本申請(qǐng)要求于2015年8月31日提交的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.10-2015-0122502的權(quán)益，其全部公開(kāi)通過(guò)引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本文所描述的各個(gè)實(shí)施例總體上關(guān)于基于離子型彈性體的電容式觸覺(jué)傳感器和制造其的方法。

背景技術(shù)：

最近，隨著電子數(shù)據(jù)設(shè)備的迅速發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)通信設(shè)備和移動(dòng)智能設(shè)備已經(jīng)迅速地普及。下一代電子系統(tǒng)被期望發(fā)展達(dá)到它們可以被附著于或插入到人體中而超出僅是可移動(dòng)的程度。具體地，能夠彎曲、延伸和附著于人的皮膚或身體或彎曲部(例如關(guān)節(jié))的人造電子皮膚或觸覺(jué)傳感器正引起注意。

同時(shí)，觸覺(jué)傳感器被分類(lèi)為兩種類(lèi)型：一種類(lèi)型使用取決于變形的電阻變化(壓阻效應(yīng))，以及另一種類(lèi)型使用取決于由于外部壓力引起的在電極之間的間隙的變化的靜電電容變化。通常，觸覺(jué)傳感器通過(guò)硅半導(dǎo)體工藝來(lái)制造。通過(guò)硅半導(dǎo)體工藝，可以形成微通道并且可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率。而且，通過(guò)該硅半導(dǎo)體工藝而制造的傳感器的性能相對(duì)地高。此外，如果一起使用已經(jīng)確立的半導(dǎo)體CMOS技術(shù)，則通過(guò)將電容器、解碼器等嵌入在觸覺(jué)傳感器中可以解決復(fù)雜的信號(hào)處理問(wèn)題。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但是由于硅材料具有低耐久性并且不是柔性的，從而將硅傳感器附著于彎曲表面已經(jīng)是不可能的。

為了解決上述問(wèn)題，已經(jīng)進(jìn)行了許多積極的研究以通過(guò)使用各種材料來(lái)提高觸覺(jué)傳感器的耐久性以及開(kāi)發(fā)能夠感測(cè)甚至非常精細(xì)的壓力/張力的材料。開(kāi)發(fā)這樣的材料被認(rèn)為是具有對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域(例如人造電子皮膚、觸覺(jué)傳感器、人造假體、機(jī)器人學(xué)、醫(yī)療設(shè)備等)的廣范圍應(yīng)用的核心技術(shù)。

就這一點(diǎn)而言，國(guó)際專(zhuān)利公布號(hào)WO2013/044226(題為“Artificial skin and elastic strain sensor”(人造皮膚和彈性應(yīng)變傳感器))描述使用彈性應(yīng)變傳感器的技術(shù)，該彈性應(yīng)變傳感器配備有電極和具有至少兩個(gè)通道和應(yīng)變軸的彈性部件以檢測(cè)和追蹤支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。在這項(xiàng)技術(shù)中，彈性應(yīng)變傳感器被配置為檢測(cè)當(dāng)壓力被施加到彈性部件時(shí)、隨通道的橫截面的改變而改變的電阻。

然而，因?yàn)檫@樣的人造皮膚僅僅測(cè)量由外部壓力引起的彈性部件的變形，因而電阻僅能夠在受限的壓力范圍內(nèi)被靈敏地檢測(cè)。為了檢測(cè)所有的壓力范圍，針對(duì)單個(gè)壓力范圍需要使用不同的設(shè)備結(jié)構(gòu)。因此，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高集成度時(shí)存在限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，示例實(shí)施例提供作為單個(gè)傳感器、能夠通過(guò)復(fù)制人體的梅克爾(Merkel)細(xì)胞靈敏地檢測(cè)所有壓力范圍的基于離子型彈性體的電容式觸覺(jué)傳感器。

然而，通過(guò)本公開(kāi)力圖解決的問(wèn)題未被限制于上述描述，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以從下面描述中清楚地理解其他問(wèn)題。

