專利名稱：壓電傳感裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及包括傳感壓力的方式的裝置和方法。
背景技術(shù)：
為了大規(guī)模應(yīng)用，對傳感各種形式的壓力的方法進(jìn)行了重點(diǎn)研究。這些研究受到增長的壓力響應(yīng)電子設(shè)備市場的大力推動(dòng)。存在多種不同的壓力傳感技術(shù)。相對于位置、剛性和適用性，這些設(shè)備很多在應(yīng)用中是受限的。例如，很多壓力傳感器不是柔性的而不能實(shí)施在彎曲表面上。此外，很多傳感器不能實(shí)施在特定的環(huán)境中，例如易受濕度影響的環(huán)境。而且，很多傳感器難以制造和/或制造成本高昂，且不易實(shí)施在緊湊型裝置中。

這些和其它特性對大規(guī)模應(yīng)用的傳感器的實(shí)施提出了挑戰(zhàn)，并表現(xiàn)出受限的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的各個(gè)方面主要涉及與上述應(yīng)用相關(guān)的傳感器設(shè)備和方法。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示例實(shí)施例，一種裝置，包括介電結(jié)構(gòu)和傳感電路，傳感電路包括至少一個(gè)基于阻抗的傳感器。介電結(jié)構(gòu)包括表現(xiàn)出介電常數(shù)的彈性材料，彈性材料響應(yīng)于壓力而壓縮并由此表現(xiàn)出對應(yīng)于其壓縮狀態(tài)的變化的介電常數(shù)。每一個(gè)基于阻抗的傳感器包括一部分介電結(jié)構(gòu)并通過提供施加至毗鄰至少一個(gè)基于阻抗的傳感器的介電結(jié)構(gòu)的壓力的指示而對介電常數(shù)的變化進(jìn)行響應(yīng)。例如，這一指示可包括對應(yīng)于通過介電結(jié)構(gòu)施加并由于變化的介電常數(shù)(例如，在壓縮下相對于彈性材料的結(jié)構(gòu)的變化)而改變的電容或基于電流的輸出。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例示例實(shí)施例，一種傳感器設(shè)備，包括傳感器，該傳感器具有帶有柔性介電材料的基于阻抗的設(shè)備，而且該傳感器基于施加至介電材料的壓力生成輸出。對應(yīng)于施加的壓力，該輸出對應(yīng)于介電材料的介電特性的變化。在一些實(shí)施方式中，多個(gè)這樣的傳感器一起被包括在一個(gè)傳感器設(shè)備中，且互連電路分別耦合傳感器以便為每一個(gè)傳感器同時(shí)提供施加至介電材料的壓力和施加的壓力的位置(例如，相對于傳感器的位置)的輸出指示。介電性質(zhì)的變化可例如被傳感成施加的電容場的變化，或穿過施加該場的溝道的電流的變化。另一個(gè)不例實(shí)施例涉及一種電路，包括有機(jī)半導(dǎo)體襯底、襯底上不同位置的多個(gè)壓力傳感器、和從每一個(gè)傳感器耦合檢測傳感器對施加至其的電響應(yīng)的信號(hào)的互連導(dǎo)體。每一個(gè)傳感器包括由位于襯底中的溝道區(qū)域耦合并毗鄰柵介電的的源和漏電極和毗鄰柵介電的柵極。該介電響應(yīng)于壓力彈性地形變并表現(xiàn)出響應(yīng)于彈性形變而變化的介電特性。另一個(gè)示例實(shí)施例涉及一種制造傳感設(shè)備的方法。形成多個(gè)傳感器，每一個(gè)傳感器分別包括具有柔性介電材料和電極的基于阻抗的設(shè)備。形成每一個(gè)傳感器以基于施加至介電材料的壓力在電極處生成輸出，柔性介電材料具有多個(gè)由間隔隔開的介電材料區(qū)域。傳感器和互連電路相耦合以便為每一個(gè)傳感器同時(shí)提供施加至介電材料的壓力和施加的壓力的位置的輸出指示。上述內(nèi)容并不旨在描述本公開的每一個(gè)實(shí)施方式或每一種方案。隨后的附圖、詳細(xì)說明和權(quán)利要求更具體地說明各個(gè)實(shí)施方式。


結(jié)合附圖，考慮到隨后的本公開的各個(gè)實(shí)施方式的詳細(xì)描述，可完全理解本公開的各個(gè)方面，其中:圖1示出了根據(jù)本公開的一個(gè)示例實(shí)施例的一種薄膜傳感器；圖2示出了根據(jù)本公開的各個(gè)示例實(shí)施例的示例傳感器的截面圖和各自的彈性體形狀；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)示例實(shí)施例的傳感器在制造的各個(gè)階段的情況，該傳感器具有微結(jié)構(gòu)化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)；圖4不出了根據(jù)本公開的另一個(gè)不例實(shí)施例的一種壓敏OFET設(shè)備；圖5示出了根據(jù)本公開的另一個(gè)示例實(shí)施例的一種基于壓力的傳感器的陣列；圖6示出了根據(jù)本公開的另一個(gè)示例實(shí)施例的一種電容設(shè)備；以及圖7示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的一種動(dòng)脈內(nèi)/靜脈內(nèi)壓力傳感設(shè)備。雖然本公開可修改成各種變形和替換形式，其具體細(xì)節(jié)通過附圖中的實(shí)例被示出并將被詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解，并不旨在將本公開限制至所描述的特定實(shí)施例。相反，旨在覆蓋落入包括權(quán)利要求中限定的方面的本公開的范圍內(nèi)的所有變形、等價(jià)形式和替換形式。
