CN1885584A - 压力感知型无触点开关 - Google Patents

Abstract

压力感知型无触点开关。本发明属于电子元件类，特别是由压电或压阻传感材料结合封装的感知型开关。本开关采用了压电、或压阻、或压电压阻复合的传感材料，在传感材料的受力面两侧分别连接有电极作为输入输出端，除受力面外，整个器件或部分器件镶嵌在具有一定柔性的基板上，顶部的电极表面覆盖一层绝缘保护膜，各电极连接至调理采样电路。本发明结构简单，可在实现开关操作的同时，对丰富的操作状态予以采样，经后端电路、软件进行分析后，获得多模式输入的效果。

Description

压力感知型无触点开关

技术领域

本发明属于电子元件类，特别是由压电、或压阻、或压电压阻复合传感材料结合封装的感知型开关。

技术背景

随模拟、数字电子技术及材料技术的发展，大量的新型压力敏感材料不断面世，被用来制备传感器。但一直没有一种低成本封装的、能对操作状态采样的压力感知型开关，限制了力敏感型传感器的使用。在中国专利文献中，专利申请号200320123875公开了一种压电开关，此技术应用的原理是，在压电薄膜两端施加有电压，当受压后压电薄膜被击穿，产生电离导通的效应。但该专利申请仍然只是作为不导体转换为导体的普通开关，并不对操状态进行采样，无法获得多模式输入效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压力感知型无触点开关，其结构简单，可在实现开关操作的同时，对丰富的操状态予以采样，经后端电路、软件进行分析后，获得多模式输入的效果。

解决本发明的技术问题所采用的方案是：在压电、或压阻、或压电压阻复合材料的受力面两侧分别连接有电极作为输入输出端，除受力面外，整个器件或部分器件镶嵌在具有一定柔性的基板上，顶部的电极表面覆盖一层绝缘保护膜，各电极连接至调理采样电路。

本发明所述的压力感知型无触点开关工作时，操作控制压力引发压电或压阻传感器力——电转换，通过判断输出端电流或电压的变化可以知道是否被触发，断开和触发的压力值。传感材料和电极的结合整体镶嵌于绝缘柔性材质的基板，可屏蔽除控制力方向之外的震动或其他力的影响，保证本开关的工作可靠。控制力的大小与电极两端电压的大小关联，通过后端调理采样电路对感应到的电压调理，并采样分析，可以通过电压的大小和变化的方式，得到控制力的大小、控制施加的方式和开关触发的判断。

附图说明

图1为本发明单片压电式开关的结构示意图；

图2为本发明单片压阻式开关的结构示意图；

图3为本发明对状压电式开关的结构示意图；

图4为本发明对状压电压阻式开关的结构示意图；

图5为本发明有位置编码功能的开关结构示意图；

图6为本发明带有碗形传感器件的开关结构示意图。

图中各标号依次表示：压电材料1、电极2、基板3、绝缘保护膜4、调理采样电路5、压阻材料6、绝缘体7。

具体实施方式

实施例1

参见图1所示的单片压电式开关示意图，压电材料1的受力面两侧分别连接有电极2，压电材料1与电极2组合成的整体镶嵌于绝缘柔弹材质的基板3中，顶部的电极2上表面覆盖一层绝缘保护膜4，电极2连接至调理采样电路5中。压电材料1是具有力——电转换特征的材料，如压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等，压电材料的极化方向与控制力方向一致；电极的引线与电极2接触，可以是印刷导电油墨的膜、金属片、或者复合型导电材料，也可以与电极一体成型；基板3应具有良好的绝缘性能，同时还要有良好的抗震缓冲性能，可采用聚氨酯板、橡胶板等。当控制的动作发生时，压电材料被挤压，释放静电荷，在输出端产生正电压，当控制动作结束时，压电材料释放，在正极端产生负电压。控制力的大小与电压的大小成正比，通过后端电路调理，并采样分析，可以对控制力的大小、控制施加的方式和开关触发进行判断。压电材料要有高的机电耦合系数，才有高的灵敏度。柔性绝缘缓冲材料的基板3不能太软，要保证一定的强度和韧性，可以采用聚氨酯板、橡胶板等。传感器件的封装形式为，在基板3上预留电极2引线沟槽，埋入或印刷电极引线，印刷有电极引线的绝缘保护膜4热压或粘贴在基板3上，将嵌入基板3的传感器件封装起来。电路为无源电路，不需要加载电流。绝缘保护膜4可采用带印刷屏蔽网的单层或夹层膜片，保证压电信号受较小干扰。

实施例2

参见图2所示的单片压阻式开关示意图，其结构同实施例1，压阻材料6采用具有力——电阻变化特征的材料，如应变片、压阻半导体、压阻复合材料等。压阻材料可以是单片，也可以是多片组合成桥式电路，如应变片，封装后以单片理解。当控制的动作发生时，压阻材料6被挤压，其输出端电阻发生变化，当控制动作结束时，压阻材料还原，电阻恢复到标定值。通过后端调理采样电路5的调理，统一采样方式，如电压、电流并采样分析，可以通过电压或电流的大小和变化的方式，得到控制力的大小、控制施加的方式和开关触发的判断。压阻类材料一般对高频响应比较差，有一定的迟滞，不能用于快速开关的判断。压阻材料可以根据应用目的制作成不同的形状，如拱形、碗形，也可脱离于柔性基板外，只要保证唯一受力面来自操作控制方向。基于压阻材料的特性，绝缘保护膜可以不加屏蔽层。

