CN101069252A - 具有增强的载体箔的箔型开关元件 - Google Patents

具有增强的载体箔的箔型开关元件 Download PDF

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Abstract

一种压力传感器，包含至少一个第一载体箔，所述第一载体箔安装在支持元件上从而跨过所述压力传感器的有源区域。根据本发明，所述第一载体箔包含选自如下组的材料：聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯基砜、聚砜、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、环烯烃聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚酰胺、或者它们的混合物。

Description

具有增强的载体箔的箔型开关元件
                      技术领域
本发明总的来说涉及一种箔型压力传感器，其包含至少一个载体箔，所述载体箔安装在支持元件上，所述支持元件布置在有源区域周围，从而所述载体箔跨过所述有源区域，还涉及确定所述至少一个载体箔的压致形变。
                      背景技术
一组此类压力传感器包括单膜传感器，其中例如通过光学手段或者通过应变仪直接确定单个载体箔的形变。在作用于有源区域上的力的情况下，通过载体箔的机械响应直接确定这些压力传感器的响应。这种机械响应取决于载体箔(通常是PET箔)的弹性性质和有源区域的横向尺寸。
另外一组压力传感器包括双膜传感器，其中借助间隔物彼此间隔一定距离布置第一载体箔和第二载体箔。间隔物包含至少一个凹槽，该凹槽限定开关元件的有源区域。至少两个电极按以下方式在所述第一载体箔与第二载体箔之间布置在开关元件的有源区域中，所述方式即响应作用于开关元件的有源区域上的压力，第一载体箔和第二载体箔抵抗弹性载体箔的反作用力而被挤压在一起，并且在所述至少两个电极之间建立起电接触。
在本领域中公知此类箔型开关元件的几种实例。这些开关元件中的一些配置成简单开关，其包含例如布置在第一载体箔上的第一电极和与第一平面电极成面对关系地布置在第二载体箔上的第二电极。所述电极可以是平面结构，该平面结构基本上覆盖有源区域内各个载体箔的整个表面。
本领域已知的其它开关元件配置成具有电阻的压力传感器，所述电阻随所施加的压力的量发生变化。在此类压力传感器的第一实施例中，第一电极布置在第一载体箔上，而第二电极与第一电极成面对关系地布置在第二载体箔上。所述电极中的至少一个由压敏材料(例如半导体材料)层覆盖，从而当第一载体箔和第二载体箔响应作用于开关元件上的力而被挤压在一起时，在第一电极与第二电极之间通过所述压敏材料层建立起电接触。通常将此类压力传感器称作按所谓的“直通模式(through mode)”工作。
在压力传感器的另一实施例中，第一电极和第二电极以相间隔的关系布置在第一载体箔和第二载体箔之一上，同时用压敏材料层覆盖另一个载体箔。将压敏材料层布置成与第一电极和第二电极呈面对关系，从而当响应作用于开关元件的有源区域上的力而将所述第一载体箔和第二载体箔挤压在一起时，压敏材料层并联(shunt)第一电极和第二电极。将这些传感器称作按所谓的“并联模式”工作。
可以以具有成本效益的方式制造上述开关元件并且已经证明上述开关元件在实践中极为耐用且可靠。
此类压力传感器的电学响应取决于电极的类型、可能的压敏材料层的存在、电极的设计以及它们在开关元件的有源区域内的布置，并最终取决于物理接触，该物理接触响应作用于有源区域上的力而建立在电极之间。在作用于有源区域上的力的情况下，电极之间的物理接触由开关元件的机械响应确定。这种机械响应取决于载体箔的弹性性质、有源区域的横向尺寸以及两个相对的载体箔之间的距离。
对于给定尺寸和结构的开关元件来说，可以通过调整载体箔的机械特性而调整两类压力传感器的机械响应。已知的箔型开关元件的载体箔通常由塑料片材料例如PET或PEN组成，如果需要的话，所述载体箔已经经历了表面处理从而增强在被印刷的电极上的附着力。但是，这些材料的弹性性质不能总是符合开关元件机械响应的需求。例如，PET或PEN的弹性模量对温度的图在各自的阈值温度表现出显著的台阶，这会给开关元件带来非最佳性质。
用于载体箔的另一种材料是聚酰亚胺PI。PI的弹性模量在例如从-50℃至+200℃的宽温度范围内只表现出很小的变化。PI的这种机械特性十分适于压力传感器应用，但是与PET或PEN相比PI是非常昂贵的。
因此，需要具有增强的载体箔的压力传感器。为了解决这个问题，文献WO-A-2004/053908公开了一种箔型开关元件，其中至少一个载体箔包含具有至少两个不同材料层的多层结构。通过使用适当的材料并且通过使不同层具有适当的厚度，可以精确地使这些多层载体箔的机械特性满足广泛应用的具体需求。但是，由于苛刻的生产容许偏差，这些多层载体箔难以生产，因此成本相当高。
                      发明内容
本发明的目的是提供一种具有增强的载体箔的压力传感器。
该目的是通过根据权利要求1的箔型压力传感器实现的。该压力传感器包含至少一个第一载体箔，所述第一载体箔安装在支持元件上从而跨过所述压力传感器的有源区域。根据本发明，所述第一载体箔包含选自如下组的材料：聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯基砜、聚砜、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、环烯烃聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚酰胺、或者它们的混合物。
