DE112013004512T5

DE112013004512T5 - Einzelschicht-Kraftsensor

Info

Publication number: DE112013004512T5
Application number: DE112013004512.5T
Authority: DE
Inventors: Jason Lisseman; David Andrews
Original assignee: TK Holdings Inc
Current assignee: Joyson Safety Systems Acquisition LLC
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-06-03
Also published as: JP2015531877A; US20140076063A1; US9696223B2; WO2014043664A1; JP6260622B2

Abstract

Es wird ein Sensor zum Erfassen einer Druckaufbringung offenbart. Der Sensor beinhaltet ein Substrat, leitfähige Elemente und eine elektroaktive Schicht. Erste und zweite leitfähige Elemente werden auf dem Substrat gelagert und weisen längliche Kanten auf, die von einander beabstandet sind. Die elektroaktive Schicht weist eine an die leitfähigen Elemente anhaftende gemeinsame Oberfläche auf. Die elektroaktive Schicht definiert mindestens eine elektrische Eigenschaft in einem Bereich der Schicht zwischen den leitfähigen Elementen. Die elektrische Eigenschaft ist ausgelegt, um in Bezug auf eine Größenordnung des Drucks zu variieren.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/701,884, eingereicht am 17. September 2012, mit dem Titel „SINGLE LAYER FORCE SENSOR”, deren Offenbarung durch Bezugnahme ausdrücklich vollumfänglich einbezogen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf drucksensitive Sensoren. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf die Verwendung von elektroaktiven Materialien zur Erzeugung von Einzelschicht-Drucksensoren.
Drucksensoren werden in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet. Die meisten Drucksensoren sind auf Auslenkungselemente angewiesen, um leere Räume oder Lücken zwischen den Leitern zu überbrücken. Derartige Auslenkungselemente weisen den Vorteil auf, unbeabsichtigte Aktivierung des Sensors durch Berühren der Leiterelemente während der Aufbringung geringer Lasten zu verhindern.
Drucksensoren, die auf piezoelektrische Effekte angewiesen sind, erzeugen ein elektrisches Signal als Reaktion auf mechanische Platzierung oder Druck. Die piezoelektrischen Materialien erzeugen jedoch keine Signale, die allgemein auf die volle Bandbreite von Steuerungsalgorithmen anwendbar sind.
Es verbleibt ein Bedarf an Drucksensoren, die auf verschiedene Bandbreiten von Steuerungsalgorithmen anpassbar sind.
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein Sensor zum Erfassen einer Druckaufbringung offenbart. Der Sensor beinhaltet ein Substrat, leitfähige Elemente und eine elektroaktive Schicht. Erste und zweite leitfähige Elemente werden von dem Substrat tragen und weisen längliche Kanten auf, die von einander beabstandet sind. Die elektroaktive Schicht weist eine an die leitfähigen Elemente anhaftende gemeinsame Oberfläche auf. Die elektroaktive Schicht definiert mindestens eine elektrische Eigenschaft in einem Bereich der Schicht zwischen den leitfähigen Elementen. Die elektrische Eigenschaft ist dazu ausgelegt, entsprechend der Stärke des Drucks zu variieren.
Die elektrische Eigenschaft kann ein Widerstand oder eine Kapazität sein.
Ein Logikgerät kann mit den leitfähigen Elementen verbunden und ausgebildet sein, die elektrische Eigenschaft zu bestimmen. Die ersten und zweiten leitfähigen Elemente können mit einer Stromquelle verbunden werden. Die elektrische Eigenschaft kann ein Widerstand sein, der eine Spannungsdifferenz zwischen den leitfähigen Elementen erzeugt. Die Spannungsdifferenz variiert proportional zu der Größenordnung des Drucks.
Der Sensor kann auch einen Kalibrator beinhalten, der dazu ausgelegt ist, Stärke des Drucks unter Verwendung der Spannungsdifferenz zu bestimmen.
Die elektroaktive Schicht kann einen Quantentunnel-Verbundstoff (QTC – quantum tunneling composite) oder eine mit Nanoröhren dotierte Tinte oder einen dotierten Kohlenstoff umfassen. Der dotierte Kohlenstoff kann eine Tinte sein, beispielsweise aufgedruckt auf ein zweites Substrat und laminiert auf das Substrat und die leitfähigen Elemente.
Die leitfähigen Elemente können verschiedene Muster wie zum Beispiel ein quadratisches oder spiralförmiges Muster aufweisen. Das quadratische Muster kann ineinandergreifende Finger beinhalten. Das spiralförmige Muster kann ineinandergreifende leitfähige Elemente beinhalten. Das erste leitfähige Element kann eine Vielzahl von ersten Fingern beinhalten. Das zweite leitfähige Element kann eine Vielzahl von zweiten Fingern beinhalten. Die Finger können sich entweder untereinander erstrecken, wie zum Beispiel in einer parallel beabstandeten Anordnung. Die Finger können sich miteinander über die gemeinsame Oberfläche abwechseln, um eine Vielzahl angrenzender Kanten zu bilden, die voneinander beabstandet sind. Die Finger können sich auch in verschiedenen Richtungen erstrecken.
Die ersten Finger können sich auch von einem ersten Leiterbahnstamm erstrecken und die zweiten Finger können sich von einem zweiten Leiterbahnstamm erstrecken. Der erste Leiterbahnstamm kann eine erste Konkavität aufweisen. Der zweite Leiterbahnstamm kann eine zweite Konkavität aufweisen. Die ersten und zweiten Finger können sich in einander entgegengesetzten Richtungen in die Konkavität erstrecken. Die Konkavitäten können sich gegenüberliegen, um einen kreisförmigen drucksensitiven Bereich zu definieren.
Die Finger können auch einen variierten Abstand aufweisen. Ein Paar erster und zweiter Finger kann näher beabstandet als ein anderes Paar erster und zweiter Finger sein. Ein näherer Abstand kann verwendet werden, um eine höhere Sensitivität gegenüber Druck bereitzustellen.
Die elektroaktive Schicht kann auch in ihrer Sensitivität variiert werden. Einige Bereiche können einen höheren Widerstand zwischen den Fingern aufweisen. Andere Bereiche können einen niedrigeren Widerstand zwischen den Fingern aufweisen.
Die elektrische Eigenschaft der elektroaktiven Schicht kann eine charakteristische Kurve aufweisen, wie zum Beispiel ein Verhältnis zwischen Druck und Widerstand. Diese Charakteristik kann als eine Funktion von einer Entfernung zwischen den länglichen Kanten der leitfähigen Elemente variiert werden. Eine Erhöhung der Entfernung kann zum Beispiel einen Schwellenwert zur Detektion der Aufbringung von Druck erhöhen. Eine Breite der leitfähigen Elemente kann auch variiert werden, um den Schwellenwert zu erhöhen. Erhöhungen der Entfernung oder Breite können auch einen Krümmungsradius der charakteristischen Kurve erhöhen.
Die Breite und/oder der Abstand der leitfähigen Elemente oder Finger können sich von 10 Mikrometern bis 500 Mikrometern bewegen. Niedrigere Bereiche können zum Beispiel durch Verwenden von Druckverfahren, wie zum Beispiel Aerosol-Jet-Druckverfahren, erzielt werden. Engere -Abstände und geringere Breiten können durch Drucken der leitfähigen Elemente mit Kohlenstofftinte erleichtert werden.
Die elektroaktive Schicht kann eine leitfähige Kohlenstofftinte gedruckt auf einem zweiten Substrat und an die leitfähigen Elemente anhaftend unter Verwendung einer Klebeschicht beinhalten. Die Klebeschicht kann zum Beispiel 5 Mikrometer dick sein und flüssigen oder drucksensitiven Klebstoff umfassen.
