Schaltelement in Folienbauweise
Einleitung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltelement in Folienbauweise, das beim Auslösen ein Signal generiert, das von der Größe der ausgelösten Fläche abhängt.
Ein solches Schaltelement in Folienbauweise umfaßt eine erste Trägerfolie, auf der eine Auslöseschicht aus einem ersten Widerstandsmaterial, z.B. Graphit, aufgebracht ist, und einer zweiten Trägerfolie, auf der eine Sensorschicht aus einem zweiten Widerstandsmaterial, z.B. einem Halbleitermaterial, aufgebracht ist. Das erste Widerstandsmaterial und das zweite Widerstandsmaterial sind dabei derart aufeinander abgestimmt, daß bei der Kontaktierung der Auslöse- Schicht und der Sensorschicht der Widerstand der Grenzschicht zwischen der Auslöseschicht und der Sensorschicht im wesentlichen durch die Ausdehnung der Kontaktfläche bestimmt wird.
Die erste Trägerfolie und die zweite Trägerfolie sind durch Abstandhalter derart in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet, daß sich die Auslöse- schicht und die Sensorschicht gegenüberstehen und bei nicht betätigtem Schaltelement nicht miteinander kontaktiert sind. Bei der Auslösung oder Betätigung des Schaltelements werden die Auslöseschicht und die Sensorschicht gegen die Rückstellkraft der Trägerfolien aufeinander zubewegt und miteinander kontaktiert. Bei kleinen Auslösekräften werden die beiden Schich- ten in einem ersten Punkt ihrer Fläche miteinander kontaktiert, diese Kontaktfläche vergrößert sich bei zunehmendem Druck auf das Schaltelement.
Mißt man den elektrischen Widerstand des Schaltelementes, so erhält man eine Kenngröße, die direkt von der miteinander kontaktierten Fläche abhängt, und die, unter Einbeziehung der Rückstellkraft der Trägerfolien, Rückschlüsse auf die auf das Schaltelement wirkenden Auslösekräfte erlaubt. Aus diesem Grund können derartige Schaltelemente beispielsweise als Drucksensoren eingesetzt werden.
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Derartige Drucksensoren sind kostengünstig herstellbar und haben sich in der Praxis als äußerst robust und zuverlässig erwiesen. Allerdings ist das Auslöseverhalten bzw. die Dynamik solcher Drucksensoren für bestimmte Anwendungen nicht geeignet. Während bei den im allgemeinen runden Sensoren die radiale Ausdehnung der ausgelösten Fläche im wesentlichen linear von der auf das Schaltelement ausgeübten Kraft abhängt, ergibt sich für die Kontaktfläche eine im wesentlichen quadratische Abhängigkeit. Das Widerstandsverhalten des Sensors in Abhängigkeit der Auslösekraft weist folglich einen von dieser quadratischen Abhängigkeit bestimmten Verlauf aus, was die Sensoren für bestimmte Anwendungen ungeeignet macht.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, ein derartiges Schaltelement in Folienbauweise vorzuschlagen, das eine Anpassung des Auslöseverhaltens an den jeweiligen Einsatzzweck ermöglicht.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schaltelement in Folienbauweise, mit einer ersten Trägerfolie, auf der eine Auslöseschicht aus einem ersten Widerstandsmaterial aufgebracht ist, wobei die Auslöseschicht einen ersten elektrischen Anschluß aufweist, und einer zweiten Trägerfolie, auf der eine Sensorschicht aus einem zweiten Widerstandsmaterial aufgebracht ist, wobei die Sensorschicht einen zweiten elektrischen Anschluß aufweist. Die erste Trägerfolie und die zweite Trägerfolie sind durch Abstandhalter derart in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet, daß sich die Auslöseschicht und die Sensorschicht gegenüberstehen und bei nicht betätigtem Schaltelement nicht miteinander kontaktiert sind, während bei der Auslösung des Schaltelements die Auslöseschicht und die Sensorschicht zunächst in einem ersten Punkt ihrer Fläche miteinander kontaktiert werden und sich die Kontaktfläche bei zunehmendem Druck auf das Schaltelement vergrößert. Das erste Widerstandsmaterial und das zweite Widerstandsmaterial sind derart aufeinan-
