包括柔性屈曲构件的换能器

技术领域

本发明涉及包括柔性屈曲构件的换能器(transducer)，该柔性屈曲构件适于将特定检测到的外部刺激转换成柔性屈曲构件的机械、电、磁或物理特性的相应可检测变化。

背景技术

传感器已成为检测和适应我们物理环境中的事件和变化的宝贵工具。传感器具有从简单的实用监视器到复杂的医疗保健设备的广泛应用。具体而言，能够检测和分类生物对象或化学物质的生物传感器发挥了巨大的作用。生物传感应用包括食品安全测试、代谢工程和生物防御。在医学领域，生物传感器使科学家能够对许多疾病和病症进行早期检测，并有助于药物发现和癌症研究。

生物传感器通常由至少两个组件组成，包括分子识别探针和物理化学传感器。分子识别探针选择性地与生物材料如DNA、适体、抗体、配体、酶、微生物、细胞和/或组织相互作用。待识别或测量的生物或化学材料称为分析物。物理化学换能器根据换能器的选择特性将特定的生物相互作用转换为物理信号。

一种形式的生物传感器分类是基于所采用的信号转换机制的类型。生物传感器的类别包括光学、电化学和压电生物传感器。虽然生物传感器的选择性主要取决于分子识别探针的特性，但生物传感器的灵敏度很大程度上取决于传感器的物理化学特性。所公开的发明是一种能够以高灵敏度检测外部刺激的存在并且可以适用于生物传感器以及医学或非医学领域中的许多其他应用的中性稳定系统。

发明内容

本发明公开了一种包括柔性屈曲构件的换能器，包括具有第一表面的刚性基座构件；具有第二表面的柔性构件；一个或多个压缩元件，适合于迫使第一表面和第二表面之间的接触以形成一个具有屈曲部顶点的屈曲部；其中，在柔性构件的至少一个区域中产生的应力使屈曲部顶点相对于刚性构件发生位移。

在优选实施例中，本发明提供了一种传感装置，包括柔性传感构件，该柔性传感构件适于将特定检测到的外部刺激转换成柔性屈曲构件的机械、电、磁或物理特性的相应可检测变化。

在本发明的一个实施例中，传感装置可以包括设置在刚性基座构件上的柔性传感构件，其中柔性传感构件比刚性基座构件长。柔性传感构件和刚性基座构件都可以具有第一端和第二端。柔性传感构件的第一端和第二端可以固定到刚性基座构件的相应第一端和第二端。压缩元件可以在柔性传感构件上向刚性基座构件提供法向压缩力，从而使柔性构件变形，该柔性构件可以包括具有两个拐点、屈曲部顶点和两个接触点的屈曲部。

柔性传感构件可以由相对不可延伸但柔性的材料形成，例如织物增强硅树脂、织物增强聚氨酯、钛合金、不锈钢合金、铜合金或铝合金。柔性传感构件也可以是任何软磁金属、金属合金或铁磁材料。优选地，柔性传感构件由具有高磁导率的材料形成，例如钢或硅钢。

在一些实施例中，柔性传感构件还可以与响应外部刺激的激活元件相适配。激活元件可以作为材料薄带设置在柔性传感构件上或嵌入柔性传感构件中。优选地，激活元件应位于屈曲部的拐点处。当暴露于外部刺激时，激活元件可以向柔性传感构件施加应力。为了减轻这种应力，屈曲部和屈曲部顶点可以相对于刚性基座构件移位，直到围绕激活元件的局部区域迁移到屈曲部上最大正曲率和负曲率的区域。

激活元件可以包括能够响应一种或多种外部刺激的任何一种或多种材料。激活元件还可以包括对化学物质、生物制剂、热、重力、浮力、辐射、静电、磁力或电磁力作出响应的材料。优选地，激活元件将比其上安装激活元件的柔性构件的基材更大程度地响应外部刺激。

