壓力感測可以用于多種應(yīng)用，并且各種傳感器的靈敏度及實現(xiàn)已經(jīng)在各種應(yīng)用中持續(xù)地改進(jìn)。例如，壓力傳感器用在各種工業(yè)、汽車及其他應(yīng)用中，以及人類交互應(yīng)用中。

然而，以應(yīng)用中所期望的準(zhǔn)確度及靈活性感測壓力對于現(xiàn)有的方法以及其中期望壓力感測的發(fā)展的實現(xiàn)而言一直充滿挑戰(zhàn)。例如，某些裝置的性能可受塊(bulk)機(jī)械性質(zhì)的限制，這會導(dǎo)致較差的靈敏度、慢的響應(yīng)時間以及較差的溫度穩(wěn)定性。進(jìn)一步，一些傳感器在低壓條件下展示出不穩(wěn)定的接觸。此外，多種傳感器對溫度變化作出不利的反應(yīng)。對于多種應(yīng)用來說，這些及其他問題已經(jīng)對壓力感測提出挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

各種示例實施方式針對壓力傳感器及其實施，以及用于制造壓力傳感器的方法。

根據(jù)示例實施方式，一種設(shè)備包括電極和具有相應(yīng)的表面面積的多個結(jié)構(gòu)，所述相應(yīng)的表面面積接觸所述電極和所述結(jié)構(gòu)中的其他結(jié)構(gòu)中的至少一個。所述結(jié)構(gòu)和電極通過響應(yīng)于所述結(jié)構(gòu)的彈性壓縮或膨脹而影響所述相應(yīng)的表面面積的變化來提供對壓力的電指示。所述結(jié)構(gòu)和電極之間的電阻抗的變化是基于所述相應(yīng)的表面面積的變化，其被提供為壓力的指示。

另一個實施方式針對如下的方法。形成電極和多個結(jié)構(gòu)，其中這些結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的表面面積，所述相應(yīng)的表面面積接觸所述電極和所述結(jié)構(gòu)中的其他結(jié)構(gòu)中的至少一個。形成所述結(jié)構(gòu)和電極，以通過響應(yīng)于所述結(jié)構(gòu)的彈性變形而影響所述相應(yīng)的表面面積的變化來提供對壓力的電指示?；谒鱿鄳?yīng)的表面面積的變化來提供所述結(jié)構(gòu)和電極之間的電阻抗的變化。

另一個實施方式針對使用具有電極和多個結(jié)構(gòu)的設(shè)備的方法，其中這些結(jié)構(gòu)具有接觸所述電極和所述結(jié)構(gòu)中的其他結(jié)構(gòu)中的至少一個的相應(yīng)的表面面積。通過響應(yīng)于所述結(jié)構(gòu)的彈性壓縮或膨脹而影響所述相應(yīng)的表面面積的變化，以及基于所述相應(yīng)的表面面積的變化提供所述結(jié)構(gòu)和電極之間電阻抗的變化來提供對壓力的電指示。

上面的討論/總結(jié)不旨在描述本公開的每個實施方式或每個實現(xiàn)。下面的附圖和具體實施方式也舉例說明了各種實施方式。

附圖說明

在考慮下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述的情況下，可以更完全地理解各種示例實施方式，其中：圖1A示出了根據(jù)示例實施方式的處于壓縮狀態(tài)的壓力感測設(shè)備；

圖1B示出了根據(jù)另一個示例實施方式的處于不同的壓縮狀態(tài)的圖1A的壓力感測設(shè)備；

圖2示出了根據(jù)另一個示例實施方式的壓力感測結(jié)構(gòu)及相關(guān)的制造；以及

圖3A-3D示出了根據(jù)另一個示例實施方式的制造結(jié)構(gòu)化薄膜的方法，其中：

圖3A是模具，

圖3B示出了具有前體的模具，

圖3C示出了凝膠，以及

圖3D示出了從模具移除的薄膜。

盡管在此討論的多種實施方式順從于修改和替代形式，但其各個方面已經(jīng)以附圖中的示例示出，并且將詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，目的不是將本發(fā)明限于所述的特定實施方式。相反，目的是覆蓋落在包括權(quán)利要求中限定的各個方面的本公開的范圍內(nèi)的所有修改、等價物及替代。此外，貫穿本申請使用的術(shù)語“示例”僅是以說明的方式，而不是限制。