Der Sensor kann eine auf der elektroaktiven Schicht abgeschiedene Beschichtung beinhalten. Die Beschichtung kann gegen Umwelteinflüsse schützen, beispielsweise, indem sie wasserundurchlässig ist. Die Beschichtung kann auch dazu ausgelegt sein, eine charakteristische Ansprechkurve des Sensors einzustellen. Die Beschichtung kann zum Beispiel dazu ausgelegt sein, einen Krümmungsradius der charakteristischen Kurve des Sensors zu erhöhen. Die Beschichtung kann Variationen in Härte, Steifheit, Dicke, Materialzusammensetzung oder Form aufweisen, um zum Beispiel die charakteristische Ansprechkurve des Sensors zu modifizieren.
Die Beschichtung kann durch Druckverfahren, chemische Bedampfung, Atomlagenabscheidung, Sprühen oder Tauchen aufgetragen werden. Beschichtungsmaterialien können zum Beispiel Parylen, Silikon und Dielektrikum beinhalten. Die Beschichtung kann auch als ein zweites Substrat gebildet sein, das über der oder an die elektroaktive(n) Schicht anhaftet. Die Beschichtung kann eine Kuppelform aufweisen oder eine separate Einzeldickeschicht sein.
Die elektroaktive Schicht kann einen ein nachgiebiges Formteil umfassenden Bereich beinhalten. Das nachgiebige Formteil kann ein leitfähiges Polymer, wie zum Beispiel ein phenolisches Resol oder ein leitfähiges Elastomer, beinhalten.
Eine obere Seite der elektroaktiven Schicht kann ein Kraftauslenkungselement, wie zum Beispiel eine Arretierung oder ein sekundäres Merkmal, das einen Kontaktbereich des Kraftauslenkungselements verringert, beinhalten.
In einer anderen Ausführung können die ersten und zweiten leitfähigen Elemente eine gleiche Länge und Breite anhaftend an die elektroaktive Schicht aufweisen. Die leitfähigen Elemente können sich darüber hinaus in einer gleichen Richtung parallel erstrecken. Sie können auch gleich voneinander beabstandet sein. Eine Vielzahl von ersten und zweiten leitfähigen Elementen kann als zugehörige Kanäle eingesetzt werden. Die leitfähigen Elemente können zum Beispiel einen Abstand und eine Breite in einem Bereich von 250 bis 500 Mikrometern aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Drucksensors;
2 ist eine andere schematische Darstellung des Drucksensors nach 1;
3 ist eine schematische Darstellung, die die Aufbringung einer Kraft auf den Drucksensor nach 1 zeigt;
4 ist eine schematische Darstellung, die einen Leitungsweg des Drucksensors nach 1 zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung eines kreisförmigen Drucksensors;
6 ist eine Kraft-Widerstand-Ansprechkurve eines Drucksensors;
7 ist eine Kraft-Widerstand-Ansprechkurve eines anderen Drucksensors;
8 zeigt mehrere Kraft-Widerstand-Ansprechkurven von mehreren Drucksensoren;
9 zeigt die Verschiebung einer Kraft-Widerstand-Ansprechkurve als Reaktion auf eine modifizierte Auslegung eines Drucksensors;
10 ist eine schematische Darstellung, die das Einstellen leitfähiger Fingerelemente unter Anwendung eines Drucks zeigt;
11 ist eine schematische Darstellung, die gleich beabstandete leitfähige Fingerelemente zeigt;
12 und 13 sind schematische Darstellungen, die selektive Abstände von leitfähigen Fingerelementen zeigen;
14 ist eine schematische Darstellung, die eine selektive Modifikation einer elektroaktiven Schicht eines Drucksensors zeigt;
15 ist ein Kraft-Weg-Kurvendiagramm eines Drucksensors mit einem mechanischen Charakteristikum;
16 ist ein Kraft-Kontaktbereich-Kurvendiagramm des Drucksensors von 15;
17 und 18 sind schematische Darstellungen von Drucksensoren mit Schutzbeschichtungen;
19 bis 22 sind schematische Darstellungen von Drucksensoren mit mechanischen Charakteristika, um Kraft-Ansprechkurven zu modifizieren;
23 und 25 sind schematische Darstellungen eines Drucksensors mit zugehörigen Signalleitungen und parallelen leitfähigen Elementen;
24 und 26 sind schematische Darstellungen eines Drucksensors mit zugehörigen Signalleitungen und ineinandergreifenden leitfähigen Fingern;
27A und 27B sind schematische Darstellungen von Hybridsensoren, die Einzel- und Mehrschicht-Architekturen kombinieren; und
28 ist eine schematische Darstellung eines Drucksensorsystems, einschließlich Hardware, Software und sonstiger Komponenten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegend verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungen und beabsichtigt nicht, die Erfindung zu beschränken. Die Einzahlformen „ein/e/r”, und „der/die/das”, wie vorliegend verwendet, bezwecken auch, die Pluralformen zu beinhalten, es sei denn der Zusammenhang gibt eindeutig Gegenteiliges an. Es soll weiterhin verstanden sein, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend” bei Benutzung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzer Zahlen, von Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifiziert, jedoch das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließt.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 bid 4 beinhalten Ausführungen der vorliegenden Erfindung einen Drucksensor 10 einschließlich eines Substrats 12, eine Vielzahl erster leitfähiger Elementer 14, eine Vielzahl zweiter leitfähiger Elemente 16 und eine elektroaktive Schicht 18. Die leitfähigen Elemente 14, 16 sind von dem Substrat 12 getragen und weisen längliche Kanten 20 auf, die voneinander beabstandet sind. Die elektroaktive Schicht 18 weist eine gemeinsame Oberfläche 22 auf, die an die ersten und zweiten leitfähigen Elemente 14, 16 anhaftet. Die elektroaktive Schicht 18 definiert mindestens eine elektrische Eigenschaft, wie zum Beispiel einen Widerstand, zwischen den ersten und zweiten leitfähigen Elementen. Die elektrische Eigenschaft ist ausgelegt, zum Beispiel durch die Verwendung eines Quantentunnel-Verbundstoffs oder eines dotierten Materials, um in Bezug auf eine Größenordnung eines aufgebrachten Drucks zu variieren. Der Drucksensor 10 stellt Vorteile einschließlich einer lückenlosen Konstruktion für kompaktere, robuste Hardware bereit. Die Geometrie und Anordnung der leitfähigen Elemente 14, 16, der elektroaktiven Schicht 18 und sonstiger Komponenten ermöglicht auch die selektive Einstellung der Kraft-Ansprechkurve des Sensors.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder der Schritt- plus Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen bezwecken, jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung zur Durchführung der Funktion in Kombination mit sonstigen anderen beanspruchten Elementen wie gesondert beansprucht zu umfassen. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt, bezweckt jedoch nicht, abschließend zu sein oder die Erfindung in der offengelegten Form zu beschränken. Viele Modifikationen und Variationen sind dem Durchschnittsfachmann ersichtlich, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Die Ausführung wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erklären und dem Durchschnittsfachmann das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungen mit verschiedenen Modifikationen zu ermöglichen, die für die besondere in Betracht gezogene Verwendung geeignet sind.
Jede Kombination von einem oder mehreren Computer-lesbaren Medium/Medien kann verwendet werden. Das Computer-lesbare Medium kann ein Computer-lesbares Signalmedium oder ein Computer-lesbares Speichermedium sein. Ein Computer-lesbares Speichermedium kann zum Beispiel ein/e elektronische/s, magnetische/s, optische/s, elektromagnetische/s, Infrarot- oder Halbleitersystem, Vorrichtung oder Gerät oder jede geeignete Kombination der Vorstehenden sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Genauere Beispiele (eine nicht abschließende Liste) des Computer-lesbaren Speichermediums würden die nachstehenden beinhalten: eine elektrische Verbindung mit einer oder mehreren Leitungen, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), einen löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EPROM oder Flash-Speicher), einen Lichtwellenleiter, einen tragbaren Compact Disk Festwertspeicher (CD-ROM), ein optisches Speichergerät, ein magnetisches Speichergerät oder jede geeignete Kombination der Vorstehenden. Im Kontext dieses Dokuments kann ein Computer-lesbares Speichermedium jedes dinghafte Medium sein, das ein Programm zur Verwendung durch oder im Zusammenhang mit einem/einer Befehlsausführungssystem, -vorrichtung oder -gerät enthalten oder speichern kann.