具體實(shí)施例方式本公開涉及壓力傳感器、壓力傳感設(shè)備和裝置、制造壓力傳感器的方法以及使用壓力傳感器的方法。然而本公開并非必須限制至這樣的設(shè)備和應(yīng)用，通過使用這些和其它上下文的實(shí)例的討論，將理解本公開的各個(gè)方面。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本公開的一個(gè)方面涉及一種傳感設(shè)備，包括多個(gè)傳感器，每一個(gè)傳感器包括具有可壓縮的彈性介電材料和由介電材料隔開的電路節(jié)點(diǎn)的基于阻抗的設(shè)備。每一個(gè)傳感器配置成生成響應(yīng)于由于施加至該介電材料的壓力的量而引起的阻抗變化的輸出?；ミB電路分別配置成耦合傳感器并在各個(gè)傳感器處提供施加至彈性材料的壓力的輸出指示。例如，使用這一介電材料可制造有機(jī)場效應(yīng)晶體管，晶體管的導(dǎo)電性(例如，在其ON狀態(tài)中)與壓力相關(guān)。因此，由壓力的增大和減小中的一個(gè)或二者引起的壓力的變化可容易地被傳感。
介電材料可實(shí)施或調(diào)整成適于不同應(yīng)用。在一些實(shí)施例中，間隔或凹陷形成在介電材料中和/或形成在介電材料的獨(dú)立的圖案化區(qū)域之間。間隔/凹陷可使用流體、氣體或表現(xiàn)出不同于介電材料的壓縮特性并有利于響應(yīng)于施加的壓力的介電材料的彈性形變和恢復(fù)的其它材料進(jìn)行填充。例如，間隔和/或氣陷可制成增強(qiáng)介電材料在形變后恢復(fù)到原始形狀的能力。在特定實(shí)施方式中，介電的截面形狀可設(shè)置成有利于對形變進(jìn)行響應(yīng)/恢復(fù)，并設(shè)置形狀對于所施加的壓力的靈敏度。例如，修改介電材料的截面形狀可允許更大的每單位力壓縮距離，從而增加介電材料對壓力的靈敏度。調(diào)整介電材料特性的另一種方法包括在傳感器的不同部分中采用不同的材料和/或?qū)蝹€(gè)傳感器采用材料的組合。例如，如此處討論的，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、壓電彈性材料、熱電彈性聚合物和鐵電彈性聚合物可單獨(dú)或相互組合地圖案化并使用。此外，針對間隔或氣陷的材料、形狀和/或形成，傳感設(shè)備的各個(gè)部分可進(jìn)行不同的調(diào)整。這些方法可用于形成具有不同傳感能力的范圍的傳感器。這些傳感能力可例如調(diào)整用于特定的應(yīng)用或特定的用戶。例如，通過使用間隔/間隙中的空氣，替換量與彈性體/電介質(zhì)(例如， 3.0的PDMS)相比具有較低的介電常數(shù)( = 1.0)。因此，構(gòu)造的膜中電容的增加隨著兩個(gè)電極板之間距離的減小而出現(xiàn)，并進(jìn)一步由介電常數(shù)的增加而得到增強(qiáng)。本公開的其它方面涉及一種類型的壓力傳感裝置，包括具有有機(jī)半導(dǎo)體襯底和/或例如也為柔性的無機(jī)納米線的其它半導(dǎo)體材料的電路。具有這一可變形材料的電路在一個(gè)或更多方向(例如在拉伸和/或彎曲方向上)上提供足夠的材料位移用于壓力的指示。該電路可包括配置成響應(yīng)施加至其的壓力的襯底上的彈性柵電介質(zhì)，和襯底上不同位置的多個(gè)壓力傳感器。每一個(gè)這樣的傳感器包括具有源和漏電極以及柵極的類似FET的裝置。例如，源和漏電極可由位于襯底中并毗鄰柵電介質(zhì)的溝道耦合，且柵極位于柵電介質(zhì)上并配置成對溝道區(qū)域施加偏置。偏置的量響應(yīng)于溝道區(qū)域中彈性柵電介質(zhì)的形變。該電路進(jìn)一步配置有互連導(dǎo)體，該互連導(dǎo)體被配置并排列成耦合來自每一個(gè)傳感器的信號(hào)，該信號(hào)為通過施加的偏壓引起的彈性柵極電介質(zhì)的形變的指示。又一其它方面涉及一種具有三維靈敏度的裝置或設(shè)備。該設(shè)備包括具有多個(gè)傳感器的透明襯底，每一個(gè)傳感器包括由可壓縮的彈性介電材料電耦合的電極?？蓧嚎s的彈性介電材料響應(yīng)于施加至其的壓力而壓縮，每一個(gè)傳感器配置成表現(xiàn)出在響應(yīng)于可壓縮的彈性介電的壓縮的電極之間的增加的電容。該設(shè)備可包括可壓縮的彈性介電材料上的透明導(dǎo)電屏蔽材料、配置成透過對應(yīng)于用于透過襯底和屏蔽材料可視化的圖像的光的光源、和分別耦合傳感器并提供壓力指示輸出的互連電路。在一些實(shí)施例中，介電彈性體的一個(gè)或多個(gè)材料和形狀設(shè)置成有利于開或關(guān)壓力上的響應(yīng)時(shí)間在IOms或更少的量級(jí)上，允許足夠的壓力序列容易被檢測。例如，人的手指的活動(dòng)通常被生理上受限至每一個(gè)活動(dòng)300ms，從而比300ms快的響應(yīng)時(shí)間有利于壓力的重復(fù)應(yīng)用(例如拍擊)。在各個(gè)實(shí)施例中，此處討論的彈性體/介電膜被微圖案化以減輕粘彈性蠕變并增加壓縮后的弛豫時(shí)間，例如可能與聚合物鏈的不可逆攪?yán)p和可變形表面的缺乏相關(guān)。結(jié)合一個(gè)或更多這樣的實(shí)施例，已發(fā)現(xiàn)該膜的微結(jié)構(gòu)化部分之間的間隔(例如，空洞或間隙)有利于根據(jù)外部壓力的施加的彈性形變，如果缺少間隔，外部壓力可導(dǎo)致在厚度上膜中的粘彈性蠕變(例如，取決于時(shí)間的應(yīng)力增加)。這有利于膜可逆地存儲(chǔ)和釋放能量的能力。