ES2221849T3 - Estructuras de conductancia variable. - Google Patents

Abstract

Cuerpo con conductancia variable que comprende una capa de base comprimible (14; 22, 24; 34-36; 34, 38; 314) de un material polimérico aislante o débilmente conductor y partículas de relleno de metal, aleación u óxido metálico reducido, donde dicho cuerpo presenta un primer nivel de conductancia eléctrica cuando se encuentra en reposo y que se puede llevar a un segundo nivel de conductancia por medio de un cambio en la tensión aplicada por estiramiento o compresión o campo eléctrico, caracterizado por el hecho de que la capa de base presenta intersticios, por medio de los cuales el cuerpo se convierte en poroso, y donde dichos intersticios contienen las partículas de relleno conductoras eléctricas.

Description

Estructuras de conductancia variable.

Campo de la técnica

La presente invención se refiere a estructuras de conductancia variable que se utilizan en dispositivos eléctricos de resistencia variable para proporcionar cambios en la resistencia eléctrica con el movimiento y los cambios de presión. Las estructuras pueden proporcionar también aislamiento y apantallamiento eléctrico y permitir establecer una resistencia de inicio. Además, pueden proporcionar una ruta de fuga para voltajes electrostáticos, añadir un grado de movimiento y tactilidad al funcionamiento y en formas preferidas pueden responder a la presencia de substancias químicas, microbiológicas o radiactivas.

Técnica anterior

US 4028276 describe composiciones sensibles a la presión para su utilización como resistencias elásticas que comprenden partículas metálicas conductoras encapsuladas dentro de un elastómero. Hemos encontrado que por medio de utilizar una estructura de base de material polimérico aislante o débilmente conductor y con intersticios en el mismo accesibles a un fluido móvil con partículas de relleno altamente conductoras dentro de los intersticios, se pueden producir cuerpos de conductancia variable que tienen una variedad de utilizaciones que comprenden sensores.

US 4481808 describe un procedimiento para detectar la concentración de un soluto en una solución por medio de monitorizar un cambio de presión en una cámara cerrada como resultado de la permeación del soluto a través de un material poroso desde unasolución de ensayo hacia un solvente en el interior de la cámara. El cambio de presión se puede monitorizar dotando a la cámara de un material sensible a la presión como un monocristal de silicio N.

PCT/GB98/00206, publicado como WO 98/33193; y PCT/GB99/00205, publicado como WO 99/38173, describen composiciones poliméricas con la propiedad eléctrica de aislamiento cuando se encuentran en reposo pero de conductancia cuando se someten a tensión mecánica o en presencia de campos eléctricos. Típicamente, en un estado de alta resistencia eléctrica (típicamente 10^{12} ohm.cm), cambian a un estado de baja resistencia (típicamente miliohm.cm) por medio de la aplicación de dicha tensión. Parece que la resistencia efectiva de la fase de componente polimérico se reduce debido a la tunelización de electrones y el confinamiento de portadores. Cuando se encuentra en dicho estado, la composición polimérica puede transportar altas densidades de corriente, aunque no existan rutas metálicas completas, es decir que la composición se encuentre por debajo del umbral de filtración. La invención puede utilizar materiales que se describen en dichas solicitudes PCT pero no se encuentra limitada a las mismas.

Resumen de la invención

Según la presente invención en su primer aspecto un cuerpo de conductancia variable comprende una capa de base comprimible de material polimérico aislante o débilmente conductor y partículas de relleno conductoras de metal, aleación u óxido metálico reducido, presentando dicho cuerpo un primer nivel de conductancia cuando se encuentra en reposo y pudiéndose convertir a un segundo nivel de conductancia por medio de un cambio de la tensión aplicada por medio de estiramiento o compresión o campo eléctrico, caracterizado por el hecho de que la capa de base presenta intersticios por medio de los cuales el cuerpo se convierte en poroso y los cuales contienen las partículas de relleno conductoras.

Preferiblemente los intersticios son accesibles a fluido móvil, aunque el fluido móvil no necesita de hecho encontrarse presente, por ejemplo el cuerpo se puede hacer funcionar en el vacío.

En la presente especificación el término "resistencia variable" puede comprender un interruptor, debido a que el campo de resistencia disponible puede llegar al circuito abierto; y las partículas de metal, aleación y óxido metálico reducido, encapsuladas por polímero o no, y sometidas a tensión o susceptibles a someterse a tensión para modificar la conductancia, se referirán como "partículas de relleno altamente conductoras".

En un segundo aspecto la presente invención proporciona una resistencia eléctrica variable que comprende electrodos conectados externamente conectados entre si por medio de un cuerpo de conductancia variable según el primer aspecto de la invención. La resistencia se puede utilizar junto con un medio de aplicación de tensión que comprende un actuador con geometría variable en el lado de aplicación, por ejemplo una zapata oblicua o una matriz de clavijas que se pueden activar selectivamente o fuentes de haz de radiación.

Más concretamente el cuerpo puede tener una consistencia resultante que permite la penetración a través de la capa de base hasta cierta extensión dependiendo de la fuerza de compresión aplicada. Preferiblemente las partículas conductoras de relleno son en forma de gránulos como se describirá más adelante las cuales comprenden un material que por si mismo hace aumentar la conductancia cuando se comprime.