具體實施方式

相信本公開的各個方面可適用于包括基于結(jié)構(gòu)之間的接觸阻抗的壓力感測的各種不同類型的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。在某些實現(xiàn)中，本公開的各個方面包含使用可容易壓縮或膨脹的結(jié)構(gòu)，諸如其中具有腔的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)便于對較小的壓力變化的高靈敏度的響應(yīng)。當(dāng)在這種壓力感測，及諸如人造皮膚、醫(yī)療裝置之類的特定應(yīng)用以及高靈敏度的壓力應(yīng)用的情況中使用時，各種實施方式被示為是有利的。盡管不必如此限制，但通過使用上下文討論示例可以理解各個方面。

某些實施方式針對具有多個結(jié)構(gòu)的材料，該多個結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的表面接觸面積(例如，在結(jié)構(gòu)和電極之間)，其相對于所述結(jié)構(gòu)接觸的表面面積的量的變化提供阻抗特性的顯著變化。例如，這些結(jié)構(gòu)操作以響應(yīng)于彈性壓縮或膨脹而影響相對于一個或多個電極的相應(yīng)的表面接觸面積的變化，并且在其中提供指示壓力的電阻抗(例如，導(dǎo)電率)的變化。在多種實現(xiàn)中，所述結(jié)構(gòu)限定便于變形的腔，諸如通過限定定義封閉腔的球體或其他形狀。這種實施方式例如可以提供導(dǎo)電率的可檢測的變化，所述導(dǎo)率的可檢測的變化主要或幾乎完全地基于由壓力的施加(或釋放)造成的變形及表面接觸面積的變化。因而這種檢測例如可以獨(dú)立于結(jié)構(gòu)本身的電介質(zhì)函數(shù)或彈性定義的變化而提供。

多種實施方式針對具有電極和多個結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，該多個結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的與彼此和/或與電極的表面接觸面積。所述結(jié)構(gòu)響應(yīng)于結(jié)構(gòu)的彈性壓縮或膨脹而影響相應(yīng)的表面接觸面積的變化，在其中提供導(dǎo)電率的變化。電極耦接(couple)導(dǎo)電率的變化，諸如用于提供變化的指示，所述變化的指示用于確定壓力或壓力變化。在一些實現(xiàn)中，經(jīng)由使用在其中具有腔或多個腔的這種結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)結(jié)構(gòu)的變形及表面接觸面積的相關(guān)變化來進(jìn)一步促進(jìn)表面接觸面積的變化。

某些示例實施方式針對可以在多種應(yīng)用中實施的壓力感測。一個或多個實施方式針對材料、傳感器、制作這種材料和/或傳感器的方法，以及壓力感測方法。在美國臨時專利申請S/N.61/917,271的附錄A和B中描述了多種這種實施方式，通過引用將其完全結(jié)合于此。因此，多種示例實施方式針對設(shè)備、系統(tǒng)、使用方法、制作方法，或解決這些挑戰(zhàn)的材料，諸如在此的權(quán)利要求、說明書或附圖中描述的那些，以及在作為基礎(chǔ)的臨時申請的一部分提交的附錄中描述的那些。

另一個實施方式針對一種使用具有電極及多個結(jié)構(gòu)的設(shè)備的方法，該多個結(jié)構(gòu)具有接觸電極和這些結(jié)構(gòu)中的其他結(jié)構(gòu)中的至少一個的相應(yīng)表面面積。通過響應(yīng)于結(jié)構(gòu)的彈性壓縮或膨脹影響相應(yīng)的表面面積的變化，以及響應(yīng)于相應(yīng)的表面面積的變化提供結(jié)構(gòu)和電極之間的導(dǎo)電率的變化來提供壓力的電指示。正如以上討論，在一些實現(xiàn)中，經(jīng)由在結(jié)構(gòu)中使用腔或多個腔，從而便于結(jié)構(gòu)的變形以及表面接觸面積的相關(guān)變化來促進(jìn)表面接觸面積的變化。

