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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strukturen mit veränderlicher
Leitfähigkeit,
die in veränderlichen
elektrischen Widerstandsvorrichtungen verwendet werden, um Veränderungen
im elektrischen Widerstand durch Bewegung und Druckveränderungen
bereitzustellen. Die Strukturen können auch eine elektrische Isolierung
und Abschirmung bereitstellen und ermöglichen das Einstellen eines
Anfangswiderstands. Zudem können
sie einen Kriechweg für
elektrostatische Spannungen bereitstellen, dem Betrieb einen Grad
an Bewegung und Greifbarkeit verleihen und in bevorzugten Formen
auf das Vorhandensein von chemischer, mikrobiologischer oder radioaktiver
Spezies reagieren.
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STAND DER
TECHNIK
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Die
US-A-4028276 offenbart druckempfindliche Zusammensetzungen zur Verwendung
als elastische Widerstände,
die in einem Elastomer eingeschlossene metallische leitfähige Teilchen
umfassen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Verwendung
einer Basisstruktur aus einem isolierenden oder schwach leitenden
Polymermaterial mit darin ausgebildeten Hohlräumen, die für ein mobiles Fluid mit stark
leitfähigen Füllstoffteilchen
in den Hohlräumen
zugänglich
sind, Körper
mit veränderlicher
Leitfähigkeit
hergestellt werden können,
die eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten einschließlich als
Sensoren aufweisen.
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Die
US-A-4481808 offenbart ein Verfahren zum Detektieren einer Konzentration
eines gelösten
Stoffs in einer Lösung,
indem eine Druckveränderung
in einer geschlossenen Kammer als Ergebnis der Durchdringung des
gelösten
Stoffs durch ein poröses
Material von einer Testlösung
in eine Lösung
in der Kammer beobachtet wird. Die Druckveränderung kann durch das Ausstatten
der Kammer mit einem druckempfindlichen Material wie ein Einkristall
aus n-Silicium überwacht
werden.
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Die
PCT/GB98/00206, veröffentlicht
als WO 98/33193, und die PCT/GB99/00205, veröffentlicht als WO 99/38173
offenbaren Polymerzusammensetzungen mit der elektrischen Eigenschaft,
im Ruhezustand isolierend zu wirken, unter mechanischer Beanspruchung
oder in elektrischen Feldern jedoch leitfähig zu sein. In einem hochohmigen
Zustand (typischerweise 1012 Ohm.cm) nehmen
sie durch Ausüben
einer solchen Belastung üblicherweise
einen niedrigohmigen Zustand an (typischerweise milliOhm.cm). Es
hat sich gezeigt, dass der wirksame Widerstand der Polymerkomponentenphase
aufgrund von Elektronentunnelung und Trägereinfang verringert ist.
In einem solchen Zustand kann die Polymerzusammensetzung hohe elektrische
Stromdichten tragen, obwohl keine vollständigen metallischen Strompfade
vorhanden sind, d.h. die Zusammensetzung liegt unter der Perkolationsgrenze.
Die Erfindung kann die in den PCT-Anmeldungen beschriebenen Materialien
verwenden, ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung umfasst ein Körper mit veränderlicher
Leitfähigkeit
eine zusammendrückbare
Basisschicht aus einem Polymermaterial, das isolierend oder schwach
leitfähig
ist, und leitfähige
Füllstoffteilchen
aus Metall, einer Legierung oder reduziertem Metalloxid, wobei der
Körper
im Ruhezustand einen ersten Grad elektrischer Leitfähigkeit
aufweist und auf einen zweiten Grad elektrischer Leitfähigkeit
gebracht werden kann, indem eine Spannungsänderung durch Dehnen, Komprimieren
oder ein elektrisches Feld aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Basisschicht Hohlräume
aufweist, durch die der Körper
porös gemacht
wird, wobei die Hohlräume
die leitfähigen
Füllstoffteilchen
enthalten.
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Die
Hohlräume
sind vorzugsweise für
ein leicht bewegliches Fluid zugänglich,
obwohl das leicht bewegliche Fluid nicht vorhanden sein muss, und
der Körper
kann z.B. in einem Vakuum betrieben werden.
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In
dieser Beschreibung kann der Begriff „veränderlicher Widerstand" einen Schalter beinhalten,
da der verfügbare
Widerstandsbereich sich bis hin zu einem offenen Stromkreis erstrecken
kann; und die Teilchen aus Metall, einer Legierung oder reduziertem
Metalloxid werden – egal
ob sie im Polymer eingeschlossen sind oder nicht, ob sie unter Spannung
stehen oder bis zur Leitfähigkeit
unter Spannung gesetzt werden können – als „stark
leitfähige
Füllstoffteilchen" bezeichnet.
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In
einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen elektrisch veränderlichen
Widerstand bereit, der extern verbundene Elektroden umfasst, die
durch einen Körper
mit veränderlichem
Widerstand gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung überbrückt sind.
Der Widerstand kann in Verbindung mit Spannungsmitteln verwendet
werden, die einen Aktuator mit veränderlicher Geometrie an der
Verwendungsstelle umfassen, wie z.B. ein schiefwinkliges Schuhelement
oder eine selektiv anregbare Anordnung von Stiften oder Strahlenbündelquellen.
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Genauer
gesagt kann der Körper
eine nachgebende Festigkeit aufweisen, die die Durchdringung der Basisschicht
bis zu einem von einer angelegten Druckkraft abhängigen Grad zulässt. Vorzugsweise
liegen die leitfähigen
Füllstoffteilchen
in Form von Granulat-Körnchen
vor, wie hierin im Nachstehenden beschrieben wird, die wiederum
ein Material umfassen, dessen Leitfähigkeit steigt, wenn es zusammengedrückt wird.
