(57)【要約】  １または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を含んでよい圧力検知デバイスであって、第１の検知素子は第１の勾配を有し、第２の検知素子は第２の勾配を有し、第２の勾配は第１の勾配とは異なり、第１および第２の勾配は、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にする。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を備え、
前記第１の検知素子は第１の勾配を有し、
前記第２の検知素子は第２の勾配を有し、
前記第２の勾配は前記第１の勾配とは異なり、
前記第１および第２の検知素子に結合された検知回路は、前記第１および第２の検知素子の抵抗およびコンダクタンスのうちの少なくとも１つを検知し、前記第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つを決定するように構成された、圧力検知デバイス。
【請求項２】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料は導電性ナノ粒子である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はナノチューブである、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はナノワイヤである、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はカーボンナノチューブである、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項６】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はカーボンナノワイヤである、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項７】
前記第１および第２の勾配の少なくとも１つは厚さ勾配である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項８】
前記第１および第２の勾配の少なくとも１つは幅勾配である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項９】
前記第１および第２の勾配の少なくとも１つは濃度勾配である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１０】
前記第１および第２の勾配の少なくとも１つは抵抗勾配である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１１】
前記第１および第２の勾配の少なくとも１つは歪み感度勾配である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１２】
前記第１および第２の勾配の少なくとも１つはキャッピング層厚さ勾配である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１３】
前記第１および第２の勾配は、前記第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にする、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１４】
前記第１の検知素子は複数の第１の領域を備え、前記複数の第１の領域は互いに位置が異なっており、前記イベントがない時、第１の領域の所与のプロパティと前記第１の領域の位置との１対１マッピングが存在する、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１５】
前記第２の検知素子は複数の第２の領域を備え、前記複数の第２の領域は互いに位置が異なっており、前記イベントがない時、第２の領域の所与のプロパティと前記第２の領域の位置との１対１マッピングが存在する、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１６】
前記第１の領域の前記所与のプロパティと前記第１の領域の前記位置との前記１対１マッピングは、前記第２の領域の前記所与のプロパティと前記第２の領域の前記位置との前記１対１マッピングと反対称である、請求項１５に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１７】
前記第１の勾配は前記第２の勾配と反対称である、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１８】
前記検知回路は、前記第１の検知素子の長さの分数である空間分解能で前記位置を決定するように構成される、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項１９】
前記検知回路は、前記第１の検知素子の前記長さの１パーセント未満である空間分解能で前記位置を決定するように構成される、請求項１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２０】
１または複数のピエゾ抵抗材料を備える複数の検知素子を備える検知素子アレイを備え、
前記検知素子アレイは、前記複数の検知素子の所与のプロパティの値を、前記検知素子アレイの少なくとも１つの検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つにマップする検知アレイ付与プロパティ関数を特徴とし、
前記イベントの前記位置は、前記検知素子アレイに関連付けられた位置グループから選択され、
前記複数の検知素子の各々は、前記位置グループの複数の位置に関連付けられる、圧力検知デバイス。
【請求項２１】
前記所与のプロパティは、抵抗およびコンダクタンスから成るグループから選択される、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２２】
前記所与のプロパティは感度である、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２３】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料は導電性ナノ粒子である、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２４】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はナノチューブである、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２５】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はナノワイヤである、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２６】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はカーボンナノチューブである、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２７】
前記１または複数のピエゾ抵抗材料はカーボンナノワイヤである、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２８】
前記検知素子アレイに結合され、前記アレイの前記複数の検知素子の少なくともいくつかの抵抗を検知し、前記イベントの前記位置および前記負荷を決定するように構成された検知回路を備える、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項２９】
前記検知素子アレイの前記検知素子の少なくとも２つは、それらの検知素子付与プロパティ関数が互いに異なる、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３０】
前記検知素子アレイの前記検知素子の前記少なくとも２つは、互いに反対称である検知素子付与プロパティ関数を有する、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３１】
圧力検知素子のペアは、前記ペアの前記検知素子の前記所与のプロパティの値を、前記ペアの前記検知素子の少なくとも１つに付与された変形イベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つにマップする、命令的な所与のプロパティ関数によって特徴付けられる、請求項２８に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３２】
前記ペアの前記検知素子は、互いに反対称である検知素子付与プロパティ関数を有する、請求項３１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３３】
