可折叠多模态弯曲传感器的系统和方法与流程

等)弯曲传感器为2d结构的系统和方法，然后可将其配置为3d或堆叠结构。
12.进一步公开的实施例包括具有可被配置为3d或堆叠结构的可折叠传感区域的弯曲传感器。根据公开的实施例，传感区域中的差应变与从传感区域的端点测量的位移成线性比例。在一些实施例中，差应变可作为传感区域的电容中的差分变化而被测量。
13.进一步公开的实施例包括弯曲传感器和制造所述弯曲传感器的方法，带有至被配置为基本上属于相同平面的所述传感区域的迹线(例如，电连接)。根据公开的实施例，相关的信号测量电子元件(例如，放大器等)减去两条迹线之间的共模信号。一些公开的实施例具有来自迹线的较高共模抑制比，因为它们全都基本上处于相同的平面。
14.其他公开的实施例包括用于柔性传感器的信号电极，所述信号电极包括弹性层、在所述弹性层内并且具有导电材料的第一传感器区域、连接至所述弹性层并且具有折线区域的变窄区域，以及连接至所述变窄区域、并且具有导电材料的可折叠传感器区域，其中，所述可折叠传感器区域被配置为，当所述变窄区域在折线区域处被折叠时，位于所述第一传感器区域的上方。
15.其他公开的实施例包括在所述弹性层内的第一迹线，提供至所述第一传感器区域的电连接，以及在所述弹性层内的第二迹线，延伸穿过所述变窄区域并且提供至所述可折叠传感器区域的电连接。在一些公开的实施例中，所述变窄区域被配置为，当在所述折线区域处被弯曲时，形成环状区域。在其他公开的实施例中，所述变窄区域被配置为，当在所述折线区域处被弯曲时，附接至所述弹性层。
16.在一些公开的实施例中，所述可折叠传感器区域以嵌入结构形成于所述弹性层内，并且通过基本上不含弹性材料的周边与所述弹性层基本分离。
17.还公开了多模态柔性传感器，包括具有弹性层的信号电极层、在所述弹性层内并且具有导电材料的第一传感器区域、连接至所述弹性层并且具有折线区域的变窄区域，以及连接至所述变窄区域并且具有导电材料的可折叠传感器区域，其中，所述变窄区域在所述折线区域处被弯折，所述可折叠传感器区域位于所述第一传感器区域的上方，以及位于所述第一传感器区域和所述可折叠传感器区域之间的介电中介层，上述组合形成第一柔性电容器。
18.进一步公开的实施例包括在所述弹性层内的第一迹线，提供至所述第一传感器区域的电连接，以及在所述弹性层内的第二迹线，提供至所述可折叠传感器区域的电连接，并且，除了延伸穿过所述变窄区域的部分，所述第二迹线基本上位于与所述第一迹线相同的平面上。
19.进一步公开的实施例包括在所述信号电极层的至少一个面上的覆盖介电层。
20.进一步公开的实施例包括在所述弹性层内、并且具有导电材料的第二传感器区域，连接至所述弹性层、并且具有第二折线区域的第二变窄区域，以及连接至所述第二变窄区域、并且具有导电材料的第二可折叠传感器区域，其中，所述第二变窄区域在所述第二折线区域处被弯折，所述第二可折叠传感器区域位于所述第二传感器区域的上方，以及位于所述第二传感器区域和所述第二可折叠传感器区域之间的第二介电中介层，上述组合形成第二柔性电容器。
21.进一步公开的实施例包括具有微控制器的控制电路，所述微控制器包括至少三个运算放大器的微控制器，所述运算放大器被配置为如同具有可编程增益的仪表放大器般运
行的控制电路；第一电阻；第二电阻；以及数模转换器，其中，所述第一电阻和所述第二电阻将给所述第一柔性电容器和所述第二柔性电容器充电的电流转换为电压，所述仪表放大器将差分信号转换为单端电压输出。在一些实施例中，所述仪表放大器的输出被路由至所述模数转换器，所述模数转换器产生与所述第一电容器与所述第二电容器的差分电容成线性比例的值。其他的实施例、特征，以及优点也是存在的。
附图说明
22.图1a-g示出了根据所公开实施例的一种用于可弯曲传感器系统的电极和屏蔽系统的示意图。
23.图2是根据所公开实施例的传感器系统600的横截面示意图。
