力感测元件制造技术

公开了力感测元件的各示例。用于形成力传感器的示例方法包括将中空球导电聚合物的悬浮液印刷在基板上的电极对上的液体载体中，蒸发该液体载体，以及封装该电极对和中空球导电聚合物以形成力传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】力感测元件
技术介绍
力传感器可被用于测量力、压力和/或应力的变化。此类传感器可具有许多不同的用途。例如，力传感器可被用于测量重量、监测结构组件的完整性、以及用作计算设备的用户输入设备。概述公开了涉及被配置为感测相对小的力的力传感器的示例。一个公开的示例提供了一种用于形成力传感器的方法，该方法包括将中空球导电聚合物的悬浮液印刷在基板上的电极对上的液体载体中，蒸发该液体载体，以及封装该电极对和中空球导电聚合物。提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的概念的选集。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中提及的任何或所有缺点的实现。附图简述图1A示出了示例力感测元件的俯视图，而图1B示出了图1A的力传感器的视图，其中中空球导电聚合物矩阵被设置在第一和第二电极之间。图2A示出了另一示例力感测元件的俯视图，而图2B示出了图2A的力传感器的视图，其中中空球导电聚合物矩阵被设置在第一和第二电极之间。图3是例示用于制造力感测元件的示例方法的流程图。图4示出了包括示例力感测元件的示例可拉伸制品。图5A和5B示出了包括示例力感测元件的示例设备。图6示出了包括示例力感测元件的另一示例设备。图7示出了包括示例力感测元件的另一示例制品。图8示出了包括示例力感测元件的另一示例设备。图9A-11B示出了例如力感测元件的力灵敏度的示例图绘。图12示意性地示出了示例力感测元件阵列。图13示意性地示出了示例计算设备。详细描述力感测元件(在本文中也称为力传感器)可被合并到各种设备中以提供触摸输入感测、应力感测、压力感测、和/或其他感测功能。一些力传感器可能对力的微小变化具有低灵敏度，这可能限制该传感器在特定上下文中的使用。因此，本文公开了涉及可能具有相对较高灵敏度的力感测元件的示例，诸如能够检测小于0.1N的力。示例力感测元件利用被设置在电极对之间的中空球导电聚合物层来感测力。在一个示例中，中空球导电聚合物层包括中空球聚吡咯(polypyrrole)结构的矩阵。虽然固体聚吡咯由于其刚性共轭环骨架而可能是硬的和脆的，但通过将聚吡咯形成为球壳几何形状，可使脆纳米结构材料表现出能够承受大的有效应力和应变的可调有效弹性模量。中空球结构允许聚吡咯在施加和释放外部压力时弹性地变形和恢复，从而提高力传感器的接触稳定性，并赋予设备稳定和可再现的感测性能。中空球聚吡咯可通过混合两种反应物溶液，然后将所得混合物浇铸到包括电极的基板上来合成。然而，在此方法中，聚吡咯湿膜浇铸和聚吡咯聚合/固化相结合，并且该结构在2-3秒内固化。由于这种短的工作时间，在大规模批量生产设施(例如自动涂覆和印刷方法)中直接使用此系统来制造复杂的图案是困难的。此外，力感测元件阵列的制造可能需要对阵列中的每个元件执行分离的浇铸处理，这可能是缓慢且低效的。因此，所公开的示例将球体合成和沉积/图案化分离成两个独立的过程。通过首先合成中空球聚吡咯，然后将经合成的中空球聚吡咯悬浮在适当的液体载体中，可以使用各种沉积/图案化方法(手动微量移液、气动点胶、喷涂、丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、电流体动力印刷等)来形成大面积和/或复杂的力感测图案。此外，所公开的传感器示例可以由柔性材料形成，包括柔性基板和电极，其与更刚性的力传感器相比可有助于拓宽使用范围。图1A和1B示出了示例力传感器100的俯视图。图1A示出了处于经组装状态的传感器100，而图1B示出了处于经分离的层中的传感器100。第一层101(被示为图1B中的分离层)包括基板102，该基板102包括形成电极对的第一电极104a和第二电极104b。在所例示的示例中，第一电极104a与第二电极104b相互指叉，但是在其他示例中，第一电极和第二电极可以以任何其他合适的配置形成。基板102可以是刚性的或柔性的，并且由合适的非导电材料形成。合适的基板材料的示例包括但不限于：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚苯乙烯、聚醚醚酮和其他绝缘聚合物。第一和第二电极104a和104b可以以任何合适的方式被形成。在一些示例中，电极可被印刷(例如，丝网印刷、喷墨印刷)在基板上。在另一示例中，可经由通过在整个基板上沉积导体并然后蚀刻电极图案来形成电极。在又一其他示例中，可使用掩模/沉积方法(例如，溅射、蒸发)来形成电极图案。第一和第二电极104a和104b可由任何合适的导电材料形成。