WO2000016053A1 - Capteur de force - Google Patents

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WO2000016053A1
WO2000016053A1 PCT/EP1999/006593 EP9906593W WO0016053A1 WO 2000016053 A1 WO2000016053 A1 WO 2000016053A1 EP 9906593 W EP9906593 W EP 9906593W WO 0016053 A1 WO0016053 A1 WO 0016053A1
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pressure
layer
electrodes
force sensor
sensitive
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PCT/EP1999/006593
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Inventor
Bogdan Serban
Aloyse Schoos
Emmanuel Huegens
Original Assignee
I.E.E. International Electronics & Engineering S.A R.L.
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Priority to EP99969142A priority patent/EP1116013B1/fr
Priority to DE69922673T priority patent/DE69922673T2/de
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Priority to US09/801,666 priority patent/US6531951B2/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/02—Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch
    • H01H3/14—Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch adapted for operation by a part of the human body other than the hand, e.g. by foot
    • H01H3/141—Cushion or mat switches
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/205—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using distributed sensing elements

Definitions

  • the present invention relates to a force sensor of the type with variable electrical resistance as a function of the force applied.
  • Force or pressure sensors whose electrical resistance varies according to the force applied are known as FSR (force sensing resistor) and allow the value of the force applied to the active surface of the sensor to be detected directly.
  • FSR force sensing resistor
  • sensors include two flexible support sheets of insulating material, which are arranged face to face at a certain distance by means of an interposed spacer.
  • the spacer includes, for example, a double-sided adhesive strip which is cut so as to at least partially surround the active area of the sensor.
  • one of the support sheets is provided with two electrode structures of conductive material spaced apart from each other, while the other support sheet is provided with a coating of semi-material conductive or resistive, pressure sensitive.
  • the semiconductor or resistive material can either exhibit an internal resistance which decreases when the layer is compressed, or present microsails on the surface, so that the surface resistance between the layer and a conductor decreases when the layer is pressed on the driver.
  • the layer of semiconductor material is not in contact with the two electrodes and the electrical resistance between the two electrodes is therefore very high.
  • pressure is applied to the sensor, the two support sheets are pressed together and the pressure-sensitive layer comes into contact with the two electrodes. A short circuit is produced in this way between the two electrodes, the electrical resistance of which varies inversely with the value of the pressure applied. The more the pressure on the sensor increases, the more the semiconductor layer is compressed resp. the closer she comes into intimate contact with the electrodes and the more the resistance measured between the two electrodes decreases.
  • the resistance measured between the two electrodes therefore consists of the surface resistance between each electrode and the semiconductor layer and the specific resistance of the semiconductor layer between the two points of contact with the electrodes respective.
  • the object of the present invention is to provide a force sensor, which is less sensitive to variations in production.
  • a force sensor comprising a first electrode and a second electrode of conductive material, which are spaced apart on a first insulating support.
  • a contact element of conductive material is placed opposite and at a distance from the two electrodes, said contact element being pressed against said electrodes when a force is exerted on the pressure sensor and at least one of the electrodes. is coated with a layer of pressure-sensitive material.
  • the two electrodes are coated with a layer of pressure-sensitive material, the two pressure-sensitive layers being electrically insulated from one another.
  • the specific resistance of the contact element is much smaller than the surface resistance between the pressure-sensitive layer and the contact element, the total resistance measured between the two electrodes is no longer dominated by the resistance of the contact element. So the variations in resistance of this contact element due to production variations can no longer have such an important influence on the characteristics of the force sensor. Consequently, the production tolerances for such a sensor may be less strict, which means that production may be faster. In addition, the production of sensors that do not comply with the specifications is significantly reduced, which increases the productivity of the production line.
  • Another advantage of the sensor according to the invention lies in better dynamics compared to conventional sensors. Indeed, thanks to the very small resistance of the contact element, the variation of the total resistance between the two electrodes for a certain pressure variation is higher than for a conventional sensor.
  • the use of the pressure-sensitive layer to cover the electrodes protects the surfaces of the latter from contact with air. This eliminates a serious problem with the use of electrodes which oxidize slowly when exposed to air.
  • the layer of pressure-sensitive material may comprise either micro-projections on the surface, so that the surface resistance between the layer and the contact element decreases with the pressure exerted on the junction between the layer and the contact element.
  • contact either a material, the specific resistance of which varies inversely with compression of said material, or a combination of the two. It may for example be a semiconductor polymer or a conductive elastomer.
  • each electrode comprises fingers extending from a main conductive structure, said fingers of the two electrodes being arranged so as to mesh with one another.
  • each electrode comprises a conductor placed substantially at the periphery of an active area of the sensor, and the layer of pressure-sensitive material covering each electrode extends towards the interior of the active area, the two pressure-sensitive layers being separated by a gap which passes substantially through the center of the active surface.
  • a sensor always has a dynamic similar to that of a conventional sensor.
  • short-circuits between the electrodes caused by variations in production are significantly reduced compared to the latter. Only short circuits between the two pressure-sensitive layers can occur. But thanks to the very high specific resistance of these short circuits between the pressure-sensitive layers, being located above the operating threshold of the sensor, these possible short circuits do not disturb the proper functioning of the sensor.
