CN1732544A

CN1732544A - 箔型开关元件

Info

Publication number: CN1732544A
Application number: CNA2003801081449A
Authority: CN
Inventors: 沃纳·比克; 德里斯·沙巴赫; 伊薇斯·德科斯特; 阿洛伊斯·基尔希
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2023-12-08
Also published as: DE60309351T2; ATE343846T1; CN100380550C; KR20050085430A; EP1570498B1; US20060254899A1; WO2004053906A1; EP1429355A1; JP2006509335A; AU2003299212A1; EP1570498A1; DE60309351D1

Abstract

一种箔型开关元件，包括彼此之间通过垫片以一定距离设置的第一载体箔和第二载体箔，所述垫片包括限定所述开关元件有源区域的至少一个凹陷，以及用这样一种方式设置在所述第一和第二载体箔之间、开关元件的有源区域中的至少两个电极，即，响应作用在开关元件有源区域上的压力，克服弹性载体箔的反作用力第一和第二载体箔被压在一起，并且在至少两个电极之间建立起电接触。根据本发明，所述第一和第二载体箔的其中之一包括多层构造，该构造具有内部支撑箔和外部弹性激活层，用于将作用在开关元件上的力引入所述开关元件的所述有源区域的中心部分。

Description

箔型开关元件

技术领域

本发明涉及一种箔型开关元件，其包括通过垫片以彼此分开特定距离设置的第一载体箔和第二载体箔。所述垫片包括至少一个凹陷，该凹陷限定所述开关元件的一个有源区域。至少两个电极以这样一种方式设置在所述第一和第二载体箔之间的所述开关元件有源区域中，即响应作用在所述开关元件有源区域上的压力，第一和第二载体箔克服弹性载体箔的反作用力被压在一起，并且在至少两个电极之间建立起电接触。

背景技术

在现有技术中，这种箔型开关元件的若干实施例是公知的。这些开关元件中的某一些是作为简单开关进行配置的，这些简单开关包括设置在第一载体箔上的第一电极和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。所述电极可以是覆盖着有源区域内部各个载体箔基本整个表面的平面结构。

现有技术中公知的其它开关元件是作为具有一定电阻的压力传感器进行配置的，其电阻是随着所施加的压力而变化。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，而第二电极以面对第一电极的方式设置在第二载体箔上。至少其中一个电极由例如半导体材料的压敏材料层覆盖，从而在第一和第二载体箔响应于施加在开关元件上的力被压在一起时，在第一和第二电极之间经由压敏材料层建立电接触。这种类型的压力传感器通常以所谓的“直通模式”进行工作。

在压力传感器的另一实施例中，第一和第二电极以间隔开来的关系设置在第一和第二载体箔的其中之一上，而另一载体箔由压敏材料层所覆盖。所述压敏材料层以与第一和第二电极面对的关系设置，从而在所述第一和第二载体箔响应于作用在开关元件有源区域上的力被压在一起时，该压敏材料层并联第一和第二电极。这些传感器以所谓的“并联模式”进行工作。

上述开关元件可节约成本进行制造，并且在实际使用中非常稳固和可靠。

这种开关元件的电子响应依靠于所述电极的类型、可能的压敏材料层的存在、在所述开关元件的有源区域中的所述电极的设计以及它们的布置方式，并且最终取决于物理接触，这种物理接触响应作用在有源区域上的力建立在所述电极之间。在作用于有源区域上的力的情况下，所述电极之间的物理接触是由所述开关元件的机械响应所确定的。这种机械响应可由薄膜模型所描述。所述薄膜的变型与垂直施加在所述薄膜的压力成比例，并且取决于所述薄膜的弹性特性、厚度以及约束装置的半径。

如果所述传感器设置在覆盖材料之下，特别是如果覆盖材料相当坚硬和/或强有力地拉紧在所述开关元件之上的话，这种机械响应可受到负面影响。在这种情况下，作用在有源区域中所述覆盖材料上的力的主要部分由覆盖材料朝向开关元件的垫片区域偏离。在这种情况下随之而来的是，开关元件的敏感性减少。

