具有增強的載體箔的箔型開關元件的製作方法
2023-11-05 05:16:02 1
專利名稱：具有增強的載體箔的箔型開關元件的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及一種箔型壓力傳感器，其包含至少一個載體箔，所述載體箔安裝在支持元件上，所述支持元件布置在有源區域周圍，從而所述載體箔跨過所述有源區域，還涉及確定所述至少一個載體箔的壓致形變。
背景技術：
一組此類壓力傳感器包括單膜傳感器，其中例如通過光學手段或者通過應變儀直接確定單個載體箔的形變。在作用於有源區域上的力的情況下，通過載體箔的機械響應直接確定這些壓力傳感器的響應。這種機械響應取決於載體箔(通常是PET箔)的彈性性質和有源區域的橫向尺寸。
另外一組壓力傳感器包括雙膜傳感器，其中藉助間隔物彼此間隔一定距離布置第一載體箔和第二載體箔。間隔物包含至少一個凹槽，該凹槽限定開關元件的有源區域。至少兩個電極按以下方式在所述第一載體箔與第二載體箔之間布置在開關元件的有源區域中，所述方式即響應作用於開關元件的有源區域上的壓力，第一載體箔和第二載體箔抵抗彈性載體箔的反作用力而被擠壓在一起，並且在所述至少兩個電極之間建立起電接觸。
在本領域中公知此類箔型開關元件的幾種實例。這些開關元件中的一些配置成簡單開關，其包含例如布置在第一載體箔上的第一電極和與第一平面電極成面對關係地布置在第二載體箔上的第二電極。所述電極可以是平面結構，該平面結構基本上覆蓋有源區域內各個載體箔的整個表面。
本領域已知的其它開關元件配置成具有電阻的壓力傳感器，所述電阻隨所施加的壓力的量發生變化。在此類壓力傳感器的第一實施例中，第一電極布置在第一載體箔上，而第二電極與第一電極成面對關係地布置在第二載體箔上。所述電極中的至少一個由壓敏材料(例如半導體材料)層覆蓋，從而當第一載體箔和第二載體箔響應作用於開關元件上的力而被擠壓在一起時，在第一電極與第二電極之間通過所述壓敏材料層建立起電接觸。通常將此類壓力傳感器稱作按所謂的「直通模式(through mode)」工作。
在壓力傳感器的另一實施例中，第一電極和第二電極以相間隔的關係布置在第一載體箔和第二載體箔之一上，同時用壓敏材料層覆蓋另一個載體箔。將壓敏材料層布置成與第一電極和第二電極呈面對關係，從而當響應作用於開關元件的有源區域上的力而將所述第一載體箔和第二載體箔擠壓在一起時，壓敏材料層並聯(shunt)第一電極和第二電極。將這些傳感器稱作按所謂的「並聯模式」工作。
可以以具有成本效益的方式製造上述開關元件並且已經證明上述開關元件在實踐中極為耐用且可靠。
此類壓力傳感器的電學響應取決於電極的類型、可能的壓敏材料層的存在、電極的設計以及它們在開關元件的有源區域內的布置，並最終取決於物理接觸，該物理接觸響應作用於有源區域上的力而建立在電極之間。在作用於有源區域上的力的情況下，電極之間的物理接觸由開關元件的機械響應確定。這種機械響應取決於載體箔的彈性性質、有源區域的橫向尺寸以及兩個相對的載體箔之間的距離。
對於給定尺寸和結構的開關元件來說，可以通過調整載體箔的機械特性而調整兩類壓力傳感器的機械響應。已知的箔型開關元件的載體箔通常由塑料片材料例如PET或PEN組成，如果需要的話，所述載體箔已經經歷了表面處理從而增強在被印刷的電極上的附著力。但是，這些材料的彈性性質不能總是符合開關元件機械響應的需求。例如，PET或PEN的彈性模量對溫度的圖在各自的閾值溫度表現出顯著的臺階，這會給開關元件帶來非最佳性質。
用於載體箔的另一種材料是聚醯亞胺PI。PI的彈性模量在例如從-50℃至+200℃的寬溫度範圍內只表現出很小的變化。PI的這種機械特性十分適於壓力傳感器應用，但是與PET或PEN相比PI是非常昂貴的。
因此，需要具有增強的載體箔的壓力傳感器。為了解決這個問題，文獻WO-A-2004/053908公開了一種箔型開關元件，其中至少一個載體箔包含具有至少兩個不同材料層的多層結構。通過使用適當的材料並且通過使不同層具有適當的厚度，可以精確地使這些多層載體箔的機械特性滿足廣泛應用的具體需求。但是，由於苛刻的生產容許偏差，這些多層載體箔難以生產，因此成本相當高。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有增強的載體箔的壓力傳感器。
該目的是通過根據權利要求1的箔型壓力傳感器實現的。該壓力傳感器包含至少一個第一載體箔，所述第一載體箔安裝在支持元件上從而跨過所述壓力傳感器的有源區域。根據本發明，所述第一載體箔包含選自如下組的材料聚醚醚酮、聚醚碸、聚苯基碸、聚碸、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、環烯烴聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚醯胺、或者它們的混合物。
