專(zhuān)利名稱(chēng)：非金屬性集成傳感器互連設(shè)備、制造方法以及相關(guān)應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及傳感材料、設(shè)備和系統(tǒng)，更具體而言，涉及非金屬性集成傳感器互 連材料(non-metallic integratedsensor-interconnect materials)、設(shè)備禾口陣歹[J，以及 其制造方法和其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
人們一直相當(dāng)關(guān)注的是，將高價(jià)值(high value)觸頭(contacts)、互連件 (interconnects)、傳感器、探針等用在醫(yī)療、娛樂(lè)、電子及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)中的各式各樣的電 測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用中。例如，十年前，科研人員將純碳纖維制成的細(xì)直徑的(finediameter)導(dǎo)線狀微 探針或微電極插入犬科動(dòng)物對(duì)象的胃中，以研究科研人員關(guān)注的消化過(guò)程的電化學(xué)特 性。更近期，包含碳纖維陣列的微電極已經(jīng)被用來(lái)探查兔子視網(wǎng)膜中的光激發(fā)電活動(dòng) (opticallystimulated electric activity)。美國(guó)專(zhuān)利5，291，888和5，348，006公開(kāi)了通過(guò)定位元件——諸如彈性帽——保持 并貼靠在人類(lèi)頭部的非磁性接觸傳感器(non-magnetic contact sensors)陣列。所述傳 感器用于測(cè)量人腦的解剖結(jié)構(gòu)或功能。美國(guó)專(zhuān)利7，220，131公開(kāi)了包含金屬包覆碳纖維 (metal overcoated carbon fibers)的電氣互連設(shè)備，其用在用于測(cè)量去往及來(lái)自電子器 件——諸如半導(dǎo)體芯片及相關(guān)封裝組件——的電信號(hào)的探針陣列中。常規(guī)的碳纖維相關(guān)傳感器設(shè)備在小直徑的絕緣導(dǎo)線(insulatedconductive wire)的一端包括一個(gè)接觸傳感器，該接觸傳感器可以包括復(fù)絲碳纖維芯元件 (multifilament carbon fiber core element)。該連接線(connecting wire)在其另一末 端配置有一個(gè)金屬引腳(Pin)連接器。該接觸傳感器被放置并安裝在相對(duì)大直徑的撓性橡 膠殼(pod)內(nèi)，這幫助在傳感器接觸尖端(tip)和測(cè)試對(duì)象之間提供接觸載荷力(contact loading force) 0超聲及熱焊接被用來(lái)將該接觸傳感器接合(join)至該導(dǎo)線的芯導(dǎo)體的 自由端。然而，由于以下原因出現(xiàn)了一些問(wèn)題。首先，由于接合點(diǎn)相對(duì)薄弱且易受損壞，所 以被用來(lái)將該導(dǎo)線的芯與接觸傳感器接合——且很可能將接觸傳感器與橡膠殼接合—— 的聲或熱焊接是不健壯(robust)的。這可能會(huì)導(dǎo)致許多電學(xué)和機(jī)械故障，并造成所述組件 的短壽命，從而需要大量高成本的替換零件。例如，一些傳感器組件在最初被配置成想要的 陣列時(shí)就發(fā)生故障，而其它傳感器組件則不堪正常操縱、清潔和使用而過(guò)早發(fā)生故障。其 次，焊接處理被證明適合少量的、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制造，但對(duì)于提供大規(guī)模生產(chǎn)則存在挑戰(zhàn)。因此，需要提供一種非金屬性集成傳感器互連組件及相關(guān)陣列，以及其制造方法和用于傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)各種實(shí)施方案，本教導(dǎo)包括一種集成傳感器組件，其包括互連構(gòu)件；以及至少一個(gè)傳感器構(gòu)件，其在沿著所述互連構(gòu)件的任何位置從所述互連構(gòu)件伸出并與所述互連構(gòu)件電互連。所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)可以包括聚合物和基本上 非金屬性(non-metallic)的芯元件。優(yōu)選地，所述組件還包括連接器構(gòu)件，其連接至所述互連構(gòu)件以用于傳輸信號(hào)。優(yōu)選地，其中所述連接器構(gòu)件包括集成的、富含纖維的復(fù)合連接器。優(yōu)選地，其中所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)包括如下的復(fù)合 物，該復(fù)合物由所述芯元件和所述聚合物復(fù)合而成。優(yōu)選地，其中所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)包括如下的結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括由聚合物制成并包圍所述芯元件的護(hù)層。優(yōu)選地，其中用于所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)的芯元件包 括單股細(xì)絲和多股細(xì)絲，其中每個(gè)細(xì)絲包括下列中的一種或多種纖維、導(dǎo)線、針、線、紗、織 物、或其組合。優(yōu)選地，其中每個(gè)細(xì)絲還包括下列中的一個(gè)或多個(gè)納米管、納米線、納米板、納米 棒、納米纖維、或在至少一個(gè)維度為約100納米或更小的其它納米結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，其中用于所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)的芯元件包 括下列材料中的一種或多種碳、硅、硼、摻雜硅、硼-碳、硼-氮、碳化合成纖維、浙青碳纖 維、聚丙烯腈碳纖維、或石墨。優(yōu)選地，其中用于所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)的芯元件具 有約500微米或更小的尺度。優(yōu)選地，其中用于所述傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)的聚合物包括下列中 的一種或多種環(huán)氧樹(shù)脂、縮醛、聚酯、離子橡膠、非離子橡膠、離子聚氨酯、非離子聚氨酯、 聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚氯 乙烯、聚苯醚、聚碳酸酯、丙烯腈_ 丁二烯_苯乙烯三元共聚物、硅樹(shù)脂、含氟聚合物、聚烯 烴、或其組合。根據(jù)各種實(shí)施方案，本教導(dǎo)也包括一種包含所述組件的傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)還 包括連接至所述互連構(gòu)件的信號(hào)處理設(shè)備，以處理由所述集成傳感器組件的傳感器構(gòu)件檢 測(cè)到的傳感信號(hào)。優(yōu)選地，其中所述信號(hào)處理設(shè)備包括電阻器、液晶顯示器(IXD)、多芯片模塊、印 刷電路板(PCB)、和/或印刷布線板(PWB)。優(yōu)選地，所述組件還包括集成傳感器組件陣列，其中該陣列包括約2至約3000個(gè) 集成傳感器組件。根據(jù)各種實(shí)施方案，本教導(dǎo)也包括一種用于形成集成傳感器組件的方法。在 該方法中，首先可以提供具有第一段(section)和第二段的芯元件。所述芯元件也可 以包括一個(gè)或多個(gè)如下的細(xì)絲所述細(xì)絲基本上是非金屬性的，并可以具有，例如，從約 1 X IOexp (-4)至約IX IOexp (10) ohm-cm的電阻率。然后可以將所述芯元件的第一段與聚 合物復(fù)合；而可以圍繞所述芯元件的第二段形成至少一個(gè)護(hù)帶(jacket band)。優(yōu)選地，所述方法還包括在形成所述至少一個(gè)護(hù)帶之前，將所述芯元件的第二段 塑形為包括薄的平坦的帶狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，其中用于復(fù)合所述芯元件的第一段的聚合物還包括揮發(fā)性溶劑。