  • the layer of pressure-sensitive material preferably comprises inclusions of conductive material, said inclusions of conductive material being arranged so as to modify the specific resistance of the layer of pressure-sensitive material.
  • each force sensor can therefore be adapted by modifying the geometrical arrangement of its different components.
  • the sensitivity is adaptable in a wide range to all needs and above all it becomes easily reproducible, that is to say it will be very easy to reproduce exactly a desired sensitivity.
  • the sensitivity of the cell becomes largely independent of the thickness of the layer of pressure-sensitive material, which further increases the manufacturing speed of the sensors.
  • the contact element made of conductive material preferably comprises a layer of conductive material, eg graphite, applied to a second flexible support.
  • the second support is then placed at a distance from said first support using a spacer located outside of an active area, so that inside said active area, the layer of conductive material faces to said electrodes.
  • Said spacer advantageously comprises a printable adhesive which is used to bond said first substrate to said second substrate.
  • the adhesive can, for example, be applied by screen printing, like electrodes and layers of pressure-sensitive material, or by spray printing. After printing the adhesive and assembling the two supports, the adhesive is hardened, for example by baking.
  • a printable adhesive allows great freedom of design of the force sensors, in particular during the manufacture of a set of sensors on a substrate, such as occupancy detectors. Indeed, until now, a double-sided adhesive tape has generally been used as a retractor. This adhesive strip was cut before assembly so that it had cutouts in the form of active areas at the places which, after assembly of the sensor, corresponded to the active areas of the latter. In order to provide, in the assembled sensor, ventilation channels, which connect the active areas with the environment and which thus allow pressure equalization between the active areas and the environment, these cutouts must in part be connected by cutouts thin.
  • spacer particles having a diameter corresponding substantially to the desired spacing of the two substrates are preferably placed inside said printable adhesive. These spacer particles can be mixed into the liquid adhesive and applied together with it, or they can be introduced into the adhesive after it has been applied.
  • the force sensor as described above is therefore specially well suited for manufacturing seat occupancy detectors, comprising one or more force sensors. It allows rapid and very productive production of such occupancy detectors while minimizing production losses.
  • the manufacturing process having largely eliminated the constraints for the design of the detectors, this can be easily adapted to minimize, for example, the loss of substrate by cutting.
  • Fig.1 a cross section through a favorable execution of a force sensor
  • Fig.2 a view on the first substrate of two embodiments of a force sensor
  • Fig. 3 a schematic view of a seat occupancy detector
  • Fig. 4 the arrangement of several seat occupancy detectors during their manufacture.
  • the force sensor 10 comprises a first insulating support 12 and a second support 14, eg sheets of PET, PES, PEN, PEI, PI, etc., which are arranged face to face at a certain distance by means of an interposed spacer 16.
  • the retractor may comprise a double-sided adhesive strip which is cut so as to at least partially surround the active area 18 of the sensor 10.
  • the retractor comprises a printable adhesive, eg ⁇ by screen printing or by spraying, which serves to bond the two supports 12 and 14 together and which solidifies before or after the assembly of the support sheets.
  • spacer particles 20 having a diameter substantially equal to the planned spacing of the two supports 12, 14 can be introduced into the adhesive, either before its application or after it.
  • the first support sheet 12 is provided with two electrode structures 22, 24 of conductive material, eg silver, spaced from one another, which are preferably printed by screen printing on the support 12.
  • the second support sheet 14 is provided with a contact element 26 of conductive material. It is for example simply a layer of graphite or metal which is printed, laminated or engraved on the second support 14.
  • the sensitivity of the sensor is based on a surface effect
  • the second case it is based on a volume effect. It may, for example, be a semiconductor polymer or a conductive elastomer.
  • the two electrodes 22 and 24 are coated with a layer 28 resp. 30 of semiconductor material or resistive, pressure sensitive, the two coatings 28 and 30 being electrically isolated from each other.
  • the two support sheets 12 and 14 are pressed together and the conductive element 26 comes into contact with the coatings 28 and 30 of the two electrodes.
  • an electrical contact is formed between the two electrodes, the resistance of which depends either on the surface resistance at the junction between the pressure-sensitive layer and the contact element, or on the specific resistance of the semiconductor or resistive material. layers 28 and 30. In both cases, that is to say for the two types of pressure-sensitive material, the resistance concerned decreases when the applied force increases.
  • each electrode comprises fingers extending from a main conductive structure, said fingers of the two electrodes being arranged so as to mesh with one another.
  • Such a sensor has very good dynamics due to the multiple contact points between the layer of pressure-sensitive material and the fingers of the electrodes.
  • FIG. 2 Another embodiment is shown in FIG. 2.
  • the two sensors shown include electrodes 22 and 24 in the form of simple conductive lines, which are arranged at the periphery of the active area of the sensor. To these conductive lines are connected the conductors necessary to connect the sensor to a control unit or to connect it in series or in parallel with another sensor.
