專利名稱：壓敏開關(guān)元件和座位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種箔型開關(guān)元件，其包括第一載體箔和 第二載體箔，二者通過墊片彼此之間間隔開特定的距離設(shè)置。所 述墊片包括至少一個(gè)凹槽，該凹槽限定了所述開關(guān)元件的有源區(qū) 域。至少兩個(gè)電極以下述方式在所述第一和第二載體箔之間設(shè)置 在開關(guān)元件的有源區(qū)域中，即，響應(yīng)于作用在所述開關(guān)元件的有 源區(qū)域上的壓力，第一和第二載體箔克服所述彈性載體箔的反作 用力被推壓在一起，并且在至少兩個(gè)電極之間建立起電接觸。
背景技術(shù)：
這種箔型開關(guān)元件的若干實(shí)施例在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。這 些開關(guān)元件中的一些被構(gòu)造成簡單開關(guān)，其包括例如設(shè)置在第一 載體箔上的第一電極，以及設(shè)置在第二載體箔上、與第一平面電 極呈面對關(guān)系的第二電極。所述電極可以是平面結(jié)構(gòu)，在所述有 源區(qū)域中基本上覆蓋各自載體箔的整個(gè)表面。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它開關(guān)元件構(gòu)造為具有電阻的壓力傳 感器，其電阻是隨所施加的壓力值而變化的。在這種壓力傳感器
的第一實(shí)施例中，第一電極設(shè)置在第一載體箔上而第二電極以與 第一電極呈面對關(guān)系設(shè)置在第二載體箔上。至少其中一個(gè)電極由 一層壓敏材料，例如半導(dǎo)體材料所覆蓋，從而在第一和第二載體 箔響應(yīng)于作用在開關(guān)元件上的力被推壓在一起時(shí)，在第一和第二 電極之間經(jīng)由壓敏材料層建立起電連接。這種類型的壓力傳感器
通常被稱作以所謂的"直通模式"工作。
在所述壓力傳感器的另一實(shí)施例中，第一和第二電極以間隔 開的關(guān)系設(shè)置在第一和第二載體箔之一上，而另一個(gè)載體箔由一 層壓敏材料所覆蓋。所述壓敏材料層以面對第一和第二電極的關(guān) 系設(shè)置，使得在所述第一和第二載體箔響應(yīng)于作用在所述有源區(qū) 域上的力被推壓在一起時(shí)，壓敏材料層旁通第一和第二電極。這 些傳感器被稱作以所謂的"并聯(lián)模式"工作。
上述的開關(guān)元件可以用成本效率高的方式進(jìn)行制造并且在實(shí) 踐中已經(jīng)被證明是非常耐用和可靠的。
這樣一種壓力傳感器的電氣響應(yīng)取決于所述電極的類型、可 能的壓敏材料層的存在、在開關(guān)元件有源區(qū)域中電極的設(shè)計(jì)及它 們的布置方式，并且最終取決于物理接觸，這種接觸對應(yīng)作用在 所述有源區(qū)域上的力在所述電極之間建立起來。在某一力作用在 所述有源區(qū)域的情況下，所述電極之間的物理接觸是由所述開關(guān) 元件的機(jī)械響應(yīng)而決定的。這種機(jī)械響應(yīng)取決于所述載體箔的彈 性特性，有源區(qū)域的橫向尺寸以及兩個(gè)相對載體箔之間的距離。
對于給定尺寸和結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件，這兩種類型的壓力傳感器 的機(jī)械響應(yīng)可以通過調(diào)節(jié)載體箔的機(jī)械特性來適應(yīng)。便宜的箔型
開關(guān)元件的載體箔通常包括塑料片材料，例如PET或PEN，為了 增強(qiáng)印刷電極上的附著力，如果需要的話，這些材料要經(jīng)過表面 處理。然而這些材料的彈性特性并不總是滿足關(guān)于所述開關(guān)元件 的機(jī)械響應(yīng)的要求。例如，彈性模量與PET或PEN溫度的關(guān)系曲 線圖在各自閾值溫度處呈現(xiàn)出顯著的階躍，這給出一個(gè)對于開關(guān) 元件不適宜的性質(zhì)。
用于載體箔的另一種材料是聚酰亞胺PI。 PI的彈性模量表明
