CN100431061C - 包括聚合物和导电填充粒子的可变电导体及基于该可变电导体的可变电阻器和传感器 - Google Patents

Abstract

一种导电结构，用于可变电阻器件就随着活动和压力的变化提供电阻的变化，可变电阻器件包括被含有聚合物和金属、合金或氧化物还原金属的颗粒的元件(14)搭接的可外部连接电极(10)，上述的元件(14)在静态时具有第一电导值而通过在伸展或压缩期间施加的压力的变化或者通过电场能转变到第二电导值，器件进一步包括用压力装置(18)使元件(14)在与所要求的电导值成正比的横截面面积范围内受压。

Description

包括聚合物和导电填充粒子的可变电导体及基于该可变电导体的可变电阻器和传感器

技术领域

本发明涉及用于可变电阻器件就随着活动和压力的变化提供电阻变化的一些导电结构。该结构也能够提供电绝缘和电屏蔽并且可以调整起始电阻。进一步，这些导电结构能够构成静电压的漏电路径、增加活动程度和操作的触感性以及能够以最佳的方式受控于面前的化学物质、微生物物质或者放射性物质。

背景技术

参考公开在静态时具有电绝缘性而在受机械压力时或者在电场中具有导电性的一些聚合物成分的在先的专利申请书：A：公布为WO98/33193的PCT/GB/00206；和B：公布为WO98/38173的PCT/GB/00205。一般来说，处在高电阻状态(典型为10¹²欧姆·厘米)的这些聚合物成分，通过上述的压力的施加，改变到低电阻状态(典型为毫欧姆·厘米)。似乎由于电子隧道效应和载流子俘获而减少聚合物成分相。聚合物成分当处于这样状态时，即使没有把金属通路接通，即成分是在渗流阈以下，也可以具有高电流密度。在本申请书中由参考文献编入这些在先专利申请书的公开内容并且在下文中引用从其中的摘录内容。发明可以应用其中所述的资料但是不局限于此。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括聚合物和导电填充粒子的可变电导体及基于该可变电导体的可变电阻器和传感器。

根据第一种状况，提供了一种可变电导体，包括：由绝缘或弱导电的聚合物材料以及金属或合金的导电填充粒子构成的层，所述可变导电体具有在静态时的第一电导值并能通过伸展或压缩或电场而施加的应力变化，转变到第二电导值，其特征在于所述层具有孔隙，从而使所述可变电导体成为多孔和可收缩的，所述孔隙包含所述导电填充粒子。(事实上不要求有易流动流体，例如在真空中可以操作可变电阻器)。

在本说明书中：

因为有用的电阻范围可以相当于开路，所以术语“可变电阻器”可以包含开关；以及

金属、合金和氧化物还原金属的颗粒，不管包裹聚合物或者不包裹聚合物，并且不管为导电性加压力或者可加压力，将被当作“强导电性的”；

压力装置可以包括在施加的位置上具有可变几何形状的调节机构，例如倾斜的靴形滑块或者，细射束或辐射状排列射束源的可选择触发阵列。

更详细地说，元件可以是屈服强度的，允许通过薄层渗入到随施加的压缩力而定的程度。最理想的是，元件包括当受压缩时本身就增大导电性的材料。薄层具有适合从泡沫材料、网织品、纱布、编织品或布和这些材料中的二种或更多种材料的复合材料选择的基础结构。为了适应体力和机械限度以及整个结构性能并且也为了减轻对通常与柔韧的导电聚合物有关的塑性变形量的影响，可以挑选基础结构和使基础结构起作用的材料。

特别实用的薄层包括敞孔型聚合物泡沫材料、纺织品或非编织的织物例如尽可能用纤维/纤维粘结的毛毡和纤维或带的3维聚集物中的一种或更多种材料。

元件除为了适应其在可变电阻器中的特殊功能选择基础结构之外可以具有与薄层的通用类型相同的基础结构。如下面进一步所描述的那样，例如伸缩结构的元件可以用于和非伸缩的薄层组合。最好是，元件基础结构含有能进入易流动流体的孔隙。

