HU225339B1 - Conduction of current for sensing surfacial contacting spots - Google Patents

Description

A találmány tárgya egyirányú áramvezetésre alkalmas eszköz felületi érintkezési helyek észlelésére, pontosabban két szemközti tárgy felületén lévő elemi területek között létesített érintkezések helyének észlelésére, ahol mindkét elemi terület felülete villamos vezető. A jelen leírás során az egyirányú áramvezetésre alkalmas eszközt az egyszerűség kedvéért helyenként „monovezetőelemnek” nevezzük.

Elemi felületek érintkezésének észlelésére számos megoldás ismert, ezek közül a legszokásosabb az érintkezési helyeken záródó érintkezők alkalmazása, amelyek között az érintkezést követően áramvezető út alakul ki. Az ilyen érintkezőket két-két kivezetéssel vagy csatlakozással látják el. Vannak olyan alkalmazási területek, amelyeknél a feladat abban áll, hogy egy nagyobb felület egy vagy több egymástól térben elkülönülő, nyomásnak kitett elemi területének a nyomott állapotát kell meghatározni, amelynek révén az így aktivált helyek azonosíthatók. A feladat bonyolulttá válik, ha egyidejűleg nagyszámú elemi felület kerül aktivált állapotba, miután az érzékelendő elemi területek száma a terület teljes kiterjedésének négyzetével növekszik. Az egyes elemi területek elkülönült érzékelésére a hagyományos érintkezőket használó megoldások csak akkor működnek helyesen, ha minden érintkező mindkét elektródját külön-külön kivezetjük. Nagyméretű lapos felületek esetében reális költségeken belül a nagyszámú kivezetés csatlakoztatása nem oldható meg.

Az elemi felületek aktív állapotának észlelésére az egyik ismert megoldás mátrixelrendezések használata, amelyekben térközzel elkülönített sorok és oszlopok keresztezés! pontjainál érintkezőket helyeznek el, és soronként, illetve oszloponként csak egy-egy kivezetést alkalmaznak. Ez az elrendezés megfelel egyetlen aktivált hely észlelésére, de nem alkalmazható egynél több elemi terület aktív állapotának egyidejű azonosítására, miután a hibás jelzések kialakulása nem zárhatók ki. Ilyen, egyetlen aktivált állapot azonosítására alkalmas az US 3,925,610 számú szabadalom, amely képes egy adott területen egy tű helyzetének érzékelésére, de nem alkalmas több megnyomott elemi területből létrejött alakzat felismerésére és azonosítására. Az érzékelés általános elterjedt megoldására legjobb példa a személyi számítógépekben alkalmazott billentyűzet működése, amelynél az egyes billentyűk megnyomása egy-egy érintkezőt zár. A billentyűk például hat sorban és tizenhat oszlopban vannak elrendezve és ezért egymástól 96 billentyű különböztethető meg. Az érzékelőelemet olyan processzor képezi, amely az egyes sorok és oszlopok kivezetéseit fogadja. A billentyűzet tökéletesen működik mindaddig, ameddig soronként egyszerre csak egy billentyűt nyomnak meg. Abban a pillanatban, amikor ez a feltétel nem áll fenn, és több billentyűt nyomnak meg, a rendszer nem tudja a pillanatnyilag megnyomott billentyűket biztonsággal azonosítani. Billentyűzeteknél ez a hátrány nem jelentős, de például hangszer klaviatúrájánál szükség lehet az egyidejűleg megnyomott billentyűk mindegyikének a helyes azonosítására.

A probléma bonyolultabbá válik akkor, ha a feladat abban áll, hogy egy adott felület pillanatnyilag nyomás alatt álló részének az alakját akarjuk megismerni. Ilyen feladattal találkozunk például, ha egy járművön utazó utasok számát kell megszámolni, amikor is az érzékelőfelületen a lábnyomok alakjának felismerésére is szükség van.

Elméletileg a több aktivált elemi felület egyidejű azonosítása (detektálása) könnyen megoldható, ha minden elemi felületnél a nyomással aktivált érintkezőkkel egy-egy diódát sorosan kapcsolunk. Ha az érintkezőn keresztül csak egyetlen áramirányt engedünk meg, akkor a már aktivált érintkezők állapota nem képes a többi érintkező állapotát befolyásolni, mert ez a befolyásolás ellenkező irányú áram észlelését igényelné. Nagy és lapos felületek esetében az egyedi diódák elrendezése és bekötése olyan bonyolult feladatot képez, amelyet normálköltségszinten nem lehetett megoldani.