在很大的溫度范圍內(nèi)例如-5(TC +20(rC僅有很小的變化。PI的這 種機(jī)械性能很適合壓力傳感器的應(yīng)用，然而與PET或PEN相比 PI是很貴的。
因此需要具有增強(qiáng)的載體箔的壓力傳感器。為了給這一問題 提供解決辦法，文獻(xiàn)WO-A-2004/053908公開了一種箔型開關(guān)元 件，其中至少一個(gè)載體箔包括具有至少兩層不同材料的多層結(jié)構(gòu)。
通過利用適合的材料和不同層的厚度具有適當(dāng)?shù)某叽纾@些多層 載體箔的機(jī)械特性是可以精確的調(diào)到適合于大范圍的特殊需求的 應(yīng)用。然而，由于嚴(yán)格的產(chǎn)品公差，這些多層載體箔是難于制造 的且因此成本相當(dāng)高。
本發(fā)明還涉及傳感器墊，其包括許多這種箔型開關(guān)元件。這 種傳感器墊例如用于機(jī)動車輛座位的乘客存在檢測，兒童座位檢 測，和/或乘客分類傳感器。通過報(bào)警信號，氣囊膨脹或不膨脹， 或確定氣囊展開的速度，由這種感應(yīng)墊或座位傳感器工作時(shí)提供 的信息用于提高駕駛者或乘客的安全。
該座位傳感器可以和其他傳感器共同使用，例如用來測量座 位上人的位置的座位安全帶提示或視覺或紅外線系統(tǒng)。有關(guān)氣囊 系統(tǒng)作用的應(yīng)用對于乘客的安全來說是至關(guān)重要的，因此需要性 能和可靠性的最高汽車標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，與座位一體的傳感器墊 必須允許最適宜的空氣通氣，并且必須是薄的和柔軟的，從而它 存在于車輛座位中不會負(fù)面影響到座位的舒適性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)過改善的箔型開關(guān)元件。 為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提出了一種箔型開關(guān)元件，其包
括具有第一厚度的第一彈性載體箔和具有第二厚度的第二彈性載
體箔，二者通過墊片彼此之間間隔開特定的距離設(shè)置。所述墊片 包括至少一個(gè)凹槽，該凹槽限定了所述開關(guān)元件的有源區(qū)域(有 效區(qū)域)。至少兩個(gè)電極以下述方式在所述第一和第二載體箔之間 設(shè)置在開關(guān)元件的有源區(qū)域中，§卩，響應(yīng)于作用在所述開關(guān)元件 的有源區(qū)域上的壓力，第一和第二載體箔克服所述彈性載體箔的 反作用力被推壓在一起，并且在至少兩個(gè)電極之間建立起電接觸。 根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)元件這樣設(shè)置即，所述第一和第二載體箔中的 至少一個(gè)的最大撓曲變形等于或大于所述第一和第二載體箔之間
所述距離的4/5，和/或所述第一和第二載體箔中的至少一個(gè)的最大 撓曲變形等于或大于所述載體箔的所述厚度的4/5。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述箔型開關(guān)元件包括至少一層 壓敏材料，它是這樣設(shè)置的，即經(jīng)由所述壓敏材料在所述電極間 建立起電接觸。
除了單獨(dú)的開關(guān)元件，更進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出了一種座 位傳感器，其包括許多如上所述的箔型開關(guān)傳感器。
應(yīng)該指出，依據(jù)本發(fā)明的開關(guān)元件優(yōu)選構(gòu)造為具有電阻的壓 力傳感器或壓力變換器，其電阻是隨所施加的壓力值而變化的。 在這樣一個(gè)實(shí)施例中，所述開關(guān)元件包括一層壓敏材料，它和電 極一起以下述方式在所述第一和第二載體箔之間設(shè)置在開關(guān)元件 的有源區(qū)域中，BP,響應(yīng)于作用在所述開關(guān)元件的有源區(qū)域上的 壓力，第一和第二載體箔克服所述彈性載體箔的反作用力被推壓 在一起，并且經(jīng)由所述壓敏材料在至少兩個(gè)電極之間建立起電接 觸。
通過使用優(yōu)選的至少兩種不同類型的通用高分子薄膜的互補(bǔ) 特性，提出的發(fā)明將乘客的舒適與傳感器極高的性能和可靠性結(jié)