作为一种新产品，发明也提供具有聚合物组成的基础结构、含有能进入易流动流体的孔隙和含有聚合物和金属颗粒、合金颗粒或氧化物还原金属的颗料的多孔体，上述的多孔体在静态时具有第一电导值而通过由伸展或压缩施加的应力的改变或者电场可转为到第二电导值，特点在于基础结构是伸缩的泡沫材料或布。这样的多孔体可以具有在本说明书中关于可变电阻器所陈述的一些最佳特点中的至少一个特点。

在可变电阻器中，加压力装置对例如：(a)施加增大导电性的应力和/或(b)取消这种应力或者对先有的应力起反作用会有效应。

如果加压力装置通过压缩或伸展起作用，则加压力装置可以是例如机械的、磁的、压电的、气压的和/或液压的。这样的压力施加可以是直接的或者是通过遥控的。如果压缩，则会从元件和/或薄层的孔隙挤出易流动流体。在普通的开关中流体是空气而元件和/或薄层与大气相通。不管有没有易流动流体，元件和/或薄层可以是有弹性的，足以靠自己或者借助于弹性工作件例如簧片完全恢复原来的状态。为了撤消机械应力可以在密闭系统中安装元件和薄层以迫使易流动流体进入孔隙。这样的系统可以在可变电阻器外边装载探测对流体起作用的工作件的位移的装置。

易流动流体可以是有弹性的，例如像空气、氮气或惰性气体之类的无反应的气体或者尽可能是可快压缩的气体。另一种方案，流体可以是非弹性的，例如水、水溶液、像乙醇或乙醚之类的极性有机液体、像碳氢化合物之类的非极性有机液体，或者像硅酮油之类的液态聚合物。在许多情况中流体是对可变电阻器的导电性敏感的测试物质。

适合制作元件和薄层的许多材料是：用于网织品、纱布、编织品或布；

像聚乙烯、聚烷撑对酞酸盐、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、高度酯化和/或醚化的纤维素、硅酮、尼龙，和

像纤维素(天然的或再生的，尽可能轻度酯化或醚化的)、羊毛和生丝之类的一些亲水的聚合物；

用于泡沫材料：

聚醚、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨基甲酸酯(最好是具有一些弹性)、硅酮、天然或人工合成橡胶。

无论那种材料用于元件，材料最好适合用于具有比较大的孔隙(例如50-500微米)并且能够通过压缩收缩1/2到1/8并进一步保留可压缩性的结构。

一般来说，元件具有明显大于第三尺寸的二个尺寸。因此元件是片状结构的，例如厚度0.1-5，主要是0.5到2.0毫米。为适应制造方便和用户要求，例如为允许在根据发明第三种状况的传感器中与测试物质接触，而选择元件的其他尺寸。如果元件准备用电加压力，则应该使其横截面面积再分成一些电隔离分区，才有可能得到所要求的局部启动。最好是元件是各向异性的，也就是说，可压缩的垂直于其平面但是抵制压缩或伸展的在其平面内。

在元件中强导电性材料密度一般是500-5000毫克/厘米³。能够从非常宽的范围中选择可变电阻器的尺寸。可变电阻器也许是和几个包胶金属颗粒一样小，可变电阻器也许是人活动场地的部件。在一个实用例子中，由于能够用柔韧的材料制造可变电阻器，因此可以把可变电阻器编织到衣服内。

如果薄层可以是弱导电性的，那么这可能是由于含有包括碳和像聚苯胺、聚乙炔和聚吡咯之类的有机聚合物的“半”导电材料所造成的。发明能够用来改变这些导电材料的物理性质和电学性质。薄层的弱导电性另一方面又可能是由于强导电体一般虽然在元件中存在但是以较少的含量存在，例如在元件中0.1-10％的密度，所造成的。

元件可以含有如以上所列出的弱(“半”)导电材料。如果元件具有孔隙，则这些孔隙可以贮有上述的弱导电体，例如在制造期间把半导电填料先填满敞孔型泡沫料以给出开关或可变电阻器的初始电阻以防止在这样的器件上或者在这样的器件里积累静电。

