專利名稱：可變形開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電開關(guān)裝置，尤其涉及可變形開關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)組成，以及其在電流的開關(guān)和比例控制上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
這些裝置的工作部件呈現(xiàn)的形態(tài)以及運(yùn)行都類似常規(guī)的織物材料，從而可以用作用戶接口(包括壓力傳感器)，尤其用在織物/可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域中。這種裝置可以作為“硬”電子用戶接口的替代品。通常這種裝置可以通過商業(yè)化的織物制造工序生產(chǎn)，但是本發(fā)明并不局限于這種生產(chǎn)工序。
在本說明書中“織物”包括任何纖維的集合，比如編織品、非編織品、氈制品或是成簇的纖維，其中纖維包括有紗、單絲和多絲纖維。目前，纖維可以是天然的、半合成的、合成的、以及其混合物和金屬、合金。
“電子的”包括電子電路中的“弱”電流和常被稱為電氣電路中的“強(qiáng)”電流。
“用戶接口”包括任何一種其中的機(jī)械動(dòng)作被以電阻或電導(dǎo)變化的形式紀(jì)錄下來的系統(tǒng)。舉例來說，機(jī)械動(dòng)作可以是像手指壓力和腳步這樣有意識(shí)的身體動(dòng)作，也可以是動(dòng)物性運(yùn)動(dòng)，病態(tài)的身體運(yùn)動(dòng)，由于身體或非生命體溫度變化引起的擴(kuò)展和收縮，土木工程中結(jié)構(gòu)的位移。
機(jī)械形變”包括壓力、延展、彎曲以及它們的組合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電阻用戶接口，它包括可變形的導(dǎo)電材料和一種能隨機(jī)械形變而表現(xiàn)電阻的變化的可變形的可變阻性元件，其特征在于具有織物狀電極、一個(gè)織物狀可變阻性元件，以及與外圍電路連接的織物狀構(gòu)件。
優(yōu)選地，用戶接口的各個(gè)部件的織物形式可以單獨(dú)提供也可以與相鄰的組件共享。
電極提供一個(gè)通向和離開可變阻性元件各側(cè)的導(dǎo)電通路，電極通常是導(dǎo)電織物(它們可以是編織的、紡織的或非紡織的)、紗線、纖維、涂覆織物或印刷織物，電極全部地或部分地由諸如金屬、金屬氧化物這樣的導(dǎo)電材料，或者由諸如導(dǎo)電聚合物(聚苯胺，聚吡咯和聚噻吩)或碳之類的半導(dǎo)體材料組成。用于向織物上涂覆或印刷導(dǎo)電層的材料可以包括油墨或聚合物，其中聚合物包含金屬、金屬氧化物或諸如導(dǎo)電聚合物或碳之類的半導(dǎo)體材料。理想的電極包括不銹鋼纖維、單絲纖維和多絲纖維或可靠的導(dǎo)電聚合物，以在清洗織物的條件下提供耐久性。
電極可以由非導(dǎo)電的織物支撐，支撐物最好向電極外的區(qū)域延伸，以便同時(shí)支撐將要描述到的連接構(gòu)件。
在電極和可變阻性元件之間產(chǎn)生所需電接觸的方法可以是以下方法中的一種或幾種a)導(dǎo)電細(xì)線可被紡織、編織、繡入支撐物的選定區(qū)域內(nèi)，以便產(chǎn)生導(dǎo)電通路或者孤立的導(dǎo)電區(qū)域或電路；b)導(dǎo)電織物可被縫制或粘合到支撐物上；c)通過使用一些技術(shù)，比如噴灑、絲網(wǎng)印刷、數(shù)字印刷、直接涂覆、轉(zhuǎn)移涂覆、噴射涂覆、氣態(tài)沉積、撒粉式涂覆和表面聚合作用，可以把導(dǎo)電涂料或印刷油墨放置到支撐物上。
為了產(chǎn)生復(fù)雜的接觸樣式和進(jìn)行重復(fù)性生產(chǎn)，最好是采取印刷方式，如果正確的使用了抗腐蝕這樣的技術(shù)的話。
支撐物在電極區(qū)域外的延伸足以容納將要描述的連接構(gòu)件。它可以相對(duì)較小，使元件自身具有完整性，并可應(yīng)用于一種用戶裝置，比如一件衣服。
此外它也可以作為一種用戶裝置的一部分，而電極和可變阻性元件仍裝配在原處。它可以帶有接線頭，連接構(gòu)件可以通過接線頭把電流傳遞到其它導(dǎo)體。
