利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元、及使用其的傳感器的制作方法

以下各實施例涉及一種傳感器單元以及使用所述傳感器單元的傳感器，所述傳感器單元被配置成包含電活性聚合物材料及電極結構，從而以無線及無電的方式來感測例如結構的變形等。

背景技術：

由于例如結構等包含復合材料的物體的由于能量、震動等而變形的部能通過彈力恢復，因此不同于現有金屬結構中的情形，變形并不顯露在外，且物體看上去維持在正常狀態。然而，可出現例如物體內部的各細層之間分離以及細裂縫等缺陷。當這些缺陷在結構的運作期間擴大或持續增多時或者由于所述缺陷而對物體施加過重的載荷時，可出現物體的突然損毀及損壞。因此，為物體的安全性起見，需要在初始階段處感測受損部的位置且執行恰當的維修，以使得物體可恢復至其原始狀態。

用于監視結構的安全性的技術被用作用于檢測受損部的位置及物體是否受損的技術。近來，已對能夠通過壓電傳感器以及電極的配置來監視結構的小型傳感器進行積極開發，所述電極通過壓電傳感器的變形而從所述壓電傳感器接收電信號。

舉例來說，作為相關技術的韓國專利特許公開案第2012-0083261號公開了能夠利用壓電傳感器以及施加至所述壓電傳感器的上部及下部的電極來監視結構的小的傳感器。所述壓電傳感器由于其由陶瓷材料造成的脆度而已被視為阻礙廣泛使用、尤其是阻礙具有大的曲率的結構的內部的安裝及多方向變形信息測量。作為結果，相對于各種外力不具有撓性的傳感器(例如光纖布拉格光柵傳感器(FBG sensor)及壓電傳感器PZT)的使用范圍在檢測及評估結構的堅固性方面是非常有限的。

技術實現要素：

技術問題

如以上所提及，由于低撓性及壓電特性的特征，因此在根據相關技術的用于感測變形信息的傳感器中，難以在各種地點中安裝傳感器，且僅可測量到特定方向上的變形，進而使得不能實質上測量到多方向的變形信息，且因此，如上所述，傳感器的使用范圍非常有限。

本發明提供一種撓性的新型傳感器單元，以使得所述傳感器單元可安裝于例如具有大的曲率的結構的內部等各種位置中，且可穩定地測量多方向的變形，從而提供可在用于測量變形信息的各種系統中通用的傳感器結構的技術。

本發明還提供一種技術，在所述技術中在無論各種類型的外力如何而不失去功能性的條件下獲得充分的撓性及耐久性且精確地測量所安裝地點的變形信息，以使得所述技術可在除用于監視結構的堅固性的系統之外還在用于測量變形信息的各種系統中自由地使用。

本發明還提供一種傳感器單元以及使用所述傳感器單元的傳感器結構的技術，所述傳感器單元可以由變形引起的產電增加實現的高電力效率、以無線及無電的方式而精確地測量結構的變形信息等。

技術解決方案

本發明的一個方面提供根據本發明的第一實施例的一種利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元，所述傳感器單元包括：第一傳感器部，形成于包含鐵電性電活性聚合物材料的纖維或膜中；第二傳感器部，被配置成包括所述第一傳感器部，且形成于包含介電性彈性體電活性聚合物材料的基質中；以及電極部，被設置成與所述第一傳感器部或所述第二傳感器部接觸，且當對所述第一傳感器部或所述第二傳感器部施加外力時，向外部傳送由所述第一傳感器部或所述第二傳感器部產生的電信號。

本發明的另一方面提供根據本發明的第二實施例的一種利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元，所述傳感器單元包括：第一電極；傳感器部，包含電活性聚合物材料，所述電活性聚合物材料被配置成以線圈形式環繞所述第一電極；以及第二電極，被設置成與所述第一電極絕緣并形成為環繞所述傳感器部。

本發明的另一方面提供根據本發明的第三實施例的一種利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器，所述傳感器包括：至少一個第一纖維，包含電活性聚合物材料，當所述至少一個第一纖維在外力作用下變形時，所述電活性聚合物材料產生電壓；以及至少一個第二纖維，為撓性(Flexible)的且包含導電性材料，其中所述第一纖維與所述第二纖維被編織成彼此交叉，或者形成纖維體以使得在第一纖維層的內部及表面中的至少一個上形成第二纖維層，且因此所述纖維體被編織成織物形式。

本發明的另一方面提供根據本發明的第四實施例的一種利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元，所述傳感器單元包括：線圈形纖維線圈，包括包含電活性聚合物材料的至少一個第一纖維以及至少一個第二纖維，當所述傳感器在外力作用下變形時，所述電活性聚合物材料產生電壓，所述至少一個第二纖維由導電性材料形成；以及電容器，連接至所述纖維線圈的至少一部分，其中，當將所產生的所述電壓施加至所述至少一個第二纖維時，所產生的所述電壓經由所述第二纖維而在所述電容器中充電或從所述電容器放電，以使得電流流經所述至少一個第二纖維且當所述電流流經所述第二纖維時，在所述纖維線圈外部形成電磁場。

發明的有益效果

根據本發明的第一實施例至第四實施例，當利用在通過外力將震動及變形施加至傳感器時產生電能的電活性聚合物材料的特征形成用于感測變形信息的所述傳感器時，包含鐵電性電活性聚合物的第一傳感器部相對于快的機械-電延性反應速度及機械-化學機制以及低阻抗具有例如高可靠性及穩定性等特性，且包含介電性彈性體電活性聚合物的第二傳感器部具有例如大的變形及快的機械電延性回應速度等特性且同時具有非常高的撓性。