压敏开关元件的功能和性能(例如乘检和分类)强烈取决于膜的性能，即载体箔的机械特性。为了保持稳定且恒定的传感器功能，载体箔应该例如在-40℃至+105℃的温度范围内表现出非常低的弹性模量变化，并且应该在机械应力下对高腐蚀且高湿度的条件有耐性。此外，高的耐湿性是优选的。上述载体箔材料满足这些标准并因此十分适用于压力传感器，例如汽车安全应用。
在本发明的可能实施例中，所述第一载体箔包含选自如下组的聚合物合金：聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯PC/ABS、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯PC/PBT、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯PC/PET、聚苯醚/聚酰胺PPE/PA或者它们的混合物。合金或共混物是用于形成基本上均匀的产物的两种化学上不同的聚合物的混合物，具有作为两种不同聚合物的组合的增强了的性质。在传感器中使用合金聚合物作为膜能够改善载体箔的机械强度并且改善材料的耐热性和化学耐性。
在另一个实施例中，所述第一载体箔包括聚醚醚酮箔。聚醚醚酮(PEEK)由于与例如聚酰亚胺相比，在大的温度范围内其弹性模量变化非常低、非常令人感兴趣的价格和材料的可用性而是非常适合的载体箔材料。PEEK的性质可以总结如下：高度刚性、优异的化学耐性、耐磨性和阻燃性、高温性能和优异的耐水解性。
在另一个实施例中，所述第一载体箔包含选自聚醚砜PES、聚苯基砜PPSu、聚砜PSu或者它们的混合物中的磺化聚合物。磺化膜由于与聚酰亚胺相比，在大的温度范围内其弹性模量变化非常低、非常令人感兴趣的价格和材料的可用性而是非常适合的载体箔材料。它们的性质可以总结如下：低蠕变、高强度、自熄性、良好的水解稳定性、高的使用温度。
在再另一个实施例中，所述第一载体箔包含选自聚碳酸酯PC、共聚碳酸酯CoPC或者它们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于与聚酰亚胺相比在-40℃至+105℃的温度范围内它们的弹性模量变化非常低、低价格和高的材料可用性而是适合的载体箔材料。
在再另一个实施例中，所述第一载体箔包括聚苯醚箔。PPE聚苯醚膜由于与聚酰亚胺相比在-40℃至+105℃的温度范围内它们的弹性模量变化非常低、低价格和高的材料可用性而是适合的载体箔材料。
在再另一个实施例中，所述第一载体箔包括环烯烃聚合物箔。与上述材料相似，COP环烯烃聚合物膜表现出有利的机械性质和合理的材料成本。
应当指出本发明的压力传感器可以是单膜传感器，其中例如通过光学手段或者通过应变仪直接确定单个载体箔的形变。在作用于有源区域上的力的情况下，通过载体箔的机械响应直接确定这些压力传感器的响应。
在本发明的优选实施例中，压力传感器还包含至少一个第二载体箔，所述第二载体箔借助间隔物与所述第一载体箔间隔一定距离布置。所述间隔物包含至少一个凹槽，该凹槽限定出所述压力传感器的有源区域并因此用作载体箔的支持元件。至少两个电极按以下方式在所述第一载体箔与第二载体箔之间布置在压力传感器的有源区域中，所述方式即响应作用于压力传感器的有源区域上的压力，第一载体箔和第二载体箔抵抗弹性载体箔的反作用力而被挤压在一起，并且在所述至少两个电极之间建立起电接触。在该实施例中，所述第一载体箔和第二载体箔中至少一个包含选自如下组的材料：PEEK、PES、PPSu、PSu、PC、CoPC、PPE、COP、PC/ABS、PC/PBT、PC/PET、PPE/PA、或者它们的混合物。
对于安装开关元件使其下表面在刚性支持体上并且力只作用于开关元件的上表面上的应用而言，只给第一载体箔和第二载体箔的上表面提供特定的载体箔材料可能是令人感兴趣的。但是如果要将传感器或开关元件安装在软的支持体上，那么支持体的反作用将对传感器的机械响应有贡献。因此在本发明优选的实施例中所述第一载体箔和所述第二载体箔每个都包含选自所述组中的特定载体箔材料。
可以理解的是，取决于开关元件的应用，开关元件的不对称性可能是所希望的。在此情况下，第一载体箔和第二载体箔的性质优选是彼此不同的。这种不对称性例如可以通过其中所述第一载体箔和所述第二载体箔包含不同材料的箔型开关元件来提供。这些实施例例如允许提供一种传感器或开关元件，其上侧具有特定的电学性质而所述传感器的下侧被特别地改造，从而可以被安装在具有化学腐蚀性的环境中。取决于应用，所述载体箔可以包含具有不同机械特性的材料。所述两个载体箔例如可以由具有不同弹性模量的材料或者在不同温度范围内具有主导弹性模量的材料制成。然后，如此形成的载体箔例如将在宽的温度范围内表现出更高的弹性模量或者更加恒定的模量。如此，可以将开关元件在所述温度下的的机械响应调整成满足传感器或开关元件应用的需求。
可以理解的是，取决于压力传感器的应用，可以优选所述第一载体箔和/或所述第二载体箔包含具有至少两个不同材料层的多层结构。所述多层载体箔的不同层可以包含例如选自上述组中或者其它已知材料中的不同聚合物箔。可选地，所述层中的一层或者多层包含固化的介电树脂层和/或金属箔。使用金属箔作为载体箔的层中的一层能够屏蔽开关元件，使开关元件不受开关元件环境中的电磁辐射的影响。此外，金属箔的存在使开关元件能同时用在电容传感系统中。