該可變阻性元件在兩片電極間提供可控的導(dǎo)電通路，它有多種構(gòu)成形式，舉例如下a)一個(gè)自支撐的層；b)一個(gè)包含連續(xù)的或長(zhǎng)纖維織物加強(qiáng)的層；c)一種覆于織物表面的涂層，織物可以是布料、紗線或纖維。這種涂層最好含有如PCT/GB99/00205中所描述的顆粒狀的可變阻性材料，并且可以包含例如聚亞安酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、硅樹脂、或其他彈膠物這樣的聚合物粘合劑。此外，可變阻性材料也可以是例如一種金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物(如聚苯胺，聚吡咯和聚噻吩)或碳。這種涂層可以通過例如直接涂覆、轉(zhuǎn)移涂覆、印刷、填充或是噴灑這樣的商業(yè)方法而被使用，；d)它可能含有這樣一種纖維，該纖維本身具有導(dǎo)電性或被擠壓為含有PCT/GB99/00205中描述的可變阻性材料；e)它可能被合并到或覆蓋到兩個(gè)電極之一，以便簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序或提加某些情況下的耐久度。
該可變電阻通常包含一種聚合物和一種顆粒狀導(dǎo)電材料。該導(dǎo)電材料可以存在于下述的一種或幾種狀態(tài)中a)元件的基本結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分；b)落入縫隙中或粘附在表面的微粒；c)由于導(dǎo)電粒子間相互作用形成的平面相(下述i或ii)，其上是元件的基本結(jié)構(gòu)或一個(gè)涂層。
無論可變阻性元件中的導(dǎo)電材料存在于哪種狀態(tài)中，都可以通過下述方式引入i)“裸露的”，是指未經(jīng)預(yù)先涂覆處理，但可能在表面帶有表面相的殘余，所述表面相的殘余與存儲(chǔ)空間達(dá)到平衡或是在被混合入元件的過程中形成。這對(duì)狀態(tài)a)和c)而言明顯是可行的，但對(duì)于狀態(tài)b)則可能導(dǎo)致物理性能上不夠穩(wěn)定的元件；ii)輕度涂覆，是指攜帶鈍化或排水材料的稀薄的涂層，或是攜帶在混合入元件時(shí)形成的該種涂層的殘余。這與i)很相似，但能在制造中提供較好的可控性；iii)聚合物涂覆，但是在無形變的時(shí)候可導(dǎo)電。有些顆粒狀的鎳/聚合物的混合物說明了這種情況，這種混合物中鎳的含量很高以至于聚合物的物理性質(zhì)即使能辨別出來也是非常微弱的。舉例來說，對(duì)于容積密度在0.85-0.95的鎳起始微?；旌衔?，這對(duì)應(yīng)于通常超過100的鎳/硅樹脂體積比(脫水體積無空隙固體)。方式iii)的材料能夠在水懸浮液中使用。聚合物可以是彈膠物，也可以不是。方式iii)也能在制造中提供比方式i)更好的可控性；iv)聚合物涂覆，但僅當(dāng)有形變時(shí)可導(dǎo)電。這種情況可以由比方式iii)中提到的鎳含量低的鎳/聚合物混合物說明，其中鎳含量低到足以使聚合物的物理性質(zhì)能被辨別出來；而又高到一定程度，使得在混合過程中鎳微粒和液狀聚合物分解為顆粒，而不是凝聚成一大塊。這對(duì)b)而言是較佳的方式，而對(duì)于a)和c)則并非必要。該方式對(duì)于本發(fā)明是十分可取的，在共同提交的申請(qǐng)PCT/GB99/00205中給出了更多的細(xì)節(jié)。另一種選擇是使用通過碾碎下面v)中所述的材料制成的微粒。與i)和iii)不同，材料iv)不僅能對(duì)顆粒間的形變做出響應(yīng)，同時(shí)也能對(duì)各個(gè)顆粒內(nèi)部形變做出響應(yīng)，而碾碎材料v)的靈敏度就稍差一些。在元件的生產(chǎn)中，材料iv)可以應(yīng)用于水懸浮液。
v)嵌入塊狀的聚合物中。該情況僅與a)、c)相關(guān)。對(duì)于塊狀體內(nèi)的形變和織物纖維之間的形變，該材料都能做出響應(yīng)。
對(duì)于上述iv)和v)中所描述的較佳的可變阻性材料有一個(gè)通用的定義就是能夠在產(chǎn)生形變的時(shí)候顯示出量子隧道效應(yīng)導(dǎo)電性(QTC)。當(dāng)把某些導(dǎo)電的填充物與非導(dǎo)電的彈膠物質(zhì)混合在一起，形成的聚合物合成材料就具有上述特性，其中所述填充物可以從粉末狀金屬或合金、上述元素與合金的導(dǎo)電氧化物、以及它們的混合物中選取，以某種可控方式與非導(dǎo)電的彈膠物質(zhì)混合，從而填充物散布到彈膠物質(zhì)中并在結(jié)構(gòu)上保持完整，并且起始填充物粉粒中的空隙被彈膠物填滿，同時(shí)填充物的顆粒在彈膠物質(zhì)固化的過程中固定在了鄰近的位置上。
