ES2264900B1 - PRESSURE SENSORS DISTRIBUTED FROM LARGE SURFACE BASED ON POLYTIOPHENES. - Google Patents
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Abstract
Sensores de presión distribuidos de gran superficie basados en politiofenos. La presente invención se refiere a sensores de presión distribuidos de gran superficie que comprenden al menos dos sustratos flexibles, estando recubierto al menos uno de ellos total o parcialmente por una capa de un politiofeno que contiene unidades estructurales repetitivas de fórmula (I), en la que R1 y R2 son independientemente un grupo alquilo C1-C12 o forman un grupo 1,n-alquileno C1-C12, siendo n = 1-12, opcionalmente sustituidos por un grupo alquilo C1-C12, alqueno C2-C12, vinileno, bencilo, fenilo, halógeno, o por un grupo funcional éster, amino, amido o éter opcionalmente sustituido por un grupo alquilo C1-C12; y uno o más espaciadores aislantes. Dichos sensores son flexibles y fáciles de fabricar y pueden presentar distintas configuraciones simétricas, simples o multicapa, según se desee.Large surface distributed pressure sensors based on polythiophenes. The present invention relates to large surface distributed pressure sensors comprising at least two flexible substrates, at least one of them being completely or partially covered by a layer of a polythiophene containing repetitive structural units of formula (I), in the that R1 and R2 are independently a C1-C12 alkyl group or form a 1, n-C1-C12 alkylene group, where n = 1-12, optionally substituted by a C1-C12 alkyl group, C2-C12 alkene, vinyl, benzyl , phenyl, halogen, or by an ester, amino, amido or ether functional group optionally substituted by a C1-C12 alkyl group; and one or more insulating spacers. These sensors are flexible and easy to manufacture and can have different symmetrical configurations, simple or multilayer, as desired.
Description
Sensores de presión distribuidos de gran superficie basados en politiofenos.Large distributed pressure sensors surface based on polythiophenes.
Esta invención se refiere a sensores de presión distribuidos basados en politiofenos. Más concretamente, se refiere a láminas plásticas flexibles recubiertas con compuestos de tipo politiofeno y ensambladas en distintas configuraciones utilizando espaciadores aislantes apropiados. Dichas configuraciones incluyen la configuración simétrica, la configuración simple y la configuración multicapa, entre otras. Los dispositivos de la presente invención son flexibles, fáciles de fabricar y emplean como elementos sensores polímeros conductores intrínsecos del tipo politiofenos.This invention relates to pressure sensors distributed based on polythiophenes. More specifically, it refers to flexible plastic sheets coated with type compounds polythiophene and assembled in different configurations using appropriate insulating spacers. These settings include symmetric configuration, simple configuration and multilayer configuration, among others. The devices of the Present invention are flexible, easy to manufacture and employ as intrinsic conductive polymer sensor elements of the type polythiophenes.
Los sensores de presión distribuidos son útiles para determinar fuerza o presión sobre objetos blandos, por ejemplo, para medir las presiones interfaciales de una persona sentada en una silla. Para esta aplicación es necesario que el sensor sea flexible para ajustarse a la forma de la curvatura de la silla y medir apropiadamente las fuerzas ejercidas. Además, el sensor debe ser lo suficientemente delgado como para no introducir errores de lectura. Este tipo de sensores suele tener espesores comprendidos entre 0,1 y unos cuantos milímetros. Para medir la presión en diferentes puntos de una superficie, es necesario que el área sensora de cada elemento en el sensor distribuido sea lo más pequeña posible. En general, según sea el número de elementos sensores empleados estos se clasifican en: sensores únicos y series (arrays) de sensores de n x n elementos. A su vez, pueden clasificarse según sean las señales de salida como sensores de dos (on-off) o más salidas (sensores analógicos o digitales).Distributed pressure sensors are useful to determine force or pressure on soft objects, by example, to measure the interfacial pressures of a person sitting on a chair. For this application it is necessary that the sensor be flexible to fit the shape of the curvature of the chair and properly measure the forces exerted. In addition, the sensor must be thin enough not to enter reading errors This type of sensors usually has thicknesses between 0.1 and a few millimeters. To measure the pressure at different points on a surface, it is necessary that the sensor area of each element in the distributed sensor be the most Small possible. In general, depending on the number of elements sensors used these are classified into: unique sensors and series (arrays) of sensors of n x n elements. In turn, they can be classified according to the output signals as two sensors (on-off) or more outputs (analog sensors or digital).