实施例3

参见图3所示的对状压电式开关的结构示意图，基本结构同实施例1，压电材料1为层叠的对状组合结构，即多组压电材料1与电极2层叠组合，再镶嵌于绝缘柔弹材质的基板3中，可以共用或不共用电极的负极。当控制的动作发生时，两组压电材料1的正极释放静电荷，在输出端产生正电压，当控制动作结束时，压电材料1释放，在正极端产生负电压。控制力的大小与电压的大小成正比，通过后端电路调理，并采样分析，可以通过电压的大小和变化的方式，得到控制力的大小、控制施加的方式和开关触发的判断。对状组合结构的主要目的是构建阵列传感开关组，可以通过矩阵扫描的方法降低传感开关组的端线引脚，提高传感器的灵敏度和可靠性。

实施例4

参见图4所示的对状压电压阻式开关示意图，基本结构同实施例3，压电材料1和压阻材料6的电极2间有一层绝缘体7。当控制的动作发生时，顶层和底层的压电材料1产生电荷变化，中间的压阻材料6产生电阻变化，判断输出端可以得到控制力的大小、控制施加的方式和开关触发的判断，压电压阻式结构的主要目的之一同实施例3，目的之二是同时采集动态操作力和静态操作力。由压电材料的原理可知，压电类材料对于动态力的响应很好，但因为电荷泄漏的原因，很难采集静态力，而压阻材料正相反，对于静态力有很好的响应，对动态、特别是高频动态力，因为材料蠕变和其他原因，不能有好的响应。本发明将两种材料组合在一个开关位置内，很好的解决了以上矛盾。

实施例5

参见图5，基本结构与实施例1相同，由多组开关元件组合成开关阵列，即把所有同位置编号的压电或压阻材料片串联或并联起来。具体的工作方式是，由0-4号共5片压电片组成元件，压电片都极化过，有正、负极，放置方式如图6-2，组合方式就有2的5次方种状态，即32种编码，设正电压为1，负电压为O。编码号如11111，即5个压电片都是正极向受力面，其受压后，所有口线输出正电压，其释放后，所有口线输出负电压，即00000。这两个编码就对应A键位的触发和释放，所以，可用开关位置编码有32/2＝16种。例如，A键的压电片组合为0-4号均为正极向受力面，则A键触发码为11111，释放码为00000，口线1定义为前向键。如果电路接受到受力端面的5条口线都有正电压，即11111，则确定A键触发，随后，口线1有明确正电压信号，其他线没有或较小，则判断A键又触发一次前向动作，直到电路收到00000信号，则判断A键释放。同理，可以设置B键为O负、1正、2正、3负、4正，这样B键的触发码为01101，释放码为10010。

特别说明，①可以用正、负、没有压电片或没有极化过的压电片组合成元件，一个编码位置就有1、-1、0这3种状态，由5个编码位置组合的开关就可提供3的5次方种状态，即243种，扣除00000状态，有242种，实际可用编码有242/2＝121种。但实际应用中，为了保证可靠性，不建议使用有0状态的方式；

②可以根据应用需要，在不采用0状态的情况下，设计2-N种编码位置组合，可提供组合状态有2的N次方种，如9个编码位置，有2的9次方种状态，即512，可用编码键位数为512/2＝256种，口线数为9*2＝18条；

③在要采集位置和方向动作时，这种编码方式不能完全避免键位冲突，如A键触发后，B键触发，系统将不好准确判断是A键的方向动作还是B键的触发动作。设计编码的时候要尽量避开可能的编码冲突；

④如果只作为位置编码开关处理，则可避免键位冲突，因为压电信号占用口线时间极短，是ms秒极，触发信号通过后口线就处于空闲状态；

⑤采用的压电材料要有比较高的敏感性。

⑥触发的力传动部分要根据应用目的，设计合适的结构，才能确保功能的实现。

⑦根据需要，可以与本专利的其他组合形式再组合，构成新的结构。

Claims (9)

1.一种压力感知型无触点开关，其特征在于，由压电、或压阻、或压电压阻复合材料制作的传感器件，分别引电极作为输入输出端，器件镶嵌于具有一定柔性的基板上，电极连接至调理采样电路。

2.如权利要求1所述的传感开关，其特征在于，传感器件是由单片压电材料制作而成。

3.如权利要求1所述的传感开关，其特征在于，传感器件是由单片压阻材料制作而成。

4.如权利要求1所述的传感开关，其特征在于，传感器件是由对状组合压电材料制作制作而成。

5.如权利要求1所述的传感开关，其特征在于，传感器件是由压电材料根据极化方向正反，按阵列式排列组合成的压电编码片制作而成。

6.如权利要求5所述的传感开关，其特征在于，传感器件是由压电编码片和压阻材料组合制作而成。

7.如权利要求1所述的传感开关，其特征在于，组成传感器件的压电、压阻材料呈碗形、弓形、帽形或条形。

8.如权利要求1所述的传感开关，其封装形式为，在基板上预留电极引线沟槽，埋入或印刷电极引线，印刷有电极引线的绝缘保护膜热压或粘贴在基板，封装嵌入基板的传感器件。

9.如权利要求9所述的传感器开关封装方式，其特征在于，绝缘保护膜采用带印刷屏蔽网的单层或夹层膜片。

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