检测单元可用于确定激活元件响应于外部刺激的任何位移。检测单元可以是能够或适于检测柔性传感构件或激活元件的机械、电、磁或物理变化的任何装置。可以基于要检测或测量的外部刺激和激活元件材料来选择检测单元。内表面的横截面可以是圆形或椭圆形，以实现更高的灵敏度。

附图说明

图1A和1B示出了本发明的一个实施例中的换能器的示意性截面图。

图2A、2B和2C示出了本发明另一实施例中的换能器的示意性截面图。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的具有弯曲压缩构件的屈曲构件传感装置的示意性截面图。

图3B示出了根据本发明的一个实施例的具有弯曲压缩构件的激活的屈曲构件传感装置的示意性截面图。

图3C示出了根据本发明的一个实施例的具有弯曲压缩构件的激活的屈曲构件传感装置的示意性截面图。

图4A示出了根据本发明的一个实施例的具有在电磁力下压缩的屈曲柔性构件的屈曲构件传感装置的示意性截面图。

图4B示出了图4A中的实施例的示意性截面图，图4A中的实施例具有由一系列离散构件形成的基座构件。

图5示出了根据本发明的一个实施例的具有复杂表面轮廓的压缩构件的屈曲构件传感装置的实施例的示意性截面图。

图6A示出了本发明的包括具有初始曲率的屈曲柔性构件的屈曲构件传感装置的实施例的示意性截面图。

图6B示出了具有复杂几何形状的柔性传感构件的屈曲构件传感装置的实施例的示意性俯视图。

图6C示出了具有屈曲柔性层压构件的屈曲构件传感装置的实施例的示意性截面图。

图7A和7B示出了本发明一连续环形实施例中的换能器的示意性截面图。

图8A示出了根据本发明实施例的屈曲带传感装置的示意性立体图。

图8B示出了根据本发明实施例的屈曲带传感装置阵列的示意性立体图。

图9示出了根据本发明实施例的屈曲带传感装置的示意性立体图。

具体实施方式

现在将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中各个图中的相同元件尽可能用相同的附图标记表示。这些实施例是作为对本发明的解释而提供的，然而，本发明并不限于此。本领域的普通技术人员在阅读本说明书和查看本附图时可以理解，在不背离本发明的精神的情况下，可以对其进行各种修改和变化。

图1A和1B示出了本发明的一个实施例中的换能器的示意性截面图。

换能器可以是屈曲构件传感装置，其包括具有第一和第二端的固定长度的柔性传感构件120，其中柔性传感构件120的每一端牢固地固定到第一横向约束件110A和第二横向约束件110B。在优选实施例中，柔性传感构件120的长度大于第一横向约束件110A和第二横向约束件110B之间的距离。第一横向约束件110A和第二横向约束件110B可以以保持和维持第一横向约束件110A和第二横向约束件110B之间的固定距离的方式永久地固定到彼此或表面上。

在图1A和1B公开的实施例中，屈曲构件传感装置表现出双稳态特性，因为系统具有至少两个局部最小势能的稳定状态。这两种稳定状态示于图1A和1B中。在该实施例中，状态转变可以通过向柔性传感构件120施加激活力来实现，其中激活力足以克服两个稳定状态之间的局部最大能量。

柔性传感构件120可以由相对不可延伸但柔性的材料形成，例如织物增强硅树脂、织物增强聚氨酯、钛合金、不锈钢合金、铜合金或铝合金。屈曲柔性构件也可以是任何软磁金属、金属合金或铁磁材料。优选地，所述屈曲柔性构件由钢或硅钢等具有高磁导率的材料制成。

图2A、2B和2C示出了本发明另一实施例中的换能器的示意性截面图。

换能器可以是包括压缩元件100、刚性基座构件130A和柔性传感构件120的屈曲构件传感装置，其中柔性传感构件120的长度可以大于刚性基座构件130A的长度。

在一些实施例中，刚性基座构件130A可以具有牢固地附接到第一横向约束件110A的第一端和牢固地附接到第二横向约束件110B的第二端。柔性传感构件120也可以具有牢固地附接到第一横向约束件110A的第一端和牢固地附接到第二横向约束件110B的第二端。在替代实施例中，可以移除第一横向约束件110A和第二横向约束件110B，并且刚性基座构件130A的第一端可以直接牢固地固定到柔性传感构件120的第一端并且刚性基座构件130A的第二端可以牢固地固定到柔性传感构件120的第二端。在一些实施例中，可以约束柔性传感构件120，使得柔性传感构件120的第一端和第二端分别与刚性基座构件130A的第一端和第二端摩擦接触。