因此，各個(gè)實(shí)施例涉及一種傳感器，具有彈性體/介電膜，該彈性體/介電膜具有相互隔開的圖案化區(qū)域和其間的間隔，以有利于取決于施加的壓力的可逆彈性形變。這一間隔和圖案(例如，和膜的形狀)可設(shè)置成相對于使用的材料和其機(jī)械性質(zhì)而言適于特定的應(yīng)用和期望的施加的壓力。在特定的實(shí)施例中，此處討論的用于傳感器的彈性介電材料具有連接傳感器的電路節(jié)點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)，且其寬度尺寸為對于特定的實(shí)施方式小于約50微米、對于其它實(shí)施方式小于約30微米且對于其它特定實(shí)施方式小于約5微米。介電層可為用于傳感施加的壓力的固體彈性介電層，或可包括多個(gè)具有其間的間隙(例如，使用此處討論的非固體材料填充)的微結(jié)構(gòu)。本公開的其它方面涉及裝置和方法，包括與一個(gè)或多個(gè)上述傳感器種類相一致地實(shí)施的至少一個(gè)傳感器，其中該裝置包括以下的至少一項(xiàng):假肢設(shè)備，其中傳感器提供操作假肢設(shè)備的輸出；機(jī)器人設(shè)備，其中傳感器提供有利于機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的輸出；以及插入受治療者的醫(yī)療設(shè)備，其中傳感器提供檢測對應(yīng)于施加至其中一個(gè)傳感器的壓力的受治療者中的壓力的輸出。其它實(shí)施例涉及電子皮膚，其可用于與人直接接觸的人工智能設(shè)備中，或可用于諸如假肢皮膚的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。為了模擬天然皮膚的觸覺傳感特性，例如通過使用生物相容的彈性PDMS，此處討論的大陣列傳感器形成在柔性和拉伸襯底上。根據(jù)其它方面，除顯示器之外，與本公開一致的特定實(shí)施例在輸入設(shè)備表面上采用三維接觸傳感器或采用三維接觸傳感器作為輸入設(shè)備表面的部分，輸入設(shè)備表面可包括彎曲表面。這些設(shè)備包括，例如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、可卷曲鍵盤或游戲接口設(shè)備。在一些實(shí)施方式中，傳感器操作成取代例如按鍵的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，并可配置成提供對應(yīng)于這些部件的輸出。另一個(gè)示例實(shí)施例涉及，例如在醫(yī)療或外科設(shè)備或攝像機(jī)的插入過程中，采用柔性生物中性壓力傳感器(例如，臨近例如攝像頭的設(shè)備的末端)進(jìn)行人體組織上過度壓力的檢查和防護(hù)。這一壓力靈敏度以一方式有效地將反饋傳給操作者，例如，該方式類似于傳感某人自己皮膚上的壓力。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用采用了此處討論的壓力傳感設(shè)備的柔性生物兼容的壓力傳感器片對手術(shù)后或外傷后的器官或組織腫脹進(jìn)行檢測和監(jiān)視。該傳感片可例如進(jìn)一步耦合至小型的生物兼容的射頻識(shí)別(RFID)設(shè)備，該射頻識(shí)別(RFID)設(shè)備使用無線通信傳輸壓力特性。此處討論的傳感器的電源可通過多種方式獲得。在一些實(shí)施方式中，使用外部電源或電池。在其它實(shí)施方式中，同傳感器一同實(shí)現(xiàn)從無線信號(hào)汲取能量的無線功率設(shè)備(諸如射頻設(shè)備)，該無線功率設(shè)備用于為傳感器供電。在又一些實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)化被應(yīng)用至壓電膜，而設(shè)備上施加壓力產(chǎn)生的壓電電壓對設(shè)備供電。此處討論的傳感器可實(shí)施在各種應(yīng)用中。例如，一種這樣的應(yīng)用包括例如手持設(shè)備、電視機(jī)和電腦設(shè)備的觸摸屏設(shè)備，其中傳感器透過光(例如使用例如PDMS的透明彈性體材料)。其它應(yīng)用涉及力的傳感方法，例如采用彈性體中的導(dǎo)電填充粒子或量子溝道組合物的電阻式壓力傳感器。特定應(yīng)用涉及傳感壓力的變化，例如當(dāng)壓力容器的泄露發(fā)展時(shí)，壓力的變化可在壓力容器中表現(xiàn)出來(例如，壓力的損失可作為由電介質(zhì)的變化弓丨起的導(dǎo)電性的變化而被檢測)。本公開特定的實(shí)施例涉及傳感設(shè)備，其中至少一個(gè)傳感器包括配置成表現(xiàn)出由于彈性電容(例如，作為離散元件或電容電路一部分的彈性電容)引起的阻抗變化的彈性電介質(zhì)。其它應(yīng)用涉及醫(yī)療應(yīng)用，例如用于傳感體內(nèi)壓力，或用于假肢設(shè)備。又一個(gè)應(yīng)用涉及檢測例如由汽車或飛機(jī)機(jī)身上的風(fēng)施加在表面上的壓力，和其中相關(guān)的形變(例如，用于材料應(yīng)力的監(jiān)控)，并可用于了解由流體(例如，采用此處討論的多傳感器的方法)施加的摩擦力。其它應(yīng)用包括傳感高度彎曲的表面中的壓力，例如試管中或壓力容器中流動(dòng)的氣體和/或液體。其它應(yīng)用涉及便攜式高靈敏度磅秤、低流體流動(dòng)率傳感器、水下觸摸傳感器、用于通過在汽車運(yùn)動(dòng)期間檢測方向盤的彎曲表面上的低壓(或無壓)接觸力的低周期而檢測疲勞駕駛的壓力傳感系統(tǒng)和應(yīng)力測量儀器(例如，可移動(dòng)的連接點(diǎn)之間)。