A találmány feladata olyan eszköz létrehozása, amely csak egyirányú áramvezetést enged, és ennek következtében alkalmas nagy felületek aktivált részterületeinek az észlelésére és azonosítására.

A kitűzött feladattal összhangban felismertem, hogy a felületi vezetés problémája egy speciális áramvezetőelem alkalmazásával megoldható, ha ez az elem csak egyirányú áram kialakulását engedi meg. A szokásos diódákkal ellentétben, ahol a két kivezetés és a p-n átmenet egyetlen fizikai egységet alkot, a monovezetőelem úgy képzelhető el, mintha egy diódát fizikailag két részre vágtuk volna és amelynek kivezetése két egymástól elkülönített testen helyezkedne el, és a diódafunkció csak akkor jön létre, ha a két test érzékelőfelülete adott helyeken egymással érintkezésbe kerül. A monovezetöelemen át áram csak az egyik irányban tud folyni.

A kitűzött feladat megoldásaként egyirányú áramvezetésre alkalmas eszközt hoztam létre két szemközti tárgy felületén lévő elemi területek között létesített érintkezések helyének észlelésére, ahol mindkét elemi terület felülete villamos vezető. Az első tárgyon egymással térközzel elválasztott, párhuzamos sorokba rendezett csíkok formájában kialakított vezetőrétegek vannak, melyek az első tárgyból kivezető csatlakozásokat képeznek. A második tárgyon pedig több, egymással térközzel elválasztott és párhuzamos oszlopokban elrendezett, villamosán vezető anyagú oszlopcsíkok vannak, amelyek a második tárgy érintkezőfelületeit alkotják. Az oszlopcsíkok a második tárgyból kivezető csatlakozásokat képeznek. A találmány szerint a vezetőrétegeken több, térközzel különített p-n átmenet van kialakítva. A p-n átmenetek külső felületét az első tárgy érintkezőfelületeit képező fémréteg borítja. Az egymással érintkező elemi felületekkel társított csatlakozások között pedig csak egyirányú áramvezetés van.

Egy előnyös kiviteli alaknál a második tárgyon lévő oszlopcsíkok szöget, célszerűen derékszöget zárnak be az első tárgyon lévő sorokat alkotó csíkokkal.

Az érintkezési biztonság növekszik, ha az oszlopcsíkok szélessége nagyobb az első tárgyon lévő sorokat alkotó csíkok térközénél, és az oszlopcsíkok szélessége elegendően nagy ahhoz, hogy az említett p-n

HU 225 339 Β1 átmenetek közül mindig legalább kettővel vannak szemközti helyzetben.

A szerkezeti kialakítás szempontjából kedvező, ha az első és második tárgy között a térközt létesítő és rugalmas, szigetelőanyagú távtartó csíkok vannak, amelyek az első és a második tárgy között azok terheletlen állapotában távolságot tartanak.

Egy előnyös alkalmazásnál a találmány szerinti eszköz nyomásérzékeny szőnyegként van kialakítva.

A találmány szerinti eszköz az alkalmazások nagyon széles körét nyitja meg, előállítása pedig könnyen automatizálható.

A találmány szerinti megoldást a továbbiakban példák kapcsán, a rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon az:

1. ábra adott felület mátrixelrendezésű érzékelésének vázlata; a

2. ábra a keresztezések letapogatására szolgáló elrendezés rajza; a

3. ábra a téves érzékelés keletkezését szemléltető vázlat; a

4. ábra a monovezetőelem és helyettesítő képének vázlata; az

5. ábra a monovezetőelem egyik részének nagyított hosszmetszete; a

6. ábra monovezetőelem hosszmetszete; és a

7. ábra monovezetőelem nagyított felülnézeti képe egy keresztezés! pontban.