根據(jù)一個或多個特定實施方式，超靈敏的電阻壓力傳感器是基于彈性的、微結(jié)構(gòu)的(microstructured)導(dǎo)電聚合物(EMCP)薄膜。在一些實現(xiàn)中，EMCP是使用多相反應(yīng)由聚吡咯(PPy)水凝膠制備的，以產(chǎn)生空心球微結(jié)構(gòu)，該空心球微結(jié)構(gòu)賦予PPy結(jié)構(gòu)衍生(structure-derived)的彈性及低的有效彈性模量。EMCP和電極之間的接觸面積隨著壓力的施加而增加，從而使得裝置能夠以超高的靈敏度，及短的響應(yīng)時間、好的再現(xiàn)性、極好的循環(huán)穩(wěn)定性以及溫度穩(wěn)定的感測來檢測低的壓力(例如，小于1Pa的壓力)。通過將相對不可壓縮的材料形成到球形、其他形狀或波型結(jié)構(gòu)中，所得的材料可以容易地變形(例如，比用于形成結(jié)構(gòu)塊材料多100％)。將這種方法與一個或多個電極結(jié)合致使之前不可用作壓力傳感器的材料作為高響應(yīng)的壓力傳感器。

特定實施方式針對壓阻傳感器，其中有源層是導(dǎo)電且彈性的，其給予超高的靈敏度和可再現(xiàn)的感測特性。EMCP包括PPy的互連的空心球結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)通過多相合成技術(shù)制備。盡管諸如PPy之類的致密材料可能是剛硬且易碎的(例如，由于剛性共軛環(huán)主鏈(backbone))，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過形成球殼幾何形狀或產(chǎn)生腔型區(qū)域的其他幾何形狀，可以使易碎的納米結(jié)構(gòu)材料呈現(xiàn)可調(diào)的有效彈性模量，所述可調(diào)的有效彈性模量能夠經(jīng)受大的有效應(yīng)變和應(yīng)力。例如，一旦施加和釋放外部壓力(例如，如圖1A和1B所示)，包括PPy的空心球結(jié)構(gòu)可以彈性地變形和恢復(fù)，從而提升接觸穩(wěn)定性，并促進(jìn)穩(wěn)定且可再現(xiàn)的感測性能。

另一個實施方式針對包括電極和多個結(jié)構(gòu)的設(shè)備，該多個結(jié)構(gòu)具有接觸電極和這些結(jié)構(gòu)中的其他結(jié)構(gòu)中的至少一個的相應(yīng)的表面面積。所述結(jié)構(gòu)與電極一起操作，以通過響應(yīng)于結(jié)構(gòu)的彈性壓縮或膨脹而影響相應(yīng)的表面面積的變化，及響應(yīng)于相應(yīng)的表面面積的變化，通過提供所述結(jié)構(gòu)和電極之間的導(dǎo)電率的變化來提供壓力的電指示。

在一些實施方式中，至少一些結(jié)構(gòu)通過形成封圍腔的側(cè)壁來限定腔，所述腔具有體積，并且響應(yīng)于壓力的增加而壓縮，并且響應(yīng)于壓力的減少而膨脹。所述腔相對于用于形成腔的材料而促進(jìn)壓縮靈敏度的增加(例如，100倍的增加，如可以適用于感測小于大約1Pa的壓力變化)。例如可通過使結(jié)構(gòu)的表面與結(jié)構(gòu)之間的和/或結(jié)構(gòu)與電極之間的表面符合(conform)來影響電導(dǎo)(conductance)的增加。

在一些實施方式中，結(jié)構(gòu)在兩個表面之間，并且響應(yīng)于施加至表面中的一個的壓力的變化而影響相應(yīng)的表面面積的變化，從而引起結(jié)構(gòu)的壓縮或膨脹。在一些實現(xiàn)中，這兩個表面中的一個包括電極，且在其他實現(xiàn)中，這兩個表面中的另一個包括另一個電極。電極或多個電極將導(dǎo)電率的變化提供為對于一個或兩個電極的導(dǎo)電率的變化。

在另一個實施方式中，結(jié)構(gòu)位于兩個表面之間，并且響應(yīng)于施加至表面中的一個的壓力的變化而影響相應(yīng)表面面積的變化，從而造成結(jié)構(gòu)的壓縮或膨脹，其中兩個表面中的一個包括電極，且其中兩個表面中的一個包括另一個電極(例如，一個表面可以包括兩個電極)。電極和結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電率的變化提供為電極之間的導(dǎo)電率的變化。

在一些實施方式中，結(jié)構(gòu)通過彈性地壓縮來響應(yīng)于壓力的增加，并且經(jīng)由彈性壓縮，通過增加結(jié)構(gòu)和電極之間的表面面積接觸來提供電導(dǎo)的增加。結(jié)構(gòu)通過彈性地膨脹來響應(yīng)于壓力的減少，并且經(jīng)由彈性膨脹，通過減少結(jié)構(gòu)和電極之間的表面面積接觸來提供電導(dǎo)的減少。

