用于组合感测压力、温度和湿度的平台单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种平台单元，所述平台单元包括多个用于检测压力、温度和湿度的 包含用有机涂层包覆（cap)的金属纳米颗粒的传感器。
【背景技术】
[0002] 生产仿生人工或电子皮肤需要能够以高分辨率和低响应时间感测压力、湿度 和温度的大规模传感器阵列。这些被设计为提供环境的物理和化学信息的传感器阵列 可以被多种应用所利用，所述应用诸如医用假体和机器人工业。例如，假肢可以覆盖有 人工或电子皮肤，从而为使用者提供不同压力水平形式的触觉，并且机器人肢体可以 与不同灵敏度的人工或电子皮肤表面集成，以允许用于处理物体的自主控制。机器人 外科、健康监测和许多其他潜在应用可以受益于对压力、温度和/或湿度条件具有不 同灵敏度的人工或电子皮肤的使用（Eltaib等人，Mechatronics2003, 13, 1163-1177 ; 1^6等人，]^(31131：1'011；[。81999,9，1-31;和03找311；[等人，1111：.]\]^(1.1?〇13.〇011^.八88. Surg. 2004, 1，23-35)。
[0003] 最初设计为手持式消费电子产品和显示器的柔软和有弹性部件的柔性传感器 现在正在被开发用作可以安装在皮肤上的超薄健康监测带（Tiwana等人，Sens. Actuat. A 2012, 179, 17-31 ;和 Rogers 等人，PNAS, 2009, 106, 10875-10876)。已经成功地展 示了柔性传感器的低功率触敏平台，该平台基于纳米线、碳纳米管、纳米颗粒、橡胶介 电层和有机场效应晶体管（Takei等人，Nature Mater. 2010, 9, 821-826 ;Herrmann等 人，Appl. Phys. Lett. 2007, 91，183105 ;Siffalovic 等人，Nanotech. 2010, 21，385702 ; Vossmeyer 等人，Adv.Funct.Mater. 2008，18，1611-1616 ;Maheshwari 等 人，Science, 2006,312, 1501-1504 ;Mannsfeld 等人，Nature Mater. 2010,9,859-864; Pang 等人，Nature Mater.2012, 11,795-801 ;Matsuzaki 等人，Sens. Actuat. A 2008, 148, 1-9 ；Lacour 等人,Annual International Conference of the IEEE on Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC), 2011, 8373-8376 ； Someya 等人，PNAS2004, 101, 9966-9970 ;Cosseddu 等人，IEEE Elec. Dev. Lett. 2012, 33, 113-115 Jos印h 等人，了.卩1^8.〇16111.〇2008，112，12507-12514;8〇1&11(1，丄 Nat. Mater. 2010, 9, 790-792 ;和 Yu-Jen 等人，IEEE Elec. Dev. Lett. 2011，58, 910-917)。
[0004] US 2011/0019373公开了优选地在移动终端中应用的用于感测电设备中的周围条 件和/或用于感测使用者的生物计量变量的布置。
[0005] US 2012/0062245公开了一种设备，其包括：介电结构，所述介电结构包括彼此由 间隔区分隔的多个弹性体区域，所述弹性体区域被配置和布置成响应于压力，从而压缩并 因此表现出与所述弹性体区域的压缩状态对应的改变的有效介电常数；和感测电路，所述 感测电路包括多个基于阻抗的传感器，每个基于阻抗的传感器包括一部分介电结构并且被 配置和布置成通过提供对施加于邻近每个传感器的介电结构的压力的指示来响应于介电 常数的变化。