前記検知素子のアレイは、互いにほぼ平行な２つの検知素子を備えるストリップである、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３４】
検知素子アレイは、検知素子の第１および第２の層を備え、検知素子の前記第１の層は、検知素子の前記第２の層の上に位置する、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３５】
検知素子の前記第１および第２の層は互いにほぼ平行である、請求項３４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３６】
検知素子の前記第１および第２の層は互いにほぼ垂直である、請求項３４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３７】
検知素子の前記第１および第２の層は互いに対して方向付けられる、請求項３４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３８】
前記第１および第２の層の間に位置する中間絶縁層を備える、請求項３４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項３９】
前記第１および第２の層の間に位置する少なくとも１つの中間層を備える、請求項３４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４０】
前記第１および第２の層の少なくとも１つの外側面に結合された少なくとも１つの保護層を備える、請求項３４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４１】
前記複数の検知素子の各々は、前記位置グループの少なくとも１００の位置に関連付けられる、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４２】
前記検知回路は、導体のセットによって前記検知素子アレイに結合され、導体の数は、前記複数の検知素子の数の次数である、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４３】
前記検知素子アレイは可撓性である、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４４】
前記複数の検知素子の検知素子は、前記検知素子の長手方向軸に沿って単調変化する空間特性を有する、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４５】
前記空間特性は前記検知素子の幅である、請求項４４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４６】
前記空間特性は前記検知素子の高さである、請求項４４に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４７】
前記複数の検知素子の検知素子は、前記検知素子の軸に沿って変化する導電性ナノ粒子濃度特性を有する、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４８】
前記複数の検知素子の検知素子は、前記検知素子の長手方向軸に沿って単調変化する導電性ナノ粒子濃度特性を有する、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項４９】
前記複数の検知素子の検知素子は、前記検知素子が圧力を受けていない場合、前記検知素子の長手方向軸に沿って単調変化する抵抗を有する、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５０】
各検知素子はストリップである、請求項２０に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５１】
圧力検知デバイスであって、前記検知デバイスの様々な領域を被覆するように連続的に配置された検知素子の複数のペアを備え、検知素子の各ペアは、１または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を備え、前記第１の検知素子は第１の勾配を有し、前記第２の検知素子は第２の勾配を有し、前記第２の勾配は前記第１の勾配とは異なり、前記第１および第２の厚さ勾配は、前記第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にする、圧力検知デバイス。
【請求項５２】
前記検知素子の複数のペアは、前記検知素子のペアの各々への独立したアクセスを提供する導体に結合される、請求項５１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５３】
検知素子の複数のペアは可撓性基板に結合され、前記可撓性基板の屈曲点を検知するように構成される、請求項５１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５４】
前記様々な領域は連続的に位置する領域である、請求項５１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５５】
前記様々な領域は重なり合わない、請求項５１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５６】
前記様々な領域は部分的に重なり合う、請求項５１に記載の圧力検知デバイス。
【請求項５７】
検知するための方法であって、
１または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を少なくとも含む圧力検知デバイスを設けることであって、前記第１の検知素子は第１の勾配を有し、前記第２の検知素子は第２の勾配を有し、前記第２の勾配は前記第１の勾配とは異なり、前記第１および第２の勾配は、前記第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にすることと、
前記圧力検知デバイスによって、前記イベントの前記負荷および前記位置を検知することと
を備える方法。
【請求項５８】
検知するための方法であって、
１または複数のピエゾ抵抗材料を備える複数の検知素子を備える検知素子アレイを含む圧力検知デバイスを設けることであって、前記検知素子アレイは、前記複数の検知素子の所与のプロパティの値を、前記検知素子アレイの少なくとも１つの検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つにマップする検知アレイ付与プロパティ関数を特徴とし、前記イベントの前記位置は、前記検知素子アレイに関連付けられた位置グループから選択され、前記複数の検知素子の各々は前記位置グループの複数の位置に関連付けられることと、
前記圧力検知デバイスによって、前記イベントの前記負荷および前記位置を検知することと
を備える方法。
【請求項５９】
検知するための方法であって、
検知デバイスの様々な領域を被覆するように連続的に配置された検知素子の複数のペアを含む圧力検知デバイスを設けることであって、検知素子の各ペアは、１または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を備え、前記第１の検知素子は第１の勾配を有し、前記第２の検知素子は第２の勾配を有し、前記第２の勾配は前記第１の勾配とは異なり、前記第１および第２の厚さ勾配が、前記第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にすることと、
前記圧力検知デバイスによって、前記イベントの前記負荷および前記位置を検知することと
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体が本願に組み込まれる、２０１４年１２月９日に出願された米国特許仮出願第６２／０８９，２６８号による優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば電子スキン（ｅスキン）などのスマートパッチは、人間の皮膚と同様の方法で外部刺激および環境刺激を感知する、ピクセル化された可撓性検知アレイである。スマートパッチは、たとえば半導電性有機物、ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、およびナノファイバなどの様々な科学技術によって製造されている。
【０００３】
これらの科学技術によって有望な結果がもたらされてきたが、マルチピクセル統合、複雑な配線、印加電圧、および分析は、克服すべき問題を残している。たとえば、１０×１０にピクセル化されたスマートパッチは、２００〜３００の配線デバイスおよび１００の電気測定デバイスを必要とし、その結果、エネルギー消費量およびスマートパッチの価格が増加する。
【０００４】
概して、ＧＮＰフィルムの電気抵抗は粒子間距離に依存する。ＧＮＰフィルムが可撓性基板上に蒸着される場合、基板の変形がフィルムにおける粒子間距離に影響を及ぼし、それによって抵抗が変化する。
【０００５】