結(jié)合一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例，討論的傳感器可采用多種方法制造，并可實(shí)施在多種應(yīng)用中。在一個(gè)實(shí)施例中，在允許高產(chǎn)出并由此有利于降低商業(yè)成本的卷到卷工藝中，傳感器制造在塑料襯底上。因此，彈性類型的卷可使用壓力傳感電極高速地進(jìn)行制造，有利于設(shè)備的快速制造。制造在柔性襯底上的這些傳感器可實(shí)施在多種應(yīng)用中，例如曲線表面應(yīng)用。現(xiàn)在轉(zhuǎn)至附圖，圖1示出了根據(jù)本公開的一個(gè)示例實(shí)施例的一種壓力薄膜傳感器設(shè)備100。設(shè)備100包括配置并排列成在壓力下表現(xiàn)出不同電特性的介電層110。上電極120和下電極130被介電層120相互隔開。介電層110包括幾個(gè)彈性介電材料區(qū)域，作為示例，其具有區(qū)域112、114和116。彈性區(qū)域被由彈性區(qū)域112、114和116的側(cè)壁橫向限定的間隙區(qū)域113和115相互隔開，并可包括例如空氣、其它氣體或其它可壓縮材料的材料。通過選擇間隙區(qū)域中的材料類型(或例如，材料的缺少)，可獲得彈性區(qū)域的彈性壓縮，有利于壓力靈敏度和快速恢復(fù)至壓縮。介電層110基于例如通過由雙端箭頭示出的各個(gè)電極120和130的相互運(yùn)動(dòng)而施加至其的壓力的量表現(xiàn)出不同的介電特性。電極之間的電容可用作介電層110的壓縮狀態(tài)的指示,且由此作為壓力的指示。因此，隨著彈性區(qū)域112、114和116由于施加的壓力(增大或減小壓力)而被壓縮(或擴(kuò)張)，通過彈性區(qū)域的介電特性的相關(guān)變化和/或整個(gè)介電層110的有效介電常數(shù)，在電極120和130的一個(gè)處的電特性可用作這一壓力的指示。在各個(gè)實(shí)施例中，傳感器設(shè)備110使用這些設(shè)備的陣列來實(shí)施，用于傳感壓力和位置。例如，通過排列多個(gè)這些傳感器作為壓敏設(shè)備的一部分，用于每一個(gè)傳感器的各個(gè)傳感電極的輸出可用于檢測傳感器處的壓力。而且，通過檢測每一個(gè)傳感器的傳感電極處的輸出，可確定各個(gè)傳感器處的相對壓力。在特定的實(shí)施例中，設(shè)備100包括處理器140，其處理下電極130處的輸出以提供施加至介電層110 (例如，壓力施加至上電極120，下電極130保持固定)的壓力的指示。在一些實(shí)施方式中，處理器140采用壓力的指示執(zhí)行處理任務(wù)，例如用于確定壓力特性和/或生成例如基于檢測的壓力的控制信號(hào)的輸出。圖2示出了根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的示例傳感器的截面圖和各種彈性體形狀。各個(gè)傳感器被示出為具有公共的上和下區(qū)域(例如，兩個(gè)電極，如圖1所示，并沿所示的的箭頭運(yùn)動(dòng))，具有不同形狀的彈性體材料以不同方式響應(yīng)于公共壓力的施加。參照圖2A，上和下部分210和212由彈性體材料隔開，該彈性體材料如214所示壓縮，且如216所示在未壓縮形狀時(shí)有基本垂直的側(cè)壁。與圖2B-2D中的上部分對應(yīng)，上部分210同時(shí)在未壓縮和壓縮位置被不出。參照圖2B,上和下部分220和222被彈性體材料隔開,該彈性體材料如224所示壓縮，且如226所示在未壓縮形狀時(shí)有傾斜側(cè)壁。相對于圖2A中被壓縮的彈性體材料214，被壓縮的彈性體材料224根據(jù)不同形狀表現(xiàn)出較大的垂直壓縮。圖2C和2D示出的傳感器具有彈性材料，該彈性材料具有增加的傾斜度，且并表現(xiàn)出響應(yīng)于公共壓力越來越大的偏轉(zhuǎn)。因此，圖2C示出了由彈性體材料隔開的上和下部分230和232，該彈性體材料如234所示壓縮，且如236所示呈現(xiàn)未壓縮的形狀。類似地，圖2D示出了由彈性體材料隔開的上和下部分240和242，該彈性體材料如244所示壓縮，并如246所示呈現(xiàn)未壓縮的形狀。如圖2所示，修改彈性體截面的形狀可由此允許更大的每單位力上的壓縮距離，從而增加彈性體層對壓力的靈敏度。在上下文中，各個(gè)實(shí)施例涉及彈性體的多個(gè)實(shí)施方式，該彈性體具有調(diào)節(jié)或設(shè)置其中使用彈性體的傳感器的特性的截面。而且，具有不同截面的彈性體可用于同一設(shè)備中以便為設(shè)備的不同部分設(shè)置不同的壓力傳感特性。在各個(gè)實(shí)施方式中，彈性體的截面被改變以設(shè)置對于壓力的靈敏度，并可被設(shè)置成傳感低于IkPa的壓力。在一些實(shí)施例中，如圖2所示的彈性層通過能將電場線保持在彈性層中的導(dǎo)電層來將外界環(huán)境屏蔽。壓縮彈性體層增加了電極(例如，參照圖2A，上和下電極部分210和212可實(shí)施為電極)之間的材料的有效介電常數(shù)。這增加了電極之間的電容并由此，壓力可通過電容的增加來測試。圖3示出了根據(jù)本公開的各個(gè)示例實(shí)施例的傳感器設(shè)備在不同制造階段的情況，該傳感器設(shè)備具有微結(jié)構(gòu)化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜。圖3A-3D示出了具有多個(gè)反型特征312的模子310(例如硅)。參照圖3B，PDMS膜320形成在模子310上。