根據(jù)示例實(shí)施例，提供一種電容式觸覺(jué)傳感器。該設(shè)備可以包括：第一電極；形成在第一電極的上表面上的活性層；以及形成在活性層的上表面上的第二電極。在本文中，活性層由離子型彈性體構(gòu)成，并且在活性層內(nèi)的有效離子的濃度通過(guò)外部壓力而被調(diào)整。

根據(jù)另一示例實(shí)施例，提供一種制造電容式觸覺(jué)傳感器的方法。該方法可以包括：在第一襯底的上表面上形成第一電極；在第一電極的上表面上形成活性層；在活性層的上表面上形成第二電極；以及將第二襯底放置在第二電極的上表面上。在本文中，活性層由離子型彈性體構(gòu)成，并且在活性層內(nèi)的有效離子的濃度通過(guò)外部壓力而被調(diào)整。

根據(jù)示例實(shí)施例，電容式觸覺(jué)傳感器具有復(fù)制梅克爾細(xì)胞的工作原理的效果。

此外，在由示例實(shí)施例提出的電容式觸覺(jué)傳感器中，因?yàn)閱蝹€(gè)傳感器對(duì)于所有的壓力范圍靈敏地作出反應(yīng)，所以示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器可適用于各種各樣的領(lǐng)域，例如觸覺(jué)顯示、電子皮膚等。

上述概述僅僅是說(shuō)明性的并且并不意圖以任何方式限制。除了上述所描述的說(shuō)明性方面、實(shí)施例和特征，進(jìn)一步的方面、實(shí)施例和特征將通過(guò)參考附圖和下面詳細(xì)描述而變得明顯。

附圖說(shuō)明

在下文的詳細(xì)描述中，實(shí)施例僅被描述為例證，因?yàn)閺南旅娴脑敿?xì)描述中各種改變和修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)變得明顯，在不同的附圖中同樣的參考數(shù)字的使用指示相似的或相同的項(xiàng)目。

圖1A至圖1F是提供在電容式觸覺(jué)傳感器和Merkel細(xì)胞中的離子交換原理的比較的概念示圖；

圖2A和圖2B是圖示包含在熱塑性聚氨酯(TPU)和在示例實(shí)施例中所使用的離子液體中的離子的示例的示圖；

圖3A和圖3B是圖示根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的工作原理的概念示圖；

圖4A至圖4D是圖示根據(jù)另一示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的工作原理的概念示圖；

圖5是用于描述根據(jù)示例實(shí)施例的、電容式觸覺(jué)傳感器的制造方法的流程圖；

圖6是用于描述根據(jù)另一示例實(shí)施例的、支柱結(jié)構(gòu)的制造方法的概念示圖；

圖7是示出根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的與壓力有關(guān)的電容變化的測(cè)量結(jié)果的圖表；

圖8A至圖8C是示出根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的性能的測(cè)試結(jié)果的圖表；

圖9A至圖9D是示出根據(jù)示例實(shí)施例的、通過(guò)使用電容式觸覺(jué)傳感器來(lái)測(cè)量各種外部壓力的結(jié)果的圖表。

具體實(shí)施方式

在下文中，將通過(guò)參考附圖來(lái)詳細(xì)地描述示例實(shí)施例，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易地實(shí)施發(fā)明構(gòu)思。然而，應(yīng)當(dāng)理解本公開(kāi)不限于示例實(shí)施例而是可以以各種其他方式實(shí)現(xiàn)。在附圖中，省略了與描述不直接相關(guān)的某些部分以加強(qiáng)附圖的清楚度，在全文中，同樣的參考數(shù)字表示同樣的部件。