壓敏開關元件的功能和性能(例如乘檢和分類)強烈取決於膜的性能，即載體箔的機械特性。為了保持穩定且恆定的傳感器功能，載體箔應該例如在-40℃至+105℃的溫度範圍內表現出非常低的彈性模量變化，並且應該在機械應力下對高腐蝕且高溼度的條件有耐性。此外，高的耐溼性是優選的。上述載體箔材料滿足這些標準並因此十分適用於壓力傳感器，例如汽車安全應用。
在本發明的可能實施例中，所述第一載體箔包含選自如下組的聚合物合金聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯PC/ABS、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯PC/PBT、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯PC/PET、聚苯醚/聚醯胺PPE/PA或者它們的混合物。合金或共混物是用於形成基本上均勻的產物的兩種化學上不同的聚合物的混合物，具有作為兩種不同聚合物的組合的增強了的性質。在傳感器中使用合金聚合物作為膜能夠改善載體箔的機械強度並且改善材料的耐熱性和化學耐性。
在另一個實施例中，所述第一載體箔包括聚醚醚酮箔。聚醚醚酮(PEEK)由於與例如聚醯亞胺相比，在大的溫度範圍內其彈性模量變化非常低、非常令人感興趣的價格和材料的可用性而是非常適合的載體箔材料。PEEK的性質可以總結如下高度剛性、優異的化學耐性、耐磨性和阻燃性、高溫性能和優異的耐水解性。
在另一個實施例中，所述第一載體箔包含選自聚醚碸PES、聚苯基碸PPSu、聚碸PSu或者它們的混合物中的磺化聚合物。磺化膜由於與聚醯亞胺相比，在大的溫度範圍內其彈性模量變化非常低、非常令人感興趣的價格和材料的可用性而是非常適合的載體箔材料。它們的性質可以總結如下低蠕變、高強度、自熄性、良好的水解穩定性、高的使用溫度。
在再另一個實施例中，所述第一載體箔包含選自聚碳酸酯PC、共聚碳酸酯CoPC或者它們的混合物中的聚碳酸酯聚合物。聚碳酸酯和共聚碳酸酯膜由於與聚醯亞胺相比在-40℃至+105℃的溫度範圍內它們的彈性模量變化非常低、低價格和高的材料可用性而是適合的載體箔材料。
在再另一個實施例中，所述第一載體箔包括聚苯醚箔。PPE聚苯醚膜由於與聚醯亞胺相比在-40℃至+105℃的溫度範圍內它們的彈性模量變化非常低、低價格和高的材料可用性而是適合的載體箔材料。
在再另一個實施例中，所述第一載體箔包括環烯烴聚合物箔。與上述材料相似，COP環烯烴聚合物膜表現出有利的機械性質和合理的材料成本。
應當指出本發明的壓力傳感器可以是單膜傳感器，其中例如通過光學手段或者通過應變儀直接確定單個載體箔的形變。在作用於有源區域上的力的情況下，通過載體箔的機械響應直接確定這些壓力傳感器的響應。
在本發明的優選實施例中，壓力傳感器還包含至少一個第二載體箔，所述第二載體箔藉助間隔物與所述第一載體箔間隔一定距離布置。所述間隔物包含至少一個凹槽，該凹槽限定出所述壓力傳感器的有源區域並因此用作載體箔的支持元件。至少兩個電極按以下方式在所述第一載體箔與第二載體箔之間布置在壓力傳感器的有源區域中，所述方式即響應作用於壓力傳感器的有源區域上的壓力，第一載體箔和第二載體箔抵抗彈性載體箔的反作用力而被擠壓在一起，並且在所述至少兩個電極之間建立起電接觸。在該實施例中，所述第一載體箔和第二載體箔中至少一個包含選自如下組的材料PEEK、PES、PPSu、PSu、PC、CoPC、PPE、COP、PC/ABS、PC/PBT、PC/PET、PPE/PA、或者它們的混合物。
對於安裝開關元件使其下表面在剛性支持體上並且力只作用於開關元件的上表面上的應用而言，只給第一載體箔和第二載體箔的上表面提供特定的載體箔材料可能是令人感興趣的。但是如果要將傳感器或開關元件安裝在軟的支持體上，那麼支持體的反作用將對傳感器的機械響應有貢獻。因此在本發明優選的實施例中所述第一載體箔和所述第二載體箔每個都包含選自所述組中的特定載體箔材料。
