CN101107688A - 压敏开关元件和座位传感器 - Google Patents
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Abstract
一种箔型开关元件包括具有第一厚度(a)的第一弹性载体箔(A)和具有第二厚度(c)的第二弹性载体箔(C),二者通过垫片(B)彼此之间间隔开特定的距离(b)设置。所述开关元件设置为所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述第一和第二载体箔之间所述距离(b)的4/5,和/或所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述载体箔的所述厚度的4/5。
Description
技术领域
本发明总体上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在所述第一和第二载体箔之间设置在开关元件的有源区域中,即,响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力,第一和第二载体箔克服所述弹性载体箔的反作用力被推压在一起,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。这些开关元件中的一些被构造成简单开关,其包括例如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值而变化的。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推压在一起时,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于作用在所述有源区域上的力被推压在一起时,压敏材料层旁通第一和第二电极。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。
这样一种压力传感器的电气响应取决于所述电极的类型、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,这两种类型的压力传感器的机械响应可以通过调节载体箔的机械特性来适应。便宜的箔型开关元件的载体箔通常包括塑料片材料,例如PET或PEN,为了增强印刷电极上的附着力,如果需要的话,这些材料要经过表面处理。然而这些材料的弹性特性并不总是满足关于所述开关元件的机械响应的要求。例如,弹性模量与PET或PEN温度的关系曲线图在各自阈值温度处呈现出显著的阶跃,这给出一个对于开关元件不适宜的性质。
用于载体箔的另一种材料是聚酰亚胺PI。PI的弹性模量表明在很大的温度范围内例如-50℃~+200℃仅有很小的变化。PI的这种机械性能很适合压力传感器的应用,然而与PET或PEN相比PI是很贵的。
因此需要具有增强的载体箔的压力传感器。为了给这一问题提供解决办法,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括具有至少两层不同材料的多层结构。通过利用适合的材料和不同层的厚度具有适当的尺寸,这些多层载体箔的机械特性是可以精确的调到适合于大范围的特殊需求的应用。然而,由于严格的产品公差,这些多层载体箔是难于制造的且因此成本相当高。
本发明还涉及传感器垫,其包括许多这种箔型开关元件。这种传感器垫例如用于机动车辆座位的乘客存在检测,儿童座位检测,和/或乘客分类传感器。通过报警信号,气囊膨胀或不膨胀,或确定气囊展开的速度,由这种感应垫或座位传感器工作时提供的信息用于提高驾驶者或乘客的安全。
该座位传感器可以和其他传感器共同使用,例如用来测量座位上人的位置的座位安全带提示或视觉或红外线系统。有关气囊系统作用的应用对于乘客的安全来说是至关重要的,因此需要性能和可靠性的最高汽车标准。另一方面,与座位一体的传感器垫必须允许最适宜的空气通气,并且必须是薄的和柔软的,从而它存在于车辆座位中不会负面影响到座位的舒适性。
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。
为了实现这一目的,本发明提出了一种箔型开关元件,其包括具有第一厚度的第一弹性载体箔和具有第二厚度的第二弹性载体箔,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(有效区域)。至少两个电极以下述方式在所述第一和第二载体箔之间设置在开关元件的有源区域中,即,响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力,第一和第二载体箔克服所述弹性载体箔的反作用力被推压在一起,并且在至少两个电极之间建立起电接触。根据本发明,开关元件这样设置即,所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述第一和第二载体箔之间所述距离的4/5,和/或所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述载体箔的所述厚度的4/5。
在本发明的优选实施例中,所述箔型开关元件包括至少一层压敏材料,它是这样设置的,即经由所述压敏材料在所述电极间建立起电接触。
除了单独的开关元件,更进一步的,本发明还提出了一种座位传感器,其包括许多如上所述的箔型开关传感器。