在一些實施方式中，結(jié)構(gòu)以未壓縮模式操作，其中所述結(jié)構(gòu)具有與其他結(jié)構(gòu)和/或電極的表面符合的第一量的表面面積，該第一量的表面面積在所述結(jié)構(gòu)和電極之間提供第一電導(dǎo)。結(jié)構(gòu)以壓縮模式操作，其中所述結(jié)構(gòu)具有與其他結(jié)構(gòu)和/或電極的表面符合的第二量的表面面積，該第二量的表面面積大于第一量的表面面積，并且在第一電極和第二電極之間提供大于第一電導(dǎo)的第二電導(dǎo)。

如利用在此的多種實施方式討論的腔可以以多種方式實現(xiàn)。在一些實現(xiàn)中，至少一些結(jié)構(gòu)限定腔，其中這些腔中的至少一個腔相對于這些腔中的至少另一個腔在尺寸上是不同的。這些腔可以填充有氣體，或者通?？梢詻]有材料。例如，所述結(jié)構(gòu)可以包括限定腔的聚合物膜。

某些實施方式針對包含傳感器的類似繃帶的無源或有源無線裝置，諸如在此描述的。該裝置例如可以由腕帶式裝置供電，并且收集傳感器數(shù)據(jù)。

多種其他實施方式針對通過形成空心球微結(jié)構(gòu)來將彈性給予剛性導(dǎo)電聚合物。多個方面針對使用多相合成方法來形成這些微結(jié)構(gòu)。將容易的溶液凝膠合成用于通過澆鑄來制造及圖形化大面積EMCP薄膜。使用這種方法，可以形成互連的空心球結(jié)構(gòu)，從而允許導(dǎo)電聚合物(例如，PPy)在外部壓力施加及釋放時彈性地變形及恢復(fù)。例如可以實施這種方法，以提供基于可通常獨(dú)立于塊壓阻效應(yīng)的接觸電阻機(jī)制的電阻壓力傳感器，并且實現(xiàn)高靈敏度、低閾值、低滯后、極好的循環(huán)性能以及溫度穩(wěn)定的感測。

在一些實施方式中，通過圖形化具有空心球微結(jié)構(gòu)的EMCP薄膜的表面來形成采用上述材料的壓力傳感器。這種方法可以在低壓力區(qū)域(＜30Pa)中給予近似56.0-133.1kPa^-1或更高的靈敏度，其可被用于感測低壓變化(例如，0.8Pa的)。

多種實施方式指向針對以下方面中的一個或多個的設(shè)備、系統(tǒng)、使用方法、制作方法或材料，如可以單獨(dú)地或聯(lián)系在本專利文件中討論和/或示出的下面方面或其它實施例中的一個或多個實現(xiàn)的：

壓力感測；

電子皮膚裝置；

可以模擬和/或超越自然皮膚的精細(xì)壓力感測性質(zhì)的壓力傳感器；

彈性的、微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物薄膜；

使用多相反應(yīng)經(jīng)由PPy水凝膠形成的結(jié)構(gòu)，該多相反應(yīng)產(chǎn)生空心球微結(jié)構(gòu)，其賦予PPy結(jié)構(gòu)衍生的彈性及低有效彈性模量；

小于1Pa的壓力變化的接觸面積壓力感測；

具有短的響應(yīng)時間、良好的再現(xiàn)性、極好的循環(huán)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定的感測中的一個或多個的壓力感測；

壓阻傳感器；

具有有源層的傳感器，該有源層是導(dǎo)電且彈性的，并且賦予超高的靈敏度和可再現(xiàn)的感測特性；以及

對諸如從大約-10℃至100℃的范圍間的溫度變化不敏感的壓力傳感器；以及

經(jīng)由具有材料的外壁且在其中限定腔的結(jié)構(gòu)的多相生成，致使呈現(xiàn)低壓阻的硬且脆的材料可實現(xiàn)為能夠經(jīng)受大的有效應(yīng)變和應(yīng)力的可調(diào)諧壓阻感測裝置(例如，具有響應(yīng)于大于低壓阻至少100倍的壓力的壓阻靈敏度)。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1A和1B示出了根據(jù)另一個示例實施方式的處于相應(yīng)的壓縮狀態(tài)的壓力感測設(shè)備100。該設(shè)備包括可壓縮的結(jié)構(gòu)，包括在兩個結(jié)構(gòu)120和130之間通過舉例方式標(biāo)記的結(jié)構(gòu)110。這些表面120和130中的一個或兩個是導(dǎo)電的，并且起到電極的作用。這些可壓縮的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電的，并且操作以響應(yīng)于施加于表面120和130中的一者或兩者的壓力而壓縮/變形。在一些實施方式中，設(shè)備100還包括電路140，該電路可操作以檢測與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的接觸面積的變化相關(guān)的阻抗變化(以示例的方式表示為檢測跨表面120和130的變化)。