能够分别制造元件和薄层，也就是，分别制造导电性薄片和非导电性薄片，并且元件和薄片相互对置或者用粘结剂固定在一起(下面见图2c)。在一种可供选择的方法中(下面见图2b)薄层可以是与元件集成的，强导电性材料的密度是有梯度的。因此元件和薄层的样品是薄的泡沫材料片，如果薄的泡沫材料片受到压力，则在一个侧面上会是强导电性的然而相对的侧面仍然是电学上绝缘的或者是弱导电性的。通过把强导电性的粉末或颗粒装满穿透其厚度通路的非导电性敞孔型泡沫材料片部分中的孔隙能够制作这种薄片。这样就产生叠置在泡沫材料中的非导电性薄片上面的泡沫材料中的导电性薄片。在装满以后用粘结剂或者通过横向连接泡沫材料能够使导电性材料保持在泡沫材料薄片范围以内的区域。

在可变电阻器中，在下面的一些状态中的一种或多种状态中可以造成强导电性材料：

(a)元件基本结构的组成部分；

(b)颗料陷入孔隙和/或粘附到进入易流动流体的表面；

(c)由强导电性填料颗料(下面i或ii)与元件基础结构互相影响或者强导电性填料颗粒蒙在元件基础结构上形成的表面状态。

在无论哪个状态中都存在导电性材料，可以介绍如下：

(i)“裸露的”，也就是没有预敷层但是在其表面上可能带有与其贮藏大气平衡的或者在与元件合并期间形成的表面所剩余物。对状态(a)和(c)来说，这是完全切实可行的，但是在状态(b)中可能得出在物理性能上比较不稳定的元件；

(ii)轻度有覆盖的，也就是带有薄的钝化物质或水析出的物质的覆盖层或者带有在与元件合并期间形成这种覆盖层的剩余物。虽然以上所述与(i)类似但是在制造中可以提供更好的可控性；

(iii)被聚合物覆盖的，但是在静态时导电的。用聚合物的物理性能即使完全可以看得清但是不明显这样高镍含量的颗粒状镍/聚合物成分举例说明这一点。作为例子，对体密度0.85到0.95的原始镍颗粒来说，这相当于镍/硅酮体积比(开孔的松散材料：无孔隙固体)一般超过100左右。在含水悬浮液体中能够加入形态(iii)的材料。聚合物可以是弹性体或者可以不是弹性体。在制造中形态(iii)也提供比(i)更好的可控性；

(iv)被聚合物覆盖的，但是仅在加压力时导电。用镍含量比用于(iii)的镍含量低的镍/硅酮成分举例说明这一点，低到聚合物的物理性能足可以看得清楚而高到在混合期间镍颗料和液态聚合物转化成颗粒而不是形成块状。这一点对于(b)来说是最好的而对于(a)和(b)来说或许是没有必要的。另一种方案将采用由像在下面(V)中的成粉末的材料制成的颗粒。与(i)到(iii)不一样，材料(iv)不但对每个单独颗粒内的应力而且对颗粒之间的应力能够作出响应，但是基础材料(V)是不太敏感的。在制作元件中，在含水悬浮液中能够加入材料(iv)；

(V)被埋入块状聚合物中的。这一点仅与(a)和(c)有关。不但对块状内的应力有响应而且假如存在孔隙则对孔隙壁之间的应力也有响应。

强导电性材料例如可以是钛、钽、锆、钒、铌、铪、铝、硅、锡、铬、钼、钨、铅、锰、铍、铁、钴、镍、铂、钯、锇、铱、铑、钌、金、银、镉、铜、锌、锗、砷、锑、铋、硼、钪和镧系、锕系的一些金属中一种或更多种金属并且如果是专用，则至少是一种导电剂。强导电性材料是在粉末、颗粒、纤维或其他构成形状的载体芯子上。氧化物能够是包括氧基化合物的烧结粉末的混合物。合金可以是常规的或者例如硼化钛。

对于(a)或(c)来说，共同未决的申请A公开和根据权利要求从静态可弹性变形和包括至少一种与非导电弹性体混合的导电性填料的成分，特点在于填料对弹性体的容积比为至少1∶1，使填料可控制地与弹性体混合，在混合的情况中避免破坏性的切力，由此使填料在里面散开并且被弹性体包裹而可以保持结构上完整无缺，填料的特性和密度是这样的以致成分的电阻率是能随压缩力或伸展力而变化的并且电阻率从在静态下给出值向大体上与在承受或是压缩力或是伸展力时填料的导电体电桥的给出值相等的数值减小，该成分进一步包括在上述的力的释放时使成分加速向其静态弹性复原的调节剂。