La capa de base se selecciona adecuadamente entre espuma, red, gasa, fieltro o paño y combinaciones de dos o más de los mismos. La capa de base y el material a partir del cual se fabrica afectan, y se pueden escoger para adaptarse, a los límites físicos y mecánicos y al rendimiento del cuerpo completo y tienen también una influencia moderadora sobre la cantidad de deformación asociada normalmente con los polímeros conductores flexibles. Capas de base particularmente útiles comprenden una o más capas de espuma polimérica de alvéolos abiertos, material textil tejido o no tejido, por ejemplo fieltro, posiblemente con adhesión fibra a fibra, y agregaciones tridimensionales de fibras o tiras.

El cuerpo presenta una estructura que se escoge para adaptarse a su función concreta en la resistencia variable. Por ejemplo una estructura comprimida se puede utilizar en combinación con una capa no comprimida, como se describe con más detalle más adelante.

En una resistencia variable el medio de aplicación de tensión pueden ser efectivo por ejemplo para: (a) aplicar tensión de aumento de la conductancia y/o (b) invertir dicha tensión o actuar contra una tensión preexistente.

Si el medio de aplicación de tensión actúa por compresión o estiramiento, puede ser por ejemplo mecánico, magnético, piezoeléctrico, neumático y/o hidráulico. Dicha aplicación de tensión puede ser directa o por medio de control remoto. Si es de compresión, puede expeler fluido móvil procedente de los intersticios de la capa de base. En un interruptor simple el fluido es aire y el cuerpo se encontrará abierto a la atmósfera. Tanto si se encuentra presente fluido móvil o no, el cuerpo puede ser suficientemente elástico como para recuperarse totalmente por si mismo o asistido por un miembro de actuación elástico como un muelle. Para invertir la tensión mecánica el cuerpo se puede montar dentro de un sistema cerrado que comprende un medio para forzar el fluido móvil hacia el interior de los intersticios. Un sistema de este tipo puede disponer de un medio para la detección del movimiento de una pieza de trabajo que actúa sobre el fluido fuera de la resistencia variable.

El fluido móvil puede ser elástico, por ejemplo un gas no reactivo como aire, nitrógeno o gas noble o posiblemente un gas fácilmente condensable. Alternativamente el fluido puede ser inelástico, por ejemplo agua, solución acuosa, líquido orgánico polar como alcohol o éter, líquido orgánico no polar como hidrocarburo, o polímero líquido como aceite de silicona. En un caso importante el fluido es una sustancia de ensayo a la cual es sensible la conductancia de la resistencia variable.

Entre los materiales adecuados para realizar la capa de base se encuentran redes, gasas, fieltros o paños formados a partir de polímeros hidrófobos como polietileno, teraftalato de polialquileno, polipropileno, politetrafluoroetileno, poliacrilonitrilo, celulosa altamente esterificada y/o eterificada, silicona, nilones; y polímeros hidrófilos como celulosa (natural o regenerada, posiblemente ligeramente esterificada o eterificada), lana y seda; y espumas formadas a partir de poliéter, poliestireno, polipropileno, poliuretano (preferiblemente con alguna plasticidad), silicona, caucho natural o sintético.

Cualquiera que sea el material utilizado para la capa de base, preferiblemente se utiliza en una forma que presenta intersticios relativamente grandes (por ejemplo 50-500 micras) y que es capaz de comprimirse por compresión por un factor de 2 a 8 manteniendo una capacidad de compresión adicional.

Típicamente el cuerpo presenta dos dimensiones sustancialmente mayores que la tercera. Por tanto puede tener una configuración en forma de lámina, por ejemplo con un grosor de 0,1 a 5, especialmente de 0,5 a 2 mm. Sus otras dimensiones se escogen para satisfacer los requerimientos de fabricación y de utilización, por ejemplo para permitir el contacto con una substancia de ensayo en un sensor según un tercer aspecto de la presente invención. Si el cuerpo se va a someter a tensión eléctrica, su superficie de sección transversal debería subdividirse en zonas separadas eléctricamente, para permitir la activación parcial requerida. Preferiblemente el cuerpo es anisótropo, esto es, comprimible en la dirección perpendicular a su plano pero resistente a la compresión o estiramiento en su plano.

El contenido de material altamente conductor dentro del cuerpo es típicamente 500-5000 mg/cm^{3}. El tamaño del cuerpo se puede escoger dentro de un campo extremadamente amplio. Podría ser tan pequeño como para alojar unos pocos gránulos de metal encapsulado; podría ser parte de una zona de alcance del movimiento humano. En un ejemplo útil, puesto que se puede realizar con material flexible, se puede incorporar a una prenda de vestir.

Si la capa de base será débilmente conductora, esto puede deberse a que contiene material "semi" conductor, comprendiendo carbono y polímeros orgánicos como polianilina, poliacetileno y polipirrol. La presente invención se puede utilizar para cambiar las propiedades físicas y eléctricas de estos materiales conductores.