可以理解的是，取決於開關元件的應用，開關元件的不對稱性可能是所希望的。在此情況下，第一載體箔和第二載體箔的性質優選是彼此不同的。這種不對稱性例如可以通過其中所述第一載體箔和所述第二載體箔包含不同材料的箔型開關元件來提供。這些實施例例如允許提供一種傳感器或開關元件，其上側具有特定的電學性質而所述傳感器的下側被特別地改造，從而可以被安裝在具有化學腐蝕性的環境中。取決於應用，所述載體箔可以包含具有不同機械特性的材料。所述兩個載體箔例如可以由具有不同彈性模量的材料或者在不同溫度範圍內具有主飛彈性模量的材料製成。然後，如此形成的載體箔例如將在寬的溫度範圍內表現出更高的彈性模量或者更加恆定的模量。如此，可以將開關元件在所述溫度下的的機械響應調整成滿足傳感器或開關元件應用的需求。
可以理解的是，取決於壓力傳感器的應用，可以優選所述第一載體箔和/或所述第二載體箔包含具有至少兩個不同材料層的多層結構。所述多層載體箔的不同層可以包含例如選自上述組中或者其它已知材料中的不同聚合物箔。可選地，所述層中的一層或者多層包含固化的介電樹脂層和/或金屬箔。使用金屬箔作為載體箔的層中的一層能夠屏蔽開關元件，使開關元件不受開關元件環境中的電磁輻射的影響。此外，金屬箔的存在使開關元件能同時用在電容傳感系統中。
在優選的實施例中，所述層中之一包含紡織材料。此類紡織層例如由芳族聚醯胺、聚醯胺、聚酯等製成，所述紡織層可以層合到聚合物層上或者兩個聚合物層之間、可以用來增強機械特性如拉伸強度或耐撕裂蔓延性而不會影響載體箔的彈性模量。
技術人員可以認識到本發明可用於簡單的薄膜開關以及壓敏開關。在簡單的薄膜開關的情況中，第一電極布置在所述第一載體箔的內表面上，並且第二電極與所述第一電極成面對關係地布置在第二載體箔的內表面上。在簡單開關的變體中，第一電極和第二電極並排布置在所述第一載體箔的內表面上，並且與所述第一電極和第二電極成面對關係地在第二載體箔的內表面上布置並聯元件。所述兩個電極例如可以包括梳狀結構，兩個電極的齒以交錯的關係布置。箔型壓力傳感器與上述開關相似地配置。與所述開關相比，所述第一電極和第二電極中至少一個被壓敏電阻材料(pressure-sensitive resistive material)覆蓋。在可選的實施例中，所述並聯元件包含電阻材料。由於壓敏電阻材料或半導體材料，這些壓力傳感器電極間的電阻取決於將兩個載體箔擠壓在一起的壓力。
結合附圖，從下述對幾個非限制性實施例的描述，本發明會更加顯而易見。
圖1大致示出箔型壓力傳感器的剖面；圖2示出多層載體箔的第一個實施例；圖3示出多層載體箔的第二個實施例。
具體實施例方式
圖1表示了典型的箔型壓力傳感器10的剖面。壓力傳感器10包含藉助間隔物16以一定距離布置的第一載體箔12和第二載體箔14。間隔物16例如可以包含雙面粘合片。在傳感器10的有源區域中，總地用附圖標記18表示，間隔物16包含凹槽或切口20，使得在有源區域18中，兩個載體箔12和14以一定距離彼此面對。
按以下方式在有源區域18中在載體箔12和14的內表面上布置接觸結構22和24，所述方式即如果所述載體箔被壓在一起，那麼在接觸結構22與24之間建立起電接觸。在所示實施例中，以面對關係在所述載體箔12和14的每一個上面布置一個接觸結構22或24。但是應當指出的是其它的布局也是可以的，例如兩個隔開的接觸結構22和24布置在載體箔之一上而並聯元件布置在第二個載體箔上。
所述接觸結構可以包含電極，其中至少一個所述接觸結構包含壓敏材料層。這種壓敏材料層給壓力傳感器提供了壓力相關的性質。應當指出在層合處理之前通常使用絲網印刷處理將接觸結構印刷到各個載體箔上，在層合處理中所述載體箔和間隔物層合到一起。
為了在汽車溫度範圍內(-40℃至105℃)保證相同的傳感器響應，需要使用在該溫度範圍內具有恆定彈性模量的載體箔材料。此外，膜應該具有下面的性質來滿足例如汽車和傳感器的製造要求非常好的機械強度、高的化學耐性、高的耐溼性、高溫下在受到高的應力後快速張弛(蠕變)、高且恆定的彈性模量、好的油墨附著力或允許充分的塗敷、在油墨固化期間抵抗油墨應力(無形變)、不放電(靜電)及低價格。根據本發明，因此所述載體箔包含選自如下組中的材料聚醚醚酮、聚醚碸、聚苯基碸、聚碸、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、環烯烴聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚醯胺、或者它們的混合物。應當指出如果需要的話，載體箔可以接受表面處理，從而增強在被印刷的電極上的附著力。
為了給壓力傳感器提供增強的機械性質如拉伸強度或者耐撕裂蔓延性，可以給載體箔12和14中的一個或者兩個提供包含至少一個紡織材料層的多層結構。應當指出使用紡織層可以增強上述機械性質而不會影響載體箔的彈性模量。圖2和3中顯示了這種多層增強載體箔的不同實施例。