Las prestaciones demandadas para los sensores de presión flexibles son, habitualmente, menores que las exigidas a los sensores rígidos convencionales, admitiéndose imprecisiones en la medida de entre el 5 y el 10%. Los sensores de presión flexibles suelen estar constituidos por series de filas y columnas en una disposición tipo matricial Los sensores de presión flexibles de n x n elementos sensores proporcionan datos de distribución de presión sobre n^{2} zonas del sensor. Estos datos son recogidos en forma de señal electrónica a través de la conversión a voltaje o intensidad de la medida del cambio de resistencia proporcionado por el elemento sensor. Los datos así obtenidos son linearizados para optimizar la resolución y simplificar la interpretación de los mismos. Para aumentar la precisión de la medida se realiza una calibración de los diferentes elementos sensores a través del ajuste de las ganancias y offsets correspondientes o bien a través del establecimiento de curvas de calibración. Los datos así tratados permiten la generación de mapas de presión bi- o tri-dimensionales en tiempo real.The benefits demanded for sensors Flexible pressures are usually lower than those required at conventional rigid sensors, admitting inaccuracies in the measure between 5 and 10%. Flexible pressure sensors they are usually made up of series of rows and columns in a matrix type arrangement Flexible pressure sensors of n x n sensor elements provide pressure distribution data over n2 sensor zones. This data is collected in the form of electronic signal through conversion to voltage or intensity of resistance change measurement provided by the sensor element The data thus obtained are linearized to optimize resolution and simplify the interpretation of same. To increase the accuracy of the measurement, a calibration of the different sensor elements through the adjustment of the corresponding gains and offsets or through of the establishment of calibration curves. The data like this treaties allow the generation of bi-pressure maps Tri-dimensional in real time.
Entre las diferentes tecnologías existentes para
desarrollar sensores de presión distribuidos se pueden citar: la
tecnología que emplea elementos piezo-eléctricos,
la neumática, la hidráulica, la resistiva y la capacitiva. La
tecnología de piezo-eléctricos no sirve para
medidas estáticas debido a las pérdidas de corriente en estos
sensores, que hace que la señal de respuesta tienda a cero con el
tiempo. Los sensores basados en las tecnologías neumática e
hidráulica requieren montajes muy complicados y unos espesores muy
grandes, lo que limita su aplicación en sensores flexibles. A día
de hoy, la tecnología resistiva y la capacitiva son las más
empleadas en sensores de presión
flexibles.Among the different existing technologies to develop distributed pressure sensors, we can mention: the technology that uses piezoelectric elements, pneumatic, hydraulic, resistive and capacitive. Piezo-electric technology is not used for static measurements due to the loss of current in these sensors, which causes the response signal to zero over time. Sensors based on pneumatic and hydraulic technologies require very complicated assemblies and very large thicknesses, which limits their application in flexible sensors. Today, resistive and capacitive technology are the most used in pressure sensors
flexible
El principio de funcionamiento de los sensores resistivos está basado en el cambio de resistencia eléctrica que ocurre en los materiales piezo-resistivos cuando una fuerza o una presión son aplicadas sobre ellos. En el caso de los sensores capacitivos, éstos se basan en el cambio de capacitancia que se produce entre dos placas paralelas, entre las que existe un material elastómero no conductor, al aplicar una fuerza o una presión sobre ellas. Este último tipo de sensores tiene el inconveniente de que necesita una electrónica muy precisa, altamente sensible y estable, ya que los cambios de capacitancia medidos suelen ser inferiores a los picofaradios. Por el contrario, los sensores de presión flexible de tipo resistivos utilizan una electrónica muy simple, ya que los cambios de resistencia son de varios órdenes de magnitud, rápidos, lo que es importante para series (arrays) de muchos elementos sensores, y poco sensibles a los campos electromagnéticos (otro inconveniente de los capacitivos). Entre sus desventajas, pueden citarse la no-linealidad, la dependencia de su respuesta del número de ciclos y la historia del sensor. Además, la respuesta de estos sensores suele depender de la temperatura y el grado de humedad relativa, pudiendo manifestar una estabilidad de la señal baja y un tiempo de vida no lo suficientemente largo.The principle of operation of the sensors resistive is based on the change in electrical resistance that occurs in piezo-resistive materials when a force or pressure is applied to them. In the case of capacitive sensors, these are based on the change of capacitance that occurs between two parallel plates, between that there is a non-conductive elastomeric material, when applying a force or pressure on them. This last type of sensors has the inconvenience that you need very precise electronics, highly sensitive and stable, since capacitance changes measured are usually lower than picofarads. Conversely, flexible pressure sensors of resistive type use a very simple electronics, since the resistance changes are of several orders of magnitude, fast, which is important for series (arrays) of many sensing elements, and not very sensitive to electromagnetic fields (another drawback of capacitive) Among its disadvantages, the non-linearity, the dependence of your response on number of cycles and the history of the sensor. In addition, the response of these sensors usually depend on the temperature and the degree of relative humidity, being able to manifest a signal stability low and a life time not long enough.
En general, los sensores de presión flexibles existentes en el mercado presentan una configuración tricapa con las capas exteriores hechas de un material flexible (tela o polímero, patentes US 6,155,120 y US 6,501,465) que está recubierto con líneas conductoras, normalmente hilos metálicos (solicitudes de patente US 200310173195 y WO 99/39168) o pasta conductora cargada con partículas metálicas (patentes US 6,646,540 y US 6,291,568) o negro de humo (patente US 6,597,276 y solicitud de patente WO 00125325), y la capa intermedia formada por un material sensible a la presión, del tipo tinta conductora (patentes US 5,652,395 y US 5,838,244) o un elastómero dieléctrico no conductor (patente US 5,010,774 y solicitud de patente WO 2004/061401).In general, flexible pressure sensors existing in the market have a three-way configuration with the outer layers made of a flexible material (fabric or polymer, US 6,155,120 and US 6,501,465) which is coated with conductive lines, usually metallic wires (requests for US Patent 200310173195 and WO 99/39168) or charged conductive paste with metal particles (US 6,646,540 and US 6,291,568) or carbon black (US Patent 6,597,276 and WO patent application 00125325), and the intermediate layer formed by a material sensitive to pressure, of the conductive ink type (US 5,652,395 and US patents 5,838,244) or a non-conductive dielectric elastomer (US Pat. 5,010,774 and patent application WO 2004/061401).