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，其消除了上述缺陷。

所述缺陷可以由根据本发明的开关装置所消除。这种开关元件包括通过垫片以特定间隔彼此间隔设置的第一载体箔和第二载体箔，所述垫片包括至少一个凹陷，其限定了所述开关元件的有源区域，以及至少两个以这样一种方式设置在所述第一和第二载体箔之间的所述开关元件的有源区域中的电极，即，响应于作用在所述开关元件有源区域上的压力，第一和第二载体箔克服弹性载体箔的作用力被压在一起，并且在至少两个电极之间建立起电接触。根据本发明，所述第一和第二载体箔的至少其中一个包括具有内部支撑箔和外部弹性激活层的多层结构，用于将作用在开关元件上的力引入所述开关元件的所述有源区域的中心区域。

在本发明的开关元件中，所述薄膜变形的发展由补充激活层所控制。取决于这种激活层的弹性-机械特性，薄膜系统中所述力的引入可以用受控方式进行调整。如果一个力作用在所述开关元件上，所述外部激活层被压缩，作为对这种压缩的反应，该力作用在内部支撑箔上。紧接着，所述薄膜变形在良好限制的条件下发生，并且所述薄膜变形基本上与所述传感器周围的材料的特征和特性无关，所述材料例如是在该位置中的不同泡沫或覆盖材料。即使由于覆盖材料的特性，作用在所述开关材料上的力朝向一个偏离于所述有源区域中心的区域偏置，压缩激活层的反作用力也会指向所述有源区域的中心区域。随之而来的是，所述激活层朝向有源区域的中心偏置作用在所述开关元件上的力，从而使薄膜的变形发生，即使外力偏离于有源区域的中心。因此所述开关元件的激活在传统开关元件根本没有响应的条件下也是可能的。事实上，由于激活层的力传送功能，本开关元件甚至可以被安装在刚性致动器下面。

作为对作用在开关元件上的力的反作用，所述激活层被压缩并且因此反作用在所述内部支撑箔上。为了将所述内部支撑箔按压在相对的载体箔上，压缩激活层的反作用必须足以使内部支撑箔至少弯曲某一距离，该距离对应于两个载体箔之间的距离。紧接着的是，所述激活层的厚度必须高于两个载体箔之间的距离。应该注意的是，为了可以激活所述开关元件，如果激活层的厚度高的话，那么激活层材料的压缩性可以较小。在一个优选实施例中，所述激活层的厚度因此远大于第一和第二支撑箔之间的距离。激活层的厚度可以是10倍大于两个载体箔之间的间隔。具有这种厚度的激活层可以使用具有相对小可压缩性的材料。这种材料提供更加线性的压缩特性，结果产生对所述开关元件的开关特性更好的控制。

可注意到的是，所述激活层可以从大量适合的材料中选择。所述激活层例如可以包括泡沫材料和/或硅胶和/或类似橡胶的材料和/或流体填充的衬垫。

在本发明的一个优选实施例中，两个所述第一和第二载体箔都包括具有用于将作用在开关元件上的力引入所述开关元件的所述有源区域的中心区域的内部支撑箔和外部塑性激活层的多层结构。在这种情况下，两个载体箔的机械响应示出了上述经过改善的特性。应该注意的是，所述第二激活层可以具有与第一激活层不同的弹性机械特性，因此对于如此配置的开关元件提供非对称的机械响应。应该认识到的是，如果两个支撑层具有不同的机械特性也可以获得这种非对称的机械响应。

在两个激活层的情况下，两个激活层的结合厚度优选地大于第一和第二支撑箔之间的距离。

为了获得经过改善的所述开关元件的机械响应，所述外部激活层可以仅仅位于所述有源区域的所述部分中。这一实施例需要最小的激活层材料，这取决于所述材料，并且激活层的设计可能是开关元件的制造成本的一个重要问题。特别是在开关垫的情况下，即多个开关元件设置有共用的载体箔的情况下，这样的结构导致更复杂的生产过程。在本发明的另一个实施例中，所述外部激活层因此基本上在所述内部支撑箔的整个区域上延伸。

在一个非常简单的实施例中，箔型开关元件构造为一个简单的薄膜开关。在这种情况下，第一电极被设置在所述第一载体箔的内部表面上，第二电极设置在所述第二载体箔的内部表面上，该电极与所述第一电极呈面对关系。在简单开关的变型中，第一和第二电极并排设置在所述第一载体箔的内部表面上，而一个并联元件被设置在所述第二载体箔的内部表面上，该并联元件与所述第一和第二电极呈面对关系。

