基于表面面积的压力感测制造技术

本公开的多个方面涉及压力感测方法和设备。如可根据一个或多个实施方式实施的，一种设备包括具有相应的表面面积的多个结构，所述相应的表面面积被实施为接触电极和所述结构中的其他结构中的至少一个。所述结构与电极一起操作以通过响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的表面面积的变化以及基于所述相应的表面面积的变化提供所述结构和电极之间的电阻抗的变化来提供对压力的电指示。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
压力感测可以用于多种应用，并且各种传感器的灵敏度及实现已经在各种应用中持续地改进。例如，压力传感器用在各种工业、汽车及其他应用中，以及人类交互应用中。然而，以应用中所期望的准确度及灵活性感测压力对于现有的方法以及其中期望压力感测的发展的实现而言一直充满挑战。例如，某些装置的性能可受块(bulk)机械性质的限制，这会导致较差的灵敏度、慢的响应时间以及较差的温度稳定性。进一步，一些传感器在低压条件下展示出不稳定的接触。此外，多种传感器对温度变化作出不利的反应。对于多种应用来说，这些及其他问题已经对压力感测提出挑战。
技术实现思路
各种示例实施方式针对压力传感器及其实施，以及用于制造压力传感器的方法。根据示例实施方式，一种设备包括电极和具有相应的表面面积的多个结构，所述相应的表面面积接触所述电极和所述结构中的其他结构中的至少一个。所述结构和电极通过响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的表面面积的变化来提供对压力的电指示。所述结构和电极之间的电阻抗的变化是基于所述相应的表面面积的变化，其被提供为压力的指示。另一个实施方式针对如下的方法。形成电极和多个结构，其中这些结构具有相应的表面面积，所述相应的表面面积接触所述电极和所述结构中的其他结构中的至少一个。形成所述结构和电极，以通过响应于所述结构的弹性变形而影响所述相应的表面面积的变化来提供对压力的电指示。基于所述相应的表面面积的变化来提供所述结构和电极之间的电阻抗的变化。另一个实施方式针对使用具有电极和多个结构的设备的方法，其中这些结构具有接触所述电极和所述结构中的其他结构中的至少一个的相应的表面面积。通过响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的表面面积的变化，以及基于所述相应的表面面积的变化提供所述结构和电极之间电阻抗的变化来提供对压力的电指示。上面的讨论/总结不旨在描述本公开的每个实施方式或每个实现。下面的附图和具体实施方式也举例说明了各种实施方式。附图说明在考虑下面结合附图的详细描述的情况下，可以更完全地理解各种示例实施方式，其中：图1A示出了根据示例实施方式的处于压缩状态的压力感测设备；图1B示出了根据另一个示例实施方式的处于不同的压缩状态的图1A的压力感测设备；图2示出了根据另一个示例实施方式的压力感测结构及相关的制造；以及图3A-3D示出了根据另一个示例实施方式的制造结构化薄膜的方法，其中：图3A是模具，图3B示出了具有前体的模具，图3C示出了凝胶，以及图3D示出了从模具移除的薄膜。尽管在此讨论的多种实施方式顺从于修改和替代形式，但其各个方面已经以附图中的示例示出，并且将详细地描述。然而，应当理解，目的不是将本专利技术限于所述的特定实施方式。相反，目的是覆盖落在包括权利要求中限定的各个方面的本公开的范围内的所有修改、等价物及替代。此外，贯穿本申请使用的术语“示例”仅是以说明的方式，而不是限制。具体实施方式相信本公开的各个方面可适用于包括基于结构之间的接触阻抗的压力感测的各种不同类型的设备、系统和方法。在某些实现中，本公开的各个方面包含使用可容易压缩或膨胀的结构，诸如其中具有腔的结构，所述结构便于对较小的压力变化的高灵敏度的响应。当在这种压力感测，及诸如人造皮肤、医疗装置之类的特定应用以及高灵敏度的压力应用的情况中使用时，各种实施方式被示为是有利的。尽管不必如此限制，但通过使用上下文讨论示例可以理解各个方面。某些实施方式针对具有多个结构的材料，该多个结构具有相应的表面接触面积(例如，在结构和电极之间)，其相对于所述结构接触的表面面积的量的变化提供阻抗特性的显著变化。例如，这些结构操作以响应于弹性压缩或膨胀而影响相对于一个或多个电极的相应的表面接触面积的变化，并且在其中提供指示压力的电阻抗(例如，导电率)的变化。在多种实现中，所述结构限定便于变形的腔，诸如通过限定定义封闭腔的球体或其他形状。这种实施方式例如可以提供导电率的可检测的变化，所述导率的可检测的变化主要或几乎完全地基于由压力的施加(或释放)造成的变形及表面接触面积的变化。因而这种检测例如可以独立于结构本身的电介质函数或弹性定义的变化而提供。多种实施方式针对具有电极和多个结构的压力传感器，该多个结构具有相应的与彼此和/或与电极的表面接触面积。所述结构响应于结构的弹性压缩或膨胀而影响相应的表面接触面积的变化，在其中提供导电率的变化。电极耦接(couple)导电率的变化，诸如用于提供变化的指示，所述变化的指示用于确定压力或压力变化。在一些实现中，经由使用在其中具有腔或多个腔的这种结构，从而促进结构的变形及表面接触面积的相关变化来进一步促进表面接触面积的变化。某些示例实施方式针对可以在多种应用中实施的压力感测。一个或多个实施方式针对材料、传感器、制作这种材料和/或传感器的方法，以及压力感测方法。在美国临时专利申请S/N.61/917,271的附录A和B中描述了多种这种实施方式，通过引用将其完全结合于此。