優(yōu)選地，其中所述芯元件包括一個(gè)或多個(gè)碳纖維絲束。優(yōu)選地，所述方法還包括二次處理，以將傳感器構(gòu)件塑形，該傳感器構(gòu)件包括圍繞 所述芯元件的第二段的至少一個(gè)護(hù)帶，其中所述二次處理使用機(jī)械剪切機(jī)、噴水切割或激 光切割。根據(jù)各種實(shí)施方案，本教導(dǎo)也包括一種用于形成集成傳感器組件 的方法。在該方 法中，可以形成一個(gè)包括芯元件和一種或多種粘合劑聚合物的復(fù)合元件，其中所述芯元件 可以包括一個(gè)或多個(gè)非金屬性纖維絲束(tows)。然后可以通過(guò)減小一個(gè)或多個(gè)維度，將所 述復(fù)合元件的一段塑形；并可以將一個(gè)或多個(gè)護(hù)帶包覆在所述復(fù)合元件的已塑形段上，以 形成傳感器構(gòu)件。優(yōu)選地，所述方法還包括用作芯元件的一個(gè)或多個(gè)碳纖維絲束，其占所述復(fù)合元 件重量的約95%至約98%，其中所述一種或多種粘合劑聚合物占所述復(fù)合元件重量的約 2%至約5%。優(yōu)選地，其中所述復(fù)合元件的塑形段具有為初始直徑的約至約99%的縮小的直徑。根據(jù)各種實(shí)施方案，本教導(dǎo)也包括一種用于形成集成傳感器組件的方法。該方法 可以包括形成一種聚合物包裹構(gòu)件(polymer encasedmember)，其包括芯元件上的聚合物 包覆物，其中所述芯元件可以包括一個(gè)或多個(gè)細(xì)絲，每個(gè)細(xì)絲由至少一種非金屬性納米結(jié) 構(gòu)制成?？梢詮乃鼍酆衔锇矘?gòu)件的至少一端去除所述聚合物覆層的一部分，以暴露出 所述芯元件的對(duì)應(yīng)端部。所述芯元件的暴露端部可以形成尖端區(qū)域，該尖端區(qū)域被用作觸 頭或探針。優(yōu)選地，其中所述納米結(jié)構(gòu)包括下列中的一種或多種納米管、納米線、納米桿、納 米柱、納米棒、納米板、納米纖維、或納米針。本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)部分地將在下文的描述中闡述，而部分地將從該描述中 顯而易見(jiàn)，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得知。本發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將借助于在所附權(quán)利要 求中特別指出的元件及元件組合來(lái)實(shí)現(xiàn)或達(dá)到。應(yīng)理解的是，上文的總體描述和下文的詳細(xì)描述僅是示例性和解釋性的，而不是 如權(quán)利要求那樣是對(duì)本發(fā)明的限制。


附圖——其被納入本說(shuō)明書(shū)并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分——示出了本發(fā)明的幾個(gè) 實(shí)施方案，并連同描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。圖1描繪了一個(gè)包括根據(jù)本教導(dǎo)的集成傳感器組件的示例性傳感系統(tǒng)。圖1A描繪了一個(gè)根據(jù)本教導(dǎo)的集成傳感器組件的示例性陣列的一部分。圖2A 2C描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的、處于各個(gè)形成階段的一個(gè)示例性集成傳感器組 件。圖3A 3C描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的、處于各個(gè)形成階段的第二個(gè)示例性集成傳感器 組件。圖4A 4C描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的、處于各個(gè)形成階段的第三個(gè)示例性集成傳感器 組件。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的實(shí)施方案(示例性實(shí)施方案)，所述實(shí)施方案的實(shí)施例 被示出在附圖中。只要有可能，在各附圖中將使用相同的參考數(shù)字來(lái)表示相同或相似的部 件。在下文的描述中，參照了構(gòu)成該描述一部分的附圖，并且在附圖中通過(guò)圖示的方式示出 了可以實(shí)踐本發(fā)明的具體示例性實(shí)施方案。這些實(shí)施方案被足夠詳細(xì)地描述，以使得本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，并且應(yīng)理解的是，可以使用其它實(shí)施方案，并且在不脫離 本發(fā)明范圍的情況下可以進(jìn)行改變。因此，下文的描述僅是示例性的。盡管已通過(guò)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式示出了本發(fā)明，但是在不脫離所附權(quán)利要求書(shū)的 主旨和范圍的前提下可以對(duì)所示出的實(shí)施例進(jìn)行更改和/或修改。另外，盡管可能已通過(guò) 幾種實(shí)施方式中的僅一種公開(kāi)了本發(fā)明的一個(gè)具體特征，但是在對(duì)于任何給定或特定功能 有需要或有利時(shí)，該特征可以與其他實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)其他特征結(jié)合。此外，就詳細(xì) 描述或權(quán)利要求中所使用的術(shù)語(yǔ)“包含”、“含有”、“具有”或其變體而言，這些術(shù)語(yǔ)意在類(lèi)似 于術(shù)語(yǔ)“包括”，都是指開(kāi)放式的包括。用在本文中，針對(duì)項(xiàng)目列舉——例如“A和B”—— 的術(shù)語(yǔ)“一個(gè)或多個(gè)”意味著僅A、僅B、或A和B。術(shù)語(yǔ)“至少一個(gè)”意味著可以選擇所列 舉的項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)。盡管設(shè)定本發(fā)明范疇的數(shù)值范圍和參數(shù)都是近似值，但在具體實(shí)施例中設(shè)定的數(shù) 值是盡可能精確地給出的。然而，任何數(shù)值本質(zhì)上都含有一定程度的誤差，這些誤差是難以 避免地由其各自的試驗(yàn)測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的。而且，本文中公開(kāi)的所有范圍都應(yīng)被理 解為囊括了其任何及所有子范圍。例如，“小于10”的范圍可以包括在最小值零和最大值10 之間(包括端值)的任何及所有子范圍，即，最小值等于或大于零且最大值等于或小于10 的任何及所有子范圍，例如，從1到5。在特定情況下，為參數(shù)規(guī)定的數(shù)值可采用負(fù)值。在這 種情況下，規(guī)定為“小于10”的范圍的示例性值可以被假設(shè)為包括負(fù)值，例如，-1、-1. 2,-1. 89、-2、-2. 5、-3、-10、-20、-30，等。示例性實(shí)施方案提供了集成傳感器組件的材料、設(shè)備和陣列，以及用于形成及在 傳感系統(tǒng)中使用這種設(shè)備/陣列的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述集成傳感器組件可以包 括一個(gè)互連構(gòu)件；以及至少一個(gè)傳感器構(gòu)件，其在沿著所述互連構(gòu)件的任何位置從所述 互連構(gòu)件伸出并與所述互連構(gòu)件電互連。所述傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)可以包 括一種聚合物和一個(gè)基本上非金屬性的芯元件。用于傳感器構(gòu)件的芯元件和用于互連構(gòu)件 的芯元件可以相同或不同，并可以電互連。用于傳感器構(gòu)件的聚合物和用于互連構(gòu)件的聚 合物可以相同或不同。各種實(shí)施方案也可以包括一個(gè)連接至所述互連構(gòu)件的連接器構(gòu)件， 用于從或向傳感器構(gòu)件傳輸傳感信號(hào)、激勵(lì)信號(hào)和/或致動(dòng)信號(hào)。所公開(kāi)的集成傳感器組件可以被用在任何傳感系統(tǒng)中。