虽然在那些简单的实施例中较好的展示了载体箔的多层构造的优势，但是这一结构在箔型压力传感器中更重要。这种箔型压力传感器构造为上述开关。与这些开关相反，所述第一和第二电极的至少其中之一由压敏电阻材料所覆盖。在另一优选实施例中，所述并联元件包括电阻材料。由于压敏电阻或半导体材料，这些压力传感器电极之间的电阻依赖于将两个载体箔按压在一起的压力。根据所述传感器的类型，两个电极结构连接之间的电阻取决于例如两个电极结构之间的接触表面的半径或尺寸。由于所述接触区域的尺寸取决于作用在所述开关元件上的压力，开关元件的电阻直接关联于作用在所述开关元件上的压力。

将认识到的是，上述压力传感器可以是几种不同的类型。在一种可能的传感器实施例中，第一电极包括基本上覆盖着所述开关元件有源区域的整个表面的平面电极，而所述第二电极包括基本上设置在所述有源区域外围的外围电极，所述电阻层从所述外围电极向内延伸。如果电压施加在所述电极结构上，并且如果所述平面电极被压在所述第二电极结构的电阻层上，那么电流从电接触表面的外围朝向外围电极径向地流过所述电阻层。在这种情况下，所述开关元件的电阻是由电阻层的非接触区域的电阻，也就是处于机械接触表面的外围和外围电极之间的部分电阻层所确定。在这种具有两个电阻层的第一类型开关元件的变型中，每个所述第一和第二电极结构可以包括基本上设置在所述有源区域外围的外围电极，所述电阻层从所述外围电极向内延伸。

在所述开关元件的另一实施例中，所述第一和第二电极中的每一个包括基本上覆盖着所述开关元件的有源区域的整个表面的平面电极，并且所述电阻层设置在所述第一或第二平面电极的顶部。如果电压施加在所述电极结构上而且如果所述平面电极被压在第二电极结构的电阻层上，电流从第一电极结构和电阻层之间的边界层朝向第二平面电极垂直地流过所述电阻层。在这种情况下，所述开关元件的电阻是由机械接触表面和第二平面电极以下的电阻材料所确定的。

在又一实施例中，两个电极以间隔开来的关系设置在第一载体箔上，而第二载体箔由电阻材料所覆盖，这就形成了所述开关元件的并联元件。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一和第二载体箔的至少其中之一还包括外部致动层，所述致动器设置在激活层背向内部支撑箔的一侧上。为了在所述激活层的整个表面上均匀地分配作用在开关元件上的力，所述外部致动层例如可以是刚性的。结果，所述激活层均匀地被压缩并且所述力被优化地导入开关元件的有源区域。作为另一个优点，刚性的致动层对所述激活层来说是一保护层。

附图说明

从结合附图对非限定实施例所作的下述说明，本发明会更加显而易见，其中，

图1示意性地示出开关元件的第一实施例的剖视图；

图2示意性地示出开关元件的第二实施例的剖视图，所述开关元件由作用在所述开关元件上的力所激发；

图3示出根据本发明的压力传感器和传统压力传感器的响应函数；

图4示出一种开关元件的非对称实施例的剖视图。

具体实施方式

图1总地表示出开关元件10的剖视图。第一载体箔12和第二载体箔14通过垫片16以一定的距离设置。所述垫片16包括凹陷或切入部分17，从而使所述垫片16围绕所述开关元件的有源区域18。电极19以这样一种方式设置在所述载体箔的内部表面上，即，如果所述载体箔被按压在一起，那么会在所述电极之间建立起电接触。在示出的实施例中，电极19设置在呈面对关系的每个载体箔上。但是，应该认识到的是，其它布局也是可能的，例如，两个间隔开的电极设置在所述载体箔的其中之一上而一并联元件设置在第二载体箔上。

每个第一和第二载体箔包括具有内部支撑箔20和22以及由弹性塑料材料制成的外部激活层24和26的多层构造。所述激活层24和26叠置在支撑箔20，22的外部表面上并且因此与开关元件外界环境接触，这些激活层可以是由诸如泡沫材料、硅胶、类似橡胶的材料或流体填充衬垫的弹性材料所制成的。如果压力作用在开关元件的其中一个表面上，那么所述力就会作用在相应的激活层24，26上。响应于作用在开关元件上的这种压力，所述弹性激活层在它的外部表面上被压缩，作为对这种压缩的反作用，又作用在下面的支撑箔上。所述激活层的这种响应导致所述支撑箔朝向相对的载体箔弯曲，直至在所述电极19之间建立起接触。