例如，第一和第二电极可由银、铜、铝或其他金属形成。如图1A和1B所例示的，第一和第二电极经由绝缘间隙106(例如，空气或合适的介电材料)分离开，并且每个电极都包括延伸以形成指叉式图案的突出的指状物/叉状物110。传感器100的第二层103包括中空球导电聚合物层112。如上文所描述的，中空球导电聚合物层112可以包括聚吡咯中空纳米结构。在一个示例中，聚吡咯中空纳米结构可以包括直径在100-2000nm范围内的中空结构，尽管在其他示例中可以使用其他直径。中空球导电聚合物层112可以由经固化的中空球导电聚合物膜或在液体载体中被恢复并悬浮的其他结构形成。中空球导电聚合物悬浮液可被印刷到第一和第二电极上，并且液体载体可然后蒸发，从而形成中空球导电聚合物层。下面更详细地描述示例制造过程。使用柔性基板和弹性导电通路(以中空球导电聚合物的形式)可以允许传感器被合并到各种对象中。例如，传感器可集成于和/或形成衣物、软垫制品(例如家具)、用于手持式计算设备或其他电子设备的软触摸的外壳(例如，织物或弹性外壳)、用于可穿戴设备的绑带、和/或任何其他合适的柔性/可变形物品中的至少一部分。再次参考图1A，中空球导电聚合物层112被设置在电极104a和104b上方，并且桥接第一电极和第二电极之间的间隙106。中空球导电聚合物层112可以由聚吡咯或其他合适的导电聚合物的中空球形成，诸如聚乙炔、聚苯胺、聚(3-烷基噻吩)、聚(对亚苯基亚乙烯基)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸盐，或金属导体(例如银、金、铜、铝)。当传感器100没有经历任何应力或变形时，中空球可以以第一表面积量接触第一和/或第二电极以及矩阵内的其他球体。当力被施加到传感器时，至少一些中空球可能变形。结果，当向传感器施加力时，相互接触的中空球的表面积和/或电极发生变化。这导致电阻的可测量的变化，从而允许力被感测到。应该理解的是，图1A和1B中例示的传感器100是力传感器的示例配置，其包括中空球导电聚合物，并且在不脱离本公开的范围的情况下其他配置也是可能的。作为另一示例，第一电极和第二电极并非相互指叉的，第一电极和第二电极反而可以各自配置为彼此垂直布置并由一层中空球导电聚合物分离开的条带。图2A和2B示出了此类力传感器200的俯视图，其中图2A示出了处于经组装状态的传感器200，而图2B示出了处于经分离的层中的传感器200。第一层201包括基板202，该基板202包括第一电极104a。传感器200的第二层203包括中空球导电聚合物层212，如上文参考图1A-1B所描述的。传感器的第三层205包括第二电极204b。第二电极204b可以垂直于第一电极204a定位，使得第二电极204b的纵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：将中空球导电聚合物的悬浮液印刷在基板上的电极对上的液体载体中；蒸发所述液体载体；以及封装所述电极对和中空球导电聚合物以形成力传感器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.01 US 15/170,8771.一种方法，包括：将中空球导电聚合物的悬浮液印刷在基板上的电极对上的液体载体中；蒸发所述液体载体；以及封装所述电极对和中空球导电聚合物以形成力传感器。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空球导电聚合物包括中空球聚吡咯，并且其中所述液体载体包括极性溶剂。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：通过将单体与氧化剂和交联剂混合来合成所述中空球导电聚合物，其中在合成后，所述中空球导电聚合物固化；恢复经固化的中空球导电聚合物；以及将经恢复的中空球导电聚合物悬浮在所述液体载体中以形成所述中空球导电聚合物的所述悬浮液。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述经恢复的中空球导电聚合物悬浮在所述液体载体中包括在所述液体载体中超声地搅拌所述经恢复的中空球导电聚合物。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述中空球导电聚合物的所述悬浮液印刷在所述电极对上包括将所述中空球导电聚合物的所述悬浮液印刷在指叉式电极对上。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述中空球导电聚合物的所述悬浮...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·马，J·D·霍尔贝利，A·丘里科夫，F·P·里贝罗，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US