对于(iii)和(b)来说，在共同未决的申请B中所公开的和根据权利所要求的最佳成分是在经受机械压力或电荷时构成导电性而在包括颗粒成分的静态时构成电绝缘的一种导电体复合物，其中每个颗粒包括至少一种大体上是非导电性聚合物和至少一种导电性的填料并且在静态时是电绝缘的但是在经受机械压力或电荷时是导电性的。

在裸露导电体中或者在上述的任何一种成分中最好是填料颗粒包括具有尖端和/或树枝状表面结构和/或丝状结构的金属。最好是导电性的填料包括羰基衍生金属化镍。优先选用的填料颗粒具有尖端颗粒的3维链形网状组织，链在横截面平均为2.5到3.5微米而在长度上尽可能大于15-20微米。聚合物最好是弹性体，特别是硅橡胶，最好包括增强复原的调节剂填料。

在上面提到的共同未决的申请中公开关于成分的这些内容和进一步的细节。如果采用方式(iii)或(iv)中的导电性的混合物成分，则其颗粒最好是尖的和/或不规则和/或树枝状的。

发明提供把导电性材料加入到元件的方法。可以把强或弱导电性颗粒，特别是最佳形状的强或弱导电性颗料可以放在或放入泡沫材料或布中的孔隙和保持在粘接固定或者机械或由摩擦力产生的固定的位置，例如，把过大颗粒保持在稍小的孔隙内。这一点，通过简单机械方法把颗粒挤入孔隙内或者通过使颗粒悬浮在流体内然后使流体流过泡沫材料和布是能够做到的。泡沫材料或布可以作进一步的处理，使泡沫材料或布收缩而更夹紧颗粒。保证颗粒留在元件中的其他方法包括粘结或者覆盖薄层或薄片以对其一个或多个表面构成密封。如果薄层或薄片是导电性的，发明也提供欧姆连接的方法。

在收缩方法中，通过使用粘结剂并且施加压力直至固化能够使含有孔隙的元件基础材料收缩。使基础材料收缩的另一个方法是使其受热并加压力。已找到适应这类处理的许多能加热成形的泡沫材料和布。至于在电阻上的变化方面可以监视施加压力的面积以保证始终如一的产品。除收缩量以外，使用的颗粒的类型、大小、数量和形态以及孔隙大小对可变电阻器的压力敏感性和电阻范围也有影响。在采用导电性薄片在非导电性薄片上面的布局中也能够设置介电质以便生产装有内部介电层的可变电阻器。

也已表明用无弹性涂料，例如环氧树脂，制成的颗粒将用于元件。似乎虽然通常降低对压力的敏感性并且涂树脂颗粒的电学性能与涂硅颗粒的电学性能不同，但是基础结构的弹性足以满足发明使用。

同时，压缩力可以很方便地垂直施加于片状元件的平面，这样的元件也能够显示在其表面，例如在带有导电性的聚合成分的梯度结构的侧面，两端上的导电性，并且如果使用压敏导电的聚合物、粉末或者颗粒，则压力会影响电导率。

除在制造期间装有导电性的或半导电性的填料以外这种结构的其他侧面将显示正常的高电阻。在排列成横跨平放在同一平面上的两个或更多个欧姆导电体的压敏电桥的这种可变电阻器中，通过用像金属箔或涂层之类完全导电的薄层覆盖元件露出的表面，可以获得敏感度增高。这将促进较短的不是横跨而是通过元件的导电通路的形成。

在最佳的可变电阻器中，把可连接外部电极放到刚好触及元件表面的位置而把对应的电极放到与薄层表面相对的位置。在电极上没有压力的情况下，元件处于静态并且是非导电性的。如果对电极施加压力，当通过薄层中的孔隙施力时元件会导电。当撤除压力时会中止导电而元件恢复到静态。

