CN101292312B - 叉指型力开关和传感器 - Google Patents

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Abstract

一种叉指型电子器件，包括导体(210)、叉指型电极(220)和复合材料(230)，所述复合材料安置在所述导体和所述叉指型电极之间，用于在其之间施加足够的压力时电连接所述导体和所述叉指型电极。所述复合材料包括导电颗粒，其至少部分地嵌入在电绝缘层中。所述导电颗粒不具有相对取向并且被安置成使得在所述导体和所述叉指型电极之间实现的基本上所有电连接都处于z方向中。所述导体和所述叉指型电极中的至少一个可以朝向另一个移动。

Description

叉指型力开关和传感器
技术领域
本发明涉及一种具有叉指型电极的力激活和力感应电子器件。
背景技术
力开关和力感应膜用于在多种应用中检测接触/触摸，检测和测量力或施加的负载的相对改变，检测和测量力改变的速率，和/或检测力或负载的移除。
当用户通过施加力使另外的分离的导电膜、电极或电路连接在一起时，力开关和力感应膜典型地通过检测信号发挥作用。
力感应膜，例如，典型地由弹性体组成，该弹性体包括安置在两个导电接触之间的导电颗粒(“弹性体层”)。在将压力施加到导电接触中的一个时，该导电接触被按压到弹性体层的表面，并且产生了导电路径。导电路径由导电颗粒链构成，其构成了穿过弹性体的曲折的路径。因此，弹性体中的导电颗粒的浓度必须高于特定的阈值(即，高于逾渗阈值(percolation threshold))，以构成连续路径。随着压力的增加，产生了导电接触和弹性体层表面之间的较大的接触数目和接触区域。因此，产生了穿过弹性体和导电颗粒的较大的导电路径数目，并且弹性体层上的电阻降低。
发明内容
考虑到前文，我们认识到，由于现有技术的力开关和力感应膜中的导电路径由许多导电颗粒接触构成，所以可能导致电阻变化和滞后效应。
简而言之，在一个方面，本发明提供了叉指型电子器件(例如，叉指型力开关和力传感器)，其中导电颗粒的浓度小于逾渗阈值。该叉指型电子器件包括(a)导体、(b)叉指型电极、和(c)安置在导体和叉指型电极之间的复合材料。
如此处使用的，术语“叉指型电极”意指平面内电极的趾状或指状的周期性图案。图1示出了示例性叉指型电极。叉指型电极100包括压焊区(pad area)115，其包括指状图案和两个走线(trace)125。该图案由十五个“手指”135构成。而且，术语“叉指型”在本领域中有时由例如“周期性”、“微带”、“梳状”或“栅状”等效术语替换。应当理解，本发明不应不适当地限于术语“叉指型”的使用，而是应限于本领域中的这些或任何其他的等效术语的使用。
导体和叉指型电极中的至少一个可以朝向另一个移动(即，导体可以朝向叉指型电极移动，或者叉指型电极可以朝向导体移动，或者导体和叉指型电极可以相互朝向对方移动)。
复合材料包括至少部分地嵌入在电绝缘层中的导电颗粒。当在导体和叉指型电极之间施加足够的压力时，导电颗粒电连接导体和叉指型电极。导电颗粒不具有相对取向，并且被安置成使得在导体和叉指型电极之间构成的基本上所有的电连接都处于z方向中(即，在导体和叉指型电极之间构成的基本上所有的电连接都处于相对平坦的结构的厚度方向中，而非处于平面内(x-y)方向中)。
因此，相比于由许多导电颗粒接触构成的力开关和力传感器，本发明的叉指型电子器件满足本领域中的关于力开关和力传感器的需要，即具有较小的电阻变化和滞后效应。
此外，已经发现，当导体包括膜上的导电涂层时，本发明的叉指型电子器件令人惊讶地灵敏。
附图说明
图1是叉指型电极的示意性顶视图。
图2是叉指型电极的示意性侧视图。
图3(a)和(b)是在本发明的叉指型电子器件中有益的复合材料的示意性侧视图。
图4(a)、(b)、(c)和(d)使用本发明的叉指型电子器件的示意性侧视图示出了本发明的叉指型电子器件的使用。
