CN100442408C - 箔型压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种箔型压力传感器，包括通过垫片以特定距离彼此分隔开设置的第一载体箔和第二载体箔，垫片包括至少一个凹槽，该凹槽限定了压力传感器的有源区域，以及以下述方式设置在第一和第二载体箔之间、压力传感器的有源区域中的至少两个电极和一层压敏材料，即，响应于作用在压力传感器有源区域上的压力，第一和第二载体箔被压在一起，并且经压敏材料层在至少两个电极之间建立起电接触。至少一个所述载体箔包括具有牢固结合在一起的至少两个不同的塑料箔的多层结构，塑料箔具有不同的弹性模量，并且塑料箔的厚度适于在所述具有多层结构的至少一个载体箔中调整相应主导特性的影响。

Description

箔型压力传感器

技术领域

本发明涉及一种箔型开关元件，其包括第一载体箔和第二载体箔，二者通过垫片彼此之间间隔开特定的距离设置。所述垫片包括至少一个凹槽，该凹槽限定了所述开关元件的有源区域。至少两个电极以下述方式设置在所述第一和第二载体箔之间的开关元件有源区域中，即，响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力，克服所述弹性载体箔的反作用力第一和第二载体箔被压在一起，并且在至少两个电极之间建立起电接触。

背景技术

这种箔型开关元件的若干实施例在现有技术中是公知的。这些开关元件中的某些开关构造成简单开关，也就是包括设置在第一载体箔上的第一电极，以及设置在第二载体箔上、与第一平面电极呈面对关系的第二电极。所述电极可以是平面结构，在所述有源区域中基本上覆盖各自载体箔的整个表面。

在现有技术中已知的其它开关元件构造为具有电阻的压力传感器，其电阻是随所施加的压力而变化的。在这种压力传感器的第一实施例中，第一电极设置在第一载体箔上而第二电极以与第一电极呈面对关系设置在第二载体箔上。至少其中一个电极由一层压敏材料，例如半导体材料所覆盖，从而在第一和第二载体箔响应于作用在开关元件上的力被压在一起时，在第一和第二电极之间经由压敏材料层建立起电连接。这种类型的压力传感器通常被称作以所谓的“直通模式”工作。

在所述压力传感器的另一实施例中，第一和第二电极以间隔开的关系设置在第一和第二载体箔的其中之一上，而另一个载体箔由一层压敏材料所覆盖。所述压敏材料层以面对第一和第二电极的关系设置，使得在所述第一和第二载体箔响应作用在所述有源区域上的力被压在一起时，压敏材料层并联第一和第二电极。这些传感器被称作以所谓的“并联模式”工作。

上述的开关元件可以用成本效率高的方式进行制造并且在实践中已经被证明是非常耐用和可靠的。

这种开关元件的电气响应依靠所述电极的类型、可能的压敏材料层的存在、在开关元件有源区域中电极的设计及它们的布置方式，并且最终取决于物理接触，这种接触对应作用在所述有源区域上的力在所述电极之间建立起来。在某一力作用在所述有源区域的情况下，所述电极之间的物理接触是由所述开关元件的机械响应而决定的。这种机械响应取决于所述载体箔(通常是PET箔片)的弹性特性，有源区域的横向尺寸以及两个相对载体箔之间的距离。

对于给定尺寸和结构的开关元件来说，可以通过调整所述载体箔的机械特性而相应地调整所述开关元件的机械响应。这可以通过适当地选择载体箔的材料以及通过使所述箔片厚度适应所希望的机械响应而实现。对所述载体箔材料的选择有若干要求。首先，要使用的材料应该具有高且恒定的弹性模量，并且为所述开关元件提供好的机械强度和高的化学防护力。另外高的防潮能力是优选的。除了这些要求以外，所述材料应为电极的导电墨水提供良好的附着力，并且在墨水的干燥过程中抵抗所述墨水应力，从而将所述载体箔的变形最小化。所述材料应该还允许用半导体材料进行充分地涂敷，并且不应对放电敏感。最后所使用的材料的成本应该是低的。

不幸的是，在市场中没有物质材料可以满足这些要求，从而对所述材料的选择最终在所希望的特性和成本之间作出妥协。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经过改善的箔型开关元件。

这种箔型压力传感器包括：通过垫片以特定距离彼此分隔开设置的第一载体箔和第二载体箔，垫片包括至少一个凹槽，该凹槽限定了压力传感器的有源区域，以及以下述方式设置在第一和第二载体箔之间、压力传感器的有源区域中的至少两个电极和一层压敏材料，即，响应于作用在压力传感器有源区域上的压力，第一和第二载体箔克服弹性载体箔的反作用力被压在一起，并且经压敏材料层在至少两个电极之间建立起电接触。至少一个所述载体箔包括具有牢固结合在一起的至少两个不同的塑料箔的多层结构，塑料箔具有不同的弹性模量，并且塑料箔的厚度适于在所述具有多层结构的至少一个载体箔中调整相应主导特性的影响。