在优选实施例中，柔性传感构件120的长度大于刚性基座构件130A的长度。当柔性传感构件120和刚性基座构件130A固定在同一组第一横向约束件110A和第二横向约束件110B上时，第一横向约束件110A和第二横向约束件110B对柔性传感构件120造成的横向约束力可以导致柔性传感构件120偏离刚性基座构件130A，导致单稳态系统。

在图2C的实施例中，压缩元件适于在柔性传感构件120上施加压缩力，从而形成屈曲部。屈曲部可以由屈曲部顶点160、第一拐点140A和第二拐点140B以及相对于刚性基座构件130A具有最大负曲率的第一区域和第二区域限定。在本公开中，最大负曲率的第一和第二区域等同于围绕接触点165A、165B的局部区域。压缩元件可以用于确保柔性传感构件120的部分和刚性基座构件130A之间的摩擦接触。例如，如图1A和1B的实施例所示，压缩元件是平行于刚性基座构件130A的刚性压缩构件，并且被配置为在柔性传感构件120上朝着刚性基座构件130A施加压缩力，其中刚性压缩构件可以由与刚性基座构件130A相同的材料形成。随着压缩力的增加，屈曲部顶点160和刚性基座构件130A 之间的中间距离会开始减小，并且柔性传感构件120和刚性基座构件130A之间的第一和第二接触区域会开始变宽，导致柔性传感构件120上的至少一个正曲率局部区域和至少一个负曲率局部区域。如图1D所示，基座构件可相对于压缩构件130B固定以将屈曲部限制为一维横向运动，其中在屈曲部顶点160处可相对于刚性基座构件130A的横向轴线移位。

压缩元件可以是能够保持柔性传感构件和刚性基座构件之间的摩擦接触的任何一个或多个组件，例如如图2B和4A所示。例如，压缩元件可以使用自横向压缩、磁力、电磁力、静电力、重力、浮力或力的组合来迫使在柔性传感构件中形成屈曲部。如本文所用，由压缩元件引起的压缩是指柔性传感构件朝向刚性基座构件的压缩，与由压缩元件引起的合力类型相反。

在一些实施例中，屈曲构件传感装置的刚性基座构件130A可以是弯曲的，如图3A所示。当被约束在刚性基座构件130A的弯曲内并被第一横向约束件110A和第二横向约束件110B压缩时，柔性传感构件120上的应变能允许柔性传感构件120在很大程度上符合弯曲刚性基座构件130A的形状，从而避免了需要刚性压缩构件130B。在本实施例中，柔性传感元件120的变形所产生的应变能起到压缩元件100的作用。

柔性传感构件120也可以与激活元件150适配。激活元件150可以安装在屈曲柔性构件的第一拐点140A、第二拐点140B之一上，由此曲率为零。激活元件150可以是在屈曲柔性构件上或嵌入在屈曲柔性构件中的材料薄带。

可以通过将激活元件150暴露于外部刺激的开口231提供呈水溶液、气态或粉末溶液形式的外部刺激。

在优选实施例中，当暴露于含有待检测或测量的外部刺激的溶液时，激活元件150可能会受到应力。在激活元件150中产生的应力可能大于在屈曲柔性构件的基材中产生的应力，激活元件150和屈曲柔性构件的基材都可能受到外部刺激。在激活元件150中产生的应力可以是张应力或压应力。如果溶液不包含要检测或测量的外部刺激，则不会在激活元件150中产生应力。