當具有不同特性的電活性聚合物材料復合地用于兩個傳感器部時，由于所述傳感器部中的每一個的高撓性，因此所述傳感器可安裝于具有大的曲率的結構中，以使得在安裝地點方面的限制可得到最小化且可由第一傳感器部感測到的刺激方向與可由第二傳感器部感測到的刺激方向彼此不同，以使得可精確地感測多方向的變形。

與此同時，通過利用在大的外力施加至第一傳感器部時構成第一傳感器部的鐵電性電活性聚合物材料的特征，例如在第一傳感器部受損時具有大的伸長度的第二傳感器部可充當輔助傳感器，以使得功能的穩定性可大幅提高。

與此同時，使用電活性聚合物材料以及導電性材料，所述電活性聚合物材料可在外力作用下產生電力且相對于機械/化學機制同時具有快的機械/電延性反應速度以及高的可靠性及穩定性，所述導電性材料可以高效率形成由電活性聚合物材料產生的電能，以使得當結構發生變形時，電能可由電活性聚合物材料及導電性材料產生，且因此可以高準確度來測量結構的變形信息。另外，當電活性聚合物材料的纖維層及撓性的導電性纖維層被編織成織物形式且在傳感器中使用時，由于結實的織物結構，可在無論各種外力如何而不失去功能性的條件下來精確地測量變形信息，且同時，傳感器可無限制地安裝于例如具有大的曲率的結構的表面或可穿戴裝置的表面等各種地點中，以使得可安裝所述傳感器的其中需要外形變形測量技術的任何位置處的安裝自由程度可得到保證。

與此同時，由于傳感器單元的傳感器部以線圈形式環繞電極，因此形成電能及電磁場的效率大幅提高且大的電磁場即使在小的變形中仍可傳送，以使得在用于以無電及無線的方式感測變形信息的傳感器的安裝位置及測量裝置的測量位置方面的限制可得到克服。

附圖說明

圖1是根據本發明第一實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的平面圖。

圖2及圖3是闡述沿圖1所示的線A-A′截取的實例中的每一個的剖視圖。

圖4是根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的平面圖。

圖5及圖6是闡述沿圖4所示的線B-B′截取的實例中的每一個的剖視圖。

圖7說明根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的配置圖的實例。

圖8說明根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的配置的實例。

圖9說明根據本發明第二實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的結構的實例。

圖10說明根據本發明第二實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元的橫向剖視圖的實例。

圖11說明根據本發明第二實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元的剖視圖的實例。

圖12是闡述根據本發明第二實施例的其中測量變形信息的流程的圖。

圖13是根據本發明第三實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的結構的圖。

圖14是根據本發明第三實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的結構的圖。

圖15說明用于實作本發明的第三實施例的第二纖維層的橫向剖視圖的實例。

圖16說明根據本發明第三實施例的傳感器可被實作成的形狀的實例。

圖17是根據本發明第四實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的纖維線圈的圖以及所述纖維線圈的一部分的放大圖。

圖18是用于實作本發明第四實施例的纖維線圈的剖視結構的一部分的圖。

圖19是根據本發明第四實施例的用于監視結構的堅固性的系統的局部配置圖。

圖20是根據本發明第四實施例的用于監視結構的堅固性的系統的讀取器的配置圖。

圖21是根據本發明第四實施例的包含于用于監視結構的堅固性的系統的接收模塊中的線圈的橫截面的圖。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖詳細地闡述根據本發明的第一實施例至第四實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元以及使用所述傳感器單元的傳感器。

為了在以下說明中清楚地理解本發明，將省略對本發明的特征的眾所周知的技術的說明。顯而易見，以下各實施例是用于幫助理解本發明的詳細說明且不限制本發明的范圍。因此，用于執行與本發明的功能相同的功能的等效發明也處于本發明的范圍內。

在以下說明中相同的參考編號表示相同的元件，且將省略不必要的及重復的說明以及對眾所周知的技術的說明。此外，還將省略對本發明的以下各實施例中的每一個中對本發明的背景技術進行說明的重復說明。

此外，對本發明的第一實施例至第四實施例的說明可為相同的及重復的。然而，各實施例中的每一個可獨立地進行實作，且雖然具有相同的名字但具有不同識別編號的配置或在不同的實施例中提及的配置將被理解為不同的技術配置。

[第一實施例]

圖1是根據本發明第一實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的平面圖。

參照圖1，本實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器包括第一傳感器部(10)、第二傳感器部(20)及電極部(30)。

第一傳感器部(10)指代具有包含以鐵電性(Ferroelectric)行為原理起作用的電活性聚合物材料的纖維形狀的傳感器單元。鐵電性電活性聚合物具有用于感測變形的傳感器的極好的特性，例如相對于機械/化學行為及低阻抗具有快的機械/電延性反應速度(幾毫秒到幾秒)、高的可靠性及穩定性等。舉例來說，第一傳感器部(10)可為聚偏二氟乙烯PVDF。然而，各實施例并非僅限于此。

第二傳感器部(20)指代被配置成其中包括有第一傳感器部(10)且由包含介電性彈性體電活性聚合物材料的基質形成的傳感器部。

介電性彈性體電活性聚合物是例如硅酮(silicone)，所述介電性彈性體電活性聚合物由于快的機械/電延性反應速度及應對機械刺激的線性電反應而具有用于傳感器的特性且具有高的撓性。

因此，第二傳感器部(20)包含介電性彈性體電活性聚合物且其中包括有第一傳感器部(10)。因此，第二傳感器部(20)有助于與包含鐵電性電活性聚合物的纖維的第一傳感器部(10)合作且充當用于保證電穩定性的絕緣體并同時可在第一傳感器部(10)由于大的外力(例如，約5％或更高的單向變形速率)而不能夠執行任何功能時(例如，短路等)用作輔助傳感器。