No se ha descrito en el estado de la técnica el uso de politiofenos, una familia de polímeros conductores intrínsecos de elevada estabilidad y procesables a partir de dispersiones acuosas, como materiales activos para la fabricación de sensores de presión distribuidos. Las patentes US 4,959,430 y US 4,987,042 describen diferentes procedimientos de preparación de dispersiones basadas en poli(etilen- dioxi-tiofeno) y las patentes US 5,766,515 y US 5,370,981 su uso en forma de electrodo transparente en dispositivos electroluminiscentes y para preparar plásticos antiestáticos, respectivamente.The state of the art has not been described use of polythiophenes, a family of conductive polymers intrinsic high stability and processable from aqueous dispersions, as active materials for the manufacture of distributed pressure sensors. US Patents 4,959,430 and US 4,987,042 describe different procedures for preparing dispersions based on poly (ethylene) dioxy-thiophene) and US patents 5,766,515 and US 5,370,981 its use as a transparent electrode in devices electroluminescent and to prepare antistatic plastics, respectively.
Así pues, continúa existiendo en el estado de la técnica la necesidad de sensores de presión distribuidos de gran superficie alternativos que superen los inconvenientes del estado de la técnica.Thus, it continues to exist in the state of technique the need for large distributed pressure sensors alternative surfaces that overcome the inconveniences of the state of technique
La invención tiene por objeto sensores de presión distribuidos de gran superficie que comprenden al menos dos sustratos flexibles, estando recubierto al menos uno de ellos total o parcialmente por una capa de un politiofeno, y uno o más espaciadores aislantes.The invention aims at sensors of distributed pressure of large area comprising at least two flexible substrates, being coated at least one of them total or partially by a layer of a polythiophene, and one or more insulating spacers.
Asimismo, la invención tiene por objeto un procedimiento para la preparación de dichos sensores de presión.Likewise, the invention aims at a procedure for the preparation of said sensors of Pressure.
La Figura 1 muestra una foto de microscopia de fuerza atómica (AFM) de la superficie de un polímero conductor tipo politiofeno y un gráfico de estadística de micro-rugosidad.Figure 1 shows a microscopy photo of Atomic force (AFM) of the surface of a conductive polymer type polythiophene and a statistical graph of micro-roughness
La Figura 2 es un diagrama esquemático de la configuración simétrica de un sensor de presión de acuerdo con la invención en el que las líneas blancas representan espaciadores aislantes no conductores que separan pistas conductoras de politiofeno.Figure 2 is a schematic diagram of the symmetric configuration of a pressure sensor according to the invention in which white lines represent spacers non-conductive insulators that separate conductive tracks from polythiophene
La Figura 3 es la gráfica de respuesta en forma de intensidad de corriente del sensor de presión con configuración simétrica de la invención descrito en el ejemplo 1 frente al peso aplicado.Figure 3 is the response graph in form of current of the pressure sensor with configuration symmetric of the invention described in example 1 against weight applied.
La Figura 4 representa diferentes matrices de puntos de resina epoxi útiles para la construcción del sensor de presión con configuración simple de la invención descrito en el ejemplo 2.Figure 4 represents different matrices of epoxy resin points useful for sensor construction pressure with simple configuration of the invention described in the example 2.
La Figura 5 representa la variación de resistencia del sensor de presión con configuración simple de la invención descrito en el ejemplo 2 en función del peso aplicado.Figure 5 represents the variation of pressure sensor resistance with simple configuration of the invention described in example 2 as a function of the applied weight.
La presente invención proporciona un sensor de presión distribuido de gran superficie que comprende al menos dos sustratos flexibles, estando recubierto al menos uno de ellos total o parcialmente por una capa de un politiofeno que contiene unidades estructurales repetitivas de fórmula (I),The present invention provides a sensor of distributed pressure of large area comprising at least two flexible substrates, being coated at least one of them total or partially by a layer of a polythiophene containing units repetitive structural formula (I),
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
en la que R^{1} y R^{2} son
independientemente un grupo alquilo C_{1}-C_{12}
o forman un grupo 1,n-alquileno
C_{1}-C_{12}, siendo
n =
1-12, opcionalmente sustituidos por un grupo
alquilo C_{1}-C_{12}, alqueno
C_{2}-C_{12}, vinileno, bencilo, fenilo,
halógeno, o por un grupo funcional éster, amino, amido o éter
opcionalmente sustituido por un grupo alquilo
C_{1}-C_{12};wherein R 1 and R 2 are independently a C 1 -C 12 alkyl group or form a 1, n-C 1 -C 12 alkylene group, where
n = 1-12, optionally substituted by a C 1 -C 12 alkyl group, C 2 -C 12 alkene, vinyl, benzyl, phenyl, halogen, or by an ester, amino, functional group, amido or ether optionally substituted by a C1-C12 alkyl group;
y uno o más espaciadores aislantes.and one or more insulating spacers.