应该指出,依据本发明的开关元件优选构造为具有电阻的压力传感器或压力变换器,其电阻是随所施加的压力值而变化的。在这样一个实施例中,所述开关元件包括一层压敏材料,它和电极一起以下述方式在所述第一和第二载体箔之间设置在开关元件的有源区域中,即,响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力,第一和第二载体箔克服所述弹性载体箔的反作用力被推压在一起,并且经由所述压敏材料在至少两个电极之间建立起电接触。
通过使用优选的至少两种不同类型的通用高分子薄膜的互补特性,提出的发明将乘客的舒适与传感器极高的性能和可靠性结合。所述这些开关元件以及整个垫子的工作原理和设计,特别是它们的有源区域,是特别的适合使用这些高分子薄膜。
用于机动车辆座位的乘客存在检测、儿童座位检测或乘客分类的传感器垫通常包括一排单独的开关元件,每个开关元件具有有源区域。如果垫子由三个层叠的高分子材料片材形成,则其中里面的一个片材用作垫片。传感器垫的典型厚度是小于0.5毫米,从而将传感器垫置于乘客座位衬垫下时乘客感觉不到。一个单独的开关元件包括通过垫片分隔开的两层弹性膜片,其在开关元件的有源区域包括一个切口。利用通气系统可保证元件内外的静压一致。
如果有压力作用在开关元件的有源区域上,所述的两个载体箔或膜片相互弹性变形,直到在某一压力上它们彼此接触。如果开关元件包括至少一层压敏材料,则它是这样设置的,即经由压敏材料在电极之间建立起接触,电极间的电阻是随所施加的压力值而变化的。从而各个开关元件的电阻给作用于其有源区域上的压力提供了一个指示。
在工作过程中,控制单元记录不同开关元件的电阻值,并且相连的逻辑电路能够判断出是否有乘客坐在座位上,儿童座位是否是占用的,或者分类乘客的特征比如身高和体重。在传感器的使用期限里每个元件的电阻-压力曲线图对于不同的气候条件必须是高度可再生的。完全数字化的电阻-压力曲线图在一个典型的压力范围10~500毫巴内由电子设备解读,因此大大超出了迄今为止的简单膜片开关的功能。
在座位传感器应用的所有技术现状中,膜片的最大挠曲变形是等于或小于它的厚度的3/4并且它是等于或小于膜片间隔的3/4。例如一种具有PI载体箔的典型传感器,PI膜片的厚度典型的是大约125微米,垫片的厚度是大约90微米,PI膜片的形变能力是大约70微米。
制造乘客分类传感器的现有技术使用高性能高分子薄膜,包括聚酰亚胺(PI)或聚醚酰亚胺(PEI)。至少一层薄膜是由PI或者PEI制成的。这导致了在传感器制造中不相称的高材料成本。使用这些材料的原因是它们极好的弹性性能-它们的弹性模量在室温时大概是3吉帕-其特征是,随着温度在温度间隔-40℃~120℃递增,弹性模量平滑的线性减小。此外这些材料在温度范围达到200℃不呈现玻璃相变,从而长期的工作在温度升高的条件下所不期望的薄膜蠕变是可以完全避免的。这些材料的老化是小的,从而在多种气候条件下一直保证不变的机械性能。大于200℃的高的软化温度允许在传感器制造过程中相对高的温度,特别是在墨水干燥过程。
本发明提供了用低价的通用薄膜材料代替高性能高成本的薄膜而且不降低传感器的功能性和可靠性。通过有源元件和传感器垫的新的设计,这是可以实现的。
本发明在通用高分子薄膜的专有使用中将薄膜材料与互补特性相结合。因此至少两种不同类型的高分子薄膜被优选使用。一种薄膜类型,此后称为类型I,具有高的机械强度,高的弹性模量,和高的化学防护能力。类型I薄膜的缺点是低的玻璃相变温度,因此不能避免蠕变和弹性模量与温度之间强的非线性依赖关系。另一种薄膜材料,此后称为类型II,在某种意义上是对类型I的补充,它的弹性模量与温度在-40℃~120℃具有线性关系,并且它的玻璃相变温度高于150℃。然而,类型II材料呈现大概2吉帕的低弹性模量,低的机械强度和低的化学防护能力。类型I的典型材料是(PET),类型II的典型材料是聚碳酸酯(PC)。
传感器由三个弹性高分子薄膜形成,两层膜片和膜片间的一个垫片薄膜。薄膜可能包括相同的或不同的薄膜材料或厚度。有源元件或传感器垫的整体厚度各自等于或小于0.6毫米。压力工作范围是10~500毫巴,两层膜片接触的最小压力是10~100毫巴。
由类型I和II薄膜制成的传感器呈现出相应的性能,好像它是由PI或PEI膜片制成的,然而只有在元件设计适合于特殊的工作原理时才会这样。这一工作原理在于,类型I薄膜负责多数的机械强度而类型II薄膜负责多数的有源元件的弹性性能。由此得出结论类型II薄膜比类型I薄膜薄。主要的原因是类型II薄膜的低的机械强度(例如耐折强度)和类型I薄膜的蠕变灵敏度。垫片可以包括一个类型I薄膜或是另一种机械耐用的材料。
元件的结构是这样的,即类型II膜片的最大挠曲变形(垂直于箔平面,在传感器元件的中心)是等于或大于所述膜片之间距离的4/5(这一距离基本上对应于垫片的厚度)和/或类型II膜片的最大挠曲变形是等于或大于这种膜片的厚度的4/5。
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,其中
图1示出了未触发的开关元件膜片的横截面图;
图2示出了当有压力作用在有源区域时,图1的开关元件膜片的横截面图。
具体实施方式
图1示出了没有压力作用时开关元件有源区域(有效区域)的横截面示意图(不是按比例的)。图2示出了有足够大压力作用能使膜片挠曲到最大幅度时同一元件的横截面图(不是按比例的)。这一压力可以是单向的或者同轴向的。
