DE112007000370T5 - Gedruckter kapazitiver Sensor - Google Patents
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Abstract
Kapazitiver
Sensor, mit:
einer ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage mit einer ersten und zweiten Seite und einer Dicke zwischen 8 und 250 Mikrometern;
einer elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage auf der ersten Seite der ersten dielektrischen Lage mit einem Detektor und einer Spur;
einer ersten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf einer zweiten Seite der ersten dielektrischen Lage; und
einem Kapazitätsmesser, der mit der Detektor- und Spurlage und mit der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
einer ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage mit einer ersten und zweiten Seite und einer Dicke zwischen 8 und 250 Mikrometern;
einer elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage auf der ersten Seite der ersten dielektrischen Lage mit einem Detektor und einer Spur;
einer ersten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf einer zweiten Seite der ersten dielektrischen Lage; und
einem Kapazitätsmesser, der mit der Detektor- und Spurlage und mit der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
Description
- Technisches Gebiet
- Diese Erfindung betrifft einen flexiblen kapazitiven Sensor. Genauer betrifft die Erfindung einen zur Massenherstellung geeigneten kapazitiven Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen Anwendungen, und der inkrementelle Änderungen beim Druck basierend auf den Änderungen der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
- Hintergrund
- Sensoren, wie der Begriff hier verwendet wird, beziehen sich auf Systeme, die auf eine Änderung in der Umgebung reagieren. Drucksensoren reagieren auf eine aufgebrachte Kraft oder einen Druck unter Nutzung einer Vielfalt von physikalischen Prinzipien. Optische Sensoren ändern ihre optischen Eigenschaften unter aufgebrachter Kraft. Ähnlich weisen elektrische Widerstandssensoren, oder einfach Widerstandssensoren, einen elektrischen Widerstand auf, der sich unter aufgebrachter Kraft ändert.
- Piezowiderstandssensoren messen die Änderung des elektrischen Widerstands von einem Piezowiderstandsmaterial, wenn Druck aufgebracht wird.
- Kapazitive Sensoren ändern Kapazität. Dies kann als Reaktion auf eine aufgebrachte Kraft erfolgen; es kann auch als Reaktion auf die Nähe von einem Objekt mit einer relativ großen Kapazität erfolgen, wie beispielsweise eine Person. Kapazitive Sensoren können auch eine Kombination von Widerstandswahrnehmung und kapazitiver Wahrnehmung bzw. Messung verwenden, bei welcher der elektrische Widerstand gemessen wird, wenn sich die Kapazität ändert.
- Kapazitive Sensoren sind bekannt und werden zum Beispiel in Tastbildschirmen und Aufzugstasten verwendet. Die Änderung der Kapazität basiert typischerweise auf einem von zwei Prinzipien. Der erste Ansatz bringt ein Ändern der durch das Wahrnehmungs- bzw. Sensor-System überwachten Kapazität mit sich, durch direkten elektrischen Kontakt mit einem großen kapazitiven Objekt, üblicherweise eine Person durch ihre Finger. In bestimmten Fällen kann diese Art von Sensor auch funktionieren, um die Nähe von einem Objekt an dem Tastbildschirm zu erfassen, wobei kein physikalischer Kontakt mit dem Tastbildschirm erforderlich ist. Diese Systeme erfordern häufig direkten Kontakt zwischen der Person und dem Sensor-System und können nicht wirken, wenn zum Beispiel die Person einen Handschuh trägt. Außerdem kann eine kapazitive Kopplung nicht gut geeignet sein, um den aufgebrachten Druck oder die Nähe quantitativ zu messen, wobei sie aber zu einer binären (ein/aus) Wahrnehmung bzw. Messung imstande ist.
- Ein anderer Ansatz verwendet zwei leitfähige Ebenen, die durch ein kompressibles bzw. zusammendrückbares, elastisches Dielektrikum getrennt sind. Dieser Verbund bildet einen Kondensator aus, dessen Kapazität teilweise von dem Abstand zwischen den leitfähigen Ebenen abhängt. Die Kompression des Dielektrikums unter Druck ändert die Kapazität zwischen den Ebenen, was durch das Sensor-System erfasst werden kann. Durch Kalibrieren der Kompression mit der aufgebrachten Kraft oder dem Druck, kann dieses System verwendet werden, um die Kraft oder den Druck der Wechselwirkung bzw. Interaktion mit dem Sensor zu quantifizieren.
- In den letzten Jahren gab es ein wachsendes Interesse an so genannten „intelligenten Tuchwaren (smart fabrics)", die elektronischen Geräten eine physikalische Flexibilität verleihen. Sie lassen zu, dass ein elektronisches Gerät in eine bestehende Tuchware aufgenommen wird, eher als dass sie ein separates elektronisches Gerät aufweisen. Ein Beispiel von einer intelligenten Tuchware ist eine Computer-Tastatur, die aufgerollt werden kann, wenn sie nicht verwendet wird.
- Flexible Sensoren werden für intelligente Tuchwaren und andere Anwendungen benötigt, die Flexibilität erfordern. Flexible optische Drucksensoren wurden zum Beispiel in dem
U.S. Patent 4,703,757 undU.S. Patent 5,917,180 beschrieben. Flexible Sensoren, basierend auf einem elektrischen Kontakt von zwei oder mehr leitenden Ebenen, sind von Eleksen Ltd. aus Iver Heath, Vereinigtes Königreich, erhältlich. Flexible Drucksensoren, die Prinzipien des Piezowiderstands nutzen, sind von Softswitch Ltd. aus Ilkely, Vereinigtes Königreich, erhältlich. Ein flexibler kapazitiver Sensor, basierend auf der Kapazität des menschlichen Körpers, ist in demU.S. Patent 6,210,771 beschrieben. Ein flexibler kapazitiver Sensor, der die Änderung im Abstand zwischen leitfähigen Ebenen nutzt, ist in einer Reihe von U.S. Patenten an Goldman, et al. beschrieben, einschließlichU.S. Patent 5,449,002 . Diese Patente lehren die Verwendung von flexiblen leitfähigen und dielektrischen Lagen, aber sie lehren kein System, das verwendet werden kann, um einen Ort bzw. eine Stelle zu bestimmen, noch lehren sie Systeme mit mehrfachen bzw. mehreren Sensoren (über den einfachen Fall von Replikationen von einem einzelnen Sensor hinaus). - Somit bleibt ein Bedarf an einem großflächigen flexiblen kapazitiven Drucksensor mit einer guten Raumauflösung, der imstande ist, einen aufgebrachten Druck oder eine Kraft zu quantifizieren. Hier sprechen wir jene Probleme an durch Beschreiben von mehreren Verfahren zum Aufbauen eines flexiblen kapazitiven Sensor-Systems mit mehreren Sensoren, welches das Vorhandensein von einer aufgebrachten Kraft oder einem Druck erfasst und imstande ist, die Größenordnung und die Stelle der aufgebrachten Kraft oder des Drucks zu bestimmen. Sämtliche Patentdruckschriften, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, werden hierdurch spezifisch durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen, als wenn sie hierin in vollem Umfang dargelegt wären.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Mängel von kapazitiven Tast-Sensoren. Die vorliegende Erfindung stellt einen preiswerten, leichtgewichtigen, flexiblen, kapazitiven Sensor und ein effizientes Verfahren zur Herstellung mit geringen Kosten bereit.