  • these conductors extend on both sides of the sensor because it is a sensor placed in the middle of a tab comprising several sensors connected in parallel, as they are used in detectors seat occupancy.
  • the sensor shown in b it is a sensor which is eg arranged at the end of such a tab.
  • the layers 28 and 30 of pressure-sensitive material covering the electrodes extend towards the interior of the active area to be separated by a gap 36 which passes substantially through the center of the active surface.
  • the distance between the effective contact surfaces can therefore be very small without having to bring the electrodes closer together.
  • the electrodes can therefore have a gap between them, which is clearly greater than that in the version with the fingers. This considerably reduces direct short-circuits between the electrodes due to variations in production, and therefore the production of sensors which do not comply with the specifications.
  • the layer 28, 30 of pressure-sensitive material preferably includes inclusions of conductive material. These are, for example, dots made of silver or another metal, which are printed simultaneously with the conductors of the electrodes. These inclusions 38 of conductive material are arranged so as to modify the specific resistance of the layer 28, 30 of pressure-sensitive material.
  • the metal dots and the electrodes could be etched simultaneously by a chemical attack on a metal layer deposited on the substrate.
  • seat occupancy detectors which comprise several force sensors arranged one next to the other on a sheet.
  • a detector is schematically represented in FIG. 3. It comprises several force sensors 10 arranged in a plane and connected by their support sheets 12 resp. 14. Depending on the occupancy detection mode, the individual sensors can be connected either in parallel or in a matrix by several row and column conductors.
  • the electrodes of the various individual sensors 10 are printed on a first sheet of substrate together with the conductors connecting the sensors to each other and to a connection terminal. denies 40. If necessary, the points 38 are printed simultaneously in silver. Then the pressure sensitive layers are printed on the electrodes in the appropriate places.
  • the graphite conductive elements are printed on a second sheet of substrate and then the printable adhesive which serves as a scaffold.
  • the adhesive does not include spacer particles, these are introduced immediately after the application of the adhesive.
  • the two support sheets are assembled while adjusting their relative position so that the contact elements on the second support exactly face the electrodes and layers of pressure-sensitive material on the first support. Finally the finished detector is cut from the sandwich produced in this way.
  • the silver electrodes and the conductive elements are printed simultaneously on two adjacent zones of the same substrate sheet, thus avoiding an additional printing phase.
  • the pressure-sensitive layer and the adhesive can then be printed on the support sheet, the pressure-sensitive layer being printed at the appropriate places in the electrode area, the adhesive being printed at the suitable places in the area of the conductive elements.
  • the sensor is assembled by folding the two zones one over the other along a line separating the two adjacent zones and the finished detector is cut from this sandwich. It should be noted that the support sheet can be cut along the separation line before folding one zone over the other.
  • the sensor according to the present invention allows easy and fast online control of the print quality of the pressure-sensitive layer.
  • the fact of printing this layer on the conductors of the electrodes makes it possible to create, without additional printing step, test zones on the support sheet, in which a layer having a determined shape and area is printed between two conductive segments. The test is then reduced to a simple measurement of the resistance of this layer between the two conductive segments and, therefore, it is easy to check compliance with the specifications of the pressure-sensitive layer.
  • By creating these test zones at several places on the sheet it is likewise possible to control the uniformity of printing of this layer over the entire surface of the sheet. In this way we can therefore control the quality of the sensors produced before their final assembly.
  • the use of silver dots 10 to adjust the sensitivity of the individual sensors it becomes possible to produce seat occupancy detectors which have zones with different sensitivities without having to use different pressure-sensitive materials.
  • the sensitivity of each force sensor can be adapted by modifying the number and the geometric arrangement of the inclusions 10 in the layer of material sensitive to the respective pressure.
  • the use of an adhesive allows great freedom of design for seat occupancy detectors.
  • the shape of the detector can then be optimized in order to reduce material losses when cutting the detector.
  • One such form of detector is shown in FIG. 3. It makes it possible to manufacture several detectors on a single sheet of substrate, while minimizing the parings by an adapted arrangement of the detectors on the sheet. Such an arrangement, in which the adjacent detectors mesh with each other, is for example shown in FIG. 4.

Abstract

Un capteur de force (10) est présenté comprenant une première électrode (22) et une deuxième électrode (24) en matériau conducteur, qui sont disposées de manière espacée sur un premier support (12) isolant. Conformément à l'invention, un élément de contact (26) en matériau conducteur est placé en face et à distance des deux électrodes (22, 24), ledit élément de contact (26) étant pressé contre lesdites électrodes (22, 24) lorsqu'une force est exercée sur le capteur de pression (10) et au moins une des électrodes (22, 24) est revêtue d'une couche en matériau sensible à la pression (28, 30).

Description

Capteur de force
La présente invention concerne un capteur de force du type à résistance électrique variable en fonction de la force appliquée.