在全文中，術(shù)語(yǔ)“連接到”或“耦接到”被用于指定一個(gè)元件到另一個(gè)元件的連接或耦接，并且包括如下兩種情形：一種情形是其中一個(gè)元件被“直接地連接或耦接到”另一元件，另一種情形是其中元件經(jīng)由又一元件被“電子地連接或耦接到”另一元件。此外，在全文中，文檔中所使用的術(shù)語(yǔ)“包含或包括”意味著除了所描述的部件、步驟、操作和/或元件之外不排除還有一個(gè)或多個(gè)其他的部件、步驟、操作、和/或元件的存在或附加。

通常，在人類(lèi)指尖處的皮膚利用大約40μm的空間分辨率以10kPa到40kPa的壓力級(jí)感覺(jué)在其表面處的紋理和溫度。相應(yīng)地，假定人類(lèi)指尖具有大約1厘米*1厘米的面積，檢測(cè)壓力的傳感器的數(shù)量是62,500個(gè)，以及單個(gè)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量壓力并且將測(cè)量值發(fā)送給大腦。

人類(lèi)皮膚由具有從0.1毫米到0.3毫米的范圍的厚度的上皮、在上皮下存在的真皮、以及皮下脂肪構(gòu)成。能夠檢測(cè)各個(gè)物理量的受體存在于上皮和真皮中。通過(guò)這些受體檢測(cè)在人體中的各個(gè)部分處以及來(lái)自外面的刺激。受體將檢測(cè)到的化學(xué)能或光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且將電信號(hào)發(fā)送給中樞神經(jīng)系統(tǒng)。這里，不同種類(lèi)的受體檢測(cè)不同的感官。

作為示例，檢測(cè)觸覺(jué)感官的代表性受體包括Meissner小體、Merkel受體、Pacinian小體、Ruffini小體等。Meissner小體檢測(cè)皮膚移動(dòng)最佳，并且在上皮和真皮之間存在的Merkel受體對(duì)皮膚按壓感覺(jué)作出反應(yīng)最佳，以及承擔(dān)識(shí)別振動(dòng)的一部分功能。Pacinian小體位于皮膚的最深位置處并且識(shí)別移動(dòng)、精細(xì)的接觸以及精細(xì)的振動(dòng)。此外，Ruffini小體位于皮膚的深位置處、具有紡錘結(jié)構(gòu)并且檢測(cè)壓力和溫度變化。

從觸覺(jué)傳感器的角度來(lái)看，人類(lèi)皮膚具有這樣的結(jié)構(gòu)，在其中測(cè)量單個(gè)物理量的有源傳感器(例如受體、神經(jīng)元)被嵌入在具有粘彈性的材料(例如真皮)中。

就這一點(diǎn)而言，示例實(shí)施例提供一種基于彈性體的電容式觸覺(jué)傳感器，其能夠通過(guò)在存在于人類(lèi)皮膚的各種受體之內(nèi)復(fù)制在觸敏部分處聚集的Merkel細(xì)胞而靈敏地檢測(cè)所有壓力范圍。在下文中，將通過(guò)參考附圖來(lái)詳細(xì)描述被設(shè)計(jì)用于復(fù)制Merkel細(xì)胞的電容式觸覺(jué)傳感器。

圖1A至圖1F是提供在Merkel細(xì)胞和根據(jù)本示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器中的離子交換原理的比較的概念示圖。

圖1A是圖示人類(lèi)皮膚的真皮的示圖；圖1B，圖示在施加外部刺激之前在真皮內(nèi)的Merkel細(xì)胞的狀態(tài)的示圖；以及圖1C，圖示當(dāng)施加外部刺激時(shí)在Merkel細(xì)胞內(nèi)部和外部的離子濃度變化的示圖。

從圖1A至圖1C中可以看出，Merkel細(xì)胞內(nèi)的封閉通道通過(guò)外部刺激而被打開(kāi)，并且離子擠壓從Merkel細(xì)胞的外部向其內(nèi)部發(fā)生。