En el contexto de la invención, el término "sensor de presión distribuido de gran superficie" se refiere a un sensor que es capaz de dar medidas de presión en una gran superficie (mayor de 1 cm x 1 cm) que a su vez puede ser curvada y flexible, a diferencia de los sensores de presión puntuales.In the context of the invention, the term "large surface distributed pressure sensor" refers to a sensor that is capable of giving pressure measurements in a large surface (larger than 1 cm x 1 cm) which in turn can be curved and flexible, unlike point pressure sensors.
Un aspecto completamente novedoso de la presente invención es el uso de politiofenos descritos anteriormente (en adelante "politiofenos de la invención") como elementos sensóricos. Así, en una realización particular del sensor de la invención, los grupos R^{1} y R^{2} del politiofeno forman un grupo alquileno seleccionado entre metileno, 1,2-etileno y 1,3-propileno. En una realización preferida dichos grupos R^{1} y R^{2} forman un grupo 1,2-etileno, es decir, el politiofeno preferido para la realización del sensor de la invención es el poli(etilen-dioxi-tiofeno).A completely novel aspect of the present invention is the use of polythiophenes described above (in hereinafter "polythiophenes of the invention") as elements sensory Thus, in a particular embodiment of the sensor of the invention, the R 1 and R 2 groups of the polythiophene form a alkylene group selected from methylene, 1,2-ethylene and 1,3-propylene. In a preferred embodiment said groups R1 and R2 form a 1,2-ethylene group, that is, polythiophene preferred for the realization of the sensor of the invention is the poly (ethylene-dioxy-thiophene).
En otra realización particular del sensor de la invención, el sustrato flexible es una lámina plástica flexible. En una realización preferida, la lámina plástica flexible está constituida por polímeros de alto punto de fusión o alta temperatura de transición vítrea, preferiblemente poli(etilen tereftalato) o poli(carbonato). En otra realización preferida, la lámina plástica flexible está constituida por PVC plastificado, cauchos termoplásticos, fibras o tejidos poliméricos.In another particular embodiment of the sensor of the invention, the flexible substrate is a flexible plastic sheet. In a preferred embodiment, the flexible plastic sheet is constituted by polymers of high melting point or high temperature glass transition, preferably poly (ethylene terephthalate) or poly (carbonate). In another embodiment preferred, the flexible plastic sheet is made of PVC plasticized, thermoplastic rubbers, fibers or fabrics polymeric
Sorprendentemente, se ha encontrado que cuando se ponen en contacto dos láminas plásticas flexibles recubiertas de los politiofenos de la invención de forma que ambos filmes conductores se aproximen entre sí (utilizando espaciadores aislantes apropiados) y se establece una diferencia de potencial entre ambas, la corriente eléctrica que pasa es directamente proporcional a la presión ejercida sobre las láminas, en un intervalo dado de presiones hasta que, a presiones muy altas, la corriente eléctrica se satura en un valor constante.Surprisingly, it has been found that when two flexible plastic sheets coated with the polythiophenes of the invention so that both films conductors approach each other (using spacers appropriate insulators) and a potential difference is established between the two, the electric current that passes is directly proportional to the pressure exerted on the sheets, in a given range of pressures until, at very high pressures, the Electric current is saturated at a constant value.
Este efecto, que se utiliza en la presente invención para la fabricación de sensores de presión distribuidos basados en los politiofenos descritos, podría ser atribuido a la naturaleza rugosa (y al mismo tiempo visco-elástica), a nivel de nanómetros, de los filmes conductores utilizados, como se muestra en la Figura 1 realizada por microscopia de fuerza atómica (AFM). Dicha morfología incluiría partículas conductoras (conductividad electrónica) del politiofeno junto con zonas relativamente aislantes de un polianión empleado como dopante, tal y como se describe más adelante. De esta forma, se puede pensar que al aumentar la presión sobre las láminas recubiertas de politiofenos el número de puntos de contacto conductores, a escala de nanómetros, aumentará hasta una presión determinada en el que se alcance el máximo número posible de puntos de contacto, y por tanto, se sature el valor de la corriente eléctrica. Al retirar la presión, debido a la naturaleza visco-elástica del material éste volvería, aproximadamente, al estado original en ausencia de presión.This effect, which is used herein invention for the manufacture of distributed pressure sensors based on the polythiophenes described, could be attributed to the rugged nature (and at the same time visco-elastic), at the nanometer level, of the conductive films used, as shown in Figure 1 performed by atomic force microscopy (AFM). Said morphology would include conductive particles (electronic conductivity) of polythiophene together with relatively insulating areas of a polyanion used as a dopant, as described below. This shape, you can think that by increasing the pressure on the sheets polythiophene coated the number of contact points conductors, on a nanometer scale, will increase to a pressure determined in which the maximum possible number of points is reached of contact, and therefore, the value of the current is saturated electric When removing the pressure, due to nature visco-elastic material would return, approximately, to the original state in the absence of pressure.