Les capteurs de force ou de pression dont la résistance électrique varie en fonction de la force appliquée sont connus sous le nom de FSR (force sensing resistor) et permettent de détecter directement la valeur de la force appliquée sur la surface active du capteur. De tels capteurs sont p.ex. décrits dans les documents EP-A-0 649 518 et US-A-4,314,227. Ils comprennent deux feuilles support flexibles en matière isolante, qui sont disposées face à face à une certaine distance au moyen d'un écarteur intercalé. L'écarteur comprend p.ex. une bande adhesive double face qui est découpée de manière à entourer au moins en partie la zone active du capteur. A l'intérieur de la zone active, une des feuilles support est munie de deux structures d'électrodes en matériau conducteur espacées l'une de l'autre, tandis que l'autre feuille support est munie d'un revêtement en matériau semi-conducteur ou résistif, sensible à la pression. Le matériau semi-conducteur ou résistif peut soit présenter une résistance interne qui diminue quand la couche est comprimée, soit présenter des microsailiies à la surface, de telle sorte que la résistance de surface entre la couche et un conducteur diminue quand la couche est pressée sur le conducteur. Lorsqu'aucune pression n'agit sur le capteur de pression, la couche en matériau semi-conducteur n'est pas en contact avec les deux électrodes et la résistance électrique entre les deux électrodes est par conséquent très élevée. Si par contre on applique une pression sur le capteur, les deux feuilles support sont pressées ensemble et la couche sensible à la pression se met en contact avec les deux électrodes. On réalise de cette manière un court-circuit entre les deux électrodes, dont la résistance électrique varie inversement avec la valeur de la pression appliquée. Plus la pression sur le capteur augmente, plus la couche semi-conductrice est comprimée resp. plus elle entre en contact intime avec les électrodes et plus la résistance mesurée entre les deux électrodes diminue.
Pour ces capteurs de force, la résistance mesurée entre les deux électrodes se compose donc de la résistance de surface entre chaque électrode et la couche semi-conductrice et de la résistance spécifique de la couche semi-conductrice entre les deux points de contact avec les électrodes respectives. Plus la pression sur le capteur augmente, plus les résistances de surface entre la couche sensible à la pression et les électrodes diminue et plus la résistance spécifique devient prédominante dans la valeur totale de la résistance entre les deux électrodes.
Or, vu que la résistance spécifique du matériau semi-conducteur ou résistif est assez haute, des variations p.ex. de l'épaisseur de la couche influencent fortement la valeur totale de la résistance entre les électrodes. Il s'ensuit que les tolérances de production de ces capteurs sont très sévères, ce qui rend la production lente et coûteuse.
L'objet de la présente invention est de proposer un capteur de force, qui est moins sensible aux variations de production.
Cet objectif est atteint par un capteur de force comprenant une première électrode et une deuxième électrode en matériau conducteur, qui sont dispo- sées de manière espacée sur un premier support isolant. Conformément à l'invention, un élément de contact en matériau conducteur est placé en face et à distance des deux électrodes, ledit élément de contact étant pressé contre lesdites électrodes lorsqu'une force est exercée sur le capteur de pression et au moins une des électrodes est revêtue d'une couche en matériau sensible à la pression. Cependant, dans une exécution préférée, les deux électrodes sont revêtues d'une couche en matériau sensible à la pression, les deux couches sensibles à la pression étant électriquement isolées l'une par rapport à l'autre.
La résistance spécifique de l'élément de contact étant beaucoup plus petite que la résistance de surface entre la couche sensible à la pression et l'élément de contact, la résistance totale mesurée entre les deux électrodes n'est plus dominée par la résistance de l'élément de contact. Donc les variations de la résistance de cet élément de contact dues aux variations de production ne peuvent plus avoir une influence aussi importante sur les caractéristiques du capteur de force. Par conséquent, les tolérances de production pour un tel capteur peuvent être moins strictes, ce qui fait que la production peut être plus rapide. De plus, la production de capteurs non conformes aux spécifications_est nettement réduite, ce qui augmente la productivité de la ligne de production.
Un autre avantage du capteur selon l'invention réside dans une meilleure dynamique par rapport aux capteurs conventionnels. En effet, grâce à la résistance très petite de l'élément de contact, la variation de la résistance totale entre les deux électrodes pour une certaine variation de pression est plus élevée que pour un capteur conventionnel.
En plus des avantages précités, l'utilisation de la couche sensible à la pression pour recouvrir les électrodes protège les surfaces de ces dernières du contact avec l'air. Cela élimine un sérieux problème posé par l'utilisation des électrodes qui s'oxydent lentement lorsqu'elles sont exposées à l'air.
La couche en matériau sensible à la pression peut comprendre soit des microsaillies à la surface, de telle manière que la résistance de surface entre la couche et l'élément de contact diminue avec la pression exercée sur la jonction entre la couche et l'élément de contact, soit un matériau, dont la résistance spécifique varie inversement avec une compression dudit matériau, soit une combinaison des deux. Il peut par exemple s'agir d'un polymère semiconducteur ou d'un élastomère conducteur.