此時(shí)，在Merkel細(xì)胞內(nèi)存在的通道是壓電型機(jī)械感應(yīng)離子通道組件2(Piezo2)，并且被細(xì)胞膜的物理刺激激活。相應(yīng)地，如果機(jī)械感應(yīng)離子通道被機(jī)械刺激激活，則陽(yáng)離子的滲透性增加并且薄膜去極化發(fā)生。因此，物理刺激被轉(zhuǎn)換至受體電勢(shì)并且信號(hào)被發(fā)送給中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

圖1D至圖1F是圖示根據(jù)本示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的概念示圖。如圖1D所示，根據(jù)本示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器包括活性層300、形成在活性層300下的第一電極200、以及形成在活性層300上的第二電極400?；钚詫?00由離子型彈性體構(gòu)成。本文，活性層300的形狀不被特別限制。舉例來(lái)說(shuō)，如圖1E和1F所示，活性層可以具有矩形形狀或可以具有半球狀形狀。

圖1E圖示具有半球狀形狀的活性層300。具體地，圖1E描繪在施加刺激之前活性層300和第二電極400的狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，活性層300包括陽(yáng)離子、陰離子、硬鏈段310和軟鏈段320。這里，鏈段分割活性層300的里面并且隔離離子。此外，形成在活性層300上的第二電極400在施加刺激之前是帶負(fù)電荷的。

根據(jù)示例實(shí)施例的活性層可以通過(guò)使用熱塑性聚氨酯(TPU)和離子液體(IL)的基體溶液(IL/TPU)形成。

圖2A和圖2B分別地圖示熱塑性聚氨酯和包含在示例實(shí)施例中所使用的離子液體中的離子的示例。具體地，圖2A圖示熱塑性聚氨酯的結(jié)構(gòu)，以及圖2B圖示包含在離子液體中的離子的示例。在圖2A和圖2B中，X代表鹵素原子，以及R表示烷基。

如圖2A和2B所示，熱塑性聚氨酯一般地為分段型嵌段共聚物(segmented block copolymer)，包括作為剛性分子鏈的硬鏈段和具有柔性結(jié)構(gòu)的軟鏈段。

硬鏈段具有比室溫高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。相應(yīng)地，通過(guò)結(jié)晶、氫鍵結(jié)合、或者通過(guò)范德華力結(jié)合在具有玻璃特性的硬鏈接之間形成物理橋接點(diǎn)。同時(shí)，軟鏈段具有比室溫低的玻璃溫度。相應(yīng)地，軟鏈段用來(lái)增加針對(duì)具有橡膠特性的彈性體需要的重要的特性，即，高延性、高彈性、高彈性恢復(fù)率等等。如果將外力施加到這些鏈段，不僅鏈段的定向可以改變，而且其中結(jié)構(gòu)也可以改變。

返回參考圖1F，當(dāng)以從第二電極400到活性層300的方向從外面施加刺激(壓力)時(shí)，由柔性的離子型彈性體構(gòu)成的活性層300通過(guò)外部刺激而變形。半球活性層300的上端被發(fā)現(xiàn)當(dāng)其與第二電極400接觸時(shí)，通過(guò)施加到其的壓力而變形。

此時(shí)，當(dāng)活性層300的上端接觸第二電極時(shí)，活性層內(nèi)的陽(yáng)離子移動(dòng)到帶負(fù)電荷的第二電極300的附近。這意味著在活性層和電極的接口處引入了雙電層(EDL)。此外，分割活性層300內(nèi)部的鏈段的形狀被改變，并且鏈段內(nèi)被隔離的離子被釋放出來(lái)。該現(xiàn)象與在圖1C中當(dāng)Merkel細(xì)胞接收刺激時(shí)打開(kāi)Piezo2通道并且離子被擠入通道的現(xiàn)象相似。

圖3A和圖3B是示意地圖示根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的構(gòu)造和工作原理的示圖。

圖3A和圖3B圖示在活性層具有矩形形狀的情形下、在施加壓力之前和之后的狀態(tài)。

首先，參考圖3A，電容式觸覺(jué)傳感器包括第一襯底100、第一電極200、活性層300、第二電極400和第二襯底500。此外，雖然未示出，但該觸覺(jué)傳感器還可以包括控制器，其被配置為檢測(cè)形成在第一電極200和第二電極400之間的電容，以及基于電容檢測(cè)外部壓力。