織物狀連接構(gòu)件提供了通入和離開各個(gè)電極的導(dǎo)電通路，所述的導(dǎo)電通路具有高度柔韌性和耐久度，織物狀連接構(gòu)件可以包含例如在非導(dǎo)電的支撐織物、帶子或膠布內(nèi)的導(dǎo)電導(dǎo)軌。該導(dǎo)電導(dǎo)軌可以由導(dǎo)電細(xì)線制成，導(dǎo)電細(xì)線可以被紡織、編織、縫制或繡到非導(dǎo)電支撐織物的表面或內(nèi)部。在電極的制造中，不銹鋼纖維、單絲纖維和多絲纖維與導(dǎo)電細(xì)線一樣方便。導(dǎo)電導(dǎo)軌也可以印制到非導(dǎo)電支撐織物上。在某些情況下，導(dǎo)電導(dǎo)軌可能需要被絕緣以避免電路短路，可以采取一些措施，比如用柔韌的聚合物包裹、封裝到非導(dǎo)電織物中、或是在編織過程中實(shí)現(xiàn)隔離，就能做到這一點(diǎn)。另一種方法是紡制這類細(xì)線時(shí)就帶有導(dǎo)電的芯線和不導(dǎo)電的護(hù)層。還有一種選擇是如PCT/GB99/02402中所述，使至少一個(gè)連接構(gòu)件由可變阻性材料構(gòu)成，且材料已經(jīng)過預(yù)壓而具有導(dǎo)電性。


圖1示出了一個(gè)基本開關(guān)；圖2示出了一個(gè)能適應(yīng)多個(gè)外部電路的開關(guān)；圖3示出了一個(gè)多按鈕裝置；以及圖4示出了一個(gè)位置感測(cè)開關(guān)。
具體實(shí)施例方式
與合適的電子設(shè)備連接后，本裝置可以在下列產(chǎn)品中用于數(shù)字開關(guān)、模擬開關(guān)、比例控制、壓力感測(cè)、彎曲感測(cè)，例如電子設(shè)備的接口裝置，例如計(jì)算機(jī)，PDA(個(gè)人數(shù)字助理)，個(gè)人音響設(shè)備，GPS(全球定位系統(tǒng))；家用設(shè)備，電視/視頻設(shè)備，計(jì)算機(jī)游戲，電子樂器，玩具的發(fā)光發(fā)熱，鐘和手表；個(gè)人保健設(shè)備，如心律監(jiān)測(cè)器，殘疾和移動(dòng)輔助設(shè)備；汽車用戶控制裝置；可佩帶電子產(chǎn)品的控制裝置；教育輔助設(shè)備；
醫(yī)療設(shè)備，如壓力感測(cè)繃帶，敷料，衣服，床墊，運(yùn)動(dòng)背帶；運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，如體育運(yùn)動(dòng)傳感器，身體接觸項(xiàng)目(武術(shù)，拳擊，擊劍)中使用的傳感器，可以探測(cè)并計(jì)量擊打、拳擊、刺擊次數(shù)的身體護(hù)具，運(yùn)動(dòng)服裝中的運(yùn)動(dòng)探測(cè)裝置；用于各種就座場(chǎng)合如大禮堂、等待室的座位傳感器；衣服和鞋的試穿；存在感知器，如放置在地毯下，地板內(nèi)或是墻皮里。
參照?qǐng)D1，基本的織物狀開關(guān)/傳感器裝置包含2個(gè)自支撐的織物狀電極10、12，所述電極10、12之間夾入可變阻性元件14，如PCT/GB99/00205中所述的，將攜帶大量空隙的顆粒狀鎳-硅樹脂的水懸浮液用到尼龍織物上，就可制得所述可變阻性元件，其中鎳/硅樹脂混合的體積比為70∶1，能表現(xiàn)出量子隧道效應(yīng)導(dǎo)電性。電極10、12和元件14被緊密接觸固定在一起，以使得它們外觀和功能上都好象是一個(gè)織物層。每個(gè)電極各自導(dǎo)電地連接到一個(gè)織物狀的連接元件16，該連接元件由從電極10、12中延伸出來地尼龍帶子18里的不銹鋼細(xì)線組成。對(duì)電極10、12上的任何區(qū)域施加壓力時(shí)，它們之間的阻抗減??；彎曲也能減小電極10、12之間的阻抗。