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Die
Basisschicht ist geeignet aus eine Schaum, Netz, einer Gaze, einer
Matte oder einem Stoff und Kombinationen aus zwei oder mehreren
davon ausgewählt.
Die Basisschicht und das Material aus dem sie besteht beeinflussen
die physikalischen und mechanischen Grenzen und das Leistungsvermögen des
gesamten Körpers,
und können
so gewählt
werden, dass sie auf diese abgestimmt sind, und haben auch eine
abschwächende
Wirkung auf das Kriechausmaß,
das normalerweise mit den flexiblen leitfähigen Polymeren einhergeht.
Besonders geeignete Basisschichten umfassen einen oder mehrere aus
offenzelligem Polymerschaum, Gewebe oder Vlies wie z.B. Filz, möglicherweise
mit Faser/Faser-Haftung, sowie dreidimensionale Anhäufungen
von Fasern oder Streifen.
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Der
Körper
besitzt eine Struktur, die so gewählt ist, dass sie für die jeweilige
Funktion im veränderlichen
Widerstand geeignet ist. Es kann z.B. eine zusammen gedrückte Struktur
in Kombination mit einer nicht zusammengedrückten Schicht verwendet werden,
wie untenstehend weiter ausgeführt
wird.
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Bei
einem veränderlichen
Widerstand kann das Spannungsmittel wirksam sein, um z.B. (a) eine
die Leitfähigkeit
erhöhende
Spannung zuzuführen
und/oder (b) solch eine Spannung umzukehren oder gegen eine vorher
existierende Spannung zu wirken.
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Wenn
das Spannungsmittel durch Komprimieren oder Dehnen wirkt, kann es
z.B. mechanisch, magnetisch, piezoelektrisch, pneumatisch und/oder
hydraulisch sein. Ein solches Ausüben einer Spannung kann direkt
oder durch Fernsteuerung erfolgen. Beim Zusammendrücken kann
leicht bewegliches Fluid aus den Hohlräumen der Basisschicht ausgestoßen werden.
Bei einer einfachen Schaltung ist das Fluid Luft und der Körper zur
Atmosphäre
hin offen. Unabhängig
davon, ob leicht bewegliche Flüssigkeit
vorhanden ist oder nicht, kann der Körper elastisch genug sein,
um sich von alleine vollständig
zurückzuformen
oder mit Hilfe eines elastisch wirkenden Elements wie einer Feder
unterstützt
zu werden. Um die mechanische Spannung umzukehren, kann der Körper in
einem geschlossenen System angeordnet sein, das Mittel einschließt, um das
bewegliche Fluid in die Hohlräume
zu treiben. Ein solches System kann ein Mittel zum Detektieren der
Bewegung eines Werkstücks,
die auf das Fluid außerhalb
des veränderlichen
Widerstands wirkt, bereitstellen.
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Das
bewegliche Fluid kann elastisch sein, wie z.B. ein nicht reaktives
Gas wie Luft, Stickstoff oder Edelgas oder wenn möglich ein
leicht kondensierbares Gas. Alternativ dazu kann das Fluid unelastisch
sein, wie z.B. Wasser, eine wässrige
Lösung,
polare organische Flüssigkeiten
wie Alkohol oder Ether, nicht polare organische Flüssigkeiten
wie Kohlenwasserstoff, oder ein flüssiges Polymer wie Siliconöl. In einer
wichtigen Ausführungsform
ist das Fluid eine Probe, auf die die Leitfähigkeit des veränderlichen
Widerstands empfindlich reagiert.
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Unter
den zum Ausbilden der Basisschicht geeigneten Materialien sind Netze,
Gazen, Matten oder Stoffe aus hydrophoben Polymeren wie Polyethylen,
Polyalkylenterpthalat, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyacrylnitril,
hoch veresterte und/oder etherisierte Cellulose, Silicon, Nylon
und hydrophile Polymere wie Cellulose (natürliche oder regenerierte, wenn
möglich
leicht veresterte oder etherisierte Cellulose), Wolle und Seide,
sowie Schäume
aus Polyether, Polystyrol, Polypropylen, Polyurethan (vorzugsweise
mit einer gewissen Plastizität),
Silicon, natürlicher
oder synthetischer Kautschuk.
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Welches
Material auch immer für
die Basisschicht verwendet wird, es ist vorzugsweise in einer Form mit
relativ großen
Hohlräumen
(z.B. 50 – 500
Micron) erhältlich
und dazu fähig,
durch Kompression um einen Faktor 2 bis 8 zusammengedrückt werden,
wobei eine weitere Komprimierbarkeit bestehen bleibt.
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Üblicherweise
besitzt der Körper
zwei Dimensionen, die im Wesentlichen größer als die Dritte sind. Er kann
somit eine plattenartige Konfiguration mit einer Dicke von beispielsweise
0,1 bis 5, insbesondere 0,5 bis 2,0 mm aufweisen. Die anderen Abmessungen
sind so gewählt,
dass sie vorteilhaft in der Herstellung sind und Benutzeranforderungen
erfüllen,
wie z.B. das Zulassen eines Kontakts mit der Probe in einem Sensor
gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung. Wenn der Körper elektrisch unter Spannung
gesetzt wird, sollte seine Querschnittsfläche in elektrisch getrennte
Unterbereiche unterteilt sein, um die erforderliche partielle Anregung zu
ermöglichen.
Vorzugsweise ist der Körper
anisotrop, d.h. senkrecht zu seiner Ebene zusammendrückbar jedoch
gleichzeitig resistent gegen Komprimierung oder Dehnung in seiner
Ebene.