取決于用戶(hù)的目的，活性層300和第二電極400可以被配置為從一開(kāi)始就彼此接觸，或者可以以預(yù)設(shè)距離彼此間隔開(kāi)，而不是彼此接觸。

如上述圖1E所示，活性層300包括鏈段，以及鏈段對(duì)活性層300的內(nèi)部進(jìn)行分割并且捕獲其中一定濃度的離子。

因?yàn)榛钚詫?00具有彈性，因此當(dāng)壓力被施加到它時(shí)，它如所示圖示被縮短。如果活性層300被外部壓力縮短，活性層300內(nèi)的鏈段的形狀被改變，以及限制在鏈段中的離子被釋放出鏈段而進(jìn)入活性層300。因此，增加了有助于活性層300內(nèi)的電容值的有效離子的濃度。

圖4A至圖4D是圖示根據(jù)第二實(shí)例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的構(gòu)造和工作原理的概念示圖。

圖4A至圖4B圖示在支柱結(jié)構(gòu)中的單個(gè)單元內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。

參考圖4A至圖4B，配備有具有半球支柱結(jié)構(gòu)的活性層300的電容式觸覺(jué)傳感器能夠基于外部壓力的強(qiáng)度而調(diào)整接觸表面。因此，半球狀形狀可以被調(diào)整以適合于用戶(hù)的目的。也就是說(shuō)，除了支柱結(jié)構(gòu)之外，活性層300還可以具有各種形狀中的任何形狀，只要它具有能夠通過(guò)外部力的施加而增加與第二電極500的接觸表面的凸凹形結(jié)構(gòu)。

如圖4B所示，如果在從第二電極400到活性層300的方向上施加外部壓力，那么取決于被施加的壓力的強(qiáng)度，使具有半球支柱結(jié)構(gòu)的活性層300中的一部分與第二電極400接觸。

同時(shí)，如圖4C所示，上述描述的單個(gè)單元的支柱結(jié)構(gòu)數(shù)量上可以是復(fù)數(shù)的，以及它們可以以陣列的形式排列。

圖4D圖示包括活性層300的電容式觸覺(jué)傳感器的橫截面，其中根據(jù)第二實(shí)例實(shí)施例的半球支柱結(jié)構(gòu)單元以陣列的形式被排列。如圖4D所示，在以陣列的形式排列復(fù)數(shù)個(gè)支柱結(jié)構(gòu)的情形下，具有復(fù)數(shù)個(gè)支柱結(jié)構(gòu)活性層可以通過(guò)外部壓力而變形。

現(xiàn)在，參考圖5，將進(jìn)一步詳細(xì)地描述根據(jù)示例實(shí)施例制造電容式觸覺(jué)傳感器的方法以及其中單個(gè)組件的功能。

圖5是用于描述根據(jù)示例實(shí)施例的、制造電容式觸覺(jué)傳感器的方法的流程圖。

參考圖5，根據(jù)示例實(shí)施例制造電容式觸覺(jué)傳感器的方法包括：在第一襯底100的上表面上形成第一電極200的過(guò)程S410、在第一電極200的上表面上形成活性層300的過(guò)程S420、在活性層300的上表面上形成第二電極400的過(guò)程S430、以及將第二電極500放置在第二電極400的上表面上的過(guò)程S440。

在活性層300和第二電極400被布置為不與彼此接觸的配置中，第二電極400和第二襯底500可以在過(guò)程S420的過(guò)程可以被執(zhí)行之后而被單獨(dú)地形成。也就是說(shuō)，用于執(zhí)行形成第二電極400的過(guò)程S430和將第二襯底500放置在第二電極的上表面上的過(guò)程S440的順序可以不限于圖5中所示的示例，并且可以與過(guò)程S410和過(guò)程420并行執(zhí)行。