例如，所述傳感系統(tǒng)可以 適用于，例如，檢測(cè)并記錄細(xì)胞或組織級(jí)(level)的信號(hào)，包括記錄來(lái)自單個(gè)或小群細(xì)胞或 組織的、相對(duì)大量的同步信號(hào)。所述傳感系統(tǒng)也可以適用于，當(dāng)與合適的尖端包覆物結(jié)合 時(shí)，使所述尖端包覆物響應(yīng)PH值或特定化學(xué)物——包括無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)物，或者響應(yīng)其它 所關(guān)注的狀態(tài)，例如X射線或其它輻射的存在與否或強(qiáng)度。類(lèi)似地，在各種實(shí)施方案中，所 公開(kāi)的傳感系統(tǒng)可以適用在例如國(guó)土安全應(yīng)用中，其中需要無(wú)信號(hào)干擾地同時(shí)傳感測(cè)試環(huán) 境內(nèi)的X射線、磁或電磁能量。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述傳感器構(gòu)件可以是一種非金屬性、非交互 (non-interactive)且非侵入(non-invasive)的傳感器構(gòu)件，該傳感器構(gòu)件與一個(gè)適度撓 性的、非金屬性的、碳纖維基的、導(dǎo)線狀的互連構(gòu)件完全集成在一起。圖1描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的示例性傳感系統(tǒng)100。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易 見(jiàn)的是，圖1中描述的系統(tǒng)100表現(xiàn)為一種一般化的示意圖，而可以添加其它部件/設(shè)備， 或者可以去除或修改已有的部件/設(shè)備。如圖1所示，傳感系統(tǒng)100可以包括，例如，集成傳感器組件135和信號(hào)處理設(shè)備 155。也示出了測(cè)試對(duì)象105。測(cè)試對(duì)象105可以包括，例如，需要被檢測(cè)或傳感的任何所關(guān)注的對(duì)象。在各種實(shí) 施方案中，測(cè)試對(duì)象105可以包括有生命或無(wú)生命的對(duì)象，其包括人體、植物或動(dòng)物對(duì)象， 例如，視覺(jué)細(xì)胞測(cè)試對(duì)象，或者用于以細(xì)胞級(jí)或組織級(jí)測(cè)量的診斷檢測(cè)和/或藥物配給的 任何物種。替代性地，測(cè)試對(duì)象105可以是合成對(duì)象(synthetic subject)，例如，人造肌肉 和/或化學(xué)成分——諸如電活化聚合物。集成傳感器組件135可以被操作性地布置為與測(cè)試對(duì)象105接觸，并可以進(jìn)一步 包括互連構(gòu)件10，互連構(gòu)件10在其一端與傳感器構(gòu)件20連接。特別地，集成傳感器組件 135的傳感器構(gòu)件20可以操作性地與測(cè)試對(duì)象105連接。在一個(gè)實(shí)施方案中，傳感器構(gòu)件 20可以提供自載荷(self-loading)和彈簧般的(spring-like)特性，這可以在傳感器構(gòu)件 20和測(cè)試對(duì)象105的至少一個(gè)接觸表面之間提供可靠的接觸載荷力。信號(hào)處理設(shè)備155可以包括各種電氣設(shè)備，諸如測(cè)量?jī)x器、顯示設(shè)備、傳輸設(shè)備、 和/或記錄裝置。因此信號(hào)處理設(shè)備155可以包括但不限于電阻器、液晶顯示器(IXD)、 多芯片模塊、印刷電路板(PCB)、RFID標(biāo)簽、無(wú)線芯片，和/或印刷布線板(PWB)。傳感器元件20檢測(cè)到的傳感信號(hào)可以被發(fā)送至、或接收自、和/或經(jīng)由集成互連 構(gòu)件10(例如，導(dǎo)線狀構(gòu)件)傳輸至合適的信號(hào)處理設(shè)備155，該信號(hào)處理設(shè)備測(cè)量、顯示或 記錄所述信號(hào)。 傳感器構(gòu)件20可以連接至和/或延伸自互連構(gòu)件10。用在本文中，術(shù)語(yǔ)“傳感器” 或“傳感器構(gòu)件”指的是如下的設(shè)備，該設(shè)備響應(yīng)物理、電氣或電子激勵(lì)，并傳輸所產(chǎn)生的信 號(hào)或脈沖以用于測(cè)量、監(jiān)測(cè)或控制。傳感器構(gòu)件20可以是，例如，與互連構(gòu)件10相比相對(duì)小的，并且可以被布置在互 連構(gòu)件10的一端，或者替代性地，被布置在沿著互連構(gòu)件10—例如沿著互連構(gòu)件10的長(zhǎng) 度一的任何合適位置。傳感器構(gòu)件20可以被用來(lái)對(duì)測(cè)試對(duì)象105進(jìn)行傳感和檢測(cè)。傳感器構(gòu)件20可以 是，例如，接觸傳感器。在各種實(shí)施方案中，傳感器構(gòu)件20可以包括，例如一個(gè)芯元件，諸 如一截導(dǎo)電纖維性材料；以及一種聚合材料，該聚合材料作為護(hù)層(本文中也稱(chēng)為覆層、鞘 層)形成在所述芯元件上，并/或作為粘合劑材料復(fù)合在所述芯元件內(nèi)。用在本文中，術(shù)語(yǔ)“互連構(gòu)件”指的是用于連接電子設(shè)備/部件、可以傳遞電流、電 勢(shì)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)或其它信號(hào)的構(gòu)件?；ミB構(gòu)件10可以包括一個(gè)芯元件和一種絕緣材 料，該絕緣材料作為護(hù)層(覆層或鞘層)形成在所述芯元件上，并/或作為粘合劑聚合物 (binderpolymer)復(fù)合在所述芯元件內(nèi)。如本文中公開(kāi)的，當(dāng)將所述芯元件與聚合材料——例如上述粘合劑聚合物和絕緣材料一結(jié)合時(shí)，可以形成一個(gè)復(fù)合元件。例如，所述芯元件一包括微絲形狀 (fibril-shaped)的、半導(dǎo)電或?qū)щ姷脑梢员话诤线m的聚合物中以形成一個(gè) 復(fù)合元件，該復(fù)合元件可以具有阻性特性(resistive characteristics)。在各種實(shí)施方案中，用于對(duì)傳感器元件20和互連元件10之每一個(gè)的芯元件進(jìn)行 包覆和/或復(fù)合的聚合材料可以包括但不限于環(huán)氧樹(shù)脂(印oxies)、縮醛(acetals)、聚 酉旨(polyesters)、離子橡膠(ionicrubbers)、非離子橡膠(non-ionic rubbers)、離子聚氨 酉旨(ionicpolyurethanes)、非離子聚氛酉旨(non_ionic polyurethanes)、聚謎諷(polyether sulfones)、聚醚醚酮(polyether ether ketones)、聚醚酰亞胺(polyether imides)、聚 苯乙烯(polystyrenes)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酉旨(polyethylene ter印hthalates)、聚 酰胺(polyamides)、聚酰亞胺(polyimides)、聚氯乙烯(polyvinylchlorides)、聚苯醚 (polyphenylene oxides)、聚碳酸酯(polycarbonates)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚 物(aeryIonitrile-butadiene-styrene terpolymers)、娃樹(shù)月旨(silicones)、含氟聚合物 (fluropolymers)、聚烯烴(polyolefins)、玻璃或陶瓷。在各種實(shí)施方案中，所使用的聚合 材料可以含有纖維或細(xì)絲，諸如紡織細(xì)絲(textile filament)或紡織紗(textile yarn)； 并可以被配置成布狀(cloth-like)或紙狀(paper-like)元件，以例如向外層提供加固、抗 磨損性或撓性。在該情況下的細(xì)絲或紗可以是合成的，諸如聚酯、玻璃纖維(fiberglass) 或尼龍纖維(nylonfiber)等；也可以是天然的，諸如棉或絲綢。