本发明开关元件的特性可以被自由地调整成所述开关元件应用所需的要求。实际上，所述载体箔的多层结构可以将不同材料的不同机械、化学和电气特性相结合，从而提供一种具有所需组合特性的载体箔。因此不再给出在若干特性之间妥协的需要，并且所述开关元件可以精确地适于其真正地应用。可以讲的是，因为非常昂贵的材料仅被用在非常薄的层中，所述层的厚度仅是整个载体箔的厚度的几分之一，成本因素可以另人满意地受到控制。

多层载体箔的每个不同层具有特定的主要特征，它可以被称作组合载体箔。随之而来的是，如果为了提供所希望的开关元件的机械响应所述载体箔的特定特性被增加，提供这种特性的材料层会被加入到所述载体箔中或者可以增加已经存在的层的厚度。

对于某一应用来说，在开关元件以其下表面安装在刚性支撑件上并且一个力仅作用在所述开关元件上表面的情况下，所感兴趣的是仅为第一和第二载体箔中处在上部的那个设置多层结构。这种开关元件的实施例是非常便宜的。但是，如果所述传感器或开关元件将要安装在软性支撑件上时，所述支撑件的反作用力将会对所述传感器的机械响应有影响。可以断定的是，在本发明的优选实施例中，所述第一和所述第二载体箔中每一个包括具有至少两层不同材料的多层结构。

将会理解的是，取决于开关元件的应用，开关元件的非对称特性可能是所希望的。在这种情况下，第一和第二载体箔的特性优选是彼此不同的。这种不对称的特性例如可以由某种箔型开关元件所提供，在这种箔型开关元件中，所述第一和第二载体箔的多层结构中的若干层是不同的和/或其中所述第一载体箔的多层结构的各个层是由与所述第二载体箔的多层结构的各个层的材料不同的材料所构成。例如，这些实施例例如可以提供一种传感器或开关元件，其上侧具有特定的电特性，而所述传感器的下侧进行特别地改造，从而可以被安装在具有化学腐蚀性的环境中。

在本发明的优选实施例中，所述多层载体箔的各层包括具有不同机械特性的材料。其不同的各个层由具有不同弹性模量或材料模量的塑料箔片制成，所述塑料箔片在不同温度范围内具有主导的弹性模量。由此形成的载体箔随后例如呈现出较高的弹性模量或在宽温度范围内更恒定的模量。通过这种方式，基于所述温度的开关元件的机械响应可以被调整成满足传感器或开关元件应用的需要。

多层载体箔的不同层可以包括不同的塑料箔片。可选地，一个或多个所述层可以包括硬化绝缘树脂层和/或金属箔片。作为载体箔其中一层的所述金属箔片的使用可以将所述开关元件与所述开关元件环境中的电磁辐射屏蔽开。而且，金属箔片的存在可使开关元件同时用在电容性传感系统中。

在使用金属箔片的优选实施例中，所述多层载体箔包括两层不同的金属。所述两种不同的金属允许使用双金属材料效应从而将所述有源区域的范围中的载体箔变形成圆顶形状。这种圆顶形状的载体箔允许调整所述传感器灵敏性并且在特定温度范围上允许增加所述传感器响应的一致性。应该注意的是，一种“双金属材料效应”也可以用具有完全不同的相应热膨胀系数的两个塑料薄膜获得。

如果所述开关元件被设计用于化学腐蚀性环境中，所述多层载体箔的其中一个所述层，即外层优选地包括具有高化学防护力的材料。在另一个实施例中，在所述开关元件用于具有高燃烧风险的环境中时，所述多层载体箔的其中一个所述层优选地包括阻燃材料。

本领域技术人员将会认识到，所述多层载体箔的不同层可能具有不同的厚度。为了在多层载体箔中调整这些层的主要特性的“量”，所述不同层的厚度是可以改变。

所述多层载体箔可以通过若干不同的处理产生。在第一实施例中，所述多层载体箔的各个层例如通过粘结剂的方式层叠在一起。可选地所述多层载体箔的各层一个挤压在另一个上。特别是对金属层或硬化树脂层来说，另外一种可能性是在底层上沉积各层。在具有若干层的多层结构中，这些组装技术的组合是可能的，也就是若干层进行层叠，而其它层沉积或压制在叠层上。