Ein Computer-lesbares Signalmedium kann ein verbreitetes Datensignal mit einem darin verkörperten Computer-lesbaren Programmcode sein, zum Beispiel im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle. Ein solches verbreitetes Signal kann jede von einer Vielfalt von Formen annehmen, einschließlich aber nicht beschränkt auf elektromagnetische, optische Formen oder jede geeignete Kombination davon. Ein Computer-lesbares Signalmedium kann jedes Computerlesbare Medium sein, das kein Computer-lesbares Speichermedium ist und das ein Programm zur Verwendung oder im Zusammenhang mit einem/einer Befehlsausführungssystem, -vorrichtung oder -gerät kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann.
Auf einem Computer-lesbaren Medium verkörperter Programmcode kann unter Verwenden jedes geeigneten Mediums übertragen werden, einschließlich aber nicht beschränkt auf drahtlose, leitungsgestützte, Lichtwellenleiterleitungs-, RF-Medien, etc. oder jede geeignete Kombination des Vorstehenden.
Computerprogrammcode zum Durchführen der Operationen gemäß der vorliegenden Erfindung können in jeder Kombination einer oder mehrerer Programmiersprachen geschrieben werden, einschließlich einer objektorientierten Programmiersprache, wie zum Beispiel Java, Smalltalk, C++ oder dergleichen, und herkömmlicher prozeduraler Programmiersprachen, wie zum Beispiel der Programmiersprache „C” oder ähnlicher Programmiersprachen. Der Programmcode kann vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als ein eigenständiges Softwarepacket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem entfernten Computer oder vollständig auf einem entfernten Computer oder Server ausführen. In dem letzteren Szenario kann der entfernte Computer an den Computer des Benutzers über jede Art Netzwerk verbunden werden, einschließlich Lokalbereichsnetzwerk (LAN) oder Weitbereichsnetzwerk (WAN), oder die Verbindung kann zu einem externen Computer hergestellt werden (zum Beispiel über das Internet unter Verwenden eines Internet Service Providers).
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf Flussdiagrammillustrationen und/oder Blockdiagramme der Verfahren, Vorrichtungen (Systeme) und Computerprogrammprodukten nach den Ausführungen der Erfindung beschrieben. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass jeder Block der Flussdiagrammillustrationen und/oder Blockdiagramme und Kombinationen von Blöcken in den Flussdiagrammillustrationen und/oder Blockdiagrammen durch Computerprogrammbefehle ausgeführt werden kann. Diese Computerprogrammbefehle können an einen Prozessor eines Universalrechners, Spezialzweckrechners oder eine sonstige programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, sodass die Befehle, die über den Prozessor des Computers oder die sonstige programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung ausführen, Mittel zur Durchführung der in dem Flussdiagramm und/oder Blockdiagramm oder Blöcken spezifizierten Funktionen/Handlungen erzeugen.
Diese Computerprogrammbefehle können auch in einem Computer-lesbaren Medium gespeichert werden, das Befehle an einen Computer, eine sonstige Datenverarbeitungsvorrichtung oder sonstige Geräte geben kann, damit diese auf eine bestimme Art und Weise funktionieren, sodass die auf dem Computer-lesbaren Medium gespeicherten Befehle einen Herstellungsartikel (Computerprogrammprodukt) einschließlich Befehlen erzeugen, die die in dem Flussdiagramm und/oder Blockdiagrammblock oder -Blöcken spezifizierte Funktion/Handlung durchführen.
Die Computerprogrammbefehle können auch auf einen Computer, sonstige programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtungen oder sonstige Geräte geladen werden, um eine Reihe von auf dem Computer, den sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen oder sonstigen Geräten durchzuführenden Arbeitsgängen zu veranlassen, um einen Computer-durchgeführten Prozess derart zu erzeugen, dass die Befehle, die auf dem Computer oder den sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen ausführen, Prozesse zum Durchführen der in dem Flussdiagramm und/oder Blockdiagrammblock oder Blöcken spezifizierten Funktionen/Handlungen bereitstellen.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 bis 4 kann das Substrat 12 eine Basisoberfläche sein, auf welcher die verbleibenden Komponenten getragen sind. Das Substrat 12 kann zum Beispiel eine relativ steife, flache, ebene Oberfläche umfassen, die sich der Größe und Form nach der peripheren Form der elektroaktiven Schicht 18 anpasst. Derartige Charakteristika begünstigen eine vorhersehbare Reaktion auf Druck durch die dazwischen liegende elektroaktive Schicht 18 und die leitfähigen Elemente 14, 16.
Die Komprimierbarkeit des Substrats 12 kann wahlweise eingestellt werden, um die Einstellung der elektroaktiven Schicht 18 und der leitfähigen Elemente 14, 16 anzupassen. Erhöhte Komprimierbarkeit kann zum Beispiel zu einem Biegen und Auslenken der elektroaktiven Schicht und zum Modifizieren von deren Reaktion auf die Aufbringung von Druck führen. Zusätzliche angrenzende leitfähige Elemente können auch ausgelenkt werden, um Änderungen in den Leitfähigkeitscharakteristika zu erzeugen. Ein weiches Substrat kann auch ansprechende Soft-Touch-Charakteristika aufweisen, die für einige Oberflächen geeignet sind, wie zum Beispiel Automobilinnenausstattungen oder textilgestützte Steuerungen.
Das Substrat 12 kann andere Oberflächenkonturen als flache aufweisen, wie zum Beispiel kurvenförmige, strukturierte oder gewinkelte. Oberflächenvariationen können den Sensor 10 dahingehend auslegen, dass er sich den Konturen verschiedener Steuergeräte anpasst. Eine kurvenförmige Form kann zum Beispiel für eine Fenstersteuerung in einer Automobilinnenausstattung eingesetzt werden, um sich an die gerundete, an das Fenster angrenzende Oberfläche anzupassen. Eine zylindrische Form kann verwendet werden, um sich um ein Lenkrad zu wickeln.
Das Substrat 12 kann auch derart gestaltet sein, dass es verschiedene Umfangsformen aufweist, um basierend auf der gewünschten Steuerungsdynamik in die Steuergeräte zu passen. Eine Streifenform kann zum Beispiel für lange, gleitende Gesten oder Wischen, die Druck auf den Sensor 10 aufbringen, verwendet werden. Erweiterte, zweidimensionale Formen können das Erfassen in zwei Dimensionen (X-Y) sowie die Kraft (Z)-Dimension erleichtern. Kreisförmige Formen können zur Umfangspositionsdetektion oder Detektion von kreisförmigen oder Wählbewegungen zusammen mit Druck eingesetzt werden.
Das Substrat 12 sollte im Allgemeinen begrenzte oder keine Leitfähigkeit aufweisen, um unbeabsichtigte Kommunikation zwischen den angrenzend angeordneten ersten und zweiten leitfähigen Elementen 14, 16 zu verhindern. Das Substrat 12 kann auch aus einem elektroaktiven Material hergestellt sein, um elektrische Kommunikation zwischen den leitfähigen Elementen während der Aufbringung eines Drucks auf den Drucksensor 10 zu erleichtern.
Wie in 2 bis 4 gezeigt, kann das Substrat unterhalb der leitfähigen Elemente 14, 16 positioniert sein und eine Peripherie aufweisen, die (wie in 1 gezeigt) vor den Enden der leitfähigen Elemente 14, 16 endet. Dies ermöglicht, dass die Enden an Leitungen oder sonstigen Leitern befestigt werden können, um Kommunikation mit einem Steuergerät, Verstärker oder sonstiger Logik oder Hardware zu ermöglichen.
Das Substrat 12 kann einen Dickebereich aufweisen und kann eine Struktur einer zugrundeliegenden Oberfläche des zu steuernden Objekts sein. Es kann zum Beispiel ein Armaturenbrett einer Automobilinnenausstattung mit darauf montierten leitfähigen Elementen 14, 16 und elektroaktiver Schicht 18 sein. Das Substrat 12 hat auch den Vorteil, dass es die leitfähigen Elemente und elektroaktive Schicht nicht nur stützt, sondern die aufgebrachte Kraft auch „zurückschiebt”, um die Kompression dieser Komponenten zu erleichtern.