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der abgestimmt, daß bei der Kontaktierung der Auslöseschicht und der Sensorschicht der Widerstand der Grenzschicht zwischen der Auslöseschicht und der Sensorschicht im wesentlichen durch die Größe der Kontaktfläche bestimmt wird. Erfindungsgemäß ist die Sensorschicht derart ausgestaltet, daß ihr spezifischer elektrischer Widerstand, ausgehend von dem ersten Punkt, in Richtung der zunehmenden Kontaktfläche derart mit dem Abstand von dem ersten Punkt variiert, daß sich ein vorbestimmtes Auslöseverhalten des Schaltelements in Abhängigkeit der auf das Schaltelement wirkenden Druckkraft ergibt. Das Auslöseverhalten eines solchen Schaltelementes wird, neben dem Widerstand der Grenzschicht zwischen der Auslöseschicht und der Sensorschicht, auch durch den Widerstand in der Sensorschicht zwischen der Auslösestelle und dem zweiten elektrischen Anschluß bestimmt. Ein an einer Auslösestelle über die Grenzschicht in die Sensorschicht eingebrachtes elektrisches Signal, z.B. eine elektrische Spannung, muß in der Tat über die Widerstandsstrecke zwischen der Auslösestelle und dem zweiten Anschluß abfließen.
Durch eine gezielte Variation des spezifischen Widerstandes über diese Widerstandsstrecke kann folglich der Spannungsabfall in der Widerstandsstrecke abhängig von der Auslösestelle beeinflußt werden, so daß das Auslö- severhalten des Schaltelementes beispielsweise linearisiert werden kann. Ein solches Schaltelement kann folglich, bezüglich seines Auslöseverhaltens, d.h. seiner Dynamik für jeden beliebigen Einsatzzweck, optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Schaltelementes wird der variierende spezifische Widerstand durch gezieltes Einbringen eines dritten Widerstands- materials in das zweite Widerstandsmaterial erzeugt, wobei der spezifische Widerstand des dritten Widerstandsmaterials und der spezifische Widerstand des zweiten Widerstandsmaterials voneinander verschieden sind, und wobei Konzentration des dritten Widerstandsmaterials mit dem Abstand von dem ersten Punkt variiert. Die Variation des spezifischen Widerstandes kann beispielsweise durch Einbringen eines niederohmigen Materials, z.B. Silber, in ein hochohmiges Halbleitermaterial erfolgen, wobei der spezifische Widerstand
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der Sensorschicht mit steigender Menge des eingebrachten Materials kleiner wird. Umgekehrt kann die Variation auch durch Einbringen eines hochohmigen Materials in Schicht aus niederohmigen Material erfolgen.
Das dritte Widerstandsmaterial ist vorzugsweise in Form von lokalen Einschlie- ßungen in das zweite Widerstandsmaterial eingebracht. Diese Einbringungsart ermöglicht eine einfache Herstellung der Sensorschicht bei gleichzeitig guter Kontrolle der Konzentration des dritten Widerstandsmaterials in der Sensorschicht. Die Abhängigkeit der Konzentration des dritten Widerstandsmaterials kann dabei beispielsweise durch eine bestimmte räumliche Anordnung von Einschließungen gleicher Ausdehnung oder durch eine regelmäßige räumliche Anordnung von Einschließungen mit unterschiedlicher Ausdehnung oder durch eine Kombination der beiden erfolgen.