具體地參照圖1B，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)響應(yīng)于所施加的壓力而變形，以增加結(jié)構(gòu)與表面120和130之間的表面接觸面積的方式，由此提供與電極的表面接觸面積的增加。這種表面接觸面積的增加被提供為電阻抗型變化，該電阻抗型變化可被檢測，并且被用于表征導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)的量。該偏轉(zhuǎn)連同結(jié)構(gòu)的已知特性一起被用于表征表面120和130中的一者或兩者上的壓力的量。通過示例的方式，在圖1B中示出設(shè)備100，其中壓力被施加于上表面120，且下表面130是固定的。所得的經(jīng)由導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(包括110)所形成的導(dǎo)電通路的跨表面120和130的導(dǎo)電率的變化受與表面的接觸面積的影響。

設(shè)備100以多種實施方式實現(xiàn)，以適應(yīng)特定的應(yīng)用，并且可以被相應(yīng)地修改。例如，包括結(jié)構(gòu)110的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可以以壓敏膜來實現(xiàn)。電極可以以表面中的一者或兩者來實現(xiàn)(例如，其中每個表面包括電極，或者其中表面中的一個包括一個以上的電極)。膜和一個或多個電極之間的相互作用可被檢測，并且被用于表征壓力。進(jìn)一步，設(shè)備100可以在多種壓力傳感器(諸如圖3中所示的那個)中使用。

圖2示出了根據(jù)另一個示例實施方式的壓力感測結(jié)構(gòu)及相關(guān)的制造。通過混合和澆鑄雙組分PPy凝膠前體，產(chǎn)生導(dǎo)電結(jié)構(gòu)以形成EMCP薄膜。多相反應(yīng)機(jī)理被用于實現(xiàn)空心球形態(tài)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其中以示例的方式在溶液中示出結(jié)構(gòu)210且在最終產(chǎn)品中示出所得的空心球結(jié)構(gòu)220。

在一些實現(xiàn)中，將氧化試劑的水溶液與包含吡咯單體、異丙醇和植酸的混合物的溶液混合。植酸分子在反應(yīng)中用作摻雜劑和交聯(lián)劑(例如，與在前面參考的臨時申請中討論的一個或多個方法一致)。由于有機(jī)組分和水組分之間的相分離，一旦混合會形成乳液，如在插圖230處用水相組分232和有機(jī)組分234表示的。利用PPy的聚合，溶液經(jīng)歷從淺棕色(植酸的顏色)到黑色(PPy的顏色)的顏色變化，并且膠凝(例如，在近似3s中)。在與去離子水交換雜質(zhì)之后，由PPy凝膠形成水凝膠。這種容易的溶液凝膠機(jī)理可被用于利用澆鑄工藝制作大面積薄膜(例如，如255cm²一樣大或大于255cm²)，并且其可以采用刮涂或其他大面積涂布方法。

所得的結(jié)構(gòu)是三維(3D)多孔泡沫的干燥PPy膜。PPy泡沫包括互連的球，所述互連的球可以呈現(xiàn)從幾百納米到幾微米范圍的多分散直徑，以及近似50nm的薄殼厚度。在室溫下使用標(biāo)準(zhǔn)的四點探針方法可以實現(xiàn)大約0.5S·cm^-1的導(dǎo)電率。可通過選擇不同的溶劑(諸如包括l-丁醇、t-丁醇、s-丁醇和t-戊醇)來制備具有不同直徑、尺寸分散和殼厚度的空心球和/或?qū)嵭那虻腜Py薄膜，如可以在下面的臨時申請中表征的。

