[发明专利]具有离子导电材料的柔性透明传感器

说明书

相关申请

本申请要求于2014年12月3日提交的美国专利申请No.62/087,126的优先权，该申请的全部内容通过引用被整体结合于此。

领域

本发明一般涉及传感器和传感方法，尤其涉及基于柔性和透明材料的传感器和传感方法。

背景

柔性和透明传感器具有各种各样的应用。例如，此类传感器可被用在电子设备上，诸如显示器和输入设备，以及可穿戴或植入式电子设备。这些传感器还具有医学或医疗保健行业中的应用。

常用的柔性和透明导电材料包括薄金属带、导线、或纳米管、或者极薄金属涂层。已经发现，银纳米管适合在电容性传感器触摸板或触摸传感器膜中使用。氧化铟锡(ITO)已经在非柔性和透明传感器中用作导电材料。高度透明的ITO可具有100Ω/D以上的薄膜电阻(sheet resistance)。当ITO材料的透明度在83％到88％的范围中时，ITO材料的薄膜电阻可以低至30到40Ω/D。通常，这些导电材料藉由材料中的电子运动来传导电流或传送信号。然而，这些材料具有某些限制和缺点并且已经作出努力以找到替代或替换导电材料。

Sun等人公开了用作压力传感器的离子表层(ionic skin)，该压力传感器包括由基于丙烯酰胺(AAm)的水凝胶形成的离子导体。该传感器可通过离子表层上的手指来检测触摸压力。参见Sun等人的“离子表层”，高级材料，首次在线发布于2014年10月29日，DOI：10.1002/adam.201403441(此后称为“Sun”)。在离子导体中，电信号因该导体内的离子运动而被传送。Sun提及了其离子表层是高度可拉伸的、透明的、和生物兼容的，并且可被用于监视较大的变形，诸如由手指弯曲生成的变形。据报告，能够检测具有宽动态范围(从1％到500％的应变)的刺激，并能够测量低至1kPa的压力。覆盖大区域的分布式传感器片可报告触摸的位置和压力。高透明度允许在不阻碍光信号的情况下传输电信号。

概述

在本发明的一方面中，提供了一种传感器，包括：安排和连接成用于邻近感测的多个导电元件，其中所述导电元件由离子导电聚合物形成。该传感器可进一步包括安排和连接成用于触摸感测的多个导电元件。用于触摸感测的导电元件可由离子导电聚合物形成。用于邻近感测的导电元件可设置在第一层中，而用于触摸感测的导电元件可设置在第一层以下的第二层中。第一和第二层中的每一者可以是有弹性的，并且具有大于90％的透明度和小于200Ω/D的电阻。导电元件可基于所述导电元件上的边缘电场的变化来被安排成在基板上彼此毗邻，并且所述导电元件可被连接至交流(AC)源。传感器可进一步包括电介质层，其中第一集合的所述多个导电元件被安排在所述电介质层之上，而第二集合的所述多个导电元件与所述第一集合的导电元件中的各个导电元件相对地被安排在所述电介质层之下，由此形成多个电容器。电容器可被连接成用于基于相应电容器的电容减少来进行邻近感测。电介质层可以是有弹性的，并且电容器可被进一步连接成用于基于通过在相应电容器处施压所述电介质层所导致的所述相应电容器的电容增加来进行触摸感测。

在本发明的另一方面中，提供了一种传感器，包括：一个或多个导电元件，其被安排和连接成用于通过检测所述一个或多个导电元件中的电阻变化来进行触摸感测，其中所述一个或多个导电元件由透明的离子导电聚合物形成，并且连接至交流(AC)源。

在本发明的进一步方面中，提供了一种柔性和透明的传感器，包括：压电聚合物层；与所述层接触以用于传送通过施压所述层生成的电信号的多个导电元件，其中所述导电元件由离子导电聚合物形成。

在本文描述的传感器中，导电元件可由离子导电材料或聚合物形成，诸如离子导电水凝胶。水凝胶可包括聚丙烯酰胺或聚氨酯。水凝胶可包括液体电解质。导电元件可被封装以防止液体电解质的损失。离子导电材料可包括非易失性电解质，或固体电解质。离子导电材料可以是基本上无水的。离子导电材料可包括盐。导电元件可被配置并连接成传导交流电流(AC)。传感器可以是柔性的。传感器可以是可拉伸的。传感器可以是透明的。

还公开了用于使用和操作传感器的方法和过程。

通过结合附图审阅下面对本发明的特定实施例的描述，本发明的其它方面、特征和实施例将对本领域普通技术人员变得显而易见。

附图的简要说明

在附图中，仅藉由示例解说了本发明的各实施例：

图1是解说本发明一实施例的邻近传感器的示意截面正视图；

图1A和1B是解说图1的传感器的操作的示意电路图；

图2A、2B和3是解说图1的传感器的操作的示意图；