Para evitar los cortocircuitos (en ausencia de
presión) a la hora de montar los sensores de presión distribuidos
de la presente invención así como para ajustar el intervalo de
presión en el que los sensores responden dentro de la linealidad, es
conveniente emplear espaciadores aislantes. Dichos espaciadores
serán, preferiblemente, materiales de un módulo elástico apropiado
para cubrir un intervalo de presiones determinado de modo que se
pueda controlar el intervalo de presión que es capaz de detectar el
sensor en función de su espesor y sus propiedades visco-
elásticas.To avoid short circuits (in the absence of pressure) when assembling the distributed pressure sensors of the present invention as well as to adjust the pressure range in which the sensors respond within the linearity, it is convenient to use insulating spacers. Said spacers will preferably be materials of an appropriate elastic modulus to cover a given pressure range so that the pressure range that the sensor is able to detect is controlled based on its thickness and its viscous properties.
elastic.
Así, en una realización preferida el espaciador aislante es una silicona, una espuma polimérica o una resina epoxi.Thus, in a preferred embodiment the spacer Insulator is a silicone, a polymer foam or a resin epoxy
Como se ha comentado, dichos politiofenos en su estado oxidado pueden incorporar adicionalmente grupos aniónicos estabilizando los portadores de carga de tipo positivo deslocalizados en las cadenas poliméricas. Así, en una realización particular del sensor de la invención, el politiofeno incorpora un dopante aniónico. En una realización preferida, dicho dopante aniónico es un anión inorgánico, preferiblemente un anión sulfato, cloruro o bromuro. En otra realización preferida, dicho dopante aniónico es un anión orgánico con grupos sulfonato o fosfato, preferiblemente un ácido p-toluen-sulfónico o p-toluen-fosfónico. En otra realización preferida, dicho dopante aniónico es un polianión orgánico seleccionado entre ácidos carboxílicos poliméricos, preferiblemente poli(ácido acrílico), poli(ácido metacrílico) o poli(ácido maleico); ácidos sulfónicos poliméricos, preferiblemente ácido poli(estiren sulfónico) o ácido poli(vinil sulfónico); o copolímeros de los ácidos vinilcarboxílicos y vinilsulfónicos con otros monómeros polimerizables, preferiblemente estireno y monómeros acrílicos o metacrílicos. En una realización aún más preferida, el peso molecular de dichos polianiones estará comprendido, preferiblemente, entre 15.000 y 300.000 Daltons.As mentioned, these polythiophenes in their oxidized state can additionally incorporate anionic groups stabilizing positive type charge carriers relocated in polymer chains. Thus, in one embodiment Particular of the sensor of the invention, polythiophene incorporates a anionic dopant In a preferred embodiment, said dopant anionic is an inorganic anion, preferably a sulfate anion, chloride or bromide In another preferred embodiment, said dopant Anionic is an organic anion with sulfonate or phosphate groups, preferably an acid p-toluene sulphonic or p-toluene-phosphonic. In other preferred embodiment, said anionic dopant is a polyanion organic selected from polymeric carboxylic acids, preferably poly (acrylic acid), poly (methacrylic acid) or poly (maleic acid); polymeric sulfonic acids, preferably poly (styrene sulfonic acid) or poly (vinyl acid sulfonic); or copolymers of vinylcarboxylic acids and vinylsulfonic with other polymerizable monomers, preferably styrene and acrylic or methacrylic monomers. In one embodiment even more preferred, the molecular weight of said polyanions will be preferably, between 15,000 and 300,000 Daltons.
Con respecto a las configuraciones posibles en las que puede realizarse la presente invención, la más sencilla es la configuración simétrica constituida por dos láminas flexibles idénticas sobre las que se han depositado pistas conductoras de politiofeno separadas, periódicamente, por espaciadores aislantes, y que se colocan perpendiculares entre ellas. En este caso, la altura de dichos espaciadores ha de ser superior a la de las pistas conductoras de politiofeno. Tal y como se ha señalado previamente, los espaciadores aislantes no conductores tienen como función impedir que las pistas conductoras de ambas láminas una vez ensambladas éstas en forma de sándwich, y opcionalmente encapsuladas, den contacto eléctrico entre ellas, en ausencia de presión, al aplicar una intensidad de corriente entre las láminas superior e inferior, tal y como se muestra en la Figura 2.Regarding the possible configurations in which the present invention can be realized, the simplest is symmetric configuration consisting of two flexible sheets identical on which conductive tracks of polythiophene periodically separated by insulating spacers, and that are placed perpendicular to each other. In this case, the height of these spacers must be greater than that of the tracks polythiophene conductors. As previously noted, non-conductive insulating spacers have the function prevent the conductive tracks of both sheets once assembled these in sandwich form, and optionally encapsulated, give electrical contact between them, in the absence of pressure, when applying a current intensity between the sheets upper and lower, as shown in Figure 2.