圖3A-3D示出了根據(jù)另一個示例實施方式的用于制造結(jié)構(gòu)化膜的方法。在圖3A，提供具有相反特征的模具300，且在圖3B，模具被填充有前體310。前體例如可以被澆鑄在模具300中，并且采用在其中的相反特征的形狀。在圖3C，前體已被用于影響PPy水凝膠膠凝，從而形成結(jié)構(gòu)化膜320。在圖3D，結(jié)構(gòu)化膜320已經(jīng)被從模具300去除，并且可被相應(yīng)地實施。結(jié)構(gòu)化膜320包括可壓縮特征，諸如在圖1A和1B中所示的那些，其可被實現(xiàn)為固體，具有如在此表征的腔或兩者。當(dāng)膜320被壓縮時，其中的結(jié)構(gòu)關(guān)于膜與導(dǎo)電表面的接觸在表面面積方面改變，這改變膜和表面之間的阻抗，且在其中提供可檢測的電特性。這些電特性隨后可被用于識別或以其它方式表征在膜320上引起壓縮的壓力或力。

下面的討論可以聯(lián)系一個或多個實驗型實施方式，且以其它方式聯(lián)系在此描述的實施方式(諸如在形成或使用上述設(shè)備中)來實施。

在各種實施方式中，具有其中有腔的結(jié)構(gòu)部件的PPy膜呈現(xiàn)壓縮應(yīng)力(σ，所施加的力除以膜面積)，作為應(yīng)變(ε，所壓縮的距離除以膜厚度)的函數(shù)，其中最大σ和ε的值分別是近似20kPa和14％。有效彈性模量(E_eff)是應(yīng)力對應(yīng)變曲線圖的斜率，其受EMCP的材料性質(zhì)、形態(tài)和粗糙度的影響。EMCP呈現(xiàn)一E_eff，該E_eff在低壓力下為低，并且隨著壓縮增加。E_eff在5kPa下是0.19MPa，其可類似于低模量彈性體，諸如聚二甲基硅氧烷。由密度標(biāo)準(zhǔn)化的E_eff近似是1.11Mpa cm³g^-1(在5kPa下)，其可以低于基于聚合物和碳納米管的泡沫的模量的值。在一些實現(xiàn)中，可以實施“預(yù)處理”步驟，在此期間，施加較大的力，使得隨后的性能是可再現(xiàn)的。

可以將機(jī)械性質(zhì)和電性質(zhì)中的滯后量化為加載和卸載曲線之間的最大差異除以全標(biāo)度輸出。在一些實現(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)EMCP的滯后在20kPa的最大壓力下是～11.0％(例如，如在上面參考的臨時申請的附錄B的圖S6中的)。可以在較低的所施加應(yīng)變下降低滯后，從而證明傳感器在低壓力區(qū)域中的有效性。機(jī)械性質(zhì)中的滯后由材料的粘彈性造成，其可以使用動態(tài)機(jī)械分析(DMA)來表征。在25℃下進(jìn)行的DMA測量在從0.1Hz至200Hz的頻率范圍上(如在上面參考的附錄B的圖S7中的)。存儲和損耗模量類似于在軟聚合物泡沫中所觀察的。損耗正切可以被定義為損耗模量除以存儲模量，并且可被用作滯后的測度。貫穿所測量的頻率范圍，損耗正切從～0.1變到0.2，這與從應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)提取的11.0％的滯后值一致。

在特定實施方式中，通過將膜夾在銅箔和氧化銦錫(ITO)涂布的導(dǎo)電柔性聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)板之間來將EMCP膜組裝到電阻型壓力傳感器中(例如，到大約1cm²尺寸的方形、壓敏墊中)，具有如可聯(lián)系上面參考的臨時專利申請的附錄A的圖2B實現(xiàn)的示例性響應(yīng)?？梢詫毫`敏度S定義為電阻對壓力的斜率(S＝dR/dp)，其中R指示電阻，且P指示所施加的壓力。電阻對壓力曲線揭示了靈敏度對壓力的類似冪定律依賴性。在＜100Pa的壓力范圍，該裝置展現(xiàn)近似7.7-41.9kPa^-1的超高靈敏度。在壓力＞1kPa下，靈敏度下降到＜0.4kPa^-1。Log R對log P和log S對log P的依賴性在延伸到100kPa的寬壓力范圍上是線性的(例如，如在上述附錄B中的圖S9中所示的)。各種實現(xiàn)提供S和P之間的恒定數(shù)學(xué)冪定律關(guān)系，其中S的漸進(jìn)減少促進(jìn)在非常低的負(fù)載下的超高靈敏度，以及在較高負(fù)載下的大范圍的可檢測的壓力(對此不需要高的靈敏度)?？商峁ν獠考虞d和卸載的立即響應(yīng)，其中響應(yīng)和松弛時間快于～50ms。