Dans une exécution avantageuse, chaque électrode comprend des doigts s'étendant à partir d'une structure conductrice principale, lesdits doigts des deux électrodes étant disposés de manière à s'engrener les uns dans les autres. Un tel capteur présente une très bonne dynamique due aux multiples points de contact entre la couche en matériau sensible à la pression et les doigts des électrodes.
Dans une exécution alternative du capteur, notamment pour des applications où cette bonne dynamique n'est pas exigée, chaque électrode comprend un conducteur placé substantiellement à la périphérie d'une zone active du capteur, et la couche en matériau sensible à la pression recouvrant chaque électrode s'étend vers l'intérieur de la zone active, les deux couches sensibles à la pression étant séparées par un interstice qui passe sensiblement par le centre de la surface active. Un tel capteur présente toujours une dynamique semblable à celle d'un capteur conventionnel. Par contre, vu à la disposition des électrodes, bien distancées, des courts-circuits entre les électrodes causés par des variations de production sont nettement réduits par rapport à ce dernier. Seuls des courts-circuits entre les deux couches sensibles à la pression peuvent se produire. Mais grâce à la résistance spécifique très élevée de ces courts-circuits entre les couches sensibles à la pression, se situant au dessus du seuil de fonctionnement du capteur, ces éventuels courts-circuits ne perturbent pas le bon fonctionnement du capteur.
Ceci permet donc de minimiser davantage la production de capteurs non conformes aux spécifications et ainsi d'augmenter encore la vitesse de produc- tion.
Afin d'ajuster la dynamique et la sensibilité d'un tel capteur aux besoins spécifiques d'une application, la couche en matériau sensible à la pression comprend de préférence des inclusions de matériau conducteur, lesdites inclusions en matériau conducteur étant disposées de manière à modifier la résistance spécifique de la couche en matériau sensible à la pression. Ceci constitue un avantage très important si on veut fabriquer plusieurs capteurs ayant différentes sensibilités sur un même support, notamment pour la fabrication de détecteurs d'occupation de siège, qui comprennent plusieurs capteurs de force disposés l'un à côté de l'autre sur une feuille. Une telle fabrication devient dès lors possible sans devoir utiliser différents matériaux sensibles à la pression pour les différentes sensibilités. Il suffit de varier le nombre et la disposition des inclusions de manière adéquate pour arriver à la sensibilité désirée.
La sensibilité de chaque capteur de force peut donc être adaptée par une modification de la disposition géométrique de ses différents composants. Ainsi la sensibilité est adaptable dans une large gamme à tous les besoins et surtout elle devient facilement reproductible c'est-à-dire il sera très facile de reproduire exactement une sensibilité désirée. De plus, la sensibilité de la cellule devient largement indépendante de l'épaisseur de la couche en matériau sensible à la pression, ce qui permet d'augmenter davantage la vitesse de fabrication des capteurs. __
L'élément de contact en matériau conducteur comprend de préférence une couche en matériau conducteur, p.ex. en graphite, appliquée sur un deuxième support flexible. Le deuxième support est alors disposé à distance dudit premier support à l'aide d'un écarteur situé à l'extérieur d'une zone active, de sorte qu'à l'intérieur de ladite zone active, la couche en matériau conducteur fasse face auxdites électrodes. Ledit écarteur comprend avantageusement un adhésif imprimable qui sert à coller ledit premier substrat audit deuxième substrat. L'adhésif peut p.ex. être appliqué par sérigraphie tout comme les électrodes et les couches en matériau sensible à la pression, ou par impression par pulvérisation. Après l'impression de l'adhésif et l'assemblage des deux supports, l'adhésif est durci par exemple par cuisson.
L'utilisation d'un adhésif imprimable permet une très grande liberté de design des capteurs de force, notamment lors de la fabrication d'un ensemble de capteurs sur un substrat, comme des détecteurs d'occupation. En effet, jusqu'à présent, on utilisait généralement une bande adhesive double face en tant qu'écarteur. Cette bande adhesive était découpée avant l'assemblage de sorte qu'elle présentait des découpes en forme des zones actives aux endroits qui, après l'assemblage du capteur, correspondaient aux zones actives de celui-ci. Afin de prévoir, dans le capteur assemblé, des canaux de ventilation, qui relient les zones actives avec l'environnement et qui permettent ainsi une égalisation des pressions entre les zones actives et l'environnement, ces découpes doivent en partie être reliées par des découpes minces. De cette pratique résultent évidemment des limitations assez strictes pour le design des détecteurs, car après l'application des découpes de l'écarteur, celui-ci doit former encore une seule pièce afin que l'on puisse le manipuler lors de l'assemblage du détecteur. En plus, sa forme doit être adaptée pour pouvoir facilement enlever une feuille protectrice sur les surfaces adhésives. Toutes ces limitations pour la forme de l'écarteur ne jouent plus lorsque ce dernier est simplement imprimé par une technique adaptée sur un substrat ou sur les substrats avant l'assemblage de ceux-ci.