融拉伸處理(melt draw processing)、溶液涂覆(solution coating)、溶液浸漬涂覆(solution dip coating)、方寵涂(spin coating)、電沉禾只(electrodepositing)、共擠(co-extrusion)、靜 電噴涂(electrostatic spray coating)等，可以被用作傳感器元件20和互連元件10之 每一個(gè)的芯元件上的包覆和/或復(fù)合聚合物材料。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，形成在芯元件周?chē)淖o(hù)層(或覆層)，或者將芯元件包 含在粘合劑聚合物或絕緣材料內(nèi)的復(fù)合物，可以通過(guò)如下過(guò)程制備將聚合材料以液相施 加至芯元件，然后進(jìn)行凝固處理(solidification process) 0所述凝固處理可以包括，例 如固化(curing)、冷凍(freezing)、溶劑蒸發(fā)(solvent evaporation)或其結(jié)合，或者其 它適當(dāng)手段，以形成所公開(kāi)的傳感器構(gòu)件和/或互連構(gòu)件。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以 用合適的粘合劑樹(shù)脂——諸如環(huán)氧樹(shù)脂、硅樹(shù)脂、聚氨酯、含氟聚合物等——來(lái)凝固碳纖維 芯元件的一個(gè)自由截(free length)。在各種實(shí)施方案中，所述芯元件可以被塑形為空心元 件，其中空心部分可以允許氣體或液體配給和/或采樣。在各種實(shí)施方案中，一旦凝固，示例性聚合物束縛纖維區(qū)域(polymer bound fiber region)就可以通過(guò)二次處理被處理，所述二次處理包括例如使用機(jī)械剪切機(jī)、噴水 切割法(waterjet cutting)和/或激光切割法的切割或修整(trimming)，以實(shí)現(xiàn)想要的最 終配置、尺寸和形狀。對(duì)于較大的傳感器構(gòu)件或互連構(gòu)件，所述二次處理可以包括，例如，疊 合層壓(ply laminating)、粘合層壓(adhesivelaminating)、插入模制(insert molding)、 整體模制(over-molding)等。在各種實(shí)施方案中，用于傳感器構(gòu)件20的芯元件(即，傳感器芯元件)和用于互 連構(gòu)件10的芯元件(即，互連芯元件)可以相同或不同。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述傳感器 芯元件可以被配置為在沿著互連構(gòu)件的任何位置從互連構(gòu)件10的絕緣層突出。在其它實(shí)施方案中，所述傳感器芯元件可以是互連構(gòu)件10的芯元件的伸出部分(例如，自由截)。接 下來(lái)，可以將合適的聚合物與傳感器芯元件結(jié)合，以形成傳感器構(gòu)件20。在各種實(shí)施方案 中，傳感器芯元件和互連芯元件可以電互連，不論集成傳感器組件135的傳感器構(gòu)件20和 互連構(gòu)件10的配置如何。例如，用于傳感器構(gòu)件20和互連構(gòu)件10之每一個(gè)的芯元件可以 具有從約IX IOexp (-5)至約10 X IOexp (12) ohm-cm的電阻率。替代性地，在特定實(shí)施方 案中，所述互連構(gòu)件可以具有電容(electrical capacitance)和/或電阻抗(electrical impedance)。當(dāng)操作性地與阻性特征結(jié)合時(shí)，所述構(gòu)件可以用于對(duì)始發(fā)于傳感器構(gòu)件20的 信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)(time)、緩沖(buffer)、整理(condition)、過(guò)濾或管理，從而整理該信號(hào)，使 得其適于匹配或以其它方式匹配信號(hào)處理設(shè)備155的接收要求。在各種實(shí)施方案中，用于互連構(gòu)件10和/或傳感器構(gòu)件20的芯元件可以是充 分撓性的、耐用的，并能夠經(jīng)受住高壓滅菌(autoclave)或其它消毒清潔(disinfectant cleaning)連同與之相關(guān)的手動(dòng)或自動(dòng)處理。在各種實(shí)施方案中，用于互連構(gòu)件10和/或 傳感器構(gòu)件20的芯元件可以對(duì)磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)(radiological field)或電磁場(chǎng)是透射的，或 至少是非交互的。此外，所述互連芯元件和/或傳感器芯元件可以是充分導(dǎo)電的，并可以以 連續(xù)長(zhǎng)度使用。在各種實(shí)施方案中，用于互連構(gòu)件10和/或傳感器構(gòu)件20的芯元件可以包括，例 如，單個(gè)實(shí)心股(asingle solid strand)——諸如碳納米管(CNT)細(xì)絲、氮化硼納米管狀細(xì) 絲、摻雜硅纖維，和/或多股細(xì)絲——諸如纖維束(fiber bundle)或纖維絲束(fiber tow) (諸如碳纖維絲束)。相似或不同的纖維或細(xì)絲可以被用于復(fù)絲實(shí)施方案。所述單股或多股細(xì)絲可以基本上是非金屬性的，并且可以由導(dǎo)電、半導(dǎo)電或半阻 性的材料制成，包括但不限于碳、氮化硼、硅、硼、摻雜硅、硼-碳(boron-carbon)、硼-氮 (boron-nitride)、碳化合成纖維、浙青碳纖維(pitch carbon f ibers)、聚丙烯腈碳纖維、 石墨，等。所述單股或多股細(xì)絲可以由各種不同尺度的材料制成，從宏觀到微觀或到納米級(jí) 尺度。所述細(xì)絲也可以包括，例如，在至少一個(gè)維度為約100納米或更小的納米管、納 米線(nanowires)、納米桿(nanoshafts)、納米柱(nanopillars)、納米棒(nanorods)、納 米板(nanoscale plates)(例如,納米石墨板(nanoscale graphene plates))、納米纖維 (nanof ibers)、納米針(nanoneedles)、納米微絲(nanof ibrils)或其它納米結(jié)構(gòu)。納米尺 寸的填充物微粒——諸如碳納米管狀微粒——可以被用于，例如，進(jìn)一步修改所述傳感器 或互連構(gòu)件的操作特性，包括強(qiáng)度、撓性、耐化學(xué)性(chemical resistance)等。例如，用 于互連構(gòu)件10和/或傳感器構(gòu)件20的芯元件可以包括一個(gè)或多個(gè)納米尺寸的碳納米管 (CNT)單絲(monofilaments)，諸如從 NanoComp，Corp. (Concord，新罕布什爾州)供應(yīng)的。 所述納米尺寸的CNT單絲可以提供強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和/或小的尺度。替代性地，用于互連構(gòu)件10和/或傳感器構(gòu)件20的芯元件可以包括含有一個(gè)或 多個(gè)個(gè)體碳細(xì)絲(或纖維)的碳纖維絲束。例如，根據(jù)本教導(dǎo)，可以使用具有約1000個(gè)個(gè) 體細(xì)絲的碳纖維絲束。其它實(shí)施方案可以包括，例如，具有約500個(gè)或更少的個(gè)體細(xì)絲的碳 纖維絲束。在各種實(shí)施方案中，用于互連構(gòu)件10和/或傳感器構(gòu)件20的芯元件在至少一個(gè) 維度可以是，例如，約500微米或更小。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)維度可以包括約0.5微米至約500微米的直徑。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)維度可以包括約500納米或更小的直徑，例如，從約1納米至約500納米。在各種示例性實(shí)施方案中，互連構(gòu)件10可以由，例如，本質(zhì)上或至少局部地是非 金屬性和/或非磁性的任何合適的碳纖維或碳纖維絲束制成，如在題為“Nickel/Carbon Fiber Braided Shield”的相關(guān)美國(guó)專(zhuān)利4，822，950中所述，該專(zhuān)利通過(guò)引用的方式被整 體納入本文。例如，互連構(gòu)件10可以因此包括一個(gè)屏蔽的(shielded)電導(dǎo)體單元，該單 元包括如下的復(fù)合物該復(fù)合物具有一個(gè)導(dǎo)電碳芯以及一個(gè)包覆該碳芯的電絕緣彈性護(hù)套 (jacket)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以存在非常薄的金屬層，諸如鎳、金、鉛、銅、錫、銀、鈀、鉬或 其混合物、摻合物(blends)或合金，該非常薄的金屬層涂覆所述芯纖維的外層的至少一部 分和/或所述護(hù)套的內(nèi)層的至少一部分。