本發(fā)明的領(lǐng)域涉及印刷傳感器、用于制造印刷傳感器的方法和用于使用印刷傳感器檢測壓力的方法。

背景技術(shù)：

1、通過將導(dǎo)電材料印刷到柔性基板上而制成的印刷傳感器在本領(lǐng)域中是眾所周知的，該印刷傳感器檢測物理輸入并對其進(jìn)行響應(yīng)，并將該輸入轉(zhuǎn)換為可被處理、存儲(chǔ)或傳輸?shù)碾娦盘?hào)。

2、文獻(xiàn)wo?2014/037016?a1公開了例如傳感設(shè)備，該傳感設(shè)備包括基板、印刷在基板上的傳感器油墨、印刷在傳感器油墨上的導(dǎo)電聚合物油墨、形成在聚合物油墨上的導(dǎo)電碳糊和印刷在導(dǎo)電碳糊上的導(dǎo)電銀油墨。

3、文獻(xiàn)wo?1997/004294?a1公開了采用分段電極結(jié)構(gòu)的力傳感器，該力傳感器的電極對中的一個(gè)電極的一部分印刷在第一背板上，該一個(gè)電極的另一部分印刷在第二板上。當(dāng)它們并置時(shí)，它們形成了連續(xù)的電極。該電極對中的另一個(gè)電極也形成在第一背板上，并與第一電極配合以指示何時(shí)向該電極對彼此重疊的區(qū)域中施加負(fù)載。

4、文獻(xiàn)us?7?073?387?b2公開了可植入壓力傳感器及其制造方法和使用方法。至少一些主題壓力傳感器的特征是它們是低漂移傳感器。可表示的壓力傳感器的附加特征包括存在以這樣的方式安裝在基板上的柔性構(gòu)件，該柔性構(gòu)件具有第一和第二相對的暴露表面，并且被定位成至少靠近所述壓力傳感器的中性平面。主題壓力傳感器可用于各種應(yīng)用。

5、wo?2022/084308?a1公開了測量力的傳感器、用于制造傳感器的方法和用于測量力的方法。該傳感器包括以平面方式彼此間隔一定距離布置的第一基板和第二基板。多個(gè)第一電極以第一距離彼此間隔地設(shè)置在第一基板的內(nèi)側(cè)，以及多個(gè)力敏元件布置在第一基板的內(nèi)側(cè)并至少覆蓋多個(gè)第一電極中的各個(gè)第一電極的一部分。第二電極被布置在第二基板的內(nèi)側(cè)并且延伸穿過多個(gè)力敏元件中的至少一個(gè)。因此，第二基板的第二電極與第一基板的多個(gè)力敏元件直接接觸。傳感器的原理對應(yīng)于分流模式傳感器的常見模型。該文獻(xiàn)描述了通過由材料壓縮(從而這改變了材料的電導(dǎo)率)產(chǎn)生的電阻變化來檢測壓力或力。這里，流過待壓縮材料的電流的方向平行于所施加壓力的方向。因此，沒有壓力負(fù)載的零電阻是無限高的。只有以這種方式才能實(shí)現(xiàn)足夠大的電阻變化。此外，基板的兩側(cè)必須彼此精確匹配以使力敏元件與電極匹配。

6、ep?3?748?320?a1公開了具有分時(shí)區(qū)域屏蔽功能的傳感器和機(jī)器人。該傳感器包括多個(gè)傳感器單元，每個(gè)傳感器單元包括包含在四個(gè)多功能層中的區(qū)域。多功能層中包含四個(gè)平行板電容器。多功能層通過模擬開關(guān)的分時(shí)切換和總線控制實(shí)現(xiàn)區(qū)域屏蔽功能。

7、ep?3?726?191?a1公開了壓力傳感器，該壓力傳感器包括以圖案設(shè)置在第一彈性載體的表面上的至少兩個(gè)相鄰的導(dǎo)電引線；以及由電阻復(fù)合材料形成的電阻層，用于分流至少兩個(gè)相鄰的導(dǎo)電引線，所述導(dǎo)電層設(shè)置在第二彈性載體的表面上。該文獻(xiàn)描述了通過由材料壓縮(從而這改變了材料的電導(dǎo)率)產(chǎn)生的電阻變化來檢測壓力或力。這里，流過待壓縮材料的電流的方向再次平行于所施加壓力的方向。因此，沒有壓力負(fù)載的零電阻是無限高的。只有以這種方式才能實(shí)現(xiàn)足夠大的電阻變化。

8、傳感器的基板必須精確對齊，以便傳感器檢測所施加的壓力。在傳感器的制造中，通常使用相機(jī)系統(tǒng)和專業(yè)生產(chǎn)單元來完全自動(dòng)化兩個(gè)基板的對齊。可替代地，兩個(gè)基板可手動(dòng)對齊，這是主觀的、低效的且昂貴的。如果傳感器很小，生產(chǎn)故障就會(huì)增加，從而導(dǎo)致浪費(fèi)。