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Der
Gehalt an stark leitfähigem
Material im Körper
liegt üblicherweise
bei 500 – 5000
mg/cm3. Die Größe des Körpers kann aus einem extrem
weiten Bereich ausgewählt
werden. Sie könnte
so klein sein, dass nur ein paar Granulat-Körnchen aus eingeschlossenem
Metall aufgenommen werden können;
oder sie könnte
Teil eines menschlichen Bewegungsbereichs sein. In einem geeigneten
Beispiel kann der Körper
in ein Kleidungsstück
integriert werden, da er aus flexiblem Material ausgebildet sein
kann.
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Wenn
die Basisschicht schwach leitend sein soll, kann dies durch die
Integration von halbleitfähigem Material,
einschließlich
Kohlenstoff und organische Polymere wie Polyanilin, Polyacetylen
und Polypyrrol erzielt werden. Die Erfindung kann dazu verwendet
werden, die physikalischen und elektrischen Eigenschaften dieser
leitfähigen
Materialien zu verändern.
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Die
schwache Leitfähigkeit
der Basisschicht kann alternativ dazu oder zusätzlich durch einen starken Leiter,
wie er üblicherweise
in den Hohlräumen
vorhanden ist, jedoch in einem geringeren Anteil, wie z.B. 0,1 bis
10 % des Füllstands
in den Hohlräumen,
erzeugt werden.
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Die
leitfähigen
Füllstoffteilchen
können
auch schwach leitendes (halbleitfähiges) Material, wie es oben angeführt ist,
enthalten. Die Hohlräume
der Basisschicht können
einen solchen schwachen Leiter, wie z.B. ein offenzelliger Schaum,
der während
der Herstellung mit einem halbleitfähigen Füllstoff vorgefüllt worden
ist, enthalten, um einem Schalter oder einen veränderlichen Widerstand einen
Anfangswiderstand zu verleihen oder den Aufbau statischer Elektrizität auf oder
innerhalb einer solchen Vorrichtung zu verhindern.
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Der
Körper
kann nicht leitende Schichten beinhalten, die getrennt hergestellt
werden können
und mittels einem Kleber am restlichen Körper haften – siehe 2c unten.
In einer alternativen Ausführungsform – siehe 2b unten – können solche
nicht leitenden Schichten eintstückig
mit dem restlichen Körper
ausgebildet sein, wobei die Konzentration des stark leitfähigen Materials
abgestuft ist. Ein Beispiel ist somit eine dünne Schaumplatte, die unter
Spannung auf der einen Seite eine starke elektrische Leitfähigkeit
ausbilden kann, während
die andere Seite elektrisch isolierend oder schwach leitend bleibt.
Die Platte kann durch Füllen
der Hohlräume
einer nicht leitenden offenzelligen Schaumplatte zu einem gewissen
Teil ihrer Dicke mit stark leitfähigem
Pulver oder Granulat hergestellt werden. Dadurch wird eine leitende
Schaumschicht ausgebildet, die eine nicht leitende Schaumschicht überlagert.
Das leitende Material kann durch einen Kleber oder durch Vernetzen
des Schaums nach dem Füllen
innerhalb der Schaumplatte in Position gehalten werden.
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Im
Körper
ist das stark leitende Material als in den Hohlräumen der Basisschicht gefangene
Teilchen vorhanden.
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Das
leitfähige
Material kann wie folgt eingeführt
werden:
- (i) „nackt", d.h. ohne Vorbeschichtung jedoch möglicherweise
mit dem Rest einer Oberflächenphase
im Gleichgewicht mit der Speicheratmosphäre auf seiner Oberfläche oder
während
der Eingliederung in das Element ausgebildet;
- (ii) leicht beschichtet, d.h. mit einer dünnen Beschichtung aus einem
passivierenden oder wasserabweisenden Material oder dem Rest einer
solchen Beschichtung, die während
der Eingliederung in das Element ausgebildet worden ist. Dies ist ähnlich wie
(i), ermöglicht
jedoch eine bessere Steuerbarkeit bei der Herstellung;
- (iii) polymerbeschichtet jedoch im Ruhezustand leitfähig. Dies
wird durch die granulatförmigen
Nickel/Polymer-Zusammensetzungen mit einem so hohen Nickelgehalt,
dass die physikalischen Eigenschaften des Polymers schwach, wenn überhaupt
erkennbar sind, veranschaulicht. Material der Form (iii) kann in
einer wässrigen
Suspension verwendet werden. Das Polymer kann ein Elastomer sein
oder auch nicht. Form (iii) ermöglicht
ebenfalls eine bessere Steuerbarkeit bei der Herstellung als (i);
- (iv) polymerbeschichtet jedoch nur unter Spannung leitfähig. Dies
wird durch Nickel/Polymer-Zusammensetzungen mit einem niedrigeren
Nickelgehalt als bei (iii) veranschaulicht, der niedrig genug ist,
um die physikalischen Eigenschaften des Polymers erkennbar zu machen,
und hoch genug, dass während
dem Vermischen die Nickelteilchen und das flüssige Polymer in Granulat-Körnchen aufgelöst werden
und keine Volums-Phase ausbildet. Eine Alternative dazu wäre die Verwendung
von
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Teilchen,
die durch Zerkleinern von Material, das die Füllstoffteilchen in einem Volums-Phasen-Polymer
umfasst, hergestellt werden. Anders als bei (i) bis (iii) ermöglicht das
Material (iv) eine Reaktion auf Spannung innerhalb jedes einzelnen
Granulat-Körnchens
sowie zwischen den Granulat-Körnchen,
wobei gemahlenes Material weniger empfindlich ist. Beim Herstellen
des Elements kann das Material (iv) in einer wässrigen Suspension verwendet
werden.