24.图3是根据所公开实施例的带有可折叠区域的信号电极的俯视图。
25.图4是根据所公开实施例的弯曲传感器的示意性等距右侧视图。
26.图5是图4中弯曲传感器的示意性的、端视(end-on)的右侧视图。
27.图6是根据所公开实施例的电极迹线向下折叠的弯曲传感器的示意性的、端视(end-on)的右侧视图。
28.图7是根据所公开实施例的每个传感区域的多个中间层的弯曲传感器的示意性等距右侧视图。
29.图8是根据所公开实施例的可用于控制和测量多模态弯曲传感器的电子电路的示意图。
30.图9是根据所公开实施例的模数转换(adc)中信号的示例性表示。
31.尽管本公开可以有各种修改和替代形式，但具体实施例已通过示例在附图中展示并将在本文中详细描述。然而，应理解的是，本公开并不倾向于限定公开的特定形式。相反地，其意图是涵盖落入如权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同和替代。
具体实施方式
32.还应理解的是，在本文中所使用的术语“垂直”、“水平”、“侧向”、“上方”、“下方”、“左侧”，“右侧”，“内部”、“外部”等，可以指在附图中所示的本公开的装置和/或组件中特征的相对方向或位置。例如，“上方”或“最上方”可以指比另一个特征在位置上更靠近页面顶部的特征。然而，这些术语应该被广泛地解释，包括具有其他方向的装置和/或组件，例如倒置或倾斜的方向，其中顶部/底部(top/bottom)、在上方/在下方(over/under)、在
…
上面/在
…
下面(above/below)，在上方/在下方(up/down)和左/右可以根据方向互换。
33.图1a-g示出了根据所公开实施例的一种用于可弯曲三电极堆叠传感器系统的电极和屏蔽系统的示意图。如图1a所示，在一些实施例中，可以可选地提供第一覆盖介电层108。第一覆盖介电层108可以包括如硅酮等弹性材料。第一覆盖介电层108可以用于覆盖顶部电极层102(在以下图1b中公开)，以防止顶部电极层102与其他物体、表面等不期望地接触。虽然未严格地按照比例绘制，但第一覆盖介电层108的尺寸能够覆盖顶部电极层102，在某些实施例中可能大于顶部电极层102。正如还指出的那样，第一覆盖介电层108包括片状部110，用于覆盖顶部电极层102直至迹线焊盘(trace pads)106。
34.图1b示出了可提供的顶部电极层102。顶部电极层102可包括弹性层(例如，硅酮)，其中集成了导电颗粒(例如纳米颗粒，如碳黑、镍纳米线、石墨烯纳米片、氧化石墨烯等)。顶部电极层102还可以包括pcb接口104和用于连接pcb、传感器迹线或其他电子元件的多个迹线焊盘106，以进行传感器系统的操作和控制。
35.图1c示出了第二介电层112。第二介电层可包括弹性材料(例如，硅酮)，并且根据需要，可以具有集成在其中的一些导电材料，取决于介电常数预期量等。虽然未按严格比例绘制，但第二介电层112的尺寸被设定为略小于顶部电极层102，以留出顶部电极层102的未被介电层112覆盖的周边边缘，并允许如在此所公开的、与周边电极140电接触。第二介电层112的实施例还可以包括片状部114，其尺寸设置为覆盖pcb接口104直至所述迹线焊盘106。
36.图1d示出了信号电极层116。信号电极层116的实施例可包括具有被限制在传感器区域118、迹线120和周边电极140的导电材料(例如，纳米颗粒，如碳黑、镍纳米细丝、银纳米颗粒、石墨烯纳米片、氧化石墨烯等)的弹性材料(例如，硅酮)。如图所示，多个传感器区域118可以分布在整个所述信号电极层116中。传感器区域118可包括具有电导性材料的区域。传感器区域118通过印制在信号电极层116上迹线120进行电通信。迹线120在片状区域122处终止，所述片状区域与迹线垫106对齐以提供迹线120的电连接点。如图所示，信号电极层116的实施例可以包括周边电极140，该电极与顶部电极层102和底部电极层132电连接，除其他因素外，提供整个传感器系统的电隔离。