La débil conductancia de la capa de base puede deberse, alternativamente o adicionalmente, a un material altamente conductor, típicamente como el que se encuentra presente en el interior de los intersticios, pero a una concentración más baja, por ejemplo de 0,1 a 10% del nivel presente en los intersticios.

Las partículas conductoras de relleno pueden contener también material débilmente ("semi") conductor como los que arriba se han listado. Los intersticios de la capa de base pueden contener un material débilmente conductor de este tipo, por ejemplo espuma de alvéolos abiertos cargada previamente durante la fabricación con un relleno semiconductor para proporcionar una resistencia de inicio a un interruptor o resistencia variable o para evitar la creación de electricidad estática sobre o en el interior de dicho dispositivo.

El cuerpo puede contener estratos no conductores que se pueden fabricar separadamente y unirse al resto del cuerpo utilizando un adhesivo - ver la figura 2c más adelante. En una realización alternativa - ver la figura 2b más adelante - dichos estratos no conductores pueden formar parte integral del resto del cuerpo, siendo gradual la concentración del material altamente conductor. Un ejemplo de este tipo de estructura es una lámina delgada de espuma que al someterse a tensión puede alcanzar una alta conductancia eléctrica sobre un lado mientras que el otro lado permanece eléctricamente aislante o débilmente conductor. La lámina se puede producir por medio de cargar a través de parte de su grosor con un polvo o gránulo altamente conductor los intersticios de una lámina de espuma de alvéolos abiertos no conductora. Esto produce un estrato conductor de espuma superpuesto a un estrato de espuma no conductor. El material conductor de puede mantener en su sitio en el interior de la lámina de espuma por medio de un adhesivo o por medio de reticulado de la espuma después de su carga.

En el cuerpo el material altamente conductor se encuentra presente en forma de partículas atrapadas en los intersticios de la capa de base.

El material conductor se puede introducir:

(i) "desnudo", esto es, sin un revestimiento previo pero posiblemente transportando sobre su superficie el residuo de una fase de superficie en equilibrio con su atmósfera de almacenamiento o formada durante la incorporación al elemento;

(ii) ligeramente revestido, esto es, transportando un revestimiento delgado de un material pasivador o repelente del agua o el residuo de un revestimiento de este tipo formado durante la incorporación al elemento. Esto es similar a (i) pero puede proporcionar un mejor grado de control en la fabricación;

(iii) revestido con polímero pero conductor cuando se encuentra en reposo. Un ejemplo son composiciones granulares de níquel/polímero con un contenido de níquel tan alto que las propiedades físicas del polímero son débilmente apreciables si lo son en absoluto. El material de la forma (iii) se puede aplicar en suspensión acuosa. El polímero puede ser un elastómero o no. La forma (iii) proporciona también un mejor grado de control en la fabricación que (i);

(iv) revestido con polímero pero conductor solamente cuando se somete a tensión. Un ejemplo son composiciones de níquel/polímero con un contenido de níquel más bajo que el de (iii), suficientemente bajo para que las propiedades físicas del polímero sean apreciables, y suficientemente alto para que durante el mezclado las partículas de níquel y el líquido que forma el polímero se resuelvan en forma de gránulos en lugar de formar una fase compacta. Una alternativa sería utilizar partículas realizadas por medio de desmenuzar material que comprende partículas de relleno empotradas en un polímero en fase compacta. A diferencia de (i) a (iii), el material (iv) puede proporcionar una respuesta a la tensión en cada gránulo individual así como entre gránulos, pero el material de fondo es menos sensible. Al realizar el elemento, el material (iv) se puede aplicar en suspensión acuosa.

El material altamente conductor puede ser por ejemplo uno o más de titanio, tántalo, circonio, vanadio, niobio, hafnio, aluminio, silicio, estaño, cromo, molibdeno, tungsteno, plomo, manganeso, berilio, hierro, cobalto, níquel, platino, paladio, osmio, iridio, renio, tecnecio, rodio, rutenio, oro, plata, cadmio, cobre, cinc, germanio, arsénico, antimonio, bismuto, boro, escandio y metales de las series de los lantánidos y actínidos y si es adecuado, por lo menos un agente conductor eléctrico. Puede ser sobre un núcleo portador de polvo, granos, fibras u otras formas contorneadas. Los óxidos pueden ser mezclas que comprenden polvos sinterizados de un compuesto oxigenado. La aleación puede ser convencional o por ejemplo boruro de titanio.

En una composición preferida, las partículas de relleno comprenden una composición granular en la que cada gránulo comprende por lo menos un polímero sustancialmente no conductor y por lo menos un relleno conductor eléctrico y es eléctricamente aislante cuando se encuentra en reposo pero conductora cuando se somete a tensión mecánica o carga eléctrica. Dichos gránulos se describen en la anteriormente mencionada WO 99/38173.