為了參考，第一襯底100和第二襯底500是位于電容式觸覺(jué)傳感器的最底層的組成組件。第一襯底100和第二襯底500可以由例如但不限于玻璃、陶瓷、硅、橡膠或塑料構(gòu)成。這里，可以以各種方式來(lái)設(shè)計(jì)第一襯底100和第二襯底200的厚度、尺寸和形狀，并且當(dāng)必要時(shí)，可以省略第一襯底100和第二襯底200。第一襯底100和第二襯底500分別與第一電極200和第二電極400接觸，并且用于支撐它們。

首先，在形成第一電極200的過(guò)程S410處，可以通過(guò)一般在半導(dǎo)體工藝中執(zhí)行的光刻過(guò)程來(lái)形成第一電極200。

詳盡闡述地，用于形成第一電極200的材料可以通過(guò)熱蒸發(fā)方法、電子束蒸發(fā)方法和濺射方法中任一方法而被沉積在第一襯底100的上表面上。然而這里，形成第一電極200的材料的方法不限于上述方法。例如，轉(zhuǎn)錄、噴涂、真空過(guò)濾或靜電紡絲根據(jù)涉及到的條件也可能是可能的。

形成第一電極200的材料可以是選自以下各項(xiàng)的電極材料：金屬、導(dǎo)電金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電碳、導(dǎo)電納米顆粒以及插入在有機(jī)材料或?qū)щ姴牧现g的納米顆粒。

隨后，為了制造具有所要求的形狀的電極，感光材料可以被涂覆，并且可以通過(guò)將感光材料的某部分暴露于光而形成圖案。然后，通過(guò)執(zhí)行干法或濕法蝕刻工藝，可以形成具有所要求的形狀的電極。

此后，在過(guò)程S420處，活性層300在第一電極200的上表面上形成。通常，活性層300可以通過(guò)模制工藝、蝕刻工藝或旋轉(zhuǎn)涂覆工藝而形成，但不限于這些工藝。根據(jù)示例實(shí)施例的活性層可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆離子型彈性體而被簡(jiǎn)單地形成。然而，在制造具有凸凹形結(jié)構(gòu)(例如半球狀形狀)的活性層的情形下，可以采用在具有期望形狀的模具中硬化液相離子型彈性體的方法。

現(xiàn)在，將參考圖6來(lái)進(jìn)一步詳述形成活性層的方法。

圖6是示出根據(jù)第二實(shí)例實(shí)施例、形成具有支柱結(jié)構(gòu)的活性層的方法的概念示圖。

首先，如圖6所示，制備液態(tài)離子型彈性體(步驟A)。在根據(jù)示例實(shí)施例形成活性層的方法中，熱塑性聚氨酯(TPU)和離子液體(IL)的基體溶液(IL/TPU)被用作離子型彈性體。接著，如圖6所示，制備具有凸凹形結(jié)構(gòu)的模具，并且將液相離子型彈性體注入進(jìn)具有凸凹形結(jié)構(gòu)的模具中(步驟B)。然后，如圖6所示，硬化液相離子型彈性體，以及接著將硬化的離子彈性體從模具中分離(步驟C)。通過(guò)該過(guò)程，如圖5D所示，獲得了具有半球狀結(jié)構(gòu)的活性層300(步驟D)。

為了參考，離子液體是以室溫的離子的形式存在的鹽。因?yàn)樵摬牧媳旧韮H包括離子，因此它具有大約10mS/cm的電導(dǎo)率、4V或更多的寬電化學(xué)窗口和非常低的揮發(fā)性。離子液體的粘度接近于水的粘度。同時(shí)，TPU是透明的和彈性的，并且與離子液體的較好混合具有高離子電導(dǎo)率。