37.图1e示出了第三介电层124。第三介电层124可包括弹性材料(例如，硅酮)，并根据需要，可以具有集成在其中的一些导电材料，除其他因素外，取决于介电常数预期量等。虽然未按严格比例绘制，但第三介电层124的尺寸被设定为略小于底部电极层132，以留出底部电极层132的未被第三介电层124覆盖的周边边缘，并允许如在此所公开的、与周边电极140电接触。第三介电层124的实施例还可以包括片状部126，其尺寸设置为覆盖pcb接口104直至所述迹线焊盘106。
38.图1f示出了可提供的底部电极层132。底部电极层132可包括，弹性层(例如，硅酮)，其中集成了导电颗粒(例如纳米颗粒，如碳黑、镍纳米线、石墨烯纳米片、氧化石墨烯等)。正如还指出的那样，底部电极层132包括片状部134，除其他因素外，用于提供所述迹线焊盘106被印制在其上的连接区域(如pcb接口)的机械强度，与被向后拉以不覆盖所述迹线焊盘106的片状部110、114相反。其他配置也是可能的。
39.如图1g所示，在一些实施例中，可选地，可以提供第二覆盖介电层128。第二覆盖介电层128可以包括如硅酮等弹性材料。第二覆盖介电层128可以用于覆盖底部电极层132(以上图1f中所示)，以防止底部电极层132与其他物体、表面等不期望地接触。虽然未严格地按照比例绘制，但第二覆盖介电层128的尺寸被设定为覆盖底部电极层132，在某些实施例中可能大于底部电极层132。正如还指出的那样，第二覆盖介电层128包括片状部130，以支持所述迹线焊盘106的连接区域接口(例如，pcb接口104)。
40.如本领域普通技术人员从本公开所理解的，图1a-g中所示的三电极堆叠可以扩展到更多或更少的电极层。同样地，更多或更少的传感器区域118和迹线120可用于其他配置或形状中。
41.进一步地，申请号为17/387,709的相关美国申请通过引用被并入本技术中，顶部电极层102、底部电极层132或两者中的一个或多个，可包括印制在弹性基底(例如，硅酮等)
上的部分开放的、网格状的或蚀刻(hatched)部分的导电材料，例如碳纳米管、银纳米颗粒、其他导电颗粒等。蚀刻部分的一个优点是，为电容传感器提供了类似的电屏蔽，由于减少了迹线(例如120)耦合至顶部(例如102)和底部(例如132)电极的表面积，因此来自迹线的杂散电容减小。这样的配置减少了由迹线中的应变和/或弯曲产生的误差信号。误差信号的减少与蚀刻部分所去除的表面面积成比例。除其他因素外，蚀刻部分的实施例可以根据需要屏蔽的信号频率、迹线120的宽度等改变开放空间的量。一般地，较宽的迹线120产生更多的误差信号(机械串扰)，对于这些实施例，更激进的蚀刻部分(即更大的空洞)会进一步减少串扰。
42.另外，传感器系统的实施例可包括蚀刻的方向为“矩形”网格的蚀刻部分，其中“矩形”网格基本上垂直(即，以90
°
相交)，并且在每个方向上基本上与层边缘对齐(即，平行)。受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，其他的对齐方式也是可能的。例如，蚀刻可以相对于层边缘基本上以45
°
对齐。该有角度的蚀刻的优点是，依赖于所述迹线(例如，120)的方向和宽度，耦合量可随45
°
或90
°
的蚀刻减小。另外，对于蚀刻部分，随特定的角度的制造公差可能会更好。在一些实施例中，顶层(例如，102)和底层(例如，132)可具有不同的蚀刻部分。其他配置也是可能的。