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Das
stark leitfähige
Material kann z.B. eines oder mehrere aus Titan, Tantal, Zircon,
Vanadium, Niobium, Hafnium, Aluminium, Silicium, Zinn, Chrom, Molybdän, Wolfram,
Blei, Mangan, Beryllium, Eisen, Kobalt, Nickel, Platin, Palladium,
Osmium, Iridium, Rhenium, Technetium, Rhodium, Ruthenium, Gold,
Silber, Kadmium, Kupfer, Zink, Germanium, Arsen, Antimon, Bismut,
Bor, Scandium und Metallen aus der Lanthan- und Actinidenreihe und
wenn geeignet zumindest ein elektrisch leitender Wirkstoff sein.
Dieses kann auf einem Trägerkern
aus Pulver, Körnern,
Fasern oder anders geformten Gestalten aufgebracht sein. Die Oxide
können
Mischungen sein, die gesinterte Pulver aus einer Oxyverbindung umfassen.
Die Legierung kann eine herkömmliche
Legierung oder z.B. Titanborid sein.
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In
einer bevorzugten Zusammensetzung umfassen die Füllstoffteilchen eine Granulatzusammensetzung,
wobei jedes Granulat-Körnchen
davon zumindest ein im Wesentlichen nicht leitendes Polymer und
zumindest einen elektrisch leitenden Füllstoff umfasst und im Ruhezustand
elektrisch isolierend wirkt, jedoch leitend ist, wenn es mechanischer
Belastung oder elektrischer Ladung ausgesetzt ist. Solche Granulate
sind in der vorhergehend erwähnten
WO 99 38173 beschrieben.
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Die
Füllstoffteilchen
umfassen vorzugsweise ein Metall mit einer spitzen, dendritischen
und/oder fadenförmigen
Struktur. Insbesondere umfasst der leitende Füllstoff von Carbonyl abgeleiteten
metallischen Nickel. Bevorzugte Füllstoffteilchen besitzen ein
dreidimensionales kettenartiges Netzwerk aus spitzen Perlen, wobei
die Ketten im Durchschnitt einen Querschnitt von 2,5 bis 3,5 Micron
aufweisen und wenn möglich
mehr als 15 – 20
Micron lang sind. Das Polymer ist vorzugsweise ein Elastomer, insbesondere
ein Siliconkautschuk, der vorzugsweise einen die Wiederherstellung
stärkenden
Modifizierer-Füllstoff
umfasst.
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Stark
oder schwach leitfähige
Teilchen, insbesondere der bevorzugten Gestalten können in
die Hohlräume
des Schaums oder des Stoffs gegeben werden und durch Kleben oder
mechanischer Beschränkung oder
Reibungsbeschränkung,
z.B. mit übergroßen Teilchen
in etwas kleineren Hohlräumen,
in Position gehalten werden. Dies kann durch einfaches mechanisches
Zusammendrücken
oder durch Suspendieren derselben in einem Fluid erfolgen, das dann
durch den Schaum oder den Stoff durchlaufen gelassen wird. Der Schaum oder
der Stoff können
weiter verarbeitet werden, um zu schrumpfen und einen besseren Eingriff
in die Teilchen bereitzustellen. Andere Wege zum Sicherstellen,
dass die Granulat-Körnchen
im Körper
verbleiben, schließen das
Kleben oder Überziehen
des Films oder der Platte an einer oder mehrerer ihrer Seiten ein,
um eine Dichtung auszubilden. Wenn der Film oder die Platte elektrisch
leitend ist, stellt sie auch ein Mittel zur ohmschen Verbindung
bereit.
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Beim
Schrumpfverfahren kann die Basisschicht mit Hohlräumen mittels
Klebstoffen und der Anwendung von Druck bis diese ausgehärtet sind
geschrumpft werden. Ein weiteres Mittel zum Schrumpfen des Basisschicht
besteht darin, diese zu erwärmen
und Druck anzuwenden. Zahlreiche durch Wärme verformbare Schäume und
Stoffe haben sich für
diese Art von Behandlung als geeignet erwiesen. Die Fläche, auf
die Druck angewendet wird, kann auf Veränderungen im elektrischen Widerstand
untersucht werden, um ein gleichmäßiges Produkt sicherzustellen.
Das Schrumpfungsausmaß,
die Art, Größe, Menge
und Morphologie der verwendeten Teilchen sowie die Hohlraumgröße haben
ebenfalls eine Auswirkung auf die Druckempfindlichkeit und den Widerstandsbereich
des veränderlichen
Widerstands. Dielektrische Schichten können auch so ausgebildet werden,
indem die Anordnung einer leitenden Schicht über einer nicht leitenden Schicht
herangezogen wird, um einen veränderlichen
Widerstand mit einer inhärenten
dielektrischen Schicht herzustellen.
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Es
hat sich zudem herausgestellt, dass Granulate mit einer nicht elastomeren
Beschichtung, z.B. ein Epoxidharz, verwendet werden können. Es
hat sich gezeigt, dass die elastomere Natur der Basisschicht für das Funktionieren
der Erfindung ausreicht, obwohl die Druckempfindlichkeit normalerweise
verringert ist und sich die elektrischen Eigenschaften der epoxidbeschichteten
Granulate von denen der siliconbeschichteten Granulate unterscheidet.
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Während das
Zusammendrücken
bequem normal zur Ebene eines plattenartigen Körpers durchgeführt werden
kann, kann der Körper
auch elektrische Leitfähigkeit
an seiner Oberfläche
aufweisen, z.B. auf der Seite einer abgestuften Struktur, auf der
die leitende Polymerzusammensetzung aufgebracht ist, und diese Leitfähigkeit
kann durch Druck beeinflusst werden, wenn ein druckempfindliches
leitendes Polymer, Pulver oder Granulat verwendet wird. Die andere
Seite einer solchen Struktur kann den normalen hohen elektrischen Widerstand
aufweisen, wenn sie nicht während
der Herstellung mit einem leitenden oder halbleitenden Füllstoff gefüllt worden
ist.
