BE1015276A3

BE1015276A3 - Resistieve druksensor.

Info

Publication number: BE1015276A3
Application number: BE2003/0013A
Authority: BE
Original assignee: Velleman Switch Nv
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-12-07

Abstract

Resistieve druksensor, die minstens bestat uit twee contactgedeelten (7-8-9) waarvan minstens één contactgedeelte (9) een resistieve laag (12) bevat, daardoor gekenmerkt dat over minstens één contactgedeelte (7-8-9) aan anisotroop geleidende beschermlaag (13) is aangebracht, die elektrisch geleidend is in een richting (D1) dwars doorheen de beschermlaagn (13), maar die isolerend is in de richting (D2) van het vlak van de beschermlaag (13).

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Resistieve druksensor. 



  Deze uitvinding heeft betrekking op een resistieve druksensor, met andere woorden, een sensor waarvan de elektrische weerstand functie is van de druk die erop wordt uitgeoefend. 



  Meer speciaal heeft zij betrekking op een resistieve druksensor, die minstens bestaat uit twee contactgedeelten waarvan minstens één contactgedeelte een resistieve laag bevat. 



  Het is bekend dat voor de resistieve laag doorgaans gebruik wordt gemaakt van zogenaamde weerstandspasta. Het probleem van dergelijke weerstandspasta of andere drukgevoelige resistieve materialen bestaat erin dat deze materialen een geringe slijtageweerstand vertonen, waarbij deze materialen gedeeltelijk kunnen verpulveren en valse contacten kunnen bewerkstelligen. Een ander nadeel van dergelijke drukgevoelige resistieve materialen, bestaat erin dat zij sterk onderhevig zijn aan oxidatie, corrosie of dergelijke, bijvoorbeeld ten gevolge van vochtindringing, alsmede onderhevig zijn aan chemische aantasting. 



  In principe kunnen de resistieve materialen wel min of meer worden afgeschermd van de omgeving door de drukgevoelige sensor in de vorm van een membraandruktoets uit te voeren, doch ook dan is een volledige afscherming niet mogelijk, omdat zulke membraandruktoets in het geval van een drukgevoelige sensor meestal niet hermetisch dicht kan worden gemaakt omdat er immers een ontluchting nodig is om 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 te vermijden dat temperatuurvariaties zouden leiden tot interne drukveranderingen, die een invloed hebben op de respons van de druksensor. 



  De huidige uitvinding beoogt een verbeterde resistieve druksensor, die in menig opzicht effectiever is dan de tot op heden bekende uitvoeringen, en waarbij, minstens in een aantal uitvoeringsvormen, ook aan de voornoemde nadelen wordt verholpen. 



  Hiertoe betreft de uitvinding een resistieve druksensor, die minstens bestaat uit twee contactgedeelten waarvan minstens één contactgedeelte een resistieve laag bevat, bij voorkeur een drukgevoelige resistieve materiaallaag, bijvoorbeeld gevormd uit weerstandspasta, met als kenmerk dat over minstens één contactgedeelte een anisotroop geleidende beschermlaag is aangebracht, die elektrisch geleidend is in een richting dwars doorheen de beschermlaag, maar die isolerend is in de richting van het vlak van de beschermlaag. 



  Door middel van zulke anisotroop geleidende beschermlaag wordt niet alleen een bescherming van het contactgedeelte waarop zij is aangebracht, tegen invloeden van de omgeving, verkregen, doch zal in de meeste toepassingen ook een voordelig effect met betrekking tot het drukgevoelige resistieve karakter van het geheel worden verkregen, zoals hierna nog toegelicht, waarbij dit effect synergetisch is in het geval dat de resistieve laag bestaat uit een drukgevoelig resistief materiaal. 



  Bij voorkeur is minstens het contactgedeelte dat de 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 resistieve laag bevat, voorzien van voornoemde beschermlaag. 



  Hierdoor is het materiaal waaruit de resistieve laag bestaat, minder onderhevig aan slijtage. 



  Eventueel kunnen alle contactgedeelten van de resistieve sensor voorzien zijn van de voornoemde beschermlaag, waardoor een totale bescherming wordt geboden. 



  Bij voorkeur bestaat de beschermlaag hoofdzakelijk uit een isolatielaag, die elektrisch isolerend is en waarin elektrisch geleidende deeltjes zijn aangebracht, die een elektrische geleiding van één zijde van deze beschermlaag naar de andere zijde toelaten. Het feit dat gebruik wordt gemaakt van elektrisch geleidende deeltjes die in de isolatielaag vermengd zijn, maakt dat men vrij is in de keuze van de isolatielaag, waardoor een grote waaier van materiaalmogelijkheden ter beschikking komt, en een keuze kan worden gemaakt in functie van het beoogde effect, de invloeden van buitenaf waartegen het materiaal van de isolatielaag moet bestand zijn, enzovoort. 