激活元件150可以包括能够响应外部一种或多种刺激的任何一种或多种材料。激活元件150还可以包括对化学物质、生物制剂、热、辐射或电磁力作出响应的材料。优选地，激活元件150将比安装激活元件150的柔性构件的基材更大程度地响应外部刺激。例如，激活带可以由线性热膨胀系数大于5×10

在一个示例中，生物受体可以选择性地或特异性地与分析物结合。当适于与一种或多种特定分析物相互作用的生物受体暴露于所述一种或多种分析物时，该生物受体可在激活元件150中引起物理变化，例如应力。

如图4A所示，本发明的示例性实施例的压缩元件100也可以是设置在柔性传感构件120和刚性基座构件130A之间的介电层。在一些实施例中，刚性基座构件130A可以包括多个离散部分，如图4B所示。每个部分可以由相同的材料或不同的材料形成。与图2A中公开的实施例相反，图4A中公开的实施例没有使用压缩构件130B作为压缩元件。相反，柔性传感构件120可以通过磁力或电磁力压靠刚性基座构件130A。

例如，柔性传感构件120可以由具有高磁化敏感性的材料形成，例如铁磁铁、钢、非晶铁金属。当刚性基座构件130A为磁体时，磁体与铁磁材料之间的吸引力可充当压缩元件100并导致柔性传感构件120压靠在刚性基座构件130A上而形成屈曲部。在替代实施例中，压缩元件100可以是设置在柔性传感构件120和刚性基座构件130A之间的介电层，其中该介电层可以被极化以吸引和压缩柔性传感构件120。在这样的实施例中，刚性构件用作衬底，并且介电层可以与沿一个表面延伸的衬底层接触并且与相对表面上的屈曲柔性构件的部分接触。在一些实施例中，介电层可以是薄膜涂层。

介电层可以由任何合适的介电材料形成，包括氧化物(例如，氧化硅)和氮化物(例如，氮化硅)。在一些实施例中，介电层可以是适用于MEMS制造的任何介电材料。衬底层可以由任何导电或半导体材料或任何适用于MEMS制造的衬底材料(例如硅)形成。在一些实施例中，衬底层可以是高电阻率衬底。在进一步的实施例中，衬底层可以是具有合适的磁性或静电特性的任何材料，其被配置为接合屈曲柔性构件。基座层也可以由任何具有高渗透性的材料形成，例如Metglas

如图2A-4B所示的屈曲带装置中的压缩元件可以用于转换具有两个稳定状态的双稳态屈曲系统。参考图1A和1B，通过限制柔性传感构件120的平面外偏转的幅度来达到中性或接近中性的稳定系统。在这种中性稳定系统中，屈曲部相对于刚性基座构件130A的每个状态或位置处的势能保持不变。恒定能量可归因于柔性传感构件120的屈曲偏转形状的恒定弯曲应变能。这种中性稳定系统允许检测刺激(包括微量刺激)的存在。

图5示出了本发明的一个实施例，其中压缩元件是压缩构件130B。这里，压缩构件130B具有复杂的表面轮廓，其具有与局部最大和局部最小势能状态相关联的峰和谷。结合具有复杂表面轮廓的压缩构件130B可以允许将换能器调整到具有任意数量的稳定状态的系统中。

图6A-6C说明了调节双稳态屈曲换能器系统的能量分布的装置。例如，图6A示出了具有负曲率的柔性传感构件，以确保柔性传感带和压缩构件130B之间的压缩状态。图6B的实施例使用柔性传感构件120的几何形状来实现性能调整。图6C的另一个实施例可以使用热应力或非弹性应变来调整层压柔性构件的性能。

在本发明的一些实施例中，柔性传感构件120可以是具有均匀厚度和均匀宽度并且没有端点的连续带或条，其中带的宽度大于厚度。带的材料成分14可以由与柔性传感构件相同的材料制成。如图7所示，刚性基座构件可以是连续的磁性构件。

在此描述了根据本发明的一个实施例的屈曲带传感装置对外部刺激的响应。可以选择激活元件150，因为它能够引发对特定的、可识别的外部刺激的可检测响应。在检测到预定刺激时，可在激活元件150中引起应力，从而使屈曲部相对于刚性基座构件130A横向移动。例如，如图3B所示，激活元件150上的应力可导致柔性构件从120A改变形状到120B，从而有效地沿刚性基座构件130A的纵向轴线105横向移动屈曲部的相对位置。