图5是示出了导电路径的叉指型电子器件的示意性侧视图。
图6是关于示例1和比较示例1中描述的本发明的叉指型电子器件的双对数图尺的电阻相对力的图线。
图7是关于示例2和比较示例2中描述的本发明的叉指型电子器件的双对数图尺的电阻相对力的图线。
图8是关于示例3和比较示例3中描述的本发明的叉指型电子器件的双对数图尺的电阻相对力的图线。
尽管本发明可以具有多种修改方案和替换形式，但是作为示例，其细节已在附图中示出并且将得到详细描述。然而，应当理解，本发明不限于所描述的具体实施例。相反地，本发明涵盖处于本发明的精神和范围内的所有修改方案、等效方案和替换方案。
具体实施方式
本发明的叉指型电子器件可用于在多种应用中检测接触/触摸，检测和测量力或施加的负载的相对改变，检测和测量力改变的速率，和/或检测力或负载的移除。
在将足够的压力施加到本发明的叉指型电子器件时，实现了导体和叉指型电极之间的电接触。为了构成导体和叉指型电极之间的电接触，本发明使用导电颗粒，其分布方式优选地是，基本上所有电接触都通过一个或多个单个颗粒(即，导体和叉指型电极同时与相同的颗粒的电接触)。导电颗粒至少部分地嵌入在电绝缘层中。对于绝缘，意味着该材料的导电性基本上小于导体和导电颗粒。如此处使用的，“绝缘”材料或层具有大于约109欧姆的电阻率。
电绝缘层使得施加压力时实现的电连接在未施加压力时基本上减少。
例如，电绝缘层可以是可回弹材料，该回弹材料在被施加压力时可以变形以允许电接触，并且在未施加压力时使导体和叉指型电极复原到其初始的分离位置。
使导电颗粒分布成使得经由一个或多个单个颗粒实现电接触，这可具有数个优点。由于导体和叉指型电极经由单个颗粒电接触，所以至多仅存在两个接触点对每个颗粒接触的接触电阻有贡献(接触导体的导电颗粒是一个接触点，而接触叉指型电极的相同的导电颗粒是另一接触点)，并且对于特定的叉指型电子器件的每个激活过程，该接触点的数目保持一致。这可以在每次激活器件时导致较低的接触电阻和更加一致的、可靠的和可重复的信号。较低的接触电阻带来了较少的信号损失，其最终导致了较高的信噪比，这在触摸或力传感器器件中可以导致更加精确的定位或压力确定。
单个颗粒的电接触的另一优点在于，不存在颗粒对准要求以及优选的颗粒间的取向。例如，不需要在制造过程中施加用于对颗粒定向和使其对准的磁场，使得制造更容易且成本更低。此外，在使用磁对准时，导电颗粒跨越了最后所得到的膜的整个厚度，需要施加另一绝缘层，使得在不存在压力时该整体构造是不导电的。相对于使用垂直地定向在器件的厚度方向上的对准的线或伸长的杆的器件，不需要颗粒对准还可以提高耐用性，所述对准的线或伸长的杆可承受重复激活时的弯曲以及断裂和/或较高的施加力。不需要颗粒对准和取向使得本发明的叉指型电子器件特别适用于将器件安装在弯曲的、不规则的或者其他的非平面的配置中的应用。
由于复合材料仅需要略微大于最大的导电颗粒，因此可以将本发明的叉指型电子器件制作得非常薄。可以使用相对低的颗粒加载量，同时仍能保持可靠的性能和足够的分辨率。该颗粒还可以分布成使得激活力(即，激活叉指型电子器件所需的力)跨越膜的整个表面是均匀的。由于使用了较少的颗粒，因此使用较低的颗粒密度的能力也可以是成本优点。
图2示出了叉指型电子器件200，其包括具有导电层210的形式的导体、叉指型电极220、导体和叉指型电极之间的复合材料230、以及用于测量叉指型电子器件上的电响应(这里被示为电阻)的装置260。例如，通过施加外部压力，可以使导电层210和叉指型电极220中的至少一个朝向另一个移动。复合材料230具有导电颗粒，其全部或部分地嵌入在电绝缘层中。