弾性変形した可撓性基板上のＧＮＰの略図が図１Ａに示される。しかし、スマートパッチアプリケーションの場合、多数の画素および関連する配線が必要である。歪み／圧力センサのピクセル化アレイにおいて、分解能はピクセルサイズによって制限され、ピクセル間の感度の差は、全体圧力分解能および検出限界を低減させ得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の様々な実施形態によると、圧力検知デバイスおよび／または圧力検知デバイスを作動させるための方法が提供されてよい。
【０００７】
本発明の様々な実施形態によると、１または複数のピエゾ抵抗材料を含んでよい第１および第２の検知素子を含んでよい圧力検知デバイスが提供されてよく、第１の検知素子は第１の勾配を有し、第２の検知素子は第２の勾配を有し、第２の勾配は第１の勾配と異なり、第１および第２の勾配は、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にする。
【０００８】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、導電性ナノ粒子であってよい。
【０００９】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、ナノチューブであってよい。
【００１０】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、ナノワイヤであってよい。
【００１１】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、カーボンナノチューブであってよい。
【００１２】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、カーボンナノワイヤであってよい。
【００１３】
圧力検知デバイスにおいて、第１および第２の勾配の少なくとも１つは厚さ勾配であってよい。
【００１４】
圧力検知デバイスにおいて、第１および第２の勾配の少なくとも１つは幅勾配であってよい。
【００１５】
圧力検知デバイスにおいて、第１および第２の勾配の少なくとも１つは濃度勾配であってよい。
【００１６】
圧力検知デバイスにおいて、第１および第２の勾配の少なくとも１つは抵抗勾配であってよい。
【００１７】
圧力検知デバイスにおいて、第１および第２の勾配の少なくとも１つは歪み感度勾配であってよい。
【００１８】
圧力検知デバイスにおいて、第１および第２の勾配の少なくとも１つはキャッピング層厚さ勾配であってよい。
【００１９】
圧力検知デバイスは、第１および第２の検知素子に結合されてよく、第１および第２の検知素子の抵抗およびコンダクタンスのうちの少なくとも１つを検知し、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つを決定するように構成され得る検知回路をさらに含んでよい。
【００２０】
第１の検知素子は複数の第１の領域を含んでよく、複数の第１の領域は互いに位置が異なり、イベントがない時、第１の領域の所与のプロパティと第１の領域の位置との１対１マッピングが存在してよい。
【００２１】
第２の検知素子は複数の第２の領域を含んでよく、複数の第２の領域は互いに位置が異なっており、イベントがない時、第２の領域の所与のプロパティと第２の領域の位置との１対１マッピングが存在してよい。
【００２２】
第１の領域の所与のプロパティと第１の領域の位置との１対１マッピングは、第２の領域の所与のプロパティと第２の領域の位置との１対１マッピングと反対称であってよい。
【００２３】
第１の勾配は、第２の勾配と反対称であってよい。
【００２４】
検知回路は、第１の検知回路の長さの分数であってよい空間分解能で位置を決定するように構成されてよい。
【００２５】
検知回路は、第１の検知素子の長さの１パーセント未満であってよい空間分解能で位置を決定するように構成されてよい。
【００２６】
本発明の様々な実施形態によると、１または複数のピエゾ抵抗材料を含んでよい複数の検知素子を含んでよい検知素子アレイを含んでよい圧力検知デバイスが提供されてよく、検知素子アレイは、複数の検知素子の所与のプロパティの値を、検知素子アレイの少なくとも１つの検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つにマップする検知アレイ付与プロパティ関数を特徴としてよく、イベントの位置は、検知素子アレイに関連付けられ得る位置グループから選択されてよく、複数の検知素子の各々は、位置グループの複数の位置に関連付けられてよい。
【００２７】
所与のプロパティは抵抗であってよい。
【００２８】
所与のプロパティは感度であってよい。
【００２９】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、導電性ナノ粒子であってよい。
【００３０】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、ナノチューブであってよい。
【００３１】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、ナノワイヤであってよい。
【００３２】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、カーボンナノチューブであってよい。
【００３３】
１または複数のピエゾ抵抗材料は、カーボンナノワイヤであってよい。
【００３４】
圧力検知デバイスは、検知素子アレイに結合されてよく、アレイの複数の検知素子の少なくともいくつかの抵抗を検知しイベントの位置および負荷を決定するように構成され得る検知回路を含んでよい。
【００３５】
圧力検知デバイス９において、検知素子アレイの検知素子の少なくとも２つは、それらの検知素子付与プロパティ関数が互いに異なる。
【００３６】
検知素子の検知素子の少なくとも２つは、互いに反対称であってよい検知素子付与プロパティ関数を有する。
【００３７】
圧力検知デバイスは、圧力検知素子のペアを有し、これは、ペアの検知素子の所与のプロパティの値を、ペアの検知素子の少なくとも１つに付与された変形イベントの位置および負荷のうちの少なくとも１つにマップする、命令的であってよい所与のプロパティ関数によって特徴付けられてよい。
【００３８】
ペアの検知素子は、互いに反対称であってよい検知素子付与プロパティ関数を有する。
【００３９】
検知素子のアレイは、互いにほぼ平行であってよい２つの検知素子を含んでよいストリップであってよい。
【００４０】
圧力検知デバイスにおいて、検知素子アレイは、検知素子の第１および第２の層を含んでよく、検知素子の第１の層は、検知素子の第２の層の上に位置してよい。
【００４１】
検知素子の第１および第２の層は、互いにほぼ平行であってよい。
【００４２】
検知素子の第１および第２の層は、互いにほぼ垂直であってよい。
【００４３】
検知素子の第１および第２の層は、互いに対して方向付けられてよい。
【００４４】
圧力検知デバイスは、第１および第２の層の間に位置し得る中間絶縁層を含んでよい。
【００４５】
圧力検知デバイスは、第１および第２の層の間に位置し得る少なくとも１つの中間層を含んでよい。
【００４６】
圧力検知デバイスは、第１および第２の層の少なくとも１つの外側面に結合され得る少なくとも１つの保護層を含んでよい。
【００４７】
圧力検知デバイスにおいて、複数の検知素子の各々は、位置グループの少なくとも１００の位置に関連付けられてよい。
【００４８】
検知回路は、導体のセットによって検知素子アレイに結合されてよく、導体の数は、複数の検知素子の数の次数であってよい。
【００４９】
検知素子アレイは可撓性であってよい。
【００５０】
圧力検知デバイスにおいて、複数の検知素子の検知素子は、検知素子の長手方向軸に沿って単調変化する空間特性を有する。
【００５１】
空間特性は、検知素子の幅であってよい。
【００５２】
空間特性は、検知素子の高さであってよい。
【００５３】
圧力検知デバイスにおいて、複数の検知素子の検知素子は、検知素子の軸に沿って変化する導電性ナノ粒子濃度特性を有する。
【００５４】
圧力検知デバイスにおいて、複数の検知素子の検知素子は、検知素子の長手方向軸に沿って単調変化する導電性ナノ粒子濃度特性を有する。
【００５５】
圧力検知デバイスにおいて、複数の検知素子の検知素子は、検知素子が圧力を受けていない場合、検知素子の長手方向軸に沿って単調変化する抵抗を有する。
【００５６】
圧力検知デバイスにおいて、各検知素子はストリップであってよい。
【００５７】
本発明の様々な実施形態によると、検知デバイスの様々な領域を被覆するように連続的に配置され得る検知素子の複数のペアを含み得る圧力検知デバイスが提供されてよく、検知素子の各ペアは、１または複数のピエゾ抵抗材料を含み得る第１および第２の検知素子を含んでよく、第１の検知素子は第１の勾配を有し、第２の検知素子は第２の勾配を有し、第２の勾配は第１の勾配とは異なり、第１および第２の厚さ勾配は、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にする。
【００５８】
検知素子の複数のペアは、検知素子のペアの各々への独立したアクセスを提供する導体に結合されてよい。
【００５９】
圧力検知デバイスにおいて、検知素子の複数のペアは可撓性基板に結合されてよく、可撓性基板の屈曲点を検知するように構成されてよい。
【００６０】