所述薄層的厚度可以在約0. 1埃(angstrom)至約 1微米的范圍內(nèi)。涂覆所述芯和所述鞘的金屬層可以根據(jù)具體應(yīng)用的要求而相同或不同。其它示例性互連構(gòu)件可以包括在題為“ElectrostatographicR印roducing Machine Resistive Carbon Fiber Wire”的相關(guān)美國(guó)專(zhuān)利5，414，216中描述的那些構(gòu)件， 該專(zhuān)利通過(guò)引用的方式被整體納入本文。例如，互連構(gòu)件10可以包括具有如下導(dǎo)電芯的 導(dǎo)線，該導(dǎo)電芯使用局部碳化的聚丙烯腈細(xì)絲，該聚丙烯腈細(xì)絲的電阻率在約1 X lOexp (2) 和約IX lOexp (10) ohms-cm之間。所述細(xì)絲可以被電絕緣護(hù)層包圍。這種互連導(dǎo)線可以包 括由約2000至約50000根細(xì)絲構(gòu)成的芯。所述護(hù)層可以包括絕緣彈性材料——諸如硅樹(shù) 脂，和/或絕緣聚合材料——諸如聚酯或聚氯乙烯。所述導(dǎo)電細(xì)絲芯可以具有從約5微米 至約50微米的直徑。在又一個(gè)實(shí)施例中，互連構(gòu)件10可以包括，例如，引線(leadwire)、分流線(shunt wire)、保險(xiǎn)絲(fuse wire)，或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它導(dǎo)線互連構(gòu)件?；仡^參照?qǐng)D1，在各種實(shí)施方案中，集成傳感器組件135可以進(jìn)一步包括布置在互 連構(gòu)件10的一端——例如在對(duì)立于傳感器構(gòu)件20的那一端——的連接器構(gòu)件(未示出)。 在各種實(shí)施方案中，所述連接器構(gòu)件可以是任何合適的終止端(end-termination)，諸如連 接器一其使得能夠?qū)崿F(xiàn)在傳感器構(gòu)件(以及互連構(gòu)件)與信號(hào)傳感設(shè)備155之間的連接。在各種實(shí)施方案中，圖1的集成傳感器組件135可以被大量制造為具有傳感器構(gòu) 件陣列和/或集成傳感器組件陣列。例如，圖1A示出了根據(jù)本教導(dǎo)的集成傳感器組件的示 例性陣列的一部分。如所示，多個(gè)傳感器組件135可以被包括在該陣列中，該陣列可以被用 在如圖1所示的所公開(kāi)的傳感系統(tǒng)中，以通過(guò)組件135的傳感器構(gòu)件來(lái)檢測(cè)測(cè)試對(duì)象105。 接下來(lái)，檢測(cè)信號(hào)可以通過(guò)組件135的互連構(gòu)件傳輸至信號(hào)處理設(shè)備155。在各種實(shí)施方案中，例如當(dāng)陣列被用于細(xì)胞級(jí)檢測(cè)時(shí)，示例性組件135的每個(gè)構(gòu) 件——包括傳感器構(gòu)件20、互連構(gòu)件10和/或接觸構(gòu)件——可以使用小尺度。在各種實(shí)施 方案中，集成傳感器組件陣列可以含有，例如，約2個(gè)至約3000個(gè)或更多個(gè)個(gè)體傳感器或組 件 135。圖2A 2C描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的、處于各個(gè)成形階段的一個(gè)示例性集成傳感器組 件200A C。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，圖2A 2C中描繪的組件表現(xiàn)為一 種一般化的示意圖，而可以添加其它部件/構(gòu)件/設(shè)備，或者可以去除或修改已有的部件/ 構(gòu)件/設(shè)備。如圖2A所示，可以提供芯元件200A，諸如碳纖維絲束。該芯元件可以包括阻性碳纖維絲束，例如，具有從約lX10exp(-4)至約lXlOexp (10) ohm-cm的電阻率的碳纖維絲 束。所述碳纖維絲束可以具有例如環(huán)形橫截面形狀(circular cross sectional shape), 諸如橢圓形或圓形。在所示的實(shí)施例中，所述碳纖維絲束可以被用作用于傳感器元件的芯 元件，和/或用于集成傳感器組件200的互連元件的芯元件。如所示，芯元件200A可以被 分為兩段(section)或兩截(length)，包括用于傳感器構(gòu)件的第一段202 (例如，短段或短 截)，以及用于互連構(gòu)件的第二段206 (例如，長(zhǎng)段或長(zhǎng)截)，或反之。
在圖2B中，接下來(lái)，復(fù)合段210可以被形成為，包括合適的粘合劑聚合物或絕緣材 料，以及示例性碳纖維絲束200A的第二截(thesecond length) 206 (例如，長(zhǎng)段)。在各種 實(shí)施方案中，所述粘合劑聚合物或絕緣材料可以進(jìn)一步包括溶劑，包括有助于復(fù)合處理的 揮發(fā)性溶劑?？梢允褂帽绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的各種復(fù)合處理。例如，復(fù)合段210可以 通過(guò)如下過(guò)程形成將環(huán)氧粘合劑(例如EP0N epoxy862)、揮發(fā)性溶劑(例如甲苯)、以及 合適的交聯(lián)劑(例如lindaX(Lindau Chemicals))的混合物滲入示例性長(zhǎng)截206。所述揮 發(fā)性溶劑可以有助于潤(rùn)濕以及滲入處理，連同后續(xù)的、例如在對(duì)所述碳纖維細(xì)絲的粘合劑 聚合物滲入部分進(jìn)行干燥和/或固化過(guò)程中的蒸發(fā)處理。根據(jù)所使用的粘合劑聚合物，所述干燥或固化處理可以包括，例如，一個(gè)分步 (step-wise)處理。例如，當(dāng)使用環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，首先可以將滲入部分在室溫下進(jìn)行蒸發(fā)，然后 在約60°C干燥一個(gè)小時(shí)，例如在對(duì)流爐(convection oven)中；溫度可以增至約130°C，并 且可以進(jìn)一步進(jìn)行約1小時(shí)的固化。根據(jù)所使用的粘合劑聚合物和/或溶劑，其它固化方 案也可以是可能的。本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的固化方案可以落在此實(shí)施方案的范圍內(nèi)。在各種實(shí)施方案中，所形成的復(fù)合段210可以是薄的、富含纖維的(fiber rich)、 實(shí)心的、且機(jī)械堅(jiān)固的(mechanically strong)。例如，所述復(fù)合段可以具有約10微米至約 1000毫米的厚度和/或?qū)挾?。所述?fù)合段也可以使用任何其它厚度和/或?qū)挾龋T如納米 尺度(例如，小于1000納米)或大于1000毫米。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，所述復(fù)合段可 以具有矩形橫截面。在其它實(shí)施方案中，配置可以是環(huán)形或圓形的。在其它實(shí)施方案中，， 所述復(fù)合段當(dāng)沿著其長(zhǎng)度軸線被壓縮時(shí)可以展現(xiàn)出，例如，彈簧般的撓性響應(yīng)。在各種實(shí)施方案中，在復(fù)合元件210的成形過(guò)程中，剩余截——即原始芯元件 200A(例如，碳纖維絲束)的第一段202(例如，短截)——可以在該過(guò)程中保持基本不變。在圖2C中，可以在示例性碳纖維200A的尚未形成復(fù)合物的第一段(例如，短 段)202上形成一個(gè)或多個(gè)護(hù)帶228。芯元件200A的第一截的護(hù)套部分可以形成集成傳感 器組件200C的傳感器構(gòu)件220。在各種實(shí)施方案中，在形成護(hù)帶228之前，芯元件200A (例如，碳纖維絲束)的短 截202可以被處理為具有想要的橫截面形狀和想要的尺度。例如，第一截202可以通過(guò)機(jī) 械壓縮被處理以改變形狀，例如從近似橢圓變?yōu)楸〉?、平坦且?guī)畹慕Y(jié)構(gòu)。所述平坦的帶狀 結(jié)構(gòu)可以是，例如，包括矩形結(jié)構(gòu)的寬的薄層。在各種實(shí)施方案中，所產(chǎn)生的傳感器構(gòu)件220 可以具有平坦且鈍的(blunt)結(jié)構(gòu)。接下來(lái)，可以通過(guò)各種涂覆技術(shù)在芯元件200A(例如，碳纖維絲束)的短的截202 上形成護(hù)帶228，所述各種涂覆技術(shù)包括但不限于溶液涂覆(solution coating)、浸漬涂 覆(dip coating)、拉伸涂覆(draw coating)、環(huán)繞涂覆(ring coating)等。護(hù)帶 228 可 以是直徑遠(yuǎn)大于芯元件200A直徑的絕緣護(hù)層。