Afin de garantir un espacement régulier des deux supports sur toute l'extension du capteur, des particules écarteurs ayant un diamètre correspondant substantiellement à l'espacement désiré des deux substrats sont de préférence disposées à l'intérieur dudit adhésif imprimable. Ces particules écarteurs peuvent être mélangées dans l'adhésif liquide et appliquées ensemble avec celui-ci, ou elles peuvent être introduites dans l'adhésif après l'application de celui-ci.
Le capteur de force tel que décrit ci-dessus est donc spécialement bien adapté pour fabriquer des détecteurs d'occupation d'un siège, comprenant un ou plusieurs capteurs de force. Il permet une production rapide et très productive de tels détecteurs d'occupation tout en minimisant les pertes de production. Le procédé de fabrication ayant éliminé en grande partie les contraintes pour le design des détecteurs, celui-ci pourra être facilement adapté pour minimiser p.ex. les pertes de substrat par découpage.
D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation avantageux présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence aux dessins annexés. Celles-ci montrent:
Fig.1 : une coupe transversale à travers une exécution favorable d'un capteur de force, Fig.2: une vue sur le premier substrat de deux modes d'exécution d'un capteur de force,
Fig.3: une vue schématique sur un détecteur d'occupation de siège,
Fig.4: la disposition de plusieurs détecteurs d'occupation de siège lors de leur fabrication.
Une coupe transversale d'une exécution favorable d'un capteur de force selon la présente invention est représentée dans la fig. 1. Le capteur de force 10 comprend un premier support 12 isolant et un deuxième support 14, p.ex. des feuilles en PET, PES, PEN, PEI, PI, etc., qui sont disposées face à face à une certaine distance au moyen d'un écarteur 16 intercalé. L'écarteur peut comprendre une bande adhesive double face qui est découpée de manière à entourer au moins en partie la zone active 18 du capteur 10. Dans une version préférée par contre, l'écarteur comprend un adhésif imprimable p.ex. ^par sérigraphie ou par pulvérisation, qui sert à coller les deux supports 12 et 14 ensemble et qui se solidifie avant ou après l'assemblage des feuilles support. Afin de garantir un espacement régulier des deux supports, des particules écarteurs 20 ayant un diamètre substantiellement égal à l'espacement prévu des deux supports 12, 14 peuvent être introduits dans l'adhésif, soit avant son application, soit après celle-ci.
A l'intérieur de la zone active 18, la première feuille support 12 est munie de deux structures d'électrodes 22, 24 en matériau conducteur, p.ex. de l'argent, espacées l'une de l'autre, qui sont de préférence imprimées par sérigraphie sur le support 12. La deuxième feuille support 14 est munie d'un élément de contact 26 en matériau conducteur. Il s'agit p.ex. simplement d'une couche de graphite ou de métal qui est imprimée, laminée ou gravée sur le deuxième support 14.
Afin de conférer au capteur une résistance qui varie avec la pression exercée sur sa zone active, au moins une des électrodes du capteur est revêtue d'un matériau semi-conducteur ou résistif, sensible à la pression. Ce matériau semiconducteur ou résistif peut soit présenter une résistance interne qui diminue quand la couche est comprimée, soit présenter des microsaillies à la surface, de telle sorte que la résistance de surface entre la couche et un conducteur diminue quand la couche est pressée sur le conducteur. Dans le premier cas la sensibilité du capteur repose sur un effet de surface, dans le deuxième cas, elle repose sur un effet de volume. Il peut s'agir p.ex. d'un polymère semiconducteur ou d'un élastomère conducteur.
Dans l'exécution représentée dans les fig. 1 et 2, les deux électrodes 22 et 24 sont revêtues d'une couche 28 resp. 30 en matériau semi-conducteur ou résistif, sensible à la pression, les deux revêtements 28 et 30 étant électriquement isolés l'un de l'autre.
Lorsqu'une force est exercée sur la zone active 18 du capteur 10, les deux feuilles support 12 et 14 sont pressées ensemble et l'élément conducteur 26 se met en contact avec les revêtements 28 et 30 des deux électrodes. Ainsi-un contact électrique est formé entre les deux électrodes, dont la résistance dépend soit de la résistance de surface à la jonction entre la couche sensible à la pression et l'élément contact, soit de la résistance spécifique du matériau semi-conducteur ou résistif des couches 28 et 30. Dans les deux cas, c'est-à- dire pour les deux types de matériau sensible à la pression, la résistance concernée diminue quand la force appliquée augmente.
Dans un mode d'exécution possible, chaque électrode comprend des doigts s'étendant à partir d'une structure conductrice principale, lesdits doigts des deux électrodes étant disposés de manière à s'engrener les uns dans les autres. Un tel capteur présente une très bonne dynamique due aux multiples points de contact entre la couche en matériau sensible à la pression et les doigts des électrodes.
Un autre mode de réalisation est représenté à la fig. 2. Les deux capteurs représentés comprennent des électrodes 22 et 24 sous forme de lignes conductrices simples, qui sont disposées à la périphérie de la zone active du capteur. A ces lignes conductrices se raccordent les conducteurs nécessaires pour brancher le capteur à une unité de commande ou pour le connecter en série ou en parallèle avec un autre capteur. Pour le capteur représenté sous a), ces conducteurs s'étendent des deux côtés du capteur car il s'agit d'un capteur placé au milieu d'une languette comprenant plusieurs capteurs branchés en parallèle, tels qu'ils sont utilisés dans des détecteurs d'occupation de sièges. Pour le capteur représenté sous b), il s'agit d'un capteur qui est p.ex. disposé à l'extrémité d'une telle languette.