Die ersten leitfähigen Elemente 14, wie in 1 gezeigt, erstrecken sich über eine Kante des Substrats 12 und in das Zentrum des Substrats 12. Die ersten leitfähigen Elemente 14 weisen rechteckige „Finger”-formen auf, die relativ lang und in einer beabstandeten, parallelen Anordnung auf dem Substrat 12 sind. Die Finger können bis zu 50 Mikrometer nach unten mit ähnlicher Beabstandung zwischen den Fingern hergestellt werden. Kleinere Dimensionen, wie zum Beispiel 10 Mikrometer, können durch Verwenden alternativer Herstellungsprozesse, wie zum Beispiel Aerosol-Jet-Druckverfahren, hergestellt werden. Derartige Druckverfahren können auch chemische Bedampfung oder Atomlagenabscheidung beinhalten. Leiterplattenätzen kann auch verwendet werden. Kleinere Finger können leitfähige Kohlenstoffe und sonstige Materialien umfassen, die weniger zur Migration neigen als Silber oder Gold.
Die zweiten leitfähigen Elemente 16, wie in 1 gezeigt, erstrecken sich über die gegenüberliegende Kante des Substrats 12 und in das Zentrum des Substrats 12. Die zweiten leitfähigen Elemente 16 weisen auch Fingerformen auf und können ähnlich der ersten leitfähigen Elemente 14 konstruiert werden. Wegen ihrer gegenüberliegenden Orientierung und parallelen Konstruktion können die ersten und zweiten leitfähigen Elemente 14, 16 ineinandergreifend sein. Mit anderen Worten, die Finger alternieren zwischen ersten und zweiten leitfähigen Elementen über den mittleren Bereich des Substrats 12.
Die ersten und zweiten leitfähigen Elemente 14, 16 verbinden sich jeweils mit ersten und zweiten Leitern, die eine daran befestigte Stromquelle der einen oder anderen Form aufweisen. Diese Stromquelle erzeugt eine Spannungsdifferenz zwischen den leitfähigen Elementen. Wie nachstehend beschrieben, ermöglichen die Menge und der Bereich einer Aufbringung von Druck, dass zwischen den leitfähigen Elementen des Drucksensors 10 Strom geleitet wird.
Wie in 2 bis 4 gezeigt, erstreckt sich die elektroaktive Schicht 18 über die leitfähigen Elemente 14, 16 und weist eine gemeinsame (in den Figuren eine untere) Oberfläche 22 auf, die gegen die leitfähigen Elemente 14, 16 positioniert ist oder anderweitig an diese angeheftet. Die elektroaktive Schicht 18 muss nicht von einer einheitlichen Geometrie oder Dicke sein und braucht anstatt dessen lediglich eine gewisse Art einer Oberfläche zur Positionierung auf den leitfähigen Elementen 14, 16 oder proximal zu diesen vorzuweisen. In der veranschaulichten Ausführung ist die elektroaktive Schicht 18 ein relativ dünner Bogen mit einer rechteckigen Form, die dem zugrundeliegenden Substrat 12 entspricht.
Die elektroaktive Schicht 18 weist vorzugsweise eine elektrische Eigenschaft auf, welche mit einer aufgebrachten Kraft variiert. Die elektroaktive Schicht 18 kann zum Beispiel von einem drucksensitiven Material umfasst sein, das ausgelegt ist, um den Widerstand oder die Leitfähigkeits-/elektrischen Charakteristika als Ansprechen auf eine darauf einwirkende Kraft oder einen darauf einwirkenden Druck zu ändern. Das drucksensitive Material kann im Wesentlichen als ein Isolator funktionieren, wenn keine Kraft oder kein Druck vorliegt und verringert seinen Widerstand, wenn mehr Kraft oder Druck vorliegt. Zwischen niedrigen und hohen Kräften spricht das drucksensitive Material auf eine vorhersehbare Art und Weise auf Kraft oder Druck an, wobei sich sein Widerstand mit erhöhter Kraft verringert.
Das drucksensitive Material kann zum Beispiel eine Kohlenstoffnanoröhre mit leitfähigem Polymer sein. Das drucksensitive Material kann über die leitfähigen Elemente 14, 16 durch einen Druckprozess, wie zum Beispiel zwei- oder dreidimensionalen Tintenjet- oder Siebdruck, Bedampfung oder Druckschaltungstechniken wie Ätzen, Fotogravur oder Fräsen aufgetragen werden. Wenn ein drucksensitives Material mit kleineren Partikelgrößen verwendet wird, wie zum Beispiel das mit Graphem- oder Graphem-leitfähigem Polymer, kann das drucksensitive Material auch durch Druckschaltungstechnik, wie zum Beispiel Bedampfung, aufgetragen werden.
Nach anderen Ausführungen kann das drucksensitive Material ein mit einem Leiter dotiertes Silicenpolymermaterial sein, wie zum Beispiel mit Silber oder Kupfer. Nach anderen Beispielen kann das drucksensitive Material ein Quantentunnel-Verbundstoff (QTC) sein, der ein drucksensitives Material mit variablem Widerstand ist, das Fowler-Nordheim Tunneling nutzt. Das QTC-Material in den Sensoren kann als ein Isolator wirken, wenn Nulldruck oder Nullkraft aufgebracht wird, da die leitfähigen Partikel möglicherweise zu weit voneinander entfernt sind, um zu leiten, sich jedoch, wenn Druck (oder Kraft) aufgebracht wird, näher an andere leitfähige Partikel bewegen, sodass Elektronen durch die Isolatorschicht dringen können, was die Isolatorschicht ändert, was den Widerstand des Sensors ändert. Daher ist der Widerstand des QTC in den Sensoren eine Funktion der Kraft oder des Drucks, die/der auf den Sensor wirkt.
Wie in 3 und 4 gezeigt, reduziert die Aufbringung einer Kraft (F) den Widerstand des zugrundeliegenden Leitungswegs (gepunktete Linie) zwischen einem von den ersten leitfähigen Elementen 14 und einem von den zweiten leitfähigen Elementen 16 gegenüber der Kraft. Die Spannungsdifferenz zwischen den leitfähigen Fingern erzeugt ein Signal, das proportional zu dem Abfall des Widerstands ist, der proportional zu der Menge an aufgebrachter Kraft ist.
Vorteilhafterweise können die Größe, Positionierung und sonstigen Charakteristika der Finger eingesetzt werden, um die charakteristische Ansprechkurve jenseits des für eine zwischen zwei Leitern zwischengeschalteten elektroaktiven Schicht 18 erwarteten Ansprechens zu modifizieren. Wie zum Beispiel in 8 gezeigt, weist eine charakteristische Kurve eines zweischichtigen Sensors mit einer elektroaktiven Schicht (QTC umfassend), die mit einer Dicke zwischen zwei Leitern eingreift, einen sehr kleinen „Ellenbogen” zwischen zwei relativ geraden Linien auf (d. h. der Nicht-ID-Finger-Basissensor). Dies wird durch Kurve 72 gezeigt. Dieser Ellenbogen spiegelt einen schnellen Übergang nach Aufbringung einer niedrigen Schwellenwertkraft.