在上述的任何一种配置中，如果使用压敏导电的聚合物、粉末或颗粒，则电阻将随着压力增大而降低。

在第二方面中发明涉及在导电性聚合物成分上或者在导电性聚合物成分内提供到其上的区域或点、从其上的区域或点起和在其上的区域或点之间的电连通性的导电通路。上述的成分及其方式、上面引用的专利申请的研究对象和发明的其他状况的讨论对象，在施加负载时改变它们的电阻。在像硬金属或硬簧片之类的硬性底座上，施加的负载引起受底座的相对硬性限制的聚合物成分的机械移动。然而，在像柔性弹簧、纤维材料或泡沫材料之类的柔韧底座上，底座的机械扰动将进一步改变对覆盖层的机械作用。

在上述的状况中的发明在像发明的其他一些状况的系统中应用上述的效果并且，总的来说，为了提供可以远离传动力的施力点监视电阻变化的连接通路。已表明在薄片和结构上或者在薄片和结构内制作导电或半导电的通路的简便方法是通过沿着所要求的导电通路的路线施加压力并且保持压力。

根据本发明，在这样的第二方面中，电气部分包括在加压力时能够增高其导电性的材料的物体。上述的物体特点在于至少一个为永久导电性而被预先加压力的并且适用于外部电连接的定位域。

为了完成以上所述已找到了许多方法：

1.就在其最终的形状或形式中但在其被横向连接之前的导电性聚合物成分来说，在横向连接工艺过程期间能够对所要求通路的区域施加压力。像这样的压力可以是机械的或者是电的，可以是直接施加的或者是感应的并且能够包括气压、热、电磁和其他的辐射源。这些压力中的某些压力可以沿着所要求的导电通路自感应横向连接但是某些聚合物将要求在同一时间或者在导电通路形成以后进行的分隔横向连接操作。

2.在制作和横向连接以后，能够沿着所要求的导电通路形成永久压力。这一点，通过用聚焦辐射源使通路收缩是能够做到的。用照射通路的机械压缩力能够跟踪上述的通路以强化导电性成分而改进通路的最终导电性。

3.在导电性聚合物成分或结构的顶部或者在导电性聚合物成分或结构之内在其横向连接或干燥时收缩的涂敷聚合物或粘结剂会使在下面的聚合物成分导电。

4.在导电性的聚合物成分的薄片和用导电性的聚合物成分覆盖的材料中，缝合线能够在针脚之内和针脚之间施加足够的力而形成导电通路。用导电性的颗粒覆盖的薄的弹性泡沫材料是用于这种发明方式的特别好的材料并且是柔韧的，用这种方法能够制作触敏电路。用于缝合的丝线可以是标准的非导电类型的而缝合的尺寸和拉力对通路的最终电阻有影响。如果要求电阻非常低的通路，那么可以用含有导电性材料的丝线。能够用敞孔型泡沫材料或者其他绝缘材料制作一些具有导电线路的薄片以便一些薄片分离的状态保持到施加传动压力使薄片相互导电为止。

在发明的第三种状况中的发明涉及聚合的敏感材料特别是涉及以像上面引用的在先专利申请中所详述的压敏导电性聚合物成分之类的压敏导电性聚合物成分为基础的传感器。

惊奇地发现上述的聚合成分、改进的聚合物和结构通过与化学物质、微生物物质、核辐射场和电磁场相互作用而改变电学性质。电学性质上的变化是可逆的并且可以给出辐射通量密度的度量。

根据发明，用于化学物质、微生物物质或辐射的传感器包括：

a)显示包括至少一种大体上是非导电性聚合物和至少一种导电性填料并且在静态时是电绝缘而在经受机械压力或静电电荷时是导电的聚合物成分的接触头；

b)用于使测试样品与压头接触的装置；

c)把压头连接到对测量聚合成分的电学性质有用的电路的装置。

注意到，在聚合物成分中密封剂相在摩擦电序上是非常负的，没有在其表面迅速积聚电子并且对许多气体和其他易流动的分子进入压头和/或在其表面上来说密封剂相是可渗透的，因此改变聚合物成分的电学性质。

在接触头中，聚合物成分例如可以是在上面的方式(a)到(c)中的任一方式内的。

接触头可以包含压力装置，例如机械压缩或伸展装置或者电场源或磁场源，以便使聚合物成分得到适应所要求的传感器灵敏度的电导率值。

传感器可以提供静态接触或动态接触。对静态接触来说，传感器可以是一种通过把压头降到在容器中的样品就可以方便使用的便携装置。对动态接触来说，可以把传感器固定在样品的流动液流中或者传感器包括其自已的输入和/或排出通道和用于输入和/或取回样品的可能抽吸装置。这样的抽吸装置例如在医疗检查中是有适当压缩力的。