9、對于傳感，傳感器可以被配置為直通模式或分流模式。傳感器中的直通模式是指傳感器用于測量信號(hào)通過材料的傳輸而不是測量其反射的操作模式。直通模式的主要優(yōu)點(diǎn)是它提供了對材料性質(zhì)的直接測量，而不是依賴于從反射信號(hào)進(jìn)行的間接測量?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來設(shè)計(jì)直通模式傳感器，包括超聲波、微波和光學(xué)傳感器。

10、傳感器中的分流模式是指傳感器用于測量通過材料的電流而不是測量材料兩端的電壓的操作模式。該模式可用于檢測材料的電阻變化，該電阻變化可以指示材料的物理性質(zhì)(諸如溫度、應(yīng)變或壓力)的變化?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來設(shè)計(jì)分流模式傳感器，包括電阻、電感和電容傳感器。

11、這兩種模式(以及一般情況下)的傳感器都存在兩種常見誤差，即滯后和漂移，這會(huì)影響準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

12、印刷傳感器中的滯后是指當(dāng)從不同方向接近輸入值時(shí)，針對相同輸入值傳感器的輸出讀數(shù)存在差異。例如，對于相同的所施加壓力，當(dāng)壓力增加時(shí)，壓力傳感器的輸出讀數(shù)可能與壓力減小時(shí)不同。該現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)閭鞲衅鞑牧?例如，聚合物、油墨)的變形不是即時(shí)的，而是取決于其過去的變形歷史。這導(dǎo)致在輸入增加和減少時(shí)傳感器的輸出存在差異，從而產(chǎn)生滯后回線。

13、印刷壓力傳感器中的漂移是指傳感器輸出隨時(shí)間的逐漸變化。印刷傳感器中的漂移可以被表征為隨時(shí)間變化的歸一化電阻，其是指傳感器輸出相對于其初始值的變化。該值可以表示為百分比或比率，并且它指示傳感器的輸出在某時(shí)間段內(nèi)已變化了多少。高水平的漂移將意味著歸一化電阻的顯著變化，這將影響傳感器讀數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。另一方面，低水平的漂移則指示傳感器性能隨時(shí)間推移具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

14、圖1a和圖1b示出了兩個(gè)常見傳感器的滯后，一個(gè)處于直通模式(圖1a)，另一個(gè)處于分流模式(圖1b)。因此，兩個(gè)傳感器具有大致相同的面積并且用相同的測量方案進(jìn)行測量，其中傳感器被測量的范圍從0n/cm2至500n/cm2并且再回到0n/cm2。在圖1a和圖1b中，針對壓力為1n/cm2、10n/cm2和100n/cm2總結(jié)了滯后。通過確定在相應(yīng)壓力下上通路和下通路中電阻的標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值來計(jì)算滯后。滯后被呈現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比率，以均值的百分比表達(dá)。結(jié)果如表1所示：

15、 滯后[％] 1n/cm2 10n/cm2 100n/cm2 直通模式(圖1a) 44 32 7 分流模式(圖1b) 24 5 1

16、表1:直通模式和分流模式下傳感器的滯后

17、基于表1中的測量結(jié)果，分流模式下的傳感器比直通模式下的傳感器具有更好的滯后行為。然而，在這兩種情況下，當(dāng)壓力增加和減小時(shí)，電阻值之間存在差異，從而導(dǎo)致所示的滯后回線。

18、圖2a和圖2b示出了在施加到直通模式(圖2a)下的傳感器和分流模式(圖2b)下的傳感器的1n/cm2、10n/cm2和100n/cm2的恒定壓力下的漂移行為。這些圖中所示的漂移被呈現(xiàn)為不同測量時(shí)段中電阻的起始值與終止值之間的百分比變化。結(jié)果如表2所示：

19、 漂移[％] 1n/cm2 10n/cm2 100n/cm2 直通模式(圖1a) 42 21 7 分流模式(圖1b) 40 16 8

20、表2：直通模式與分流模式下傳感器的漂移

21、基于表2中的測量結(jié)果，兩種傳感器類型的漂移隨時(shí)間推移而變化。漂移在開始時(shí)較高，在后面時(shí)間較低，這是因?yàn)殡S著傳感材料適應(yīng)所施加的壓力和環(huán)境，可能會(huì)出現(xiàn)較高的初始漂移，但隨著材料穩(wěn)定下來，它可能會(huì)隨時(shí)間推移而減小。

22、可重復(fù)性是用于描述傳感器在隨時(shí)間推移重復(fù)測量相同輸入時(shí)的精度的術(shù)語?？芍貜?fù)性是對傳感器針對相同輸入產(chǎn)生一致讀數(shù)的能力，從而對傳感器在相同輸入下遞送相同信號(hào)的準(zhǔn)確度的測量。為此，上述傳感器均在1n/cm2、10n/cm2和100n/cm2的壓力下加載20次，每次10秒。測量相同壓力下周期的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并將其設(shè)置為與均值相關(guān)。該比率(可重復(fù)性)在表3中以百分比表達(dá)。