导电层210可以是导电片、箔或涂层。导电层的材料可以包括任何适当的导电材料，例如，金属、半导体、掺杂半导体、半金属、金属氧化物、有机导体和导电聚合物等及其混合物。适当的无机材料包括，例如，铜、金和电子器件中常用的其他金属或金属合金，以及透明导电材料，诸如透明导电氧化物(例如，氧化铟锡(ITO)、氧化锑锡(ATO)等)。还可以使用石墨。适当的有机材料包括，例如，导电有机金属化合物以及导电聚合物，诸如聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩，和诸如欧洲专利公开EP 1172831中公开的材料。
对于某些应用(例如，健康保健/医疗应用)，优选的是，导电层对于湿蒸汽是可渗透的。在根据ASTM E-96-00使用水方法进行测量时，优选地，导电层的湿蒸汽透射率(MVTR)至少约为400g水/m2/24小时(更优选地，至少约为800；甚至更优选地，至少约为1600；最优选地，至少约为2000)。
该导体可以是自支撑的或者可以被提供在基底上(图2中未示出)。适当的基底可以是刚性的(例如，刚性塑料、玻璃、金属或半导体)或柔性的(例如，柔性塑料膜、柔性箔、或者薄的玻璃)。依据应用，基底可以是透明的或不透明的。
该导体还可以是第二叉指型电极。
优选地，该导体包括塑料膜上提供的金属或导电聚合物涂层。更优选地，该导体包括聚酯膜上的金属或导电聚合物涂层。最优选地，该导体包括聚酯膜上的聚乙烯-二氧噻吩(PEDOT)、氧化铟锡(ITO)或透明的银涂层。
叉指型电极典型地包括绝缘基底上的导电的指状图案。被构图的导电材料可以包括任何适当的导电材料，例如，金属、半导体、掺杂半导体、半金属、金属氧化物、有机导体和导电聚合物等及其混合物。适当的基底可以是刚性的(例如，刚性塑料或玻璃)或柔性的(例如，柔性塑料膜、薄的玻璃或织物)。依据应用，基底可以是透明的或不透明的。
优选地，叉指型电极包括塑料基底上的银墨或ITO。更优选地，叉指型电极包括聚酯基底上的银墨或ITO。
对于某些应用(例如，健康保健/医疗应用)，优选的是，叉指型电极的基底对于湿蒸汽是可渗透的。在根据ASTM E-96-00使用水方法进行测量时，优选地，基底的湿蒸汽透射率(MVTR)至少约为400g水/m2/24小时(更优选地，至少约为800；甚至更优选地，至少约为1600；最优选地，至少约为2000)。
用于对导电材料构图的可用方法将取决于所使用的导电材料的类型。某些材料，例如，银墨、银-钯墨和碳墨，可以使用丝网印刷进行构图。合金的导电涂层，诸如氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、氧化锑和氧化锑锡可被溅射或者等离子淀积到聚合物基底上，并且随后使用标准的刻蚀方法对其构图。其他的导电材料可以通过电子束热蒸发进行淀积，并且随后使用传统的掩膜刻蚀对其构图。
如本领域中公知的，通过改变叉指型图案的面积、手指数目和/或手指之间的间距可以调节该叉指型图案，以便控制其输出信号的强度。典型地，叉指型电极的手指之间的间距将大于导电颗粒，以便防止短路。
安置在导体和叉指型电极之间的复合材料包括导电颗粒，其至少部分地嵌入在电绝缘层中。导电颗粒被安置成使得在将压力施加到器件以使导体或叉指型电极相对另一方移动时(即，使导体朝向叉指型电极移动，或者反之)，通过单个颗粒与导体和叉指型电极均接触可实现电连接。
用于电绝缘层的示例性材料包括这样的材料，所述材料能够保持导体和叉指型电极之间的足够的电分离，并且呈现出允许压缩绝缘材料的可变形能力和回弹属性，以允许经由一个或多个单个颗粒接触实现电接触并且在导体和叉指型电极之间不再施加足够压力时使导体和叉指型电极复原到电分离状态。适当的绝缘材料包括硅酮、聚硅氧烷、聚氨酯、聚硅酮-聚氨酯、橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、酚醛丁腈橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、聚醚-嵌段-酰胺和聚烯烃等。