- Gemäß seinen Hauptaspekten und kurz vorgetragen, ist die vorliegende Erfindung ein zur Massenherstellung geeigneter kapazitiver Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen Anwendungen, und der inkrementell Druck basierend auf den Änderungen der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
- Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Art wie die Komponenten, nämlich die Detektor-und-Spurlage, dielektrische Lage, leitfähige Referenzlage und Penetrations- bzw. Durchdringungsverbinder, montiert werden können, um den vorliegenden kapazitiven Sensor bei einem Massenherstellungsprozess auszubilden. Beschichtungs-, Verleimungs- und Siebdruck-Arbeitsgänge können einfach automatisiert werden. Derartige Arbeitsgänge können eine sehr große Anordnung von kapazitiven Sensoren oder eine große Tuchware herstellen, von welcher einzelne Sensoren oder Sensor-Anordnungen abgetrennt werden können.
- Ein anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Kompatibilität mit der Verwendung von Durchdringungsverbindern zum schnellen und einfachen Verbinden von Spuren und der Referenzlage mit einem Kapazitätsmesser (ein elektrisches Messsystem), so dass elektrische Signale von dem vorliegenden Sensor aufgebracht oder gemessen werden können, ohne die Notwendigkeit für anwenderspezifische elektrische Verbindungen.
- Noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung von Kapazität eher als von Widerstand zum Wahrnehmen eines Kontakts. Widerstand erfordert typischerweise, dass sich die zwei leitfähigen Oberflächen berühren; Kapazität erfordert bei einigen Ausführungsformen nicht nur kein Berühren, sondern erfordert bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung noch nicht einmal einen physikalischen Kontakt mit dem Sensor, sondern lediglich Nähe von einer Taste zu dem Finger des Nutzers. Kapazität kann auch verwendet werden, um den Druck eines Kontakts zu messen und nicht nur die Tatsache eines Kontakts.
- Diese und andere Merkmale und ihre Vorteile werden für Fachleute der Technik von elektrischen Schaltkreisen und kapazitiven Schaltkreisen durch ein gründliches Lesen der ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, begleitet durch die folgenden Zeichnungen, offensichtlich werden.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen sind und die einen Teil von ihr bilden, stellen verschiedene beispielhafte Aufbauten und Verfahrensabläufe gemäß der vorliegenden Erfindung dar, und dienen zusammen mit der oben erteilten, allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der unten dargelegten, ausführlichen Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern, wobei:
-
1 eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor ist, mit einer elektrisch leitfähigen Referenzlage, einer flexiblen, elastischen dielektrischen Lage und einer Detektor- und Spurlage, die alle mit einem Kapazitätsmesser verbunden sind. -
2 ist eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor mit mehr als einer Spur und mehr als einem Detektor. -
3 ist eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor mit einer zusätzlichen dielektrischen Lage und leitfähigen Referenzlage. -
4 ist eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor mit Löchern in der elektrischen leitfähigen Referenzlage, welche die Detektoren in der Detektor- und Spurlage überlappen. -
5 ist ein schematischer Querschnitt von einem kapazitiven Sensor mit zusätzlichen dielektrischen und leitfähigen Referenzlagen, wie in3 gezeigt, außerdem mit optionalen äußeren Lagen. -
6 ist ein veranschaulichendes Leiterbild, das auf der leitfähigen Lage verwendet werden könnte, wobei Detektoren, Spuren und Bezugslagen-Verbindungen gezeigt werden. - In dem möglichen Umfang werden gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten bezeichnet.
- Ausführliche Beschreibung der Erfindung
-
1 zeigt eine Ausführungsform des kapazitiven Drucksensors der Erfindung. Der flexible kapazitive Sensor2 weist eine dielektrische Lage bzw. Dielektrizitätslage6 auf, mit einer leitfähigen Referenzlage bzw. Bezugslage8 auf einer Seite und einer Detektor- und Spurlage4 auf der anderen Seite der dielektrischen Lage bzw. Schicht6 . Die leitfähige Referenzlage8 und die Spur(en) bzw. Trace(s)12 der Detektor- und Spurlage4 sind mit einem Kapazitätsmesser14 verbunden. - Der flexible kapazitive Sensor
2 erfährt eine Änderung der Kapazität bei der Aufbringung einer Kraft, die ausreichend ist, um den Sensor zusammenzudrücken. Der Betrag der aufgebrachten Kraft ist bis zu einem Punkt verknüpft mit dem Umfang der Änderung der Kapazität. Bei einer wechselnden Ausführungsform wird der Widerstand auch gemessen, um die Stelle der Nutzerinteraktion auf dem Sensor zu bestimmen. Ein Kapazitätsmesser14 überwacht den vorliegenden flexiblen kapazitiven Sensor, um zu bestimmen ob es eine Änderung der Kapazität gab und den Umfang bzw. das Ausmaß derjenigen Änderung. - Die dielektrische Lage
6 ist eine flexible, elastische Lage oder ein Film. „Flexibel", wie auf diese Erfindung bezogen, ist so definiert, dass es biegsam bzw. nachgiebig bedeutet und imstande zu sein, durch ihre dünnste Abmessung im Wesentlichen gebogen zu werden und zu einer flachen Ausgestaltung zurückzukehren. Vorzugsweise ist jede Lage in dem Sensor flexibel. „Elastisch" ist so definiert, dass es ein Material bedeutet, das nach jeder von mehreren Komprimierungen, entweder über einen Abschnitt des Materials oder seiner Gesamtheit, zu seiner Anfangsdicke im Wesentlichen zurückkehrt. Dielektrikum bedeutet in dieser Anmeldung ein Material, das nicht zulässt, dass Strom fließt und ein elektrisches Feld unterstützt, sogar bei Vorhandensein von einer Potentialdifferenz. Ein „Film" oder „Schaum" ist so definiert, dass er ein flexibles Material ist, das im Wesentlichen zweidimensional in der Ausdehnung ist, das heißt mit einer Dicke in einer Dimension, die beachtlich kleiner als seine Länge oder Breite ist. Schäume umfassen Hohlräume bzw. Fehlstellenräume in einem beachtlichen Anteil von ihrem Inneren und sind somit üblicherweise höchst kompressibel. Filme sind so definiert, dass sie wenige oder keine Hohlräume aufweisen. - Die Elastizität der dielektrischen Lage
6 ist wichtig für eine wiederholte Verwendung und Haltbarkeit, und die Flexibilität ist wichtig, so dass der Sensor bei Anwendungen verwendet werden kann, die Flexibilität erfordern, wie beispielsweise Anpassen bzw. Anordnen um ein geformtes Armaturenbrett oder an Kleidung als Teil einer intelligenten Tuchware. Vorzugsweise ist die dielektrische Lage6 imstande, zu einem Krümmungsradius gebogen zu werden, der sich zwischen 20 Millimeter (mm) und 5 mm bewegt, vorzugsweise zu einem Bereich von 10 mm bis 4 mm, und bevorzugter zu einem Bereich von 5 mm bis 1 mm. - Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die dielektrische Lage ein dünner, flexibler, elastischer Film, der eine Dicke von weniger als 250 Mikrometer aufweist, vorzugsweise zwischen 8 und 250 Mikrometer, und für einige Anwendungen zwischen 8 und 50 Mikrometer. Dieser dünne Film ist im Wesentlichen frei von Fehlstellen (die mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt sein können), was bedeutet, dass der Film keinen Schaum enthält. Der dünne Film kann ein Silikon-Film sein, wie beispielsweise ein 7 mil (ungefähr 175 Mikrometer) dicker Duraflex PT9300 Film, der von Deerfield Urethane aus South Deerfield, Massachusetts, erhältlich ist. Eine Kompressibilität ermöglicht, dass die Kapazität des Sensors durch eine aufgebrachte Kraft verändert wird. Der dielektrische dünne Film wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 50 und 150 bar aufgebracht wird. Dieser Bereich ermöglicht, dass ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen wird.
