專利名稱:具有改善墊片設(shè)計(jì)的翼形開關(guān)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及翼形開關(guān)元件,尤其涉及翼形壓力傳感器。
本發(fā)明涉及具有電阻的一種翼形壓力傳感器,所述電阻隨施加的壓力值變化。這種類型的壓力傳感器通常包括借助墊片彼此相距一定距離設(shè)置的第一承載翼和第二承載翼。所述墊片包括至少一個(gè)凹部,其限定開關(guān)元件的有效面積。至少兩個(gè)電極和壓敏材料層設(shè)置在所述第一和第二承載翼之間的開關(guān)元件的有效面積中,其采用這樣的方式,響應(yīng)作用在開關(guān)元件有效面積上的壓力,第一和第二承載翼靠彈性承載翼的反作用力壓在一起并且通過壓敏材料在至少兩個(gè)電極之間形成電觸點(diǎn)。
這種壓力傳感器能有成本效益地生產(chǎn)并且已經(jīng)被證實(shí)在應(yīng)用中非常堅(jiān)固和可靠。
這種開關(guān)元件的電響應(yīng)取決于電極和壓敏材料的種類及外形、它們在開關(guān)元件的有效面積中的排布和最終取決于物理觸點(diǎn),其響應(yīng)作用在有效面積上的力在電極之間形成。如果力作用在有效面積上,電極之間的物理觸點(diǎn)由開關(guān)元件的機(jī)械響應(yīng)確定。這種機(jī)械響應(yīng)能用薄膜模型說明。薄膜的彎曲與垂直作用在薄膜上的壓力成比例并取決于薄膜的彈性性能,其厚度和止動裝置的半徑。
結(jié)果是超過某個(gè)最小壓力時(shí)開關(guān)元件的電響應(yīng)開始,電極和半導(dǎo)體材料層之間的物理觸點(diǎn)在最小壓力開始形成。在這種所謂的接通點(diǎn)(turn-on-point)以上,電響應(yīng)主要取決于電極和半導(dǎo)體層之間的接觸表面的面積。
背景技術(shù):
在公知的壓力傳感器中,有效面積基本具有圓形形狀,即墊片中的凹部具有圓形形狀。在這種情況中,機(jī)械接觸面面積的徑向擴(kuò)張量基本上是作用在開關(guān)元件上的力的特定函數(shù),接觸面面積實(shí)現(xiàn)與該半徑的基本二次相關(guān)性。由此作為所述力的函數(shù)的傳感器阻抗性能表現(xiàn)出由這種二次相關(guān)性確定的特點(diǎn),這導(dǎo)致傳感器不適合特殊用途。
此外,壓力傳感器的某些應(yīng)用需要傳感器接通點(diǎn)相當(dāng)高以便消除傳感器上的預(yù)載。這就是諸如設(shè)置在覆蓋材料下面的傳感器的情況,尤其是如果覆蓋材料相當(dāng)硬和/或強(qiáng)烈緊繃在開關(guān)元件上時(shí)。在此情況中,不得不通過減小限定了有效面積的薄膜止動裝置的尺寸,即墊片凹部的尺寸,來調(diào)節(jié)接通點(diǎn)。不幸的是,小直徑墊片凹部的使用對傳感器單元的動力起反作用,甚至可能引起機(jī)械單元動力完全消失。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有改善的電響應(yīng)的開關(guān)元件。
通過如權(quán)利要求1所述的翼形開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)此目的。
翼形開關(guān)元件典型地包括借助墊片以彼此間隔一定間距設(shè)置的第一承載翼和第二承載翼,所述墊片包括至少一個(gè)限定開關(guān)元件有效面積的凹部。至少兩個(gè)電極和壓敏材料層設(shè)置在開關(guān)元件的有效面積中位于所述第一和第二承載翼之間,采用這樣的方式,即響應(yīng)作用在開關(guān)元件有效面積上的壓力,第一和第二承載翼靠彈性承載翼的反作用力壓在一起,借助壓敏材料在至少兩個(gè)電極之間建立電觸點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明,所述有效面積包括內(nèi)部區(qū)域和若干外部區(qū)域,所述內(nèi)部區(qū)域具有基本凸起形狀和所述外部區(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域向外延伸。