聯(lián)系多種實施方式，已經(jīng)認(rèn)識/發(fā)現(xiàn)，可主要通過接觸電阻機(jī)理操作在此表征的各種壓力傳感器，其中壓阻源自在諸如EMCP膜之類的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和電極表面的凹凸體(asperities)之間的離散點處的物理接觸。

在多種實現(xiàn)中，通過與在此的一個或多個實施方式一致的裝置提供log R和log P之間的反線性關(guān)系，與接觸電阻方程一致：

R_c＝{ρ²ηπH/4F}^1/2 (1)

其中R_c指示接觸電阻，ρ是電阻率，且η是順序統(tǒng)一(order unity)的經(jīng)驗系數(shù)，H是材料的硬度，且F是負(fù)載?？梢酝ㄟ^從表面突出的凹凸體的物理接觸及在此表征的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的相關(guān)變形來設(shè)置此接觸面積。EMCP設(shè)備和電極之間的接觸面積與負(fù)載成正比，并且獨(dú)立于可視面積(apparent area)，從而使得能夠感測施加的壓力。這種EMCP薄膜的球形凹凸體緊密地類似于接觸電阻的理論模擬中所使用的幾何模型，從而導(dǎo)致在log R和log P之間的幾乎完美的反線性關(guān)系。在多種實現(xiàn)中，在此使用的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和電極之間的界面的粗糙度被用于設(shè)置或調(diào)諧壓力感測。

如根據(jù)此處的實施方式所注意的使用物理接觸來設(shè)置阻抗特性可被用于提供不受熱膨脹影響的感測特性。在包含PPy的某些實施方式中，通過使用非揮發(fā)性的摻雜劑來增強(qiáng)溫度穩(wěn)定性，所述非揮發(fā)性的摻雜劑可以在100℃以上的溫度下提供穩(wěn)定的導(dǎo)電率。在一些實現(xiàn)中，植酸(高分子量非揮發(fā)性摻雜劑，MW＝660.4g·mol^-1)促進(jìn)溫度穩(wěn)定性。在某些實現(xiàn)中，交聯(lián)效應(yīng)諸如通過使植酸分子與一個以上的PPy鏈相互作用來提升溫度穩(wěn)定性。還可以使用植酸摻雜劑和/或封裝來增強(qiáng)時間上的設(shè)計穩(wěn)定性。

在一些實施方式中，通過圖形化EMCP薄膜的表面來適應(yīng)微結(jié)構(gòu)策略來提高如在此表征的壓力傳感器的靈敏度，諸如在Mannsfeld，S.C.B.等人的“Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers(具有微結(jié)構(gòu)化的橡膠介電層的高度靈敏的柔性壓力傳感器)”Nat.Mater.9，859-864(2010)中所描述的，其通過引用完全結(jié)合于此?？梢酝ㄟ^在膠凝之前將表面拓?fù)?例如，具有0.5mm高度和1mm寬度的三角形橫截面輪廓的線)模制到PPy膜上來制作微結(jié)構(gòu)化表面，諸如在此處的圖3A-D中和/或上述附錄A的圖3a中所示出的。PPy水凝膠在晶片模具的全尺寸上規(guī)則地且均勻地復(fù)制微結(jié)構(gòu)。附錄A中的圖3b舉例說明了對這種圖形化的EMCP裝置的壓力的壓阻響應(yīng)。在一些實施方式中，在低壓力區(qū)域(＜30Pa)中實現(xiàn)近似56.0-133.1kPa^-1的靈敏度。在某些實施方式中，使用彈性間隔物控制封裝裝置中兩個電極之間的接觸來保持高靈敏度，其中間隔物諸如絕緣聚合物條、點或網(wǎng)。在其他實施方式中，通過給予電極表面高粗糙度來實現(xiàn)高靈敏度，以在較大的壓力范圍上保持高靈敏度，使得小的預(yù)載將不會有害于裝置感測性質(zhì)，和/或感測層(諸如PPy層)的微結(jié)構(gòu)化。

在某些人機(jī)界面應(yīng)用中，將傳感器依比例縮放到幾個像素的陣列配置，以收集空間解析的壓力信息。這種壓力傳感器的矩陣展示了在人-電子器件界面和電子皮膚裝置中應(yīng)用我們的傳感器網(wǎng)絡(luò)的可能性。