本领域技术人员会认识到的是，本发明适用于简单的薄膜开关，也适用于压敏开关。在简单薄膜开关的情况下，第一电极设置在所述第一载体箔的内表面上，而第二电极以与所述第一电极面对的关系设置在第二载体箔的内表面上。在简单开关的变型中，第一和第二电极并排设置在所述第一载体箔的内表面上，并且并联元件以与所述第一和第二电极面对的关系设置在第二载体箔的内表面上。所述两电极例如可以包括梳状结构，两电极的齿被设置成相互交错关系。箔型压敏传感器具有与上述开关相类似的结构。与所述开关相反的是，所述第一和第二电极的至少其中一个由压敏电阻材料所覆盖。在另一实施例中，所述并联元件包括电阻材料。由于所述压敏电阻或半导体材料，这些压力传感器电极之间的电阻取决于两个载体箔压在一起的压力。

附图说明

通过结合附图对下述若干非限制性实施例的描述，本发明会更加显而易见。

图1大致示出箔型开关元件的剖面；

图2示出对不同载体箔材料来说弹性模量在温度上的依赖性；

图3示出带有PI载体箔的典型压力传感器对不同温度的电气响应函数；

图4示出带有PET载体箔的典型压力传感器对不同温度的电气响应函数；

图5示出根据本发明的开关元件的载体箔的第一实施例；

图6示出根据本发明的开关元件的载体箔的第二实施例；

图7示出根据本发明的开关元件的载体箔的第三实施例；

图8示出根据本发明的开关元件的载体箔的第四实施例；

具体实施方式

图1示出典型箔型开关元件10的剖面。所述开关元件10包括第一载体箔12和第二载体箔14，它们通过垫片16设置在特定距离处。所述垫片16例如可以包括双面粘合片。在开关元件10的有源区域中，总地用附图标记18表示，所述垫片16包括凹槽或切口20，使得在有源区域18中，两个载体箔12和14以一定的距离彼此面对。

接触结构22和24以这样一种方式设置在载体箔12和14的内表面上的有源区域18中，即如果所述载体箔被压在一起，就会在接触结构22和24之间建立电接触。在示出的实施例中，一个接触结构22或24以面对关系设置在每一所述载体箔12和14上。但是应该注意的是，其它布局也是可能的，即两个间隔开的接触结构22和24设置在其中一个载体箔上而并联元件设置在第二载体箔上。

所述接触结构可以包括电极，其中所述接触结构中的至少一个包括压敏材料层。这种压敏材料层为所述开关元件提供了根据压力变化的特性，使得所述开关元件可以被用作压力传感器。应该注意的是所述接触结构通常使用丝网印刷在层叠处理之前印制在各个载体箔上，在层叠处理中所述载体箔和垫片层叠在一起。

现有技术的箔型开关元件的载体箔通常包括诸如PET，PI或PEN的塑料片材料，为了增加在印刷电极上的附着力，如果需要的话这些材料经过表面处理。

这种单片材料的弹性特性不总是满足相对于所述开关元件机械响应的要求。例如，PET或PEN的弹性模量的依赖性在相应阈值温度处呈现出显著的阶跃，这为所述开关元件提供了非最优化的特性。图2示出在-50℃至+200℃范围内通过DMA分析所获得的不同基质材料的弹性模量对温度的关系。对低温来说，PET(HSPL)的弹性(附图标记26标识的曲线)大约是6GPa并且在T＝90℃附近呈现出显著的阶跃，在+175℃上下降至小于1GPa。相反地是，取决于温度的PEN(Kaladex)的弹性模量E(T)(附图标记28标识)单调地下降，在T＝140℃附近示出最后的阶跃，并且PI(Kapton)(附图标记30标识)的弹性模量示出在整个温度范围上仅有小的变化(＜50％/250℃)。

由PI/PI或PET/PET载体箔系统形成的典型压力传感器的电气响应函数的最终温度依赖性示出在图3和图4中。这些图表示出对作用在各自有源区域上的不同压力来说典型压力传感器的电阻R，该压力传感器包括两个具有125μm厚度由90μm的垫片分开的载体箔。所述各个曲线示出不同的温度，即50℃(32)，+100℃(34)和+175℃(36)。

因为PI弹性的热稳定性，相应曲线R(p，T)的相应阵列覆盖了适当的局部R-p区域。所述拐点在20mbar(+175℃)和40mbar(-50℃)的范围内。一旦温度超过了75℃，PET/PET系统的曲线示出所述单元敏感性的强力增加。在RT处大约70mbar的拐点吞没了150℃以上的5mbqr的理论值。

为了在车辆温度范围上(-40℃至105℃)保证相同的传感器响应，需要在这个温度范围上使用具有恒定弹性模量的基底。而且，所述薄膜应该具有下述特性以满足车辆和传感器制造的需要：

非常好的机械强度，

高的化学防护能力，

高的抗湿能力，

高温下在受到高应力作用后快速张驰(蠕变)，

高且恒定的弹性模量，

好的墨水附着性或允许足够的涂层，

在墨水干燥过程中抵抗墨水应力(非变形)，

无放电(静电)

