CN102004011A - 压力感测器以及具有压力感测器的拳击机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压力感测器以及具有压力感测器的拳击机，具有限流电阻层的压力感测器，使得压力感测器的输出电阻具有饱和输出的特性，当外部所施加的压力大于一个事先设定的压力阀值时，压力感测器的输出电阻将维持一定的输出电阻值，以避免过大的电流的破坏。

Description

压力感测器以及具有压力感测器的拳击机
技术领域
本发明涉及一种压力感测器，特别是涉及一种具有限流电阻层(ballastresistive layer)的压力感测器。
背景技术
首先请参阅图1，传统的压力感测器上层结构包含一基板10、在基板10下方安置有第二电极层11，第二电极层11下方安置有第一压感层12。下层结构与上层结构对称，其主要包含一第二压感层129，在第二压感层129下方则安置有第一电极层119，第一电极层119下方安置有另一基板109。
如图1所示，一支撑体15安置在第二电极层11与第一电极层119之间，此外支撑体15的局部材料更延伸至压感层12、129之间，使得压感层12、129间形成一个空隙16。应了解的是，前述第一、第二电极层119、11电性耦合至电路系统C，在压力感测器受压前，电路为断路；当受到外界压力时，压感层12、129会相互接触以形成电气回路，由此可侦测到压力大小。
一般而言，前述压感层12、129由压感电阻材料所构成，当受压变形时电阻值会降低，输出电阻则会随着受压程度增加而呈现线性反比的关系；也就是说，随着压力增加，输出电阻会减少。
压力感测器的输出电阻与输出电流间的关系可由欧姆定律V＝IR加以理解，当压力感测器系统的电压V固定时，压力感测器输出电阻R若是减少，则输出电流I将会增加。所以当外部所施加的压力过大时，传统的线性感测器往往会产生过小的电阻，而此过小的电阻意味着产生过大的电流输出，这种过大的输出电流将可能对电路系统产生破坏。
再请参阅图2，当压力感测器承受一外界压力P时，前述基板10、第二电极层11、第一压感层12皆会向下产生形变，直到压感层12、129相互接触后，压感层12、129会受到压缩，其中压感层12、129变形后的总厚度h将决定输出电阻的大小。
依据电阻定律可以得知物体的电阻，其可由电阻率、厚度/长度以及截面面积计算得到：R＝ρL/A。在上述公式中，电阻R的单位为欧姆(Ω)，厚度/长度L的单位为厘米(cm)，受压面积A的单位为平方厘米，电阻率ρ的单位为欧姆-厘米(Ω-cm)。
图3表示各种材料所对应的电阻率级数，其中一般导体如金属的电阻率级数约在10-6Ω-cm到10-4Ω-cm之间，半导体的电阻率级数在10-4Ω-cm到103Ω-cm之间，半绝缘体的电阻率级数在103Ω-cm到1010Ω-cm之间，绝缘体的电阻率级数则大于1010Ω-cm。由图3中可以得知10-4Ω-cm到1010Ω-cm是半导体与半绝缘体材料的范围，此一范围的材料可以视需要而选作为电阻材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力感测器以及具有压力感测器的拳击机，以解决上述问题。
为达上述目的，本发明一实施例提供一种压力感测器，包含一第一限流电阻层、一第一压感层、一第二压感层、一第一电极层以及一支撑体。前述第一压感层连接第一限流电阻层，且在第一、第二压感层之间形成一空隙。前述第一电极层连接第二压感层，支撑体则是设置于第一、第二压感层之间，用以形成前述空隙。
在一实施例中，前述压力感测器更包含一第二限流电阻，安置于第一电极层与第二压感层之间。
本发明一实施例更提供一种一种拳击机，包含一拳击靶以及一支撑架，其中支撑架用以固定前述拳击靶。特别地是，拳击靶具有如前所述的压力感测器，且使用者可施加一外部打击力量在拳击靶上。
如前所述，本发明主要将至少一限流电阻层制作于压力感测器内部，与压感层串接，产生限流效果，可以避免过电流对于电路系统所产生的破坏。本发明一实施例的限流电阻层所采用的电阻率级数介于10-4Ω-cm到1010Ω-cm之间，其中利用至少一层电阻材料附着于一压感层外部，用以作为限流电阻层，并将其串联安置于压力感测器元件结构中，可由此限制压力感测器输出的电阻下限。在压力感测器受到的外部压力超过事先设定的一个压力阀值(pressure threshold)时，压力感测器的输出电阻将会呈现饱和输出，也就是输出的电阻值将会保持一个固定数值而不会下降。