Dans cette exécution, les couches 28 et 30 en matériau sensible à la pression recouvrant les électrodes s'étendent vers l'intérieur de la zone active pour être séparées par un interstice 36 qui passe sensiblement par le centre de la surface active. La distance entre les surfaces de contact efficaces peut donc être très petite sans pour autant devoir rapprocher les électrodes. Les électrodes peuvent donc présenter un écart entre eux, qui est nettement supérieur à celui dans la version avec les doigts. Ceci réduit considérablement les courts- circuits directs entre les électrodes dus aux variations de production, et doncJa production de capteurs non-conformes aux spécifications.
Seuls des courts-circuits entre les deux couches 28 et 30 sensibles à la pression peuvent se produire. Mais grâce à la résistance spécifique très élevée de ces courts-circuits entre les couches sensibles à la pression, se situant au dessus du seuil de fonctionnement du capteur, ces éventuels courts-circuits ne perturbent pas le bon fonctionnement du capteur.
Afin d'ajuster la dynamique et la sensibilité du capteur aux besoins spécifiques d'une application, la couche 28, 30 en matériau sensible à la pression comprend de préférence des inclusions de matériau conducteur. Il s'agit p.ex. de points en argent ou en un autre métal, qui sont imprimés simultanément avec les conducteurs des électrodes. Ces inclusions 38 en matériau conducteur sont disposées de manière à modifier la résistance spécifique de la couche 28, 30 en matériau sensible à la pression. Dans une autre exécution, les points en métal et les électrodes pourraient être gravées simultanément par une attaque chimique d'une couche en métal déposée sur le substrat.
Cette possibilité de varier la sensibilité constitue un avantage très important pour la fabrication de détecteurs d'occupation de siège, qui comprennent plusieurs capteurs de force disposés l'un à côté de l'autre sur une feuille. Un tel détecteur est schématiquement représenté dans la fig. 3. II comprend plusieurs capteurs de force 10 disposés dans un plan et reliés par leurs feuilles support 12 resp. 14. Dépendant du mode de détection de l'occupation, les capteurs 10 individuels peuvent être connectés soit en parallel soit en matrice par plusieurs conducteurs de lignes et de colonnes.
Lors de la fabrication d'un tel détecteur, les électrodes des différents capteurs 10 individuels sont imprimés sur une première feuille de substrat ensemble avec les conducteurs reliant les capteurs entre eux et à une borne de raccor- dément 40. Le cas échéant on imprime simultanément les points 38 en argent. Ensuite les couches sensibles à la pression sont imprimés sur les électrodes aux endroits appropriés.
Pendant ce temps, on imprime les éléments conducteurs en graphite sur une deuxième feuille de substrat et ensuite l'adhésif imprimable qui sert d'écarfëur. Au cas ou l'adhésif ne comprend pas de particules écarteurs, celles-ci sont introduites immédiatement après l'application de l'adhésif.
Ensuite les deux feuilles support sont assemblées tout en ajustant leur position relative de sorte que les éléments de contact sur le deuxième support font exactement face aux électrodes et couches en matériau sensible à la pression sur le premier support. Finalement le détecteur fini est découpé du sandwich produit de cette manière.
Dans un autre procédé de fabrication très avantageux, les électrodes en argent et les éléments conducteurs sont imprimées simultanément sur deux zones adjacentes d'une même feuille substrat, évitant ainsi une phase d'impression supplémentaire. Dans une deuxième phase d'impression, on peut alors imprimer la couche sensible à la pression et l'adhésif sur la feuille support, la couche sensible à la pression étant imprimée aux endroits appropriés dans la zone des électrodes, l'adhésif étant imprimée aux endroits appropriés dans la zone des éléments conducteurs. Finalement le capteur est assemblé en repliant les deux zones l'une sur l'autre le long d'une ligne de séparation des deux zones adjacentes et le détecteur fini est découpé de ce sandwich. Il est à noter que la feuille support peut être découpée le long de la ligne de séparation avant le repliage d'une zone sur l'autre. Le fait d'imprimer toutes les couches du capteur à fabriquer sur une seule feuille de support permet de définir dans les deux zones des points de référence très exacts, qui servent plus tard à ajuster la position des deux feuilles supports, resp. des deux zones de feuille support, l'une par rapport à l'autre. Ceci améliore nettement la précision de l'assemblage des deux zones de feuille support ("matching") et conduit donc à des capteurs ayant des tolérances de production très faibles. La production de capteurs non conformes aux spécifi- cations est par conséquent nettement réduite, ce qui augmente la productivité de la ligne de production.