圖2顯示了多層載體箔的一個實施例，其中在聚合物片120上層合紡織層122。聚合物片可以包含選自下面的材料醯亞胺基底如PI聚醯亞胺、聚醚醯亞胺PEI；酮基底如PEEK；磺化的基底如聚苯基碸PPSu、聚醚碸PES、聚碸PSu；酯膜如聚對苯二甲酸乙二酯PET、聚對萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚碳酸酯PC和共聚碳酸酯CoPC；酮如聚醚醚酮PEEK；芳族聚醯胺膜如聚醯胺PA；聚苯硫醚PPS；環烯烴聚合物COP；聚苯醚PPE；合金如PC/ABS聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、PC/PBT聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、PC/PET聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、PPE/PA聚苯醚/聚醯胺。增強層122可以包含任何適當的紡織材料，例如芳族聚醯胺、聚醯胺或聚酯等。
圖3顯示了多層載體箔的一個實施例，其具有另一個聚合物層124，其中所述紡織層122層合在兩個聚合物層120與124之間。聚合物層124可以包含選自與聚合物層120相同的組中的材料。
附圖標記列表10開關元件12第一載體箔14第二載體箔16間隔物18有源區域20凹槽或切口22，24接觸結構120，124 聚合物層122 紡織層
權利要求
1.一種壓力傳感器，其包含至少一個第一載體箔，所述第一載體箔安裝在支持元件上從而跨過所述壓力傳感器的有源區域，其特徵在於所述第一載體箔包含選自如下的材料聚苯基碸、共聚碳酸酯、聚苯醚、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚醯胺、或者它們的混合物。
2.根據權利要求1的壓力傳感器，其中所述第一載體箔包含選自如下組的聚合物合金聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚醯胺、或者它們的混合物。
3.根據權利要求1的壓力傳感器，其中所述第一載體箔包含聚苯基碸聚合物、或者聚苯基碸和選自聚醚碸和聚碸中的一種或多種聚合物的混合物。
4.根據權利要求1的壓力傳感器，其中所述第一載體箔包含共聚碳酸酯、或者共聚碳酸酯和聚碳酸酯的混合物。
5.根據權利要求1的壓力傳感器，其中所述第一載體箔包括聚苯醚箔。
6.根據權利要求1-5任一項的壓力傳感器，其還包括至少一個第二載體箔，所述第二載體箔藉助間隔物與所述第一載體箔間隔一定距離布置，所述間隔物包含至少一個凹槽，該凹槽限定出所述壓力傳感器的有源區域，以及至少兩個電極，所述電極按以下方式在所述第一載體箔與第二載體箔之間布置在所述壓力傳感器的有源區域中，所述方式即響應作用於所述壓力傳感器的有源區域上的壓力，所述第一載體箔和第二載體箔抵抗彈性載體箔的反作用力而被擠壓在一起，並且在所述至少兩個電極之間建立起電接觸，其中所述第一載體箔和第二載體箔中至少一個包含選自如下組的材料聚醚醚酮、聚醚碸、聚苯基碸、聚碸、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、環烯烴聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚醯胺、或者它們的混合物。
7.根據權利要求6的壓力傳感器，其中所述第一載體箔和所述第二載體箔包含不同的材料。
8.根據權利要求1-7任一項的壓力傳感器，其中所述第一載體箔和/或所述第二載體箔包含具有至少兩個不同材料層的多層結構。
9.根據權利要求8的壓力傳感器，其中所述層之一包含紡織材料。
10.根據權利要求8或9任一項的壓力傳感器，其中所述多層載體箔的各層層合在一起。
全文摘要
一種壓力傳感器，包含至少一個第一載體箔，所述第一載體箔安裝在支持元件上從而跨過所述壓力傳感器的有源區域。根據本發明，所述第一載體箔包含選自如下組的材料聚醚醚酮、聚醚碸、聚苯基碸、聚碸、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、環烯烴聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚醯胺、或者它們的混合物。
文檔編號H01H13/70GK101069252SQ200580041505
公開日2007年11月7日 申請日期2005年11月29日 優先權日2004年12月1日
發明者D·查巴克 申請人:Iee國際電子工程股份公司