含义。最后，除非权利要求元素是通过描述该词“装置”和功能而没有描述任何结构而定义的，否则并不旨在基于专利申请35U.S.C.§112第六款来解释任一权利要求元素的范围。如本文所述，“芯片”可由如本领域中所公知的无芯片RFID元件代替。LC谐振RF标签或多谐振元件可用于代替所述实施方案中的芯片。在一个方面，传感器系统包括模数转换器和传感器。传感器适于提供模拟传感器的环境的pH变化的输出。模数转换器适于将传感器的模拟输出转换为数字值。模数值适于将传感器的模拟输出转换为数字值。模数转换器包括输入端子和输出端子。模数转换器的输入端子设置成与传感器的输出端子电连通。在一个方面，一种传感器系统包括标签。标签可包括印刷在基板上的导电油墨和非导电油墨的一个或多个层。示例性基板材料包括聚合物膜、纸材、高介电常数的介电材料和FR-4材料。多层结构还可包括非导电材料的局部层，所述局部层隔开导电层的至少一部分。示例性导电层包括铜墨和银墨。标签包括至少一个射频芯片、被设置为卡、硬币、或嵌体上的电路的第一天线。示例性芯片/第一天线组合包括以下型号：RI-I03-112A-03(13.56MHz)、和RI-INL-R9QM(134.2kHz)、或型号TRF7970A，它们各自购自Texas Instruments(Dallas，TX)。天线可为线圈或偶极的物理形式，或可包括与标签的其余部分电连通的产品或包装件的导电组件。芯片/第一天线组合可整合进购自Kovio(San Jose，CA)的单元标签中。标签还包括与芯片和天线电连通的导电聚合物体系。所需的用于标签的功率源可由RFID电路的收获能量提供，因为所需的电流在微安范围内。随后可利用诸如供标签使用的电容器之类的元件来存储所述收获功率。在一个实施方案中，传感器系统包括：通信元件和开关。所述开关被构造成启用或停用通信元件。所述开关包括可切换的聚合物元件。所述聚合物元件具有至少第一电状态和第二电状态，并且可根据预定的环境变化在第一电状态和第二电状态之间切换。在环境变化发生时或之后，所述开关可启用或停用系统的通信元件的功能能力。示例性环境变化包括：润湿、湿度、pH、机械应变、溶剂相容性、以及它们的组合。相应的传感器元件一般通过具有以下电状态来起作用，所述电状态响应于传感器聚合物组分的溶胀而变化，所述溶胀响应于传感器环境的选择性而变化。湿度传感器可包括高分子电解质涂层。当干燥高分子电解质时，智能涂层具有在兆欧姆范围内的电阻(开放电路)并且在受环境侵害时具有小于3千欧姆的电阻(闭合电路)。当受水(去离子)或湿度侵害时，聚合物被水溶胀，因此使电解质增溶。在未受侵害的、未溶胀状态下，嵌入的电解质提供射频能途径以打开天线从而使得RFID能够传输。在一个实施方案中，智能涂层制剂能够在受侵害之后约10至15秒进行该转变。嵌入电解质增强该智能涂层的吸湿性质从而有效地使其对湿度敏感。湿度、pH和机械应变传感器可包括浸入非导电聚合物基体中的导电填料元件。在传感器暴露于润湿或湿度时，聚合物在其从环境吸收水时溶胀。溶胀的聚合物基体通过增加离散的导电填料颗粒之间的间距而减少传感器元件的电导率。随着该间距增大，通过传感器的填料传导电流的途径减少并且可在溶胀不留下经由填料通过基体的完全导电途径时或之后变得完全开放。溶胀的连续统一体可由预定的化学和/或物理交联水平来控制。举例来说，化学交联可热引发、通过引发剂引发、通过紫外线引发、通过光引发。举例来说，物理交联可由缠结、冻-融循环和结晶引发。预定交联水平仅提供在由水或湿度的溶胀区域的导电区域内的平衡溶胀。交联还充当扩增pH敏感性效应的方式。在交联体系中，pH的变化导致传感器在预定动态范围内的溶胀或收缩。在侵害之前，传感器包括导电途径，所述导电途径由一系列彼此物理接触的导电材料的离散颗粒构成。导电途径提供电流流动的路径，所述路径作为传感器已经结合于其中的电路的一部分，或在另选的实施方案中，导电途径可提供作为电路的一部分的已知的电阻。在传感器暴露于环境侵害时，传感器的电导率将在聚合物基体的溶胀增加离散的导电颗粒之间的距离时下降，并且可在溶胀在前述导电途径的任何截面处形成导电颗粒的完全分离的情况下下降至零。电导率的变化可与环境pH相关。化学电阻器湿度敏感性智能涂层具有在干燥时在低欧姆范围内的电阻，从而能够获得电导率，并且具有在被环境侵害时在高兆欧姆范围内的电阻以得到非常低的电导率。当智能涂层受水基液体侵害时，聚合物开始溶胀。该溶胀引起渗滤阈值，其中聚合物的体积增加至其干燥体积的20-40％。在如此进行时，导电填料达到其不再在开放电路的阳极侧和阴极侧之间或在两个IC引线之间能传导射频能的点。在一个实施方案中，化学电阻器智能涂层制剂能够在受侵害之后约5秒进行该转变。为了更好地分散填料，使用非离子表面活性剂Triton X-100。可形成化学敏感性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器系统，其特征在于包括：机械应变可切换的聚合物元件，所述聚合物元件具有至少第一电状态和第二电状态，并且可根据预定的机械应变变化在所述第一电状态和所述第二电状态之间切换，所述传感器包含应变敏感性聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的多个导电颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.25 US 14/224,4411.一种传感器系统，其特征在于包括：机械应变可切换的聚合物元件，所述聚合物元件具有至少第一电状态和第二电状态，并且可根据预定的机械应变变化在所述第一电状态和所述第二电状态之间切换，所述传感器包含应变敏感性聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的多个导电颗粒。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述导电颗粒包括导电石墨化碳。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·E·斯特里莫，
申请(专利权)人：宝洁公司，
类型：发明
国别省市：美国;US