様々な領域は、連続的に位置する領域であってよい。
【００６１】
様々な領域は、重なり合わなくてよい。
【００６２】
様々な領域は、部分的に重なり合う。
【００６３】
本発明の様々な実施形態によると、上述した圧力検知デバイスのいずれかを作動させるための方法および／または上述した圧力検知デバイスのいずれかを製造するための方法が提供されてよい。
【００６４】
本発明の様々な実施形態によると、検知するための方法が提供されてよく、方法は、１または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を含む圧力検知デバイスを設けることであって、第１の検知素子は第１の勾配を有し、第２の検知素子は第２の勾配を有し、第２の勾配は第１の勾配とは異なり、第１および第２の勾配は、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にすることと、圧力検知デバイスによって、イベントの負荷および位置を検知することとを含んでよい。
【００６５】
本発明の様々な実施形態によると、検知するための方法が提供されてよく、方法は、１または複数のピエゾ抵抗材料を備える複数の検知素子を備える検知素子アレイを含む圧力検知デバイスを設けることであって、検知素子アレイは、複数の検知素子の所与のプロパティの値を、検知素子アレイの少なくとも１つの検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および／または負荷にマップする検知アレイ付与プロパティ関数を特徴とし、イベントの位置は、検知素子アレイに関連付けられた位置グループから選択され、複数の検知素子の各々が、位置グループの複数の位置に関連付けられることと、圧力検知素子によって、イベントの負荷および位置を検知することとを含んでよい。
【００６６】
本発明の様々な実施形態によると、検知するための方法が提供されてよく、方法は、検知デバイスの様々な領域を被覆するように連続的に配置された検知素子の複数のペアを含む圧力検知デバイスを設けることであって、検知素子の各ペアは、１または複数のピエゾ抵抗材料を備える第１および第２の検知素子を備え、第１の検知素子は第１の勾配を有し、第２の検知素子は第２の勾配を有し、第２の勾配は第１の勾配とは異なり、第１および第２の厚さ勾配は、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの負荷および位置の決定を容易にすることと、圧力検知デバイスによって、イベントの負荷および位置を検知することとを含んでよい。
【００６７】
本発明とみなされる主題事項は、本明細書の終わりの部分において詳しく示され、明確に主張される。しかし、本発明は、構成および動作方法の両方に関して、それらの目的、特徴、および利点とともに、添付図面を併読しながら以下の詳細な説明を参照することによって最も良く理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係るストリップを示す。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係るストリップを示す。
【図２】本発明の実施形態に係るストリップおよび較正ステージ中にストリップを走査し様々な位置に圧力を付与する試験素子を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る、予測負荷と実際の負荷との相関係数を示す。
【図４】本発明の実施形態に係る、予測位置および実際の位置を示す。
【図５】本発明の実施形態に係る、様々な位置における０．０２〜１．５ｇｒの範囲内の負荷の連続的な変形イベントに対するストリップの反応を示す。
【図６】本発明の実施形態に係る、図１のストリップにおける位置および負荷を予測するための数学的モデルを示す。
【図７】本発明の実施形態に係るストリップを含むパッチおよび指を示す。
【図８】本発明の実施形態に係る２層アレイを含むストリップを示す。
【図９】本発明の実施形態に係る、図８のストリップの負荷および位置の予測結果を示す。
【図１０】本発明の実施形態に係る、図８のストリップに接触している指および特定の位置に付与された圧力を示す。
【図１１】本発明の実施形態に係る長方形２層検知素子アレイを示す。
【図１２】本発明の実施形態に係る、配線および／または読出し回路の数または複雑性と次元との関連性を示す。
【図１３】本発明の実施形態に係る実験結果を示す。
【図１４】本発明の実施形態に係る方法を示す。
【図１５】本発明の実施形態に係る方法を示す。
【図１６】本発明の実施形態に係る、市販の銀インキを用いて接点がプリントされ、カスタムメイドの金ナノ粒子インキを用いて検知層がプリントされたセットアップの画像を示す。
【図１７】本発明の実施形態に係るマルチ曲げ監視ストリップ（ＭＢＭＳ）を示す。
【図１８】本発明の実施形態に係る輪状検知素子を示す。
【図１９】本発明の実施形態に係る、幅勾配を有するプリントヘキサンチオールキャップ化ＮＰを示す。
【図２０】本発明の実施形態に係る、一定速度の歪みに対する幅勾配センサの感度を、検知ストリップに沿った位置の関数として示す。
【図２１】本発明の実施形態に係る、勾配が幅勾配である２次元アレイの２層を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を提供するために数々の具体的な詳細が記載される。しかし、当業者には、それらの具体的な詳細がなくとも本発明が実施され得ることが理解される。他の例では、既知の方法、手順、および構成要素は、本発明を不明瞭にしないために詳しく説明されていない。
【００７０】
本発明とみなされる主題事項は、本明細書の終わりの部分において詳しく示され、明確に主張される。しかし、本発明は、構成および動作方法の両方に関して、それらの目的、特徴、および利点とともに、添付図面を併読しながら以下の詳細な説明を参照することによって最も良く理解され得る。
【００７１】
単純かつ明確に図示するために、図面内の要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことが理解される。たとえば、いくつかの要素の寸法が、明確化のために他の要素に比べて拡大され得る。また、適当である場合、対応する要素または類似の要素を示すために図面間で参照番号が繰り返し用いられ得る。
【００７２】
本発明の図示された実施形態は、大部分が当業者には既知である電子部品および回路を用いて実装され得るので、本発明の基礎となる概念の理解および認識のため、かつ本発明の教示から逸脱しそれを不明瞭にしないために、上述したように必要とみなされる範囲以上の詳細は説明されない。
【００７３】
本明細書における方法への任意の言及は、その方法を実行することができるデバイスについて準用されるものとする。
【００７４】
本明細書におけるデバイスへの任意の言及は、そのデバイスによって実行され得る方法について準用されるものとする。
【００７５】
本発明の実施形態によると、検知素子を有し、検知素子の数よりさらに細かい空間分解能を有するデバイスが提供される。すなわち、各検知素子が複数の可能な位置を表し、複数ピクセルに相当し得る。このデバイス特性は、デバイスが単一の位置ごと、すなわちピクセルごとに検知素子全体を割り当てないため、「非ピクセル化」と称される。
【００７６】
本発明の実施形態によると、（ａ）１または複数のピエゾ抵抗材料から作られ、またはそれを含み、第１の勾配を有する第１の検知素子と、（ｂ）１または複数のピエゾ抵抗材料から作られ、またはそれを含み、第１の勾配とは異なる第２の勾配を有する第２の検知素子とを含む圧力検知デバイスが提供される。ピエゾ抵抗材料は、たとえば圧力または歪みへの反応としてその抵抗力を変化させ得る。
【００７７】
第１および／または第２の検知素子に含まれるピエゾ抵抗材料の非限定的な例は、ナノ粒子、カーボンナノチューブ、およびナノワイヤを含む。様々な実施形態において、第１および／または第２の素子は、導電性および半導電性ポリマーを含んでよい。
【００７８】
説明を簡潔にするために、以下の説明はナノ粒子を参照する。ナノ粒子への任意の言及は、限定ではないがたとえばカーボンナノチューブまたはナノワイヤなどのピエゾ抵抗材料への言及について準用されるものとする。
【００７９】
勾配の非限定的な例は、厚さ勾配、幅勾配、濃度勾配、抵抗勾配、歪み感度勾配、キャッピング層厚さ勾配、断面勾配などを含んでよい。
【００８０】
説明を簡潔にするために、以下の説明は、厚さ勾配を参照する。厚さ勾配への任意の言及は、限定ではないがたとえば幅勾配、濃度勾配、抵抗勾配、歪み感度勾配、キャッピング層厚さ勾配、断面勾配など他の任意の勾配への言及について準用されるものとする。
【００８１】
本発明の実施形態によると、複数の導電性ナノ粒子を備え、第１の厚さ勾配を有する第１の検知素子と、複数の導電性ナノ粒子を備え、第１の厚さ勾配とは異なる第２の厚さ勾配を有する第２の検知素子とを含んでよいナノ粒子圧力検知デバイスが提供され得る。第１および第２の検知素子は抵抗を有し、それが検知回路によって読み取られると、検知回路は、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および／または負荷を決定することができる。ナノ粒子圧力検知デバイスは、検知回路を含んでよい。第１および第２の検知素子の非限定的な例は、金ナノ粒子である。