由于限流电阻层提供一个固定电阻值，此外压感层则可提供一个会随着压力的增加而减小的变动电阻值，整体输出电阻如同串联电阻的结构，其中串联电阻的总电阻值由各成分的电阻相加。通过利用前述限流电阻层所提供的固定电阻可形成一个电阻下限，使得压力感测器在受压到最大极限时，整体电阻不会过小，由此可以防止过电流的发生。
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合所附附图做详细说明。
附图说明
图1为现有压力感测器示意图；
图2为图1中的压力感测器受到外界压力作用的示意图；
图3为不同材料所对应的电阻率级数示意图；
图4为本发明一实施例的压力感测器示意图；
图5为本发明另一实施例的压力感测器示意图；
图6为本发明另一实施例的压力感测器示意图；
图7为本发明另一实施例的压力感测器示意图；
图8是基于图4的压力感测器结构的另一实施例；
图9是基于图6的压力感测器结构的另一实施例；
图10是基于图6的压力感测器结构的另一实施例；
图11为各种不同压力感测器的电阻-压力特性曲线图；以及
图12为本发明一实施例的拳击机示意图。
主要元件符号说明
基板10、109、21、219；
第二电极层11；
第一电极层119；
第一压感层12、23、33；
第二压感层129、239、339；
支撑体15；
空隙16；
第一限流电阻层22、32；
第二限流电阻层229、329、429；
电路系统C；
支撑架H；
显示荧幕N；
压力感测器S；
电路单元U。
具体实施方式
图4表示本发明一实施例的压力感测器示意图，其中一第一限流电阻层22安置于第二电极层11下方，且位于压感层23上方，由此可使得第二电极层11、第一限流电阻层22以及第一压感层23形成三明治结构，其中第一、第二电极层119、11电性耦合至电路系统C。
图5表示本发明另一实施例的压力感测器示意图，其中图5与图4的差别在于省略了第二电极层11。当第一限流电阻层22不大时，由于电流密度分布影响较小，此时可以省略上层的第二电极层11，而以第一限流电阻层22取代第二电极层11的功能，并使其直接电性耦合至电路系统C。如图5所示，第一限流电阻层22安置于基板21与第一压感层23之间，此外第一电极层119则电性耦合至电路系统C。
图6与图1的差别在于第二电极层11下方增加了第一限流电阻层22，同时在第一电极层119上方增加第二限流电阻层229。当限流电阻层22、229的电阻较大时，会导致电流分布不均而影响元件效果，此时可以采用本实施例的结构，亦即在限流电阻层外侧增设金属电极层，用于提高电流分散的效果，并使电流密度可以均匀分布。
图7与图6的差别在于省略了第二电极层11以及第一电极层119。在本实施例中，第一限流电阻层22安置于基板21与压感层23之间，此外第一限流电阻层22直接电性耦合至电路系统C。另一方面，第二限流电阻层229安置于基板219与压感层239之间，其中第二限流电阻层229同样直接电性耦合至电路系统C。举例而言，前述第一、第二限流电阻层22、229可包含导电碳胶、金属氧化物、纳米细线、纳米碳管、导电银碳胶或导电银胶等材质。
图8是基于图4的压力感测器结构而衍生的另一实施例，其中图8所示的第一限流电阻层32取代图4的第一限流电阻层22，其主要以电阻率为3.2*106Ω-cm的碳胶材料所制成。根据压力感测器所受压力与输出电阻的特性，当外界压力增加时，压感层33、339的电阻变化介于104Ω至102Ω之间，其中当压感层33、339尚未受压时，其电阻约为104Ω，而当压感层33、339受压至极限时，其电阻则约为102Ω。
在本实施例中，第一限流电阻层32的厚度为10μm，并可通过图案化制作工艺将第一限流电阻层32的面积制作为1平方厘米(cm2)，计算碳胶材质的第一限流电阻层32的等效电阻如下：
R＝(3.2*106Ω-cm*10μm)/1cm2＝3.2*103Ω
因为整体压力感测器的电阻输出为各层材料的串联电阻加总，即是：