  In een praktische uitvoeringsvorm zal de voornoemde isolatielaag bestaan uit een lak, meer speciaal een UV- isolatielak. Zulke lak kan eenvoudig over de contactgedeelten worden aangebracht, bijvoorbeeld door verneveling, sproeien, spuiten, zeefdruk, of dergelijke. 



  In de meest voorkeurdragende uitvoeringsvorm is de dikte van minstens een aantal van de elektrisch geleidende deeltjes groter dan de dikte van de isolatielaag, zodanig dat de elektrisch geleidende deeltjes boven de isolatielaag uitsteken. Aangezien deze deeltjes in de praktijk niet 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 allemaal tot op dezelfde hoogte uitsteken, gaan, ingevolge de vervormingen die optreden in de contactgedeelten, meer deeltjes een elektrische verbinding maken naarmate de druk toeneemt. Zodoende worden meerdere parallele weerstandsbruggen doorheen de resistieve laag gevormd, en wijzigt de elektrische weerstand van het geheel, waarbij in het geval dat de resistieve laag bestaat uit een drukgevoelig resistief materiaal, de weerstand niet alleen verandert ingevolge wijzigingen in de structuur van de resistieve laag, doch ook als gevolg van het voornoemde effect. 



  Alhoewel de uitvinding vooral bedoeld is om te worden aangewend bij resistieve druksensors die bestaan uit een membraandruktoets, is het duidelijk dat zij ook in andere vormen van resistieve druksensors kan worden aangewend. 



  Volgens een bijzondere uitvoeringsvorm van een membraandruktoets die volgens de uitvinding is uitgevoerd, worden de dragers waarop de contactgedeelten zich bevinden, onmiddellijk of nagenoeg onmiddellijk op elkaar bevestigd. 



  De gebruikelijke afstandshouder of een dikke lijmlaag tussen de dragers, is volgens de uitvinding niet meer echt nodig. 



  Door het gebruik van de anisotrope beschermlaag wordt immers verkregen dat het contact van de vrij op elkaar liggende dragers zo gering is dat dit als een toestand kan worden gedetecteerd alsof er geen druk wordt uitgeoefend. 



  Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 waarin: 
Figuur 1 in doorsnede en sterk geschematiseerd, een resistieve druksensor volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 op grotere schaal, en eveneens geschematiseerd, het gedeelte weergeeft dat in figuur 1 met F2 is aangeduid ; figuur 3 in doorsnede de druksensor van figuur 1 weergeeft, doch in ingedrukte toestand; figuren 4 en 5 op grotere schaal het gedeelte weergeven dat in figuur 3 met F4 is aangeduid; figuren 6 tot 8 nog drie varianten weergeven. 



  In de figuren 1 tot 5 is een drukgevoelige resistieve druksensor 1 volgens de uitvinding weergegeven, die als een membraandruktoets is uitgevoerd. 



  De druksensor 1 bestaat hierbij uit een drager 2, een afstandshouder 3 waarin een opening 4 is aangebracht, en een membraan 5, dat ter plaatse van de opening 4, hetzij direct kan worden ingedrukt, hetzij indirect door middel van bijvoorbeeld een zich erboven bevindende drukknop 6. 



  De drukgevoelige resistieve druksensor 1 bevat in het voorbeeld van figuren 1 tot 5 drie contactgedeelten 7-8-9. 



  De contactgedeelten 7 en 8 bestaan hierbij uit elektroden 10-11 uit een goed geleidend metaal, meer speciaal een metaal of metaallegering die gebruikelijk voor dergelijke toepassingen wordt aangewend en die bijvoorbeeld door middel van een druktechniek op de drager 2 zijn aangebracht. Deze drager 2 kan hierbij bijvoorbeeld bestaan uit een printplaat 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 of een folie, of nog uit een folie die op een onderliggende basisplaat is bevestigd. 



  Het contactgedeelte 9 bestaat uit een drukgevoelige resistieve laag 12, bijvoorbeeld uit weerstandspasta. Dit contactgedeelte 9 is zodanig gesitueerd dat het zich overheen de beide contactgedeelten 7 en 8 uitstrekt. 



  Volgens de huidige uitvinding is over de drukgevoelige resistieve laag 12 een beschermlaag 13 aangebracht. 