El sensor de presión así construido proporciona una señal eléctrica proporcional a la presión aplicada y su disposición matricial (n filas x n columnas) permite obtener datos de distribución de presión sobre n^{2} zonas del sensor. Además, el intervalo de presión que es capaz de detectar puede modificarse dependiendo de las propiedades visco-elásticas del espaciador empleado.The pressure sensor thus constructed provides an electrical signal proportional to the applied pressure and its matrix arrangement (n rows x n columns) allows data to be obtained pressure distribution over n2 sensor zones. Further, the pressure range that it is able to detect can be modified depending on the visco-elastic properties of employee spacer.
Una variante de la configuración anterior es la sustitución de una de las láminas que contienen pistas conductoras de politiofenos por pistas conductoras realizadas a partir de la deposición de cualquier otro material conductor. Así, en otra realización particular del sensor de la invención, éste presenta una configuración simple constituida por una lámina flexible sobre la que se han depositado pistas conductoras de politiofeno separadas, periódicamente, por espaciadores aislantes, y una lámina flexible no conductora sobre la que se han depositado pistas de un material conductor que, en otra realización preferida, forman dos electrodos.A variant of the previous configuration is the replacement of one of the sheets containing conductive tracks of polythiophenes by conductive tracks made from the deposition of any other conductive material. So, in another particular embodiment of the sensor of the invention, it has a simple configuration consisting of a flexible sheet on the that separate polythiophene conductive tracks have been deposited, periodically, by insulating spacers, and a flexible sheet not conductor on which tracks of a material have been deposited conductor which, in another preferred embodiment, forms two electrodes
En el contexto de la invención el término "material conductor" se refiere a un material metálico (plata, cobre, níquel, etc.) del tipo pasta conductora de plata, pasta de grafito, cobre, o bien un polímero conductor intrínseco de tipo polipirrol, polianilina o politiofeno depositado a partir de una disolución o dispersión.In the context of the invention the term "conductive material" refers to a metallic material (silver, copper, nickel, etc.) of the silver conductive paste type, graphite, copper, or an intrinsic conductive polymer of type polypyrrole, polyaniline or polythiophene deposited from a dissolution or dispersion
Otras configuraciones recogidas en la presente invención son las que utilizan láminas con una deposición homogénea de politiofenos (un film o película, por ejemplo) sobre ellas.Other configurations contained herein invention are those that use sheets with a homogeneous deposition of polythiophenes (a film or film, for example) on them.
Así, en una realización particular de la invención, el sensor presenta una configuración tricapa formada por una lámina flexible sobre la que se ha depositado una capa conductora homogénea de politiofeno, una lámina flexible no conductora sobre la que se han depositado pistas de un material conductor y una deposición de un espaciador aislante sobre la lámina conductora de politiofeno.Thus, in a particular embodiment of the invention, the sensor has a three-layer configuration formed by a flexible sheet on which a layer has been deposited homogeneous conductive polythiophene, a flexible sheet not conductor on which tracks of a material have been deposited conductor and a deposition of an insulating spacer on the conductive sheet of polythiophene.
En otra realización particular, el sensor presenta una configuración tricapa formada por una lámina flexible sobre la que se ha depositado una capa conductora homogénea de politiofeno, una lámina flexible no conductora sobre la que se han depositado pistas de un material conductor y una deposición de un espaciador aislante sobre la lámina no conductora con pistas de material conductor.In another particular embodiment, the sensor presents a three-layer configuration formed by a flexible sheet on which a homogeneous conductive layer of polythiophene, a flexible non-conductive sheet on which they have deposited tracks of a conductive material and a deposition of a insulating spacer on the non-conductive sheet with tracks Conductive material.
Dichas configuraciones tienen una estructura multicapa formada por una lámina con una deposición homogénea de politiofenos, una capa aislante eléctrica no homogénea o espaciador aislante y una lámina con pistas conductoras realizadas a partir de la deposición de cualquier material conductor que, en particular, pueden formar dos electrodos. La capa aislante eléctrica puede realizarse a través de la deposición de cualquier material no conductor o de resistencia eléctrica elevada sobre cualquiera de las otras capas y presentar diferentes configuraciones, espesores y coeficientes visco-elásticos que permiten la adaptación y optimización del rango de medida del sensor, según lo descrito previamente.These configurations have a structure multilayer formed by a sheet with a homogeneous deposition of polythiophenes, a non-homogeneous electrical insulating layer or spacer insulator and a sheet with conductive tracks made from the deposition of any conductive material that, in particular, They can form two electrodes. The electrical insulating layer can be done through the deposition of any material not conductor or high electrical resistance on any of the other layers and present different configurations, thicknesses and visco-elastic coefficients that allow adaptation and optimization of the measuring range of the sensor, as previously described.
En otro aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para la preparación de un sensor de presión distribuido de gran superficie según lo descrito previamente, en el que el politiofeno se deposita sobre el sustrato flexible total o parcialmente, en forma de un film o en forma de pistas, por ejemplo, tal y como se ha mencionado previamente.In another aspect of the invention, it is provided a procedure for the preparation of a pressure sensor large area distributed as previously described, in the that polythiophene is deposited on the total flexible substrate or partially, in the form of a film or in the form of tracks, for example, as previously mentioned.