对于某些应用(例如，健康保健/医疗应用)，优选的是，电绝缘层对于湿蒸汽是可渗透的。在根据ASTM E-96-00使用水方法进行测量时，优选地，弹性体材料的湿蒸汽透射率(MVTR)至少约为400g水/m2/24小时(更优选地，至少约为800；甚至更优选地，至少约为1600；最优选地，至少约为2000)。
在某些应用中，同样优选的是，电绝缘层材料基本上不受湿度的影响。
图3(a)示出了复合材料330的一个示例，该复合材料330包括部分嵌入在电绝缘层350中的导电颗粒340。图3(b)示出了另一复合材料331的示例，该复合材料330包括完全嵌入在电绝缘层351中的导电材料341。尽管图3(a)和(b)用于说明可在本发明中使用的复合材料的实施例，但是可以使用任何适当的配置，其中导电颗粒以任何适当的比率完全地或部分地嵌入在相对于弹性体层或材料的任何特定表面的任何适当的位置。本发明不排除具有单独情况的复合材料，其中导电颗粒在器件的厚度方向中重叠。
优选地，至少在复合材料的厚度方向(z)中测量颗粒尺寸时，最大的导电颗粒至少略小于电绝缘材料层的厚度。这可以有助于防止电短路。
适当的导电颗粒包括具有连续导电外表面的任何适当的颗粒。例如，导电颗粒可以是固体颗粒(例如，金属球)、涂覆有导电材料的固体颗粒、具有导电外壳的中空颗粒、或者涂覆有导电材料的中空颗粒。导电材料可以包括，例如，金属、导电金属氧化物、有机导体和导电聚合物、半导体等。涂覆颗粒的内核可以是实心的或者是中空的玻璃或塑料珠、陶瓷颗粒、碳颗粒、金属颗粒等。导电颗粒可以是透明的、半透明的、彩色的、或者不透明的。它们可以具有粗糙的或光滑的表面，并且可以是刚性的或可变形的。
术语“颗粒”包括球形珠、伸长的珠、截头纤维、形状不规则的颗粒等。通常，取决于应用，颗粒包括纵横比(即，最窄的尺寸与最长的尺寸的比，例如，对于纤维而言，纵横比是长度∶直径)为1∶1～约1∶20的颗粒状物体，并且具有约1μm～约500μm范围的特征尺寸。导电颗粒散布在复合材料中，不具有任何优选的取向或对准。
可以任何适当的方式提供复合材料。通常，制造或提供复合材料涉及分布导电颗粒并且至少部分地将其嵌入在电绝缘材料中。例如，可以首先使颗粒分布在表面上，并且将电绝缘材料涂覆在、按压到或者层叠在颗粒的层上。上面分布有颗粒的表面可以是叉指型电子器件的层，例如导体，或者在将颗粒嵌入到电绝缘材料中之后被移除的承载基底。作为另一示例，颗粒可以散布在电绝缘材料中并且对最后所得到的复合物进行涂覆以形成复合材料。仍作为另一示例，电绝缘材料可被提供作为层，例如通过涂覆，并且随后可以使导电颗粒分布在电绝缘材料层上。嵌入颗粒的方法可以是，可选地对电绝缘材料加热以允许材料软化，将颗粒按压到电绝缘材料层中，或者在电绝缘材料处于未固化或者其他的软化状态时，使颗粒分布在电绝缘材料层上并且可选地将颗粒按压到电绝缘材料层中，并且随后通过固化、冷却等方法使电绝缘材料层硬化。可以使用热、潮气和光固化反应，以及两部制系统。
散布导电颗粒的方法包括，例如，美国专利申请公开No.03/0129302(Chambers等人)中公开的方法。简而言之，颗粒可在电场存在的情况下被分送到电绝缘材料层上，在颗粒随机地降落在该层上时，该电场有助于颗粒分布。颗粒是荷电的，由此它们相互排斥。因此基本上避免了横向电连接和颗粒聚结。电场还用于产生颗粒对膜的吸引。该方法可以产生导电颗粒的随机的非聚集的分布。可以在预先选择的密度下施加颗粒，并且颗粒具有相对均匀的分布(每单位面积的颗粒数目)。而且，可以处理表面以进一步协助颗粒分布。
还可以使用散布导电颗粒的其他方法。例如，颗粒可被淀积在缩微复制的释放衬垫的凹穴中，如国际公开WO 00/00563中公开的。然后可以在该颗粒填充衬垫上涂覆电绝缘材料或者将电绝缘材料按压到该颗粒填充衬垫上。