Diese charakteristische Kurve weist Vorteile auf, wie zum Beispiel für einen deterministischen Ein-Aus-Schalterbetrieb, obwohl sie auf Systeme, die stufenweisere Ansprechscharakteristika erfordern, möglicherweise weniger anwendbar ist. Zum Beispiel können Fuzzylogik-Systeme aus einem stufenweisen Übergang auf das Kraft-Widerstands-Ansprechen des Sensors einen Vorteil ziehen. Derartige Charakteristika können programmiert oder unter Verwendung der oben beschriebenen Fingerauslegung der leitfähigen Elemente 14, 16 eines Einzelschichtsensors 10 kundenspezifisch gefertigt werden. Variationen der Fingergröße, -länge und -zusammensetzung und sonstigen Geometrie können modifiziert werden und die charakteristische Ansprechkurve abmildern. Zum Beispiel zeigt 8 die Wirkung der Verwendung von kleinen ID-Fingern, wie zum Beispiel 0,25 mm, wobei der Abstand gleich der Fingerbreite ist. Dies wird durch Kurve 74 gezeigt. (6 ist ein zugehöriges Kurvendiagramm für die kleinen Finger.) Der scharfe Ellenbogen des Zweilagensensors wird geglättet und nach rechts verschoben, was eine höhere Kraftaufbringung für einen Abfall des Widerstands erfordert. Selbst größere Finger, wie zum Beispiel mit einer/m 0,35 mm Fingerbreite und -Abstand, glätten die Kurve weiter und schieben sie weiter nach rechts. Dies wird durch Kurve 76 gezeigt. (7 ist ein zugehöriges Kurvendiagramm für die mittleren Finger.)
Mit anderen Worten, kann durch das Modifizieren einer oder mehrerer Finger-Geometrien, wie zum Beispiel Breite oder Abstand, oder vom Fingermaterial die daraus folgende charakteristische Kraft-Ansprechkurve des Drucksensors 10 verändert werden. Für die/den kleine/n und mittlere/n Fingergröße und -Abstand bewegt sich die Kurve höher auf der Widerstandsskala. Dies verursacht einen größeren Abfall des Widerstands durch einen Kraftschwellenwert „F” und daher einen größeren Kraftschwellenwert.
Die charakteristische Ansprechkurve des Sensors 10 kann auch durch weitere Auslegungen der leitfähigen Elemente modifiziert werden, die nicht die Fingergeometrie betreffen. Zum Beispiel können die Finger auf dem Substrat 12 die Form ineinander greifender Leiterbahnen haben, wie zum Beispiel in einem spiralförmigen Muster.
5 zeigt eine andere beispielhafte Geometrie der leitfähigen Elemente. Wie in 5 gezeigt, sind die ersten leitfähigen Elemente 14 auf der linken und die zweiten leitfähigen Elemente 16 auf der rechten Seite. Die leitfähigen Elemente sind in der Form von Fingern, die sich von bogenförmigen Leiterbahnen 24 erstrecken. Diese Leiterbahnen bilden einen „Stamm” für die ineinandergreifenden leitfähigen Elemente 14, 16. Die Leiterbahnen 24 erstrecken sich weg von den kurvenförmigen Teilen, um sich mit den Stromquellen und Steuerungen zu verbinden. Die insgesamt kreisförmige Form des Drucksensors 10 von 5 ist vorteilhafterweise für eine Steuerung mittels Schaltknöpfen gut geeignet. Der Sensor 10 könnte für sonstige Zwecke auch größer sein, anstatt die Größe einer Fingerspitze für einen Schaltknopf aufzuweisen.
Die Verwendung zusätzlicher oder kleinerer oder näher beabstandeter leitfähiger Elemente führt beachtenswerterweise zur Verschiebung der Kurve in Richtung der charakteristischen Kurve des Substrats 12. 9 zeigt diesen Vorschub zum Beispiel mit einem Pfeil. Eine andere Charakteristik von kleinen Fingern ist die Einstellung mehrerer Finger mit der Aufbringung eines Drucks über einen größeren Bereich, wie zum Beispiel in 10 gezeigt. Eine Erhöhung der aufgebrachten Kraft kann zum Beispiel den Kontaktbereich erhöhen.
Modifizieren des Sensors 10, um kleinere, näher beabstandete Finger zu verwenden, kann zur Erweiterung des Materialbereichs benutzt werden, der für die elektroaktive Schicht 18 benutzt wird, um weniger sensitive Materialien zu beinhalten. Zum Beispiel kann eine elektroaktive Schicht mit Kohlenstofftinte 18 durch Drucken von Kohlenstofftinte auf eine Deckschicht gebildet werden. Die Deckschicht wird dann über die leitfähigen Elemente 14, 16 auf das Substrat 12 aufgetragen. Erhöhte Kraft oder erhöhter Druck treffen mit einem erhöhten Kontaktbereich auf den Mikrofingern zusammen, wie in 10 gezeigt. Der erhöhte Kontaktbereich führt zu erhöhter Leitfähigkeit durch erhöhte Anzahl von elektrischen Leitungswegen.
Ein Vorteil von Kohlenstofftinte besteht darin, dass sie (im Allgemeinen) weniger wahrscheinlich migriert als Silber oder weichere Materialien. Daher kann Kohlenstofftinte für kleinere Breiten und Abstände von leitfähigen Elementen eingesetzt werden. Die elektroaktive Schicht mit Kohlenstofftinte 18 kann angesichts der Kurvenwanderung begünstigt durch die Verwendung kleiner und naher Elemente 14, 16 auch die Charakteristik eines höheren Widerstandes aufweisen. In dieser Ausführung kann es vorteilhaft sein, eine kleine oder dünne Schicht zwischen den leitfähigen Elementen und der elektroaktiven Schicht 18 zu haben. Diese Zwischenschicht kann zum Beispiel einen flüssigen Klebstoff oder drucksensitiven Klebstoff von 5 Mikrometer oder mehr umfassen. 19 zeigt eine Klebstoff-Trennschicht 30, wodurch die elektroaktive Schicht 18 frei über den leitfähigen Elementen 14, 16 hängt.
Die leitfähigen Elemente 14, 16 können auf dem Substrat beispielsweise auch mittels Leiterplattenätzen, Druckverfahren, chemischer Bedampfung, Atomlagenabscheidung oder Aerosol-Jet-Druckverfahren abgeschieden werden. Die elektroaktive Schicht 18 kann ein leitfähiges Plastik oder Elastomer in der Form eines halbnachgiebigen Formteils beinhalten. Das Formteil kann ein Abstandsfeature 32 beinhalten, wie zum Beispiel in 20 gezeigt. Das Abstandsfeature hängt die obere elektroaktive Schicht 18 über das untere Substrat und die leitfähigen Elemente 14, 16 auf. Zusätzlich geformte Merkmale 34 stellen eine Geometrie bereit, die gleichmäßige Druckaufbringung und Berührungsposition erleichtert, wie dies in 21 gezeigt ist. Das geformte Merkmal 34 kann einen kurvenförmigen Formteil mit einer erhöhten Zentraldicke und verjüngten Enden aufweisen, um die Sensitivität der Zentralberührungszone mit der Aufbringung eines Drucks zu erhöhen. Die geformten Merkmale 34 können mehrere kurvenförmige Prägungen aufweisen, wie in 22 gezeigt, um standortspezifische Verdrängungsreduzierungen und/oder Sensitivitätserhöhungen zu erzielen.
11 bis 15 zeigen Ausführungen, die in Fingerbreite, Abstand und sonstiger Geometrie variieren, um die Sensitivität des Sensors 10 zu beeinflussen. Zum Beispiel können der Abstand und die Anzahl leitfähiger Elemente variiert werden, um die Sensitivität innerhalb des Sensors 10 zu variieren. 11 zeigt einen normalen Abstand, wohingegen 12 eine Ausführung zeigt, wobei die Finger im Zentrum des Erfassungsbereichs näher beabstandet sind. Der Abstand ist weiter weg vom Zentrum größer, um reduzierte Sensitivität zu ermöglichen. Die Ausführung von 13 weist auf der anderen Seite einen größeren Abstand am Zentrum auf, um reduzierte Sensitivität im Zentrum zu ermöglichen. Der Abstand und die Größe und sonstige Geometrie der Finger können über den Sensor 10 hinweg variiert werden, um die Sensitivität auf spezifische Kräfte zu fokussieren. Der Abstand könnte zum Beispiel basierend auf der radialen Position eines spiralförmigen Sensors variiert werden. Der Abstand und die Fingerbreite können für Streifen auch entlang der Streifen erhöht oder verringert werden. Selektiv erhöhte und verringerte Entfernungen und Breiten und die Anzahl der leitfähigen Elemente können insbesondere nützlich sein für weniger sensitive elektroaktive Schichten 18.