因此，在本示例實(shí)施例中，通過(guò)使用液相離子型彈性體形成活性層300。這里，活性層300包括鏈段，并且鏈段包括硬鏈段和軟鏈段。這些鏈段用于分割活性層300的內(nèi)部并且在其中捕獲一定濃度的離子。因此，如果施加外部壓力，則活性層300內(nèi)部的被鏈段隔離的區(qū)域可以變形，并且離子可以被釋放出而進(jìn)入活性層300。這里，通過(guò)其離子被釋放出的機(jī)制復(fù)制通過(guò)其離子被擠壓進(jìn)Merkel細(xì)胞的細(xì)胞膜中的原理。如上所述，在活性層300內(nèi)的有效離子的濃度通過(guò)外部壓力而被調(diào)整，以及結(jié)果地，電容式觸覺(jué)傳感器的電容值被調(diào)整。返回參考圖5，在第一電極200的上面形成活性層300之后，可以在活性層300的上表面上形成第二電極400(S430)。此時(shí)，在活性層300的上表面上形成第二電極400的方法與形成第一電極200的上述方法相同。

分別地形成在活性層300的上面和下面的第一電極200和第二電極400接收來(lái)自控制器(未示出)的電信號(hào)，并且能夠測(cè)量由施加到其的電勢(shì)差產(chǎn)生的電阻或電容變化。最后，在過(guò)程S440處，第二襯底500被放置在第二電極400的上表面上。因?yàn)榈诙r底500與上面描述的第一介質(zhì)相同，因此第二襯底500的說(shuō)明將在其中被省略。如上所示，圖5的形成第二電極400的過(guò)程S430可以被并行執(zhí)行。因此，第二電極400和第二襯底500可以單獨(dú)地形成，并且被放置在活性層300的上面。

圖7是示出根據(jù)示例實(shí)施例的、電容式觸覺(jué)傳感器中的通過(guò)壓力的電容變化的測(cè)量的圖表。

在TPU和離子TPU的比較中，可以看到在根據(jù)本示例實(shí)施例的離子TPU的情形下，電容值隨著壓力的上升而增加。然而，常規(guī)TPU幾乎不展示出電容的變化。

至于電容值在離子TPU的情形下增加的原因，如果將壓力施加到被用作活性層300的離子TPU，則鏈斷內(nèi)部變形并且捕獲在鏈斷中的離子被釋放出。結(jié)果，增加了在活性層300的表面中的有效離子的濃度，從而在其表面上的離子種類(lèi)增加。表面上增加的離子轉(zhuǎn)而增加靜電電容，其被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。至于電容值在離子TPU的情形下增加的另一原因，如果活性層300與第二電極400接觸，則形成雙電層(EDL)并且壓力被施加到離子TPU。結(jié)果，在活性層300和第二電極400之間的接觸區(qū)域隨著施加的壓力而增加，導(dǎo)致基于離子TPU的傳感器設(shè)備中的電容的增加。

此外，如從圖7中可以看到的，這也證明根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器能夠測(cè)量壓力范圍內(nèi)的壓力，取決于設(shè)置的測(cè)量范圍。

圖8A至圖8C是示出根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的測(cè)試結(jié)果的圖表。

圖8A和圖8B示出本示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器對(duì)某個(gè)壓力的響應(yīng)性。圖8A示出當(dāng)刺激分別地以100Pa、1kPa和10kPa的壓力周期性地被施加到觸覺(jué)傳感器時(shí)電容變化。從圖形中可以看出，盡管100kPa的壓力處的變化與1kPa和10kPa的壓力處的變化相比是小的，但是仍然觀察到規(guī)則的圖形圖案。此外，當(dāng)施加1kPa的壓力時(shí)電容變化是當(dāng)施加10kPa的壓力時(shí)電容變化的三倍，并且每個(gè)圖形相對(duì)于刺激具有規(guī)則的變化寬度。因此，這證明了根據(jù)本示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器具有可靠性，即使在被施加重復(fù)的壓力時(shí)。