Los politiofenos empleados en la presente invención tienen capacidad filmógena si se aplican a partir de disoluciones verdaderas, dispersiones coloidales o dispersiones estables de partículas finamente divididas, bien acuosas bien base disolvente, por polimerización oxidativa del monómero correspondiente o bien por métodos de polimerización in situ sobre el sustrato como los descritos en la referencia ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 14, 615-622, 2004. Entre los disolventes preferibles están los alcoholes, metanol, etanol e isopropanol, así como mezclas de agua con estos alcoholes u otros disolventes orgánicos miscibles con el agua como la acetona. Entre los oxidantes preferidos están el persulfato amónico, el tricloruro de hierro y el tosilato férrico. Adicionalmente, pueden emplearse ligantes poliméricos del tipo poli(vinil alcohol), poli(vinil acetato), etc. y promotores de adhesión, del tipo silanos, resinas tackificantes, etc. para facilitar la formación de filmes altamente adherentes sobre el sustrato.The polythiophenes used in the present invention have film-forming capacity if they are applied from true solutions, colloidal dispersions or stable dispersions of finely divided particles, either aqueous or solvent based, by oxidative polymerization of the corresponding monomer or by in situ polymerization methods on the substrate as described in reference ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 14, 615-622, 2004. Among the preferred solvents are alcohols, methanol, ethanol and isopropanol, as well as mixtures of water with these alcohols or other water-miscible organic solvents such as Acetone Among the preferred oxidants are ammonium persulfate, iron trichloride and ferric tosylate. Additionally, polymeric binders of the type polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, etc. can be used. and adhesion promoters, of the silane type, tackifying resins, etc. to facilitate the formation of highly adherent films on the substrate.
Así, en una realización particular de dicho procedimiento, el politiofeno se deposita en forma de un film a partir de disoluciones verdaderas, dispersiones coloidales o dispersiones estables de partículas finamente divididas, bien acuosas bien base disolvente, mediante polimerización oxidativa del monómero politiofeno correspondiente. En una realización preferida del mismo se emplea un ligante polimérico del tipo poli(vinil alcohol) o poli(vinil acetato) y un promotor de adhesión del tipo silanos o resinas tackificantes para facilitar la formación de un film altamente adherente sobre el sustrato flexible.Thus, in a particular embodiment of said procedure, polythiophene is deposited in the form of a film to from true solutions, colloidal dispersions or stable dispersions of finely divided particles, well aqueous well based solvent, by oxidative polymerization of corresponding polythiophene monomer. In a preferred embodiment a polymeric binder of the type is used poly (vinyl alcohol) or poly (vinyl acetate) and a adhesion promoter such as silanes or tackifying resins for facilitate the formation of a highly adherent film on the flexible substrate.
En otra realización particular de dicho procedimiento, el politiofeno se deposita sobre el sustrato flexible en forma de un film a partir de disoluciones verdaderas, dispersiones coloidales o dispersiones estables de partículas finamente divididas, bien acuosas bien base disolvente, mediante métodos de polimerización in situ sobre dicho sustrato.In another particular embodiment of said process, the polythiophene is deposited on the flexible substrate in the form of a film from true solutions, colloidal dispersions or stable dispersions of finely divided particles, either aqueous or solvent based, by in situ polymerization methods on said substrate.
Las formas de aplicación sobre los sustratos flexibles pueden ser por evaporación directa del disolvente una vez extendida la dispersión o disolución sobre el mismo (pintado), inmersión, esprayado, técnicas de recubrimiento por rotación o "spiin-coating", etc.The forms of application on the substrates flexible can be by direct evaporation of the solvent once extended the dispersion or dissolution on it (painted), immersion, spray, rotation coating techniques or "spiin-coating", etc.
Así, en otra realización particular de dicho procedimiento, la disolución o dispersión de politiofeno se aplica sobre el sustrato flexible mediante pintado, inmersión, esprayado o técnicas de recubrimiento por rotación o "spin-coating", y posterior evaporación directa del disolvente.Thus, in another particular embodiment of said procedure, the solution or dispersion of polythiophene is applied on the flexible substrate by painting, dipping, spraying or rotation coating techniques or "spin-coating", and subsequent evaporation Direct solvent.
En otra realización particular de dicho procedimiento, el politiofeno se deposita sobre el sustrato flexible en forma de pistas utilizando métodos convencionales de litografía, deposición selectiva del polímero conductor en forma de pistas por impresión por chorro de tinta o "ink-jet printing" o por arranque del material conductor de la lámina flexible por métodos mecánicos, preferiblemente mediante fresado.In another particular embodiment of said procedure, polythiophene is deposited on the substrate flexible in the form of tracks using conventional methods of lithography, selective deposition of the conductive polymer in the form of tracks by inkjet printing or "ink-jet printing" or by starting the material flexible sheet conductor by mechanical methods, preferably by milling.
En una realización preferida, las pistas conductoras forman 2n electrodos correspondientes a n sensores.In a preferred embodiment, the tracks conductors form 2n electrodes corresponding to n sensors.