Az 1. ábrán téglalap alakú 11 érzékelőfelületet vázoltunk, amely célszerűen lapos, teherbíró szőnyegként van kialakítva. A 11 érzékelőfelület használatával az a célunk, hogy érzékeljük a rajta lévő testek helyét, amelyet az ábrán 10 megnyomott felület szimbolizál. Az érzékelés klasszikus lehetőségét a raszteres felbontás alkalmazása adja, amelynél a 11 érzékelőfelületet a megkívánt felbontástól függő osztásközökben több, egymásra merőleges sor és oszlop osztja fel. A példaként! esetben a...z sorok és 1 ...n oszlopok helyezkednek el a 11 érzékelőfelületen, pontosabban a 11 érzékelőfelülettel rendelkező eszköz (például szőnyeg) belsejében.

Tételezzük fel, hogy a sorokat és az oszlopokat egymástól kis térközzel elválasztott vezetőcsíkok képezik, továbbá a térközt létesítő anyag rugalmasan deformálható, és a nyomóerő hatására lokálisan lehetővé teszi az egymást keresztező szalagok villamos érintkezését.

A 11 érzékelőfelület a vezetőcsíkok alkalmazása helyett elvileg tartalmazhat a keresztezés! pontok helyén kialakított egyedi érintkezőket is, de ekkor a kivezetések száma nz lesz a csíkot alkalmazó n+z esethez képest. Nagyobb méretek és nagyobb pontosság esetén az nz számú kivezetés fizikai elhelyezése és bekötése a gyakorlatban megvalósíthatatlan problémát jelent. Az n+z számú kivezetés alapján a keresztezés! pontok kiválasztása és tárba való rögzítése például a

2. ábra szerinti elrendezésben megoldható. A „z” számú sor vezetéke 12 processzorral vezérelt 13 multiplexer egyik bemeneti csoportjához, az „n” számú oszlop vezetéke pedig a 13 multiplexer másik bemeneti csoportjához csatlakozik. A 13 multiplexer kimenete egy memóriabeíró bemenetével kapcsolódik, és a 14 memóriát a 12 processzor címezi, mégpedig a mindenkor kiválasztott ponton lévő érintkezőpár koordinátáinak megfelelően. A 11 érzékelőfelület teljes letapogatása például úgy történhet, hogy a 12 processzor kiválaszt egy sort és arra logikai egyes szintet (például pozitív feszültséget) kapcsol, majd egymást követő órajelciklusokban az oszlopokat egyenként a 14 memória bemenetére kapcsolja, és órajelenként egyre magasabb tárcímet ad. Az oszlopok logikai „egyes” vagy „nullás” állapotai n számú órajel alatt beíródnak a 14 memória adott sorhoz rendelt rekeszeibe. A következő sor beírása hasonlóképpen történik.

Amennyiben az egyes kereszteződési pontokon az

1. ábrán vázoltak szerint érintkezőket helyezünk el, akkor az így bemutatott és könnyen megvalósítható letapogatási módszerrel hamis eredményt kapunk. Ezt az állítást a 3. ábra alapján könnyen beláthatjuk. A megnyomott kereszteződéseket a 3. ábrán karikával jelöltük. Amikor az „a” sorra kapcsolunk pozitív feszültséget, és a 2 oszlopot vizsgáljuk, akkor „a2 kereszteződés zárt volta miatt a 14 memóriába a megnyomott állapotnak megfelelő helyes beírás történik. Arra való tekintettel, hogy a 2 oszlop végig pozitívvá válik, és ez történik minden vele kapcsolódó sorral, továbbá az így pozitívvá vált sorokkal összekapcsolt oszlopokkal, ez utóbbi oszlopok mintavétele attól függetlenül pozitív lesz, hogy vele az „a” sor kereszteződése kapcsolódik vagy nem. A 3. ábra szerinti esetben a 3 oszlop vizsgálata még helyes eredményt ad, de a 4 oszlopé már nem. A 3. ábrán látható, hogy az „a4 kereszteződésben nincs teher, ezért a helyes válasz a logikai nulla lenne. Ezzel szemben az „a2” kereszteződés pozitív állapotba viszi a 2 oszlopot, a „b2” kereszteződés pedig az egész b sort. A megnyomott „b4” kereszteződés pozitívvá teszi a teljes 4 oszlopot, és itt ezért a nulla helyett egyes kerül beírásra.