圖8B是示出根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的重復(fù)響應(yīng)性的圖表。應(yīng)當(dāng)觀察到，當(dāng)在360秒的一定周期重復(fù)地施加1N的外部壓力時(shí)，電容的變化值是恒定的。

此外，圖8C是示出在其中示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器的活性層300為下列各項(xiàng)的相應(yīng)情形下的通過(guò)壓力的電容變化的圖表：被圖案化為半球狀支柱結(jié)構(gòu)的TPU(即，圖案化的TPU)、具有半球狀支柱結(jié)構(gòu)的離子TPU(即，圖案化的離子TPU)、不具有支柱結(jié)構(gòu)的TPU(即，原來(lái)的TPU)和不具有沒(méi)有支柱結(jié)構(gòu)的離子TPU(即，原來(lái)的離子)。

從圖8C中可以看出，在根據(jù)示例實(shí)施例的離子TPU被用作活性層300的情形下，與壓力有關(guān)的電容變化被發(fā)現(xiàn)是大的。此外，在非離子的普通TPU被用作活性層300的情形下，無(wú)論它們是否具有支柱結(jié)構(gòu)，與壓力有關(guān)的電容變化幾乎不被觀察到。

而且，當(dāng)具有支柱結(jié)構(gòu)的離子TPU被用作活性層300時(shí)，與壓力有關(guān)的電容變化被發(fā)現(xiàn)是大的。

圖9A至圖9D是示出通過(guò)使用示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器來(lái)測(cè)量各種外部壓力的結(jié)果的圖表。

圖9A中的左圖表和右圖表示出當(dāng)通過(guò)使用揚(yáng)聲器給予“Do”的音符(左)和題為“Arirang”(阿里郎)的歌曲(右)時(shí)，在根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器中測(cè)量的電容值的變化。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，在將來(lái)使用電容式觸覺(jué)傳感器作為人造耳鼓的可能性能夠被確認(rèn)。此外，圖9B示出當(dāng)通過(guò)移動(dòng)電話的接收器的振動(dòng)給予題為“You raise me up”的歌曲時(shí)，在電容式觸覺(jué)傳感器中測(cè)量的電容值的變化。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，使用電容式觸覺(jué)傳感器作為人造聲帶的可能性能夠被確認(rèn)。此外，圖9C是示出通過(guò)將電容器觸覺(jué)傳感器附著到人的太陽(yáng)穴而測(cè)量脈搏的結(jié)果的圖表，以及圖9D是示出通過(guò)將電容器觸覺(jué)傳感器附著到人的手指而敲鍵盤(pán)的結(jié)果的圖表。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，可以配置：根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器能夠測(cè)量各種外部壓力。

而且，盡管沒(méi)有被示出，但是存在能夠通過(guò)根據(jù)示例實(shí)施例的電容式觸覺(jué)傳感器進(jìn)行測(cè)量的壓力的10.33Pa的下限。即，該壓力值是可以通過(guò)測(cè)量電容變化而可被測(cè)量的最小壓力。

出于說(shuō)明性的目的，提供了說(shuō)明性實(shí)施例的上述描述，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不改變說(shuō)明性實(shí)施例的技術(shù)概念和本質(zhì)特征的情況下，可以做出各種改變和修改。因此，應(yīng)當(dāng)清楚，上面描述的說(shuō)明性實(shí)施例在所有的方面中是說(shuō)明性的，并且不限制本公開(kāi)。例如，被描述為單個(gè)類(lèi)型的每個(gè)組件可以以分布的方式而被實(shí)施。同樣地，被描述為是分布的組件可以以組合的方式而被實(shí)施。

發(fā)明構(gòu)思的范圍通過(guò)以下的權(quán)利要求和它們的等同物進(jìn)行限定，而不是被說(shuō)明性實(shí)施例的詳細(xì)描述所限定。應(yīng)當(dāng)理解，從權(quán)利要求和它們的等同物中的意義和范圍中構(gòu)思的所有修改和實(shí)施例被包括在發(fā)明構(gòu)思的范圍中。