在一个实例中，在实时内系统的性质改变。就是说，在不均匀的电场响影下颗粒遭受改变聚合物结构的电泳力。

在一种优先选用的传感器中，用线性或非线性交流电场激活聚合物成分。许多技术方法可以用来识别来自噪声和来自干扰信号感兴趣的信号，例如-电抗、电感、信号分布、相位分布、频率、空间相干性和时间相干性。

在另一个实例中，通过电荷的施加使聚合成分保持在过渡状态；然后由于暴露在核辐射下而增强的电离作用改变电阻率、电抗、阻抗或系统的其他电学性质。

在又一个实例中，把络合离子载体或者其他固定和主要的材料或吸附材料掺入聚合物成分。像这样的一些材料包括冕牌醚类、沸石、固体和液体离子交换剂、生物抗体及其同功异质体或其他类似材料。在被直流电场、线性交流电场或非线性交流电场激活时，上述的材料根据材料的吸收或与辐射源接触而改变其电学性质。上述的材料提供使用于吸收物质的带宽变窄的电势和系统的选择性。在再一个实例中，电极就是电子是单一阴离子的材料，典型例子可以是，把通过使铯金属大于15-铬酸-5蒸发制备的铯-15铬酸与掺入聚合物成分。可以类似这样地使用其他的离子载体材料、沸石材料和离子交换材料。上述的成分具有低的逸出功，一般是＜＜1电子·伏，因此低的直流电压或变化的交流电压使成分随着时间常数减少和用于吸收物质的带宽和系统的带宽增大从绝缘相转变到导电相。上述的材料可以用于探测吸收物质和/或辐射源的存在。

附图说明

参考附图更全面地描述发明的一些最佳型式，附图中：

图1是具有柔性或刚性外部连接装置的可变电阻器的部件分解图；

图2表示图1所示的元件的三种变型；

图3表示具有与图1和2的元件和外部连接的构造不同的元件和外部连接的构造的二种可变电阻器；这些可变电阻器可选用根据发明的连接件；和

图4表示二种多功能可变电阻器的部件分解图。

在一些图中所示的任一种可变电阻器可以形成根据发明第三种状况的传感器的基座。

具体实施方式

实施例

用于元件的导电性的泡沫材料结构的实例如下所述：用在75-152微米粒度范围内的镍/包有硅酮颗粒填满2毫米厚和80孔每英寸(32孔每厘米)网眼号数的聚醚敞孔型网眼泡沫材料薄片。通过使用旋转烧蚀法用ALFAS INDUSTRIESRTV硅酮类型A2000以8/1重量比涂覆INCO镍粉末类型287来制备颗粒。按照筛号使颗粒过筛并且用力擦，以使颗粒渗入泡沫材料直到泡沫材料下面出现颗粒，表明已真正填满为止，泡沫材料保存每平方厘米75毫克的颗粒，相当于按加压后通过泡沫材料平均计算的1875毫克/厘米³和相当于在构成元件的完全装满的薄片中的2500毫克/厘米³左右。在金属片之间压缩含有颗粒的泡沫材料并在烘箱内使含有颗粒的泡沫材料在120℃下加热30分钟。这样的工艺过程生产出一种0.4毫米厚非常柔韧的压敏结构，压敏结构在厚度两端之间具有大于10¹²欧姆的电阻范围而仅用手指压力就使压敏结构按比例向下调节到小于1欧姆。

泛泛参阅这些附图：

单词‘上面’和‘下面’仅与图上的位置有关，而对使用时的配置没有限制；构件的圆形形状仅是举例说明的而要选择适合预定用途的其他形状；例如为了构成流体测试样品循环的通路可能矩形形状适合于发明的第三种情况中的接触头。