可以使用用于分布或散布颗粒的任何其他方法，只要该方法使颗粒在复合材料中分布成使得粘性膜的导体和第二导体之间实现的基本上所有电接触都通过一个或多个单个颗粒接触。因此，应当注意减少或消除复合物中的堆叠的颗粒(即，在复合物的厚度方向中具有重叠位置的两个或多个颗粒)。
用于将颗粒放置到介质上的方法应当确保使平面内(x-y)方向中的颗粒之间的接触最小。优选地，不应存在多于两个颗粒的接触(例如，在30cm2的面积内)。更优选地，不存在两个相互接触的颗粒(例如，在30cm2的面积内)。这将防止由于颗粒接触引起的平面内方向中的任何电短路。
导电颗粒可以具有如下尺寸分布，即所有颗粒在尺寸(或形状)上都不相同。在这些情况下，较大的导电颗粒可以在较小的相邻颗粒之前实现电接触，或者甚至排除了较小的相邻颗粒来实现电接触。该情况是否发生或者发生到什么程度取决于下列因素：颗粒的尺寸和形状分布、是否存在颗粒的聚结、颗粒的加载密度和空间分布、导体(或导体/基底组合)弯曲或适应局部变化的能力、颗粒的可变形能力、嵌入颗粒的材料的可变形能力等。这些和其他属性可以调节成使得在导体和叉指型电极之间施加足够的压力时获得每单位面积中的单个颗粒电接触的所需数目。属性还可被调节成使得在导体和叉指型电极之间施加相对于不同的压力量的一个给定的压力量时获得每单位面积中的单个颗粒电接触的所需数目。
在某些实施例中，颗粒尺寸分布优选地是较窄的，并且在某些情况中，优选的是，所有颗粒基本上尺寸都相同。在某些实施例中，需要具有颗粒尺寸的双模分布。例如，需要具有两种不同类型的散布在复合材料中的颗粒，即较大的颗粒和较小的颗粒。
图4(a)、(b)、(c)和(d)示出了作为叉指型力传感器的本发明的叉指型电子器件的使用，其中通过一个或多个单个颗粒的物理接触实现了电接触。叉指型电子器件400包括导体410、叉指型电极420、包括安置在导体之间的电绝缘层450中的导电颗粒440的复合材料430、和用于测量叉指型电子器件上的电响应的装置460。
当叉指型电子器件被用于力感应应用时，在释放压力时，电绝缘层需要能够基本上复原到其初始尺寸。如此处使用的“能够基本上复原到其初始尺寸”意味着，该层能够在例如10秒内(优选地在1秒或更少的时间内)复原到其初始厚度的至少90％(优选地至少95％；更优选地，至少99％；最优选地100％)。优选地，电绝缘层(如果是可固化材料，则在其完全固化状态下)在大的温度范围内具有基本恒定的储能模量(G′)(更优选地，在约0℃到约100℃之间具有基本恒定的储能模量；最优选地，在约0℃到约60℃之间具有基本恒定的储能模量)。如此处使用的“基本恒定”意味着小于约50％(优选地小于75％)的变化。优选地，电绝缘层在1Hz、23℃下具有约1×103Pa和约9×105Pa之间的G′以及约0.01和约0.60之间的损耗因数(损耗角正切)。而且，优选的是，电绝缘层是自复原的(即能够在破裂、刺破或穿透时使自身复原)。
用于在力感应应用中使用的电绝缘层的适当材料包括，例如，天然和合成橡胶(例如，苯乙烯丁二烯s橡胶或丁基橡胶、聚异戊二烯、聚异丁烯、聚丁二烯、聚氯丁烯、丙烯腈/丁二烯以及官能化弹性体，诸如羧基或羟基改性橡胶等)、丙烯酸脂、包括但不限于聚二甲基硅氧烷的硅酮、苯乙烯类嵌段共聚物(例如，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯或者苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物)、包括但不限于那些基于脂肪族异氰酸酯、芳香族异氰酸酯及其化合物的聚氨酯、聚醚多元醇、聚酯多元醇、乙二醇多元醇、以及它们的化合物。适当的热塑性聚氨酯类聚合物可获得自BF Goodrich，商标名称EstaneTM。通过并入具有高于二的平均官能度(例如，三官能或四官能组分)的多元醇和/或聚氨酯，热固性配方也是可以使用的。