合。所述這些開關(guān)元件以及整個(gè)墊子的工作原理和設(shè)計(jì)，特別是 它們的有源區(qū)域，是特別的適合使用這些高分子薄膜。
用于機(jī)動車輛座位的乘客存在檢測、兒童座位檢測或乘客分 類的傳感器墊通常包括一排單獨(dú)的開關(guān)元件，每個(gè)開關(guān)元件具有 有源區(qū)域。如果墊子由三個(gè)層疊的高分子材料片材形成，則其中
里面的一個(gè)片材用作墊片。傳感器墊的典型厚度是小于0.5毫米， 從而將傳感器墊置于乘客座位襯墊下時(shí)乘客感覺不到。 一個(gè)單獨(dú) 的開關(guān)元件包括通過墊片分隔開的兩層彈性膜片，其在開關(guān)元件 的有源區(qū)域包括一個(gè)切口。利用通氣系統(tǒng)可保證元件內(nèi)外的靜壓一致。
如果有壓力作用在開關(guān)元件的有源區(qū)域上，所述的兩個(gè)載體 箔或膜片相互彈性變形，直到在某一壓力上它們彼此接觸。如果 開關(guān)元件包括至少一層壓敏材料，則它是這樣設(shè)置的，即經(jīng)由壓 敏材料在電極之間建立起接觸，電極間的電阻是隨所施加的壓力 值而變化的。從而各個(gè)開關(guān)元件的電阻給作用于其有源區(qū)域上的 壓力提供了一個(gè)指示。
在工作過程中，控制單元記錄不同開關(guān)元件的電阻值，并且 相連的邏輯電路能夠判斷出是否有乘客坐在座位上，兒童座位是 否是占用的，或者分類乘客的特征比如身高和體重。在傳感器的 使用期限里每個(gè)元件的電阻 一 壓力曲線圖對于不同的氣候條件 必須是高度可再生的。完全數(shù)字化的電阻 一 壓力曲線圖在一個(gè) 典型的壓力范圍10 500毫巴內(nèi)由電子設(shè)備解讀，因此大大超出 了迄今為止的簡單膜片開關(guān)的功能。
在座位傳感器應(yīng)用的所有技術(shù)現(xiàn)狀中，膜片的最大撓曲變形 是等于或小于它的厚度的3/4并且它是等于或小于膜片間隔的 3/4。例如一種具有PI載體箔的典型傳感器，PI膜片的厚度典型的
是大約125微米，墊片的厚度是大約90微米，PI膜片的形變能力 是大約70微米。
制造乘客分類傳感器的現(xiàn)有技術(shù)使用高性能高分子薄膜，包 括聚酰亞胺(PI)或聚醚酰亞胺(PEI)。至少一層薄膜是由PI或 者PEI制成的。這導(dǎo)致了在傳感器制造中不相稱的高材料成本。 使用這些材料的原因是它們極好的彈性性能_它們的彈性模量 在室溫時(shí)大概是3吉帕 一 其特征是，隨著溫度在溫度間隔-40 "C 12(TC遞增，彈性模量平滑的線性減小。此外這些材料在溫度 范圍達(dá)到200'C不呈現(xiàn)玻璃相變，從而長期的工作在溫度升高的條 件下所不期望的薄膜蠕變是可以完全避免的。這些材料的老化是 小的，從而在多種氣候條件下一直保證不變的機(jī)械性能。大于200 "C的高的軟化溫度允許在傳感器制造過程中相對高的溫度，特別
是在墨水干燥過程。
本發(fā)明提供了用低價(jià)的通用薄膜材料代替高性能高成本的薄 膜而且不降低傳感器的功能性和可靠性。通過有源元件和傳感器 墊的新的設(shè)計(jì)，這是可以實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明在通用高分子薄膜的專有使用中將薄膜材料與互補(bǔ)特 性相結(jié)合。因此至少兩種不同類型的高分子薄膜被優(yōu)選使用。一 種薄膜類型，此后稱為類型I，具有高的機(jī)械強(qiáng)度，高的彈性模 量，和高的化學(xué)防護(hù)能力。類型I薄膜的缺點(diǎn)是低的玻璃相變溫 度，因此不能避免蠕變和彈性模量與溫度之間強(qiáng)的非線性依賴關(guān) 系。另一種薄膜材料，此后稱為類型II，在某種意義上是對類型 I的補(bǔ)充，它的彈性模量與溫度在-4(TC 12(TC具有線性關(guān)系，并 且它的玻璃相變溫度高于150°C。然而，類型II材料呈現(xiàn)大概2 吉帕的低彈性模量，低的機(jī)械強(qiáng)度和低的化學(xué)防護(hù)能力。類型I 的典型材料是(PET)，類型II的典型材料是聚碳酸酯(PC)。
傳感器由三個(gè)彈性高分子薄膜形成，兩層膜片和膜片間的一 個(gè)墊片薄膜。薄膜可能包括相同的或不同的薄膜材料或厚度。有