- Bei einer anderen Ausführungsform kann die dielektrische Lage
6 ein flexibler, elastischer und höchst komprimierbarer Schaum mit geschlossenen oder offenen Zellen sein. Einige geschäumte Materialien umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, Polyurethan-Schäume, Silikon und Gummi. Der dielektrische Schaum wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 0,5 und 1,0 bar aufgebracht wird. - Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die dielektrische Lage eine flexible, elastische Distanz- bzw. Abstandshalter-Tuchware. „Abstandshalter-Tuchware", wie in dieser Anmeldung definiert, ist eine Tuchware, welche obere und untere Bodenlagen durch einen Spalt getrennt aufweist, der durch Abstandshalter-Garne oder Fasern gestützt wird. Die Abstandshalter-Tuchware oder andere Lagen von Tuchware bei dem Aufbau können ein gewebtes, gewirktes, nichtgewebtes Material sein, Nadelflor-Materialien oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Abstandshalter-Tuchware eine Doppel-Nadelleiste-Wirkware, genadelter Vliesstoff oder ein hi-loft Vliesstoff, bei dem einige der Fasern zweckmäßig in der vertikalen Richtung ausgerichtet sind. Die Textilie kann flach sein oder kann einen Flor bzw. Pol aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalter-Tuchware eine Dicke zwischen 1 mm und 10 cm aufweisen, vorzugsweise zwischen 1 mm und 1 cm. Derartige Textilmaterialien können aus Natur- oder Kunstfasern ausgebildet sein, wie beispielsweise Polyester, Nylon, Wolle, Baumwolle, Seide, Polypropylen, Kunstseide, Lyocell, Poly(Laktid), Akryl und dergleichen, einschließlich Textilmaterialien, die Mischungen und Kombinationen derartiger Natur- und Kunstfasern enthalten. Die Abstandshalter-Tuchware wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 0,07 und 1,4 bar aufgebracht wird, und wird zwischen 10 und 50% zusammengedrückt, wenn eine 0,14 bar Last aufgebracht wird. Diese Bereiche ermöglichen, dass ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen wird.
- Der elektrische Widerstand über die dielektrische Lage
6 (von einer Seite der dielektrischen Lage6 zu ihrer gegenüberliegenden Seite) ist vorzugsweise 109 Ohm oder größer. Je größer die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Lage ist, desto größer ist die Kapazität des kapazitiven Drucksensors2 . Dies kann zulassen, dass der Sensor kleinere Signale unterscheidet, folglich kleinere aufgebrachte Kräfte, was das System empfindlicher macht. - Die Detektor- und Spurlage
4 weist einen oder mehr Detektoren10 und Spuren12 auf und ist flexibel. Detektoren10 sind lokale Bereiche aus leitfähigem Material und Spuren12 sind kontinuierliche Linien (welche gerade oder gekrümmt sein können) aus leitfähigem Material, die von den Detektoren10 zu einem Rand16 der Detektor- und Spurlage4 verlaufen. Jeder Detektor10 ist vorzugsweise mit einer separaten Spur12 elektrisch verbunden und von anderen Detektoren und Spuren elektrisch isoliert. Detektoren10 können auch als Tasten bzw. Schaltflächen bezeichnet werden. - Bei einigen Ausführungsformen gibt es mehr als einen Detektor
10 und mehr als eine Spur12 . Vorzugsweise weist jeder Detektor seine eigene Spur auf, und der Detektor und die Spur sind von anderen Detektoren und Spuren elektrisch isoliert, wie zum Beispiel in2 gezeigt. In2 ist die Detektor- und Spurlage4 von der dielektrischen Lage6 derart getrennt, dass die Detektor- und Spurausgestaltung gesehen werden kann. Detektoren10 ,32 und36 sind jeweils mit Spuren12 ,34 und38 verbunden. Verbindungen zu dem Kapazitätsmesser können durch einen Durchdringungsverbinder (nicht gezeigt) mit separaten Stiften für jede Spur vorgenommen werden, und anders als durch den Kapazitätsmesser sind keine der Detektor-/Spurpaare mit irgendeinem anderen Detektor-/Spurpaar elektrisch verbunden. - Vorzugsweise ist die Leitfähigkeit, die von der Mitte des Detektors
10 zu dem Punkt gemessen wird, wo die Spur12 den Rand16 der Detektor- und Spurlage4 erreicht, ein Megaohm oder weniger, und bevorzugter zwischen 0 und 10.000 Ohm. Es ist jedoch ausreichend, dass der elektrische Widerstand des Detektors10 zu dem Ende der Spur12 weniger ist als der elektrische Widerstand über die dielektrische Lage6 . - Die Detektor- und Spurlage
4 kann durch Aufbringen von leitfähigen Beschichtungen auf die dielektrische Lage6 oder eine separate Lage ausgebildet werden. Die separate Lage kann eine Tuchware oder ein Film sein, die/der dann auf die dielektrische Lage6 durch Laminieren auf irgendeine Fachleuten bekannte Art aufgebracht wird. Vorzugsweise wird ein Haftmittel zwischen den Lagen verwendet, einschließlich reaktiver Urethan-Haftmittel oder niedrigschmelzender Polymermaterialien. Haftmittel können zum Beispiel durch Rotationstiefdruck, Aufstreichen mit einem Messer bzw. Spatel, Pulveraufbringung oder als ein Netz aufgebracht werden, abhängig von der Form des Haftmittels. - Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden Detektoren
10 und Spuren12 direkt auf der dielektrischen Lage6 oder auf einem Film oder einer Tuchware, der/die an die dielektrische Lage6 angehaftet wird, mit Siebdruck aufgebracht. Die Druckfarbe kann irgendeine leitfähige Druckfarbe sein, die typischerweise ausgebildet wird durch Mischen von Harzen oder Haftmitteln mit pulverisierten leitfähigen Materialien, wie beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Graphitpulver, Carbon-Black, Nickel oder anderen Metallen oder Legierungen. Sie können auch Carbon-basierte Druckfarbe, Silber-basierte Druckfarbe oder eine Kombination aus Carbon-basierten und Silber-basierten Druckfarben sein. Die leitfähige Druckfarbe kann auf das Substrat unter Verwendung irgendeiner von einer Vielfalt von in der Technik bekannten Verfahren beschichtet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Siebdruck, Aufbringen durch eine Bürste, Aufbringen durch eine Walze, Sprühen, Eintauchen, Maskieren, Vakuum-Plattieren, Aufdampfen oder irgendeiner Kombination der Vorangehenden. - Die elektrisch leitfähige Referenzlage
8 des flexiblen kapazitiven Sensors2 kann eine leitfähige Beschichtung auf der dielektrischen Lage6 sein, ein inhärent leitfähiger Film oder eine Tuchware, oder eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf einem Film oder einer Tuchware, der/die dann an die dielektrische Lage6 angehaftet wird. Bei einigen Ausgestaltungen ist die elektrisch leitfähige Referenzlage vorzugsweise kontinuierlich. Bei anderen kann sie, falls gewünscht, Öffnungen in der Lage aufweisen. Vorzugsweise ist die Referenzlage flexibel. - Bei einer Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Referenzlage