  Zoals op een sterk uitvergrote wijze is voorgesteld in figuur 2, bestaat de beschermlaag 13 hoofdzakelijk uit een isolatielaag 14, die uit een elektrisch isolerend materiaal, meer speciaal een diëlektricum, bestaat, en waarin elektrisch geleidende deeltjes 15 zijn aangebracht, die een elektrische geleiding van één zijde 16 van de beschermlaag 13 naar de andere zijde 17 toelaten, doch die met een zodanige concentratie in de isolatielaag 14 aanwezig zijn, dat zij zich, globaal gezien, op een afstand van elkaar bevinden en er in het vlak van de beschermlaag 13 geen elektrische geleiding mogelijk is. Met andere woorden, een geleiding volgens pijlen D1 is mogelijk, doch volgens pijl D2 niet. 



  De isolatielaag 14 bestaat in een praktische uitvoeringsvorm uit een UV-isolatielak. De dikte Tl van de geleidende deeltjes is, zoals weergegeven in figuur 2, bij voorkeur groter dan de dikte T2 van de isolatielaag 14, zodanig dat de elektrisch geleidende deeltjes uit de vrije zijde van de isolatielaag 14 uitsteken. 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 



  Opgemerkt wordt dat zowel de elektroden 10-11 als de laag 12 duidelijkheidshalve extreem dik zijn weergegeven, doch in werkelijkheid veel dunner zijn. Ook de isolatielaag 14 is in de praktijk veel dunner en bevat een groot aantal deeltjes 15. In werkelijkheid vertoont de isolatielaag 14 bij voorbeeld een dikte T2 van de orde van grootte van 10 a 12 micron, terwijl de dikte Tl van de deeltjes 15 van de orde van grootte is van 30 micron. 



  De deeltjes 15 kunnen uit verschillende materialen gevormd worden, bij voorkeur uit metaal. Bijzonder goede resultaten worden bereikt met nikkelpartikels. 



  Het is duidelijk dat door de aanwezigheid van de beschermlaag 13 over de resistieve laag 12, een degelijke afscherming van deze laag tegen invloeden van buitenaf, alsmede tegen slijtage wordt verkregen. 



  Bovendien kan de anisotrope beschermlaag 13 bijdragen tot het drukgevoelig resistief effect, zoals hierna is uiteengezet aan de hand van figuren 3 tot 5, waarbij figuur 3 de druksensor 1 in ingedrukte toestand weergeeft en figuren 4 en 5 betrekking hebben op twee toestanden, waarbij in figuur 5 een grotere kracht wordt uitgeoefend op de druksensor 1 dan in figuur 4. 



  Bij een geringe druk, zoals weergegeven in figuur 4, maken eerst slechts de verst uitstekende deeltjes 15 contact met de elektroden 10 en 11. Hierdoor ontstaan, theoretisch gezien, plaatselijke verbindingen, ieder met een bepaalde weerstand, in dit geval schematisch aangeduid met Rl en R2. 

 <Desc/Clms Page number 8> 

 



  Bij een grotere druk treden vervormingen op en komt een groter aantal deeltjes 15 met elkaar in contact, zoals afgebeeld in figuur 5. Hierdoor ontstaat een groter aantal plaatselijke verbindingen, ieder met een bepaalde weerstand, welke schematisch zijn aangeduid met Rl, R2 en R3. Als een gevolg hiervan komen meer weerstanden parallel te staan en neemt de totale weerstand af. 



  Bovendien neemt de weerstand ook af in de resistieve laag 12 zelf, althans wanneer deze bestaat uit een drukgevoelig resistief materiaal, bijvoorbeeld een weerstandspasta. 



  Bij voorkeur bestaat de. resistieve laag 12 uit zulk drukgevoelig resistief materiaal, doch, uit de uiteenzetting aan de hand van figuren 4 en 5, is het ook duidelijk dat het niet uitgesloten is om de resistieve laag zelf uit een niet drukgevoelig materiaal te verwezenlijken. 



  Figuur 6 geeft een variante weer waarbij ook de elektroden 10 en 11 van een beschermlaag 13 zijn voorzien. Hierdoor worden deze elektroden 10 en 11 beschermd tegen omgevingsinvloeden, meer speciaal tegen corrosie, chemische aantasting, en dergelijke. 



  Figuur 7 geeft een variante weer waarbij de drukgevoelige resistieve laag 12 zich op de onderste drager 2 bevindt en de elektroden 10-11 zich tegen de onderzijde van het membraan 5 bevinden. 



  Figuren 6 en 7 tonen dat de beschermlaag 13, gezien deze slechts in één richting elektrisch geleidend is, doorlopend over naast elkaar gelegen contactgedeelten, in dit geval 7 

 <Desc/Clms Page number 9> 

 en 8, kunnen worden aangebracht, zodanig dat bij het aanbrengen geen bijzondere nauwkeurigheid of het gebruik van sjablonen noodzakelijk is. Bij druktoetspanelen die meerdere van zulke druktoetsen bevatten, kan de beschermlaag 13 dan ook doorlopend over bijvoorbeeld het volledige oppervlak van het membraan 5 of het oppervlak van de drager 2 worden aangebracht. 