在一些实施例中，激活元件150的热膨胀系数可以大于柔性传感构件120的热膨胀系数。当检测刺激时，激活元件150的局部区域可以比下面的柔性传感构件120更快地膨胀或收缩。在激活元件150不暴露于外部刺激的实施例中，激活元件150可以位于屈曲部的第一拐点140A或第二拐点140B处。为了减轻产生的应力，激活元件150的局部区域可以迁移到最大或最小曲率的位置。换言之，在激活元件150处或附近的柔性构件的受应力部分可以有效地迁移到柔性构件的一个区域，在该区域赋予受力部分的曲率更紧密地匹配屈曲部的曲率，所述区域例如是接触点165A、165B或屈曲部顶点160的局部区域。

激活元件150是向接触点165A、165B还是向屈曲部顶点160横向移动可以取决于以下因素，所述因素包括激活元件150安装在屈曲柔性构件朝向或背离刚性基座构件130A的表面上以及在激活元件150中产生的应力是张应力还是压应力。在每种配置中，激活元件150将趋向于向激活元件150的感应应力可以被释放的屈曲部的区域迁移。

在一些实施例中，激活元件150可以暴露于液态、气态或粉末溶液中的外部刺激。例如，激活元件150可以浸泡或浸没在包含外部刺激的液体溶液中。在另一个实施例中，包含外部刺激的液体溶液可以通过入口通道直接滴定在激活元件150上。在又一个实施例中，激活元件150可以完全或部分地封闭在容器中并暴露于气态溶液。激活元件150可以以其他方式或方法暴露于外部刺激，并且暴露方法不限于本文的公开内容。

激活元件150可以包括能够响应外部一种或多种刺激的任何一种或多种材料。激活元件150还可以包括对化学品、生物制剂、热、重力、浮力、辐射、静电、磁力或电磁力作出响应的材料。优选地，激活元件150将比安装激活元件150的柔性构件的基材更大程度地响应外部刺激。在一些优选实施例中，例如在适于检测重力变化的屈曲构件传感装置中，激活元件150也可以由柔性传感构件形成。

至少一个激活元件150可以设置在被屈曲柔性构件的一个表面上，并且至少一个检测单元可以被定位在屈曲柔性构件的另一表面上。在其他实施例中，至少一个检测单元16未安装或定位在柔性传感构件120上。在一些实施例中，至少一个检测单元可以定位在屈曲构件传感装置的外部。

在优选实施例中，提供了延伸穿过刚性圆柱形外壳的进入通道。在其他实施例中，进入通道是延伸穿过刚性圆柱形外壳的孔。可以通过将激活元件150暴露于外部刺激的入口通道提供呈水溶液、气体或粉末溶液形式的外部刺激。优选地，进入通道直接位于激活元件150的上方或附近。

在一些实施例中，激活元件150可以暴露于液态、气态或粉末溶液中的外部刺激。例如，激活元件150可以浸泡或浸没在包含外部刺激的液体溶液中。在另一个实施例中，包含外部刺激的液体溶液可以通过入口通道直接滴定在激活元件150上。在又一个实施例中，激活元件150可以完全或部分地封闭在容器中并暴露于气态溶液。激活元件150可以以其他方式或方法暴露于外部刺激，并且暴露方法不限于本文的公开内容。

检测单元可用于确定激活元件150响应于外部刺激的任何位移。检测单元可以是能够或适用于检测屈曲柔性构件或激活元件150的机械、电、磁或物理变化的任何装置。可以基于要检测或测量的外部刺激和激活元件150的材料来选择检测单元。内表面的截面图可以是圆形或椭圆形，以实现更高的灵敏度。