Las partículas de relleno comprenden preferiblemente metal con una estructura puntiaguda, dendrítica y/ filamentosa. Preferiblemente el relleno conductor comprende níquel metálico derivado de carbonilo. Las partículas de relleno preferidas presentan una red tridimensional en forma de cadena de perlas puntiagudas, teniendo las cadenas una sección transversal media de 2,5 a 3,5 micras y posiblemente mayor que 15-20 micras de longitud. El polímero es preferiblemente un elastómero, especialmente un caucho de silicona, preferiblemente comprendiendo un relleno modificador para mejorar la recuperación.

En los intersticios de las espumas o paños se pueden introducir partículas altamente o débilmente conductoras, especialmente de las formas preferidas y mantenerse en su lugar por medio de pegado o constreñimiento mecánico o por fricción, por ejemplo con partículas de gran tamaño dentro de intersticios ligeramente más estrechos. Esto se puede realizar simplemente por medio de comprimirlas mecánicamente en el interior, o por medio de suspenderlas en un fluido que se hace pasar a continuación a través de la espuma o paño. La espuma o paño se puede procesar posteriormente para hacerla encoger y proporcionar un agarre mejor para las partículas. Otras formas de asegurar que los gránulos permanecen en el cuerpo comprenden pegar o revestir una película o lámina sobre una o más de sus superficies para proporcionar un sellado. Si la película o lámina es conductora eléctrica, proporciona también un medio de conexión óhmica.

En el procedimiento de encogimiento, la capa de base que contiene intersticios se puede encoger utilizando adhesivos y aplicando presión hasta que se fragua. Otro medio para encoger la capa de base es calentarla y aplicar presión. Se ha encontrado muchas espumas y paños deformables por calor adecuados para este tipo de tratamiento. Se pueden monitorizar los cambios de la resistencia eléctrica de la superficie sobre la cual se aplica la presión para asegurar un producto uniforme. Así como la cantidad de encogimiento, el tipo, tamaño, cantidad y morfología de las partículas utilizadas y el tamaño de los intersticios tienen también un efecto sobre la sensibilidad a la presión y el campo de resistencias de la resistencia variable. Se pueden construir también capas dieléctricas en la utilización de la disposición de un estrato conductor encima de un estrato no conductor para producir una resistencia variable con una capa dieléctrica inherente.

Se ha encontrado que también se pueden utilizar gránulos realizados con un revestimiento no elastómero, por ejemplo una resina epoxídica. Parece que la naturaleza elastómera de la capa de base es suficiente para el funcionamiento de la invención, aunque la sensibilidad a la presión normalmente se reduce y las propiedades eléctricas de los gránulos revestidos con epóxido son diferentes de las de los gránulos revestidos con silicona.

Mientras que la compresión se puede aplicar de forma conveniente en la dirección normal al plano de un cuerpo en forma de lámina, el cuerpo puede mostrar también conductancia eléctrica a lo largo de su superficie, por ejemplo en el lateral de una estructura gradual que carga una composición polimérica conductora, y esta conductividad puede ser influenciada por presión si se utiliza un polímero, polvo o gránulo sensible a la presión. El otro lado de una estructura de este tipo mostrará la normal alta resistencia eléctrica si no se carga con un relleno conductor o semiconductor durante la fabricación.

En una resistencia variable de este tipo dispuesta como un puente sensible a la presión entre dos o más conductores óhmicos tendidos sobre el mismo plano, se puede lograr un aumento de la sensibilidad por medio de revestir la parte trasera expuesta del cuerpo con una capa totalmente conductora como una lámina o revestimiento metálico. Esto favorecerá la formación de una ruta conductora más corta a través, y no a lo largo del cuerpo.

En una resistencia variable preferida se dispone un electrodo que se puede conectar externamente justo tocando la superficie del cuerpo y se dispone un electrodo correspondiente sobre la superficie opuesta del cuerpo. En ausencia de presión sobre los electrodos, el cuerpo se encuentra en estado de reposo y no es conductor. Si se aplica presión a los electrodos, el cuerpo conducirá cuando se fuerza que las partículas de relleno entren en los intersticios del cuerpo. La conducción se detendrá cuando se retira la presión y el cuerpo vuelve a su estado de reposo.

En cualquiera de dichas disposiciones, si se utiliza como relleno un polímero, polvo o gránulo conductor sensible a la presión, la resistencia disminuirá al aumentar la presión.

Pueden existir rutas conductoras eléctricas en o sobre el cuerpo para permitir la conectividad eléctrica a, desde y entre áreas o puntos sobre el mismo. Sobre un apoyo no flexible como metal rígido o plástico la carga aplicada fuerza un movimiento mecánico del cuerpo limitado por la no flexibilidad relativa del apoyo. Sin embargo, sobre un apoyo flexible como plástico flexible, material fibroso o espuma, la acción mecánica sobre el cuerpo será modificada por la respuesta mecánica del apoyo.

Las rutas de conexión permiten monitorizar los cambios de la resistencia desde lejos del punto de aplicación de la fuerza actuante. Se ha encontrado que un procedimiento conveniente para producir rutas conductoras o semiconductoras sobre o dentro del cuerpo es por medio de aplicar y mantener una tensión a lo largo del camino de la ruta conductora requerida.