14 zeigt eine Ausführung, wobei die elektroaktive Schicht 18 modifiziert werden kann, um höhere oder niedrigere Widerstandsbereiche für selektive Sensitivität des Sensors 10 zu beinhalten. Zum Beispiel könnten Erfassungsbereiche 26 innerhalb der Erfassungszone des Sensors 10 mit relativ niedrigen oder hohen Widerstandsmaterialen dotiert werden. Dies desensibilisiert oder akzentuiert die Sensibilität innerhalb des Erfassungsbereichs 26. Ein weiterer Vorteil kann die Wiederholbarkeit der Kontakterfassung innerhalb des gegebenen Bereichs sein. Erhöhte Sensitivität kann durch die Verwendung hochsensitiver Materialien, wie zum Beispiel Quantentunnel-Verbundstoff, erzielt werden.
Als andere Option kann ein Hybridsensor 10 durch Kombinieren von Einzel- und Mehrfachschichtarchitektur erzeugt werden. Beispielhafte Hybridsensoren 10 werden in 27A und 27B gezeigt. Zum Beispiel können Teile des Erfassungsbereichs eine obere Elektrode 42 und eine Abstandschicht oder -lücke 44 zwischen der elektroaktiven Schicht 18 und den leitfähigen Elementen 14, 16 oder zwischen der oberen Elektrode 42 und der elektroaktiven Schicht 18 umfassen. Wie in 27A gezeigt, kann die elektroaktive Schicht 18 an die obere Elektrode 42 anhaften, und die Lücke kann zwischen der elektroaktiven Schicht 18 und den leitfähigen Elementen 14, 16 bereitgestellt werden. Alternativ, wie in 27B gezeigt, kann die elektroaktive Schicht 18 an die leitfähigen Elemente 14, 16 angeheftet werden, und die Lücke 44 kann zwischen der oberen Elektrode 42 und der elektroaktiven Schicht 18 bereitgestellt werden.
Die Finger 14, 16 können auch modifiziert werden, um die charakteristische Sensitivität des Sensors 10 zu konfigurieren. Zum Beispiel kann die Fingerbreite erhöht werden, um robustere Messungen zu erzielen. Das Fingermaterial könnte sich auch von höheren zu niedrigeren Widerstandsmaterialien entlang seiner Länge ändern.
Mechanische Anpassungen können auch vorgenommen werden, um die Ansprechenscharakteristik des Drucksensors 10 zu modifizieren. Zum Beispiel zeigen die charakteristischen Kurvenformen von 15 und 16, wie ein Kraft-Verdrängungselement, wie zum Beispiel ein Stempel, verwendet werden kann, um als eine Zwischenschicht zwischen der ersten elektroaktiven Schicht 18 und den leitfähigen Elementen 14, 16 verwendet zu werden. Die Zwischenschicht kann ein Auslenkungselement mit einer physischen Arretierung, wie zum Beispiel einer Silicon-Ventilkappe, beinhalten. Das Auslenkungselement kann ein sekundäres Merkmal beinhalten, um die äußere Peripherie des Erfassungsbereichs 26 bei höheren Kräften in Eingriff zu nehmen. Wie in 15 gezeigt, repräsentiert ein Teil der charakteristischen Kurve 1501A die Ansprechen des Drucksensors 10, wenn Kraft auf ein Auslenkungselement, wie zum Beispiel eine Ventilkappe, angewendet wird. An Punkt 1501B erreicht die Ventilkappe ihre vorgesehene Kraft und die Ventilkappe wird an Punkt 1501C zerdrückt. Ein Teil der charakteristischen Kurve 1501D stellt die Ansprechen des Drucksensors 10 dar, wenn zusätzliche Kraft angewendet wird (z. B. die Ansprechen der elektroaktiven Schicht 18).
Wie in 17 und 18 gezeigt, kann der Drucksensor 10 eine Beschichtungsschicht 28 beinhalten, um die Oberfläche der elektroaktiven Schicht 18 zu schützen. Die Beschichtung 28 kann ein organisches oder anorganisches Material sein, um eine dichte, wasserdichte Sperre bereitzustellen und gegen Umweltbedingungen zu schützen. Die Beschichtung 28 kann auch in Geometrie oder Zusammensetzung variieren, um zusätzliche Kraft Ansprechkurvencharakteristika bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Härte, Steifheit, Dicke, Form oder die Materialart der Beschichtung 28 variiert werden. Die Beschichtung 28 kann durch Druckverfahren, chemische Bedampfung, Atomlagenabscheidung, Sprühen oder Tauchen aufgetragen werden. Die Beschichtung 28 kann Parylen, Silikon und Dielektrikum etc. umfassen. Wie in 18 gezeigt, kann die Beschichtung ein sekundäres Substrat sein, das oben auf der elektroaktiven Schicht 18 anhaftet.
Wie in 23 und 24 gezeigt, (sic: fehlender Satzteil im Original) kann (in dem) Drucksensor 10 eine Vielzahl von leitfähigen Elementen eingesetzt werden, von denen jedes (oder von denen einige) zugehörige Kanäle beinhalten kann (können).
Wie zum Beispiel in 23 und 25 gezeigt, verbinden sich zugehörige lineare Leitungs-Leiterbahnen 36 zu ihrem jeweiligen leitfähigen Element 14, 16. Die mehreren leitfähigen Elemente sind in einer angrenzenden, parallelen Anordnung eng beabstandet, die sich über einen oder zwei elektroaktive Schicht 18 -Bereiche erstreckt. Die Leitungs-Leiterbahnen 36 können einen Trichterteil 38 beinhalten, der zum Verbinden oder Crimpen ausgelegt ist, wie zum Beispiel an ein Sensorende von 10 mm Durchmesser.
Teile der Leiterbahnen 36 und leitfähigen Elemente 14, 16 können verschiedene Materialien umfassen. Zum Beispiel können sie beide gedrucktes Silber sein. Oder es kann eine/s gedrucktes Silber und die/das andere gedruckter Kohlestoff sein. Die Leitungsbreite und der Abstand können auch variiert werden, wie oben beschrieben, wie zum Beispiel mit 250, 350 oder 500 Mikrometer Breiten und/oder Abstand.
24 und 26 zeigen ein anderes Beispiel eines rechteckig geformten Drucksensors 10 mit einer rechteckigen elektroaktiven Schicht 18 und ineinander greifenden, Fingern 14, 16 von gleicher Länge. Jeder der Finger weist seinen zugehörigen Kanal über angrenzend gestapelte Leitungs-Leiterbahnen 36 auf, die sich entlang lateraler Kanten 40 der Finger 14, 16 erstrecken. Die Leitungs-Leiterbahnen 36 und Finger 14, 16 können ganz durch das gleiche Silber- oder Kohlenstoffmaterial umfasst sein. Oder die Leitungs-Leiterbahnverbindungen können von einem anderen Material als die Finger umfasst sein, wie zum Beispiel Silber, wenn die Finger Kohlenstoff sind. Die Leitungs-Leiterbahnen 36 können außerdem außerhalb des elektroaktiven Schicht 18 -Bereichs gelegen oder gedruckt sein. Der Drucksensor 10 kann eine Gesamtgröße von etwa 10 oder 15 mm aufweisen, wobei die Finger und Leiterbahnbreite und der Abstand im Bereich von 250 bis 350 oder 500 Mikrometer liegen.