在优选的实施例中，所述层中之一包含纺织材料。此类纺织层例如由芳族聚酰胺、聚酰胺、聚酯等制成，所述纺织层可以层合到聚合物层上或者两个聚合物层之间、可以用来增强机械特性如拉伸强度或耐撕裂蔓延性而不会影响载体箔的弹性模量。
技术人员可以认识到本发明可用于简单的薄膜开关以及压敏开关。在简单的薄膜开关的情况中，第一电极布置在所述第一载体箔的内表面上，并且第二电极与所述第一电极成面对关系地布置在第二载体箔的内表面上。在简单开关的变体中，第一电极和第二电极并排布置在所述第一载体箔的内表面上，并且与所述第一电极和第二电极成面对关系地在第二载体箔的内表面上布置并联元件。所述两个电极例如可以包括梳状结构，两个电极的齿以交错的关系布置。箔型压力传感器与上述开关相似地配置。与所述开关相比，所述第一电极和第二电极中至少一个被压敏电阻材料(pressure-sensitive resistive material)覆盖。在可选的实施例中，所述并联元件包含电阻材料。由于压敏电阻材料或半导体材料，这些压力传感器电极间的电阻取决于将两个载体箔挤压在一起的压力。
                      附图说明
结合附图，从下述对几个非限制性实施例的描述，本发明会更加显而易见。
图1大致示出箔型压力传感器的剖面；
图2示出多层载体箔的第一个实施例；
图3示出多层载体箔的第二个实施例。
                   具体实施方式
图1表示了典型的箔型压力传感器10的剖面。压力传感器10包含借助间隔物16以一定距离布置的第一载体箔12和第二载体箔14。间隔物16例如可以包含双面粘合片。在传感器10的有源区域中，总地用附图标记18表示，间隔物16包含凹槽或切口20，使得在有源区域18中，两个载体箔12和14以一定距离彼此面对。
按以下方式在有源区域18中在载体箔12和14的内表面上布置接触结构22和24，所述方式即如果所述载体箔被压在一起，那么在接触结构22与24之间建立起电接触。在所示实施例中，以面对关系在所述载体箔12和14的每一个上面布置一个接触结构22或24。但是应当指出的是其它的布局也是可以的，例如两个隔开的接触结构22和24布置在载体箔之一上而并联元件布置在第二个载体箔上。
所述接触结构可以包含电极，其中至少一个所述接触结构包含压敏材料层。这种压敏材料层给压力传感器提供了压力相关的性质。应当指出在层合处理之前通常使用丝网印刷处理将接触结构印刷到各个载体箔上，在层合处理中所述载体箔和间隔物层合到一起。
为了在汽车温度范围内(-40℃至105℃)保证相同的传感器响应，需要使用在该温度范围内具有恒定弹性模量的载体箔材料。此外，膜应该具有下面的性质来满足例如汽车和传感器的制造要求：非常好的机械强度、高的化学耐性、高的耐湿性、高温下在受到高的应力后快速张弛(蠕变)、高且恒定的弹性模量、好的油墨附着力或允许充分的涂敷、在油墨固化期间抵抗油墨应力(无形变)、不放电(静电)及低价格。根据本发明，因此所述载体箔包含选自如下组中的材料：聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯基砜、聚砜、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、环烯烃聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚酰胺、或者它们的混合物。应当指出如果需要的话，载体箔可以接受表面处理，从而增强在被印刷的电极上的附着力。
为了给压力传感器提供增强的机械性质如拉伸强度或者耐撕裂蔓延性，可以给载体箔12和14中的一个或者两个提供包含至少一个纺织材料层的多层结构。应当指出使用纺织层可以增强上述机械性质而不会影响载体箔的弹性模量。图2和3中显示了这种多层增强载体箔的不同实施例。
图2显示了多层载体箔的一个实施例，其中在聚合物片120上层合纺织层122。聚合物片可以包含选自下面的材料：酰亚胺基底如PI聚酰亚胺、聚醚酰亚胺PEI；酮基底如PEEK；磺化的基底如聚苯基砜PPSu、聚醚砜PES、聚砜PSu；酯膜如聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚对萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚碳酸酯PC和共聚碳酸酯CoPC；酮如聚醚醚酮PEEK；芳族聚酰胺膜如聚酰胺PA；聚苯硫醚PPS；环烯烃聚合物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/聚对苯二甲酸丁二酯、PC/PET聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、PPE/PA聚苯醚/聚酰胺。增强层122可以包含任何适当的纺织材料，例如芳族聚酰胺、聚酰胺或聚酯等。
图3显示了多层载体箔的一个实施例，其具有另一个聚合物层124，其中所述纺织层122层合在两个聚合物层120与124之间。聚合物层124可以包含选自与聚合物层120相同的组中的材料。
附图标记列表
10        开关元件
12        第一载体箔
14        第二载体箔
16        间隔物
18        有源区域
20        凹槽或切口
22，24    接触结构
120，124  聚合物层
122       纺织层