8 eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf der dielektrischen Lage. Dies ermöglicht, dass der Sensor dünner ist und weniger wiegt, wichtig für tragbare Anwendungen, und kann auch eine Montage vereinfachen oder Kosten verringern. Die für den Detektor10 und die Spur12 offenbarten Materialien können auch für die leitfähige Referenzlage8 verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Referenzlage8 ein inhärent leitfähiger Film oder eine Tuchware. Einige inhärent leitfähige Filme und Tuchwaren umfassen zum Beispiel metallisierte Tuchwaren, Carbon-beladene Olefin-Filme, mit leitfähigen Polymeren beschichtete Tuchwaren, aus flexiblen, leitfähigen Garnen, wie beispielsweise Garne aus nichtrostendem Stahl und Silber-beschichtete Garne, aufgebaute Tuchwaren. Bei einer anderen Ausführungsform kann die elektrisch leitfähige Referenzlage8 ein Film oder eine Tuchware mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung sein. Vorzugsweise wird der Film oder die Tuchware an die dielektrische Lage6 vorzugsweise unter Verwendung eines Thermoplast-, Duroplast-, druckempfindlichen bzw. Haft- oder UV-aushärtbaren Haftmittels angehaftet. - Der elektrische Widerstand der leitfähigen Referenzlage
8 ist typischerweise weniger als 10.000 Ohm. Wenn der kapazitive Sensor2 nicht verwendet wird, um die Position der Nutzerinteraktion zu bestimmen, dann kann der elektrische Widerstand der leitfähigen Referenzlage so niedrig wie ausführbar sein. - Außerdem kann die elektrisch leitfähige Referenzlage
8 mit zusätzlichen Detektoren und Spuren (nicht gezeigt) gemustert sein, die in Lagegenauigkeit mit den Detektoren10 und Spuren12 der Detektor- und Spurlage4 platziert sind, eher als eine kontinuierliche Lage zu sein. Dieser Ansatz führt jedoch eine zusätzliche Herstellungskomplikation ein, die leitfähige Bezugslage8 derart zu positionieren, dass ihre Detektoren10 und Spuren12 mit dem Muster der Detektoren und Spuren in der Detektor- und Spurlage4 lagegenau sind. - Bei einer Ausführungsform, die in
4 gezeigt wird, weist die elektrisch leitfähige Referenzlage194 ein Loch192 in der Lage auf, das zumindest teilweise den Detektor110 in der Detektor- und Spurlage104 überlappt. Vorzugsweise überlappt das Loch192 vollständig und ist in Ausrichtung mit dem Detektor110 . Es kann zwei oder mehr Detektoren und zwei oder mehr Löcher geben, wobei jedes Loch einen Detektor überlappt. - Bei dieser Ausgestaltung nehmen die elektrischen Feldlinien des kapazitiven Sensors den Raum über dem Detektor
110 und unter dem Loch192 ein. Sie werden leicht durch ein äußeres kapazitives Objekt gestört, wie beispielsweise der Finger einer Person, welches sich dem Loch192 annähert oder in es eintritt. Diese Störung wird die durch den kapazitiven Sensor wahrgenommene Kapazität ändern, und kann als ein Ereignis erfasst werden. Die Störung wird verursacht, selbst wenn das kapazitive Objekt nicht in elektrischen Kontakt mit dem Detektor110 gelangt. Die leitfähige Referenzlage194 der vorliegenden Erfindung schirmt die Detektor- und Spurlage104 von dem äußeren kapazitiven Objekt ab. Ein Loch in der leitfähigen Referenzlage194 , das den Detektor110 überlappt, konzentriert die Feldlinien in dem Bereich über dem Detektor, was das System empfindlicher für Ereignisse macht, die an dem Detektor110 auftreten, und weniger empfänglich für falsche Andeutungen bzw. Indikationen aufgrund einer peripheren Annäherung an den Detektor. Außerdem wird ein kapazitiver Sensor, der keine leitfähige Referenzlage umfasst, empfänglicher für eine Störung von äußeren Elektromagnetfeldern, Streukapazität, statischer Elektrizität und falschen Ereignissen aufgrund eines Kontakts des äußeren kapazitiven Objekts mit der Spur sein. - Die dielektrische Lage
106 in dem kapazitiven Sensor190 , der in4 gezeigt wird, muss nicht zusammendrückend oder elastisch sein, da eine Änderung der Kapazität durch die Nähe von einem kapazitiven Körper verursacht werden kann, wie im Gegensatz zu einer Änderung im Abstand zwischen dem Detektor110 und der Referenzlage194 . Die dielektrische Lage6 kann irgendein geeignetes dünnes, flexibles, elektrisches Widerstandsmaterial sein. -
3 zeigt einen kapazitiven Sensor62 mit einer zusätzlichen flexiblen dielektrischen Lage64 und einer leitfähigen Referenzlage66 . Die zweite flexible, elastische dielektrische Lage64 ist auf der Detektor- und Spurlage4 auf der Seite gegenüberliegend der originalen dielektrischen Lage6 . Es gibt eine zweite elektrisch leitfähige Referenzlage66 angrenzend an die zweite dielektrische Lage64 auf der Seite gegenüberliegend der Detektor- und Spurlage4 . Die Materialien, die für die zweite flexible, elastische, dielektrische Lage und die zweite elektrisch leitfähige Referenzlage verwendet werden, können die gleichen Materialien sein und die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen wie die dielektrische Lage und die leitfähige Referenzlage, die zuvor beschrieben wurden. - Andere Lagen können auf den Sensor aufgebracht werden, wie beispielsweise eine Isolierlage, und sind vorzugsweise flexibel. Eine Isolierlage kann beschichtet, laminiert, genäht oder anderweitig auf irgendeiner oder beiden der äußeren Oberflächen des kapazitiven Sensors
2 ,30 ,62 oder190 aufgebracht sein. Diese Lagen können aus irgendwelchen Materialien und auf irgendeine Art und Weise aufgebaut sein, derart dass die Gesamtflexibilität des Sensors akzeptabel bleibt. Üblicherweise werden diese Materialien das dünne Profil beibehalten, das typisch für die kapazitiven Sensoren der Erfindung ist. Mögliche Materialien für die äußeren Lagen umfassen Textilien, Leder oder andere Felle, Filme oder Beschichtungen. Die Isolierlagen können jede ein Verbund aus mehreren Materialien und Lagen sein, und die oberen und unteren Isolierlagen müssen nicht die gleiche Aufmachung aufweisen. - Dekorative Graphiken oder Informationen, z. B. Informationen über, oder Anweisungen für einen Tastsensor oder die Anzeige oder ein anderes Gerät, mit dem der Tastsensor angewandt oder verbunden wird, können auf eine äußerste Isolierlage auf den Sensor gedruckt werden. Typischerweise wird die obere Oberfläche des Sensors, die Oberfläche, die dem Nutzer präsentiert wird, Graphiken umfassen, um die Stelle und die Funktion von jedem der Detektoren anzugeben. Das Material kann ausgewählt werden, um beides vorzusehen, dekorative und funktionelle Aspekte. Funktionen der Isolierlage können visuelle oder taktile Ästhetik, Widerstand gegen Abrieb oder Einstiche, Fleckenabstoßung, Schutz gegen Verschüttetes und Flüssigkeiten, Widerstand gegen ultravioletten Abbau usw. umfassen. Die untere Lage des Sensors kann mit ähnlichen Materialien hergestellt werden, um Funktionen ähnlich der oberen Lage zu erfüllen, außer dass dekorative oder informative Graphiken typischerweise nicht enthalten sind.