[0006] 为了实现柔性传感器作为人工或电子皮肤的广泛实施，必须满足几个要求。首 先，这些传感器需要提供宽的动态范围，所述动态范围将能够测量用于小物体操作的低 压（SM-lOKPa)以及能够测量用于操作重物体的高压（SMO-lOOKPa)。其次，这些传 感器要求同时测量压力（触摸）、湿度、温度和/或化合物的存在（Arregui等人，IEEE Sensors J. 2002, 2, 482-487 ;Cook 等人，JPMC 2009, 5, 277-298 ;Shunfeng 等人，IEEE Sensors J. 2012, 10, 856-862 ;Lopez_Higuera等人，J. Lightwave Tech. 2011，29, 587-608 ; Konvalina 等人，ACS Appl. Mater. Interf. 2012, 4, 317-325 ;Bay 等人，J. S. Rob. Autom. Mag. IEEE1995, 2, 36-43 ;和 Wang 等人，Langmuir2010, 26, 618-632)。附加的要求包括低电 压/低功率操作（典型地低于5V)，以与便携式设备的常用电池兼容（Tsung-Ching等人，J. Disp. Tech. 2009, 5, 206-215)。最后，这些传感器要求更容易、更快和更成本有效的制造技 术，以提供它们的广泛应用。
[0007] 柔性基底上的金属包覆的纳米颗粒（MCNP)层是满足这些要求的新一代高灵敏 度柔性传感器的潜在候选物（Herrmann等人，Appl. Phys. Lett. 2007, 91，183105 ;Wang等 人，Langmuir2010, 26, 618-632 ;Wuelfing 等人，J. Phys. Chem. B2002, 106, 3139-3145 ; Haick, J.Phys.D2007, 40, 7173-7186 ;Tisch 等人，MRS Bull. 2010, 35, 797-803; Tisch 等人，Rev.Chem.Eng. 2010, 26，171-179 ;Vossmeyer 等人，Adv.Funct. Mater. 2008, 18, 1611-1616 ;Farcau 等人，J.Phys. Chem. C. 2011，115, 14494-14499 ;和 Farcau等人，ACS Nano2011，5, 7137-7143)。MCNP膜的电性质指数性地取决于颗粒间距离。 因此，MCNP在柔性基底上的沉积允许通过拉伸或通过弯曲基底来调节电阻。基底的几何形 状和机械性质也影响颗粒间分离。例如，金属-增强的荧光、光学性质和小角度X-射线光 谱学（SAXS)研究已经证明纳米颗粒分离取决于基底应变。此外，理论计算已经显示单个传 感器对触觉负荷的灵敏度可以通过控制基底的厚度来调节。
[0008]本发明的一些发明人的 TO 2009/066293、TO 2009/118739、TO2010/079490、W0 2011/148371、TO 2012/023138、US 2012/0245434、US 2012/0245854 和 US 2013/0034910 公开了基于用有机涂层包覆的纳米颗粒导电芯的装置，该装置用于检测挥发性和不挥发性 化合物，特别是用于诊断多种疾病和病症。
[0009] 对于多功能电子或人工皮肤应用的组合感测压力、温度和湿度一直存在着未满足 的需求。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种使用传感器技术来检测压力、温度和湿度的平台单元，所述传 感器技术基于用有机涂层包覆的金属纳米颗粒。
[0011] 本发明部分地基于下面的出人意料的发现：金属包覆的纳米颗粒（MCNP)的传感 器当沉积在柔性基底上时可以用作压力传感器。当使用具有不同的几何形状和机械性质的 基底时，这些传感器允许检测宽范围的负荷。令人惊奇地，这些传感器还提供高度灵敏的温 度和湿度测量，从而能够组合地检测物理和化学环境参数。这些结果提供了新的手段来定 制MCNP传感器的模块矩阵的感测性质，以提供它们作为人工或电子皮肤的用途。
