[发明专利]非金属性集成传感器互连设备、制造方法以及相关应用

说明书

技术领域

本发明总体涉及传感材料、设备和系统，更具体而言，涉及非金属性集成传感器互连材料(non-metallic integratedsensor-interconnect materials)、设备和阵列，以及其制造方法和其应用。

背景技术

人们一直相当关注的是，将高价值(high value)触头(contacts)、互连件(interconnects)、传感器、探针等用在医疗、娱乐、电子及其它相关产业中的各式各样的电测试、测量和控制应用中。

例如，十年前，科研人员将纯碳纤维制成的细直径的(finediameter)导线状微探针或微电极插入犬科动物对象的胃中，以研究科研人员关注的消化过程的电化学特性。更近期，包含碳纤维阵列的微电极已经被用来探查兔子视网膜中的光激发电活动(opticallystimulated electric activity)。

美国专利5,291,888和5,348,006公开了通过定位元件——诸如弹性帽——保持并贴靠在人类头部的非磁性接触传感器(non-magnetic contact sensors)阵列。所述传感器用于测量人脑的解剖结构或功能。美国专利7,220,131公开了包含金属包覆碳纤维(metal overcoated carbon fibers)的电气互连设备，其用在用于测量去往及来自电子器件——诸如半导体芯片及相关封装组件——的电信号的探针阵列中。

常规的碳纤维相关传感器设备在小直径的绝缘导线(insulatedconductive wire)的一端包括一个接触传感器，该接触传感器可以包括复丝碳纤维芯元件(multifilament carbon fiber core element)。该连接线(connecting wire)在其另一末端配置有一个金属引脚(pin)连接器。该接触传感器被放置并安装在相对大直径的挠性橡胶壳(pod)内，这帮助在传感器接触尖端(tip)和测试对象之间提供接触载荷力(contact loading force)。超声及热焊接被用来将该接触传感器接合(join)至该导线的芯导体的自由端。

然而，由于以下原因出现了一些问题。首先，由于接合点相对薄弱且易受损坏，所以被用来将该导线的芯与接触传感器接合——且很可能将接触传感器与橡胶壳接合——的声或热焊接是不健壮(robust)的。这可能会导致许多电学和机械故障，并造成所述组件的短寿命，从而需要大量高成本的替换零件。例如，一些传感器组件在最初被配置成想要的阵列时就发生故障，而其它传感器组件则不堪正常操纵、清洁和使用而过早发生故障。其次，焊接处理被证明适合少量的、实验室规模的制造，但对于提供大规模生产则存在挑战。

因此，需要提供一种非金属性集成传感器互连组件及相关阵列，以及其制造方法和用于传感系统的应用。

发明内容

根据各种实施方案，本教导包括一种集成传感器组件，其包括：互连构件；以及至少一个传感器构件，其在沿着所述互连构件的任何位置从所述互连构件伸出并与所述互连构件电互连。所述至少一个传感器构件和所述互连构件之每一个可以包括聚合物和基本上非金属性(non-metallic)的芯元件。

优选地，所述组件还包括连接器构件，其连接至所述互连构件以用于传输信号。

优选地，其中所述连接器构件包括集成的、富含纤维的复合连接器。

优选地，其中所述至少一个传感器构件和所述互连构件之每一个包括如下的复合物，该复合物由所述芯元件和所述聚合物复合而成。

优选地，其中所述至少一个传感器构件和所述互连构件之每一个包括如下的结构，该结构包括由聚合物制成并包围所述芯元件的护层。

优选地，其中用于所述至少一个传感器构件和所述互连构件之每一个的芯元件包括单股细丝和多股细丝，其中每个细丝包括下列中的一种或多种：纤维、导线、针、线、纱、织物、或其组合。

优选地，其中每个细丝还包括下列中的一个或多个：纳米管、纳米线、纳米板、纳米棒、纳米纤维、或在至少一个维度为约100纳米或更小的其它纳米结构。

优选地，其中用于所述至少一个传感器构件和所述互连构件之每一个的芯元件包括下列材料中的一种或多种：碳、硅、硼、掺杂硅、硼-碳、硼-氮、碳化合成纤维、沥青碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、或石墨。

优选地，其中用于所述至少一个传感器构件和所述互连构件之每一个的芯元件具有约500微米或更小的尺度。