11
在各種實(shí)施方案中，所述示例性薄矩形區(qū)域——在第一截202上形成有護(hù)帶228 的傳感器構(gòu)件220——可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)二次處理被進(jìn)一步調(diào)整尺寸和形狀。所述二 次處理可以包括，例如，切割或修整，諸如，使用機(jī)械切割機(jī)、機(jī)械剪切機(jī)、機(jī)械塑形機(jī)，或車(chē) 床、噴水切割機(jī)、和/或激光切割機(jī)，以形成用于具體應(yīng)用的各種想要的形狀。在二次處理 之后，最終的傳感器元件可以變?yōu)?，例如，更小、含有特定特征、或具有更撓性的元件。在各種實(shí)施方案中，根據(jù)具體應(yīng)用，傳感器構(gòu)件220的直徑或長(zhǎng)度可以大于互連 構(gòu)件210的直徑或長(zhǎng)度。例如，護(hù)層228可以被形成在芯元件200A的長(zhǎng)段206上以形成傳 感器構(gòu)件，而芯元件200A的短段202可以與粘合劑聚合物復(fù)合以形成互連構(gòu)件。圖3A 3C描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的、處于各個(gè)成形階段的另一個(gè)示例性集成傳感器 組件300。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)顯而易見(jiàn)的是，圖3A 3C中描繪的組件表現(xiàn)為一種一 般化的示意圖，而可以添加其它部件/構(gòu)件/設(shè)備，或者可以去除或修改已有的部件/構(gòu)件 /設(shè)備。在圖3A中，復(fù)合構(gòu)件300A可以被形成為包括一個(gè)芯元件，諸如通過(guò)粘合劑聚合物 固定或復(fù)合的一個(gè)或多個(gè)碳纖維絲束。復(fù)合構(gòu)件300A可以采用如下形式，包括但不限于棒、桿、片、柱、管、空心體，或使 用各種復(fù)合塑形技術(shù)形成的其它半成品或成品。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，復(fù)合元件300A 可以是具有例如約50微米至約5毫米直徑的復(fù)合棒。復(fù)合元件300A可以是復(fù)合棒，并可以具有各種想要的橫截面形狀，包括環(huán)形或 其它形狀。該復(fù)合元件和用于形成該復(fù)合元件的方法可以包括在題為“Composition of Matter for Composite PlasticContact Elements Featuring Controlled Conduction Pathways,andRelated Manufacturing Processes，，的、序列號(hào)為 No. 12/055, 616 的相關(guān)美 國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中描述的，該專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)文本通過(guò)引用的方式被整體納入本文。例如，復(fù)合 元件300A可以通過(guò)商業(yè)拉擠方法(DFI，Hickory，北卡羅來(lái)納州)被形成。在各種實(shí)施方 案中，復(fù)合元件300A可以不包括任何揮發(fā)性溶劑，諸如用于圖2A 2C中的設(shè)備和處理的 揮發(fā)性溶劑。在各種實(shí)施方案中，復(fù)合元件300A可以是機(jī)械堅(jiān)固的和撓性的。復(fù)合元件300A 可以含有占該復(fù)合元件重量的約1 %至約99 %的碳纖維絲束，并含有占該復(fù)合元件重量的 約至約99%的粘合劑聚合物。在另一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合元件300A可以含有占該復(fù)合元 件重量的約90%至約98%的碳纖維絲束，并可以含有占該復(fù)合元件重量的約2%至約10% 的粘合劑聚合物。為了制備所公開(kāi)的集成傳感器組件，復(fù)合元件300A可以包括第一截302，其用于 制備所述傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之一；以及第二截306，其用于制備所述傳感器構(gòu)件 和所述互連構(gòu)件之另一。在圖3B中，復(fù)合元件300A的第一截302可以被處理以提供想要的橫截面形狀、尺 寸和撓性。例如，復(fù)合元件300A的第一截302可以被碾壓(milled)(例如，由新罕布什爾 州，Nashua的Resonetics進(jìn)行激光碾壓)以提供縮小的直徑，其可以被用來(lái)制備傳感器構(gòu) 件320(見(jiàn)圖3C)。或者，激光或其它合適的噴水處理可以被用來(lái)去除或消除形成芯纖維的 粘合劑樹(shù)脂，由此增加第一截302的撓性。復(fù)合元件300A的第一截302可以具有為原始直 徑的約至約99%的縮小的直徑。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，短截可以被從具有約0. 022英寸的原始直徑的復(fù)合棒處理為具有約0. 012英寸的直徑，以形成傳感器構(gòu)件。在圖3C中，可以通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)聚合物護(hù)套328包覆到復(fù)合元件300A的、經(jīng)碾 壓的第一截302 (例如，短段)上，來(lái)形成傳感器構(gòu)件320。聚合物護(hù)套328或覆層可以通過(guò)如下過(guò)程被形成在經(jīng)碾壓的第一截/短截302 上將聚合物涂層以液體形式施加至第一截區(qū)域302，然后干燥在其上。根據(jù)用于包覆的聚 合物，可以使用紫外線或其它輻射來(lái)固化該液體聚合物，并將該聚合物凝固到所述復(fù)合元 件的周邊(circumference)上。在各種實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)聚合物覆層328可以被局部地或全部地施加到第 一截上，該第一截已從復(fù)合元件300A處理而成。例如，聚合物覆層328可以被形成為位于 如下位置的窄帶該位置距離富含纖維的尖端區(qū)域301的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0、距離復(fù)合元件300A的 第二截306的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，所述聚合物包覆帶可以距離所述第 一截的處理后的富含纖維的尖端區(qū)域約3毫米至約4毫米(L0)、距離所述復(fù)合棒的第二區(qū) 域一一其比經(jīng)碾壓的第一區(qū)域厚——約5至約6毫米(L1)。如此一來(lái)，與包覆區(qū)域相比，非包覆區(qū)域可以是相對(duì)撓性的。在各種實(shí)施方案中， 位于所述富含纖維的復(fù)合物的至少一部分周緣(periphery)上的聚合物覆層328可以具 有任何想要的圖案，并可以位于第一截302的任何位置，這提供了應(yīng)用的可行性。在各種 進(jìn)一步的實(shí)施方案中，所述聚合物覆層可以用作接口，其有助于在制造期間或之后校準(zhǔn) (alignment)、定位(positioning)和/或附接其它輔助設(shè)備或特征。在各種實(shí)施方案中，從聚合物包裝區(qū)域突出的、最尖端的自由端301可以表現(xiàn)為 一個(gè)富含纖維的構(gòu)件，該構(gòu)件適于用作用于傳感器構(gòu)件320的觸頭。這些傳感器的接觸面 積可以在，例如，從約0. 1毫米2到約20毫米2的范圍內(nèi)。剩余的復(fù)合段306可以被用作互 連構(gòu)件310。在各種實(shí)施方案中，集成傳感器組件——例如圖2A 2C和/或圖3A 3C所示 的——可以進(jìn)一步附接一個(gè)連接器構(gòu)件(在圖2A 2C或圖3A 3C中未示出)。