【００８２】
本発明の実施形態によると、複数の検知素子を備える検知素子アレイを含んでよいナノ粒子圧力検知デバイスが提供されてよく、各検知素子は、複数の導電性ナノ粒子を備え、検知素子アレイは、複数の検知素子の抵抗を、検知素子アレイの少なくとも１つの検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および／または負荷にマップする検知アレイ抵抗関数を特徴とする。検知素子アレイは、１次元、２次元、可撓性、ストリップ状などであってよい。検知素子アレイは、検知素子の１または複数の層を含んでよい。検知素子アレイは、検知素子アレイに結合され、アレイの複数の検知素子の少なくともいくつかの抵抗を検知し、イベントの位置および負荷を決定するように構成された検知回路であってよい。イベントの位置は、検知素子アレイに関連付けられた位置グループから選択される。複数の検知素子の各々が、位置グループの複数の位置に関連付けられる。
【００８３】
本発明の実施形態によると、３つの端末を介して取得されたものを２つの抵抗測定値に関する読出しデータのみに減少させる非ピクセル化スキンストリップのための反平行感度勾配を有する２つの平行金ナノ粒子（ＧＮＰ）ストリップを有する可撓性基板が提供される。スマートパッチは、検知ストリップに沿った位置および負荷荷重の両方の高感度予測を示し、たとえば温度、湿度、および揮発性有機化合物など様々な環境刺激に感応する。
【００８４】
以下の文章は、検知デバイスが、たとえば相反する厚さ勾配を有する互いに平行なＧＮＰ検知ストリップＧＳＳなどの検知素子の１または複数のペアを含むと仮定する。これは、非限定的な例にすぎない。
【００８５】
本発明の実施形態によると、相反する厚さ勾配を有する互いに平行な２つのＧＮＰ検知ストリップ（２‐ＧＳＳ）を備えた可撓性ポリマー箔が提供される。
【００８６】
検知素子の厚さは、検知素子の長手方向軸に対して（たとえば垂直に）配向された任意の虚軸に沿って測定され得る。厚さは、たとえば検知素子の高さ、検知素子の幅、または両者の組み合わせを表してよい。長手方向軸に沿った検知素子の厚さの変化は、検知素子の断面における変化を表してよい。
【００８７】
図１Ａは、本発明の実施形態に係る、可撓性基板３０に取り付けられ、互いに離間した２つのＧＳＳ１１および１２を含むストリップ１０を示す。両方のＧＳＳは反対方向に傾斜した三角形状を有し、一方のＧＳＳでは右端が最大高さであり、他方のＧＳＳでは左端が最大高さである。ただし、ＧＳＳの断面は他の様式で変化してよい（たとえば、図１Ｂに示すようにＧＳＳの幅が反対称に変化し、および／または高さと幅両方の組み合わせが変化してもよい）。また図１Ｂは、導体５０および検知回路７０も示す。検知回路７０は、第１および第２のＧＳＳ１１および１２の抵抗を測定する。ただし、導体５０の数は、４または４以外であってよい。たとえば、１つの導体がＧＳＳ１１および１２の各々の一端に平行に連結されてよい。抵抗を検知することは、ＧＳＳの導電性の検知、あるいはイベントの発生を示す検知素子の任意の電気および／または磁気パラメータの任意の検知に等しいことに留意する。
【００８８】
図２は、本発明の実施形態に係る、２つのＧＳＳ１１および１２、導体５０、および較正段階中に２つのＧＳＳを走査し様々な位置に圧力を付与する試験素子４０を含むストリップ１０を示す。ＧＳＳは８ｍｍの距離にわたって伸長し、互いに０．５ｍｍ離間する。図２はまた、５０ナノメートルのスケールバーを有する、ＧＳＳの１つの走査電子顕微鏡画像６０も示す。
【００８９】
厚さにおける段階的変化に起因して、ＧＳＳ１１および１２の電気特性（抵抗または導電性）は、長手方向寸法に沿って隣接したストリップと反対方向に変化する。したがって、特定の位置で負荷を受ける隣接ストリップの抵抗を測定することにより、負荷荷重および検知ストリップ１０に沿ったその位置の両方の正確な計算が可能である。
【００９０】
ストリップは、たとえば図１Ｂの検知回路７０などの検知回路を含むか、またはそれに結合されてよいことに留意する。検知回路７０は、任意の既知の方法によって抵抗を測定するように構成されてよい。検知回路７０は、ＧＳＳの近傍に位置するか、または遠い距離に位置してよい。検知回路は、可撓性パッチの一部であってよく、またはパッチに結合されてもよい。
【００９１】
ＧＳＳは、任意の適用可能な方法によって製造されてよい。たとえばＧＳＳは、センチメートル長さのＧＮＰ線の製造に適した「推進式アンチピンニングインク液滴（ＰＡＰＩＤ）」製造工程によって製造されてよい。
【００９２】
ＰＡＰＩＤアプローチを用いて、反対方向の厚さ勾配および５０ＭΩまでの抵抗を有する２つの長さ８ｍｍのＧＮＰ検知ストリップ（２‐ＧＳＳ）が、ポリイミド箔のストリップの上に製造された。高分解能走査電子顕微鏡を用いて断面厚さ勾配および関連する形態が調査および検証された。
【００９３】
一般的に、ストリップの「厚い」エッジセグメント、中間セグメント、およびＧＳＳの「薄い」エッジセグメントの平均厚さは、それぞれ約４ミクロン、１．５ミクロン、および０．５ミクロンである。「厚い」、中間、および「薄い」セグメントの検知ストリップに沿った様々な平均厚さは、たとえば３００ｎｍ、２００ｎｍ、および１００ｎｍなど、さらに小さくてもよい。
【００９４】
ＧＳＳは、ＧＳＳストリップの上に連続的な（または欠陥のない）ＧＮＰの被覆を設ける。ＧＳＳは室温で動作してよく、これは可撓性プリントエレクトロニクスに関して有利である。ＧＳＳ、導体、および基板は、導電性電極および検知ストリップの両方が同じＧＮＰ溶液および同様の製造工程を用いて製造される、単純な製造工程を用いて製造されてよい。
【００９５】
発明人は、様々な位置に一定速度の変形が適用された際の２‐ＧＳＳの抵抗を（２秒ごとに約１０回）測定した。予測された負荷は、既定の較正方程式セットに基づいて計算された。
【００９６】
予測された負荷と実際の負荷との相関係数は、２‐ＧＳＳに沿って（１ｍｍ間隔の）８つの位置について計算された。その結果は、図３のグラフ１００に提示されたように、全ての位置で高い相関（約０．９９）を示した。
【００９７】
図３の挿入図１１０は、予測された負荷対実際の負荷の典型的なグラフを表す。この挿入図において、わずか０．０１４ｇｒの負荷変動が検出可能であった。この負荷は、単一のピクセルを用いた場合に報告された最小の検出可能な負荷に匹敵する。
【００９８】
予測された負荷に基づいて負荷／歪みが付与された位置を予測するために、同じ方程式のセットが用いられた。予測された位置対実際の位置は、図４のグラフ１２０に提示される。円は算出結果を表し、黒線は完全相関を表している。
【００９９】
図４の挿入図１３０は、全ての負荷に対する予測された位置の例である。２‐ＧＳＳに関する（厚さ勾配方向に沿った）算出位置分解能は＜１ｍｍであり、これはセンサの感圧アレイに関して今のところ報告された最高位置分解能の１つである。
【０１００】
提示された非ピクセル化スマートパッチの場合、ピクセル化技術の場合ほど、また大規模アプリケーションをセットバックする場合ほどには、デバイスの最終的な寸法が高密度な配線による影響を受けない。
【０１０１】
ＧＳＳは、全体抵抗がローカルレジスタの抵抗の総和と等しい一続きの電気レジスタに匹敵し得る。したがって、所与の位置における変形イベントは、同じ歪みを有するが異なる位置で生じた変形イベントとは異なる特性を有する抵抗変化をもたらす。様々な位置での０．０２〜１．５ｇｒの範囲の負荷の連続的な変形イベントに対する経時的なＧＳＳデバイスの反応が図５のグラフ１４０および１５０に提示され、上側グラフ１４０は第１のＧＳＳ１０に関し、下側グラフ１５０は第２のＧＳＳ１２に関する。
【０１０２】
たとえば、グラフ１５０の位置１のようにＧＳＳデバイスの高抵抗（低厚さ）セグメントを変形させると、全体抵抗における変化が著しく、変形に対する高い反応が記録される。相反する勾配を有する２つのＧＳＳの併用は、２つの既定の較正方程式および読出しデータとしての２つのみの抵抗測定値に基づいて圧力／歪みおよび位置を検知し、スマートパッチとして機能し得る１次元センサをもたらす。
【０１０３】
リニアセンサにおける特定の位置での負荷に対する単一のＧＳＳの反応は、撓みセンサの電気抵抗Ｒと、撓みが適用されない電気抵抗Ｒｂとの差として、Ｒｂに対して計算された。
【０１０４】
２‐ＧＳＳストリップは、４つのＰＤＭＳ支部の上で組み立てられた。厚さ１００μｍのポリエステルシートが一定速度（１．５ｍｍ／秒）でストリップをプレスすることによって、ストリップに負荷が加えられた。このセットアップにおける負荷荷重の範囲は、０．０２〜１．５ｇｒであった。各位置（１〜８）において負荷が増加され、その後低減される間、ＧＳＳの抵抗が記録された。
【０１０５】
図６は、図１Ａのストリップ１０および１１における位置および負荷を予測するための数学的モデルを示す。
【０１０６】
２‐ＧＳＳデバイスにおける変形イベントの負荷および位置を予測するためのモデルは、各ＧＳＳに１つである２セットの較正実験に基づく。
【０１０７】
較正プロセスにおいて、２‐ＧＳＳデバイスがデバイスに沿った様々な特定の位置（ｘｉ）で連続的に撓まされる間、その結果生じる各ＧＳＳの負荷および抵抗の変化を各位置で測定する。
【０１０８】