在圖3C，層壓的膜330，例如氧化銦錫(ITO)涂覆的對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底，形成在PDMS膜320上，隨后PDMS膜在均勻壓力(例如，在約70°C的溫度下持續(xù)約3小時(shí))下被固化(例如交聯(lián))。在圖3D，層壓的膜330被去除，PDMS膜320的獨(dú)立部分，包括例如被標(biāo)記的部分322，被示出為形成在該膜上。部分322的形狀通過反型特征(312)的形狀而被設(shè)置，并被設(shè)置成就壓縮性方面而言適合于特定應(yīng)用。PDMS膜320中的微結(jié)構(gòu)可以基本均勻(2_3%的間距精度)的排列在模子310上來制造。這些特征可高質(zhì)量地復(fù)制在非常薄(例如，< 100 μ m)和高柔性的塑料片上。對于確定接觸面的最高的三個(gè)PDMS特征(322)，這一方法可用于確保壓力傳感器的大面積兼容。此外，PDMS特征(322)可設(shè)置成非常小的尺寸(例如3-6 μ m或更小的寬度，和小于10 μ m的高度)。在一些實(shí)施例中，小的玻璃板用于施加均勻的壓力并改進(jìn)疊層效果。最終的膜靈敏度可達(dá)到約0.55kPa-l，幾乎沒有滯后，并可檢測小于20mg的重量和/或約3Pa的壓力。最終的膜弛豫時(shí)間可達(dá)到毫秒范圍。圖4不出了根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的壓敏有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)設(shè)備400。設(shè)備400包括ITO涂覆的PET柵電極410，帶有形成介電材料形成的PMDS柱420陣列。在二氧化硅/硅襯底430 (例如，采取絕緣體上硅的配置結(jié)構(gòu)，在氧化物上有薄層的硅)上，源和漏區(qū)域432和434被形成并通過紅熒烯晶體溝道區(qū)域436耦合。作為示例，設(shè)備400被示出為柵電極同下設(shè)區(qū)域隔開，上部柵電極410與襯底430接近以使PDMS柱420接觸下設(shè)的源和漏電極432和434。例如通過柵410或下設(shè)的襯底430，介電材料(PDMS柱420)表現(xiàn)出對應(yīng)于施加至其的(壓縮的)壓力的介電特性，而在源432和漏434之間傳導(dǎo)的所產(chǎn)生電流指示介電特性和其中施加至PDMS柱420的壓力。在一些實(shí)施例中，傳感電路440被耦合在源和漏電極432和434上，用于檢測其間的電流，并因此檢測PDMS柱420的壓縮程度。傳感電路440可與設(shè)備400 —起集成，或作為單獨(dú)的設(shè)備與設(shè)備400相耦合。而且，在使用多個(gè)傳感器(例如，以矩陣的形式)時(shí)，例如通過實(shí)施傳感器400的陣列，傳感電路440可被耦合至這些傳感器的兩個(gè)或更多以檢測和/或處理其輸出。在一些實(shí)施例中，電路440提供相對簡單的輸出，例如可對應(yīng)于在Vsd檢測到的實(shí)際測量值或響應(yīng)，或可包括提供表征施加的壓力的更復(fù)雜的輸出的處理電路，該輸出也可指示壓力的量和施加的壓力的位置的其中一個(gè)或二者。設(shè)備400可用多種方式制造，例如上面討論的方式，也可排列成適于特定的應(yīng)用。例如，可用不同的形狀形成PDMS柱420，例如通過如圖2A-2D的一個(gè)或更多所示使柱的一個(gè)末端銷尖，以設(shè)置設(shè)備400的靈敏度，。在一些實(shí)施方式中，源和漏電極432和434為底接觸金電極并形成在高度n摻雜的氧化硅晶片上。紅熒烯單晶可例如采用物理氣相輸運(yùn)生長并層疊在底接觸金電極的頂部。這一晶體，可例如被形成為表現(xiàn)出Icm2/Vs量級(jí)的場效應(yīng)空穴遷移率。具有類似特性的其它薄膜有機(jī)半導(dǎo)體也可類似地實(shí)施。根據(jù)此處討論的實(shí)施例，多個(gè)不同種類的材料可用于制造傳感器。在特定的示例實(shí)施例中，除導(dǎo)電或金屬型電極之外，通過在例如具有導(dǎo)體(例如，真空沉積的充當(dāng)?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)線的鋁金屬線(150iim寬))的PET襯底的片(例如，25iim厚)的兩個(gè)電極之間夾入例如PDMS的微結(jié)構(gòu)化的介電膜，使用所有的塑料組件形成電容矩陣型壓力傳感器。該結(jié)構(gòu)可分成微結(jié)構(gòu)化的PDMS膜的數(shù)個(gè)部分(例如，四個(gè))。在一些實(shí)施例中，可高度拉伸的材料用作襯底以支撐圖案化的電介質(zhì)柱，從而減少來自臨近傳感器的信號(hào)溢出(例如，從而使得一部分材料/傳感器上的壓力至臨近部分/傳感器的壓力的轉(zhuǎn)移被減少或消除)。例如，在實(shí)施上述各個(gè)實(shí)施例時(shí)，這一材料可取代PET和/或與PET —起使用。在其它實(shí)施例中，對于在不同的傳感器處傳感到的壓力，控制電路用于基于在矩陣中不同傳感器處傳感到的壓力來確定溢出信號(hào)，該控制電路采用算法型輸入來確定施加的壓力相對于矩陣中不同傳感器傳感到的壓力的實(shí)際位置。參照圖4，在連接至多個(gè)傳感器時(shí)，這一方法可使用傳感電路440實(shí)施。而且，這一方法可用于用內(nèi)插算法得到施加在傳感器上或施加在傳感器之間的壓力的位置。其它實(shí)施例涉及在多個(gè)點(diǎn)收集壓力信息的設(shè)備中的矩陣型壓力傳感器的實(shí)施。這些方法可用于為多個(gè)設(shè)備收集不同類型的輸入。現(xiàn)在參照圖5,根據(jù)本公開的另一個(gè)不例實(shí)施例,傳感設(shè)備500包括襯底505上基于壓力的傳感器的陣列。