源元件或傳感器墊的整體厚度各自等于或小于0.6毫米。壓力工作 范圍是10 500毫巴，兩層膜片接觸的最小壓力是10 100毫巴。
由類型i和n薄膜制成的傳感器呈現(xiàn)出相應(yīng)的性能，好像它
是由PI或PEI膜片制成的，然而只有在元件設(shè)計(jì)適合于特殊的工
作原理時(shí)才會這樣。這一工作原理在于，類型I薄膜負(fù)責(zé)多數(shù)的 機(jī)械強(qiáng)度而類型n薄膜負(fù)責(zé)多數(shù)的有源元件的彈性性能。由此得 出結(jié)論類型n薄膜比類型i薄膜薄。主要的原因是類型n薄膜的 低的機(jī)械強(qiáng)度(例如耐折強(qiáng)度)和類型i薄膜的蠕變靈敏度。墊 片可以包括一個(gè)類型i薄膜或是另一種機(jī)械耐用的材料。
元件的結(jié)構(gòu)是這樣的，即類型n膜片的最大撓曲變形(垂直 于箔平面，在傳感器元件的中心)是等于或大于所述膜片之間距 離的4/5 (這一距離基本上對應(yīng)于墊片的厚度)禾n/或類型n膜片的
最大撓曲變形是等于或大于這種膜片的厚度的4/5。


通過結(jié)合附圖對下述若干非限制性實(shí)施例的描述，本發(fā)明會 更加顯而易見，其中
圖1示出了未觸發(fā)的開關(guān)元件膜片的橫截面圖2示出了當(dāng)有壓力作用在有源區(qū)域時(shí)，圖1的開關(guān)元件膜 片的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了沒有壓力作用時(shí)開關(guān)元件有源區(qū)域(有效區(qū)域)
的橫截面示意圖(不是按比例的)。圖2示出了有足夠大壓力作用
能使膜片撓曲到最大幅度時(shí)同一元件的橫截面圖(不是按比例 的)。這一壓力可以是單向的或者同軸向的。
所述開關(guān)元件包括第一膜片A和第二膜片C， 二者是與墊片 膜片B層疊在一起的。圖1和2中、'表示膜片材料'A，的厚 度，'c'表示膜片材料'C，的厚度，'b'表示膜片'A，與'C' 之間的距離。墊片材料由表示。圖2中在壓力作用下膜片的 最大變形度由'd'表示。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會意識到，開關(guān)元件另外還包括至少兩個(gè)電 極，它們以下述方式在所述第一和第二載體箔之間設(shè)置在開關(guān)元 件的有源區(qū)域中，即，響應(yīng)于作用在所述開關(guān)元件的有源區(qū)域上 的壓力，第一和第二載體箔克服所述彈性載體箔的反作用力被推 壓在一起，并且在至少兩個(gè)電極之間建立起電接觸。然而這些電 極沒有在圖1和2中示出。
有兩種可行的結(jié)構(gòu)能夠克服關(guān)于使用通用高分子薄膜所帶來 的材料的限制-
1) 開關(guān)元件是關(guān)于墊片薄膜的中平面對稱的。對于這些對稱 的開關(guān)元件，膜片的厚度和'c'是一樣的。材料'A'和'C' 表示同一種類型II薄膜材料。薄膜'B'是一種類型I薄膜。
2) 開關(guān)元件是關(guān)于墊片薄膜的中平面不對稱的，例如不同的 膜片是由不同的材料制成和/或具有不同的尺寸等。在不對稱的開 關(guān)元件中，材料'A，例如是類型II的，而材料'C，是類型I的。 墊片可能是和膜片'C'同種材料的或者它包括另一個(gè)類型I薄膜 材料。
這兩種結(jié)構(gòu)中膜片在壓力下是撓曲的。然而在不對稱的情況
下類型n膜片比類型i膜片撓曲更大。由于工作原理，曲膜片的 形狀以及局部壓力和張力必須考慮到膜片的平面張力來計(jì)算。將 常用薄板小撓曲變形的撓曲理論用于本發(fā)明，不能正常預(yù)測元件 的工作。結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)保證了類型n膜片的任意撓曲發(fā)生在完全彈 性狀態(tài)。
工作原理保證了類型i和n薄膜進(jìn)行互補(bǔ)，并且考慮到邊界
條件 一 例如傳感器的厚度小于0.6毫米，測量的壓力范圍10 500毫巴，兩層膜片接觸的最小壓力為10 100毫巴，得出如下的
構(gòu)造原則
a) 至少一層膜片在壓力下的最大撓曲變形，如圖2中'd' 所示，等于或大于如<b'所示的膜片之間距離的4/5;或者