43.图2是根据所公开实施例的传感器系统600的横截面示意图。如所示出的，传感器系统600的实施例可包括顶部电极层(例如，102)、底部电极层(例如，132)、信号电极层(例如，116)和多个介电层(例如，108、112、124、128)。除其他因素外，实际使用的层可能取决于应用、所需的传感类型、传感器的环境等。受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，更多的、更少的、不同的、各不相同的厚度、各不相同的材料等层可被使用。如还示出的，信号电极层116的实施例可以包括周边电极140，该电极电与顶部电极层102(在一些实施例中为底部电极层(例如，132)电连接，以在除其他因素外提供整个传感器系统的电隔离。
44.图3是根据所公开实施例的带有可折叠传感器区域318a-e的信号电极层116的俯视图。可折叠传感器区域318a-e可包括如图3指出的趋于作为折叠点或折叠线304的变窄区域。如本技术所公开的，可折叠传感器区域318a-e在传感器区域118a-e的“顶部”上折叠，如以下更详细地公开。如所指出的，用于可折叠传感器区域318b的嵌入结构可通过环绕于可折叠传感器区域318b周边的基本上没有弹性的材料形成，如在周边320处所指出的那样。如本技术所公开的，信号电极层116的实施例可包括弹性材料(例如，硅酮)，所述弹性材料具有旨在导电的区域(例如，传感器区域118a-e、318a-e和迹线120a-j)，所述导电的区域可以包括内部集成有导电颗粒(例如，纳米颗粒，炭黑、镍纳米链、银纳米颗粒、石墨烯纳米片、石墨烯氧化物等)的弹性层(例如，硅酮)。信号电极层116还可包括用于连接印制电路板(pcb)的电子连接片区域122，或者其他电子元件，以对如本技术所公开的所述弯曲传感器进行操作或控制。
45.受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，图3中的所述信号电极层116可根据需要结合介电层(例如，108、112、124、128)和顶部电极层(例如，102)或底部电极层(例如，132)，并如图2所示。诚然，可使用更大的或更小的传感区域118a-e、318a-e、其他形状的传感区域118a-e、318a-e、其他传感区域118a-e、318a-e的位置、其他折线304的放置等。
46.图4是根据所公开实施例的弯曲传感器400的示意性等距右侧视图。如图所示，可折叠传感器区域318a-e在每条折线304上被折叠(即，传感器区域318a在传感器区域118b等
的顶部(即，在z轴方向垂直地“离开”信号电极层116的平面)被折叠)，以形成如下更完整解释的多模态传感区域s1-s5。在图4的示例中，为清晰起见，没有示出除信号电极层116以外的层(例如，电介质、覆盖层、顶部电极层和底部电极层等)。如图所示，每个迹线120在折线部304中的部分被同样地折叠(如图所示，迹线120e、120g)，在信号电极层116中留下各迹线的大部分。如本技术所公开的，由于到多模态传感区域s1-s5的迹线(例如，120a-j)位于基本相同平面(例如，信号电极层116的平面)，相关的信号测量电子元件(未示出)可以减去多模态传感区域(例如，对于s1，在顶部电容器402a和底部电容器402b之间)中的任何一对电容器之间的共模信号。除其他因素外，这可导致具有来自成对电容器的更高共模抑制比的实施例，因为它们各自的迹线120基本上都在同一个平面上，并且在减去共模信号后，剩余的差分信号是由电容器弯曲的差异造成的。
47.还如图4所示，每个电容器对(即，对s1而言，电容器402a、402b)还可具有位于其之间的中间层414。中间层414的实施例可包括由弹性材料(例如，硅酮)组成的介电层等，并根据需要，可以具有集成在其中的一些导电材料，除其他因素外，取决于介电常数的预期量等。在一些实施例中，中间层414可包括位于可折叠传感器区域318a-e折叠处之前的单独组件，或者其可以是位于信号电极层116顶部的增材制造层(例如，打印层)。其他结构和生产工艺也是可能的。