参阅图1，可变电阻器包括由伸出没有表示出的外部连接端的电极10组成的外部连接装置。由如上面例子中所述的带有镍/硅酮的泡沫材料组成的元件14跨接电极10。把下面电极10固定在硬基座16上。上面电极10是可以向下移动的，以便以通常用箭头表示的压力装置18的作用下而在电极10的部分或全部的面积上能起作用的过程中压缩元件14。当然同样对下面电板应用压力装置18理应是可以的。电极10可以是用像金属铜或者包有铂的黄铜之类硬质材料组成性质不同的板：在那种情况下通过使压力装置18对电极10的施加力倾斜或者通过使用有厚度坡度的元件14可以在部分电极面积上起作用。另一种方案，电极10可以是柔韧的，例如金属箔、包有金属的布、有机导电聚合物，或者在特殊的开关中，在元件14的上表面和/或下表面上的凝聚性导电金属涂层。通过应用像银粉涂料之类的富金属油漆可以形成这样的涂层。在这样的可变电阻器中，元件14在结构上能够以任何其他具有合适孔隙的材料为基体，例如以像骑兵织物之类的加厚编织的聚酯布为基体或者以厚呢为基体。

参阅图2，可变电阻器的一般结构是与图1中的结构一样的，但是表示出元件的三种变型2a-2c。

在变型2a中，标记号22元件在其整个体积22+24中带有碳而仅在中心区域24中具有镍/硅酮颗粒。当开关不动时在压力装置18不施加压力情况下，靠碳的弱导电性允许小电流流通，由此形成“开始电阻”或者“开始电导”。当压力装置18施加压力时镍/硅酮成分的强导电性开始起作用，在一定程度上取决于施加这种压力的面积，而且取决于成分的压缩程度如果该种成分具有这样的性能。

变型2b和2c表示元件与非导电性的或者弱导电性的材料的匹配薄层的组合件。

在变型2b中，带有镍/硅酮的泡沫材料或者织物原料的块体的上面部分构成标记号34元件，下面部分是非导电性的薄层或者(例如，与2a中一样)弱导电性的薄层。通过优先对块体的一个侧面加入为粉末或者液态悬浮液的镍/硅酮制作这种组合件。元件和薄层之间的边界不需要分清楚。

在变型2c中，标记号34元件可以均匀地或者有梯度地带有镍/硅酮，但是标记号38薄层是不同的组成部分，而在组装开关中可以使薄层粘附或者机械固定成与元件34接触。比起2b来变型2c具有薄层在结构上可以与元件不同的优点，例如：

元件                 薄层

压扁的泡沫材料       未压扁的泡沫材料

··                 编织布

··                 网织品

压扁的布             未压扁的布

参阅图3a和3b，元件包括带有镍/硅酮和具有埋入其内的外部连接导线313的泡沫材料块体314。通过靴形滑块316向下活动压缩一些导线313之间的区域可以引起元件导电。靴形滑块316可以具有倾斜的下部端面，因此靴形滑块316对元件施力的面积取决于其向下位移的程度。换或加之，靴形滑块316可以包括能一个一个单独地控制的许多零件以便有可能获得所希望的施力总面积。在微型可变电阻器中，靴形滑块316可以是一种点阵机械装置或压电机械装置。埋入的导线可以用电阻材料制作，或者是通过局部压缩，例如通过压皱或缝合，成为永久导电的金属/聚合物成分，例如镍/硅酮，的线路。如果通过局部压缩制作埋入的导线，则可以在比较薄的元件片内实现这样的方法，此后在那片薄片附近可以插入另外的元件片。

像图3a中的可变电阻器，当用作根据发明第三种状况中的传感器时，不仅可以适合形成浸入流体物质的静止系统部分而且能用于流动系统。

图3b所示的可变电阻器是采用图1和图2的机械装置的一种组合装置。这种组合装置比图3a的可变电阻器更灵敏。当以压力装置18方式施加压力时，经由电极10也能在一些导线313之间导电。

参阅图4，4a表示实际上是二个背对背的图1可变电阻器的一种可变电阻器。比在使用常规的可变电阻器元件时更紧凑地构成由一个信号输入产生二个可变电阻器输出的结构。图4a组合装置当用于传感器时可以提供并排着的测试读数和空白读数，图4b表示二个分离的各为图1的可变电阻器互相被块体20电绝缘的一种结构。在4a和4b中，可以采用图2和3中的变型。这些组合装置是开辟电气设备设计新途径的袖珍多功能控制器的一些例子。在一种简单例子中，4b结构能提供用一个按钮操作的导通/关断开关和量度控制。