23、

24、表3：直通模式和分流模式下傳感器的可重復(fù)性

25、本發(fā)明的目的是提供印刷傳感器，其中隨時(shí)間推移的性能和可重復(fù)性得到改善。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供傳感器，其中可以省略基板的對準(zhǔn)，這使得傳感器更具成本效益且更容易制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、上述目的是通過印刷傳感器來解決的，該印刷傳感器包括第一基板和與第一基板相對的第二基板，該第一基板包括至少一個(gè)電極單元，該第二基板包括多個(gè)對電極。該電極單元包括連接電極、第一電極和第二電極，其中所述連接電極在所述第一電極與所述第二電極之間延伸。該多個(gè)對電極分布在該第二基板上，并且該多個(gè)對電極中的多于一個(gè)對電極面向相對的連接電極。因此，兩個(gè)基板不需要對齊以形成印刷傳感器。

2、在一方面，兩個(gè)相鄰的電極單元之間的距離大于多個(gè)對電極中的單個(gè)對電極的尺寸。因此，該多個(gè)對電極中的單個(gè)對電極不能使兩個(gè)相鄰的電極單元短路，因?yàn)樵摼嚯x大于該尺寸。由于不再需要將第一基板與第二基板對齊，因此傳感器的制造變得更具成本效益且更容易。

3、在另一方面，多個(gè)對電極中的單個(gè)對電極的尺寸小于第一電極與第二電極之間的距離。因此，當(dāng)向印刷傳感器施加壓力時(shí)，該多個(gè)對電極中的多于一個(gè)對電極可以面向相對的連接電極，以引起至少一個(gè)短路，該短路影響可測量的總單元電阻。由于不再需要將第一基板與第二基板對齊，因此傳感器的制造變得更具成本效益且更容易。

4、在另一方面，多個(gè)對電極周期性地分布在第二基板上。對電極在第二基板上的周期性分布增強(qiáng)了不需要與第一基板對齊以形成印刷傳感器的能力。

5、在另一方面，對電極包括由與對電極不同的材料制成的電極芯。對電極的不同材料的組合增加了印刷傳感器的導(dǎo)電性。

6、上述目的是進(jìn)一步通過用于制造印刷傳感器的方法來解決的，該印刷傳感器具有第一基板和與該第一基板相對設(shè)置的第二基板。該方法包括以下步驟：印刷具有至少一個(gè)電極單元的第一基板，印刷具有多個(gè)對電極的第二基板，以及將該第二基板安置在該第一基板上，其中該第二基板的安置在無需與該第一基板對齊的情況下被執(zhí)行，并且其中該至少一個(gè)電極單元面向該多個(gè)對電極中的多于一個(gè)對電極。因此，不需要對齊兩個(gè)基板以形成印刷傳感器。

7、在一方面，第一基板的印刷與第二基板的印刷在分離的時(shí)間被執(zhí)行。這允許印刷的第一基板和印刷的第二基板可以分開制造和儲(chǔ)存。因此，當(dāng)取決于應(yīng)用程序需要和形成印刷傳感器時(shí)，印刷傳感器可以由印刷的第一基板和印刷的第二基板一次形成。不需要在印刷的第一基板與印刷的第二基板之間對齊的能力提高了制造的成本效率，并且使得制造和物流更容易。

8、在另一方面，多個(gè)對電極的印刷被配置為使得該多個(gè)對電極中的每個(gè)對電極的尺寸小于在第一次印刷時(shí)至少兩個(gè)相鄰的電極單元的距離。當(dāng)形成印刷傳感器時(shí)，多個(gè)對電極中的每個(gè)對電極都不能將兩個(gè)相鄰的電極單元短路。當(dāng)通過將第二印刷基板安置在第一印刷基板上形成印刷傳感器時(shí)，不需要對齊的能力變?yōu)榭赡?。由于不再需要將第一基板與第二基板對齊，傳感器的制造變得更具成本效益且更容易。

9、在另一方面，多個(gè)對電極的印刷被配置為使得該多個(gè)對電極中的單個(gè)對電極的尺寸小于第一電極與第二電極之間的距離。因此，至少一個(gè)對電極面向相對的連接電極以引起短路，該短路影響壓力傳感器的總單元電阻的可測量變化。提高了不必須將第一基板與第二基板對齊以形成印刷傳感器的能力。由于不再需要對齊，傳感器的制造變得更具成本效益且更容易。

10、上述目的是進(jìn)一步通過使用印刷傳感器檢測壓力的方法來解決的。該方法包括：對傳感器的至少一個(gè)區(qū)域施加壓力，在該至少一個(gè)區(qū)域處使至少一個(gè)對電極與該印刷傳感器的連接電極接觸，在該至少一個(gè)區(qū)域處生成至少一個(gè)電子電路，根據(jù)該壓力改變該傳感器在第一電極與第二電極之間的總單元電阻，以及測量指示施加到該傳感器的壓力的總單元電阻的變化。因此，該至少一個(gè)電子電路中的每個(gè)電子電路包括對電極的對電阻、接觸電阻和第二部分電阻。

11、在一方面，總單元電阻的變化取決于電子電路的數(shù)量和第一部分電阻的量。