與公知的壓力傳感器形成對比,本發(fā)明壓力傳感器的機(jī)械接觸面面積徑向擴(kuò)張量不再是作用在開關(guān)元件上的力的簡單函數(shù)。實(shí)際上,因?yàn)榫哂袃蓞^(qū)域有效面積的設(shè)計(jì),接觸面的徑向擴(kuò)張量對于作用在壓力傳感器上的較大力比對于較小力顯示出不同的性能。僅在傳感器致動的開始,即對于作用在傳感器上的小作用力,傳感器機(jī)械響應(yīng)與公知傳感器的性能相當(dāng)。在此最初致動期間,有效面積的內(nèi)部區(qū)域決定機(jī)械響應(yīng)。一旦達(dá)到傳感器接通點(diǎn),第一和第二承載翼開始物理接觸,由此在可以電極和壓敏材料層之間形成電觸點(diǎn),壓敏材料層通常設(shè)置在開關(guān)元件有效面積中位于所述第一和第二承載翼之間。
如果作用在傳感器上的力進(jìn)一步增加,第一和第二承載翼之間的物理接觸面積達(dá)到有效面積內(nèi)部區(qū)域的外周界。超過這點(diǎn),傳感器單元的機(jī)械響應(yīng)主要取決于有效面積外部區(qū)域的形狀,所述外部區(qū)域從有效面積內(nèi)部區(qū)域向外延伸。在這些外部區(qū)域中,與內(nèi)部區(qū)域的構(gòu)造相比,上述薄膜模型的機(jī)械構(gòu)造實(shí)際上有顯著的不同。結(jié)果就是接觸面面積不在取決于如同公知傳感器的典型的接觸面的半徑的二次相關(guān)性。
因此,本發(fā)明壓力傳感器顯示出混合機(jī)械響應(yīng),對于小作用力其取決于內(nèi)部區(qū)域的凸起形狀,而外部區(qū)域形狀決定更大作用力的機(jī)械響應(yīng)。然而,可以采用這種混合響應(yīng)以便優(yōu)化傳感器單元的動力。實(shí)際上,有效面積的內(nèi)部區(qū)域的形狀和尺寸主要影響傳感器單元接通點(diǎn)的設(shè)定,而外部區(qū)域的形狀和尺寸主要決定超過接通點(diǎn)的傳感器的動態(tài)。由此通過分別調(diào)節(jié)有效面積內(nèi)和外部區(qū)域的形狀和尺寸,能分別調(diào)節(jié)傳感器單元的接通點(diǎn)和動力。即如果要提供具有高接通點(diǎn)的傳感器,可以減小有效面積內(nèi)部區(qū)域的尺寸。同時(shí),可以調(diào)節(jié)外部區(qū)域的形狀和尺寸以便為傳感的特定應(yīng)用提供適合的傳感器動力。
可以理解,所提議的墊片凹部的設(shè)計(jì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)接通點(diǎn)的機(jī)械和尺寸要求與調(diào)節(jié)單元動力的所述要求分離。因此,兩種單元特性中的每一個(gè)能分別在寬的范圍內(nèi)獨(dú)立地調(diào)節(jié)而不對彼此特性形成消極影響。值得注意的是,這種分離對可能的傳感器構(gòu)造有積極影響。實(shí)際上,因?yàn)榭梢哉{(diào)節(jié)壓力傳感器單元接通點(diǎn)而不對所述單元動力產(chǎn)生消極影響,即現(xiàn)在可以采用具有減小厚度的墊片。
在公知壓力傳感器中,即使墊片凹部的必要大直徑,為了確保適當(dāng)高的接通點(diǎn),墊片凹部必須具有相當(dāng)大的厚度(90微米或更大)?,F(xiàn)在,通過本發(fā)明的壓力傳感器,墊片厚度不再是調(diào)節(jié)傳感器單元接通點(diǎn)的限制參數(shù)。因此可以采用具有小于90微米的減小厚度的墊片,而不會不可避免地?fù)p害傳感器單元的性能。此優(yōu)點(diǎn)使得可以采用絲網(wǎng)印刷墊片,即絲網(wǎng)印刷工藝中涂覆在一個(gè)承載翼上的可印刷膠。這種絲網(wǎng)印刷墊片的厚度在常規(guī)情況下不會與通常用作墊片材料的雙面膠帶的厚度一樣大。
結(jié)果是,本發(fā)明開關(guān)元件的有效面積的形態(tài)特殊設(shè)計(jì),以便改善傳感器的電響應(yīng)。值得注意的是,墊片中的凹部限定有效面積的形態(tài)。因此,所述凹部必須適當(dāng)成形,以便提供傳感器單元所需的機(jī)械構(gòu)造??梢岳斫?,在印刷墊片的絲網(wǎng)印刷工藝中或者在雙面膠帶墊片材料的情況中在例如沖壓工藝中,能簡易設(shè)置所述凹部。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中,所述內(nèi)部區(qū)域包括基本圓形形狀。這種圓形結(jié)構(gòu)給傳感器提供各向同性性能,這被證實(shí)非常適合控制第一和第二承載翼之間的內(nèi)部觸點(diǎn)。另外,墊片中的圓形凹部非常易于制造。
在力的作用下薄膜的彎曲從力的作用點(diǎn)向薄膜的外部止動裝置徑向擴(kuò)散。結(jié)果是外部區(qū)域優(yōu)選從所述內(nèi)部區(qū)域徑向延伸,由此在有效面積的內(nèi)部和外部區(qū)域之間的邊界處薄膜的彎曲不受限制。