b) 至少一層膜片在壓力下的最大撓曲變形，如圖2中'd' 所示，等于或大于如'a'所示的膜片厚度的4/5。
本發(fā)明在高性能壓力傳感器墊中使用低成本的工程通用高分 子薄膜。其得以實(shí)現(xiàn)是通過膜片和墊片材料以及它們各自的厚度 的結(jié)合，從而一種材料機(jī)械性能的個(gè)別缺陷可以通過其他材料來 補(bǔ)償，所述其他材料在那個(gè)特別的性能上必須有較好的表現(xiàn)。元 件是以這樣的方式設(shè)計(jì)的，即涉及的材料在工作中實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，從 而保證了有源元件的高性能。
置于乘客座位襯墊下的墊子的機(jī)械強(qiáng)度，由類型I薄膜提供。 在不對稱結(jié)構(gòu)的情況下類型II膜片是在墊子的頂側(cè)，因此比底側(cè) 的膜片承受的拉伸應(yīng)力小。在對稱結(jié)構(gòu)的情況下類型I墊片薄膜 主要貢獻(xiàn)墊子的強(qiáng)度。
為了確保類型n薄膜的化學(xué)老化不會影響到傳感器的性能， 這些薄膜必須被保護(hù)。這可以通過1.)在薄膜表面上的化學(xué)中性
涂層或2.)通過保護(hù)性覆層，來實(shí)現(xiàn)。這樣的覆層在專利WO 01/86676 Al中有詳細(xì)的描述。這種覆層的特征是具有下述屬性。 它保護(hù)傳感器墊以抵抗化學(xué)老化。特別的是它不滲水。這確保了 覆層內(nèi)部和外部的大氣凈壓是相同的。在有源元件區(qū)域覆層是足 夠薄的并且安裝得很寬松，從而它不會改變有源元件的膜片的彈 性響應(yīng)。有源元件組之間的純機(jī)械連接部只包括覆層薄膜，從而 簡化了許多制造步驟，并且在傳感器墊中產(chǎn)生較低的機(jī)械壓力。 傳感器墊和覆層是被焊接的。覆層用于支撐傳感器墊在座位中的 固定。
權(quán)利要求
1.一種箔型開關(guān)元件，包括具有第一厚度的第一載體箔和具有第二厚度的第二載體箔，所述第一和第二載體箔通過墊片彼此之間間隔開特定的距離設(shè)置，所述墊片包括至少一個(gè)凹槽，該凹槽限定了所述開關(guān)元件的有源區(qū)域，以及至少兩個(gè)電極，其以下述方式在所述第一和第二載體箔之間設(shè)置在開關(guān)元件的有源區(qū)域中，即，響應(yīng)于作用在所述開關(guān)元件的有源區(qū)域上的壓力，第一和第二載體箔克服所述彈性載體箔的反作用力被推壓在一起，并且在至少兩個(gè)電極之間建立起電接觸，其特征在于，所述第一和第二載體箔中的至少一個(gè)的最大撓曲變形等于或大于所述第一和第二載體箔之間所述距離的4/5。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2中的箔型開關(guān)元件，其中所述第一和第二 載體箔中的至少一個(gè)的最大撓曲變形等于或大于所述第一和第二 載體箔之間所述距離的4/5。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的箔型開關(guān)元件，包括至少 一層壓敏材料，它是這樣設(shè)置的，即經(jīng)由所述壓敏材料在所述電 極間建立起電接觸。
6. —種座位傳感器，包括多個(gè)根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的 箔型開關(guān)傳感器。
全文摘要
一種箔型開關(guān)元件包括具有第一厚度(a)的第一彈性載體箔(A)和具有第二厚度(c)的第二彈性載體箔(C)，二者通過墊片(B)彼此之間間隔開特定的距離(b)設(shè)置。所述開關(guān)元件設(shè)置為所述第一和第二載體箔中的至少一個(gè)的最大撓曲變形等于或大于所述第一和第二載體箔之間所述距離(b)的4/5，和/或所述第一和第二載體箔中的至少一個(gè)的最大撓曲變形等于或大于所述載體箔的所述厚度的4/5。
文檔編號H01H3/14GK101107688SQ200680003188
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者T·維特科斯基 申請人:Iee國際電子工程股份公司