參照?qǐng)D2，在基本織物狀開關(guān)/傳感器裝置的一個(gè)變形中，上層20是一個(gè)不導(dǎo)電的織物狀支撐，在它下面粘合著由一塊分立的導(dǎo)電子區(qū)域22構(gòu)成的上電極，該導(dǎo)電子區(qū)域22導(dǎo)電地連接到連接構(gòu)件24，連接構(gòu)件24是支撐物20的延伸部分26中的一個(gè)導(dǎo)電導(dǎo)軌?？勺冏栊栽?8與上述的元件12相似，但含有聚亞安酯粘合劑，可變阻性元件28作為下電極29的涂層使用，下電極29的面積大于上電極22。下電極與下連接構(gòu)件24組合在一起，該連接構(gòu)件24是在電極29的延伸部分26中的一個(gè)導(dǎo)電導(dǎo)軌。對(duì)子區(qū)域22施加壓力時(shí)，元件22和29之間的阻抗發(fā)生變化。這樣在上層20中有效地定義了一個(gè)單個(gè)的開關(guān)裝置或壓力感測(cè)區(qū)域22。
參照?qǐng)D3，這是一個(gè)多按鈕的織物狀開關(guān)/傳感器裝置，它與圖2所示裝置相似，除了在它的上層30下面粘合著3塊分立電極。這3塊電極由導(dǎo)電子區(qū)域32、34、36構(gòu)成，所述導(dǎo)電子區(qū)域32、34、36彼此間由不導(dǎo)電的支撐織物絕緣，并能通過連接構(gòu)件33、35、37分別與外部電路連接，其中連接構(gòu)件33、35、37是支撐層30延伸出的部分31上的導(dǎo)電導(dǎo)軌。可變阻性元件38作為下電極39上的涂層使用；產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)它的阻抗會(huì)降低，因?yàn)樗揽吭?8平面的低導(dǎo)電率甚至是零導(dǎo)電率。跟圖2中一樣，下電極39依靠導(dǎo)電導(dǎo)軌24和延伸部分26與外圍電路電連接。對(duì)覆蓋電極32、34、36的任何區(qū)域施加壓力時(shí)，相應(yīng)的電極與下電極39之間的阻抗降低。這有效地定義了3個(gè)獨(dú)立的開關(guān)裝置或是壓力感測(cè)區(qū)域32、34和36，可以作為織物狀鍵盤上的獨(dú)立按鍵或是織物狀的傳感墊上獨(dú)立的壓力傳感器。如果傳感器要對(duì)彎曲做出響應(yīng)，將提供與下層39相接觸的其他電極，以測(cè)量該層平面上導(dǎo)電率的變化；同時(shí)外圍電路將臨時(shí)切換出對(duì)垂直于層39平面的方向上的測(cè)量。
參照?qǐng)D4，在一種陣列開關(guān)/傳感器裝置中，上層40和下層42各自包含平行的線狀電極，所述的線狀電極由被織入不導(dǎo)電的支撐織物中的一行行彼此絕緣的導(dǎo)電區(qū)44和一列列導(dǎo)電區(qū)46組成。導(dǎo)電區(qū)44、46都是被織入不導(dǎo)電的紗線之間的彎曲的細(xì)線。可變阻性元件48是一片攜有鎳/硅樹脂QTC顆粒的織物薄片，在產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)阻抗降低，其中如圖1那樣，在織物中填入上述顆粒的水懸浮液可以得到該可變阻性元件。層48被支撐于層40和42之間并與電極44和46重合。當(dāng)對(duì)層40或42的局部區(qū)域施加壓力時(shí)，落入受壓區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)電行44和導(dǎo)電列46的接合處的阻抗將降低。該裝置可用作壓力示意圖，來對(duì)施加到織物狀電極區(qū)域內(nèi)的外力進(jìn)行定位。通過把織物狀電極的各個(gè)區(qū)域定義為按鈕，該裝置也可以作為多鍵的鍵盤使用。
一個(gè)電極是一片由20克/平方米的編織格網(wǎng)組成的織物，其中所述的格網(wǎng)含有金屬化尼龍細(xì)線?？勺冏栊栽?jīng)過對(duì)如下材料的轉(zhuǎn)移涂覆應(yīng)用于上述織物中75％w/w體積比水基聚亞安酯(Impranil-Dow化學(xué)制劑)；以及
27％w/w鎳/硅樹脂QTC顆粒(尺度在45-70毫米之間)并在110攝氏度下凝固到織物上。另一個(gè)織物狀電極元件是另一片同樣編織的格網(wǎng)。然后各個(gè)電極被縫制到一片面積較之稍大的不導(dǎo)電的支撐織物上。傳感器與第一電極元件有涂層的一面裝在一起，面向第二電極。彼此獨(dú)立的包含金屬化尼龍線的織物狀連接元件被縫制到各個(gè)電極中，以保證與每個(gè)電極都有良好的電接觸。在電極外的不導(dǎo)電支撐織物上裝有2個(gè)金屬按釘，它們與兩根導(dǎo)電引線末端相接。然后將電路接到按釘上，這樣一個(gè)傳感器電路就完整了。
權(quán)利要求