Die zugehörigen Kanäle stellen mehrere Ausgangsleitungen für Ablesungen vom Sensor 10 bereit. Diese Ausgänge diesen Leitungen können über variierende Entfernungen miteinander verglichen werden. Mehrere Ausgangsleitungen können die Verfolgung erleichtern, indem sie sich entlang der Länge des Sensors bewegen, da sich der Widerstand mit der Entfernung vom Eingang erhöht (aufgebrachter Druck). Mehrere Ausgangsleitungen ermöglichen auch redundante Selbstprüfungen oder doppelte Parsergebnisse. Sensor- oder Computerlogik kann angrenzende oder proximale Leitungen überprüfen, die von einer aufgebrachten Kraft oder einem aufgebrachten Druck überbrückt werden. Die mehreren Ausgänge können auch verwendet werden, um eine breitenmäßige Position oder den Bereich der aufgebrachten Kraft zu bestimmen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 28 wird eine schematische Darstellung eines Zentralservers 500 oder einer ähnlichen Netzwerkeinheit, ausgelegt zur Durchführung eines Sensorsystems nach einer Ausführung der Erfindung, bereitgestellt. Die Bezeichnung „zentral” im Sinne der vorliegenden Verwendung dient lediglich der Beschreibung der gemeinsamen Funktionalität, die der Server für mehrere Klienten oder Rechnergeräte bereitstellt und erfordert oder inferiert keine zentralisierte Positionierung des Servers in Bezug auf sonstige Rechnergeräte. Aus 28 kann entnommen werden, dass der Zentralserver 500 in dieser Ausführung einen Prozessor 510 beinhalten kann, der mit sonstigen Elementen innerhalb des Zentralservers 500 über eine Systemschnittstelle oder einen Bus 545 kommuniziert. Im Zentralserver 500 kann auch ein Anzeige-/Eingabegerät 520 zum Empfangen und Anzeigen von Daten beinhaltet sein. Dieses Anzeige-/Eingabegerät 520 kann zum Beispiel eine Tatstatur oder ein Zeigegerät sein, die/das in Kombination mit einem Bildschirm verwendet wird. Der Zentralserver 500 kann weiter Speicher 505 beinhalten, der sowohl Festwertspeicher (ROM) 535 als auch Direktzugriffspeicher (RAM) 530 beinhalten kann. Der ROM 535 des Servers kann verwendet werden, um ein Basiseingabe-/Ausgabesystem 540 (BIOS – basic input/output system) zu speichern, das die Basisroutinen enthält, die bei der Übertragung der Informationen über ein oder mehrere Netzwerke behilflich sind.
Der Zentralserver 500 kann außerdem mindestens ein Speichergerät 515, wie zum Beispiel ein Festplattenlaufwerk, Diskettenlaufwerk, Compact Disk Festwertspeicher-Laufwerk oder optisches Speicherplattenlaufwerk, zum Speichern von Informationen auf verschiedenen Computer-lesbaren Medien, wie zum Beispiel eine Festplatte, eine entfernbare Magnetplatte oder eine CD-ROM Disk, beinhalten. Dem Durchschnittsfachmann ist ersichtlich, dass jedes dieser Speichergeräte 515 mit dem Systembus 545 durch eine geeignete Schnittstelle verbunden werden kann. Die Speichergeräte 515 und deren assoziierte Computer-lesbaren Medien können nichtflüchtige Speicherung für einen zentralen Server bereitstellen. Es ist wichtig festzuhalten, dass die oben beschriebenen Computer-lesbaren Medien durch jeden dem Stand der Technik bekannten Typ Computer-lesbarer Medien ersetzt werden können. Derartige Medien beinhalten zum Beispiel Magnetkassetten, Flash-Speicherkarten und DVDs.
Eine Reihe von Programmmodulen kann durch die verschiedenen Speichergeräte und innerhalb des RAM 530 gespeichert werden. Derartige Programmmodule können ein Betriebssystem 550 und eine Vielzahl von einem oder mehreren (N) Modulen 560 beinhalten. Die Module 560 können bestimmte Aspekte des Betriebs des Zentralservers 500 mit Hilfe des Prozessors 510 und des Betriebssystems 550 steuern. Die Module können zum Beispiel die oben beschriebenen und durch die Figuren und sonstigen vorliegend offengelegten Materialien veranschaulichten Funktionen durchführen. Die Module können ein Bestimmungsmodul mit elektrischer Eigenschaft 562 beinhalten, das ausgelegt ist, um eine elektrische Eigenschaft der elektroaktiven Schicht basierend auf der Verbindung zu den leitfähigen Elementen zu bestimmen. Die Module können ferner ein Kalibratormodul 564 beinhalten, das ausgelegt ist, um die Größenordnung eines Drucks unter Verwendung einer Spannungsdifferenz zwischen den leitfähigen Elementen zu bestimmen.
Das Flussdiagramm und die Blockdiagramme in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten nach verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Diesbezüglich kann jeder Block in dem Flussdiagramm oder den Blockdiagrammen ein Modul, Segment oder Teil eines Codes repräsentieren, welche einen oder mehrere ausführbare Befehle zur Durchführung der spezifizierten Logikfunktion(en) umfassen. Es ist zu beachten, dass in einigen alternativen Ausführungen die in dem Block notierten Funktionen außerhalb der in den Figuren festgehaltenen Reihenfolge auftreten können. Zum Beispiel können zwei aufeinanderfolgend gezeigte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder die Blöcke können manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, je nach der beteiligten Funktionalität. Es ist auch festzuhalten, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder Flussdiagrammillustration und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder der Flussdiagrammillustration durch Hardware-basierte Systeme mit besonderem Zweck durchgeführt werden können, die spezifizierte Funktionen oder Handlungen oder Kombinationen von Hardware mit besonderem Zweck und Computerbefehle durchführen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Aquivalente aller Mittel oder Schritte plus Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen bezwecken, jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung zur Durchführung der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen wie besonders beansprucht zu beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert und bezweckt nicht, abschließend zu ein oder die Erfindung in der offengelegten Form zu beschränken. Viele Modifikationen und Variationen sind dem Durchschnittsfachmann ersichtlich, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Die Ausführung wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und die praktische Anwendung am besten erklären zu können und um anderen Fachleuten das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungen mit verschieden Modifikationen zu ermöglichen, die für die vorgesehene bestimmte Verwendung geeignet sind.
Bezugszeichenliste

10: Drucksensor
12: Substrat
14: erste leitfähige Elemente
16: zweite leitfähige Elemente
18: elektroaktive Schicht
20: längliche Kanten
22: gemeinsame Oberfläche
24: bogenförmige Leiterbahnen
26: Erfassungsbereich
28: Beschichtung
30: Klebstoff-Trennschicht
32: Abstandscharakteristika
34: Formcharakteristika
36: Leitungs-Leiterbahnen
38: Trichter
40: laterale Kanten
42: obere Elektrode
44: Lücke
72: Nicht-ID-Finger-Basissensorkurve
74: Kleine ID-Finger-Sensorkurve
76: Mittlere ID-Finger-Sensorkurve

Claims

Sensor zum Erfassen eines Drucks, wobei der Sensor Folgendes umfasst: ein Substrat; mindestens ein erstes und ein zweites leitfähiges Element, die auf dem Substrat gelagert sind und längliche Kanten aufweisen, die voneinander beabstandet sind; und eine elektroaktive Schicht, die eine an die ersten und zweiten leitfähigen Elemente anhaftende gemeinsame Oberfläche aufweist, wobei die elektroaktive Schicht mindestens eine elektrische Eigenschaft in einem Bereich der Schicht zwischen den ersten und zweiten leitfähigen Elementen definiert, wobei die elektrische Eigenschaft ausgelegt ist, um in Bezug auf eine Größenordnung des Drucks zu variieren.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektrische Eigenschaft ein Widerstand ist.
Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Logikgerät, das mit den ersten und zweiten leitfähigen Elementen verbunden und ausgelegt ist, um die elektrische Eigenschaft zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 3, weiter umfassend eine mit den ersten und zweiten leitfähigen Elementen verbundene Stromquelle und wobei die elektrische Eigenschaft ein Widerstand ist, der zwischen den leitfähigen Elementen eine Spannungsdifferenz erzeugt, und wobei die Spannungsdifferenz proportional zur Größenordnung des Drucks ist.
Sensor nach Anspruch 4, wobei das Logikgerät einen zur Bestimmung der Größenordnung des Drucks unter Benutzung der Spannungsdifferenz ausgelegten Kalibrator beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Schicht mindestens eines von einem Quantentunnel-Verbundstoff oder einer Nanoröhren-dotierten Tinte umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Schicht eine auf einem zweiten Substrat aufgedruckte und auf das Substrat und die leitfähigen Elemente laminierte dotierte Kohlenstoff-Tinte umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitfähigen Elemente ein Spiralmuster aufweisen.