因此，多种示例实施方式针对设备、系统、使用方法、制作方法，或解决这些挑战的材料，诸如在此的权利要求、说明书或附图中描述的那些，以及在作为基础的临时申请的一部分提交的附录中描述的那些。另一个实施方式针对一种使用具有电极及多个结构的设备的方法，该多个结构具有接触电极和这些结构中的其他结构中的至少一个的相应表面面积。通过响应于结构的弹性压缩或膨胀影响相应的表面面积的变化，以及响应于相应的表面面积的变化提供结构和电极之间的导电率的变化来提供压力的电指示。正如以上讨论，在一些实现中，经由在结构中使用腔或多个腔，从而便于结构的变形以及表面接触面积的相关变化来促进表面接触面积的变化。根据一个或多个特定实施方式，超灵敏的电阻压力传感器是基于弹性的、微结构的(microstructured)导电聚合物(EMCP)薄膜。在一些实现中，EMCP是使用多相反应由聚吡咯(PPy)水凝胶制备的，以产生空心球微结构，该空心球微结构赋予PPy结构衍生(structure-derived)的弹性及低的有效弹性模量。EMCP和电极之间的接触面积随着压力的施加而增加，从而使得装置能够以超高的灵敏度，及短的响应时间、好的再现性、极好的循环稳定性以及温度稳定的感测来检测低的压力(例如，小于1Pa的压力)。通过将相对不可压缩的材料形成到球形、其他形状或波型结构中，所得的材料可以容易地变形(例如，比用于形成结构块材料多100％)。将这种方法与一个或多个电极结合致使之前不可用作压力传感器的材料作为高响应的压力传感器。特定实施方式针对压阻传感器，其中有源层是导电且弹性的，其给予超高的灵敏度和可再现的感测特性。EMCP包括PPy的互连的空心球结构，所述结构通过多相合成技术制备。尽管诸如PPy之类的致密材料可能是刚硬且易碎的(例如，由于刚性共轭环主链(backbone))，但已经发现，通过形成球壳几何形状或产生腔型区域的其他几何形状，可以使易碎的纳米结构材料呈现可调的有效弹性模量，所述可调的有效弹性模量能够经受大的有效应变和应力。例如，一旦施加和释放外部压力(例如，如图1A和1B所示)，包括PPy的空心球结构可以弹性地变形和恢复，从而提升接触稳定性，并促进稳定且可再现的感测性能。另一个实施方式针对包括电极和多个结构的设备，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：电极装置；以及多个结构，所述多个结构具有接触所述电极和所述结构中的其他结构中的至少一个的相应的表面面积，所述结构与所述电极一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的电指示，响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的表面面积的变化，以及提供基于所述相应的表面面积的变化的在所述结构和电极之间的包括电阻或导电率的电阻抗的变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.17 US 61/917,2711.一种设备，包括：电极装置；以及多个结构，所述多个结构具有接触所述电极和所述结构中的其他结构中的至少一个的相应的表面面积，所述结构与所述电极一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的电指示，响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的表面面积的变化，以及提供基于所述相应的表面面积的变化的在所述结构和电极之间的包括电阻或导电率的电阻抗的变化。2.如权利要求1所述的设备，其中所述结构在两个表面之间，并且被配置和布置成响应于施加至所述表面之一的、引起所述结构压缩或膨胀的压力变化来影响所述相应的表面面积的变化。3.如权利要求2所述的设备，其中：所述两个表面中的一个包括所述电极装置，或所述两个表面中的一个包括所述电极装置，且所述两个表面中的另一个包括另一个电极装置，其中每个电极装置包括导电电极，且所述电极与所述结构一起配置和布置成将电阻抗的变化提供为基于接触所述电极的所述结构的表面面积的量的所述电极之间导电率的变化。4.如前面任一权利要求所述的设备，其中：所述结构位于两个表面之间，并且被配置和布置成响应于施加至所述表面之一的、引起所述结构压缩或膨胀的压力变化而影响所述相应的表面面积的变化，所述两个表面中的一个包括所述电极，所述两个表面中的一个包括另一个电极，以及所述电极与所述结构一起配置和布置成将电阻抗的变化提供为所述电极之间的导电率的变化。5.如前面任一权利要求所述的设备，其中所述结构被配置和布置成：通过弹性地压缩来响应于压力的增加，并且经由弹性压缩，通过增加所述结构和所述电极之间的表面面积接触来提供电导的增加，以及通过弹性地膨胀来响应于压力的减少，并且经由弹性膨胀，通过减少所述结构和所述电极之间的表面面积接触来提供电导的减少。6.如前面任一权利要求所述的设备，其中至少一些结构限定腔，其中：所述结构形成封围腔的侧壁，所述腔具有体积，并且被配置和布置成响应于压力的增加而压缩，并且响应于压力的减少而膨胀，或者所述结构经由所述腔的变形以及表面面积的相关变化对压缩呈现电灵敏度，所述电灵敏度比由形成所述结构的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·包，A·乔特斯，潘力佳，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学托管委员会，南京大学，
类型：发明
国别省市：美国;US