1.一種電阻用戶接口，它包含可變形的導(dǎo)電材料和一種能夠隨著機(jī)械形變表現(xiàn)出阻抗的變化的可變形的可變阻性元件，其特征在于織物狀電極，一個(gè)織物狀可變阻性元件，以及與外圍電路連接的織物狀構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用戶接口，其中至少一個(gè)電極在不導(dǎo)電的織物上以下述方式被支撐，例如紡織、編織或繡到支撐物上的導(dǎo)電細(xì)線，縫制或粘合到支撐物上的導(dǎo)電織物，或是涂覆到支撐物上的導(dǎo)電涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用戶接口，其中至少一個(gè)電極是通過在支撐織物上使用導(dǎo)電印刷油墨制成的。
4.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中可變阻性元件由一個(gè)涂覆到織物上的涂層形成并且包含顆粒狀可變阻性材料和一種彈膠物粘合劑。
5.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中可變阻性材料在形變時(shí)表現(xiàn)出量子隧道效應(yīng)導(dǎo)電性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的用戶接口，其中可變阻性材料是一種聚合物的混合物，混合物中的填充物是從粉末狀金屬元素或合金、上述元素和合金的導(dǎo)電氧化物、以及它們的混合物中選取的，該填充物以某種受控方式與非導(dǎo)電彈膠物質(zhì)混合，從而填充物散布到彈膠物質(zhì)中并在結(jié)構(gòu)上保持完整，并且起始的填充物粉粒中存在的空隙被彈膠物填滿，同時(shí)填充物顆粒在彈膠物質(zhì)凝固的過程中被固定在了鄰近的位置上。
7.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中至少一個(gè)支撐織物是在一個(gè)延伸到電極區(qū)域外的子區(qū)域形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的用戶接口，其中所述的延伸支撐了連接構(gòu)件。
9.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中連接構(gòu)件由導(dǎo)電材料構(gòu)成，導(dǎo)電材料以導(dǎo)電導(dǎo)軌形式安置在支撐織物和/或帶子或膠布中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的用戶接口，其中導(dǎo)軌被紡織、編織、縫制或繡入支撐物、帶子或膠布內(nèi)部或表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的用戶接口，其中導(dǎo)電導(dǎo)軌被印制到支撐織物上。
12.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中至少一個(gè)電極和/或連接構(gòu)件包含被預(yù)壓過的具有導(dǎo)電性的可變阻性材料。
13.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中支撐物各個(gè)電極外的延伸部分帶有接線端，連接構(gòu)件在接線端處將電流傳導(dǎo)給其它導(dǎo)體。
14.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的用戶接口，其中至少一個(gè)電極和/或連接構(gòu)件包含不銹鋼纖維和/或單絲纖維和/或多絲纖維。
全文摘要
電阻用戶接口，它包含可變形的導(dǎo)電材料和一種能隨機(jī)械形變表現(xiàn)阻抗的變化的可變形的可變阻性元件，其特征在于具有織物狀電極(10、12)、一個(gè)織物狀可變阻性的元件(14)以及與外圍電路連接的織物狀構(gòu)件。
文檔編號(hào)H01H13/16GK1429394SQ01809708
公開日2003年7月9日 申請(qǐng)日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月18日
發(fā)明者戴維·露西, 戴尼·瓊斯, 史蒂文·萊特利 申請(qǐng)人:佩拉泰克有限公司, 新西蘭羊毛研究機(jī)構(gòu)公司