Il est à noter que pour les deux procédés de fabrication, le capteur selon la présente invention permet un contrôle en ligne ("online") facile et rapide de la qualité d'impression de la couche sensible à la pression. En effet, le -fait d'imprimer cette couche sur les conducteurs des électrodes permet de créer, sans étape d'impression supplémentaire, des zones test sur la feuille support, dans lesquelles une couche ayant une forme et une aire déterminées est imprimée entre deux segments conducteurs. Le test se réduit alors à une simple mesure de la résistance de cette couche entre les deux segments conducteurs et, par conséquent, on peut facilement contrôler la conformité aux spécifications de la couche sensible à la pression. En créant ces zones test à plusieurs endroits de la feuille, on peut de même contrôler l'uniformité d'impression de cette couche sur toute la surface de la feuille. De cette manière on peut donc contrôler la qualité des capteurs produits avant leur assemblage final.
Grâce à l'utilisation des points 10 en argent pour ajuster la sensibilité des capteurs individuels, il devient possible de produire des détecteurs d'occupation de siège qui présentent des zones à sensibilités différentes sans devoir utiliser différents matériaux sensibles à la pression. En effet, la sensibilité de chaque capteur de force peut être adaptée par une modification du nombre et de la disposition géométrique des inclusions 10 dans la couche en matériau sensible à la pression respective.
De plus et comme décrit plus haut, l'utilisation d'un adhésif permet une très grande liberté de design pour les détecteurs d'occupation de siège. La forme du détecteur peut alors être optimisée afin de réduire les pertes de matériel lors du découpage du détecteur. Une telle forme de détecteur est représentée sur la fig. 3. Elle permet de fabriquer plusieurs détecteurs sur une seule feuille de substrat, tout en minimisant les rognures par une disposition adaptée des détecteurs sur la feuille. Une telle disposition, dans laquelle les détecteurs adjacents s'engrènent mutuellement, est p.ex. représentée sur la fig. 4.

Claims

Revendications
1. Capteur de force (10) comprenant une première électrode (22) et une deuxième électrode (24) en matériau conducteur, les deux électrodes (22, 24) étant disposées de manière espacées sur un premier support (12) isolant, caractérisé en ce qu'au moins une des électrodes (22, 24) est revêtue d'une couche en matériau sensible à la pression (28, 30) et en ce qu'un élément de contact (26) en matériau conducteur est placé à distance des deux électrodes (22, 24), ledit élément de contact (26) étant pressé contre lesdites électrodes (22, 24) lorsqu'une force est exercée sur le capteur de force (10).
2. Capteur de force (10) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux électrodes (22, 24) sont revêtues d'une couche en matériau sensible à la pression (28, 30), les deux couches en matériau sensible à la pression (28, 30) étant électriquement isolées l'une par rapport à l'autre.
3. Capteur de force selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche sensible à la pression (28, 30) comprend des microsaillies à la surface, de telle manière que la résistance de surface entre la couche (28, 30) et l'élément de contact (26) diminue avec la pression exercée sur la jonction entre la couche (28, 30) et l'élément de contact (26).
4. Capteur de force (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche sensible à la pression (28, 30) comprend un matériau, dont la résistance spécifique varie inversement avec une compression dudit matériau.
5. Capteur de force (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque électrode (22, 24) comprend des doigts s'étendant à partir d'une structure conductrice principale, lesdits doigts des deux électrodes (22, 24) étant disposés de manière à s'engrener les uns dans les autres.
6. Capteur de force (10) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque électrode (22, 24) comprend un conducteur placé substantiellement à la périphérie d'une zone active (18) du capteur (10), et en ce que la couche en matériau sensible à la pression (28, 30) recouvrant cha- que électrode (22, 24) s'étend vers l'intérieur de la zone active, les deux couches sensibles à la pression (28, 30) étant séparées par un interstice (36) qui passe sensiblement par le centre de la surface active (18).
7. Capteur de force (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche en matériau sensible à la pression (28, 30) comprend des inclu- sions (38) de matériau conducteur, lesdites inclusions (38) en matériau conducteur étant disposées de manière à modifier la résistance spécifique de la couche en matériau sensible à la pression (28, 30).
8. Capteur de force (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de contact (26) en matériau conducteur comprend une couche en matériau conducteur appliquée sur un deuxième support
(14) flexible, ledit deuxième support (14) étant disposé à distance dudit premier support (12) à l'aide d'un écarteur (16) situé à l'extérieur d'une zone active (18), de sorte qu'à l'intérieur de ladite zone active (18), la couche en matériau conducteur fasse face auxdites électrodes (22, 24).
9. Capteur de force (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit écarteur (16) comprend un adhésif imprimable, ledit adhésif servant à coller ledit premier substrat (12) audit deuxième substrat (14).
10. Capteur de force (10) selon la revendication 9, caractérisé par des particules écarteurs (20) disposées à l'intérieur dudit adhésif imprimable, lesdites particules (20) ayant un diamètre correspondant substantiellement à l'espacement désiré des deux substrats.
11. Détecteur d'occupation d'un siège, comprenant un ou plusieurs capteurs de force selon l'une des revendications 1 à 10.
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