Claims (23)

1.一种可变电导体，包括：由绝缘或弱导电的聚合物材料以及金属或合金的导电填充粒子构成的层，所述可变导电体具有在静态时的第一电导值并能通过伸展或压缩或电场而施加的应力变化，转变到第二电导值，其特征在于所述层具有孔隙，从而使所述可变电导体成为多孔和可收缩的，所述孔隙包含所述导电填充粒子。

2.根据权利要求1所述的可变电导体，其特征在于所述孔隙能进入易流动体。

3.根据权利要求2所述的可变电导体，其特征在于所述层是从泡沫材料、网织品、纱布、编织品或布和这些材料中的二种或更多种材料的复合材料中选择出的。

4.根据权利要求3所述的可变电导体，其特征在于它是把导电填充粒子装入敞孔型聚合物泡沫材料并使已装入的泡沫材料收缩到1/2至1/8体积范围内但是保留其能进一步压缩的产物。

5.根据权利要求3所述的可变电导体，其特征在于具有片状结构，其厚度在0.1～5.0毫米。

6.根据权利要求5所述的可变电导体，其特征在于在所述可变电导体中所述导电填充粒子的密度是有梯度的。

7.根据权利要求1所述的可变电导体，其特征在于所述聚合物材料自身由于含有微粒碳而呈弱导电性。

8.根据权利要求1所述的可变电导体，其特征在于导电填充粒子为强导电颗粒，每个颗粒包括：由至少一种大体上是非导电性聚合物包覆着的金属或合金导电填充粒子；每个颗粒在静态时呈绝缘性而在经受机械压力或电感应时呈导电性。

9.根据权利要求8所述的可变电导体，其特征在于非导电性聚合物是硅酮橡胶。

10.根据权利要求1所述的可变电导体，其特征在于导电填充粒子具有尖端和/或枝状的表面组织和/或丝状结构。

11.根据权利要求10所述的可变电导体，其特征在于导电填充粒子包括羰基衍生金属化镍。

12.根据权利要求1所述的可变电导体，其特征在于还包括由绝缘或弱导电材料构成的具有孔隙的层，但不包括导电填充粒子。

13.一种可变电阻器，其特征在于包括：外部可连接的电极，电极与电极之间跨有根据权利要求1所述的可变电导体。

14.根据权利要求13所述的可变电阻器，其特征在于包括一装置，用于进行至少下列之一功能：

(a)向桥接所述电极的可变电导体的区域施加电导增加的压力；

(b)向桥接所述电极的可变电导体的区域减少电导增加的压力；

(c)在桥接所述电极的可变电导体的区域抵消已存在的电导增加的压力。

15.根据权利要求13所述的可变电阻器，其特征在于包括：通过至少一个预先加压力而成导电性的定位区域形成的外部连接。

16.根据权利要求15所述的可变电阻器，其特征在于所述可变电导体为片状，所述预先加压力的区域设为断续线形。

17.根据权利要求13所述的可变电阻器，其特征在于具有嵌入在所述可变电导体中的可由外部桥接连接的电极。

18.多个权利要求13所述的可变电阻器，其特征在于叠层在一起，分别电连接，受一个机械压力装置的作用。

19.根据权利要求18所述的可变电阻器，其特征在于包括绝缘装置，使可变电阻器相互电绝缘。

20.一种传感器，用于检测流体中化学物质、微生物或者辐射，其特征在于包括：

(a)接触头，包括至少一个权利要求1所述的可变电导体；

(b)用于将包括测试样品的流体引到接触头的装置；和

(c)用于将所述可变电导体与测量电导变化的电路相连接的装置。

21.根据权利要求20所述的传感器，其特征在于包括：接触头包括使所述可变电导体产生适应所要求的传感器灵敏度的电导值的压力装置。

22.一种电路，其特征在于包括权利要求20所述的传感器、交流电流源、和识别来自噪声和来自干扰信号的所要信号的装置。

23.一种探测和/或测定化学物质、微生物或电磁辐射的方法，其特征在于使用权利要求20所述的传感器。

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