- Für den kapazitiven Sensor
62 ist der Kapazitätsmesser14 mit der leitfähigen Referenzlage8 , der zweiten leitfähigen Referenzlage66 und jeder Spur12 verbunden. Die leitfähige Referenzlage8 ist bei einer ersten Spannung, die Spur12 ist bei einer zweiten Spannung, und die zweite Referenzlage66 ist bei einer dritten Spannung, wo die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen, und die zweite und die dritte Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen. Bei einer Ausführungsform weisen die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 1,0 Volt auf, und die zweite und die dritte Spannung weisen einen Unterschied von zumindest 1,0 Volt auf. Vorzugsweise sind die erste und die dritte Spannung gleich. Bei einer Ausführungsform bilden die erste und die dritte Spannung die Referenzspannung aus und werden während des Betriebs des kapazitiven Sensors konstant gehalten. Bei einer Ausführungsform wird die Referenzspannung gleich der Erde oder dem Boden der Sensorumgebung gehalten. Dies wird dazu dienen, den kapazitiven Sensor von äußerer Störung und elektrischen Entladungen am besten zu isolieren. - Jede der ersten leitfähigen Referenzlage
8 und der zweiten leitfähigen Referenzlage66 kombiniert sich mit der Detektor- und Spurlage4 , um zwei separate Kondensatoren auszubilden. Vorzugsweise sind die erste und die dritte Spannung an jeder der leitfähigen Referenzlagen gleich, so dass die zwei separaten Kondensatoren elektrisch parallel sind. Dies vereinfacht die Anforderungen des Messgeräts14 , das die zwei separaten Kondensatoren als einen einzelnen Kondensator mit größerer Kapazität behandeln kann. Eine größere Kapazität wird auch typischerweise die Empfindlichkeit des Sensors verbessern, was ein Vorteil des Aufnehmens von leitfähigen Referenzlagen auf beiden Seiten der Detektor- und Spurlage4 ist. Die zweite elektrisch leitfähige Referenzlage66 hilft auch den Sensor vor Störung abzuschirmen, auf die gleiche Art und Weise wie die erste elektrisch leitfähige Referenzlage8 . - Wenn die erste elektrisch leitfähige Referenzlage
8 ein Loch über jedem der Detektoren in der Detektor- und Spurlage4 aufweist, und das Dielektrikum6 nicht zusammendrückbar und elastisch ist, dann wird die zweite elektrisch leitfähige Referenzlage66 primär wirken, um zu helfen, den Sensor vor einer Störung abzuschirmen. - In dem Fall von einem Sensor, der mit einem zusammendrückbaren Dielektrikum gebaut ist, variiert die Kapazität des Sensors umgekehrt mit der Kompression der dielektrischen Lage
6 . Eine auf den Detektor10 aufgebrachte Kraft wird die dielektrische Lage6 zusammendrücken, womit die Kapazität zwischen der Detektor- und Spurlage4 und der elektrisch leitfähigen Referenzlage8 erhöht wird. Wenn die Kraft entfernt wird, oder lediglich vermindert wird, vergrößert sich der Trennungsabstand zwischen der Detektor- und Spurlage4 und der leitfähigen Referenzlage8 , und die Kapazität des kapazitiven Sensors2 nimmt ab. - In dem Fall wo das Dielektrikum nicht zusammendrückbar ist, sondern es ein Loch in der leitfähigen Referenzlage
4 gibt, das den Detektor10 in der Detektor- und Spurlage4 überlappt, nimmt die Kapazität mit der Annäherung von einem kapazitiven Körper zu, wie beispielsweise der Finger von einer Person. In beiden Fällen kann die Änderung der Kapazität durch das Messgerät14 überwacht werden, das nachfolgend eine gewünschte Reaktion initiieren kann, wie beispielsweise die Aktivierung von einem elektrischen Gerät, wie beispielsweise ein Radio. - Um die Änderung der Kapazität zu überwachen wird vorzugsweise eine erste Spannung an die leitfähige Referenzlage
8 angelegt, und eine zweite Spannung wird an die Spur12 angelegt. In dem Fall, dass es mehr als eine Spur auf der Detektor- und Spurlage4 gibt, würde dann jede Spur eine separate Spannung erhalten (Bsp. zweite, dritte, vierte, fünfte usw. Spannung). In dem Fall wo es mehr als eine Spur gibt, werden vorzugsweise die Spannungen aufeinanderfolgend an die Spuren angelegt. Bei einer Ausführungsform werden die Spannungen aufeinanderfolgend angelegt und sind im Wesentlichen gleich. Vorzugsweise sind die Spannungen, die an die leitfähige Referenzlage angelegt werden, zumindest 0,1 Volt unterschiedlich von den Spannungen, die an die Spur(en) angelegt werden, oder bei einer anderen Ausführungsform mehr als 1 Volt unterschiedlich. - An dem Rand der Detektor- und Spurlage
4 wird ein Durchdringungsverbinder (nicht gezeigt) verwendet, um einen elektrischen Kontakt mit den Spuren12 vorzunehmen. Das Prinzip des Betriebs von Durchdringungsverbindern ist in der Elektronik bekannt. Wenn eine elektrische Verbindung mit elektrischen Leitern vorgenommen wird, die mit einer Isolierung beschichtet sind, werden Durchdringungsverbinder verwendet, um sich durch die Isolierung zu der Leiterinnenseite zu „beißen". Durchdringungsverbinder werden Zähne aufweisen, die auf die Spur12 und auf die leitfähige Referenzlage8 aufgebracht werden, und potentiell auf die leitfähige Referenzlage66 , wenn eine existiert. Bei einer Ausführungsform erstrecken sich die Spuren hinter die anderen Lagen, um leichter verbunden zu werden. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl von Detektoren10 und Spuren12 , können separate Zähne in dem Verbinder jede der separaten Spuren berühren, so dass das Messgerät14 verwendet werden kann, um Änderungen der Kapazitäten wahrzunehmen, wenn Druck auf jeden Detektor oder mehrere Detektoren aufgebracht wird. Die Verwendung eines Durchdringungsverbinders vereinfacht die Herstellung in einem großen Maßstab. - Der Durchdringungsverbinder lässt eine Verbindung des vorliegenden flexiblen kapazitiven Sensors