與此同時，為了將第一傳感器部(10)的功能的執行以及第二傳感器部(20)的功能的執行最大化，使第一傳感器部(10)產生電信號的外力方向與使第二傳感器部(20)產生電信號的外力方向可彼此不同。因此，第二傳感器部(20)如以上所提及僅用作輔助傳感器且被配置成感測與由第一傳感器部(10)感測到的變形方向不同的方向的變形，以使得可獲得測量各種變形的效果。

電極部(30)被安裝成與第一傳感器部(10)或第二傳感器部(20)接觸并執行功能，其中，當執行第一傳感器部(10)或第二傳感器部(20)的功能時(即，當將外力施加至第一傳感器部或第二傳感器部時)，由第一傳感器部(10)或第二傳感器部(20)產生的電信號被傳送至電極部(30)且所述電極部將所述電信號傳送至外部測量裝置以感測變形信息。在圖2及圖3中示出電極部(30)的具體安裝實例以及第一傳感器部(10)及第二傳感器部(20)的配置實例。

圖2及圖3是闡述沿圖1所示的線A-A′截取的實例中的每一個的剖視圖。

首先，參照圖2所示的剖視圖，電極部的部(32)被配置成插入作為第一傳感器部(10)的纖維的內部中，且第二傳感器部(20)由環繞第一傳感器部(10)的基質形成。電極部的另一部(31)與第二傳感器部(20)的外部接觸。此外，另一電極部(33)可被施加至第一傳感器部(10)的外部表面上，以傳送電信號。電極部(31、32、33)可彼此絕緣，以使得可利用所傳送的電信號來精確地測量變形方向及大小。

與此同時，參照圖3所示的剖視圖，不同于圖2中的情形，第一傳感器部被配置成包括多個纖維束(11)。在這種情形中，電極部的部(32)可被所述多個纖維束(11)環繞。除此之外，第二傳感器部(20)及電極部的另一部(31)以與圖2所示的方式相同的方式形成。

通過這種配置，第二傳感器部(20)有助于第一傳感器部(10、11)的對齊。電極部(31)與電極部(32)彼此絕緣，且當電極部(31)及(32)中的每一個與第一傳感器部(10、11)或第二傳感器部(20)接觸且外力被施加至第一傳感器部(10、11)或第二傳感器部(20)時，電極部(31)及(32)可執行精確地傳送由第一傳感器部以及第二傳感器部產生的電信號的功能。

此外，根據本發明第一實施例的傳感器可被安裝于復雜的結構中，具體來說，利用具有第一傳感器部(10)及(11)以及第二傳感器部(20)的高撓性的特征、具有非常大的曲率的結構。

與此同時，盡管第一傳感器部(10)及(11)被由于第二傳感器部(20)的高的伸長而從外部施加至第一傳感器部的大的外力損壞，但第二傳感器部(20)可用作輔助傳感器，以使得根據本發明第一實施例的傳感器可在因外力而進行的維修方面提高維修力。

圖4是根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的平面圖。由于在以下說明中，在對圖1至圖3的說明中提及的實例以及對圖4至圖6的說明中的實例將被理解為獨立的發明，因此盡管提及了相同的配置，但它們將被理解為不同的技術特征。然而，將不再對對圖1至圖3的說明中所提及的部件的重復概念予以贅述。

參照圖4，根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器包括第一傳感器部(50)、第二傳感器部(60)及電極部(70)。

不同于圖1至圖3所示的實施例中的情形，第一傳感器部(50)被配置成包含以上提及的鐵電性電活性聚合物材料且是由膜而形成。

第二傳感器部(60)被配置成其中包括有第一傳感器部(50)，第二傳感器部是由包含介電性彈性體電活性聚合物材料的基質形成且意指與第一實施例的配置相同的配置。

如在對圖1至圖3所示的實施例的說明中一樣，電極部(70)接觸第一傳感器部(50)或第二傳感器部(60)，且當執行第一傳感器部(50)或第二傳感器部(60)的功能時(即，當外力施加至第一傳感器部或第二傳感器部時)，電極部執行接收由第一傳感器部(50)或第二傳感器部(60)產生的電信號并將所述電信號傳送至外部測量裝置以傳送變形信息的功能。

在與圖1至圖3所示的實施例的概念相同的概念中，使第一傳感器部(50)產生電信號的外力的方向與使第二傳感器部(60)產生電信號的外力的方向可彼此不同。

本發明的圖4至圖6所示的實施例與圖1至圖3所示的實施例彼此清楚地區分開，且在圖5及圖6中示出闡述電極部(70)的具體安裝實例及第一傳感器部(50)及第二傳感器部(60)的配置實例的圖。

圖5及圖6是闡述沿圖4所示的線B-B′截取的實例中的每一個的剖視圖。

首先，參照圖5所示的實例，第一傳感器部(50)被形成為具有構成一個層的膜的形狀。與此同時，如在對圖1至圖3所示的實施例的說明中所提及，電極的部(72)接觸第一傳感器部(50)，且第二傳感器部(60)被形成為具有環繞第一傳感器部(50)的基質的結構。

如在對圖1至圖3所示的實施例的說明中一樣，所述電極部的另一部(71)也可接觸第二傳感器部(60)。當然，如以上所提及，所述電極部的部(71)及(72)彼此絕緣，以使得變形信息的變形方向及大小可得到精確地測量。

與此同時，參照圖6所示的實例，不同于圖5所示的實例中的情形，第一傳感器部(50)可被形成為具有由多個層(51)形成的層堆疊。所述電極部的部(72)也可被配置成插入于堆疊結構中的每一個中。

與此同時，第二傳感器部(60)及所述電極部的另一部(71)可具有與圖5所示的實例的配置相同的配置。

圖7說明根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的配置圖的實例。由于在以下說明中，本發明的圖1至圖6所示實例及圖7及圖8所示實例將被理解為獨立的發明，因此盡管提及了相同的配置，但它們將被理解為不同的技術特征。然而，將不再對對圖1至圖6的說明中所提及的部件的重復概念予以贅述。

參照圖7，根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器包括第一傳感器部(90)、第二傳感器部(100)及電極部(圖中未示出)，其中，如圖7中所示，構成第一傳感器部(90)及第二傳感器部(100)的纖維具有平紋、斜紋、緞面或其混合織物的形狀。

也就是說，在圖7中所示的實例中，第一傳感器部(90)及第二傳感器部(100)由纖維、纖維束或具有小的寬度的膜形成。當然，在與圖1至圖6所示的實例的概念相同的概念中，使第一傳感器部(90)產生電信號的外力的方向與使第二傳感器部(100)產生電信號的外力的方向可彼此不同。

在圖7及圖8所示的實例中，所述電極部可被形成為執行與對圖1至圖6所示的實例的說明中的功能相同的功能。當然，用于接觸第一傳感器部(90)的電極部與接觸第二傳感器部(100)的電極部之間的絕緣的配置可包含于所述電極部中。

舉例來說，所述電極部可被配置成插入于構成第一傳感器部(90)及第二傳感器部(100)的纖維中或被施加至第一傳感器部(90)的及第二傳感器部(100)的外側表面上并被配置成具有施加至所述電極部的外側表面上的絕緣層。此外，可利用使各所述電極部彼此絕緣且執行所述電極部的功能的任何配置。

與此同時，在圖7中，第一傳感器部(90)及第二傳感器部(100)是分離開而配置。然而，如圖8中所示，可對圖7所示的實例進行修改。

圖8說明根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的配置的實例。

參照圖8，根據本發明第一實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器被配置成包括傳感器單元(110)，與圖7不同的是，所述傳感器單元(110)包括由一種纖維形成的傳感器部，以使得對應的纖維(即，傳感器單元110)被配置成具有平紋、斜紋、緞面或其混合織物的形狀。

此纖維的結構(C)可為在對圖1及圖4的說明中闡述的結構。也就是說，如圖1及圖4中所示，形成由第一傳感器部、第二傳感器部及電極構成的結構，由此構成一個傳感器單元(110)。

也就是說，傳感器單元(110)可包括：第一傳感器部，由包含鐵電性電活性聚合物材料及膜的纖維中的一個形成；第二傳感器部，被配置成其中包括有第一傳感器部且由包含介電性彈性體電活性聚合物材料的基質形成；以及電極部，被設置成與第一傳感器部或第二傳感器部接觸且當外力施加至第一傳感器部或第二傳感器部時，如圖1及圖4中所示，向外部傳送由第一傳感器部或第二傳感器部產生的電信號。

根據以上實例，一個傳感器單元(110)被形成為具有纖維形狀，且對應的纖維具有織物的形狀，以使得撓性可進一步得到提高。

如此一來，在圖7及圖8所示的實例中制造的傳感器單元具有顯著提高的撓性且因此可安裝于更多各種各樣的結構中。

[第二實施例]

圖9說明根據本發明實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的結構的實例。

參照圖9，根據本發明實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的織物傳感器(200)(在下文中，稱作傳感器)的特征在于如圖9中所示具有被編織成織物形式的特定纖維紗線的形狀的用于進行變形信息的無線傳送/接收的電活性聚合物纖維線圈傳感器單元(210)(在下文中，稱作傳感器單元)。

如以下將闡述，傳感器單元(210)包括包含電活性聚合物材料及電極的傳感器部。傳感器單元(210)被形成為具有纖維紗線的形狀。因此，傳感器單元(210)根據各種編織方法(平紋、斜紋、緞面、及其混合形狀)被編織成織物，由此構成傳感器(200)。

為此，包含于所述電極中的電活性聚合物材料以及包含于傳感器單元(210)中的傳感器部可具有介電性彈性體特性。然而，各實施例并非僅限于此。舉例來說，電活性聚合物可由硅酮(silicone)形成。所述電活性聚合物由于大的變形及快的機械/電延性反應速度以及應對機械刺激的線性電反應而具有能用于傳感器的特性且具有高的撓性，且因此適合于本發明。然而，顯然，在本發明中可使用包含聚偏二氟乙烯PVDF的各種電活性聚合物材料。

根據具有以上特性及織物結構的傳感器(200)的配置，由于傳感器(200)被形成為具有織物的形狀，因此所述傳感器具有高的撓性且因此也可被安裝于其中不易于安裝用于感測變形信息的現有傳感器的位置中(即，在具有大的曲率的結構中)，以使得在安裝地點方面上的限制可得到最小化。

在下文中，將更詳細地闡述作為上述傳感器(200)的配置單元的傳感器單元(210)的結構。

圖10說明根據本發明第二實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元的橫向剖視圖的實例。

一起參照圖10及圖11，在圖9中提及的傳感器單元可包括第一電極(300)、傳感器部(310)及絕緣層(330)。當然，如對圖11的說明中所提及，環繞傳感器部(310)的第二電極(320)可包含于傳感器單元中。

基本上，所述傳感器單元的配置的特征在于包括第一電極(300)及傳感器部(310)。如圖10中所示，第一電極(300)可具有纖維紗線的形狀。因此，如圖9中所示，所述傳感器單元的形狀也是基于第一電極(300)的纖維紗線的形狀，由此構成具有織物形狀的傳感器。

傳感器部(310)被配置成以線圈形式環繞第一電極(300)且包含電活性聚合物(EAP)材料，例如如以上所提及的聚偏二氟乙烯PVDF。傳感器部(310)被形成為以線圈形式環繞第一電極(300)，其中如圖10中所示，在線圈形狀中不存在空隙。

與此同時，如圖9中所示，由于傳感器單元(210)被編織成使傳感器單元(210)彼此接觸以構成織物結構，因此絕緣層(330)可環繞將在稍后與傳感器部(310)一起闡述的第一電極(300)的及第二電極(320)的外側表面，以使得將在稍后與傳感器部(310)一起闡述的第一電極(300)及第二電極(320)不彼此接觸。因此，對應于變形程度的電磁場可精確地形成于其中發生變形的位置中，以使得感測的準確度可得到提高。

在圖10中，傳感器部(310)包括以線圈形式環繞第一電極(300)的一個傳感器纖維。然而，根據本發明的實施例，傳感器部(310)可包括多個傳感器纖維，其中所述多個傳感器纖維中的每一個以線圈形式環繞第一電極(300)。

如以上所提及，在本發明中，第一電極(300)及傳感器部(310)可被配置成纖維紗線的形式。因此，所述傳感器單元也具有纖維紗線的形狀，以使得傳感器單元如對圖9的說明中所提及得到編織，且因此具有纖維的織物結構的傳感器可得到制造。

圖11說明根據本發明第二實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器單元的剖視圖的實例。

圖11包括與圖10所示的配置相似的配置。與圖10相比，在圖11中，包括第二電極(320)。第二電極(320)被配置成與第一電極(300)一起接收由傳感器部(310)產生的電能且被配置成形成較大的電磁場以及將電磁場傳送至外部。

在此種情形中，如圖11中所示，一個傳感器單元可包括多個第一電極(300)及多個第二電極(320)。當然，如以上所提及，為感測準確度起見，所述多個第二電極(320)可通過絕緣層(330)而彼此絕緣。

當然，對圖10的說明可應用于圖11所示的實例。也就是說，如對圖10的說明中所提及，一個第一電極(300)、一個傳感器部(310)及一個第二電極(320)可形成傳感器單元。即使在此種情形中，絕緣層仍環繞第二電極(320)，以使得即使當傳感器單元由于圖9中所示的織物結構而不彼此接觸時，傳感器單元的相鄰的第二電極(320)仍可彼此絕緣。在本發明中，由于織物結構的特征及傳感器的安裝地點的特征，絕緣層(330)可由彈性體形成。然而，各實施例并非僅限于此。

具有與傳感器部(310)的配置相同的配置的第二電極(320)可被形成為以線圈形式環繞傳感器部(310)，但也可通過將電極材料施加至傳感器部(310)而形成。

根據以上結構，由于在傳感器單元中傳感器部(310)通過以線圈形式環繞第一電極(300)來形成傳感器單元，因此形成電能及電磁場的效率可大幅提高，且大的電磁場即使在小的變形中仍可傳送，以使得在用于以無線及無電的方式感測變形信息的傳感器的安裝位置及測量裝置的測量位置方面的限制可得到克服。

圖12是闡述根據本發明第二實施例的其中測量變形信息的流程的圖。

首先，當在傳感器(200)中發生外部震動及變形時，將外力施加至傳感器，且在傳感器中發生機械變形(S1)。也就是說，在包含電活性聚合物材料的傳感器部(即，包括線圈結構的織物)中發生變形。

在此種情形中，由于電活性聚合物材料的特性，在傳感器(200)中會產生電流及電壓(即，電能)(S2)。在此種情形中，以無電的方式將電能傳送至外部，以使得可遠程地測量變形信息。

在以上過程中，通過包含于被形成為具有線圈形狀的傳感器(200)中的電極而形成電磁場(S3)，且同時，所述電磁場也由于所述電極而形成在傳感器外部，以使得可將電磁場傳送至外部(S4)。

管理器可在與其中安裝有傳感器(200)的位置相鄰的位置中接收由接收器(410)傳送的電磁場，例如在其中在可由包含于感測裝置(400)中的接收器(410)感測到的在操作S4中形成及傳送的電磁場的位置中進行所述接收，且管理器可利用使用電壓計/放大器(420)及計算機(430)接收到的電磁場測量變形信息。

在此結構中，由于無線傳感器/無電傳感器(200)包括在對圖9至圖3的說明中所提及的結構，因此由外力產生的電磁場的強度可為大的。因此，形成電能及電磁場的效率可大幅提高，且大的電磁場即使在小的變形中仍可傳送，以使得在用于以無線及無電的方式感測變形信息的傳感器(200)的安裝位置及測量裝置的測量位置方面的限制可得到克服。

[第三實施例]

圖13是根據本發明第三實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的結構的圖。

參照圖13，根據本發明第三實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器可包括第一纖維(500)及第二纖維(510)且可進一步包括第三纖維(520)。

第一纖維(500)指代包含電活性聚合物材料的至少一個纖維群組。所述電活性聚合物材料意指具有在電活性聚合物材料在外力作用下變形時產生電壓的特征的所有材料。舉例來說，第一纖維(500)可包含基于通過張弛振蕩器鐵電性(Relaxor ferroelectric)機制起作用的聚偏二氟乙烯的電活性聚合物材料。然而，各實施例并非僅限于此，且第一纖維(500)可包含可由于外力而產生電力且可在從第一纖維移除外力時恢復至其原始狀態的任何材料。

第二纖維(510)包括包含導電性材料的撓性(Flexible)纖維且可被理解為電極。第二纖維(510)可包含具有高的導電性及低的比電阻的材料且如第一纖維(500)中的情形一樣，意指至少一個纖維群組。

第二纖維(510)具有不會在外力(例如壓縮、拉伸、彎曲力等)作用下受損的極好的耐久性及延性且同時具有高的彈性及延伸性，且因此必須與第一纖維(500)一起保證撓性。

舉例來說，第二纖維(510)可包括例如銅或金等金屬導線或可包含例如聚乙烯二氧噻吩PEDOT系導電性聚合物及碳纖維等材料。在此種情形中，與導電性聚合物材料一起保證彈性的彈性體材料可在第二纖維中混合。

舉例來說，當作為一種糖醇的木糖醇(Xylitol)被添加至所述導電性聚合物材料時，可制造出具有極好的彈性及延伸性的電極。舉例來說，PEDOT:PSs可被用作導電性聚合物材料。

當以具有50um以上的厚膜的形式施加PEDOT:PSS時，PEDOT:PSS的撓性降低，且PEDOT:PSS可由于存在于膠體粒子表面上的PSS的各磺酸(sulfonic acid)基團之間的氫鍵而具有脆度。為此，例如將具有預定比率(例如50wt％的PEDOT:PSS)的木糖醇等彈性體材料粉末添加至PEDOT:PSS，且執行包括熱處理的若干后加工，以使得可制造出撓性的且具有極好的彈性的電極。

與此同時，為了保證第二纖維(510)的較大的導電性，可將具有高導電性的導電性粉末層(例如碳黑、碳納米管、石墨烯等)涂布于第二纖維(510)的表面上或與第二纖維(510)混合。當然，形成于第二纖維的表面層上的導電性粉末層并非僅限于以上實例。

當然，除以上實例之外，顯然，可使用具有得到保證的撓性的撓性電極纖維作為第二纖維(510)。

在本發明中，如圖13中所示，將第一纖維(500)及第二纖維(510)編織成織物形式。舉例來說，將第一纖維(500)及第二纖維(510)編織成包括平紋、斜紋及緞面等各種織物形狀，以使得可制造出具有織物結構的傳感器，所述織物結構具有應對變形的極好的適應性。

平紋結構具有以下問題：由于具有相當多的交叉點，因此所述平紋結構的形狀在外力作用下變形且接著與斜紋或緞面結構相比，恢復至其原始狀態的過程被延遲。與此同時，斜紋結構由于具有比平紋結構的交叉點小的交叉點而具有弱的剛性，但斜紋結構是軟的且不會出現比平紋結構或緞面結構少的皺褶，且因此對應于變形具有極好的恢復力。

因此，可通過根據施加至其中安置有傳感器的結構的外力的類型、外部環境的狀況對上述結構進行組合來使用各種結構(對結構進行組合的配置)。此外，除二維織物結構之外，可應用例如三維殼體結構以及球體結構等所有一般性織物形狀。

與此同時，如圖13中所示，可額外包括第三纖維(520)。第三纖維(520)包含電絕緣材料且指代具有與第一纖維(500)及第二纖維(510)的撓性相同的撓性的纖維。

可編織第三纖維(520)，以使得第三纖維(520)可同時與第一纖維(500)及第二纖維(510)交叉，由此形成織物結構。具體來說，為了防止由各第二纖維(510)之間的接觸造成的故障，可將第三纖維(520)形成為具有織物形狀，以通過第三纖維(520)來防止各第二纖維(510)之間的接觸。

當第一纖維(500)在外力作用下變形時，會產生電能，且電能是通過第一纖維(500)與第二纖維(510)之間的交互作用而高效地產生。所產生的電能的大小根據第一纖維(500)的變形程度而變化，且當利用有線/無線方法分析所述電能的大小的值時，變形程度的值可得到測量。

在此種情形中，根據圖13中所示的本發明的實施例，當可將由電活性聚合物材料形成的纖維層及撓性的導電性纖維層編織成織物形式且用作傳感器時，可在除各種類型的外力之外在不失去功能性的條件下精確地測量變形信息，且同時，可將傳感器無限制地安裝于例如具有大的曲率的結構的表面、可穿戴裝置等各種地點中，以使得可保證安裝自由程度，以所述安裝自由程度，所述傳感器可安裝于其中需要外形變形測量技術的任何位置處。

圖14是根據本發明第三實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的結構的圖。

參照圖14，包含于根據本發明第三實施例的另一實例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器中的纖維體的特征在于包括第一纖維層(501)以及第二纖維層(511及512)。所述纖維體被編織成在對圖13的說明中提及的各種織物形狀，由此構成織物傳感器。此外，第一纖維層(501)以及第二纖維層(511及512)的詳細的特征與對圖13的說明中的第一纖維及第二纖維的說明的特征相同且因此將不再予以贅述。

不同于圖13所示的實例中的情形，本發明的圖14所示的實例的特征在于第一纖維層(501)以及第二纖維層(511)及(512)包含于一個纖維體中。

也就是說，第二纖維層(511)可作為電極插入于由電活性聚合物材料形成的第一纖維層(501)中，或者第二纖維層(512)可形成于第一纖維層(501)的表面上。

此種纖維體可被編織成織物形式，由此執行與圖13所示的實例的功能相同的功能。當然，在其中第二纖維層(512)被施加至第一纖維層(501)的表面上的實例中，電絕緣材料可被施加至第二纖維層(512)或與圖13所示的第三纖維一起放置于各纖維體之間，以使得可防止作為導電性材料的各第二纖維層(512)之間的接觸。

圖15說明用于實作本發明的第三實施例的第二纖維層的橫向剖視圖的實例。

如對圖13的說明中所提及，第二纖維(510)可包括包含導電性聚合物材料的導電性纖維(513)及彈性體以及用于提高導電性的導電性粉末層(514)。

通過圖15所示的結構，如圖13中所提及，可制造具有得到保證的撓性的電極，且同時，可產生在導電性方面具有高效率的電極，以使得可提供適合于本發明的織物傳感器的特性的電極結構。

圖16說明根據本發明第三實施例的傳感器的可被實作成的形狀的實例。

如圖16中所示，具有織物形狀的傳感器可被編織成包括條帶型傳感器(520)及貼片型傳感器(521)的各種形狀。如圖13至圖14中所提及，電活性聚合物材料及電極可被編織成織物形式，以使得所述傳感器可以根據編織而具有各種形狀的織物的形式來制造。

因此，可制造出對被形成為各種形狀的結構、應用于人體的可穿戴裝置等具有極好的適應性、用于感測變形信息的傳感器，且可在各種領域中使用變形信息感測。

[第四實施例]

圖17是根據本發明第四實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器的纖維線圈的圖以及所述纖維線圈的一部分的放大圖，且圖18是用于實作本發明第四實施例的纖維線圈的剖視結構的一部分的圖。

首先，參照圖17，根據本發明實施例的利用電活性聚合物進行變形信息的無線傳送/接收的傳感器(在下文中，稱作傳感器)包括：纖維線圈(600)，具有包括包含電活性聚合物材料的第一纖維(610)的線圈形狀的纖維體，其中當第一纖維(610)在外力作用下變形時會產生電壓；及第二纖維(620)，第二纖維(620)包含導電性材料的纖維，所述第二纖維(620)可施加有在第一纖維(610)中產生的電壓；以及電容器(圖中未示出)，連接至纖維線圈(600)的兩端。

在第四實施例中，當在外力作用下在纖維線圈(600)中發生變形時，由于纖維線圈(600)的壓電特性，在第一纖維(610)中可產生電力。當所產生的電力(例如，電壓)施加至第二纖維(620)時，所述電壓利用第二纖維(620)在所述電容器中充電或從所述電容器放電，以使得電流流經第二纖維(620)，且如在纖維線圈(600)中一樣第二纖維(620)形成線圈結構，以使得可通過流經第二纖維(620)的電流而形成電磁場。

在第四實施例中，第一纖維(610)可包含電活性聚合物材料。舉例來說，第一纖維(610)可包含基于通過張弛振蕩器鐵電性(Relaxor ferroelectric)機制起作用的聚偏二氟乙烯PVDF的電活性聚合物材料。然而，各實施例并非僅限于此，且可使用可通過外力產生電力且可在從第一纖維(610)移除外力時恢復至其原始狀態的任何材料來用于第一纖維。

在第四實施例中，第二纖維(620)可被理解為電極。舉例來說，當由第一纖維(610)產生的電壓施加至第二纖維(620)時，所述電壓在連接至第二纖維(620)的電容器中充電或從連接至第二纖維(620)的電容器放電且因此，電流可流經第二纖維(620)。當電流流經第二纖維(620)時，所述線圈結構產生電磁場。

在第四實施例中，第二纖維(620)可包含具有高的導電性及低的比電阻的材料。在第四實施例的另一實例中，第二纖維(620)可包含具有不會在施加至第二纖維(620)的外力(例如壓縮、拉伸、彎曲力等)作用下受損的極好的耐久性及延性的材料。舉例來說，第二纖維(620)可包含例如金屬(例如，銅或金)或具有導電性的聚合物等導電性材料。然而，各實施例并非僅限于此，且可使用執行上述功能的所有材料。

參照圖18，纖維線圈(600)的第一纖維(610)可被安置成環繞第二纖維(620)。當存在構成用于提高電力產生效率及電磁場產生效率的纖維線圈(600)的多個第二纖維(620)時，纖維線圈(600)可包括至少一個單元纖維體(700、710)，所述至少一個單元纖維體是被形成為使第二纖維(620)彼此電性地間隔開的單元體。舉例來說，所述纖維線圈可被配置成包括多個單元纖維體(700、710)，其中單元纖維體(700、710)是一個單元。

在第四實施例中，如圖18的(a)所示的單元纖維體(700)中一樣，單元纖維體(700、710)可被形成為彼此獨立的第一纖維(610)與第二纖維(620)的組合。在第四實施例的另一實例中，如圖18的(b)所示的單元纖維體(710)中一樣，單元纖維體(700、710)可被形成為使相鄰的單元纖維體(710)可共享第一纖維(610)的一部分。

在第四實施例中，為了引發第一纖維(610)及第二纖維(620)的壓電效果，導電性材料(圖中未示出)可施加至或涂布至單元纖維體(700、710)的外側壁(圖中未示出)。

圖19是根據本發明第四實施例的用于監視結構的堅固性的系統的局部配置圖，圖20是根據本發明第四實施例的用于監視結構的堅固性的系統的讀取器的配置圖，且圖21是根據本發明第四實施例的包含于用于監視結構的堅固性的系統的接收模塊中的線圈的橫截面的圖。

舉例來說，圖19是根據本發明第四實施例的闡述其中產生并傳送用于計算結構的變形信息的數據的功能的圖，圖20是用于闡述執行用于在產生電磁場時通過接收電磁場而計算結構的變形信息的功能的讀取器的配置的圖，且圖21是說明用于接收電磁場的接收模塊的示意性橫截面結構的圖。

如圖19至圖21中所述，根據本發明第四實施例的用于監視結構的堅固性的系統包括傳感器模塊(800)及讀取器(圖中未示出)，傳感器模塊(800)包括至少一個纖維線圈(600)及電容器(810)，所述讀取器包括接收模塊(820)及處理器(圖中未示出)。

基于此來參照圖19，電容器(810)可連接至纖維線圈(600)的兩端。在一個實施例中，纖維線圈(600)及電容器(810)可被例如聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethysiloxane)等防水聚合物環繞。在一個實施例中，纖維線圈(600)及電容器(810)可被實作成具有5mm以下的直徑。

在第四實施例中，當在外力作用下在纖維線圈(600)中發生變形時，由于上述功能及行動，在纖維線圈(600)中可形成電力。如以上所提及，在第四實施例中，纖維線圈(600)包括電極，以使得纖維線圈(600)自身充當同心扁平螺線管，且當電流通過纖維線圈(600)時，會形成電磁場，且所形成的電磁場被傳送至外部。

在第四實施例中，如上所述，包含于用于監視結構的堅固性的系統中的接收模塊(820)執行接收在所述傳感器中形成的電磁場的功能。

接收模塊(820)可接收從傳感器形成并經過傳送的電磁場。當從傳感器形成并經過傳送的電磁場施加至接收模塊(820)時，所施加的電磁場及接收模塊(820)的結構(例如，繞于線圈結構中的配置)發生電磁感應現象。

在第四實施例中，接收模塊(820)可放置于一距離處，在所述距離處，從傳感器形成并經過傳送的電磁場可施加至接收模塊(820)。在第四實施例的另一實例中，接收模塊(820)可包括接收線圈(線圈結構的導電性材料)，以在電磁場施加至接收模塊(820)時將電磁場轉換成電流及電壓中的至少一個。與此同時，當包括接收模塊(820)的讀取器被制造成便攜的時，接收模塊(820)也可移動。在此種情形中，管理器將所述讀取器放置于可施加從傳感器形成并經過傳送的電磁場的距離處。在此種情形中，所述電磁場被施加至接收模塊(820)。也就是說，所述管理器將所述讀取器在所期望時間放置于所期望位置(變形信息將被測量的位置)中，以使得所產生的電磁場可通過接收模塊(820)接收。

在第四實施例中，接收模塊(820)的接收線圈可包括繞組(821)、繞組(822)及繞組(823)中的至少一個。施加至繞組(821)的繞組(822)是用于通過將由傳感器產生的電磁場以及包含于接收模塊(820)中的接收線圈之間的電磁場泄漏最小化而提高無線電力傳送效率的配置。繞組(822)可包含例如鐵氧體等材料。然而，各實施例并非僅限于此。如以上所提及，繞組(823)包含例如聚二甲基硅氧烷PDMS等材料以保護接收線圈免受例如潮濕等外部環境的損壞。

當電磁場施加至接收模塊(820)時，由于例如在圖21中提及的接收線圈等線圈結構，電流及電壓將被施加至接收模塊。

電壓計及放大器(830)可測量施加至接收模塊(820)的電流及電壓。計算機(850)可計算所測量的值作為變形信息。

在本發明的第四實施例中，電壓計及放大器(830)以及計算機(850)可包含于一個處理器中。也就是說，所述處理器利用根據由接收模塊(820)接收的電磁場的幅值而施加至接收模塊(820)的電流及電壓的幅值執行計算由其中安裝有利用電活性聚合物材料感測變形的傳感器的區的外力造成的變形信息的功能。

與此同時，在本發明的第四實施例的另一實例中，放大器(830)可包含于不是處理器的接收模塊(820)中。可使用能放大由接收模塊(820)接收的電磁場以將由接收模塊(820)放大的電磁場的值轉換成電壓及電流電壓或能執行將由接收模塊(820)轉換的電壓及電流值放大的功能的任何類型的放大器(830)。在此種情形中，所述處理器可被理解為指代計算機(850)的配置。

在本發明的第四實施例中，纖維線圈利用因在電活性聚合物材料的外力作用下造成的變化產生的電力發射電磁場。所發射的電磁場的幅值可非常小。因此，所述電磁場被包含于讀取器中的接收模塊(820)或所述處理器放大，以使得結構的變形程度可得到更為精確地測量。

根據上述配置，可以超小型纖維線圈來替換電源模塊及帶導線結構、以及通信模塊，所述帶導線結構必須本質上連接至被安裝成直接計算外力的現有變形感測傳感器。也就是說，由于纖維線圈包含電活性聚合物材料、電極及電容器，因此當外力施加至纖維線圈時會產生電壓。因此，將電流施加至電極，且在線圈中由于所述電流而產生電磁場。也就是說，由于具有不同大小的電磁場是在不供應電流的條件下根據由外力的大小造成的纖維線圈的變形的程度而產生，因此用于計算變形信息的數據是在無電狀態、非通信模塊狀態及無線狀態中產生。

通過上述功能及行動，根據本發明的第四實施例，與用于監視結構的堅固性的現有系統相比，可實作具有非常小的大小的系統，以使得可在結構中容易地執行安裝且不需要額外的電源單元或通信模塊，且因此安裝成本及維修成本可得到降低。

應理解，除非上下文清楚地另外指明，否則本文所用的用語“包含”指明對應元件的存在但不排除另一元件，而且指明另一元件的增加。除非另有定義，否則本文所用的所有用語(包括技術及科學用語)的含義均與此發明所屬技術領域中的普通技術人員所通常理解的含義相同。更應理解，用語(例如在常用字典中所定義的用語)應被解釋為具有與其在相關技術上下文中的含義一致的含義，且除非本文中進行明確定義，否則不應將其解釋為具有理想化或過于正式的意義。

前述內容是對各示例性實施例的說明且不應被視作限制各示例性實施例。盡管已闡述了各示例性實施例，但所屬領域中的普通技術人員將易于領會，在不實質上背離各示例性實施例的新穎教示及優點的條件下，可對各示例性實施例作出許多潤飾。因此，所有的此種潤飾旨在包含于權利要求書的范圍內。因此，應理解，前述內容是對各示例性實施例的說明且不應被視作僅限于所公開的具體實施例，且對所公開實施例以及其他實施例的潤飾旨在包含于隨附權利要求書的范圍內。各示例性實施例是由以上權利要求書界定，其中權利要求書的等效形式包含于各示例性實施例中。