所述开关元件包括第一膜片A和第二膜片C,二者是与垫片膜片B层叠在一起的。图1和2中‘a’表示膜片材料‘A’的厚度,‘c’表示膜片材料‘C’的厚度,‘b’表示膜片‘A’与‘C’之间的距离。垫片材料由‘B’表示。图2中在压力作用下膜片的最大变形度由‘d’表示。
本领域技术人员会意识到,开关元件另外还包括至少两个电极,它们以下述方式在所述第一和第二载体箔之间设置在开关元件的有源区域中,即,响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力,第一和第二载体箔克服所述弹性载体箔的反作用力被推压在一起,并且在至少两个电极之间建立起电接触。然而这些电极没有在图1和2中示出。
有两种可行的结构能够克服关于使用通用高分子薄膜所带来的材料的限制:
1)开关元件是关于垫片薄膜的中平面对称的。对于这些对称的开关元件,膜片的厚度‘a’和‘c’是一样的。材料‘A’和‘C’表示同一种类型II薄膜材料。薄膜‘B’是一种类型I薄膜。
2)开关元件是关于垫片薄膜的中平面不对称的,例如不同的膜片是由不同的材料制成和/或具有不同的尺寸等。在不对称的开关元件中,材料‘A’例如是类型II的,而材料‘C’是类型I的。垫片可能是和膜片‘C’同种材料的或者它包括另一个类型I薄膜材料。
这两种结构中膜片在压力下是挠曲的。然而在不对称的情况下类型II膜片比类型I膜片挠曲更大。由于工作原理,曲膜片的形状以及局部压力和张力必须考虑到膜片的平面张力来计算。将常用薄板小挠曲变形的挠曲理论用于本发明,不能正常预测元件的工作。结构的细节保证了类型II膜片的任意挠曲发生在完全弹性状态。
工作原理保证了类型I和II薄膜进行互补,并且考虑到边界条件-例如传感器的厚度小于0.6毫米,测量的压力范围10~500毫巴,两层膜片接触的最小压力为10~100毫巴,得出如下的构造原则:
a)至少一层膜片在压力下的最大挠曲变形,如图2中‘d’所示,等于或大于如‘b’所示的膜片之间距离的4/5;或者
b)至少一层膜片在压力下的最大挠曲变形,如图2中‘d’所示,等于或大于如‘a’所示的膜片厚度的4/5。
本发明在高性能压力传感器垫中使用低成本的工程通用高分子薄膜。其得以实现是通过膜片和垫片材料以及它们各自的厚度的结合,从而一种材料机械性能的个别缺陷可以通过其他材料来补偿,所述其他材料在那个特别的性能上必须有较好的表现。元件是以这样的方式设计的,即涉及的材料在工作中实现互补,从而保证了有源元件的高性能。
置于乘客座位衬垫下的垫子的机械强度,由类型I薄膜提供。在不对称结构的情况下类型II膜片是在垫子的顶侧,因此比底侧的膜片承受的拉伸应力小。在对称结构的情况下类型I垫片薄膜主要贡献垫子的强度。
为了确保类型II薄膜的化学老化不会影响到传感器的性能,这些薄膜必须被保护。这可以通过1.)在薄膜表面上的化学中性涂层或2.)通过保护性覆层,来实现。这样的覆层在专利WO01/86676A1中有详细的描述。这种覆层的特征是具有下述属性。它保护传感器垫以抵抗化学老化。特别的是它不渗水。这确保了覆层内部和外部的大气净压是相同的。在有源元件区域覆层是足够薄的并且安装得很宽松,从而它不会改变有源元件的膜片的弹性响应。有源元件组之间的纯机械连接部只包括覆层薄膜,从而简化了许多制造步骤,并且在传感器垫中产生较低的机械压力。传感器垫和覆层是被焊接的。覆层用于支撑传感器垫在座位中的固定。
Claims (6)
1.一种箔型开关元件,包括:
具有第一厚度的第一载体箔和具有第二厚度的第二载体箔,所述第一和第二载体箔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,以及至少两个电极,其以下述方式在所述第一和第二载体箔之间设置在开关元件的有源区域中,即,响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力,第一和第二载体箔克服所述弹性载体箔的反作用力被推压在一起,并且在至少两个电极之间建立起电接触,其特征在于,所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述第一和第二载体箔之间所述距离的4/5。
2.根据权利要求1中的箔型开关元件,其中所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述载体箔的所述厚度的4/5。
3.一种箔型开关元件,包括:
具有第一厚度的第一载体箔和具有第二厚度的第二载体箔,所述第一和第二载体箔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,并且至少两个电极以下述方式在所述第一和第二载体箔之间设置在开关元件的有源区域中,即,响应于作用在所述开关元件的有源区域上的压力,第一和第二载体箔克服所述弹性载体箔的反作用力被推压在一起,并且在至少两个电极之间建立起电接触,其特征在于,所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述载体箔的所述厚度的4/5。
4.根据权利要求2中的箔型开关元件,其中所述第一和第二载体箔中的至少一个的最大挠曲变形等于或大于所述第一和第二载体箔之间所述距离的4/5。
5.根据权利要求1至4中任一项的箔型开关元件,包括至少一层压敏材料,它是这样设置的,即经由所述压敏材料在所述电极间建立起电接触。
6.一种座位传感器,包括多个根据上述权利要求中任一项的箔型开关传感器。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080116 |