Se ha encontrado un número de formas para realizar esto:

1. Si la estructura de base comprende un polímero susceptible a reticulado, el cuerpo se puede modelar en su forma o hechura final y se puede aplicar tensión al área de la ruta requerida durante el proceso de reticulado. Dicha tensión puede ser mecánica o eléctrica, aplicada directamente o inducida y puede comprender presión, calor, electromagnetismo y otras fuentes de radiación. Algunas de estas tensiones pueden por si mismas inducir el reticulado a lo largo de la ruta conductora requerida pero algunos polímeros requerirán la realización de una operación separada de reticulado al mismo tiempo o después de la formación de la ruta conductora.

2. Después de la producción y el reticulado, se puede crear una tensión permanente a lo largo de la ruta conductora requerida. Esto se puede realizar haciendo que la ruta se encoja utilizando una fuente de radiación enfocada. Esto puede ir seguido de compresión mecánica de las rutas irradiadas para consolidar el contenido conductor y mejorar la conductancia final de la ruta.

3. Depositar polímero o adhesivo, que se encoge al ser reticulado o secarse, encima o dentro del cuerpo convertiría en conductora la zona subyacente del cuerpo.

4. En los cuerpos que comprenden láminas una línea de costura puede aplicar suficiente fuerza dentro y entre las puntadas para crear una ruta conductora. Las espumas de plástico delgadas revestidas con gránulos conductores son materiales particularmente buenos para esta forma de la invención y por medio de este procedimiento se pueden producir circuitos flexibles, sensibles al tacto. La hebra utilizada para la costura puede ser de un tipo estándar no conductora y el tamaño y tensión de la puntada tiene un efecto sobre la resistencia final de la ruta. Si se requieren rutas con muy baja resistencia se pueden utilizar hebras que contienen material conductor. Las láminas se pueden producir con rutas conductoras con una espuma de alvéolos abiertos u otro dieléctrico para mantener las láminas separadas hasta que se aplica una presión de actuación para disponer las láminas en conducción mutua.

La presente invención en este tercer aspecto se refiere a materiales sensores poliméricos y en concreto a un sensor basado en cuerpos con conductancia sensible a la tensión como arriba se han descrito con los intersticios accesibles a un fluido móvil. Sorprendentemente se ha encontrado que los cuerpos cambian su propiedad eléctrica por medio de la interacción con substancias químicas, microbiológicas y campos electromagnéticos y nucleares. El cambio en la propiedad eléctrica es reversible y puede dar una medida de la concentración de flujo de radia-
ción.

Según la presente invención un sensor para substancias químicas o substancias microbiológicas o radiación en un fluido móvil comprende:

a) una cabeza de contacto que comprende por lo menos un cuerpo con conductancia variable o resistencia variable como se ha mencionado anteriormente y en el que los intersticios son accesibles a fluido móvil;

b) un medio para el acceso a la cabeza del fluido móvil que comprende una substancia de ensayo;

c) un medio para conectar el cuerpo a un circuito eléctrico efectivo para medir una variación de la conductancia de dicho cuerpo.

Se advierte que en la composición polimérica del cuerpo o los gránulos la fase encapsulada es altamente negativa en la serie triboeléctrica, no almacena fácilmente electrones sobre su superficie y el cuerpo de una cabeza de sensor es permeable a una gama de gases y otras moléculas móviles hacia el interior de la cabeza, de esta forma cambiando la conductancia eléctrica del cuerpo.

La cabeza de contacto puede comprender un medio para aplicar tensión, por ejemplo compresión o estiramiento mecánico o una fuente de campo eléctrico o magnético, para llevar el cuerpo al nivel de conductancia adecuado para la sensibilidad requerida del sensor.

El sensor puede proporcionar contacto estático o dinámico. Para contacto estático puede ser una unidad portátil que se puede utilizar para sumergir la cabeza dentro de la substancia en un contenedor. Para el comportamiento dinámico, puede encontrarse sostenido dentro de una corriente de muestra que fluye o puede comprender sus propios canales de alimentación y/o descarga y posiblemente un medio de bombeo para alimentar y/o retirar muestras. Dicho medio de bombeo es adecuadamente peristáltico como, por ejemplo, para pruebas médicas.

En un ejemplo las propiedades del sistema cambian en tiempo real. Esto es, bajo la influencia de un campo eléctrico no uniforme las partículas experimentan una fuerza electroforética que hace cambiar las propiedades eléctricas de la estructura polimérica.

En un sensor preferido el cuerpo se excita por medio de un campo de corriente alterna lineal o no lineal. Se puede utilizar una gama de técnicas para distinguir la señal de interés del ruido y de señales de interferencia, por ejemplo a través de la reactancia, inductancia, perfil de señal, perfil de fase, frecuencia, coherencia espacial y temporal.

En otro ejemplo el cuerpo se mantiene en un estado transitorio por medio de una carga eléctrica; después el aumento de la ionización como consecuencia de la exposición a radiación nuclear hace cambiar la resistividad eléctrica, reactancia, impedancia u otra propiedad eléctrica del sistema.