聚脲，诸如通过聚氨酯与聚胺的反应形成的聚脲也是适用的。适当的聚胺可以选自广泛的类别，所述类别包括诸如Huntsman在商标名称JeffamineTM下销售的聚醚和聚酯胺，以及诸如美国专利No.6,441,118(Sherman等人)中公开的聚胺官能聚二甲基硅氧烷；诸如DuPont在商标名称HytrelTM下销售的弹性体聚酯；特定的茂金属聚烯烃，诸如茂金属聚乙烯(例如，来自DowChemical，Midland MI的EngageTM或AffinityTM聚合物)，也是适用的。氟化弹性体，诸如DyneonTM氟橡胶(可获得自Dyneon LLC，Oakdale，MN)或者VitonTM氟橡胶(可获得自DuPont Performance Elastomers，Wilmington，DE)，也是适用的。可以通过，例如利用烃树脂(例如，聚萜烯)或者填充油(例如，环烷基油或者增塑剂)，或者添加诸如聚苯乙烯颗粒、粘土、硅石等有机或无机填料，可以使弹性体材料改性。该填料可以具有颗粒或纤维的形态。微球(例如，来自Akzo Nobel的ExpancelTM微球)也可以散布在弹性体材料中。
如图4(a)中所示，当导体410和叉指型电极420之间未施加压力时，它们通过电绝缘弹性体层450保持电隔离。如图4(b)中所示，在向导体410施加足够的压力P时，可以经由单个颗粒接触实现导体410和叉指型电极420之间的电接触。单个颗粒接触是导体和叉指型电极之间的电接触，其中一个或多个单个导电颗粒单独地与导体和叉指型电极均接触。如图4(c)中所示，在将较大的压力P′施加到导体410时，弹性体层450进一步压缩并且可以实现更多的单个颗粒接触。如图4(d)中所示，当所有压力被移除时，弹性体层450基本上复原到其初始尺寸并且不实现电接触。
图5示出了本发明的激活的叉指型电子器件中的导电路径。在器件500中，向导体510施加足够的压力P，并且经由单个颗粒接触实现导体510和叉指型电极520(被示出为安置在基底570上)之间的电接触。导电路径580行进穿过叉指型电极的第一手指520(a)和第一导电颗粒540(a)，并且向下穿过第二导电颗粒540(b)和叉指型电极的第二手指520(b)。叉指型电极的两个手指连接到用于测量叉指型电子器件上的电响应的装置560。
本发明的叉指型电子器件可以电连接到用于测量电响应(例如，电阻、电导、电流、电压等)的装置以便于检测力或者测量跨越器件的力的改变。用于测量电响应的装置可以连接到例如，两个手指或者叉指型电极的走线，或者连接到一部分叉指型电极和导体。电响应可以使用任何适当的装置读出(例如，欧姆表、万用表、光发射二极管(LED)阵列、或者具有适当的电路的音频信号)。
本发明的叉指型电子器件还可以上文描述的方式使用，但是其中叉指型电极朝向导体移动。
本发明的叉指型电子器件可以作为可开关力激活电子器件和力感应器件用于许多应用中。力开关可用作例如膜开关和触摸板。力传感器可用于健康保健应用，诸如用于在石膏敷料时改变过度的压力，或者用于监视压力防止褥疮和糖尿病人的足或腿的溃疡。它们还可用于例如，汽车应用(例如，用于座位传感器中或者用于气囊部署)、消费应用(例如，用作负载/重量传感器或者用于“智能系统”中以感应物体存在或不存在于托架上)、运动应用(例如，用于监视速度、力或冲击，或者用作球棒或球拍上的抓握传感器)等。
示例
通过下面的示例进一步说明本发明的目的和优点，但是这些示例中列举的特定的材料和材料量，以及其他的情况和细节，不应被解释为不适当地限制了本发明。
测试单元