表２１０にまとめられるように、第３および第４の段を参照すると、これらの負荷および抵抗測定値から、各特定の位置ｘｉにおいて各ＧＳＳについてリニアフィットが調整され、各ＧＳＳに関するリニアフィットのセットが求められる。
【０１０９】
たとえば、特定の位置ｘ１で連続的に撓みを加える場合、ＧＳＳ１の抵抗Ｒ１における変化は直線状である。特定の位置での負荷に対する感度は傾斜ａ１であり、これは、抵抗の変化を負荷の関数として定義する。
【０１１０】
切片Ｃは、負荷が加えられていない時のＧＳＳの抵抗である。
【０１１１】
第１および第２のＧＳＳ１１および１２それぞれの負荷感度と位置ｘｉとの間のリニアフィットによって、２つの新たな方程式Ｒ１＝（Ａ１ｘ＋Ｂ１）Ｐ＋ＣＲ２＝（Ａ２ｘ＋Ｂ２）Ｐ＋Ｄが求められる。
【０１１２】
これら２つの方程式を足すと、負荷が加えられていない時のＧＳＳの抵抗（ＣおよびＤ）によって２つの較正方程式のセットが求められ、これは、グラフ２２０に示すように、測定された各ＧＳＳの抵抗Ｒ１およびＲ２と、ＧＳＳに加えられた負荷およびその位置の両者との相関を定義する。
【０１１３】
図６もまた、本発明の実施形態に係る、ストリップ１０に沿った特定の位置における負荷２３０のアプライアンスを示す。第１および第２のＧＳＳ１１および１２の各々は、濃淡の変化を伴う直線２１１および２１２によって示される。濃淡の変化は、ＧＳＳ１１および１２の各々の高さ（または幅）の変化または局所的シート抵抗を表す。２つの較正方程式によって、ユーザは、２つのＧＳＳの抵抗を測定するだけで、負荷および負荷荷重の位置を計算することができる。圧力（２３０）のアプライアンスの推定位置２４１は、ストリップ２４０の黒線２４１によって示される。
【０１１４】
図７は、本発明の実施形態に係る、人間の手３０の指に接触するストリップ１０を示す。ストリップ７０は、導体を介して検知回路７０に結合される。検知回路７０は、検知ＧＳＳ１１および１２の両方の抵抗を同時に（または連続して）測定し、２つの変数（負荷および位置）を用いて２つの方程式に基づいて数学的三角測量アルゴリズムを適用し、それによって２‐ＧＳＳに加えられた負荷およびストリップに沿ったその位置の両方がアナログ方式で予測され得る。
【０１１５】
本発明の実施形態によると、ＧＳＳおよび／またはストリップ自体は、ＧＳＳおよび／またはストリップに連結され得る保護層によって保護されてよい。保護層は、たとえばＧＳＳおよび／またはストリップを圧力から隔絶しない程度に薄く、可撓性であってよい。保護層は、（圧力が加えられると予想される側の位置に向いた）外側面および／または内側面においてＧＳＳおよび／またはストリップに連結されてよい。
【０１１６】
図８は、本発明の実施形態に係る２層アレイ１０’を示し、ＧＳＳ１１および１２のペアは、ＧＳＳの間に設置されＧＳＳを物理的損傷から保護する１または複数のＰＤＭＳ層８１および８２と上下に重なり合うように配置された。第１および第２のＧＳＳの間に、層を互いに電気的に分離する中間層が設けられてよいことに留意する。図９のグラフ１６０および１７０は、本発明の実施形態に係る、負荷および位置の予測結果を示す。位置分解能は１ｍｍのままであるが、このセットアップに適用される負荷は、デバイス基板が厚いことにより高くなる（４．５ｇｒ〜３５ｇｒの負荷範囲）。この負荷範囲は、図１０に提示するように、指の１μｍ径の先端を検知するために適している。図１０は、本発明の実施形態に従って、ストリップ１０’に接触している指３００および特定の位置２３０にかかる圧力を示す。ＧＳＳ１１および１２は導体５０を介して検知回路（不図示）に結合される。また、ＰＤＭＳ保護層は、デバイスと皮膚との高い密着性を提供する。非ピクセル化スマートパッチは、多数のピクセル、大量の読出しデータ、および多数の配線が技術進歩を妨げる、手術用ロボットおよび装着型センサなどの適用範囲で埋め込まれ得る。したがって、提示される技術は、高精度の位置および負荷／歪み検知のための３端子１次元電子スキンとして適用可能である。
【０１１７】
図１１は、本発明の実施形態に係る、検知素子の第１層３１１、検知素子の第２層３１２、および導体と基板との組み合わせ３２０を含む２次元検知デバイス３００を示す。各層の検知素子は互いに平行であり、他方の層の検知素子に対して（たとえば９０度に）方向付けられる。層の検知素子は、たとえばＧＳＳ１１および／または１２であってよい。同一層の検知素子は、対称または非対称の抵抗勾配を有してよく、同じ抵抗勾配を有してもよく、または互いに異なってもよい。あるいは、同一層のいくつかの検知素子が同じ抵抗勾配を有し、同一層の他のいくつかの検知素子が異なる抵抗勾配を有してもよい。
【０１１８】
図１２のグラフ１８０は、（マトリクス次元と称される）ピクセルまたは検知ストリップの２次元アレイと、配線および／または読出し回路の数または複雑性との関連性を示す。挿入図１９０は、圧力センサのピクセル化アレイと、差がなく同等なスマートパッチとの、読出しまたは必要な配線の差を表す。
【０１１９】
実験結果
【０１２０】
焼結およびその結果生じるＧＮＰの拡張は、ＧＳＳデバイスの検知特性に影響を及ぼす。ＧＮＰフィルムの抵抗は、焼結時間の増加とともに減少し（グラフ４１０）、これはＧＮＰの実際の拡張に対応する。たとえば、最初のＧＳＳ抵抗が２．７・１０８Ωであり、その後１５０℃で５分間の焼結後に９．５・１０６Ωまで減少し、合計２２．５分間の焼結後、最終的に５・１０４Ωに至った。この抵抗の減少は、適用可能なデバイス抵抗（〜５・１０８Ω）を有するセンチメートル規模のＧＳＳを製造するために必要である。
【０１２１】
スマートパッチアプリケーションの場合、歪み（または圧力）に対する高い耐久性および感度が重要な要件である。ＧＮＰデバイスの疲労試験が過去の報告において実行された。再現可能かつ信頼性の高い応答は、最大１０，０００回のバンディングサイクルまで記録された。ＧＮＰベースのセンサの歪みに対する感度は主に、隣接するナノ粒子間のトンネル機構によるものである。平均ゲージ率（ＧＦ）および標準偏差がグラフ４２０に示される。
【０１２２】
結果は、３つのセクションに分割され得る。セクションＩにおいて、最初の１５分間の（１５０℃での）焼結中、最初の値５０から１３分間の焼結後の２２０までＧＦにおける段階的線形増加がある。実際、ＧＦは、ＧＮＰサイズの増加に伴い直線的に増加することが予想される。セクションＩＩにおいて、１８分間の焼結後、標準偏差における著しい（何十倍もの）増加を伴う、より高いＧＦ値（〜３００）への急上昇が観測される。セクションＩＩにおける高ＧＦ測定値の変化は、焼結工程が小さい（５分間）限り継続する。この現象は、トンネル機構ではなく、曲げ工程における亀裂の形成に起因するものと考えられ得る。最後に、セクションＩＩＩにおいて、長い焼結時間（＞３５分間）に、ＧＦは〜２５の比較的低い値まで減少する。低いＧＦ値は、金属に似た性質に関連する。
【０１２３】
第２セクションにおける曲げ中の亀裂形成の構造に関して、１５０℃で２０分間の焼結工程後の平面および湾曲（〜１０ｍｍの曲率半径）ＧＳＳデバイスが、ＡＦＭを用いて同様の位置で走査された（画像４３０）。どちらの場合も、１００〜５００ｎｍの径範囲の集合体が見られる。しかし、湾曲デバイスの画像では、それらの集合体の間隔がより大きく、歪み検知機構として亀裂開口部の機構を支持する。圧力／歪み検知を制御する機構の研究は、トンネル機構および不安定な亀裂形成の回避による高感度の非ピクセル化スマートパッチの製造を可能にする。
【０１２４】
グラフ４４０は、小さい圧力（０．００１５〜０．５ｋＰａ）、２４％ｋＰａ−１、および１５Ｐａの高い検出限界に対する感度を提示する。また、負荷への反応は線形性が高く、負荷の増加および減少に対する性質は同様である。能動素子としてＯＦＥＴを用いることによる高い感度が近年報告された。しかし、報告されたＯＦＥＴは、高い動作電圧（＞２０Ｖ）を必要とするが、本明細書に提示されるデバイスはわずか０．５Ｖの電圧で動作することができ、それによってモバイルおよびポータブルアプリケーションに適したものとなる。非ピクセル化アプローチの他の傑出した利点は、他の全てのスマートパッチアプローチでは多数のピクセルの配線および同時測定がこの技術の将来的な応用性を妨げているのに対し、負荷および位置の高精度の読出しのために２つの抵抗測定値および３つの端子しか要さない点である。
【０１２５】
ＧＮＰ焼結プロセスは、温度、相対湿度（ＲＨ）、および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の検知など、ＧＮＰデバイスに備わった他の検知能を制御するために非常に役立つことがわかった。ＧＳＳデバイスの部分的焼結は、検知能力を制御および調整する新たな機会をもたらす。たとえば、温度に対する感度を制御することは、検知信号への温度関連干渉を減少させることができるので、歪み／圧力センサに関して非常に有利である。
【０１２６】