例如，检测单元可以是电磁检测线圈或压电元件。可以利用电磁检测线圈或压电元件来检测在暴露于外部刺激之前和之后的屈曲柔性构件或激活元件150中的静态或动态压力。

在另一个实施例中，检测单元可以是安装在屈曲柔性构件上的应变仪装置，其适于检测屈曲柔性构件或激活元件150响应外部刺激而产生的静态应变或动态应变或其他应力引起的应变。

在其他实施例中，检测单元可以是包括光传感器和压力传感器的接近开关(例如，红外、声学、电容、电感)。在进一步的实施例中，检测单元可以是模拟感应装置。

在进一步的实施例中，检测单元可以是配置有高光学变焦的照相机或成像装置，其允许对屈曲部或屈曲部顶点160的位移进行视觉检查。

图7A和7B示出了本发明一连续环形实施例中的换能器的示意性截面图。

如图7A所示，环形换能器可以是刚性基座构件130A和柔性传感构件120的屈曲构件组成的传感装置，其中柔性传感构件120的长度可以大于刚性基座构件130A的长度。

在一些实施例中，刚性基座构件130A可以是连续永磁性或电磁构件，也可以由一系列离散构件形成(如图4B中刚性基座构件130A)的环形基座构件，柔性传感构件120可以是连续软磁铁带或链条。当把柔性传感构件120安装在刚性基座构件130A的外环形表面上，磁力可以把柔性传感构件120的一部分紧紧地压在刚性基座构件130的表面。由于柔性传感构件120的长度可以大于刚性基座构件130A的长度，柔性传感构件120可以形成一个或多个屈曲部，如图7B所示的位置120A处的屈曲部。

如图7B所示，初始的屈曲部可以在柔性传感构件120上的位置120A。屈曲部在不同的位置对应着不同的状态。在该实施例中，状态转变可以通过向柔性传感构件120施加激活力来实现，其中激活力足以克服两个稳定状态之间的局部最大能量。优选地，激活力可以在位于屈曲部中间的拐点。激活力可以驱动屈曲部从位置120A移动到位置120B和位置120C。即使屈曲部在不同位置，屈曲部的变形形状可以一致。这样柔性传感构件120的弹性变形能在屈曲的不同状态下可以保持不变，所需激活力可以非常小。

图8A示出了根据本发明的一个实施例的屈曲构件传感装置的示意性立体图。例如，多个屈曲构件传感装置可以串联或以阵列形式布置，如图8B所示。每个单独的传感器可以具有适于响应相同的外部刺激或不同的刺激或不同的刺激组合的激活元件150。每个单独的传感器可以与微流体泵集成以将外部刺激传递到屈曲构件传感装置中的有源元件150。在图8A的实施例中，激活元件可以形成为柔性传感构件上的薄涂层。激活元件可以包括对化学或生物化学刺激有反应性的材料，从而允许使用屈曲构件传感装置作为生物传感器。在另一个实施例中，激活元件可以包括具有比柔性传感构件的热膨胀系数更高的热膨胀系数的材料。本实施例可以用作温度传感器。如图9所示，在一些实施例中，有源元件是在屈曲部的拐点处设置在柔性传感构件上的固定负载，从而允许传感装置用作加速度或惯性传感器。

屈曲构件传感装置可以以多种尺寸制造，例如微米级或纳米级制造，并且要求保护的主题在这方面不受限制。

术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明，或从上下文中清楚，否则短语“X采用A或B”旨在表示任何自然包含性排列。即，“X采用A或B”这一短语满足下列任一情况：X采用A；X采用B；或X使用A和B。此外，除非另有说明或从上下文中清楚地表明指向一个，否则本申请和所附权利要求中所提及的对象通常应解释为“一个或多个”。

尽管前述公开讨论了说明性的方面和/或实施例，但应当注意，在不脱离所附权利要求限定的所描述的方面和/或实施例的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变和修改。此外，虽然所描述的方面和/或实施例的元素可以以单数形式进行描述或要求保护，但复数是可以预期的，除非明确说明对单数的限制。此外，除非另有说明，否则任何方面和/或实施例的全部或部分可以与任何其他方面和/或实施例的全部或部分一起使用。