2 mit dem Kapazitätsmesser14 zu, durch Verbinden des Messgeräts14 mit der Spur12 und des Messgeräts14 mit der leitfähigen Referenzlage8 . Der Kapazitätsmesser14 misst die Spannung über die dielektrische Lage6 von dem Detektor10 zu der leitfähigen Referenzlage8 , und vergleicht jene Spannung mit einer Referenzspannung. Wenn sich die Kapazität über die dielektrische Lage6 an dem Detektor10 ändert, ändert sich auch die Spannung über den Detektor10 , und ein Spannungsausgangssignal wird basierend auf dem Unterschied zwischen der Referenzspannung und der Nennspannung über den Detektor10 erzeugt. Wenn die auf den Detektor10 aufgebrachte Kraft verringert wird, und sich die dielektrische Lage6 in ihre Ausgangsdimensionen ausdehnt, nimmt die Kapazität ab. - Die Kapazität der Detektoren bei dieser Anordnung kann durch eine Vielfalt von elektrischen Verfahren gemessen werden, von denen zwei hier diskutiert werden. Die elektrischen Messungen machen Gebrauch von der Tatsache, dass sich der Widerstand der Spuren nicht ändert, lediglich die Kapazität der einzelnen Detektoren. Somit ändert sich das messbare RC-Zeitkonstantencharakteristikum von jeder Detektor- und Spurkombination lediglich aufgrund von Änderungen der Kapazität des Detektors. Ein Verfahren ist ein Spannungsverschiebungsverfahren; das andere ist eine Phasenverschiebung beim Frequenzgang.
- Bei dem ersten Verfahren, welches wir als das Spannungsverschiebungsverfahren bezeichnen werden, verwenden wir einen Reihenwiderstand, der mit der Spur verbunden ist. Der Kapazitätsmesser
14 sucht nach irgendeinem der folgenden: (1) die Zeit, um eine festgelegte Abnahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während einer Entladung des Detektors10 zu erhalten; (2) die Abnahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während eines festgelegten Zeitraums von dem Beginn der Entladung des Detektors10 ; (3) der Zeitraum, um eine festgelegte Zunahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während des Ladens des Detektors10 zu erhalten; oder (4) die Zunahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während eines festgelegten Zeitraums von dem Beginn der Entladung des Detektors10 . Irgendeine dieser vier messbaren Größen lässt eine Bestimmung der RC-Zeitkonstante zu, und daher eine Messung von der Änderung der Kapazität des Detektors. - Bei dem Phasenverschiebungsverfahren wird ein Zeitvariierendes Spannungssignal an die Detektor- und Spurlage
4 angelegt. Ein Widerstand zur Erde ist mit der leitfähigen Referenzlage8 verbunden. Der Widerstand wird verwendet, um die Phasenverschiebung zwischen dem angelegten Signal und dem nacheilenden Signal durch die Detektor- und Spurlage4 zu messen. Da die Nacheilung durch das Vorhandensein von Kapazität in der Detektor- und Spurlage4 verursacht wird, kann eine Änderung der Nacheilung verwendet werden, um die Änderung der Kapazität zu bestimmen. Die Amplituden des originalen und nacheilenden Signals können verglichen werden, um mehr Informationen über den Zustand des Systems zu liefern. Wie in der Technik bekannt ist, umfassen gewöhnliche Formen des Spannungssignals Impulse, Sinuswellen und Rechteckwellen. Vorzugsweise werden alternierende Spannungssignale eine größere Frequenz als 10 kHz aufweisen. - Die digitale Information, die Signalabfallzeit-Zeitkonstante oder die Phasenverschiebung stellt die kontinuierliche Zeitvariation der Widerstands-/Kapazitätseigenschaften des Netzwerks dar, und als solche die Zustände des Detektors
10 . Um ein besseres Signal-Geräusch-Verhältnis zu erzielen, können Mittelwertbildung und Filtern auf den kontinuierlichen Datenfluss angewandt werden. - Das Zeitkonstantenverfahren und die Phasenverschiebungen sind anfällig für elektromagnetische Störung sowie Streukapazität. Somit kann der Geräuschgehalt der Signale die wahren Zustände verschleiern. Eine Stichprobenprüfung wird in Intervallen durchgeführt, die durch festlegbare Unterbrechungsbefehle im Microcontroller definiert sind. Durch Stichprobenprüfung, die durch das Nyquist-Kriterium diktiert wird, das die Stichprobenprüfungstheorie und digitale Rekonstruktion von Hochfrequenz-Ereignissen regelt, können Ereignisse, die bei weniger als der Hälfte der stichprobenprüfungsfrequenz stattfinden, erfolgreich erfasst werden. Zu dem Zeitpunkt der individuellen Stichprobenprüfung werden mehrere Stichproben in der Größenordnung von wenigen Mikrosekunden jeweils zusammen gemittelt, um den Fehler zu verringern, der durch den Analog/Digital-Wandler herbeigeführt wird, sowie kleine elektromagnetische Effekte. Eine Stichprobenprüfung kann in regelmäßigen Zeitintervallen auftreten, oder es kann vorteilhaft sein, Stichprobenprüfungen in zufälligen Intervallen durchzuführen, so dass das Geräuschspektrum nicht gut mit dem Stichprobenprüfungsintervall korreliert ist.
- Die abgetasteten Werte werden dann entweder in FIR-Filter oder IIR-Filter durchgeleitet. Diese Filter verringern weiter die Effekte von Geräusch und Störung auf die abgetasteten Werte von Quellen, wie beispielsweise Starkstromleitungen. Auf diese Art kann eine bessere Abschätzung der Kapazität des Detektors durch eine bessere Abschätzung der Phasenverschiebung oder Zeitkonstante bestimmt werden.