結論として、今日における最前線のタッチおよび位置検知技術は、タッチセンサのピクセル化アレイに頼っており、これは検知「ピクセル」間における高密度の配線網を必要とする。この弱点を克服するために、センサに沿った変形イベントの位置および歪み（または負荷）をリアルタイムで検知する可撓性リニア歪みセンサが提供される。可撓性ポリマー基板は、抵抗性歪み検知層として機能する２‐ＧＳＳとともに堆積されてよい。ポリマー箔の上にプリントされた２つの電極を用いて測定された各ＧＳＳの抵抗は、ポリマー箔の変形に比例して変化する。２‐ＧＳＳの各々のＮＰフィルムは、線に沿って（２つの検知ストリップが反対方向に）厚さ勾配を有するように意図的に堆積されるので、各線の抵抗変化は、線に沿った変形イベントの位置にも比例する。この単純な設計において、センサは、２つの負荷および位置較正方程式と２つの抵抗読出し情報とを用いて、２‐ＧＳＳに付与された圧力およびデバイスに沿った変形イベントの位置の両方を予測する。また、検知フィルムを有するポリマー箔は、箔を支持し、皮膚に似た特性を箔に与えるように、たとえばＰＤＭＳなどの伸縮性基板に接着され得る。説明される技術の将来的展望は、広範囲の検知のためにＧＳＳのアレイをプリントすることを含む。新たなプリント技術およびパターニング技術に起因するＧＳＳの勾配特性のより良い制御は、負荷および位置感度をさらに増加させ、スマートパッチアプリケーションのための製造し易く単純な技術を提供する。様々な方向のそのようなアレイを２Ｄ方式で有する層は、テクスチャ表面または複数の歪み位置の検知を可能にし得る。
【０１２７】
デバイス製造。
【０１２８】
カプトン基板はデュポン社から受け取った。
【０１２９】
電極を製造する事前準備として、基板は、１５０℃のＵＶＯ洗浄処理を５分間受けた後、エタノール、アセトン、およびイソプロピルアルコールで洗い流された。金電極は、ヘキサンチオール（ＨＴ）カプセル化ＧＮＰのインク（ＧＮＰの合成手順はＳＩ、セクション６に詳述される）を使用し、推進式アンチインキ液滴（ＰＡＰＩＤ）堆積アプローチによって、３００℃で１時間の焼結を伴って製造された。手短に言うと、ＨＴカプセル化ＧＮＰが７：３のトルエン：ノナンの溶液内に懸濁し、４２ｍｇ（ＧＮＰ）／ｍｌ（溶液）の濃度に至った。これら２つの異なる溶剤の組み合わせによって、制御された方法で基板を傾けることによってインキの静液滴を誘発し、ＧＮＰ痕跡を生じさせることができた。ＧＮＰ痕跡はその後焼結され、数十オームでの抵抗を有する超薄型導電性電極が生じた。ポイントデバイスの電極は１ｍｍ間隔で製造されたが、ＧＳＳデバイスについては８ｍ間隔が採用された。ＧＳＳのＧＮＰフィルムは、金電極の頂部に対して垂直に動かされる同じＨＴカプセル化ＧＮＰインキの静液滴を用いて、同様に製造された。ＧＳＳの焼結は、様々な期間にわたり１５０℃で行われた。
【０１３０】
図１４は、本発明の実施形態に係る方法５００を示す。
【０１３１】
方法５００は、第１および第２の検知素子の抵抗を検知するステージ５１０によって開始してよい。第１の検知素子は、複数の導電性ナノ粒子を含み、第１の厚さ勾配を有してよい。第２の検知素子は、複数の導電性ナノ粒子を含んでよい。第２の検知素子は、第１の厚さ勾配とは異なる第２の厚さ勾配を有する。
【０１３２】
ステージ５２０はステージ５１０に後続し、第１および第２の検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および／または負荷を決定することを含んでよい。方法５００は、本明細書において言及される圧力検知デバイスのいずれかについて準用されてよい。
【０１３３】
図１５は、本発明の実施形態に係る方法６００を示す。
【０１３４】
方法６００は、検知素子アレイの複数の検知素子の少なくともいくつかの抵抗を検知するステージ６１０によって開始してよい。検知素子アレイは、複数の検知素子を含んでよい。各検知素子は、複数の導電性ナノ粒子を含んでよい。検知素子アレイは、検知素子アレイの少なくとも１つの検知素子への圧力付与を伴うイベントの位置および／または負荷に、複数の検知素子の抵抗をマップする検知アレイ抵抗関数を特徴としてよい。
【０１３５】
ステージ６２０はステージ６１０に後続し、イベントの位置および／または負荷を決定することを含んでよい。イベントの位置は、検知素子アレイに関連付けられた位置グループから選択される。複数の検知素子の各々が、位置グループの複数の位置に関連付けられる。ステージ６１０は、イベントの負荷および位置のどちらかだけを決定および／または出力することを含んでよい。
【０１３６】
圧力検知デバイスは、従来のプリント方法（たとえば、インクジェットプリント、パッドプリント）を用いて全体的にプリントされてよく、それによって導電層および検知層の両方が可撓性基板上にプリントされる。
【０１３７】
方法６００は、本明細書において言及される圧力検知デバイスのいずれかについて準用されてよい。
【０１３８】
図１６は、本発明の実施形態に係るセットアップ７６０の画像であり、ここでは、市販の銀インキを用いて接点がプリントされ、（ＮＰのキャッピング層としてヘキサンチオールが使用された）カスタムメイドの金ナノ粒子インキを用いて検知層がプリントされた。
【０１３９】
図１７は、本発明の実施形態に係る、マルチ曲げ監視ストリップ（ＭＢＭＳ）７７０を示す。
【０１４０】
図１７は、連続的に配置された反平行検知ストリップの４つのペア７７１、７７２、７７３、および７７４を示し、反平行検知ストリップの各ペアは、ＭＢＭＳの長手方向軸に沿ってＭＢＭＳの様々なセグメントを「被覆」する。反平行検知ストリップの各ペアは、反平行検知ストリップの他のペアから（導体７７５を介して）独立して自身の読取り情報を提供するように構成される。
【０１４１】
反平行検知ストリップのペアの間にはわずかな重なりがあってよい。あるいは、反平行検知ストリップの異なるペアの間に重なりがなくてもよい。
【０１４２】
ＭＢＭＳごとに４より少ない数または４より多い数のペアの反平行検知ストリップが存在してもよい。
【０１４３】
ＭＢＭＳは、一連の独立したペアの反平行検知ストリップを一列に含んでよい。反平行検知ストリップの独立したペアによって独立した屈曲点がＭＢＭＳに沿って監視され得るので、反平行検知ストリップの各ペアは（反平行検知ストリップの他のペアから独立して）単一の屈曲点を検知してよい。このように、各屈曲点は、連結された反平行検知ストリップの様々なセットによって検出および監視される。反平行検知ストリップのペアのサイズが指の様々な骨に適合すると、ＭＢＭＳは指の動きを正確に監視し得る。
【０１４４】
図１８は、本発明の実施形態に係る、輪状検知素子７８０を示す。
【０１４５】
図１８において、勾配は、輪に沿って放射状に変化する幅勾配である。反平行検知ストリップのペアは、円弧状ストリップ７８１および７８２を含む。
【０１４６】
この方法では、アーチ形反平行検知ストリップに沿ったタッチポイントの平均位置は、測定された２本のストリップの抵抗に従ってタッチレベル／力と同様に計算され得る。
【０１４７】
図１９は、本発明の実施形態に係る、幅勾配を有するプリントヘキサンチオールキャップ化ＮＰ７９０を示す。
【０１４８】
図２０は、本発明の実施形態に係る、一定速度の歪み（１．５ｍｍ／秒）に対する幅勾配センサの感度を、検知ストリップに沿った位置の関数として示すグラフ８００を含む。
【０１４９】
図２１は、本発明の実施形態に係る、勾配が幅勾配である２次元アレイ８１０の２つの層８１１および８１２を示す。
【０１５０】
図２１は、検知ストリップのペアおよび検知ストリップに結合された導体を示す。
【０１５１】
たとえば、反平行検知ストリップ８１１（３）および８１１（４）のペアにそれぞれ結合された第１層８１１の導体８１１（１）および８１１（２）を参照する。
【０１５２】
たとえば、反平行検知ストリップ８１２（３）および８１２（４）のペアにそれぞれ結合された第２層８１２の導体８１２（１）および８１２（２）を参照する。
【０１５３】
第１層の反平行検知ストリップのペアは、第２層の反平行検知ストリップのペアに対して直交する。
【０１５４】
本発明の様々な実施形態によると、圧力検知デバイスは、たとえばコンピュータ、ロボット、およびスマートオブジェクトなどのコンピュータ化デバイスに含まれ、および／または結合され、および／または取り付けられてよい。
【０１５５】
圧力検知デバイスは、タッチを検知し、コンピュータ化デバイスが自身の周囲環境を「感じる」ことを可能にするためのインタフェースおよび／または検知手段を提供してよい。
【０１５６】
圧力検知デバイスによって提供されるタッチ感覚は、コンピュータ化デバイスと、それに接触してくる何らかのものとの間の接触に関するコンピュータ化デバイスダイレクト情報を提供し、接触の性質（たとえば大きさ、位置、エネルギー、剛度、および触感）におけるほぼ瞬時のフィードバックを可能にする。
【０１５７】
圧力検知デバイスは、限定ではないがたとえば、コンピュータ化デバイスが周囲環境との相互作用を感じることを可能にする触覚スマートパッチなどの様々な素子に埋め込まれてよい。
【０１５８】
圧力検知デバイスによる利益を得ることがある使用および／またはアプリケーションの分野の非限定的な例は以下を含む。
【０１５９】
フォースマッピングストリップ／パッチ。
【０１６０】
（タッチ寸法の大きさを追加する）アナログタッチスクリーンまたはタッチパッド。
【０１６１】
外科医が身体組織および器官の触感を観察する際に役立ち得るタッチ検知式医療機器／用具（たとえば開腹手術における第１挿入針）。
【０１６２】
タッチ検知式ロボット。
【０１６３】
肢切断者にタッチ感覚を保持させる、触覚フィードバックを有する義肢。
【０１６４】