使用被称为力设备的设备评估器件，该设备由负载单元(来自Omega Engineering Inc.，Hartford，CT的型号LCFD-1kg)组成，其测量施加在器件上的法向的力。待评估的器件被水平放置在负载单元上并且通过胶带固定。在计算机的控制下利用约275kPa的压缩空气的连接到两个阀门(来自Clippard Instrument Laboratory，Cincinnati，OH的型号EC-2-12)气动操作汽缸(来自Airpot Corpotation，Norwalk，CT的型号E9X 0.5N)，被直接安放在负载单元上面。通过顺序打开和关闭阀门，使汽缸以预定的恒定步长向下移动，以增加放置在负载单元上的器件上的力。负载单元连接到显示设备(可获得自OmegaEngineering Inc.，Hartford，CT的型号Model DP41-S-A)，其显示施加的力。一旦达到力的预定限度，使用排放阀门自系统中排出空气，以减小器件上的力。
器件被连接到万用表以记录器件的电响应。使用数字万用表(来自Keithley Inc.，Cleveland，OH的Keithley信号197A微伏DMM)测量器件的电阻。利用基于PC的数字采集系统捕获自负载单元读取的施加的力和自万用表读取的器件的电响应。施加的力的范围是10～1000克重量，并且力的施加是以约2.8克/秒(167克/分钟)的速率进行的。
n值的解释
在测量器件上的电阻时，可以将电阻相对力的响应的图线绘制在双对数图线中。在特定的范围内，指数定律关系可由下式给出：电阻＝A/Fn，其中A是常数，F是力，而n(即“n值”)是双对数图线上的最佳拟合线(通过线性回归确定)的斜率。n值指出了器件的灵敏度。n值越高，对于施加的力的给定改变，器件的电阻改变就越大。较低的n值意味着，对于施加的力的相同的改变，电阻改变较小。
通用程序
将未固化的弹性体层(约25微米厚)刮涂到导体上。弹性体的组成用phr(橡胶的每百份的份数)表达为：
100phr乙烯基改性聚二甲基硅氧烷，可获得自Crompton(Greenwich，CT)的Y-7942
0.33phr铂细粉，可获得自Aldrich Canada(Oakville，ON，Canada)
0.80phr DC1107交联剂，可获得自Dow Corning(Midland，MI)
0.60phr 二甲基顺丁烯二酸，可获得自Fischer Scientific(Ottawa，ON，Canada)
使用本领域中公知的商用滤网，筛滤涂覆有氧化铟锡(ITO)的玻璃珠，其可商业获得自3M公司(St.Paul，MN)的SD120，以选择尺寸小于约50微米的珠。使用基本上如美国专利申请公开No.03/0129302(Chambers等人)中描述的颗粒散布器，使该珠散布在未固化的弹性体层上。允许弹性体在室温下固化。然后使第二导体或叉指型电极固定在固化的弹性体上以形成器件。使用上文描述的力设备测试最后所得到的器件。
示例1～6
根据通用程序构造具有金属膜或金属箔导体的叉指型器件(如下文的表格中指出的)。通过在250微米厚的聚酯基底上丝网印刷银墨，构造叉指型电极，该银墨购买自ClickTouch America，Inc.，Saint-Laurent，Quebec，Canada。图1中示出了叉指型电极的示意图。指状的图案(具有十五个“手指”)测得为10mm×10mm。走线长9mm，并且相互间隔.25mm。
使用上文描述的力设备测试该叉指型器件。关于示例1～3的测试数据被绘制在双对数图线上，其分别在图6、7和8中示出(具有来自比较示例1～3的测试数据)。关于每个叉指型器件的最佳拟合线的n值在下文的表格中示出。每个叉指型器件的激活力(Fi)也被示出，其被定义为用于呈现1千欧的电阻所需的力。
比较示例1～3
根据通用程序构造具有夹在两个金属膜导体之间的弹性体的器件(如下文的表格中指出的)。使用上文描述的力装置测试该器件。关于其的测试数据被绘制在双对数图线上，其在图6、7和8中示出(具有来自示例1～3的测试数据)。关于每个叉指型器件的最佳拟合线的n值在下文的表格中示出。每个叉指型器件的激活力(Fi)也被示出，其被定义为用于呈现1千欧的电阻所需的力。
