[發(fā)明專利]基于電活性材料的傳感器設備和感測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780014020.6
• 申請日: 2017-02-13
• 公開（公告）號: CN108700968B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設計）人: M·T·約翰遜;C·P·亨德里克斯;D·A·范登恩德;A·希爾格斯
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號: G06F3/041
• 分類號: G06F3/041;H01L41/113
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 王英;劉炳勝

一種傳感器設備，包括以行和列布置的電活性傳感器元件的被動矩陣陣列。在一個范例中，每個傳感器元件生成二元傳感器信號，使得每個行處和每個列處的總信號能夠確定外部輸入的任何形式。這提供了確定使用被動矩陣尋址方案感測輸入的傳感器元件的樣式的第一方式。在另一范例中，每個傳感器元件生成具有不同頻率特性的傳感器信號。這提供了使得能夠確定外部輸入的任何形式的另一種方式。

技術領域

本發(fā)明涉及利用諸如壓電材料和電活性聚合物的電活性材料的傳感器設備，并且涉及使用這樣的設備的感測方法。

背景技術

幾十年來，壓電材料已經眾所周知，一個最常見的范例是壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛。

電活性聚合物(EAP)是電響應材料領域內的新興類別的材料。EAP能夠作為傳感器或致動器來工作，并且能夠被容易地制造成各種形狀，以允許容易集成到各種系統中。

在過去十年中，已經發(fā)展了具有已顯著改善的特性(諸如致動應力和應變)的材料。技術風險已經降低到對于產品開發(fā)而言可接受的水平，使得EAP在商業(yè)上和技術上變得日益感興趣。EAP的優(yōu)點包括低功率、小形狀因子、柔性、無噪聲操作、準確度、高分辨率的可能性、快速響應時間以及循環(huán)致動。

EAP材料的改善的性能和特定的優(yōu)點導致了對新應用的適用性。

EAP設備能夠在基于電致動而期望部件或特征的少量移動的任何應用中使用。類似地，所述技術能夠被用于感測小的移動。

與普通致動器相比較，由于小體積或薄形狀因子中的相對大的變形和力的組合，EAP的使用允許實現以前不可能的功能，或者提供優(yōu)于普通傳感器/致動器解決方案的大的優(yōu)勢。EAP還給出了無噪聲操作、準確的電子控制、快速響應以及大范圍的可能的致動頻率，諸如0–20kHz。

使用電活性聚合物的設備能夠被細分成場驅動和離子驅動的材料。

場驅動EAP的范例是電介質彈性體、電致伸縮聚合物(諸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚亞安酯)和液晶彈性體(LCE)。

離子驅動EAP的范例是共軛聚合物、碳納米管(CNT)聚合物復合物以及離子聚合物金屬復合物(IPMC)。

場驅動EAP通過直接機電耦合由電場來致動，而針對離子EAP的致動機制涉及離子的擴散。這兩個類別都具有多個族成員，其中的每個族成員具有其自己的優(yōu)點和缺點。

圖1和圖2示出了針對EAP設備的兩種可能的操作模式。

所述設備包括電活性聚合物層14，其被夾置在位于電活性聚合物層14的相對兩側上的電極10、12之間。

圖1示出了未被夾持的設備。電壓被用于使所述電活性聚合物層如所示地在所有方向上擴展。

圖2示出了被設計成使得擴展僅在一個方向上產生的設備。所述設備由載體層16支撐。電壓被用于使所述電活性聚合物層被彎曲或彎折。

這種移動的性質例如產生于當被致動時擴展的主動層與被動載體層之間的交互作用。為了獲得如所示的繞著軸的不對稱彎曲，例如可以應用分子取向(膜拉伸)，以迫使所述移動在一個方向上。

在一個方向上的擴展可以源自電活性聚合物中的非對稱性，或者其可以源自載體層的屬性中的非對稱性，或者這兩者的組合。

在感測應用中，由要被感測的外力誘發(fā)的變形能夠引起可測量的阻抗變化。備選地，諸如壓電材料的一些電活性材料響應于外力刺激而生成電荷。

在特定應用中，傳感器的陣列例如能夠用于測量設備與人體之間的接觸面積。例如，在US 2012/0086651中描述的系統中測量觸摸面板與人手指之間的接觸面積。該文檔描述了包括壓電聚合物傳感器的被動矩陣的觸摸面板。感測電極的形狀是多條電極線，所述多條電極線以上電極線和下電極線垂直于彼此的方式被布置在壓電層的上表面和下表面上。