En otro ejemplo un ionóforo complejante u otro material de cierre o adsorbente se incorpora a la composición polimérica. Dichos materiales comprenden éteres corona, zeolitas, intercambiadores iónicos sólidos y líquidos, anticuerpos biológicos y sus análogos u otros materiales análogos. Cuando se excitan por medio de campo de corriente continua, corriente alterna lineal o corriente alterna no lineal, dichos materiales cambian su propiedad eléctrica según la adsorción de materiales o el contacto con fuentes de radiación. Dichos materiales ofrecen el potencial de estrechar la anchura de banda para las substancias adsorbidas y la selectividad del sistema. En todavía otro ejemplo un electruro, esto es un material en el cual el electrón es el único anión, donde un ejemplo típico del cual puede ser cesio-5-corona-5 preparado por medio de vaporizar metal cesio sobre 15-corona-5, se incorpora al interior de la composición polimérica. Otros ionóforos, zeolitas y materiales intercambiadores de iones se pueden emplear de forma similar. Dicha composición presenta una baja función de trabajo del electrón, típicamente 1 electrón-voltio, de forma que voltajes bajos de corriente continua o voltajes de corriente alterna no lineales la hacen conmutar de fase aislante a fase conductora con una constante de tiempo disminuida y aumentando la anchura de banda para las substancias adsorbidas y el sistema. Dichos materiales se pueden utilizar para detectar la presencia de materiales adsorbidos y/o fuentes de radiación.

Breve descripción de las figuras

A continuación se describen más exhaustivamente formas preferidas de la presente invención con referencia a las figuras adjuntas, en las cuales:

la figura 1 es una vista abierta de una resistencia variable que dispone de un medio de conexión externo flexible o rígido;

la figura 2 muestra tres variantes del cuerpo que se muestra en la figura 1;

la figura 3 muestra dos resistencias variables con una configuración de cuerpo y conexiones externas diferentes de las de las figuras 1 y 2; y

la figura 4 muestra vistas abiertas de dos resistencias variables de función múltiple.

Cualquiera de los resistencias variables que se muestran en las figuras puede formar la base de un sensor según el tercer aspecto de la presente invención.

Descripción detallada de la invención Ejemplo

Un ejemplo de una estructura conductora de espuma para el cuerpo es de la forma siguiente: una lámina de espuma de alvéolos abiertos de poliéter de 2 mm de grosor y tamaño de celda de 80 ppi (32 poros por cm), se carga con gránulos revestidos con níquel/silicona en el campo de tamaño 75-152 micras. Los gránulos se prepararon por medio de revestir polvo de níquel INCO tipo 287 con silicona ALFAS INDUSTRIES RTV tipo A2000 en las proporciones 8/1 en peso utilizando ablación rotativa. Los gránulos se tamizaron al tamaño y se frotaron en la espuma hasta que aparecieron en el lado inferior de la espuma lo cual es un indicador de relleno correcto. La espuma contenía 75 mg de gránulos por cm^{2}, correspondientes a 1875 mg/cm^{3} en media a través de la espuma después de la compresión y alrededor de 2500 mg/cm^{3} en el estrato completamente cargado que constituye el cuerpo.

La espuma que contiene los gránulos se comprimió entre láminas metálicas y se calentó en un horno a 120ºC durante 30 minutos.

Este procedimiento produjo una estructura sensible a la presión muy flexible de 0,4 mm de grosor, con un campo de resistencia de más de 10^{12} ohmios a través de su grosor y que se podía hacer disminuir proporcionalmente de forma controlada hasta menos de un ohmio utilizando solamente presión dactilar.

En referencia a las figuras de forma general: las palabras "superior" e "inferior" se refieren solamente a su posición en las figuras, sin representar ninguna limitación en cuanto a su posición en la utilización; la forma circular de los componentes es solamente ilustrativa y se escogerán otras formas para adecuarse a la utilización que se pretende; por ejemplo una forma rectangular sería apropiada para una cabeza de contacto para proporcionar una ruta para la circulación de un fluido de muestra de ensayo.

En referencia a la figura 1, la resistencia variable comprende medios de conexión externos que comprenden electrodos 10 a partir de los cuales se extienden conectores externos que no se muestran. Los electrodos 10 se encuentran conectados entre si por medio del cuerpo 14 que consiste en una espuma con carga de níquel/silicona como se describe en el ejemplo anterior. El electrodo inferior 10 se encuentra sostenido sobre la base sólida 16. El electrodo superior 10 es móvil hacia abajo para comprimir el cuerpo 14, bajo la acción del medio 18 que se indica de forma general por medio de flechas y puede actuar sobre una parte o la totalidad del área del electrodo 10. Sería posible por supuesto aplicar el medio 18 también al electrodo inferior. El electrodo 10 puede ser un miembro diferente realizado con material duro como cobre metálico o bronce revestido con platino: en ese caso la acción sobre parte del área del electrodo puede ser por ejemplo por medio de inclinar la aplicación del medio 18 al electrodo 10, o por medio de utilizar un cuerpo 14 de grosor gradual. Alternativamente el electrodo 10 puede ser flexible, por ejemplo de hoja metálica, paño revestido con metal, polímero orgánico conductor o, en un interruptor preferido, un revestimiento coherente de metal conductor sobre la superficie superior y/o inferior del cuerpo 14. Dicho revestimiento puede proporcionarse por medio de la aplicación de una pintura rica en metal como pintura de plata. En esta resistencia variable, el cuerpo 14 puede basarse estructuralmente sobre cualquier material con intersticios adecuados, por ejemplo paño de poliéster de tejedura gruesa como sarga de caballería o sobre tejido de lana peinada.