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In
einem solchen veränderlichen
Widerstand, der als eine druckempfindliche Überbrückung über zwei oder mehr in derselben
Ebene liegende ohmsche Leiter angeordnet ist, kann eine Erhöhung der
Empfindlichkeit dadurch vorgenommen werden, dass die freiliegende
Rückseite
des Körpers
mit einer vollständig
leitfähigen
Schicht wie eine Metallfolie oder -beschichtung beschichtet wird.
Dies fördert
die Bildung eines kürzeren Leitwegs
durch anstatt über
den Körper.
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Bei
einem bevorzugten variablen Widerstand ist eine extern verbindbare
Elektrode so angeordnet, dass sie die Oberfläche des Körpers lediglich berührt, und
eine zugehörige
Elektrode ist an der Oberfläche
des Körpers
gegenüberliegend
angebracht. Wenn kein Druck auf den Elektroden ist, befindet sich
der Körper
in einem Ruhezustand und ist nicht leitfähig. Wenn Druck an die Elektroden
angelegt wird, leitet der Körper,
da die Füllstoffteilchen
durch die Hohlräume
des Körpers
gepresst werden. Das Leiten hört
auf, wenn der Druck gelöst
wird, und der Körper
kehrt in seinen Ruhezustand zurück.
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Bei
jeder dieser Anordnungen wird der Widerstand, da ein druckempfindliches
leitendes Polymer, Pulver oder Granulat als Füllstoff verwendet wird, abehmen,
wenn der Druck steigt.
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Es
können
elektrisch leitende Wege in oder auf dem Körper ausgebildet sein, um elektrisches
Verbinden mit, von und zwischen Bereichen oder Punkte darauf zu
ermöglichen.
Die auf eine unbiegsame Unterlage wie ein festes Metall oder ein
fester Kunststoff aufgebrachte Last bewirkt eine mechanische Bewegung
des Körpers,
die durch die relative Unbiegsamkeit der Unterlage begrenzt ist.
Bei einer biegsamen Unterlage jedoch, wie z.B. ein biegsamer Kunststoff,
Fasermaterial oder Schaum, wird die mechanische Wirkung auf den Körper zudem
durch die mechanische Reaktion der Unterlage modifiziert.
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Die
Verbindungswege ermöglichen
das Überwachen
von Veränderungen
im Widerstand an einer Stelle, die vom Punkt der Anwendung der wirkenden
Kraft entfernt ist. Es hat sich herausgestellt, dass ein bequemes
Verfahren zur Herstellung von leitenden oder halbleitenden Wegen
auf oder innerhalb des Körpers
darin besteht, eine Spannung entlang des Pfades des erforderlichen
Leitwegs angelegt und aufrechterhalten wird.
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Es
hat sich gezeigt, dass dies durch eine Vielzahl von Wegen erreicht
werden kann:
- 1. Wenn die Basisstruktur ein
vernetzbares Polymer umfasst, kann der Körper in seiner endgültigen Gestalt oder
Form ausgebildet werden und eine Spannung kann an die Fläche des
während
dem Vernetzungsvorgang notwendigen Wegs angelegt werden. Eine solche
Spannung kann mechanisch oder elektrisch sein, direkt angelegt oder
induziert werden und kann Druck, Wärme, Elektromagnetismus und
andere Strahlungsquellen einschließen. Manche dieser Spannungen
können
selbst eine Vernetzung entlang des erforderlichen Leitwegs herbeiführen, bei
manchen muss ein separater Vernetzungsvorgang gleichzeitig mit oder
nach der Ausbildung des Leitwegs durchgeführt werden.
- 2. Nach der Herstellung und Vernetzung kann entlang des erforderlichen
Leitwegs eine Dauerspannung erzeugt werden. Dies kann durch Schrumpfenlassen
des Wegs mittels einer gebündelten
Strahlungsquelle erfolgen. Darauf kann ein mechanisches Zusammendrücken der
bestrahlten Wege folgen, um den leitenden Anteil zu verdichten und
die endgültige
Leitfähigkeit
des Wegs zu verbessern.
- 3. Indem ein Polymer oder ein Kleber, der beim Vernetzen oder
Trocknen schrumpft, auf dem oder innerhalb des Körpers angeordnet wird, könnte der
darunterliegende Bereich des Körpers
leitfähig
gemacht werden.
- 4. Bei Körpern
mit Platten kann eine Heft-Naht ausreichend Kraft innerhalb und
zwischen den Stichen ausüben,
um einen Leitweg zu erzeugen. Dünne
Kunststoffschäume,
die mit leitenden Granulat-Körnchen
beschichtet sind, eignen sich besonders gut als Materialien für diese
Ausführungsform
der Erfindung, und flexible, berührungsempfindliche
Schaltkreise können
durch dieses Verfahren hergestellt werden. Der zum Heften verwendete
Faden kann ein nicht leitender Standardfaden sein und die Größe und Spannung
der Stiche hat eine Auswirkung auf den endgültigen Widerstand des Pfads.
Leitendes Material enthaltende Fäden
können
verwendet werden, wenn Pfaden mit einem sehr geringen Widerstand
benötigt
werden. Platten mit leitenden Spuren können ausgebildet werden, wobei
ein offenzelliger Schaum oder ein anderes Dielektrikum die Platten
voneinander entfernt hält,
bis ein Arbeitsdruck ausgeübt
wird, um die Platten miteinander in Kontakt zu bringen.