Az itt vázolt probléma kiküszöbölhető, ha a sorok és az oszlopok között minden kereszteződési pontban csak egyirányú áramvezetést engedünk (például sortól az oszlop felé irányulót). Ezzel a feltétellel a „b2” kereszteződésen át a b sor nem tud már pozitívvá válni, mert ezt oszlopsorirányú (tehát tiltott) út biztosítaná. Az egyirányú áramvezetéshez klasszikus elemek használata esetén minden keresztezést pontban szükség van egy érintkezőpárra és egy vele sorosan kapcsolt diódára, amint azt a 4. ábra első (bal oldali) fele szemlélteti. A 11 érintkezőfelület egy lapos eszközben, például szőnyegben helyezkedik el, és ennek belseje olyan kisméretű, hogy az n z számú egyedi érintkező és az ugyanilyen számú egyedi dióda elhelyezése és szerelése nem képzelhető el nagyüzemi technológiával és reális költségek mellett.

A hagyományos diódáknak van egy katódja és egy anódja, amelyeket egymással érintkező n és p típusú szennyezéssel ellátott félvezető szeletből készítenek, van továbbá ezen szeletekkel stabilan összekapcsolt két kivezetésük. A probléma úgy oldható meg, hogy a diódát az itt felsorolt elemekkel csak a kereszteződés helyén, a kereszteződés mechanikai összenyomása révén és csak az összenyomás idejére valósítjuk meg.

HU 225 339 Β1

A kereszteződés helyén nyugalmi állapotban csak egy monovezető, azaz egyirányú áramvezető képességgel rendelkező elemet helyezünk el. A 4. ábra jobb oldali fele három ilyen monovezetőelemet szemléltet, amelyek katódjai össze vannak kötve és ezek képezik a b sort, az elkülönült érintkezők pedig rendre a 2, 3 és 4 oszlopok vezetőcsíkjaival kapcsolódnak, pontosabban azok révén valósulnak meg.

A monovezetőelem megvalósításának egy lehetséges módját az 5. ábra szemlélteti. Egy vékony, hosszú, célszerűen hajlékony szilícium félvezető 20 csík egyik felületén 21 vezetőréteggel van ellátva. A mechanikus stabilitás érdekében célszerű, hogy a 20 csík és a vezetőréteg egy, az 5. ábrán nem vázolt hordozólapon van kialakítva. A 20 csíkon például fotolitográfiai eljárással keresztirányban keskeny térközöket képező maszkot alakítunk ki, amelynek térközeiben a 20 csík fedetlen. A szabad felületeken, mint ablakokon át a 20 csíkon szennyezést, a példaként! esetben n típusú szennyezést viszünk be a 20 csík teljes mélységében, majd erre vékony ellentétes szennyezésű p típusú 23 szigeteket alakítunk ki. A 20 csíkon így nagyszámú, elkülönült p-n átmenet képződik, amelyek egyik oldalát a 21 vezetőréteg összeköti. A 20 csík vezetőképessége igen csekély, ezért a 23 szigetek egymástól elszigeteltek. A 23 szigetek külső felületét az ablakokon át 24 fémréteggel vonjuk be, majd a 22 maszkot vegyi kezeléssel eltávolítjuk. Az így létesített 20 csík monovezető csíknak tekinthető, amelynek szegmentált 24 fémrétege szabadon felfelé néz és érintkezés céljából rendelkezésre áll.

A 6. ábrán (más léptékben) az 1. ábra szerinti érzékelőfelülettel rendelkező 25 érzékelőszőnyeg keresztmetszetének részlete látható. A 25 érzékelőszőnyeg rugalmas anyagú, a széleken egybemunkált vagy öntött 26 és 27 lapokból áll. A 26 lapon az egyik, például hosszanti irányban egymással párhuzamosan a raszter sorait alkotó, és az 5. ábra szerint kialakított 20 csíkok vannak, és a közöttük lévő térközöket összenyomható, szivacsos szerkezetű, rugalmas 28 távtartó csíkok töltik ki, amelyek felső síkja magasabban van a 20 csíkokon lévő 24 fémrétegnél. A felső 27 lapon a 20 csíkokra merőleges irányban a raszter oszlopait alkotó, vezető 29 oszlopcsíkok vezetnek keresztül. A 25 érzékelőszőnyeg bármely felületi tartományának összenyomásával az egymást keresztező csíkok fémfelületei egymáshoz nyomódnak és közöttük áramvezető kapcsolat csak az egyik irányban jön létre.