低价格

为了克服这种问题，本发明打算使用包括至少两层不同材料的多层载体箔。这种多层载体箔12，14大致示出在图5中。所示实施例包括两层不同材料38和40，即一个PET片和一个PI片或一个PET片和一个硬化树脂层或金属层，它们被牢固地固定在一起。两个层38和40可以通过任何适合的处理进行固定。最终的多层载体箔12、14呈现出由两个层38和40各自特性所组合而成的机械、化学或电气特性。

应注意的是，组合成的载体箔的整体厚度无需相对于现有技术的载体箔增加。实际上，单独一个层38和40通常具有一厚度，该厚度仅是传统载体箔厚度的几分之一。

图6示出载体箔12，14的第二实施例。在这个实施例中，具有适合材料的两个层38和40通过粘结剂层42被层叠在一起。示出在实施例中的所述粘结剂层42具有相当于两个层38和40其中一个的厚度。但是，应该注意的是，粘结剂层42的厚度还可以远小于所述层38和40的厚度。可选地所述粘结剂层的厚度可以大于每个层38和40的厚度。而且，虽然示出的两个层38和40具有相同的厚度，应该理解的是，不同的层可以具有各自不同的厚度。

图7示出具有三个层44、46和48的实施例。三个层44、46和48的每一层可以包括塑料箔片，金属或绝缘树脂其中之一。所述三个层可以不用粘结剂组装在一起。可以使用复合挤压或沉积技术。另外，所述层44和48可以由相同或不同的材料制成。应该注意的是，金属层的运用可使所述传感器也可作为电容式传感器。进一步理解的是，为了将在有源区域的所述区域中的载体箔变形成圆顶形状，两层不同金属的运用允许使用双金属材料效应。这种圆顶形载体箔允许调整传感器灵敏度以及在特定温度上增加传感器响应的一致性。类似的“双金属材料”效应也可以用两个塑料薄膜获得，这两个薄膜材料的热膨胀系数有极大的不同。

图8示出通过层叠被组装在一起的具有三个层44，46和48的载体箔的实施例。不同的层通过使用粘结剂层50和52层叠在一起。所述粘结剂层可以包括相同的粘结剂或不同的粘结剂，这适应于将要被层叠的不同材料。另外，所述层44和48可以由相同或不同的材料制成。如上所述，每个不同的层可以具有不同于其它层的厚度。例如，不同层的厚度是可以调整，以便在结合的多层载体箔特性中调整它们主导特性的影响。

附图标记列表

10开关元件        18有源区域

12第一载体箔      20凹槽或切口

14第二载体箔      22，24接触结构

16垫片            38，40层

42粘结剂层        50，52粘结剂层

44，46，48不同的层

Claims (16)

1、一种箔型压力传感器，包括：

通过垫片以特定距离彼此分隔开设置的第一载体箔和第二载体箔，所述垫片包括至少一个凹槽，该凹槽限定了所述压力传感器的有源区域，以及

以下述方式设置在所述第一和第二载体箔之间、压力传感器的有源区域中的至少两个电极和一层压敏材料，即，响应于作用在所述压力传感器有源区域上的压力，第一和第二载体箔被压在一起，并且经所述压敏材料层在至少两个电极之间建立起电接触，

其特征在于，至少一个所述载体箔包括具有牢固结合在一起的至少两个不同的塑料箔的多层结构，所述塑料箔具有不同的弹性模量，并且所述塑料箔的厚度适于在所述具有多层结构的至少一个载体箔中调整相应主导特性的影响。

2、根据权利要求1所述的箔型压力传感器，其中每个所述第一和所述第二载体箔包括具有至少两层不同材料的多层结构。

3、根据权利要求2所述的箔型压力传感器，其中所述第一和第二载体箔的多层结构中的层的数量是不同的。

4、根据权利要求2或3所述的箔型压力传感器，所述第一载体箔的多层结构的层是由不同于所述第二载体箔多层结构的层的材料制成的。

5、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的所述各层包括具有不同机械特性的材料。

6、根据权利要求5所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的所述各层包括具有不同弹性模量的材料。

7、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔其中一个所述层包括绝缘树脂层。

8、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔其中一个所述层包括金属箔片。

9、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔包括两个不同的金属层。

10、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的其中一个所述层包括具有高化学防护能力的材料。

11、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的其中一个所述层包括阻燃材料。

12、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的不同层具有不同的厚度。

13、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的各层是一个挤压在另一个上的。

14、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的各层是层叠在一起的。

15、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述多层载体箔的各层一个沉积在另一个顶上。

16、根据权利要求1至3中任一项所述的箔型压力传感器，其中所述至少两个不同的塑料箔从由PET箔、PEN箔和PI箔构成的组中选择。

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