图2示出当力F经由刚性致动器28作用在所述开关元件上时的开关元件。因为作用在致动器28上的压力，所述激活层24压缩并且其部分地反作用在支撑箔上。正如可以看到的那样，被压缩的激活层24在支撑箔上施加一个力，这就导致所述支撑箔朝向相对的载体箔弯曲。应该注意的是，尽管力F偏离于所述有源区域的中心，但是所述支撑箔的弯曲关于所述有源区域的中心对称。

为了在确保所述开关元件激发的支撑箔上提供可靠的反作用，对激活层24，26厚度的选择成相当厚于相应的支撑箔20和22的厚度。但是，应该认识到的是，图1中示出的两个激活层24，26具有不同的厚度。这种不同导致所述激活层的不同机械特性以及所述开关元件的非对称机械响应。这种非对称特性也可以通过提供由不同弹性材料制成的两个激活层24和26或通过使用具有完全不同机械特性的支撑箔20和22来实现。

开关元件的非对称机械响应在图4中示意性示出。在所示的实施例中，下部载体箔14被示为刚性高于上部载体箔12的，从而使得所述下部载体箔比上部载体箔弯曲得少。

图3a示出在由机械刚性致动器致动的平面激活过程中，设置在泡沫材料上的特定压力传感器的激发特性。这种激发特性的曲线总地由30所指示。所述传感器在大约p＝100mbar时激发并且对所述作用力仅呈现出微弱的依赖性。这种依赖性显著地与所希望的线性标称特性不同(图32)。

但是，如果在刚性致动器和传感器之间设置补充激活层，所述传感器在相同的操作条件下的反作用更加敏感并且呈现出与所述作用力成比例的响应函数(34)，即所述响应函数平行于希望的标称特性。这种响应功能示出在图3b中。

Claims

1、一种箔型开关元件，包括

彼此之间通过垫片以一定距离设置的第一载体箔和第二载体箔，所述垫片包括限定所述开关元件有源区域的至少一个凹陷，以及

以这样一种方式设置在所述第一和第二载体箔之间、开关元件的有源区域中的至少两个电极，即，响应作用在开关元件有源区域上的压力，克服弹性载体箔的反作用力第一和第二载体箔被压在一起，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的其中之一包括多层构造，具有内部支撑箔和外部弹性激活层，用于将作用在开关元件上的力引入所述开关元件的所述有源区域的中心部分。

2、根据权利要求1所述的箔型开关元件，其中所述激活层的厚度远大于第一和第二支撑箔之间的距离。

3、根据权利要求1或2所述的箔型开关元件，其中所述第一和第二载体箔包括一种多层构造，具有内部支撑箔和外部弹性激活层，用于将作用在开关元件上的力引入所述开关元件的所述有源区域的中心部分。

4、根据权利要求3所述的箔型开关元件，其中两个激活层的组合厚度远大于第一和第二支撑箔之间的距离。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的箔型开关元件，其中所述外部激活层仅位于所述有源区域的区域中。

6、根据权利要求1至4中任一项所述的箔型开关元件，其中所述外部激活层基本上在内部支撑箔的整个表面上延伸。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的箔型开关元件，其中第一电极设置在所述第一载体箔的内部表面上，第二电极与所述第一电极呈面对关系地设置在第二载体箔的内部表面上。

8、根据权利要求1至6中任一项所述的箔型开关元件，其中第一和第二电极并且设置在所述第一载体箔的内部表面上，而一个并联元件设置在第二载体箔的内部表面上、与所述第一和第二电极呈面对关系。

9、根据上述权利要求中任一项所述的箔型开关元件，其中所述第一和第二电极中的至少一个由电阻材料所覆盖。

10、根据权利要求8所述的箔型开关元件，其中所述并联元件包括电阻材料。

11、根据上述权利要求中任一项所述的箔型开关元件，其中所述第一和第二载体箔的其中之一还包括外部致动层，所述致动层设置在所述激活层的背向内部支撑箔的一侧上。

12、根据上述权利要求中任一项所述的箔型开关元件，其中所述激活层包括泡沫材料。

13、根据上述权利要求中任一项所述的箔型开关元件，其中所述激活层包括硅胶。

14、根据上述权利要求中任一项所述的箔型开关元件，其中所述激活层包括类似橡胶的材料。

15、根据上述权利要求中任一项所述的箔型开关元件，其中所述激活层包括流体填充衬垫。