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Die
Erfindung bezieht sich in ihrem dritten Aspekt auf polymere Messmaterialien
und insbesondere auf einen Sensor auf Basis der obenstehend beschriebenen
spannungsempfindlichen Körpern
mit veränderlicher Leitfähigkeit,
wobei die Hohlräume
für ein
leicht bewegliches Fluid zugänglich
sind. Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die Körper die elektrische Eigenschaft
durch das Zusammenwirken mit chemischer Spezies, mikrobiologischer
Spezies, nuklearen und elektromagnetischen Feldern verändert. Die
Veränderung in
der elektrischen Eigenschaft ist umkehrbar und kann ein Maß für die Konzentration
des Strahlungsflusses bereitstellen.
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Gemäß der Erfindung
umfasst ein Sensor für
chemische Spezies oder mikrobiologische Spezies oder Strahlung in
einem leicht beweglichen Fluid Folgendes:
- a)
einen Kontaktierkopf, der zumindest einen Körper mit veränderlicher
Leitfähigkeit
oder einen veränderlichen
Widerstand, wie vorhergehend erwähnt
wurde, umfasst und worin die Hohlräume für ein mobiles Fluid zugänglich sind;
- (b) Mittel für
den Zugang des mobilen Fluids, das eine Probe umfasst, zum Kopf,
und
- (c) Mittel zum Verbinden des Körpers mit einem Stromkreis,
so dass wirksam eine Veränderung
der Leitfähigkeit
des Körpers
gemessen werden kann.
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Es
ist festzustellen, dass die Verkapselungsphase in der Polymerzusammensetzung
des Körpers
oder den Granulaten auf der triboleketrischen Reihe stark negativ
ist, nicht umgehend Elektronen auf ihrer Oberfläche speichert und der Kopf
eines Sensors lässt
einen Bereich von Gasen und anderen mobilen Molekülen in den
Kopf durchdringen, wodurch die elektrische Leitfähigkeit des Körpers verändert wird.
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Der
Kontaktierkopf kann ein Spannungsmittel einschließen, wie
z.B. mechanisches, Zusammendrücken
oder Dehnen oder eine Quelle für
ein elektrisches oder magnetisches Feld, um den Körper auf
den Leitfähigkeitswert
zu bringen, der für
die erforderliche Empfindlichkeit des Sensors geeignet ist.
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Der
Sensor kann statisches oder dynamisches Berühren ermöglichen. Zum statischen Berühren kann er
eine tragbare Einheit sein, die durch Eintauchen des Kopfs in die
Probe in einem Behälter
verwendet wird. Zum dynamischen Berühren kann er in einem fließenden Probenstrom
angeordnet sein oder seine eigenen Zufuhr- und/oder Entladungskanäle sowie
wenn möglich
Pumpmittel zum Zuführen
und/oder Abziehen der Probe einschließen. Ein solches Pumpmittel
ist geeigneterweise peristaltisch, wie z.B. bei medizinischen Tests.
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In
einem Beispiel verändern
sich die Eigenschaften des Systems in Echtzeit. Das heißt die Teilchen erfahren
unter dem Einfluss eines ungleichmäßigen elektrischen Felds eine
elektrophoretische Kraft, die die elektrische Eigenschaft der Polymer-Struktur verändert.
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Bei
einem bevorzugten Sensor wird der Körper durch ein lineares oder
nicht lineares Wechselstromfeld angeregt. Eine Reihe von Verfahren
kann verwendet werden, um das gewünschte Signal von Rauschen und
Störsignalen
zu unterscheiden, wie z.B. Reaktanz, Leitfähigkeit, Signalprofil, Phasenprofil,
Frequenz, räumliche
und zeitliche Kohärenz.
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Bei
einem anderen Beispiel wird der Körper durch das Anlegen einer
elektrischen Ladung in einem Übergangszustand
gehalten. Dann verändert
erhöhte
Ionisation als Folge der Einwirkung von Kernstrahlung den elektrischen
spezifischen Widerstand, die Reaktanz, Impedanz oder andere elektrische
Eigenschaften des Systems.
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In
einem weiteren Beispiel ist ein komplexbildendes Ionophor oder ein
anderes Verriegelungs- oder Adsorptionsmaterial in der Polymer-Zusammensetzung
enthalten. Solche Materialien schließen Kronenether, Zeolith, feste
und flüssige
Ionenaustauscher, biologische Antikörper und deren Analoga oder
andere analoge Materialien ein. Wenn solche Materialien durch ein
Gleichstrom-, lineares Wechselstrom- oder nicht lineares Wechselstromfeld
angeregt werden, verändern
sie ihre elektrische Eigenschaft in Übereinstimmung mit der Adsorption
von Materialien oder dem Kontakt mit Strahlungsquellen. Diese Materialien
bieten die Möglichkeit die
Bandbreite für
adsorbierte Spezies und Selektivität des Systems zu verringern.
In einem weiteren Beispiel ist ein Elektrid, das heißt, ein
Material in dem das Elektron ein einziges Anion ist – ein typisches
Beispiel dafür wäre Zäsium-5-Coronat-5,
das durch Eindampfen von Zäsium-Metall über 15-Coronat-5
hergestellt wird – in der
Polymer-Zusammensetzung
enthalten. Andere Ionophore, Zeolithe und Ionenaustausch materialien
können
ebenso verwendet werden. Eine solche Zusammensetzung weist eine
niedrige Elektronenaustrittsarbeit, üblicherweise 1 Elektronenvolt,
auf, so dass sie durch niedrige Gleicht- oder ungleichmäßige Wechselspannungen
von isolierender Phase auf leitende Phase geschaltet werden, wobei
die Zeitkonstante verringert wird und die Bandbreite für adsorbierte
Spezies sowie des Systems vergrößert wird.