作為示例，該陣列被示出為具有16個(gè)傳感器，其中例如有被標(biāo)記的傳感器510。傳感器上為電介質(zhì)區(qū)域的陣列，包括作為示例的區(qū)域512，這些電介質(zhì)區(qū)域被連接至柔性襯底508。為了進(jìn)行說明，襯底508和相關(guān)電介質(zhì)區(qū)域以剖視圖示出并同下設(shè)傳感器分隔開，為了操作，電介質(zhì)區(qū)域(512)與傳感器接觸。這些傳感器的每一個(gè)可使用例如圖4所示的傳感器來實(shí)施。傳感器的輸出被耦合至處理電路520，其處理該輸出以提供壓力和位置信息。例如，傳感器(包括傳感器510)的每一個(gè)可直接耦合至處理電路520，或襯底505中的互連電路的陣列可被制為提供對應(yīng)于各個(gè)傳感器(例如，以行和列的形式)的位置的可尋址的輸出，而用單根引線連接至處理電路。在壓力施加至柔性襯底508時(shí)，電介質(zhì)區(qū)域(512)在所施加壓力附近的區(qū)域壓縮，而下設(shè)的傳感器(510)通過傳感器附近的電介質(zhì)區(qū)域的介電特性傳感施加的壓力。通過在處理電路520處理傳感器的輸出，可同時(shí)提供施加至柔性襯底508的壓力的位置和量的指示。傳感器(510)基于形變及其引起的介電特性的變化表現(xiàn)出電的變化，從而提供壓力的指示。在上下文中，提供三維壓力傳感設(shè)備，同時(shí)傳感位置(例如，在傳感器所處其中的平面的x-y方向上)和壓力(例如，在完全/大致垂直于前述平面的z方向上)。現(xiàn)在參照圖6，根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例示出了電容設(shè)備600。設(shè)備600可例如根據(jù)圖1所示的方法或根據(jù)電極的其它配置來實(shí)施。該設(shè)備包括層602上的封裝襯底601，層602可實(shí)施為電容板和/或用于屏蔽電介質(zhì)層603。如不出的,層602在下設(shè)的傳感區(qū)域的位置處被圖案化，但對于特定的應(yīng)用(例如，對于傳感器的陣列，為了讀出壓力和位置并降低傳感器之間的串?dāng)_)，可實(shí)施為連續(xù)的層。此外，導(dǎo)電屏蔽可保持為浮動(dòng)或設(shè)置在地電位。電介質(zhì)層603具有彈性介電材料的交替區(qū)域和包括例如空氣的可壓縮物質(zhì)的間隙區(qū)域。電介質(zhì)層603形成在包括安裝在襯底605上的電極604和606的各個(gè)電極上,其可與層602形成電容器。另一個(gè)示例實(shí)施例涉及一種傳感垂直負(fù)載和剪切力二者的壓力傳感器，其可采用例如圖1、4和6所示的方法實(shí)施。剪切力信息通過定向的壓力傳感器區(qū)域的組合來檢測，該壓力傳感器區(qū)域的組合具有成組的非對稱微結(jié)構(gòu)或非對稱布置的對稱微結(jié)構(gòu)(例如，通過將壓力傳感器區(qū)域以2x2超像素的組定向在北、西、南和東方向上)。對這樣的超像素的4個(gè)子單元中的垂直負(fù)載的響應(yīng)將是相同的，從而任何信號(hào)差異均來自施加在傳感器表面上的平面內(nèi)(剪切)應(yīng)力。來自分組的傳感器的信號(hào)被校準(zhǔn)并用于確定剪切力矢量和幅度。采用這一方法，壓力和剪切力可被檢測，并用于例如檢測滑動(dòng)。圖7不出了根據(jù)另一個(gè)不例實(shí)施例的動(dòng)脈內(nèi)/靜脈內(nèi)壓力傳感設(shè)備700。設(shè)備700可用于例如檢測多個(gè)不同組織內(nèi)的壓力，例如用以生成細(xì)胞硬度的表面圖。該設(shè)備被配置成放置在動(dòng)脈或靜脈血管壁701中，并包括結(jié)構(gòu)化的介電材料702、沿著結(jié)構(gòu)化的介電材料702分布的傳感電極703和對面電極704、以及傳感器襯底705。該設(shè)備可采用例如導(dǎo)管導(dǎo)絲706和充氣囊進(jìn)行放置，并可用于檢測沿著壁的例如可能由于以707表示的脂肪沉積或病變組織而出現(xiàn)的壓力差，或可測量整個(gè)細(xì)胞硬度。該傳感器可電耦合至引導(dǎo)線706或與其一起的引線，用于提供傳感器輸出。此處討論的實(shí)施例和具體應(yīng)用可結(jié)合上述方面、實(shí)施例和實(shí)施方式的一個(gè)或更多個(gè)來實(shí)施，同樣，也可結(jié)合以上參考的臨時(shí)專利文件、形成該文件一部分的附件，和其中引用的參考文獻(xiàn)中示出的內(nèi)容相結(jié)合來實(shí)施。下面的臨時(shí)專利文件，包括該附件，和其中引用的參考文獻(xiàn)一樣，通過引用全部結(jié)合于此。盡管本公開可修改成各種變形和替換形式，本公開的具體內(nèi)容已在附圖中通過實(shí)例示出并將進(jìn)一步描述。應(yīng)理解并不旨在將本公開限制至描述的特定實(shí)施例和/或應(yīng)用。例如，可用不同的形狀使用各種不同類型的彈性體或介電材料。不同的傳感方法可與示出的那些方法互換,例如通過檢測電容的變化或溝道區(qū)域?qū)щ娦缘淖兓?。此?對于壓力傳感或取決于壓力的應(yīng)用的多種不同類型，可實(shí)施此處描述的傳感器。其目的是覆蓋落入本公開的精神和范圍內(nèi)的所有變形、等價(jià)形式和替換形式。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括: 介電結(jié)構(gòu)，包括由間隔區(qū)域相互隔開的多個(gè)彈性區(qū)域，所述彈性區(qū)域配置和排列成響應(yīng)于壓力而被壓縮，并由此表現(xiàn)出對應(yīng)于所述彈性區(qū)域的壓縮狀態(tài)的改變的有效介電常數(shù)；以及 傳感電路，包括多個(gè)基于阻抗的傳感器，每一個(gè)基于阻抗的傳感器包括介電結(jié)構(gòu)的一部分，并配置和排列成通過提供施加至毗鄰每一個(gè)傳感器的介電結(jié)構(gòu)的壓力的指示而響應(yīng)于介電常數(shù)的變化。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中響應(yīng)于被施加至各個(gè)彈性區(qū)域的不同壓力，各個(gè)彈性區(qū)域配置和排列成相對于所述彈性區(qū)域的其它區(qū)域表現(xiàn)出不同的有效介電常數(shù)。