所述連接 器構(gòu)件可以包括在本領(lǐng)域公知的任何合適的端接(termination connect)，并可以被配置 在互連元件210和/或310的另一端。所述連接器構(gòu)件可以被進(jìn)一步連接至想要的信號(hào)處 理部件(見(jiàn)155)，包括測(cè)量?jī)x器、顯示裝置、傳輸裝置、和/或記錄裝置。在一個(gè)示例性實(shí)施 方案中，所述連接器構(gòu)件可以是金屬卷邊型(metal crimp type)、筒與引腳連接器(barrel and pin connector)、磨擦夾鉗型香蕉弓丨腳(friction clamp type banana pin)、或任何合 適的或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它常規(guī)連接器。在各種實(shí)施方案中，所述連接器構(gòu)件可以是集成的、富含纖維的復(fù)合型連接器，其 類(lèi)似于圖2 3中描繪的傳感器元件220或320，并可以通過(guò)類(lèi)似于用于在互連構(gòu)件210和 /或310的另一端上產(chǎn)生富含纖維的復(fù)合傳感器構(gòu)件的復(fù)合處理而被制造。在各種實(shí)施方 案中，所述連接器構(gòu)件可以在其末端上配置有漸細(xì)的引腳狀突出物，并/或具有空心“形狀 的”中心，而富含纖維的復(fù)合物形成壁。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述連接器構(gòu)件的終止端可以 被焊接至合適的信號(hào)處理設(shè)備。在其它實(shí)施方案中，所述空心連接器端可以被接合至真空 和/或壓力源，或者接合至流體系統(tǒng)，其另一探針端被暴露、密封或柵封(gated)。在各種實(shí)施方案中，所公開(kāi)的包括互連構(gòu)件、傳感器構(gòu)件和/或連接器構(gòu)件的集 成傳感器組件可以提供高性能，并可以是宏觀尺寸、微觀尺寸或納米尺寸的。
例如，微型傳感器和/或致動(dòng)器或激勵(lì)器和/或其大陣列可以如下地形成每個(gè)傳 感器具有高性能且易于制造成微觀尺寸，其中接觸面積可以在，例如，小于約500i!m2的范 圍內(nèi)，以使得能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞級(jí)的或細(xì)胞級(jí)以?xún)?nèi)的信號(hào)探測(cè)、操縱、激勵(lì)。在另一個(gè)實(shí)施方案 中，用于微型傳感器和/或其陣列的接觸面積可以小于約1 P m2。在各種實(shí)施方案中，納米尺度纖維或細(xì)絲一包括例如納米管或納米線、納米桿、 納米柱、納米棒或納米針一可以被用于圖2A 2C和圖3A 3C所示的組件，以形成微型 傳感器構(gòu)件及其陣列。圖4A 4C描繪了根據(jù)本教導(dǎo)的、處于各個(gè)成形階段的另一個(gè)示例性集成傳感器 組件及其陣列。如圖4A所示，聚合物包裹構(gòu)件400A可以被形成為包括納米尺度的芯元件405。在 一個(gè)實(shí)施方案中，納米尺度的芯元件405可以包括連續(xù)碳納米管(CNT)細(xì)絲或由納米結(jié)構(gòu) 制成的其它細(xì)絲，包括緊湊的(compacted)納米尺寸的微粒粉末。在各種實(shí)施方案中，示 例性CNT細(xì)絲可以提供足夠的強(qiáng)度、化學(xué)惰性、X射線及磁透射性、以及導(dǎo)電性，并且可以是 商業(yè)上可得到的。例如，CNT連續(xù)細(xì)絲可以由新罕布什爾州Concord的NanoComp提供。任 何合適的絕緣聚合覆層407——或如本文公開(kāi)的護(hù)層——可以被制造，以包裹該示例性CNT 芯元件。在圖4B中，聚合覆層407的一部分可以被從聚合物包裹構(gòu)件400A的一端(例如， 401)的至少一部分中去除，由此暴露出納米尺度的芯元件405的一部分?？梢允褂酶鞣N公 知的處理——例如激光剝線法(laser wire-stripping methods)——來(lái)去除這部分聚合 物涂層，從而暴露出例如單絲CNT芯。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，例如，可以從約2米長(zhǎng)的 聚合物包裹CNT構(gòu)件的一端或兩端去除約6毫米的絕緣護(hù)套。在圖4C中，所暴露的單絲CNT芯可以被處理以形成尖端區(qū)域403，該尖端區(qū)域被塑 形以作為用于與該傳感系統(tǒng)的其它設(shè)備——諸如圖1中所示的測(cè)試對(duì)象105——連接的觸 頭或探針。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，通過(guò)使用包括例如電弧燒蝕、激光燒蝕或其它合適處 理的處理，所暴露的納米尺度芯可以被形成為具有針狀尖端區(qū)域。在各種實(shí)施方案中，剩余的聚合物包裹區(qū)域可以被用作微型集成傳感器構(gòu)件以及 具有適當(dāng)終止端的互連構(gòu)件。例如，剩余的聚合物包裹區(qū)域可以形成微型的、集成的、非金 屬性、非磁性、非交互的傳感器和互連導(dǎo)線，這可以適用于探測(cè)測(cè)試對(duì)象的細(xì)胞或組織級(jí)特 性，其中光能、磁能或電磁能可以被同時(shí)用來(lái)激勵(lì)該測(cè)試對(duì)象。在各種實(shí)施方案中，設(shè)備 400C的另一端411——其中單絲CNT芯可以暴露或不暴露——可以以本文所述的任何合適 的連接器構(gòu)件為終止。在各種實(shí)施方案中，可以包括其它配置的傳感器。在一個(gè)示例性結(jié)構(gòu)中，相對(duì)大量 的連續(xù)且撓性的CNT纖維(而非如圖3A 3C所示的纖維絲束)可以從包裹元件突出。所 述多個(gè)連續(xù)且撓性的CNT纖維的至少一端可以通過(guò)以下方式終止將一短截自由纖維與合 適的粘合劑聚合物復(fù)合，并機(jī)械地形成尖端區(qū)域，以制造具有薄橫截面的富含纖維的復(fù)合 物。所形成的薄元件可以是撓性的，并適于用作自載荷傳感器構(gòu)件。在另一個(gè)示例性配置中，類(lèi)似于上述第一配置實(shí)施例，一短截自由纖維可以從沿 著這截聚合物包裹構(gòu)件的一個(gè)區(qū)域突出，其中通過(guò)去除聚合物涂層的至少一部分，可以暴 露出一自由截纖維，將其浸以合適的粘合劑聚合物——該粘合劑聚合物與所述聚合物涂層
14相同或不同，并進(jìn)行形狀控制，以形成一個(gè)撓性的傳感器構(gòu)件。由此可以沿著該導(dǎo)線的長(zhǎng)截 形成多個(gè)傳感器或激勵(lì)區(qū)域。在另一個(gè)示例性配置中，具有合適的聚合物護(hù)套的一個(gè)或多個(gè)納米尺寸芯細(xì)絲可 以被用來(lái)形成復(fù)合物。一短截細(xì)絲可以被暴露，并可選地與合適的涂層結(jié)合，且可選地被塑 形為合適形狀的接觸傳感器或激勵(lì)。在各種實(shí)施方案中，可以通過(guò)如下過(guò)程形成集成傳感器組件陣列對(duì)陣列中的每 個(gè)集成傳感器組件使用類(lèi)似的制造方法，將多個(gè)設(shè)備——諸如圖2A 2C、圖3A 3C和 /或圖4A 4C所示的——進(jìn)一步組裝成陣列。每個(gè)集成傳感器組件可以包括，例如傳 感器構(gòu)件、致動(dòng)器構(gòu)件、激勵(lì)器構(gòu)件、互連構(gòu)件和/或連接器構(gòu)件，其中所述連接器構(gòu)件可 以與信號(hào)傳感設(shè)備(例如，圖1的155)連接，所述傳感器構(gòu)件的另一接觸端可以與測(cè)試對(duì) 象(例如，圖1的115)連接。在各種實(shí)施方案中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的多導(dǎo)體帶型 (ribbon-type)電纜可以被用于集成傳感器組件陣列。在該情況下，多個(gè)CNT細(xì)絲，例如，可 以被校準(zhǔn)為具有想要的細(xì)絲間距并保持在位，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)經(jīng)歷合適的護(hù)套涂覆處理以形 成具有被該聚合物涂層包裹的多個(gè)芯元件的聚合物包裹構(gòu)件。在各種實(shí)施方案中，用于所公開(kāi)的集成傳感器組件、陣列及相關(guān)傳感系統(tǒng)的材料、 設(shè)備及方法可以提供，例如，最終商業(yè)設(shè)備的制造可行性、想要的尺寸范圍、以及高效且低 成本的批量制造，這可以適用于，例如，細(xì)胞或組織級(jí)測(cè)量，也可以用于與合適的尖端包覆 物結(jié)合以響應(yīng)PH值或響應(yīng)特定無(wú)機(jī)或有機(jī)化合物的存在。