可以使用多種方法制造聯(lián)系一個或多個實施方式使用的材料。在某些實施方式中，將0.274g(1.2毫摩爾)質(zhì)量的過硫酸銨(Aldrich)溶解在0.5mL DI水中，以用于第一溶液A。通過在0.5mL異丙醇中混合84μL吡咯(99％，Aldrich)，而后混入0.184mL植酸(50％，在水中的重量百分比，Aldrich)來制備第二溶液B。使用干冰將反應(yīng)瓶和A/B溶液迅速冷卻到大約4℃。隨后將A和B溶液快速混合，澆鑄成皮氏培養(yǎng)皿，并且被允許反應(yīng)2小時。為了去除過量的離子、酸和副產(chǎn)物，通過順序浸入過量的乙醇(12小時)和DI水(24小時)中來進(jìn)一步純化PPy凝膠薄膜。PPy膜在真空下在60℃下干燥，并且通過添加DI水被再水化以形成水凝膠。通過在周圍環(huán)境下干燥3天來制備脫水PPy膜。通過將混合的前體溶液澆鑄到具有1-mm周期和0.5-mm高度凸起的PDMS模具上來制備圖形化的PPy膜。在凝固后剝離圖形化的PPy水凝膠。

在一些實現(xiàn)中，通過將EMCP膜夾在銅箔和氧化銦錫(ITO)涂布的導(dǎo)電柔性聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)板中間來將它們組裝到電阻型壓力傳感器中。方形壓敏墊的尺寸可以是1cm²。用于循環(huán)和溫度依賴的測試的裝置可被封裝在PET封圍中。ITO可被用于用于溫度依賴實驗的裝置中的兩個電極，以避免銅電極的大的熱膨脹效應(yīng)。

可以實施各種框、模塊或其他電路，以執(zhí)行在此描述的和/或在附圖中所示的操作和活動中的一個或多個。在上下文中，“框”(有時也叫“邏輯電路”或“模塊”)是執(zhí)行這些或相關(guān)的操作/活動(例如，耦合傳感器信號、耦合多個傳感器，或處理來自傳感器或多個傳感器的一個或多個輸出)中的一個或多個的電路。例如，在此處的某些實施方式中，一個或多個模塊是配置和布置用于實現(xiàn)這些操作/活動的離散的邏輯電路或可編程的邏輯電路，如在耦合到如圖所示的傳感器的電路模塊中。在某些實施方式中，這種可編程電路是被編程以執(zhí)行一組(或多組)指令(和/或配置數(shù)據(jù))的一個或多個計算機(jī)電路。所述指令(和/或配置數(shù)據(jù))可以是存儲在存儲器(電路)中且可從該存儲器(電路)訪問的固件或軟件形式。例如，第一和第二模塊包括基于CPU硬件電路和固件形式的一組指令的組合，其中第一模塊包括具有一組指令的第一CPU硬件電路，且第二模塊包括具有另一組指令的第二CPU硬件電路。這種操作例如可以在多種應(yīng)用諸如用于電子皮膚和多種其他壓力傳感器中執(zhí)行，以及在包括例如工業(yè)應(yīng)用、實驗應(yīng)用、分析應(yīng)用和修復(fù)學(xué)的多種應(yīng)用中執(zhí)行。

某些實施方式針對計算機(jī)程序產(chǎn)品(例如，非易失性存儲裝置)，其包括在其上存儲有指令的機(jī)器或計算機(jī)可讀介質(zhì)，所述指令可由計算機(jī)(或其他電子裝置)執(zhí)行以執(zhí)行這些操作/活動。

基于上面的討論和說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識到：可以對多種實施方式進(jìn)行多種修改和改變，而無需嚴(yán)格遵循在此說明和描述的示例性實施方式和應(yīng)用。例如，可以組合多種不同的傳感器，并且多種類型的傳感器結(jié)構(gòu)(例如，形成腔的)可被用于不同的實現(xiàn)或被組合?？梢酝ㄟ^調(diào)整化學(xué)合成法來修改腔的結(jié)構(gòu)，以便針對特定應(yīng)用優(yōu)化導(dǎo)電率或機(jī)械性質(zhì)?？梢孕薷臍さ暮穸群碗姌O的總厚度，以調(diào)整導(dǎo)電率和壓力響應(yīng)范圍。此外，在此描述的多種實施方式(包括附錄中的那些)可以在某些實施方式中組合，并且各個實施方式的多個方面可以作為單獨(dú)的實施方式實施。這種修改不背離本發(fā)明不同方面(包括權(quán)利要求書中所闡述的方面)的真實精神和范圍。