A continuación se ilustra la presente invención con dos ejemplos, que en ningún caso deben ser considerados como limitativos del alcance de la misma.The present invention is illustrated below. with two examples, which in no case should be considered as limiting the scope of it.
Se preparó un sensor de presión a partir de dos láminas flexibles de poli(etilen tereftalato) (PET) de 5 cm x 5 cm de área activa y 175 micras de espesor cada una recubiertas con una fina capa (1-2 micras) de poli(etilen-dioxi-tiofeno) que contenía como polianión un ácido poli(estiren sulfónico) (PEDOT-PSS) depositada por polimerización oxidativa del monómero etilen-dioxi-tiofeno en agua, dando lugar a una dispersión con contenido en sólidos del 2,5%. Las láminas se ensamblaron utilizando un espaciador aislante (EA) adhesivo de doble cara de 0,125 mm de espesor en una configuración simétrica tipo sándwich (PET/PEDOT-PSS/EA/PEDOT-PSS/PET), situando el espaciador en forma de cinta plana de 0,5 cm de ancho a lo largo de los bordes de las láminas recubiertas de PEDOT-PSS. El dispositivo así montado no dio señal de paso de corriente en ausencia de presión al aplicar un potencial entre ambas láminas. La respuesta del sensor, en forma de intensidad de corriente medida al aplicar diferentes pesos sobre la superficie del sensor, aplicando una diferencia de potencial de 1 V entre ambas láminas, se ilustra en la Figura 2.A pressure sensor was prepared from two 5 cm flexible poly (ethylene terephthalate) (PET) sheets x 5 cm of active area and 175 microns thick each coated with a thin layer (1-2 microns) of poly (ethylene-dioxy-thiophene) containing as polyanion a poly (styrene sulfonic acid) (PEDOT-PSS) deposited by oxidative polymerization of the ethylene-dioxy-thiophene monomer in water, resulting in a dispersion with solids content of the 2.5% The sheets were assembled using an insulating spacer (EA) 0.125mm thick double-sided adhesive on a symmetric sandwich configuration (PET / PEDOT-PSS / EA / PEDOT-PSS / PET), placing the spacer in the form of a flat ribbon 0.5 cm wide at along the edges of the coated sheets of PEDOT-PSS. The device thus mounted gave no signal current flow in the absence of pressure when applying a potential between both sheets. The sensor response, in the form of measured current intensity when applying different weights on the sensor surface, applying a potential difference of 1 V between both sheets, is illustrated in Figure 2.
Se preparó un sensor de presión a partir de una lámina flexible de poli(etilen tereftalato) (PET) de 1 cm x 1 cm de área activa y 175 micras de espesor cada una recubiertas con una fina capa (1-2 micras) de poli(etilen-dioxi-tiofeno) que contenía como polianión un ácido poli(estiren sulfónico) (PEDOT-PSS) depositada por polimerización oxidativa del monómero etilen-dioxi-tiofeno en agua, dando lugar a una dispersión con contenido en sólidos del 2,5%. Sobre esta lámina se depositó una matriz de puntos de resina epoxi con una de las configuraciones que se muestran en la Figura 3 (espesor de 15 micras). A la muestra así obtenida se le adhirió otra lámina flexible (poliéster) sobre la que se habían depositado dos electrodos de material conductor (plata). El dispositivo montado presentó una resistencia eléctrica entre los dos electrodos muy alta (M\Omegas). La variación de resistencia del sensor al aplicar diferentes pesos sobre la superficie del mismo se ilustra en la Figura 4.A pressure sensor was prepared from a 1 cm x flexible poly (ethylene terephthalate) (PET) sheet 1 cm of active area and 175 microns thick each coated with a thin layer (1-2 microns) of poly (ethylene-dioxy-thiophene) containing as polyanion a poly (styrene sulfonic acid) (PEDOT-PSS) deposited by oxidative polymerization of the ethylene-dioxy-thiophene monomer in water, resulting in a dispersion with solids content of the 2.5% On this sheet a matrix of resin dots was deposited epoxy with one of the configurations shown in Figure 3 (thickness of 15 microns). The sample thus obtained was adhered to another flexible sheet (polyester) on which they had been deposited two electrodes of conductive material (silver). The device assembled presented an electrical resistance between the two electrodes very high (M \ Omegas). The variation of resistance of the sensor to apply different weights on the surface thereof illustrated in Figure 4.
Claims (22)
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n = 1-12, opcionalmente sustituidos por un grupo alquilo C_{1}-C_{12}, alqueno C_{2}-C_{12}, vinileno, bencilo, fenilo, halógeno, o por un grupo funcional éster, amino, amido o éter opcionalmente sustituido por un grupo alquilo C_{1}-C_{12};wherein R 1 and R 2 are independently a C 1 -C 12 alkyl group or form a 1, n-C 1 -C 12 alkylene group, where
n = 1-12, optionally substituted by a C 1 -C 12 alkyl group, C 2 -C 12 alkene, vinyl, benzyl, phenyl, halogen, or by an ester, amino, functional group, amido or ether optionally substituted by a C1-C12 alkyl group;
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