Claims (10)

1.一种压力传感器，其包含至少一个第一载体箔，所述第一载体箔安装在支持元件上从而跨过所述压力传感器的有源区域，其特征在于所述第一载体箔包含选自如下的材料：聚苯基砜、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/聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚酰胺、或者它们的混合物。
2.根据权利要求1的压力传感器，其中所述第一载体箔包含选自如下组的聚合物合金：聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚酰胺、或者它们的混合物。
3.根据权利要求1的压力传感器，其中所述第一载体箔包含聚苯基砜聚合物、或者聚苯基砜和选自聚醚砜和聚砜中的一种或多种聚合物的混合物。
4.根据权利要求1的压力传感器，其中所述第一载体箔包含共聚碳酸酯、或者共聚碳酸酯和聚碳酸酯的混合物。
5.根据权利要求1的压力传感器，其中所述第一载体箔包括聚苯醚箔。
6.根据权利要求1-5任一项的压力传感器，其还包括至少一个第二载体箔，所述第二载体箔借助间隔物与所述第一载体箔间隔一定距离布置，所述间隔物包含至少一个凹槽，该凹槽限定出所述压力传感器的有源区域，以及至少两个电极，所述电极按以下方式在所述第一载体箔与第二载体箔之间布置在所述压力传感器的有源区域中，所述方式即响应作用于所述压力传感器的有源区域上的压力，所述第一载体箔和第二载体箔抵抗弹性载体箔的反作用力而被挤压在一起，并且在所述至少两个电极之间建立起电接触，其中所述第一载体箔和第二载体箔中至少一个包含选自如下组的材料：聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯基砜、聚砜、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、聚苯醚、环烯烃聚合物、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯醚/聚酰胺、或者它们的混合物。
7.根据权利要求6的压力传感器，其中所述第一载体箔和所述第二载体箔包含不同的材料。
8.根据权利要求1-7任一项的压力传感器，其中所述第一载体箔和/或所述第二载体箔包含具有至少两个不同材料层的多层结构。
9.根据权利要求8的压力传感器，其中所述层之一包含纺织材料。
10.根据权利要求8或9任一项的压力传感器，其中所述多层载体箔的各层层合在一起。
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