Solche Materialien können dazu
verwendet werden, das Vorhandensein von adsorbierten Materialien
oder Strahlungsquellen zu detektieren.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden detaillierter mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen
beschrieben, worin:
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1 eine
Explosions-Ansicht eines veränderlichen
Widerstands ist, der ein flexibles oder festes externes Verbindungsmittel
aufweist;
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2 drei
Varianten des in 1 dargestellten Körpers zeigt;
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3 zwei
veränderliche
Widerstände
zeigt, die eine Körperkonfiguration
und externe Verbindungen aufweisen, die sich von denen in den 1 und 2 unterscheiden;
und
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4 eine
Ansicht zweier veränderlicher
Multifunktions-Widerstände
in Einzelteilen zeigt.
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Ein
beliebiger der in den Abbildungen gezeigten veränderlichen Widerstände kann
die Basis eines Sensors gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung bilden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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BEISPIEL
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Ein
Beispiel einer leitfähigen
Schaumstruktur für
den Körper
lautet wie folgt: eine offenzellige Polyether-Schaumplatte mit einer
Dicke von 2 mm und einer Zellgröße von 80
ppi (32 Poren pro cm) ist mit Granulat-Körnchen mit Nickel/Silicon-Beschichtung in einer
Größe von 75 – 152 Micron
gefüllt.
Die Granulat-Körnchen
wurden durch Beschichten von INCO-Nickelpulver Typ 287 mit ALFAS
INDUSTRIES RTV-Silicon Typ A2000 im Verhältnis 8/1 pro Gewichtsanteil
mittels Rotationsablation hergestellt. Die Granulat-Körnchen wurden
auf Größe gesiebt
und in den Schaum gerieben, bis sie an der Unterseite des Schaums
aufschienen, was ein Anzeichen für
eine korrekte Füllung
ist. Der Schaum enthielt 75 mg an Granulat-Körnchen
pro cm2, was im Durchschnitt 1875 mg/cm3 durch den Schaum nach der Komprimierung
und etwa 2500 mg/cm3 in der vollständig geladenen
Schicht, die den Körper
ausbildet, entspricht.
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Der
die Granulat-Körnchen
enthaltende Schaum wurde zwischen Metallplatten zusammengedrückt und
in einem Ofen 30 min lang bei 120 °C erhitzt.
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Durch
diesen Vorgang wurde eine leicht biegsame druckempfindliche Struktur
mit einer Dicke von 0,4 mm hergestellt, die einen Widerstandsbereich
von mehr als 1012 Ohm über die Dicke aufweist und
die lediglich durch Fingerdruck proportional auf weniger als ein
Ohm nach unten gesteuert werden könnte.
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Bezugnehmend
auf die Figuren im Allgemeinen beziehen sich die Worte „obere" und „untere" ausschließlich auf
die Positionen in den Abbildungen, ohne die Anordnung im Gebrauch
einzuschränken.
Die kreisförmige
Gestalt der Komponenten ist rein illustrativ und andere Gestaltungsformen
werden je nach erwünschter
Verwendung ausgewählt.
Eine rechteckige Gestalt wäre
z.B. für
einen Kontaktierkopf geeignet, um einen Weg für die Zirkulation einer flüssigen Probe
bereitzustellen.
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Bezugnehmend
auf 1 umfasst der veränderliche Widerstand externe
Verbindungsmittel, die Elektroden 10 umfassen, von denen
sich externe, nicht dargestellte Verbindungselemente erstrecken.
Die Elektroden 10 werden durch den Körper 14, der wie im
obigen Beispiel beschrieben wurde aus Nickel/Silicon-beschichtetem
Schaum besteht, überbrückt. Die
untere Elektrode 10 ist auf der festen Basis 16 gelagert.
Die obere Elektrode 10 ist nach unten bewegbar, um den
Körper 14 zusammenzudrücken, und
zwar unter der Wirkung des im Allgemeinen mit Pfeilen angezeigten
Mittels 18 und dazu fähig, über einen
Teil der oder die gesamte Fläche
der Elektrode 10 zu wirken. Es wäre natürlich auch möglich, das
Mittel 18 auch auf die untere Elektrode wirken zu lassen.
Die Elektrode 10 kann ein einzelnes Element aus hartem
Material wie metallisches Kupfer oder Platin-beschichtetes Messing
sein. In diesem Fall kann die Wirkung über einen Teil der Elektrodenfläche z.B.
durch schiefes Anlegen des Mittels 18 an die Elektrode 10 oder
durch Verwendung eines Körpers 14 mit abgestufter
Dicke erfolgen. Alternativ dazu kann die Elektrode 10 biegsam
sein, z.B. aus Metallfolie, Metall-beschichtetem Stoff, organisch
leitendem Polymer oder in einer bevorzugten Schaltung eine kohärente Beschichtung
aus leitfähigem
Metall auf der Ober- und/oder Unterfläche des Körpers 14. Eine solche
Beschichtung kann durch Aufbringen eines metallreichen Anstrichs
wie einem Silberanstrich bereitgestellt werden. Bei dem vorliegenden
veränderlichen
Widerstand kann der Körper 14 in
seiner Struktur auf einem anderen Material basieren, das geeignete
Zwischenräume
aufweist, wie z.B. ein dick gewobener Polyesterstoff wie Kamm-Twill
oder Kammgarn.
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Bezugnehmend
auf 2 ist die allgemeine Konstruktion des veränderlichen
Widerstands dieselbe wird in 1, wobei
jedoch drei Varianten des Körpers
in den 2a – 2c dargestellt
sind.
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In
der Variante aus 2a enthält der Körper mit dem Bezugszeichen 22 über sein
gesamtes Volumen 22 + 24 Kohlenstoff und nur im
zentralen Bereich 24 Nickel/Silicon-Granulatkörnchen.