压力感测器串联电阻＝第一限流电阻层32的电阻+第一压感层33的电阻+第二压感层339的电阻。
其中由于电极层的电阻为相对极小值，因此不必计算在内，此外空隙16的高电阻也不必考虑，因为压力感测器的有效电阻是在第一压感层33与第二压感层339接触时起算。在本实施例中的第一限流电阻层32为碳胶材质，其固定电阻值为3.2*103Ω，再加上压感层33、339的可变电阻，因此整个压力感测器的串联电阻的输出可以控制在3.2*103Ω以上。换言之，当压力感测器接收到过大的压力时，压力感测器的输出电阻将会保持在略大于3.2*103Ω的饱和输出。
图9是基于图6的压力感测器结构所衍生的另一实施，其中图9的第一限流电阻层32取代图6中的第一限流电阻层22，其主要以电阻率为3.2*106Ω-cm的碳胶材料制成，此外第二限流电阻层329也是以相同的碳胶材料所制成。
本实施例中的压感层33随着压力增加，其电阻变化在104Ω与102Ω之间，当压感层33、339尚未受压时，电阻约为104Ω，一但压感层33、339受压至极限时，电阻则降为102Ω。应了解的是，在压感层33、339所受压力未达到一阀值(6KPa)之前，电阻与压力呈线性变化关系(如图11中的线段AB所示)，其中本实施例将第一限流电阻层32制成10μm厚度，并通过图案化制作工艺将第一限流电阻层32的面积制作为1平方厘米(cm2)，而碳胶材质的第一、第二限流电阻层32、329的等效电阻可通过算式得出如下：
R＝(3.2×106Ω-cm×10μm)/1cm2＝3.2×103Ω
因为整体压力感测器的电阻输出为各层材料的串联电阻加总，即是：
压力感测器串联电阻＝第一限流电阻层32的电阻+第一压感层33的电阻+第二压感层339的电阻+第二限流电阻层329的电阻。
在本实施例中的第一限流电阻层32为固定电阻3.2×103Ω，第二限流电阻层329也为固定电阻3.2×103Ω，相加得到6.4×103Ω，再加上第一、第二压感层33、339的可变电阻，因此整个压力感测器的串联输出电阻可以控制在6.4×103Ω以上。换句话说，当压力感测器接收到过大的压力时，压力感测器的输出电阻将会保持在略大于6.4×103Ω的饱和输出。
图10是基于图6的压力感测器结构所衍生的另一实施，其中图10的第一限流电阻层32取代图6中的第一限流电阻层22，其主要以电阻率为3.2×106Ω-cm的碳胶材料制成，此外第二限流电阻429则是以电阻率为4.5×10-3Ω-cm的银胶材料所制成。接着可根据压力感测器的材料特性计算出压力与输出电阻的对应关系，其中压感层33、339随着压力增加，其电阻值变化在104Ω与102Ω之间。当压感层33、339尚未受压时，电阻值约在104Ω附近，一但压感层33、339受压至极限时，电阻则为102Ω。
需特别说明的是，当压感层33、339受压压力未达一阀值(10KPa)时，电阻与压力呈线性变化关系(如图11中的线段AC所示)。在本实施例中，第一限流电阻层32制作成为10μm的厚度，并通过图案化制作工艺将第一限流电阻层32的面积制作为1平方厘米(cm2)，计算第一限流电阻层32的等效电阻，其算式如下：
R＝(3.2×106Ω-cm×10μm)/1cm2＝3.2×103Ω
另一方面，在本实施例中将银胶材质的第二限流电阻层429制作成为10μm的厚度，并可通过图案化制作工艺将第二限流电阻层429的面积制作为1平方厘米(cm2)，计算第二限流电阻层429的等效电阻，其算式如下：
R＝(4.5×10-3Ω-cm×10μm)/1cm2＝4.5×10-6Ω
因为整体压力感测器的电阻输出为各层材料的串联电阻加总，即是：
压力感测器串联电阻＝第一限流电阻层32的电阻+第一压感层33的电阻+第二压感层339的电阻+第二限流电阻层429的电阻。
在本实施例中的第一限流电阻层32(碳胶)为固定电阻3.2×103Ω，第二限流电阻层429(银胶)也为固定电阻4.5×10-6Ω，相加约略得到3.2×103Ω，再加上压感层33、339的可变电阻，因此整个压力感测器的串联输出电阻可以控制在3.2×103Ω以上。换言之，当压力感测器接收到过大的压力时，压力感测器的输出电阻将会保持在略大于3.2×103Ω的饱和输出。