為了提供傳感器單元的基本各向同性機(jī)械響應(yīng),所述外部區(qū)域優(yōu)選均勻分布在所述內(nèi)部區(qū)域周界上。換句話說,外部區(qū)域優(yōu)選設(shè)置從而使有效面積的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出關(guān)于穿過有效單元中心的軸旋轉(zhuǎn)對稱。為了提高傳感器單元的動力,旋轉(zhuǎn)對稱性的程度最好是奇數(shù),其意味著所述外部區(qū)域的數(shù)量是奇數(shù),例如是三個(gè)。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中,所述外部區(qū)域包括基本長條形狀。外部區(qū)域可以包括例如基本三角形狀或基本梯形形狀,所述外部區(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域向所述有效面積的外周界聚攏。作為替換,外部區(qū)域可以包括基本矩形形狀。
值得注意的是,有效面積的外部區(qū)域?qū)挾葍?yōu)選這樣選擇,即確保有效面積的內(nèi)部和外部區(qū)域之間機(jī)械性能平滑過渡。
在這種壓力傳感器的一個(gè)實(shí)施方案中,第一電極設(shè)置在所述第一承載翼的內(nèi)表面上,第二電極以面向第一電極的關(guān)系設(shè)置在第二承載翼的內(nèi)表面上。所述第一和第二電極中至少一個(gè)全部或部分由例如半導(dǎo)體或電阻材料的所述壓敏材料層覆蓋,由此當(dāng)?shù)谝缓偷诙休d翼響應(yīng)作用在開關(guān)元件上的力被壓在一起時(shí),在第一和第二電極之間通過壓敏材料層形成電接觸。通常這種類型的壓力傳感器被稱之為以所謂的“穿透模式”工作。
在壓力傳感器的另一實(shí)施方案中,第一和第二電極以間隔方式并排設(shè)置在第一承載翼的內(nèi)表面上,同時(shí)壓敏材料層設(shè)置在第二承載翼內(nèi)表面上。壓敏材料層以面向第一和第二電極的關(guān)系設(shè)置,由此當(dāng)所述第一和第二承載翼響應(yīng)作用在開關(guān)元件有效面積上的力被壓在一起時(shí),壓敏材料層并聯(lián)第一和第二電極。這些傳感器被稱之為以所謂的“并聯(lián)模式”工作。
值得注意的是根據(jù)傳感器單元的應(yīng)用,電極可以具有平面形狀,例如在基本整個(gè)有效面積上覆蓋相應(yīng)的承載翼,或者電極可以包括許多適合形狀的互相連接的導(dǎo)體,例如采用梳狀模式,或具有斷開的圓形導(dǎo)體,因此第一和第二電極的導(dǎo)體可以按交叉排布設(shè)置。進(jìn)一步可以理解的是壓敏材料層可以具有適合傳感器應(yīng)用的特定結(jié)構(gòu)。換句話說,壓敏材料層可以在基本整個(gè)有效面積覆蓋相應(yīng)承載翼或電極,或所述層可以僅作用于有效面積的所選區(qū)域。
在制造過程中,通常將電極印刷在它們相應(yīng)的承載翼上。在這種印刷過程中,承載翼在與印刷電極的導(dǎo)電材料的邊界上承受表面張力。這些表面張力可以引起承載翼變形并由此引起所述單元相應(yīng)的改變??梢岳斫獾氖潜景l(fā)明非圓形墊片凹部結(jié)構(gòu)顯著減少所述單元響應(yīng)上的變形影響。
根據(jù)以下幾個(gè)非限制性實(shí)施方案的說明并參照附圖,本發(fā)明將更清楚,在附圖中圖1是具有適合凹部的翼形開關(guān)元件的墊片的一個(gè)實(shí)施例;圖2是現(xiàn)有技術(shù)傳感器單元的承載翼和根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元之間的接觸面半徑變化的比較關(guān)系;圖3是對于現(xiàn)有技術(shù)傳感器(a)和對于根據(jù)本發(fā)明的傳感器(b)來說,調(diào)節(jié)接通點(diǎn)對傳感器單元動力的影響;圖4是根據(jù)本發(fā)明的翼形開關(guān)元件的有效面積形狀的不同實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種電阻隨施加的壓力大小變化的翼形壓力傳感器。這種類型的壓力傳感器通常包括借助墊片彼此相距一定距離設(shè)置的第一承載翼和第二承載翼。所述墊片包括至少一個(gè)凹部,其限定開關(guān)元件的有效面積。