En referencia a la figura 2, la construcción general de la resistencia variable es la misma que la de la figura 1, pero en las figuras 2a-2c se presentan tres variantes del cuerpo.

En la variante de la figura 2a el cuerpo, con el número de referencia 22, carga carbono en el interior de su volumen 22+24 y gránulos de níquel/silicona solamente en la región central 24. Cuando el interruptor se encuentra en estado de reposo, sin tensión aplicada por el medio 18, permite el paso de una pequeña cantidad de corriente debido a la débil conductancia del carbono, proporcionando de esta forma una "resistencia de inicio" o "conductancia de inicio". Cuando se aplica tensión por medio de 18, la alta conductancia de la composición de níquel/silicona entra en juego, hasta un nivel que depende del área sobre la cual se aplica dicha tensión, así como del grado de compresión del cuerpo.

Las variantes de las figuras 2b y 2c muestran combinaciones del cuerpo con un estrato emparejado de material no conductor o débilmente conductor.

En la variante de la figura 2b el cuerpo, con el número de referencia 34, es proporcionado por la parte superior de un bloque de espuma o tejido cargado con níquel/silicona, siendo la parte inferior un estrato 36 no conductor o (como por ejemplo en la figura 2a) débilmente conductor. Esta combinación se realiza por medio de aplicar níquel/silicona como polvo o suspensión líquida preferentemente a un lado del bloque. No es necesario que la frontera 35 entre el cuerpo y el estrato sea abrupta.

En la variante de la figura 2c el cuerpo, con número de referencia 34, puede cargar níquel/silicona uniformemente o de una forma gradual, pero el estrato, con número de referencia 38, es un miembro distinto y puede, en el interruptor montado, adherirse o mantenerse mecánicamente en contacto con el cuerpo 34. Esto presenta una ventaja sobre 2b en el hecho de que el estrato puede ser estructuralmente diferente del cuerpo, por ejemplo:

cuerpo 34	estrato 38
espuma comprimida	espuma no comprimida
..	paño tejido
..	red
paño comprimido	paño no comprimido

En referencia a las figuras 3a y 3b, el cuerpo comprende un bloque 314 de espuma cargada con níquel/silicona y con conductores externos de conexión 313 empotrados en el mismo. El cuerpo se puede llevar a conducción por medio de la compresión de una región entre los conductores 313 por la acción descendente de la zapata 316, que puede tener una parte de extremo inferior oblicua de forma que su área de aplicación al cuerpo depende de la extensión de su movimiento descendente. En lugar de esto o además, la zapata 316 puede comprender una pluralidad de miembros controlables individualmente para lograr un área agregada deseada de aplicación. En una resistencia variable miniaturizada la zapata 316 puede ser una matriz de puntos o un mecanismo piezoeléctrico. Los conductores empotrados se pueden hacer de material óhmico, o pueden ser pistas de composición metal/polímero, por ejemplo níquel/silicona, hechas permanentemente conductoras por medio de compresión local por ejemplo por medio de encogimiento o costura. Si los conductores empotrados se producen por medio de compresión localizada, esto puede realizarse en una lámina relativamente delgada de material del cuerpo, a continuación de lo cual se puede emparedar otra lámina de material del cuerpo alrededor de dicha lámina delgada.

Una resistencia variable como loa de la figura 3a, cuando se utiliza como sensor según un tercer aspecto de la presente invención, puede formar parte convenientemente de un sistema estático en el cual se encuentra inmersa dentro de una muestra fluida, y que se puede utilizar también en un sistema de flujo.

La resistencia variable que se muestra en la figura 3b es un híbrido que utiliza los mecanismos de la figura 1 y la figura 3a. Es más sensible que la resistencia variable de la figura 3a. Cuando se aplica compresión en 18, la conducción entre los conductores 313 puede tener lugar también a través del electrodo 10.

En referencia ala figura 4, la figura 4a muestra una resistencia variable que efectivamente consiste en dos resistencias variables de la figura 1 espalda contra espalda. La disposición de dos salidas de resistencia variable a partir de una sola entrada se proporciona de forma mucho más compacta que cuando se utilizan componentes de resistencia variable convencionales. La combinación de la figura 4a cuando se utiliza en un sensor puede proporcionar una lectura de ensayo y una lectura en vacío una al lado de la otra. La figura 4b muestra una disposición en la cual dos resistencias variables separadas como los de la figura 1 se encuentran aislados eléctricamente uno del otro por medio del bloque 20. En las figuras 4a y 4b se pueden utilizar las variantes de las figuras 2 y 3. Dichas combinaciones son ejemplos de medios de control compactos de función múltiple que proporcionan nuevas posibilidades en el diseño de dispositivos eléctricos. En un ejemplo simple, la disposición de la figura 4b podría proporcionar un interruptor de encendido/apagado y un control de volumen accionados por medio de un único pulsador.