Das zweite Widerstandsmaterial weist vorzugsweise ein Halbleitermaterial auf und das dritte Widerstandsmaterial weist einen wesentlich geringeren Wider- stand auf als das zweite Widerstandsmaterial. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise eine bei der Herstellung von Foliendrucksensoren verwendete Halbleitertinte umfassen, mit der der erforderliche Flächeneffekt an der Grenzschicht zu einer Auslöseschicht aus Graphit vorteilhaft bewirkt werden kann, während das dritte Widerstandsmaterial Silber umfaßt. Auf die oben beschriebene Weise kann der spezifische Widerstand der Sensorschicht ausgehend von dem ersten Punkt, beispielsweise den Zentrum eines runden Schaltelementes, in radialer Richtung proportional mit dem Abstand zum ersten Punkt ansteigen. Die gewählten Abstandsmaße resultieren aus der gewünschten Sensordynamik. Die Einschließungen sind vorteilhaft elektrisch von dem zweiten elektrischen Anschluß isoliert. Hierdurch wird verhindert, daß das Schaltelement aufgrund von Einschließungen, die sich bis in die Grenzschicht zwischen Auslöseschicht und Sensorschicht hineinerstrecken, vollständig durchschaltet und eine Druk- kerkennung unmöglich wird. Die Einschließungen sind zudem auf der der Auslöseschicht zugewandten Seite vorzugsweise vollständig von dem zweiten Widerstandsmaterial über-
5 deckt. Die Deckschicht aus zweitem Widerstandsmaterial verhindert einerseits ein direktes Durchschalten der Auslöseschicht auf die Einschließungen, andererseits dient sie als Schutzschicht gegen eventuelle mechanische Beschädigung. Die Auslöseschicht des Schaltelementes kann ein Widerstandsmaterial mit einem gleichförmigen spezifischen Widerstand umfassen. Es handelt sich hierbei beispielsweise um eine Graphitschicht, die sich in einem Siebdruckverfahren leicht herstellen läßt. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Auslöseschicht ähnlich wie die Sensorschicht aufgebaut sein, d.h. die Auslöse- schicht weist einen spezifischen Widerstand auf, der, ausgehend von dem ersten Punkt, in Richtung der zunehmenden Kontaktfläche mit dem Abstand von dem ersten Punkt variiert. Der Verlauf des spezifischen Widerstands in der Auslöseschicht kann dabei dem Verlauf des spezifischen Widerstands in der Sensorschicht entsprechen oder einen völlig anderen Verlauf aufweisen.
Beschreibung anhand der Figuren
Im folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 : einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Schaltelements in
Folienbauweise Fig.2: eine Ansicht einer alternativen Verteilung von Einschließungen in der Sensorschicht des Schaltelementes
Fig.3: eine Ansicht einer weiteren Verteilung von Einschließungen in der
Sensorschicht des Schaltelementes Fig.4: einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung, in das auch die Auslöseschicht einen variierenden spezifischen Widerstand aufweist Fig.5: ein Schaltelement mit einem alternativen Auslöseverfahren.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein rundes Schaltelement in Folienbauweise dargestellt, das beim Auslösen ein Signal generiert, das von der Größe der ausgelösten Fläche abhängt.
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Es umfaßt im wesentlichen zwei Trägerfolien 10, die mittels eines Abstandhalters 1 1 in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet sind. Auf einer Trägerfolie ist eine Auslöseschicht 12 aus einem ersten Widerstandsmaterial, z.B. Graphit aufgebracht, während auf der anderen Trägerfolie eine Sensor- schicht 14 aus einem zweiten Widerstandsmaterial, z.B. einer Halbleitertinte, wie sie bei der Herstellung von Foliendrucksensoren verwendet wird, aufgebracht, die der Auslöseschicht 12 gegenübersteht. Die Auslöseschicht 12 und die Sensorschicht 14 weisen jeweils an ihrem Rand einen elektrischen Anschluß 16, 18 auf. Das Widerstandsmaterial der Auslöseschicht 12 und das Widerstandsmaterial der Sensorschicht sind derart aufeinander abgestimmt, daß bei der Kontaktierung der Auslöseschicht 12 und der Sensorschicht 14 der Widerstand der Grenzschicht zwischen der Auslöseschicht 12 und der Sensorschicht 14 im wesentlichen durch die Ausdehnung der Kontaktfläche bestimmt wird. Beim Auslösen des Schaltelementes werden