[0012] 根据第一个方面，本发明提供了一种用于检测选自由压力、温度、湿度及其组合的 参数的平台单元，所述平台单元包括：多个传感器，所述传感器包含用有机涂层包覆的金属 纳米颗粒，其中所述多个传感器包括：沉积在基本上柔性的基底上的至少一个压力传感器， 其中所述压力传感器被配置成感测施加在其上的压力并且响应于所述压力生成电信号，和 至少一个温度或湿度传感器，所述温度或湿度传感器被配置成响应于温度变化或湿度变化 显示出所述用有机涂层包覆的金属纳米颗粒的形态（conformation)变化，并且响应于所 述形态变化生成电信号，由此提供对压力、温度、湿度或它们组合的检测。在一个实施方式 中，所述平台单元提供对压力、温度和湿度的同时检测。
[0013] 在某些实施方式中，所述平台单元包括至少三个包含用有机涂层包覆的金属纳米 颗粒的传感器，其中所述三个传感器包括沉积在基本上柔性的基底上的压力传感器、温度 传感器和湿度传感器，其中所述压力传感器被配置成感测施加在其上的压力并且响应于所 述压力生成电信号；所述温度传感器被配置成响应于温度变化显示出所述用有机涂层包覆 的金属纳米颗粒的形态变化并且响应于所述形态变化生成电信号；所述湿度传感器被配置 成响应于湿度变化显示出所述用有机涂层包覆的金属纳米颗粒的形态变化，并且响应于所 述形态变化生成电信号。
[0014] 在一些实施方式中，温度和湿度传感器被配置成响应于温度变化或湿度变化中的 每一个表现出用有机涂层包覆的金属纳米颗粒的独立形态变化。
[0015] 在某些实施方式中，基本上柔性的基底包含聚合物。在【具体实施方式】中，所述聚合 物选自聚酰亚胺、聚酰胺、聚亚胺、聚乙烯、聚酯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯和聚苯乙烯。每 种可能性代表本发明的单独的实施方式。在其他实施方式中，基本上柔性的基底包含硅橡 胶。在仍其他的实施方式中，基本上柔性的基底包含二氧化硅。本领域技术人员将认识到， 通过改变形成基本上柔性的基底的材料，可以获得不同负荷灵敏度的压力传感器。
[0016] 在其他实施方式中，基本上柔性的基底的特征在于宽度范围为约0.01-10cm和厚 度范围为约20-500 y m。本领域技术人员将认识到，基本上柔性的基底的几何参数可以用来 控制压力传感器的负荷灵敏度。
[0017] 在各个实施方式中，压力传感器被配置成生成与基本上柔性的基底的偏移（变 形，deflection)量成比例的电信号。在其他实施方式中，压力传感器被配置成应变计，其 将机械偏移转换成电信号。
[0018] 在进一步的实施方式中，温度或湿度传感器沉积在基本上柔性或基本上刚性的基 底上。每种可能性代表本发明的单独的实施方式。在一些实施方式中，其上沉积有温度或 湿度传感器的基本上柔性的基底包含聚合物，所述聚合物选自聚酰亚胺、聚酰胺、聚亚胺、 聚乙烯、聚酯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯和聚苯乙烯。每种可能性代表本发明的单独的实 施方式。在仍其他的实施方式中，其上沉积有温度或湿度传感器的基本上柔性或刚性的基 底包含二氧化硅。在其他实施方式中，基本上柔性的基底包含硅橡胶。在某些实施方式中， 基本上刚性的基底选自金属、绝缘体、半导体、半金属及其组合。每种可能性代表本发明的 单独的实施方式。在一个实施方式中，基本上刚性的基底包含硅片上的二氧化硅。在另一 个实施方式中，基本上刚性的基底包含基本上刚性的聚合物。在仍另一个实施方式中，基本 上刚性的基底包含氧化铟锡。
[0019] 在附加的实施方式中，平台单元包括多个包含导电材料的电极，所述多个电极与 每个传感器耦联，用于测量由所述传感器生成的信号。在各个实施方式中，相邻电极之间的 距离范围为约0. 01mm和约5mm之间。本领域技术人员将认识到限定感测面积的相邻电极 之间的距离可以用来控制