Claims (23)

1. Cuerpo con conductancia variable que comprende una capa de base comprimible (14; 22, 24; 34-36; 34, 38; 314) de un material polimérico aislante o débilmente conductor y partículas de relleno de metal, aleación u óxido metálico reducido, donde dicho cuerpo presenta un primer nivel de conductancia eléctrica cuando se encuentra en reposo y que se puede llevar a un segundo nivel de conductancia por medio de un cambio en la tensión aplicada por estiramiento o compresión o campo eléctrico, caracterizado por el hecho de que la capa de base presenta intersticios, por medio de los cuales el cuerpo se convierte en poroso, y donde dichos intersticios contienen las partículas de relleno conductoras eléctricas.

2. Cuerpo con conductancia variable según la reivindicación 1 en el que los intersticios son accesibles para un fluido móvil.

3. Cuerpo con conductancia variable según la reivindicación 2 en el que la capa de base se selecciona entre espuma, red, gasa, fieltro o paño y combinaciones de 2 o más de éstos.

4. Cuerpo con conductancia variable según la reivindicación 3 que es el producto de cargar una espuma de polímero de alvéolos abiertos con las partículas de relleno conductoras eléctricas y comprimir la espuma rellena por un factor que se encuentra dentro del campo de 2 a 8 en volumen, pero que le permite una compresión adicional.

5. Cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con una configuración en forma de lámina de un grosor de 0,1-5,0 mm.

6. Cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual la concentración de partículas de relleno conductoras en el cuerpo es gradual.

7. Cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual por lo menos la capa de base es débilmente conductora debido a un contenido de carbono finamente dividido.

8. Cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual el relleno conductor se presenta en la forma de gránulos ricos en conductor comprendiendo cada uno las partículas conductoras de relleno de metal, aleación u óxido metálico reducido revestidas con por lo menos un polímero sustancialmente no conductor y cada gránulo es aislante eléctrico cuando se encuentra en reposo pero conductor cuando se somete a tensiones mecánicas o a una carga inducida eléctricamente.

9. Cuerpo con conductancia variable según la reivindicación 8 en el cual el polímero no conductor es un caucho de silicona.

10. Cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual las partículas de relleno conductoras presentan una forma puntiaguda, dendrítica y/o filamentosa.

11. Cuerpo con conductancia variable según la reivindicación 10 en el cual las partículas de relleno conductoras comprenden níquel metálico derivado de carbonilo.

12. Cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual la capa de base comprende un estrato (36, 38) de un material aislante o débilmente conductor que contiene intersticios, pero que se encuentra exento de partículas de relleno conductoras.

13. Resistencia eléctrica variable que comprende electrodos (10, 313) que se pueden conectar exteriormente conectados entre si por medio de un cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

14. Resistencia eléctrica variable según la reivindicación 13 que comprende medios efectivos para: a) aplicar tensiones que hacen aumentar la conductancia (18; 316), y/o b) invertir dichas tensiones o actuar contra tensiones preexistentes en la región del cuerpo que conecta entre si los electrodos.

15. Resistencia eléctrica variable según la reivindicación 13 o la reivindicación 14 y que comprende una conexión externa por medio de por lo menos una región localizada del cuerpo llevada a conductancia por medio de una tensión previa.

16. Resistencia eléctrica variable según la reivindicación 15 en la cual el cuerpo se presenta en forma de lámina y la región con tensión previa se proporciona por medio de una línea de costura.

17. Resistencia eléctrica variable según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, que dispone de electrodos (313) que se pueden conectar externamente, conectados entre si, empotrados en el cuerpo.

18. Una pluralidad de resistencias variables según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, emparedadas juntas, conectadas eléctricamente de forma separada y accionadas por un único medio para proporcionar tensión mecánica.

19. Una pluralidad de resistencias variables según la reivindicación 18 que comprenden un medio aislante (20) por medio del cual las resistencias se aíslan eléctricamente unas de las otras.

20. Sensor para substancias químicas o microbiológicas o radiación en un fluido móvil, que comprende:

(a) una cabeza de contacto que comprende por lo menos un cuerpo con conductancia variable según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 o una resistencia variable según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19,

(b) un medio para el acceso a la cabeza del fluido móvil que comprende una substancia de ensayo, y

(c) medios (10, 313) para conectar el cuerpo a un circuito eléctrico apto para medir una variación de la conductancia de dicho cuerpo.

21. Sensor según la reivindicación 20 en el cual la cabeza de contacto comprende un medio de aplicación de tensión para llevar el cuerpo al nivel de conductancia adecuado para la sensibilidad requerida del sensor.

22. Circuito eléctrico que comprende un sensor según la reivindicación 20 o la reivindicación 21, una fuente de corriente alterna y un medio apto para distinguir la señal deseada del ruido y de señales de interferencia.

23. Procedimiento para detectar y/o estimar la cantidad de substancias químicas, substancias microbiológicas o radiación electromagnética, utilizando un sensor según la reivindicación 20 o la reivindicación 21.