因此，所述集成傳感器可以適用 于家庭安全應(yīng)用，其中在測(cè)試環(huán)境內(nèi)同時(shí)使用X-射線、磁或電磁能。實(shí)施例實(shí)施例1 制備集成傳感器組件使用約1米長(zhǎng)的阻性碳纖維絲束(由MTLS/Hexel提供，標(biāo)示為3K，絲束批號(hào)#043) 來(lái)形成對(duì)象集成傳感器組件的原型(prototype)，其中該絲束的長(zhǎng)度的約98%保持其原始 狀態(tài)。該碳纖維絲束的原始形狀沿著其長(zhǎng)度呈現(xiàn)為從橢圓形到近似圓形，直徑為約0. 5毫 米至約0. 6毫米。將約6毫米長(zhǎng)的一短段碳纖維絲束——其含有約3000個(gè)延續(xù)約6至約8微米的 個(gè)體碳纖維——保持附接至該長(zhǎng)纖維絲束，并被用來(lái)制造所述傳感器構(gòu)件。將約90%重量百分比的催化EP0N環(huán)氧樹(shù)脂862與約10%重量百分比的甲苯的混 合物滲入該長(zhǎng)段纖維，沒(méi)有樹(shù)脂-溶劑溶液沿著該絲束的長(zhǎng)度方向毛細(xì)(wicking)進(jìn)入或 流入剩余的短段。允許該樣品以充足的時(shí)間蒸發(fā)大部分甲苯，即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下蒸發(fā) 約15分鐘，然后鉗在兩個(gè)1毫米厚的特氟隆片(約1英寸寬、2英寸長(zhǎng))之間，并放置于循 環(huán)空氣爐中在60°C固化1小時(shí)，然后在130°C二次固化1小時(shí)。所產(chǎn)生的富含纖維的薄復(fù) 合物端段(end section)是實(shí)心的、非常堅(jiān)固的，并且當(dāng)沿著長(zhǎng)度方向軸線被壓縮時(shí)展現(xiàn)出 彈簧般的撓性響應(yīng)。其厚度是約0.05毫米，寬度是約4毫米。該原始纖維絲束的剩余的短 截在該處理中保持本質(zhì)上不變。干纖維群的機(jī)械壓縮被用來(lái)將該短區(qū)域中的纖維配置成相對(duì)寬且薄的層，其中目 的是將該區(qū)域內(nèi)的形狀從近似橢圓形顯著地變?yōu)楸〉?、平坦且?guī)畹慕Y(jié)構(gòu)。使用常規(guī)的實(shí) 驗(yàn)室伏特-歐姆計(jì)(V0M)執(zhí)行電力連續(xù)性測(cè)試，以確認(rèn)復(fù)合端和纖維絲束區(qū)域被電互連，并 且當(dāng)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，在各區(qū)域之間幾乎不能檢測(cè)到電阻變化，如果沒(méi)有。
15
實(shí)施例2 制備集成傳感器組件通過(guò)使用商業(yè)拉擠方法(北卡羅來(lái)納州，Hickory的DFI)，將如實(shí)施例1中的電阻 碳纖維絲束的約500英尺長(zhǎng)的樣品形成為具有圓形形狀、且直徑約0. 022英寸到約0. 023 英寸(約0. 5毫米到約0. 6毫米)的長(zhǎng)實(shí)心棒。將如實(shí)施例1中的熱固性樹(shù)脂(EP0N 862) 用作粘合劑樹(shù)脂，以將所述纖維固定到該圓形棒中，但是在該情況下，沒(méi)有使用甲苯作為溶 劑。所形成的復(fù)合棒樣品被估計(jì)為含有占該復(fù)合棒重量的約95%至約98%的碳纖維，并含 有占該復(fù)合棒重量的約2%至約5%的環(huán)氧樹(shù)脂。所述棒是堅(jiān)固且撓性的，盡管不像自由纖 維絲束那樣撓性。將一短截棒激光碾壓(新罕布什爾州，NashuhResonetics)至約0. 012英寸的直 徑，并將聚合物包覆物(即，Endstop photomask)以液體形式施加至最尖端附近的選定區(qū) 域，并干燥在其上，并進(jìn)行紫外線固化，以將該聚合物完全凝固到該棒的周邊上。棚列3 吿細(xì)艦馳■成纖翻件從NanoComp (新罕布什爾州，Concord)獲得約20米長(zhǎng)的50微米長(zhǎng)碳納米管(CNT) 延續(xù)細(xì)絲，提供充足的強(qiáng)度、化學(xué)惰性、X射線及磁透射、以及導(dǎo)電性，以用作本文所述組件 的合適的導(dǎo)線芯元件。可以通過(guò)一薄層溶液浸漬涂覆來(lái)制造合適的絕緣聚合物覆層，以包 裹所述CNT芯線構(gòu)件?？梢灾苽浼s2米長(zhǎng)的這種導(dǎo)線以供使用，其中可以通過(guò)常規(guī)的激光 剝線法從一端或兩端去除約6毫米的絕緣護(hù)套。在一端所暴露的單絲CNT芯可以被電弧燒 蝕或激光燒蝕，以形成針狀尖端區(qū)域，該區(qū)域可以用作對(duì)測(cè)試對(duì)象的觸頭。該導(dǎo)線的另一端 可以以PWB頭(header)為終止，以連接至信號(hào)傳感部件?？紤]到本文公開(kāi)的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其它實(shí)施方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員將是顯而易見(jiàn)的。該說(shuō)明和實(shí)施例意在僅是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍和主旨由下 列權(quán)利要求給出。
1權(quán)利要求
一種集成傳感器組件，包括互連構(gòu)件；以及至少一個(gè)傳感器構(gòu)件，其在沿著所述互連構(gòu)件的任何位置從所述互連構(gòu)件伸出并與所述互連構(gòu)件電互連；其中所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)包括聚合物和基本上非金屬性的芯元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，還包括連接器構(gòu)件，其連接至所述互連構(gòu)件以用于傳 輸信號(hào)，其中所述連接器構(gòu)件包括集成的、富含纖維的復(fù)合連接器。
3.一種用于形成集成傳感器組件的方法，包括提供包括第一段和第二段的芯元件，其中該芯元件包括一個(gè)或多個(gè)如下的細(xì)絲，該細(xì) 絲基本上是非金屬性的，并具有從IX lOexp (-4)至約lX10eXp(10)Ohm-Cm的電阻率； 將所述芯元件的第一段與聚合物復(fù)合；以及 圍繞所述芯元件的第二段形成至少一個(gè)護(hù)帶。
4.一種用于形成集成傳感器組件的方法，包括形成包括芯元件和一種或多種粘合劑聚合物的復(fù)合元件，其中所述芯元件包括一個(gè)或 多個(gè)非金屬性纖維絲束；通過(guò)減小一個(gè)或多個(gè)維度，將所述復(fù)合元件的一段塑形；以及將一個(gè)或多個(gè)護(hù)帶包覆在所述復(fù)合元件的已塑形段上，以形成傳感器構(gòu)件。
5.一種用于形成集成傳感器組件的方法，包括形成聚合物包裹構(gòu)件，其包括芯元件上的聚合物包覆物，其中所述芯元件包括一個(gè)或 多個(gè)細(xì)絲，每個(gè)細(xì)絲由至少一種非金屬性納米結(jié)構(gòu)制成；從所述聚合物包裹構(gòu)件的至少一端去除所述聚合物覆層的一部分，以暴露出所述芯元 件的對(duì)應(yīng)端部；以及從所述芯元件的暴露端部形成尖端區(qū)域，該尖端區(qū)域被用作觸頭或探針。
全文摘要
示例性實(shí)施方案提供了集成傳感器組件的材料、設(shè)備和陣列，以及用于形成及在傳感系統(tǒng)中使用這種設(shè)備和陣列的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述集成傳感器組件可以包括一個(gè)互連構(gòu)件以及與該互連構(gòu)件在其任意位置相連接的至少一個(gè)傳感器構(gòu)件。所述傳感器構(gòu)件和所述互連構(gòu)件之每一個(gè)可以包括芯元件和聚合物。用于傳感器構(gòu)件的芯元件和用于互連構(gòu)件的芯元件可以電互連。各種實(shí)施方案也可以包括連接至所述互連構(gòu)件的連接器構(gòu)件，其用于從或向所述傳感器構(gòu)件傳輸傳感信號(hào)。
文檔編號(hào)H01B3/46GK101832796SQ20101013076
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者J·A·斯威夫特, R·L·布洛克, S·J·華萊士 申請(qǐng)人:施樂(lè)公司