Sensor nach Anspruch 8, wobei die Spiralmuster ineinander greifen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei das erste leitfähige Element eine Vielzahl von ersten Fingern und das zweite leitfähige Element eine Vielzahl von zweiten Fingern beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 10, wobei sich die ersten Finger zwischen den zweiten Fingern erstrecken.
Sensor nach Anspruch 11, wobei sich die ersten Finger in einer parallel beabstandeten Anordnung befinden und wobei sich die zweiten Finger in einer parallel beabstandeten Anordnung befinden.
Sensor nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten Finger über die gemeinsame Oberfläche hinweg alternieren, um eine Vielzahl von angrenzenden Kanten zu bilden, die voneinander beabstandet sind.
Sensor nach Anspruch 13, wobei sich die ersten und zweiten Finger in unterschiedlichen Richtungen erstrecken.
Sensor nach Anspruch 14, wobei sich die ersten Finger von einem ersten Leiterbahnstamm erstrecken und wobei sich die zweiten Finger von einem zweiten Leiterbahnstamm erstrecken.
Sensor nach Anspruch 15, wobei der erste Leiterbahnstamm eine erste Konkavität aufweist und der zweite Leiterbahnstamm eine zweite Konkavität aufweist und wobei die Konkavitäten einander gegenüber liegen.
Sensor nach Anspruch 16, wobei sich die ersten Finger n die erste Konkavität erstreckenin einer zu den sich in die zweite Konkavität erstreckenden zweiten Fingern entgegengesetzten Richtung i.
Sensor nach Anspruch 17, wobei die Finger und Stämme einen kreisförmigen druckempfindlichen Bereich definieren.
Sensor nach Anspruch 10, wobei mindestens ein Paar erster und zweiter Finger einen engeren Abstand als ein anderes Paar erster und zweiter Finger aufweist.
Sensor nach Anspruch 19, wobei der engere Abstand einen Bereich höherer Empfindlichkeit für den Druck definiert.
Sensor nach Anspruch 10, wobei die elektroaktive Schicht einen variierten Widerstand zwischen unterschiedlichen Paaren erster und zweiter Finger aufweist.
Sensor nach Anspruch 21, wobei der variierte Widerstand zwischen mindestens einem Paar erster und zweiter Finger höher ist.
Sensor nach Anspruch 21, wobei der variierte Widerstand zwischen mindestens einem Paar erster und zweiter Finger niedriger ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektrische Eigenschaft eine charakteristische Kurve aufweist.
Sensor nach Anspruch 24, wobei die charakteristische Kurve mindestens teilweise als eine Funktion einer Entfernung zwischen den länglichen Kanten variiert.
Sensor nach Anspruch 25, wobei die Erhöhung der Entfernung einen Schwellenwert für die Detektion der Aufbringung von Druck erhöht.
Sensor nach Anspruch 26, wobei die Erhöhung einer Breite der leitfähigen Elemente den Schwellenwert zur Detektion der Aufwendung von Druck erhöht.
Sensor nach Anspruch 27, wobei die Erhöhung von mindestens der Entfernung oder Breite einen Krümmungsradius der charakteristischen Kurve erhöht.
Sensor nach Anspruch 28, wobei die Entfernung oder Breite von 10 Mikrometer bis 0,35 mm variiert.
Sensor nach Anspruch 28, wobei die leitfähigen Elemente unter Verwendung von Aerosol-Jet-Druckverfahren hergestellt werden und eine Breite von weniger oder gleich 50 Mikrometer aufweisen.
Sensor nach Anspruch 30, wobei die länglichen Kanten weniger als oder gleich 50 Mikrometer beabstandet sind.
Sensor nach Anspruch 31, wobei die elektroaktive Schicht eine auf einem zweiten Substrat aufgedruckte Kohlenstofftinte umfasst.
Sensor nach Anspruch 31, wobei die leitfähigen Elemente leitfähige Kohlenstofftinte umfassen.
Sensor nach Anspruch 31, wobei die leitfähigen Elemente eine Vielzahl von ineinandergreifenden Fingern beinhalten.
Sensor nach Anspruch 34, wobei die elektroaktive Schicht an die leitfähigen Elemente unter Verwendung einer Klebeschicht anhaftet.
Sensor nach Anspruch 35, wobei die Klebeschicht mindestens 5 Mikrometer dick ist.
Sensor nach Anspruch 36, wobei die Klebeschicht mindestens eines von einer Flüssigkeit oder einem drucksensitiven Klebstoff ist.
Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend eine auf der elektroaktiven Schicht abgeschiedene Beschichtung.
Sensor nach Anspruch 38, wobei die Beschichtung wasserundurchlässig ist.
Sensor nach Anspruch 38, wobei die Beschichtung ausgelegt ist, um eine charakteristische Kurve des Sensors anzupassen.
Sensor nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung ausgelegt ist, um einen Krümmungsradius der charakteristischen Kurve des Sensors zu erhöhen.
Sensor nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung durch mindestens eines der folgenden Verfahren, von einem Druckverfahren, einer chemischen Bedampfung, einer Atomlagenabscheidung, einem Sprühen oder Tauchen, aufgetragen worden ist.
Sensor nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung mindestens einen Stoff aus einer Gruppe, umfassend aus einem Parylen, Silikon und Dielektrikum, aufweist.
Sensor nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung ein zweites Substrat bildet, das an der elektroaktive Schicht anhaftet.
Sensor nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung die charakteristische Kurve unter Verwendung von mindestens einem von Härte, Steifheit, Dicke, Materialzusammensetzung oder -form anpasst.
Sensor nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung eine Kuppelform aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei ein Teil der elektroaktiven Schicht ein mindestens teilweises nachgiebiges Formteil beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 47, wobei das nachgiebige Formteil ein leitfähiges Polymer beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 48, wobei das leitfähige Polymer ein phenolisches Resol beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 47, wobei das nachgiebige Formteil ein leitfähiges Elastomer beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 47, wobei die leitfähigen Elemente auf dem Substrat unter Verwendung von mindestens einem von einem Leiterplattenätzen, Druckverfahren, einer chemischen Bedampfung oder Atomlagenabscheidung abgeschieden werden.
Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Kraftauslenkungselement, das an eine Seite der dem Substrat gegenüberliegenden elektroaktiven Schicht gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 52, wobei das Kraftauslenkungselement eine Arretierung beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 53, wobei das Kraftauslenkungselement ein sekundäres Merkmal beinhaltet, das einen Kontaktbereich des Kraftauslenkungselements verringert.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Schicht ein elektroaktives Material umfasst, das eine Leitungseigenschaft aufweist, die ausgelegt ist, um sich mit zunehmender Aufbringung von Druck zu erhöhen.
Sensor nach Anspruch 30, wobei das Aerosol-Jet-Druckverfahren mindestens eines von einer chemischen Bedampfung oder Atomlagenabscheidung beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitfähigen Elemente eine an die elektroaktive Schicht anhaftende gleiche Länge und Breite aufweisen.
Sensor nach Anspruch 57, wobei sich die ersten und zweiten leitfähigen Elemente parallel in eine gleiche Richtung erstrecken.
Sensor nach Anspruch 57, wobei sich die ersten und zweiten leitfähigen Elemente parallel in eine gegenüberliegende Richtung erstrecken.
Sensor nach Anspruch 57, weiter umfassend eine Vielzahl von ersten und zweiten leitfähigen Elementen.
Sensor nach Anspruch 60, wobei jedes der leitfähigen Elemente einen zugehörigen Kanal aufweist.
Sensor nach Anspruch 60, wobei die leitfähigen Elemente in einer parallelen Anordnung voneinander gleich beabstandet sind.
Sensor nach Anspruch 62, wobei ein Raum zwischen den leitfähigen Elementen gleich einer Breite der leitfähigen Elemente ist.
Sensor nach Anspruch 63, wobei der Raum und die Breite in einem Bereich von 250 bis 500 Mikrometern liegen.