A 7. ábrán egy ilyen érintkezés nagyított képe látható. A 29 oszlopcsík szélessége a szemközti monovezető 20 csíkon létesített elkülönült vezetők periódushosszának többszöröse, a példaként! esetben háromszorosa. A kontaktuserő hatására a 29 oszlopcsík legalább három 24a, 24b és 24c fémréteggel érintkezik, így a kapcsolat biztonsággal létrejön. A nyomóerő megszűnésekor vagy lényeges csökkenésekor a 28 távtartó csíkok rugalmas feszítőereje a sorokat és oszlopokat eltávolítja egymástól.

A bemutatott megoldásnál a 20 csíkon egy kivezetéssel és egy érintkezőfelülettel ellátott diódasor volt kialakítva. Ezzel biztosítható a legtökéletesebb érintkezés a sorok és az oszlopok között.

Elképzelhető azonban olyan gyártási technológia is, amelynél a 24 fémréteg kialakítása szükségtelen és a monovezetőelem érintkeztetése a szemközti 29 csík fémfelülete és a szennyezett 23 szigetek között alakul ki. Egy további alternatív megoldás, ha az egyik csíkon, például a 20 csíkon az n típusú rétegeket alakítjuk ki, és a vele átellenes 29 oszlopcsík egy összefüggő, p szennyezésű, egyik oldalán fémvezető csík. A nyomás hatására ekkor a p és n szennyeződésű félvezető felületek találkoznak és Itt alakul ki a határréteg.

A találmány szerinti monovezetőelemet a felületet érő nyomott tartomány érzékelése kapcsán, raszterhálóba építve mutattuk be. Monovezetőelem két fele elkülönülten, sík vagy térbeli felületek mentén is kialakítható.

Claims (5)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Egyirányú áramvezetésre alkalmas eszköz két szemközti tárgy felületén lévő elemi területek között létesített érintkezések helyének észlelésére, ahol mindkét elemi terület felülete villamos vezető, és az első tárgyon egymással térközzel elválasztott, párhuzamos sorokba rendezett csíkok formájában kialakított vezetőrétegek (21) vannak, melyek az első tárgyból kivezető csatlakozásokat képeznek, továbbá a második tárgyon több, egymással térközzel elválasztott és párhuzamos oszlopokban elrendezett, villamosán vezető anyagú oszlopcsíkok (29) vannak, amelyek a második tárgy érintkezőfelületeit alkotják, és az oszlopcsíkok (29) a második tárgyból kivezető csatlakozásokat képeznek, azzal jellemezve, hogy a vezetőrétegeken (21) több, térközzel különített p-n átmenet van kialakítva, és a p-n átmenetek külső felületét az első tárgy érintkezőfelületeit képező fémréteg (24) borítja, és az egymással érintkező elemi felületekkel társított csatlakozások között csak egyirányú áramvezetés van.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti egyirányú áramvezetésre alkalmas eszköz, azzal jellemezve, hogy a második tárgyon lévő oszlopcsíkok (29) szöget, célszerűen derékszöget zárnak be az első tárgyon lévő sorokat alkotó csíkokkal.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti egyirányú áramvezetésre alkalmas eszköz, azzal jellemezve, hogy az oszlopcsíkok (29) szélessége nagyobb az első tárgyon lévő sorokat alkotó csíkok térközénél, és az oszlopcsíkok (29) szélessége elegendően nagy ahhoz, hogy az említett p-n átmenetek közül mindig legalább kettővel vannak szemközti helyzetben.
4. 4. Az 1. igénypont szerinti egyirányú áramvezetésre alkalmas eszköz, azzal jellemezve, hogy az első és második tárgy között a térközt létesítő és rugalmas, szigetelőanyagú távtartó csíkok (28) vannak, amelyek az első és a második tárgy között azok terheletlen állapotában távolságot tartanak.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti egyirányú áramvezetésre alkalmas eszköz, azzal jellemezve, hogy nyomásérzékeny szőnyegként van kialakítva.