  Figuur 8 geeft een variante weer waarbij slechts twee contactgedeelten 8-9 zijn toegepast, waarbij de resistieve laag 12 zelf op een elektrode 18 is aangebracht. 



  Volgens een niet weergegeven variante zal de afstandshouder 3 worden weggelaten, waardoor de contactgedeelten, bijvoorbeeld 7-8 aan één zijde, en 9 aan de andere zijde, eenvoudig op elkaar komen te rusten. Wanneer geen druk hierop wordt uitgeoefend, vormt slechts een zeer beperkt aantal deeltjes 15 een verbinding, hetgeen mits gepaste elektronica, kan waargenomen worden alsof er geen indrukking bestaat. Bij het uitoefenen van een drukkracht worden wel meerdere verbindingen door de deeltjes 15 gevormd, waardoor een waarneembare weerstandsverlaging ontstaat die op een elektronische wijze als een uitgeoefende drukkracht kan worden gedetecteerd. 



  Opgemerkt wordt dat onder een resistief materiaal een materiaal moet worden verstaan dat een elektrische weerstand heeft die merkelijk groter is dan de weerstand van de materialen die gebruikelijk voor elektrische geleiders, bijvoorbeeld voor de voornoemde elektroden, wordt aangewend. 



  De voornoemde geleidende deeltjes bestaan bij voorkeur ook uit een goed geleidend materiaal, doch het is niet 

 <Desc/Clms Page number 10> 

 uitgesloten deze ook in een weerstandsmateriaal uit te voeren. 



  De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke resistieve druksensor kan in verschillende vormen en afmetingen worden verwezenlijkt, zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

Conclusies.

1. - Resistieve druksensor, die minstens bestaat uit twee contactgedeelten (7-8-9) waarvan minstens één contactgedeelte (9) een resistieve laag (12) bevat, daardoor gekenmerkt dat over minstens één contactgedeelte (7-8-9) een anisotroop geleidende beschermlaag (13) is aangebracht, die elektrisch geleidend is in een richting (Dl) dwars doorheen de beschermlaag (13), maar die isolerend is in de richting (D2) van het vlak van de beschermlaag (13).

2.- Resistieve druksensor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat minstens het contactgedeelte (9) dat de resistieve laag (12) bevat, is voorzien van voornoemde beschermlaag (13).

3.- Resistieve druksensor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat alle voornoemde contactgedeelten (7-8-9) voorzien zijn van voornoemde beschermlaag (13).

4.- Resistieve druksensor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de beschermlaag (13) hoofdzakelijk bestaat uit een isolatielaag (14), die elektrisch isolerend is en waarin elektrisch geleidende deeltjes (15) zijn aangebracht, die een elektrische geleiding van één zijde van deze beschermlaag (13) naar de andere zijde toelaten.

5.- Resistieve druksensor volgens conclusie 4, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde isolatielaag (14) bestaat uit <Desc/Clms Page number 12> een lak.

6.- Resistieve druksensor volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde lak een UV-isolatielak is.

7.- Resistieve druksensor volgens één van de conclusies 4 tot 6, daardoor gekenmerkt dat de dikte (Tl) van minstens een aantal van de elektrisch geleidende deeltjes (15) groter is dan de dikte (T2) van de isolatielaag (14), zodanig dat de elektrisch geleidende deeltjes (15) boven de isolatielaag (14) uitsteken.

8. - Resistieve druksensor volgens één van de conclusies 4 tot 7, daardoor gekenmerkt dat de dikte (T2) van de voornoemde isolatielaag (14) in de orde van grootte is van 10 a 20 micron, terwijl de dikte (Tl) van de elektrisch geleidende deeltjes (15) van de orde van grootte is van 30 micron.

9. - Resistieve druksensor volgens één van de conclusies 4 tot 7, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde deeltjes (15) bestaan uit nikkelpartikels.

10. - Resistieve druksensor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat hij meerdere op één drager (2) aangebrachte contactzones (7-8) bevat, en dat de beschermlaag (13) doorlopend over deze contactzones -(7-8) is aangebracht.

11. - Resistieve druksensor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de resistieve druksensor (1) bestaat uit een membraandruktoets. <Desc/Clms Page number 13> 12. - Resistieve druksensor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de resistieve laag (12) bestaat uit een drukgevoelig resistief materiaal, meer speciaal weerstandspasta.