3.權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中傳感電路配置和排列成通過提供施加至彈性區(qū)域的壓力和被施加壓力的彈性區(qū)域的位置二者的指示來響應(yīng)在彈性區(qū)域的不同區(qū)域的介電常數(shù)的變化。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的裝置，其中每一個(gè)傳感器提供毗鄰該傳感器的彈性材料的壓縮狀態(tài)的輸出指示，而傳感電路配置和排列成對提供每一個(gè)輸出的各個(gè)傳感器的位置提供指示。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述傳感器的至少其中一個(gè)傳感器包括配置和排列成對施加的壓力表現(xiàn)出響應(yīng)的介電結(jié)構(gòu)的一部分，該響應(yīng)不同于由所述傳感器中不同的一個(gè)傳感器的介電結(jié)構(gòu)的一部分表現(xiàn)出的對施加的壓力的響應(yīng)，各個(gè)傳感器配置和排列成提供響應(yīng)于施加至所述傳感器的介電結(jié)構(gòu)的公共壓力的相互不同的輸出。
6.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的裝置，其中傳感電路包括共面?zhèn)鞲衅鞯慕M，所述共面?zhèn)鞲衅鞫ㄏ蛟诓煌较蛏喜⑴渲贸杀憩F(xiàn)出對大致垂直于傳感器所處其中的平面的方向上施加的垂直壓力的公共響應(yīng) ，并對施加在傳感器上的、在傳感器所處其中的平面的方向上的應(yīng)力，相對于組中其它傳感器的其中至少一個(gè)而言表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。
7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的裝置，其中進(jìn)一步包括邏輯電路，其配置和排列成處理來自所述傳感器的輸出以確定以下項(xiàng)的至少一項(xiàng):施加至所述傳感器中至少一個(gè)傳感器的壓力，和相對于所述傳感器的位置。
8.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的裝置，其中 所述介電結(jié)構(gòu)包括柔性介電層，該柔性介電層包括彈性區(qū)域，所述彈性區(qū)域配置和排列成響應(yīng)于施加至所述柔性介電層的壓力而壓縮，以及 每一個(gè)所述傳感器包括由所述柔性介電層隔開的第一和第二電極，所述電極配置和排列成提供電輸出，該電輸出指示所述電極之間的柔性介電層的壓縮的介電特性，由此提供施加至柔性介電層的壓力的指示。
9.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的裝置,其中每一個(gè)傳感器包括 源和漏電極，其由位于半導(dǎo)體襯底中并毗鄰所述介電結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)域耦合，以及 柵極，配置和排列成通過所述介電結(jié)構(gòu)將偏置施加至所述溝道區(qū)域，所施加的偏置基于介電結(jié)構(gòu)的壓縮狀態(tài)而變化。
10.權(quán)利要求9所述的裝置，其中每一個(gè)所述傳感器包括介電結(jié)構(gòu)的一部分，該部分配置和排列成，響應(yīng)于施加至各個(gè)介電區(qū)域的不同壓力，相對于其它傳感器的介電結(jié)構(gòu)的其它部分而獨(dú)立地形變。
11.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的裝置，其中 所述介電結(jié)構(gòu)和傳感電路配置和排列成用于插入腔中， 所述介電結(jié)構(gòu)配置和排列成基于通過所述腔中的材料施加至所述介電材料的壓力表現(xiàn)出不同的介電特性，以及 所述傳感電路包括電路，該電路連接至所述傳感器的一個(gè)電極，并配置和排列成當(dāng)所述傳感電路插入所述腔中時(shí)提供來自所述腔外部的傳感器的輸出，從而提供所施加的壓力的指示。
12.一種制造傳感器設(shè)備的方法，該方法包括: 形成包括由間隔區(qū)域相互隔開的多個(gè)彈性區(qū)域的介電結(jié)構(gòu)，所述彈性區(qū)域配置和排列成，響應(yīng)于壓力壓縮并由此表現(xiàn)出對應(yīng)于所述彈性區(qū)域的壓縮狀態(tài)的變化的有效介電常數(shù)；以及 形成包括多個(gè)基于阻抗的傳感器的傳感電路，每一個(gè)基于阻抗的傳感器包括所述介電結(jié)構(gòu)的一部分，并配置和排列成通過提供施加至毗鄰每一個(gè)傳感器的介電結(jié)構(gòu)的壓力的指示而響應(yīng)于介電常數(shù)的變化。