  实验编号   导体1   导体2   导体2供应商   Fi(克)   斜率、n值
  1   叉指型   聚酯膜上的OrgaconTMPEDOT   AGFA，Ridgefield Park，HJ   100   0.666
  C1   聚酯膜上的OrgaconTMPEDOT   聚酯膜上的OrgaconTMPEDOT   AGFA，Ridgefield Park，HJ   100   0.299
  2   叉指型  聚酯膜上的AgHT4(透明银)   CP Films，Martinsville，VA   80   0.705
  C2   聚酯膜上的AgHT4(透明银)  聚酯膜上的AgHT4(透明银)   CP Films，Martinsville，VA   50   0.675
  3   叉指型  聚酯膜上的ITO   3M Co.，St.Paul，MN   50   0.725
  C3   聚酯膜上的ITO  聚酯膜上的ITO   3M Co.，St.Paul，MN   30   0.264
  4   叉指型  Al箔   Shop-Aid，Inc.，Woburn，MA   40   0.434
  5   叉指型  Cu箔   Shop-Aid，Inc.，Woburn，MA   30   0.531
  6   叉指型  Ni箔   Shop-Aid，Inc.，Woburn，MA   20   0.436
在不偏离本发明的范围和精神的前提下，本发明的多种修改方案和替换方案对于本领域的技术人员是显而易见的。应当理解，本发明并非受到此处阐述的说明性实施例和示例的不适当的限制，并且该示例和实施例仅被呈现为示例，本发明的范围应仅由此处阐述的权利要求限定。

Claims (11)

1.一种叉指型电子器件，包括：
(a)导体；
(b)叉指型电极；和
(c)复合材料，其安置在所述导体和所述叉指型电极之间，用于在所述导体和所述叉指型电极之间施加足够的压力时电连接所述导体和所述叉指型电极，
所述复合材料包括导电颗粒，其至少部分地嵌入在电绝缘层中，
所述导电颗粒不具有相对取向并且被安置成使得所述导体和所述叉指型电极之间实现的基本上所有电连接都处于所述复合材料的厚度方向中，以及
其中，所述电绝缘层包括弹性体材料，该弹性体材料在0℃和100℃之间具有基本上恒定的储能模量G′，并且所述电绝缘层能够在释放压力时基本上复原到其初始尺寸；
其中所述导体和所述叉指型电极中的至少一个是可朝向另一个移动的，并且其中所述器件是力传感器。
2.如权利要求1所述的叉指型电子器件，其中，所述导体包括叉指型电极。
3.如权利要求1所述的叉指型电子器件，其中，所述叉指型电极安置在基底上。
4.如权利要求3所述的叉指型电子器件，其中，所述基底是柔性的。
5.如权利要求3所述的叉指型电子器件，其中，所述基底是透明的。
6.如权利要求1所述的叉指型电子器件，其中，所述导体和所述叉指型电极是透明的。
7.如权利要求6所述的叉指型电子器件，其中，所述导体和所述叉指型电极中的至少一个包括透明的导电氧化物。
8.如权利要求1所述的叉指型电子器件，进一步包括用于测量所述器件上的电响应的装置。
9.如权利要求1所述的叉指型电子器件，其中，所述电绝缘层包括弹性体材料，该弹性体材料在0℃和60℃之间具有基本上恒定的储能模量G′。
10.如权利要求1所述的叉指型电子器件，其中，所述电绝缘层包括弹性体材料，该弹性体材料在1Hz、23℃下具有1×103Pa和9×105Pa之间的储能模量G′以及0.01和0.60之间的损耗因数。
11.如权利要求1所述的叉指型电子器件，进一步包括用于测量所述器件上的动态电响应的装置。
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