Wenn der Schalter im Ruhezustand ist und durch das Mittel 18 keine
Spannung angelegt wird, wird das Durchlaufen eines geringen Stroms
durch die schwache Leitfähigkeit
des Kohlenstoffs zugelassen, wodurch ein „Anfangswiderstand" oder eine „Anfangsleitfähigkeit" bereitgestellt ist.
Wenn durch das Mittel 18 Spannung angelegt wird, kommt
die hohe Leitfähigkeit
der Nickel/Silicon-Zusammensetzung
ins Spiel, und zwar in einem Ausmaß, das von der Fläche abhängt, an
die die Spannung angelegt wird, sowie von dem Komprimierungsausmaß des Körpers.
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Die
Varianten der 2b und 2c zeigen
Kombinationen des Körpers
mit einer passenden Schicht aus nicht leitfähigem oder schwach leitfähigem Material.
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In
der Variante 2b wird der Körper mit dem Bezugszeichen 34 durch
einen oberen Teil eines Blocks aus Schaum oder Stoff mit der Nickel/Silicon-Beschichtung
bereitgestellt, wobei der untere Teil eine nicht-leitfähige oder
(wie z.B. in 2a) schwach leitfähige Schicht 36 umfasst.
Diese Kombination wird durch Aufbringen von Nickel/Silicon als Pulver
oder flüssige
Suspension vorzugsweise auf eine Seite des Blocks hergestellt. Die
Grenze 35 zwischen dem Körper und der Schicht muss nicht
genau sein.
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In
der Variante aus
2c kann der Körper mit
dem Bezugszeichen
34 Nickel/Silicon gleichmäßig oder
abgestuft tragen, die Schicht mit dem Bezugszeichen
38 ist
jedoch ein separates Element und kann im zusammengebauten Schalter
am Körper
34 angeklebt
sein oder mechanisch mit diesem in Kontakt gehalten werden. Dies
weist gegenüber
2b den
Vorteil auf, dass die Schicht vom Körper strukturell unterschiedlich sein
kann, wie z.B.:
Körper 34 | Schicht 38 |
zusammengedrückter Schaum | nicht
zusammengedrückter
Schaum |
.. | Gewebe |
.. | Netz |
zusammengedrückter Stoff | nicht
zusammengedrückter
Stoff |
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Bezugnehmend
auf 3a und 3b umfasst
der Körper
ein Stück 314 aus
Schaum, das Nickel/Silicon enthält
und darin eingebettete externe Verbindungsleiter 313 aufweist.
Der Körper
kann leitfähig
gemacht werden, indem ein Bereich zwischen den Leitern 313 durch
eine Abwärtswirkung
des Schuhelements 316 zusammengedrückt wird, welcher ein schräges unteres
Ende aufweisen kann, so dass seine Wirkungsfläche auf den Körper vom
Ausmaß seiner
Abwärtsbewegung
abhängt.
Statt dessen oder zusätzlich
dazu kann das Schuhelement 316 eine Vielzahl von Elementen
umfassen, die einzeln steuerbar sind, um eine erwünschte gesamte
Wirkungsfläche
auszubilden. In einem verkleinerten veränderlichen Widerstand kann
der Schuh 316 eine Punktmatrix oder ein piezoelektrischer
Mechanismus sein. Die eingebetteten Leiter können aus einem ohmschen Material
bestehen oder können
Spuren aus Metall/Polymer-Zusammensetzungen, wie z.B. Nickel/Silicon,
sein, die durch lokale Komprimierung mittels z.B. Schrumpfung oder
Heften permanent leitfähig gemacht
sind. Wenn die eingebetteten Leiter durch örtliches Zusammendrücken hergestellt
sind, kann dies in einer relativ dünnen Platte aus Körpermaterial
umgesetzt werden, während
eine weitere Platte aus Körpermaterial
um die dünnen
Platte geschichtet werden kann.
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Ein
veränderlicher
Widerstand wie in 3a kann, wenn er als Sensor
gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung verwendet wird, problemlos Teil eines statischen
Systems bilden, in dem er in eine flüssige Probe eingetaucht ist,
und kann auch in einem Strömungssystem
verwendet werden.
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Der
veränderliche
Widerstand in 3b ist eine Kombination, die
die Mechanismen aus 1 und 3a verwendet.
Er ist empfindlicher als der veränderliche
Widerstand in 3a. Wenn bei 18 Kompression ausgeübt wird,
kann das Leiten zwischen den Leitern 313 auch über die
Elektrode 10 stattfinden.
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Bezugnehmend
auf 4 zeigt 4a einen
veränderlichen
Widerstand, der effektiv aus zwei veränderlichen Widerständen der 1 Rücken an
Rücken
besteht. Die Anordnung von zwei veränderlichen Widerstandsausgängen von
einem einzigen Einang kann wesentlich kompakter durchgeführt werden
als bei herkömmlichen
veränderlichen
Widerstandskomponenten. Die Kombination aus 4a kann,
wenn sie in einem Sensor verwendet wird, nebeneinander eine Messablesung
und eine Nullablesung bereitstellen. 4b zeigt eine
Anordnung, in der zwei getrennte veränderliche Widerstände wie
in 1 durch das Stück 20 voneinander
elektrisch isoliert sind. In den 4a und 4b können die
Varianten der 2 und 3 verwendet werden.
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Solche
Kombinationen sind Beispiele eines kompakten multifunktionalen Steuerungsmittels,
das neue Möglichkeiten
in der Gestaltung von elektrischen Geräten bereitstellt. In einem
einfachen Beispiel könnte
die Anordnung aus 4b einen Ein/Aus-Schalter und
eine Volumenssteuerung bereitstellen, die durch einen einzigen Knopf
betätigt
werden.