13.一種裝置，包括: 介電結(jié)構(gòu)，包括由間隔區(qū)域相互隔開的多個(gè)彈性區(qū)域，彈性區(qū)域配置和排列成響應(yīng)于壓力而壓縮并由此表現(xiàn)出對應(yīng)于所述彈性區(qū)域的壓縮狀態(tài)的變化的有效介電常數(shù)；以及 傳感電路，包括基于阻抗的傳感器的陣列，每一個(gè)基于阻抗的傳感器包括所述介電結(jié)構(gòu)的一部分，并配置和排列成通過提供施加至毗鄰每一個(gè)傳感器的介電結(jié)構(gòu)的壓力的指示而響應(yīng)于介電常數(shù)的變化，并提供每一個(gè)傳感器的位置的指示。
14.權(quán)利要求13所述的裝 置，各個(gè)彈性區(qū)域配置和排列成，響應(yīng)于施加至各個(gè)彈性區(qū)域的不同壓力而表現(xiàn)出相對于其它的彈性區(qū)域不同的有效介電常數(shù)。
15.權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述傳感器的其中至少一個(gè)傳感器包括介電結(jié)構(gòu)的一部分，其被配置和排列成表現(xiàn)出對施加的壓力的響應(yīng)，該響應(yīng)不同于由所述傳感器的其中一個(gè)不同的傳感器的介電結(jié)構(gòu)的一部分表現(xiàn)出的對施加的壓力的響應(yīng)，各個(gè)傳感器配置和排列成響應(yīng)于施加至所述傳感器的介電結(jié)構(gòu)的公共壓力提供相互不同的輸出。
16.權(quán)利要求13-15任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述傳感電路包括共面?zhèn)鞲衅鞯慕M，所述共面?zhèn)鞲衅鞫ㄏ蛟诓煌较蛏喜⑴渲煤团帕谐杀憩F(xiàn)出對大致垂直于傳感器所處其中的平面的方向上施加的垂直壓力的公共響應(yīng)，并對施加在所述傳感器上的、在傳感器所處其中的平面的方向上的應(yīng)力，相對于組中其它傳感器的其中至少一個(gè)而言表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。
17.權(quán)利要求16所述的裝置，其中共面?zhèn)鞲衅鞯慕M中的至少一個(gè)傳感器配置和排列成，對由物體在傳感器所處其中的平面的方向上作用到所述介電結(jié)構(gòu)的表面上的剪切應(yīng)力，相對于組中其它傳感器的其中另一個(gè)，表現(xiàn)出不同的響應(yīng)，且由此提供物體上的表面的夾緊的指示。
18.權(quán)利要求13-15任一項(xiàng)所述的裝置，其中 所述介電結(jié)構(gòu)和傳感電路配置和排列成用于插入腔中， 所述介電結(jié)構(gòu)配置和排列成基于通過所述腔的不同位置施加至介電材料的壓力表現(xiàn)出不同的介電特性，以及 傳感電路包括電路，該電路連接至傳感器的電極，并配置和排列成當(dāng)傳感電路插入所述腔中時(shí)提供來自所述腔外部的傳感器的輸出，以提供施加的壓力的指示。
19.權(quán)利要求13-15任一項(xiàng)所述的裝置，其中 所述介電結(jié)構(gòu)包括柔性介電層，所述柔性介電層包括所述彈性區(qū)域，所述彈性區(qū)域配置和排列成響應(yīng)于施加至所述柔性介電層的壓力而壓縮，以及 每一個(gè)所述傳感器包括由所述柔性介電層隔開的第一和第二電極，所述電極配置和排列成提供電輸出，所述電輸出指示所述電極之間的所述柔性介電層的壓縮的介電特性，由此提供施加至所述柔性介電層的壓力的指示。
20.權(quán)利要求13-15任一項(xiàng)所述的裝置,其中每一個(gè)傳感器包括 源和漏電極，由位于半導(dǎo)體襯底中并毗鄰所述介電結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)域耦合，以及 柵極，配置和排列成通過所述介電結(jié)構(gòu)對溝道區(qū)域施加偏置，所施加的偏置基于所述介電結(jié)構(gòu)的壓縮狀態(tài)而變化。
21.權(quán)利要求13-20任一項(xiàng)所述的裝置，其中相對于彼此和相對于彈性區(qū)域之間的距離，彈性區(qū)域配置和排列成通過各個(gè)彈性區(qū)域的彈性形變可逆地存儲(chǔ)和釋放能量。
22.權(quán)利要求13-21任一項(xiàng)所述的裝置，其中相對于彼此和相對于其間的間隔，彈性區(qū)域配置和排列成，響應(yīng)于外部壓力的施加而彈性地形變，除所述彈性區(qū)域之間的間隔區(qū)域夕卜，外部壓力將影響彈性材料中粘彈性蠕變。
23.權(quán)利要求13-22任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括 邏輯電路，配置和排列成處理來自所述傳感器的輸出以確定以下項(xiàng)中至少一個(gè):施加至所述傳感器中至少一 個(gè)傳感器的壓力，和所述壓力相對于所述傳感器的位置。
全文摘要
提供傳感器、傳感裝置和設(shè)備以及相關(guān)方法。根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施例，一種基于阻抗的傳感器，包括柔性介電材料并基于施加至該介電材料的壓力所引起的壓縮而生成輸出。在特定實(shí)施例中，介電材料包括由間隙隔開的多個(gè)區(qū)域，并配置成響應(yīng)于施加的壓力而彈性地形變和恢復(fù)。
文檔編號(hào)H01G5/013GK103210457SQ201180045357
公開日2013年7月17日 申請日期2011年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者Z·包, S·曼斯菲德, J·洛克林, B·C-K·蒂 申請人:小利蘭·斯坦福大學(xué)托管委員會(huì)