48.图5是图4的弯曲传感器400的示意图，端对端，右侧视图(在图3上增加了附图标记，为了清晰起见，删除了一些附图标记)。如图所示，顶部电极迹线(例如，120g、120c、120e，未在图5中示出的迹线120a和120i)可被自由折叠，意味着它们可被弯曲，形成环路，并且不与弯曲传感器400表面进行接触。如图所示，电容器对(例如，402c和402d)之间可以有中间层114。
49.图6是根据所公开实施例(为清晰起见，一些附图标记被删除)的电极迹线(120g、120c、120e)向下折叠的弯曲传感器400的示意性的、端视的右侧视图。对于这些实施例而言，折叠迹线(例如，120g、120c、120e和图6中未示出的迹线120a和120i)机械地或以其他方式附接至弯曲传感器400的表面上，或者可以使用嵌入结构形成(参见图3，318b和118b之间的折线304和缺乏弹性材料的周边320)。这可能是为了尺寸或外周长的考虑等，使用更少的硅酮。
50.图7是弯曲传感器400的等距右侧视图的示意图，示出了根据公开的实施例(为了清晰起见，删除了一些附图标记)用于每个多模态传感区域s1-s5的多个中间层(414a、414b)。如所示出的，不少于一个的中间层(例如，414a、414b)可被用于一个或多个传感区域s1-s5。如上所述，中间层414a-b的实施例可包括由包括弹性材料(例如，硅酮)组成的介电层等，并根据需要，可以具有集成在其中的一些导电材料，除其他因素外，取决于介电常数的预期量等。在一些实施例中，中间层414a-b可包括位于可折叠传感器区域318a-e折叠处之前的单独组件，或者其可以是位于信号电极层116顶部的增材制造层(例如，打印层)。其他结构和生产工艺也是可能的。
51.显然，对于本领域中受益于本公开的普通技术人员来说，除其他因素外，传感器区域(318、118)、中间层414、迹线120等的数量，可取决于应用、所需传感的类型、传感器的环境等。如本领域普通技术人员从本公开所理解的，更多的、更少的、不同的、各不相同的厚度、各不相同的材料等层可被使用。
52.图8是根据所公开的实施例可用于控制和测量多模态弯曲传感器的电子电路的示意图。如所示出的，可使用如saml21或atsaml21等由微芯片科技(microchip technology)提供的适配的微控制器。也可使用其他的微控制器。
53.如所示出的，atsaml21可包括三个运算放大器(运放)。所述运放可通过软件被配置为形成具有可编程增益、不使用外部组件或路由的仪表放大器。模拟前端由两个外部电阻r1、r2，弯曲传感器(例如，400)，saml21，运放以及saml21数模转换器(dac)组成。
54.前端电阻r1、r2将充电到弯曲传感器中柔性电容器的电流转换成电压，仪表放大器将弯曲传感器的差分信号转换成单端电压。仪表放大器的输出被内部路由至saml21控制器的模数转换器(adc)。所述adc通过积累来自仪表放大器输出的样本来进行数字集成。
55.当读取弯曲传感器(例如，400)的多个区域时，例如双轴或双区域弯曲传感器，使用双通道2-1模拟多路复用器(adg787)等。在这种情况下，用来激励弯曲传感器的相同方波被用来选择弯曲传感器的哪个区域/轴被路由到仪表放大器。在激发方波的上升沿上测量第一区域(reg/axis0)，在下降沿上测量第二区域(reg/axis1)。
56.图9是根据所公开的实施例的模数转换(adc)中的信号的示例性表示。所述adc累积离散的时间样本，如图9中竖线所示。离散时间样本的累积产生与弯曲传感器(例如，400)的差分电容成线性比例的值，而该值又与弯曲传感器400的角位移成线性比例。存储在saml21等仿真的电可擦可编程只读存储器(eeprom)中的校正系数，将累积的数字值转换为角位移。也可使用其他的电路和结构。
57.虽然已经示出和描述了各种实施例，但本公开不限于此，并将被理解为包括对本领域技术人员来说是显而易见的所有此类修改和变化。