ロボット（または肢切断者）が、物体とそれを把持する指との間の滑り閾値を識別し、物体を把持することにより加える力が滑り閾値を上回る（および下回らない）ように調整することを可能にする、ロボット（または義肢）把持部／手部用の滑り閾値センサ。
【０１６５】
スマートスポーツ用品（把握力／衝撃力モニタリング）。
【０１６６】
理学療法およびリハビリテーションスマートグローブ／パッチ（運動および把握力モニタリング）。
【０１６７】
大気中および宇宙船内の亀裂および構造変形検出のための広範囲歪みモニタリング。
【０１６８】
タッチに反応する対話型オブジェクト。
【０１６９】
照明制御装置／スイッチ（たとえば、一方の端がスペクトルの赤色エッジであって他方の端がスペクトルの青色／紫色エッジであり、ユーザの指によってかかる力の大きさに従って制御される、スマートストリップによって独立制御される装着型ＲＧＢ  ＬＥＤストリップ）。
【０１７０】
サンプル音声制御装置（たとえば、ｘ軸が音声における音色を定め、ｙ軸が音階を定め、ユーザの指によってかかる力の大きさが音量を定める、サンプル音声のバリエーションを生成する楽器の類）。
【０１７１】
ＣＤＪデバイスにおけるジョグまたはピッチ調節器とそれぞれ同様に、ピッチ／速度を瞬間的または恒常的に変化させる、制御されたトラックピッチ／速度。
【０１７２】
限定ではないが、たとえば着信への応答、通話の終了、スマートフォン出力音量の増加または減少、トラック間でのスキップ、トラック内での走査など、重要な機能を制御するための（装着型ガーメントに埋め込まれ、または個別に着用する）装着型スマートフォンコントローラ。
【０１７３】
任意の２Ｄまたは３Ｄ幾何学形状（たとえば線形ストリップ状、輪状、長方形状、キャップ状など）を有するユニバーサルデバイス（たとえばＴＶ、ＡＣ、ビデオ、ステレオなど）用の強度調整および／または機能選択装置。
【０１７４】
ユーザがドローンの飛行方向およびドローンの上方または下方への加速を制御することを可能にするマルチロータまたはマルチコペルドローン制御装置。
【０１７５】
署名の形状および署名を書く過程で手によってパッドにかかる圧力を記録する署名パッド。
【０１７６】
トルク計量ストリップ。
【０１７７】
脈拍または心拍モニタリングパッチ。
【０１７８】
上記明細書において、本発明は、本発明の実施形態の特定の例に関して説明された。しかし、特許請求の範囲に記載したような本発明の幅広い主旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更が為され得ることは明らかである。
【０１７９】
また、上記説明および特許請求の範囲において「正面」、「背面」、「上部」、「底部」、「上」、「下」などの用語が存在する場合、それらは説明を目的として使用されており、必ずしも不変の相対位置を表すものではない。したがってそれらの用語は、本明細書で説明される本発明の実施形態が、たとえば本明細書において示され説明されるもの以外の方向でも動作することができるように、適切な状況下で相互置換的に使用されることが理解される。
【０１８０】
本明細書で説明されるような接続は、たとえば中間デバイスを介してそれぞれのノード、ユニット、またはデバイスと互いに信号を転送するのに適した任意の種類の接続であってよい。したがって、暗示または明示されない限り、接続はたとえば、直接的接続または間接的接続であってよい。接続は、単一の接続、複数の接続、一方向接続、または双方向接続であるものに関して示され、または説明され得る。しかし、様々な実施形態が接続の実装を変化させてよい。たとえば、双方向接続ではなく一方向接続が用いられてよく、逆もまた然りである。また、複数の信号を連続して、あるいは時間多重方式で転送する単一の接続の代わりに、複数の接続が用いられてよい。同様に、複数の信号を搬送する単一の接続は、これらの信号のサブセットを搬送する様々な異なる接続に分離されてよい。このように、信号を転送するための多数の選択肢が存在する。
【０１８１】
特定の導電型または電位極性が例において説明されたが、導電型および電位極性は逆であってもよいことが理解される。
【０１８２】
本明細書で説明される各信号は、正論理または負論理として設計されてよい。負論理信号の場合、信号はアクティブローであり、論理的に真の状態は論理レベル０に対応する。正論理信号の場合、信号はアクティブハイであり、論理的に真の状態は論理レベル１に対応する。ただし、本明細書で説明される信号はいずれも、負論理信号または正論理信号のいずれとして設計されてもよい。したがって、代替実施形態において、正論理信号として説明される信号が負論理信号として実現されてもよく、負論理信号として説明される信号が正論理信号として実現されてもよい。
【０１８３】
また、「アサートする」または「セットする」および「否定する」（または「デアサートする」または「クリアする」）という用語は、本明細書において、信号、ステータスビット、または同様の装置をそれぞれ論理的真または論理的偽の状態に翻訳することに言及する場合に用いられる。論理的真の状態が論理レベル１である場合、論理的偽の状態は論理レベル０である。また、論理的真の状態が論理レベル０である場合、論理的偽の状態は論理レベル１である。
【０１８４】
当業者は、論理ブロック間の境界が単なる例にすぎないこと、および代替実施形態が、論理ブロックまたは回路素子を併合し、あるいは様々な論理ブロックまたは回路素子に交互の機能分解を課してよいことを認識する。したがって、本明細書に示されるアーキテクチャは単なる典型にすぎず、同一の機能を果たす多数の他のアーキテクチャが実現されてよいことを理解すべきである。
【０１８５】
同一の機能を果たすための構成要素の任意の構成は、所望の機能が得られるように効果的に「関連付け」られる。したがって、本明細書において特定の機能を果たすために併用される任意の２つの構成要素は、アーキテクチャまたは中間構成要素に関係なく、所望の機能が果たされるように互いに「関連付けられた」ものとして見られてよい。同様に、そのように関連付けられた任意の２つの構成要素は、所望の機能を果たすために互いに「動作可能に接続」または「動作可能に結合」されたものとしても見られ得る。
【０１８６】
また、当業者は、上述された動作間の境界が単なる例にすぎないことを認識する。複数の動作が単一の動作にまとめられてよく、単一の動作が追加の動作に分散されてよく、動作は少なくとも部分的に時間的に重なって実行されてもよい。さらに、代替実施形態は、特定の動作の複数のインスタンスを含んでよく、動作の順序は、様々な他の実施形態において変更されてよい。
【０１８７】
また、たとえば１つの実施形態において、示された例は、単一の集積回路上に存在する回路として、または同一デバイス内に実装されてよい。あるいは、これらの例は、適切な方法で相互接続された任意の数の個別の集積回路または個別のデバイスとして実装されてもよい。
【０１８８】
しかし、他の改変例、変形例、および代替例も可能である。したがって本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的なものとして見なされるべきである。
【０１８９】
特許請求の範囲において、丸括弧の中に記載された任意の参照記号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるものではない。「備える」という用語は、請求項内でその後に列挙される他の要素またはステップの存在を除外するものではない。また、「ａ」または「ａｎ」という用語は本明細書で用いられる場合、１または複数として定義される。また、特許請求の範囲においてたとえば「少なくとも１つの」および「１または複数の」などの導入節を使用する場合、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による他の請求項の要素の導入は、同じ請求項が「１または複数の」または「少なくとも１つの」という導入節および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、そのように導入された請求項の要素を含む任意の特定の請求項を１つのそのような要素のみを含む発明に限定することを暗示するものとして解釈されてはならない。同じことが、定冠詞の使用にも当てはまる。特に明記されない限り、たとえば「第１の」および「第２の」などの用語は、そのような用語が記述する要素を任意に区別するために使用される。したがって、これらの用語は必ずしも、そのような要素の時間的優先順位または他の優先順位を示すことが意図されるものではない。特定の手法がそれぞれ異なる請求項に記載されるという事実のみで、これらの手法の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すことはない。
【０１９０】
本発明の特定の特徴が本明細書において示され説明されたが、多数の修正、代替、変更、および均等物が当業者には思い至るものである。したがって、以下の特許請求の範囲は、そのような修正および変更の全てを本発明の真の主旨に収まるものとして包含することが意図されることを理解すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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