- Eine Kaskadierung unterschiedlicher Filter lässt unterschiedliche Interpretationen der Daten zu. Zum Beispiel wird eine Gruppe von Filtern verwendet, um langfristige Änderungen an dem System (z. B. gradueller Verlust von Elastizität in der dielektrischen Lage
6 ) zu entfernen oder zu ignorieren, womit eine stabile Grundlinie vorgesehen wird, während andere Filter kurzfristige Änderungen (z. B. Drücken des Detektors10 ) isolieren. Die Auswahl von unterschiedlichen Filtern ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer einfachen Stichprobenprüfung und einem Vergleich mit einem Schwellenwert. - Der kapazitive Sensor
14 erfordert Kalibrierung. Kalibrierung wird benötigt, weil die Grundlinien-Kapazität dazu neigt, über die Zeit abzuweichen bzw. abzudriften, aufgrund von Umweltänderungen, Materialänderungen und äußeren elektromagnetischen Feldern. Insbesondere bei dielektrischen Materialien, die aus Schaum hergestellt sind, ungeachtet der Verwendung von Schäumen mit minimiertem Kriechen und Hysterese, wird sich die Kapazität trotzdem mit der Zeit ändern. Ein Sensor, der nachkalibriert werden kann, wird immer robuster und empfindlicher sein als einer, der es nicht kann. - Es gibt drei Arten den Sensor
14 zu kalibrieren. Die erste Art ist, Kalibrierungseinstellungen zum Zeitpunkt der Herstellung zu programmieren. Ein zweites Verfahren ist, den Sensor14 jedes Mal zu kalibrieren, wenn das System, von dem er ein Teil ist, sich selbst initialisiert, das heißt beim Hochfahren. Dieses Verfahren verringert effektiv Fehler von einigen Variationen bei großen Zeitmaßstäben. Bei dem dritten Verfahren wird der Sensor14 kontinuierlich für sich ändernde Bedingungen kalibriert, durch Herausfiltern von elektrischem Fremdgeräusch sowie außer Acht lassen des versehentlichen Berührens oder anderen Kontakts. Es gibt kommerziell erhältliche Elektronikmodule, die ausgestaltet sind, um die Kapazität wahrzunehmen und die eine kontinuierliche Selbstkalibrierung, Geräuschfilterung und Nachkalibrierung einschließen. - Beispiele
- Beispiel 1
- Ein Bedienungsfeld wurde durch Zusammenlaminieren mehrerer Lagen hergestellt, wie in
5 gezeigt. Sämtliche Prozentwerte sind nach Gewicht, solange nicht anderweitig angegeben. - Zwei identische elastische Strukturen wurden hergestellt, die in Reihenfolge bestehen aus:
- I) einer Schutzlage
104 aus 100 g/m2 CelFil100 spunbonded nichtgewebter Polyester-Tuchware von Polymeross y Derivados aus Mexiko, - II) einer ersten leitfähigen Lage
101 aus 100 Mikrometer dickem Velostat 1704 leitfähigem Film von 3M Corporation aus St. Paul, Minnesota, und - III) einer elastischen Trennlage
102 aus 8 mil dickem Duraflex PT9300 Polyurethan-Film von Deerfield Urethane aus Massachusetts. Die erste leitfähige Lage101 wurde als eine Bodenebene verwendet, um das Gerät vor äußeren Störungen abzuschirmen. - Als nächstes wurde eine zweite leitfähige Lage
108 hergestellt, beginnend mit der gleichen nichtgewebten Tuchware wie in der Schutzlage104 . Diese wurde mit einer leitfähigen Paste beschichtet, die aus einer Mischung aus 60% Hycar 26-1199 Bindemittel von Noveon aus Gastonic, North Carolina, 10% SFG-15 Graphit von Timcal aus Bodio, Schweiz, und 30% Wasser besteht. Um die Paste herzustellen, wurde das Graphit zu dem Wasser zusammen mit ungefähr 10 mL von SL 6227 Dispergiermittel von Milliken Chemical aus Spartanburg, South Carolina, zugefügt, während gerührt wurde. Als nächstes wurde das Hycar-Bindemittel zugefügt. Schließlich wurde Acrysol RM-8W Verdickungsmittel von Rohm and Haas aus Philadelphia, Pennsylvania, zugefügt, bis die Viskosität 12.000 cP erreicht hat, wie an einem Brookfield-Viskosimeter gemessen. - Diese Paste wurde mit Siebdruck auf die nichtgewebte Polyester-Tuchware aufgebracht, um die in
6 gezeigte gemusterte Struktur zu erzeugen. Detektorbereiche120 , Spuren122 , Stiftverbindungen124 und Referenzlagenverbindungen126 wurden gedruckt. Nach dem Drucken wurde die Tuchware in einem Umluftofen für 15 Minuten getrocknet, um das Wasser wegzutreiben und die Beschichtung mit der Tuchware zu verbinden bzw. an sie zu binden. Als nächstes wurde die leitfähige Beschichtung mit PE-001 Silber-Paste von Acheson Colloids aus Port Huron, Michigan, aufgebracht und zurück in den Ofen platziert, um zu trocknen. Die weibliche Hälfte bzw. Buchsenhälfte von einem Durchdringungsstiftverbinder (nicht gezeigt) wurde derart angebracht, dass separate Stifte die Spuren von jedem der Detektoren durchstochen. - Dieser bedruckte Bogen wurde zwischen den zwei identischen elastischen Strukturen platziert, derart dass die nichtgewebten Schutzlagen
104 auf der Außenseite der resultierenden Struktur waren. Separate isolierte Kupferdrähte wurden an jeden leitfähigen Film angebracht, um sie mit den Erde-Verbindungen in dem Druck zu verbinden. Angrenzende Lagen wurden aneinander angehaftet unter Verwendung eines Super77 Spray-Haftmittels von der 3M Corporation aus St. Paul, Minnesota. - Der Stiftverbinder wurde an seinem männlichen Gegenstück bzw. Steckergegenstück angebracht, welches wiederum an ein abgeschirmtes Koaxialkabel angebracht wurde, derart dass der Erde-Mantel des Kabels mit den ersten leitfähigen Lagen verbunden wurde. Der Mittelleiter wurde aufeinanderfolgend mit jeder der Spuren verbunden. Das andere Ende des Koaxialkabels wurde in die Kapazitätsmessungsschlitze von einem Triplett 2102 Multimeter eingeführt, welches festgelegt war, um eine kleine Kapazität zu messen. Die Kapazität zwischen jeder Spur und den Bezugslagen wurde zweimal gemessen, zuerst in dem Ruhezustand, und dann während auf den Detektor gedrückt wurde, um die elastische Trennlage maximal zusammenzudrücken.