至少兩個(gè)電極和壓敏材料層設(shè)置在開關(guān)元件的有效面積中在所述第一和第二承載翼之間,采用這樣的方式,響應(yīng)作用在開關(guān)元件有效面積上的壓力,第一和第二承載翼靠彈性承載翼的反作用力壓在一起和通過壓敏材料在至少兩個(gè)電極之間形成電觸點(diǎn)。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的墊片10的實(shí)施方案。所述墊片包括凹部12,其限定傳感器單元的有效面積。凹部12包括具有總體凸形的內(nèi)部區(qū)域14。在所示的實(shí)施方案中,內(nèi)部區(qū)域具有用內(nèi)切圓16圖示的圓形形狀。此內(nèi)部面積的尺寸對傳感器單元的接通點(diǎn)有影響。
此外對于內(nèi)部凸形區(qū)域,所示墊片的凹部12包括三個(gè)外部區(qū)域18,它們從內(nèi)部區(qū)域14徑向向外延伸。外部區(qū)域18具有總體長條矩形并從內(nèi)部區(qū)域14向有效面積的外圍延伸,這用外切圓20表示。外部區(qū)域18的形狀和外切圓20的尺寸決定壓力傳感器的動力。
在所示實(shí)施方案中,外部區(qū)域在有效面積的內(nèi)部區(qū)域14的外圍上均勻分布。結(jié)果是墊片的凹部12示出三角旋轉(zhuǎn)對稱。
圖2示出現(xiàn)有技術(shù)傳感器和根據(jù)本發(fā)明具有有效面積的傳感器的動力之間的差別。公知的現(xiàn)有技術(shù)傳感器典型地具有圓形有效面積。在這種有效面積中,承載翼之間的機(jī)械接觸面面積的徑向擴(kuò)展量基本是作用在開關(guān)元件上的力的特定函數(shù)并且接觸面面積實(shí)現(xiàn)與該半徑的基本二次相關(guān)性有關(guān)。在圖2中以實(shí)線將接觸表面的半徑繪制為作用在這種壓力傳感器的傳感器單元上的壓力的函數(shù),以附圖標(biāo)記22標(biāo)注。該曲線圖22示出在非常小的力時(shí)的接通點(diǎn)和在接通點(diǎn)以上半徑的突然急劇增加。另一方面,對于更大力,接觸面的半徑變化非常小,即對于更大的力所述單元的動力很弱。
圖2還示出具有本發(fā)明改良墊片結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的曲線圖。所述曲線圖針對有效面積繪制,所述有效面積外徑與現(xiàn)有技術(shù)有效面積直徑相當(dāng)。此曲線以虛線表示并總體標(biāo)識為24。與曲線22相比,曲線24示出在更大力時(shí)的接通點(diǎn)。通過適當(dāng)設(shè)定墊片凹部12的內(nèi)部區(qū)域14的尺寸能控制這種性能。另一方面,一旦超過接通點(diǎn),接觸面的半徑增大沒有現(xiàn)有技術(shù)傳感器急劇,但是直到很大的力都能獲得半徑相當(dāng)大的變化。結(jié)果是與公知傳感器相比,改良單元在整個(gè)力范圍上的動力被顯著地提高。
本發(fā)明開關(guān)元件的另一優(yōu)點(diǎn)在圖3中示出。圖3a示出常規(guī)傳感器的接通點(diǎn)調(diào)節(jié)影響。為了提高常規(guī)傳感器的接通點(diǎn),必須減少有效面積的半徑。然而,這種有效面積的減小對所述單元的動力有消極影響,如圖3a中不同曲線所示。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中,可以調(diào)節(jié)接通點(diǎn)而不影響單元動力。實(shí)際上,通過減少有效面積的內(nèi)部區(qū)域4的尺寸,傳感器接通點(diǎn)可以轉(zhuǎn)換到更大的力,同時(shí)保持所述單元的動力,其主要取決于有效面積的外部區(qū)域。根據(jù)內(nèi)外部區(qū)域形狀,內(nèi)部區(qū)域半徑的減小可兼顧外部區(qū)域的尺寸和/或形狀適配,以便確保所述單元的特定機(jī)械性能。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明翼形開關(guān)元件有效面積形狀的不同實(shí)施方案。有效面積的外部區(qū)域18優(yōu)選包括基本長條形狀。外部區(qū)域可以包括例如基本三角形(圖4a)或基本梯形(圖4b)形狀。梯形形狀應(yīng)定向?yàn)橥獠繀^(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域14向所述有效面積的外圍20聚攏(參見圖4b)。作為替換,外部區(qū)域可以包括基本矩形形狀(圖4c)。