再请参阅图11，其中线段AD表示图1中压感层19、129所呈现的电阻-压力特性曲线，由线段AD可以看出现有压力感测器的整体输出电阻单纯由压感层12、129的可变电阻总和所决定，所以其输出电阻的特性对数图如直线AD所示，呈现出完整的线性关系。其中，当压力在4.4×10-1KPa时，电阻约在1.3×105Ω附近，压力在3×102KPa时，电阻则约在1×102Ω附近，中间压力由小到大，对应的电阻输出呈线性递减。
图8以及图10的压力感测器所呈现的输出电阻，可视为固定电阻外加可变电阻的表现，其电阻-压力特性可参阅图11中的线段AC所示：当压力在4.4×10-1KPa～1.1×100KPa区间时，随着压力的增加，输出的电阻呈线性递减；当压力超过101KPa时，电阻约在大于3.2×103Ω附近呈现饱和输出。
图9中的压力感测器所呈现的输出电阻，同样可视为固定电阻外加可变电阻的表现，其电阻-压力特性可参阅图11中的线段AB所示：当压力在4.4×10-1KPa～6×100KPa区间时，随着压力的增加，电阻呈线性递减；当压力超过6×100KPa时，电阻约在略大于6.4×103Ω附近呈现饱和输出。
图12表示本发明一实施例的拳击机示意图，其中该拳击机上可设置如前所述的压力感测器，由于前述压力感测器具有饱和电阻输出特性，因此选择适当的材料作为拳击机的压力感测器，可使得打击者击出过大的力量时，拳击机系统不会被过电流所破坏。如图12所示，本实施例的拳击机主要包括一压力感测器S、一支撑架H、一电路单元U以及一显示荧幕N，其中压力感测器S可作为拳击靶并且固定在支撑架H上，此外电路单元U则与显示荧幕N以及压力感测器S电连接，用以侦测使用者施加在压力感测器S上的外部打击力量。
根据图11的各曲线特性，可以得知线段AB(对应于图9的压力感测器结构)适合应用于压力区间为4.4×10-1KPa～6×100KPa的产品，此外另一线段AC(对应于图8、图10的压力感测器结构)则较适合于压力区间为4.4×10-1KPa～101KPa的产品。
虽然以前述的较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰。因此本发明的保护范围应以所附的权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种压力感测器，包含：
第一限流电阻层；
第一压感层，连接该第一限流电阻层；
第二压感层，其中该第一、第二压感层之间形成一空隙；
第一电极层，连接该第二压感层；以及
支撑体，设置于该第一、第二压感层之间以形成该空隙。
2.如权利要求1所述的压力感测器，其中该压力感测器还包含第二限流电阻，安置于该第一电极层与该第二压感层之间。
3.如权利要求2所述的压力感测器，其中该第一限流电阻层的电阻率级数介于E-4～E10Ω-cm之间。
4.如权利要求2所述的压力感测器，其中该第二限流电阻层的电阻率级数介于E-4～E10Ω-cm之间。
5.如权利要求1所述的压力感测器，其中该压力感测器还包含第二电极层，且该第一限流电阻层位于该第一压感层以及该第二电极层之间。
6.如权利要求1所述的压力感测器，其中该第一限流电阻层包含导电碳胶、金属氧化物、纳米细线、纳米碳管或导电银碳胶材质。
7.如权利要求2所述的压力感测器，其中该第二限流电阻层包含导电碳胶、金属氧化物、纳米细线、纳米碳管或导电银胶材质。
8.一种压力感测器，包含：
第一限流电阻层；
第一压感层，连接该第一限流电阻层；
第二压感层，其中该第一、第二压感层之间形成一空隙；
第二限流电阻层，连接该第二压感层；以及
支撑体，设置于该第一、第二压感层之间以形成该空隙。
9.如权利要求8所述的压力感测器，其中该压力感测器还包含第一电极层，且该第二限流电阻层位于该第一电极层以及该第二压感层之间。
10.如权利要求8所述的压力感测器，其中该压力感测器还包含第二电极层，且该第一限流电阻层位于该第一压感层以及该第二电极层之间。
11.一种拳击机，包含：
拳击靶，具有如权利要求1或8所述的压力感测器，其中一外部打击力量可施加于该拳击靶上；以及
支撑架，用以固定该拳击靶。
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