die beiden Trägerfolien 10 gegen ihre jeweilige Rückstellkraft soweit zusammengedrückt, bis die Kontaktierung der Auslöseschicht 12 und der Sensorschicht 14 erfolgt. Die Kontaktierung der beiden Schichten wird dabei zunächst in der Mitte der beiden Schichten erfolgen, wobei sich die Kontaktfläche mit zunehmender Kraft auf das Schalte- lement radial nach außen ausdehnt. Da die lineare Ausdehnung der Kontaktfläche im wesentlichen linear mit der ausgeübten Kraft anwächst, wächst die Größe der Kontaktfläche entsprechend quadratisch mit der Kraft an. Hierdurch ergibt sich bei einem herkömmlichen Schaltelement ein Auslöseverhalten, bei dem der elektrische Widerstand etwa quadratisch mit der Kraft abfällt. Zur Linearisierung dieses Auslöseverhaltens weist das dargestellte Schaltelement Einschließungen 20 eines dritten Widerstandsmaterials auf, wobei das dritte Widerstandsmaterial, z.B. Silber, einen wesentlich geringeren spezifischen Widerstand aufweist als das zweite Widerstandsmaterial. Durch eine geeignete Verteilung der Einschließungen 20 kann der spezifische Widerstand der Sensorschicht 14 derart mit dem Abstand von dem Mittelpunkt des Schaltelements verändert werden, daß das oben beschriebene nicht-lineare Auslö-
7 severhalten ausgeglichen wird. In der dargestellten Ausführung sind die Einschließungen 20 z.B. in Ringen um das Zentrum des Schaltelementes angeordnet, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Ringen nach außen hin zunimmt. Beim Auslösen des Schaltelementes wird eine elektrische Spannung, die an dem Anschluß 16 der Auslöseschicht 12 anliegt, über die Grenzschicht auf die Sensorschicht 14 übertragen. Diese Spannung liegt dann im wesentlichen zwischen, dem Rand der Kontaktfläche und dem Anschluß 18 der Sensorschicht 14 an, das Signal muß folglich in der Sensorschicht 14 die Wider- Standsstrecke zwischen diesen Punkten durchlaufen. Durch Variation des spezifischen Widerstandes der Sensorschicht 14 ist der Widerstand dieser Widerstandsstrecke stark abhängig von der Ausdehnung der Kontaktfläche, so daß das oben angesprochene Auslöseverhalten weitgehend linearisiert werden kann. Es ist hierbei anzumerken, daß alternativ zu einem linearen Auslöseverhalten, bei dem der elektrische Widerstand des Schaltelementes proportional zu der auf das Schaltelement ausgeübten Kraft ist, durch eine geeignete Anordnung der Einschließungen 20 im Prinzip jede beliebige Abhängigkeit ermöglicht wird.
In Fig.2 und Fig.3 sind verschiedene Verteilungen der Einschließungen 20 dargestellt, die ebenfalls zu einer Linearisierung des Auslöseverhaltens des Schaltelementes führen. In Fig.2 sind die Einschließungen 20 im wesentlichen strahlenförmig angeordnet, wobei der radiale Abstand zwischen zwei benachbarten Einschließungen im wesentlichen gleichbleibend ist, während die Einschließungen 20 der Ausgestaltung der Fig.3 auf Spiralbahnen angeordnet sind. Allen Verteilungen gemeinsam ist, daß die Menge des jeweils in einem Kreisring um das Zentrum eingebrachten Materials mit dem Abstand vom Zentrum abnimmt.
Bei der in Fig.4 dargestellten Ausgestaltung des Schaltelementes weist die
Auslöseschicht 12 ähnlich wie die Sensorschicht 14 Einschließungen 20 auf. Dabei sind die Einschließungen 20 in der Auslöseschicht 12 an anderen Stellen bezüglich des Zentrums des Schaltelementes angeordnet als die Einschließun-
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gen in der Sensorschicht 14. Auf diese Weise kann eine noch komplexere Anpassung des Auslöseverhaltens an eine gegebene Aufgabe erfolgen.
In Fig.5 ist eine Verteilung der Einschließungen 20 dargestellt, bei der die Einschließungen gleichmäßig über die Fläche der Sensorschicht 14 verteilt sind. Eine solche Verteilung der Einschließung führt zu einem Auslöseverhalten, das dem konventioneller Schaltelemente sehr ähnlich ist. Allerdings wird durch das Einbringen des niederohmigen Materials in die Sensorschicht der Einfluß von Widerstandsschwankungen in dem hochohmigen zweiten Widerstandsmaterial auf den spezifischen Widerstand der jeweiligen Schicht stark verringert. Hierdurch können Qualitätsunterschiede zwischen verschiedenen Schaltelementen bei der Serienherstellung weitestgehend vermieden werden.