應(yīng)當(dāng)意識到的是優(yōu)選選擇有效面積的外部區(qū)域18以便確保機(jī)械性能在有效面積的內(nèi)部和外部區(qū)域之間平滑過渡。
權(quán)利要求
1.一種翼形開關(guān)元件,其包括借助墊片以彼此間隔一定間距設(shè)置的第一承載翼和第二承載翼,所述墊片包括至少一個(gè)限定開關(guān)元件有效面積的凹部,其特征在于所述有效面積包括內(nèi)部區(qū)域和數(shù)個(gè)外部區(qū)域,所述內(nèi)部區(qū)域具有基本凸起的形狀和所述外部區(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域向外延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的翼形開關(guān)元件,其中所述內(nèi)部區(qū)域包括基本圓形形狀。
3.如權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域徑向延伸。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域均勻分布在所述內(nèi)部區(qū)域外圍上。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域包括長條形狀。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域包括基本三角形狀。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域包括基本梯形形狀,所述外部區(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域向所述有效面積外周界聚攏。
8.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域包括基本矩形形狀。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述外部區(qū)域的數(shù)量是奇數(shù)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中調(diào)節(jié)所述內(nèi)部區(qū)域和所述外部區(qū)域的形狀和/或尺寸,以便確保有效面積的內(nèi)部和外部區(qū)域之間機(jī)械性能的平滑過渡。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中第一電極設(shè)置在所述第一承載翼的內(nèi)表面上和第二電極以面向第一電極的關(guān)系設(shè)置在第二承載翼的內(nèi)表面上,其中所述第一和第二電極中至少一個(gè)全部或部分被壓敏材料層覆蓋。
12.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中第一和第二電極并排設(shè)置在所述第一承載翼的內(nèi)表面上,其中壓敏材料層以面向所述第一和第二電極的關(guān)系設(shè)置在第二承載翼的內(nèi)表面上。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的翼形開關(guān)元件,其中所述墊片包括可印刷墊片材料。
全文摘要
翼形開關(guān)元件典型地包括借助墊片(10)以彼此間隔一定間距設(shè)置的第一承載翼和第二承載翼。所述墊片(10)包括至少一個(gè)限定開關(guān)元件有效面積的凹部(12)。至少兩個(gè)電極和壓敏材料層設(shè)置在開關(guān)元件的有效面積中位于所述第一和第二承載翼之間,采用這樣的方式,即響應(yīng)作用在開關(guān)元件有效面積上的壓力,第一和第二承載翼靠彈性承載翼的反作用力壓在一起,借助壓敏材料在至少兩個(gè)電極之間建立電觸點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明,所述有效面積包括內(nèi)部區(qū)域(14)和數(shù)個(gè)外部區(qū)域(18),所述內(nèi)部區(qū)域具有基本凸起形狀和所述外部區(qū)域從所述內(nèi)部區(qū)域向外延伸。
文檔編號H01H13/70GK1748131SQ200480003892
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者沃納·比克, 德里斯·查巴赫, 伊維斯·德科斯特, 羅伯特·奧萊特, 阿蘭·舒馬赫 申請人:Iee國際電子及工程股份有限公司