- Beispiel 2
- Eine zweite Struktur wurde hergestellt, identisch zu derjenigen in Beispiel 1 mit Ausnahme, dass das Polymer in der elastischen Trennlage
102 durch einen 3 mil dicken M823 Silikon-Film von Specialty Silicone Products aus Ballston Spa, New York, ersetzt wurde. - Beispiel 3
- Eine zweite Struktur wurde hergestellt, identisch zu derjenigen in Beispiel 1 mit Ausnahme, dass das Polymer in der elastischen Trennlage
102 durch einen 44 mil dicken T-1505 HypurCEL Polyurethan-Schaum von Rubberlite Incorporated aus Huntington, West Virginia, ersetzt wurde. - Tabelle A zeigt die gemessenen Kapazitäten von jeder der Proben in den Beispielen 1 bis 3. Diese Werte sind nach einem Heraussubtrahieren der 44 pF von Kapazität zwischen den Kabeln, die von den Bedienungsfeldern zu dem Multimeter führen. Das Muster der gedruckten Detektor- und Spurelemente wird in
6 gezeigt. Detektoren120 wurden mit dem Rand des Geräts durch die lange Spur122 und die kurze Spur121 verbunden. Auch gedruckt waren die Erde-Verbindungen126 und die Stiftverbindungen124 . Tabelle A:Probe Lange Spur (pF) 122 Kurze Spur (pF) 121 Ruhend Gedrückt Ruhend Gedrückt Beispiel 1 76 84 34 40 Beispiel 2 70 83 41 56 Beispiel 3 29 39 14 24 - Tabelle A zeigt, dass ein dünneres Dielektrikum eine größere Kapazität ergeben wird, aber dass ein dickeres Dielektrikum eine größere relative Änderung der Kapazität ergeben kann (relativ zu dem Ruhewert). Was vorzuziehen ist, hängt ab von der Anwendungsumgebung, gewünschten Empfindlichkeit und Auflösung der Erfassungselektronik.
- Es ist beabsichtigt, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung sämtliche Modifikationen umfasst, die ihre hauptsächlichen Designmerkmale aufgenommen haben, und dass der Bereich und Beschränkungen der vorliegenden Erfindung durch den Bereich der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente zu bestimmen sind. Es sollte deshalb verstanden werden, dass die hierin beschriebenen erfinderischen Konzepte austauschbar sind und/oder sie zusammen in noch anderen Permutationen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, und dass andere Modifikationen und Substitutionen für Fachleute aus der vorangehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich sein werden, ohne von dem Denken oder Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
- Zusammenfassung
- Die Erfindung betrifft einen flexiblen, elastischen kapazitiven Sensor, der zur Massenherstellung geeignet ist. Der Sensor umfasst ein Dielektrikum, eine elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage auf der ersten Seite der dielektrischen Lage mit einem Detektor und einer Spur, eine elektrisch leitfähige Referenzlage auf einer zweiten Seite der dielektrischen Lage, und einen Kapazitätsmesser, der mit der Spur und mit der leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist, um Änderungen der Kapazität bei Interaktion mit dem Detektor zu erfassen. Der Sensor ist abgeschirmt, um die Effekte von äußeren Störungen zu verringern.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (20)
- Kapazitiver Sensor, mit: einer ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage mit einer ersten und zweiten Seite und einer Dicke zwischen 8 und 250 Mikrometern; einer elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage auf der ersten Seite der ersten dielektrischen Lage mit einem Detektor und einer Spur; einer ersten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf einer zweiten Seite der ersten dielektrischen Lage; und einem Kapazitätsmesser, der mit der Detektor- und Spurlage und mit der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste leitfähige Referenzlage eine erste Spannung aufweist und die Detektor- und Spurlage eine zweite Spannung aufweist, und wobei die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste dielektrische Lage einen Film umfasst, der im Wesentlichen frei von Fehlstellen ist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 3, wobei die erste dielektrische Lage um 50% zusammengedrückt wird, wenn eine Last zwischen 50 und 150 bar aufgebracht wird.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage zwei oder mehr individuell elektrisch adressierte Detektoren und Spuren umfasst.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, wobei der Kapazitätsmesser mit jeder Spur und mit der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist, wobei die erste leitfähige Referenzlage eine erste Spannung aufweist und jede der Spuren eine zweite Spannung aufweist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage mit einer leitfähigen Druckfarbe bedruckte Tuchware umfasst.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, ferner mit: einer zweiten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage auf der elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage, auf der Seite gegenüberliegend der ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage; einer zweiten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf der zweiten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage, auf der Seite gegenüberliegend der elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage; und wobei der Kapazitätsmesser außerdem mit der zweiten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 8, wobei die erste leitfähige Referenzlage eine erste Spannung aufweist, die Detektor- und Spurlage eine zweite Spannung aufweist und die zweite Referenzlage eine dritte Spannung aufweist, und wobei die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen, und die zweite und die dritte Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen.
- Kapazitiver Sensor, mit: einer ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage mit einer ersten und zweiten Seite; einer elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage auf der ersten Seite der ersten dielektrischen Lage mit zumindest zwei individuell elektrisch adressierten Detektoren und Spuren; einer ersten elektrisch leitfähigen Referenzlage, welche die Detektoren vollständig überlappt; und einem Kapazitätsmesser, der mit jeder Spur und der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, wobei die erste leitfähige Referenzlage eine erste Spannung aufweist und die Detektor- und Spurlage eine zweite Spannung aufweist, und wobei die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, wobei die erste flexible, elastische dielektrische Lage einen Schaum umfasst.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, wobei die erste dielektrische Lage zwischen 10 und 50% zusammengedrückt wird, wenn eine 0,14 bar Last aufgebracht wird.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, wobei die elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage mit einer leitfähigen Druckfarbe bedruckte Tuchware umfasst.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, ferner mit: einer zweiten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage auf der elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage, auf der Seite gegenüberliegend der ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage; einer zweiten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf der zweiten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage, auf der Seite gegenüberliegend der elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage; und wobei der Kapazitätsmesser außerdem mit der zweiten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 15, wobei die erste leitfähige Referenzlage eine erste Spannung aufweist, die Detektor- und Spurlage eine zweite Spannung aufweist und die zweite Referenzlage eine dritte Spannung aufweist, und wobei die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen, und die zweite und die dritte Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen.
- Kapazitiver Sensor, mit: einer ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage mit einer ersten und zweiten Seite, wobei die erste dielektrische Lage eine Abstandshalter-Tuchware ist; einer elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage auf der ersten Seite der ersten dielektrischen Lage mit einem Detektor und einer Spur; einer ersten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf einer zweiten Seite der ersten dielektrischen Lage; und einem Kapazitätsmesser, der mit der Detektor- und Spurlage und mit der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 17, wobei die elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage zwei oder mehr individuell elektrisch adressierte Detektoren und Spuren umfasst, und wobei der Kapazitätsmesser mit jeder Spur und mit der ersten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist, wobei die erste leitfähige Referenzlage eine erste Spannung aufweist und jede der Spuren eine zweite Spannung aufweist.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 17, wobei die elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage mit einer leitfähigen Druckfarbe bedruckte Tuchware umfasst.
- Kapazitiver Sensor nach Anspruch 17, ferner mit: einer zweiten flexiblen, elastischen, dielektrischen Lage auf der elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage, auf der Seite gegenüberliegend der ersten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage; einer zweiten elektrisch leitfähigen Referenzlage auf der zweiten flexiblen, elastischen dielektrischen Lage, auf der Seite gegenüberliegend der elektrisch leitfähigen Detektor- und Spurlage; und wobei der Kapazitätsmesser außerdem mit der zweiten leitfähigen Referenzlage elektrisch verbunden ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |