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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft einen flexiblen kapazitiven Sensor. Genauer betrifft
die Erfindung einen zur Massenherstellung geeigneten kapazitiven
Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen Anwendungen,
und der inkrementelle Änderungen beim Druck basierend auf
den Änderungen der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
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Hintergrund
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Sensoren,
wie der Begriff hier verwendet wird, beziehen sich auf Systeme,
die auf eine Änderung in der Umgebung reagieren. Drucksensoren
reagieren auf eine aufgebrachte Kraft oder einen Druck unter Nutzung
einer Vielfalt von physikalischen Prinzipien. Optische Sensoren ändern
ihre optischen Eigenschaften unter aufgebrachter Kraft. Ähnlich
weisen elektrische Widerstandssensoren, oder einfach Widerstandssensoren, einen
elektrischen Widerstand auf, der sich unter aufgebrachter Kraft ändert.
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Piezowiderstandssensoren
messen die Änderung des elektrischen Widerstands von einem
Piezowiderstandsmaterial, wenn Druck aufgebracht wird.
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Kapazitive
Sensoren ändern Kapazität. Dies kann als Reaktion
auf eine aufgebrachte Kraft erfolgen; es kann auch als Reaktion
auf die Nähe von einem Objekt mit einer relativ großen
Kapazität erfolgen, wie beispielsweise eine Person. Kapazitive
Sensoren können auch eine Kombination von Widerstandswahrnehmung und
kapazitiver Wahrnehmung bzw. Messung verwenden, bei welcher der
elektrische Widerstand gemessen wird, wenn sich die Kapazität ändert.
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Kapazitive
Sensoren sind bekannt und werden zum Beispiel in Tastbildschirmen
und Aufzugstasten verwendet. Die Änderung der Kapazität
basiert typischerweise auf einem von zwei Prinzipien. Der erste
Ansatz bringt ein Ändern der durch das Wahrnehmungs- bzw.
Sensor-System überwachten Kapazität mit sich,
durch direkten elektrischen Kontakt mit einem großen kapazitiven
Objekt, üblicherweise eine Person durch ihre Finger. In
bestimmten Fällen kann diese Art von Sensor auch funktionieren,
um die Nähe von einem Objekt an dem Tastbildschirm zu erfassen,
wobei kein physikalischer Kontakt mit dem Tastbildschirm erforderlich
ist. Diese Systeme erfordern häufig direkten Kontakt zwischen
der Person und dem Sensor-System und können nicht wirken,
wenn zum Beispiel die Person einen Handschuh trägt. Außerdem
kann eine kapazitive Kopplung nicht gut geeignet sein, um den aufgebrachten
Druck oder die Nähe quantitativ zu messen, wobei sie aber
zu einer binären (ein/aus) Wahrnehmung bzw. Messung imstande
ist.
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Ein
anderer Ansatz verwendet zwei leitfähige Ebenen, die durch
ein kompressibles bzw. zusammendrückbares, elastisches
Dielektrikum getrennt sind. Dieser Verbund bildet einen Kondensator
aus, dessen Kapazität teilweise von dem Abstand zwischen
den leitfähigen Ebenen abhängt. Die Kompression
des Dielektrikums unter Druck ändert die Kapazität
zwischen den Ebenen, was durch das Sensor-System erfasst werden kann.
Durch Kalibrieren der Kompression mit der aufgebrachten Kraft oder
dem Druck, kann dieses System verwendet werden, um die Kraft oder
den Druck der Wechselwirkung bzw. Interaktion mit dem Sensor zu
quantifizieren.
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In
den letzten Jahren gab es ein wachsendes Interesse an so genannten „intelligenten
Tuchwaren (smart fabrics)", die elektronischen Geräten
eine physikalische Flexibilität verleihen. Sie lassen zu,
dass ein elektronisches Gerät in eine bestehende Tuchware
aufgenommen wird, eher als dass sie ein separates elektronisches
Gerät aufweisen. Ein Beispiel von einer intelligenten Tuchware
ist eine Computer-Tastatur, die aufgerollt werden kann, wenn sie
nicht verwendet wird.
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Flexible
Sensoren werden für intelligente Tuchwaren und andere Anwendungen
benötigt, die Flexibilität erfordern. Flexible
optische Drucksensoren wurden zum Beispiel in dem
U.S. Patent 4,703,757 und
U.S. Patent 5,917,180 beschrieben.
Flexible Sensoren, basierend auf einem elektrischen Kontakt von
zwei oder mehr leitenden Ebenen, sind von Eleksen Ltd. aus Iver
Heath, Vereinigtes Königreich, erhältlich. Flexible Drucksensoren,
die Prinzipien des Piezowiderstands nutzen, sind von Softswitch
Ltd. aus Ilkely, Vereinigtes Königreich, erhältlich.
Ein flexibler kapazitiver Sensor, basierend auf der Kapazität
des menschlichen Körpers, ist in dem
U.S. Patent 6,210,771 beschrieben.
Ein flexibler kapazitiver Sensor, der die Änderung im Abstand zwischen
leitfähigen Ebenen nutzt, ist in einer Reihe von U.S. Patenten
an Goldman, et al. beschrieben, einschließlich
U.S. Patent 5,449,002 . Diese
Patente lehren die Verwendung von flexiblen leitfähigen
und dielektrischen Lagen, aber sie lehren kein System, das verwendet
werden kann, um einen Ort bzw. eine Stelle zu bestimmen, noch lehren
sie Systeme mit mehrfachen bzw. mehreren Sensoren (über
den einfachen Fall von Replikationen von einem einzelnen Sensor
hinaus).
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Somit
bleibt ein Bedarf an einem großflächigen flexiblen
kapazitiven Drucksensor mit einer guten Raumauflösung,
der imstande ist, einen aufgebrachten Druck oder eine Kraft zu quantifizieren.
Hier sprechen wir jene Probleme an durch Beschreiben von mehreren
Verfahren zum Aufbauen eines flexiblen kapazitiven Sensor-Systems
mit mehreren Sensoren, welches das Vorhandensein von einer aufgebrachten
Kraft oder einem Druck erfasst und imstande ist, die Größenordnung
und die Stelle der aufgebrachten Kraft oder des Drucks zu bestimmen.
Sämtliche Patentdruckschriften, auf die in dieser Beschreibung
Bezug genommen wird, werden hierdurch spezifisch durch Bezugnahme
in ihrer Gesamtheit aufgenommen, als wenn sie hierin in vollem Umfang
dargelegt wären.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet viele der Mängel
von kapazitiven Tast-Sensoren. Die vorliegende Erfindung stellt
einen preiswerten, leichtgewichtigen, flexiblen, kapazitiven Sensor
und ein effizientes Verfahren zur Herstellung mit geringen Kosten
bereit.
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Gemäß seinen
Hauptaspekten und kurz vorgetragen, ist die vorliegende Erfindung
ein zur Massenherstellung geeigneter kapazitiver Sensor, der beides
ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen Anwendungen,
und der inkrementell Druck basierend auf den Änderungen
der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
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Ein
wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Art wie die
Komponenten, nämlich die Detektor-und-Spurlage, dielektrische
Lage, leitfähige Referenzlage und Penetrations- bzw. Durchdringungsverbinder,
montiert werden können, um den vorliegenden kapazitiven
Sensor bei einem Massenherstellungsprozess auszubilden. Beschichtungs-,
Verleimungs- und Siebdruck-Arbeitsgänge können
einfach automatisiert werden. Derartige Arbeitsgänge können
eine sehr große Anordnung von kapazitiven Sensoren oder
eine große Tuchware herstellen, von welcher einzelne Sensoren
oder Sensor-Anordnungen abgetrennt werden können.
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Ein
anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Kompatibilität
mit der Verwendung von Durchdringungsverbindern zum schnellen und
einfachen Verbinden von Spuren und der Referenzlage mit einem Kapazitätsmesser
(ein elektrisches Messsystem), so dass elektrische Signale von dem
vorliegenden Sensor aufgebracht oder gemessen werden können,
ohne die Notwendigkeit für anwenderspezifische elektrische
Verbindungen.
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Noch
ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung von
Kapazität eher als von Widerstand zum Wahrnehmen eines
Kontakts. Widerstand erfordert typischerweise, dass sich die zwei
leitfähigen Oberflächen berühren; Kapazität
erfordert bei einigen Ausführungsformen nicht nur kein
Berühren, sondern erfordert bei einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung noch nicht einmal einen physikalischen
Kontakt mit dem Sensor, sondern lediglich Nähe von einer
Taste zu dem Finger des Nutzers. Kapazität kann auch verwendet
werden, um den Druck eines Kontakts zu messen und nicht nur die
Tatsache eines Kontakts.
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Diese
und andere Merkmale und ihre Vorteile werden für Fachleute
der Technik von elektrischen Schaltkreisen und kapazitiven Schaltkreisen
durch ein gründliches Lesen der ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, begleitet durch
die folgenden Zeichnungen, offensichtlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen
sind und die einen Teil von ihr bilden, stellen verschiedene beispielhafte
Aufbauten und Verfahrensabläufe gemäß der
vorliegenden Erfindung dar, und dienen zusammen mit der oben erteilten,
allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der unten dargelegten,
ausführlichen Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung
zu erläutern, wobei:
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1 eine
veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor
ist, mit einer elektrisch leitfähigen Referenzlage, einer
flexiblen, elastischen dielektrischen Lage und einer Detektor- und Spurlage,
die alle mit einem Kapazitätsmesser verbunden sind.
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2 ist
eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven
Sensor mit mehr als einer Spur und mehr als einem Detektor.
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3 ist
eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven
Sensor mit einer zusätzlichen dielektrischen Lage und leitfähigen
Referenzlage.
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4 ist
eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven
Sensor mit Löchern in der elektrischen leitfähigen
Referenzlage, welche die Detektoren in der Detektor- und Spurlage überlappen.
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5 ist
ein schematischer Querschnitt von einem kapazitiven Sensor mit zusätzlichen
dielektrischen und leitfähigen Referenzlagen, wie in 3 gezeigt,
außerdem mit optionalen äußeren Lagen.
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6 ist
ein veranschaulichendes Leiterbild, das auf der leitfähigen
Lage verwendet werden könnte, wobei Detektoren, Spuren
und Bezugslagen-Verbindungen gezeigt werden.
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In
dem möglichen Umfang werden gleiche Elemente durch gleiche
Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten bezeichnet.
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Ausführliche Beschreibung der
Erfindung
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1 zeigt
eine Ausführungsform des kapazitiven Drucksensors der Erfindung.
Der flexible kapazitive Sensor 2 weist eine dielektrische
Lage bzw. Dielektrizitätslage 6 auf, mit einer
leitfähigen Referenzlage bzw. Bezugslage 8 auf
einer Seite und einer Detektor- und Spurlage 4 auf der
anderen Seite der dielektrischen Lage bzw. Schicht 6. Die
leitfähige Referenzlage 8 und die Spur(en) bzw.
Trace(s) 12 der Detektor- und Spurlage 4 sind
mit einem Kapazitätsmesser 14 verbunden.
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Der
flexible kapazitive Sensor 2 erfährt eine Änderung
der Kapazität bei der Aufbringung einer Kraft, die ausreichend
ist, um den Sensor zusammenzudrücken. Der Betrag der aufgebrachten
Kraft ist bis zu einem Punkt verknüpft mit dem Umfang der Änderung
der Kapazität. Bei einer wechselnden Ausführungsform
wird der Widerstand auch gemessen, um die Stelle der Nutzerinteraktion
auf dem Sensor zu bestimmen. Ein Kapazitätsmesser 14 überwacht
den vorliegenden flexiblen kapazitiven Sensor, um zu bestimmen ob
es eine Änderung der Kapazität gab und den Umfang
bzw. das Ausmaß derjenigen Änderung.
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Die
dielektrische Lage 6 ist eine flexible, elastische Lage
oder ein Film. „Flexibel", wie auf diese Erfindung bezogen,
ist so definiert, dass es biegsam bzw. nachgiebig bedeutet und imstande
zu sein, durch ihre dünnste Abmessung im Wesentlichen gebogen
zu werden und zu einer flachen Ausgestaltung zurückzukehren.
Vorzugsweise ist jede Lage in dem Sensor flexibel. „Elastisch"
ist so definiert, dass es ein Material bedeutet, das nach jeder
von mehreren Komprimierungen, entweder über einen Abschnitt
des Materials oder seiner Gesamtheit, zu seiner Anfangsdicke im
Wesentlichen zurückkehrt. Dielektrikum bedeutet in dieser
Anmeldung ein Material, das nicht zulässt, dass Strom fließt
und ein elektrisches Feld unterstützt, sogar bei Vorhandensein von
einer Potentialdifferenz. Ein „Film" oder „Schaum"
ist so definiert, dass er ein flexibles Material ist, das im Wesentlichen
zweidimensional in der Ausdehnung ist, das heißt mit einer
Dicke in einer Dimension, die beachtlich kleiner als seine Länge
oder Breite ist. Schäume umfassen Hohlräume bzw.
Fehlstellenräume in einem beachtlichen Anteil von ihrem
Inneren und sind somit üblicherweise höchst kompressibel.
Filme sind so definiert, dass sie wenige oder keine Hohlräume
aufweisen.
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Die
Elastizität der dielektrischen Lage 6 ist wichtig
für eine wiederholte Verwendung und Haltbarkeit, und die
Flexibilität ist wichtig, so dass der Sensor bei Anwendungen
verwendet werden kann, die Flexibilität erfordern, wie
beispielsweise Anpassen bzw. Anordnen um ein geformtes Armaturenbrett
oder an Kleidung als Teil einer intelligenten Tuchware. Vorzugsweise
ist die dielektrische Lage 6 imstande, zu einem Krümmungsradius
gebogen zu werden, der sich zwischen 20 Millimeter (mm) und 5 mm
bewegt, vorzugsweise zu einem Bereich von 10 mm bis 4 mm, und bevorzugter
zu einem Bereich von 5 mm bis 1 mm.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung ist die dielektrische
Lage ein dünner, flexibler, elastischer Film, der eine
Dicke von weniger als 250 Mikrometer aufweist, vorzugsweise zwischen
8 und 250 Mikrometer, und für einige Anwendungen zwischen
8 und 50 Mikrometer. Dieser dünne Film ist im Wesentlichen
frei von Fehlstellen (die mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt
sein können), was bedeutet, dass der Film keinen Schaum
enthält. Der dünne Film kann ein Silikon-Film
sein, wie beispielsweise ein 7 mil (ungefähr 175 Mikrometer)
dicker Duraflex PT9300 Film, der von Deerfield Urethane aus South
Deerfield, Massachusetts, erhältlich ist. Eine Kompressibilität
ermöglicht, dass die Kapazität des Sensors durch
eine aufgebrachte Kraft verändert wird. Der dielektrische
dünne Film wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt,
wenn eine Last zwischen 50 und 150 bar aufgebracht wird. Dieser
Bereich ermöglicht, dass ein akzeptables Signal durch den
Kapazitätsmesser gelesen wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform kann die dielektrische Lage 6 ein
flexibler, elastischer und höchst komprimierbarer Schaum
mit geschlossenen oder offenen Zellen sein. Einige geschäumte
Materialien umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, Polyurethan-Schäume,
Silikon und Gummi. Der dielektrische Schaum wird vorzugsweise um
50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 0,5 und 1,0
bar aufgebracht wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die dielektrische
Lage eine flexible, elastische Distanz- bzw. Abstandshalter-Tuchware. „Abstandshalter-Tuchware",
wie in dieser Anmeldung definiert, ist eine Tuchware, welche obere
und untere Bodenlagen durch einen Spalt getrennt aufweist, der durch
Abstandshalter-Garne oder Fasern gestützt wird. Die Abstandshalter-Tuchware
oder andere Lagen von Tuchware bei dem Aufbau können ein
gewebtes, gewirktes, nichtgewebtes Material sein, Nadelflor-Materialien
oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen ist die
Abstandshalter-Tuchware eine Doppel-Nadelleiste-Wirkware, genadelter
Vliesstoff oder ein hi-loft Vliesstoff, bei dem einige der Fasern
zweckmäßig in der vertikalen Richtung ausgerichtet
sind. Die Textilie kann flach sein oder kann einen Flor bzw. Pol
aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalter-Tuchware
eine Dicke zwischen 1 mm und 10 cm aufweisen, vorzugsweise zwischen
1 mm und 1 cm. Derartige Textilmaterialien können aus Natur-
oder Kunstfasern ausgebildet sein, wie beispielsweise Polyester,
Nylon, Wolle, Baumwolle, Seide, Polypropylen, Kunstseide, Lyocell, Poly(Laktid),
Akryl und dergleichen, einschließlich Textilmaterialien,
die Mischungen und Kombinationen derartiger Natur- und Kunstfasern enthalten.
Die Abstandshalter-Tuchware wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt,
wenn eine Last zwischen 0,07 und 1,4 bar aufgebracht wird, und wird
zwischen 10 und 50% zusammengedrückt, wenn eine 0,14 bar
Last aufgebracht wird. Diese Bereiche ermöglichen, dass
ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen
wird.
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Der
elektrische Widerstand über die dielektrische Lage 6 (von
einer Seite der dielektrischen Lage 6 zu ihrer gegenüberliegenden
Seite) ist vorzugsweise 109 Ohm oder größer.
Je größer die Dielektrizitätskonstante der
dielektrischen Lage ist, desto größer ist die
Kapazität des kapazitiven Drucksensors 2. Dies
kann zulassen, dass der Sensor kleinere Signale unterscheidet, folglich
kleinere aufgebrachte Kräfte, was das System empfindlicher
macht.
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Die
Detektor- und Spurlage 4 weist einen oder mehr Detektoren 10 und
Spuren 12 auf und ist flexibel. Detektoren 10 sind
lokale Bereiche aus leitfähigem Material und Spuren 12 sind
kontinuierliche Linien (welche gerade oder gekrümmt sein
können) aus leitfähigem Material, die von den
Detektoren 10 zu einem Rand 16 der Detektor- und
Spurlage 4 verlaufen. Jeder Detektor 10 ist vorzugsweise
mit einer separaten Spur 12 elektrisch verbunden und von
anderen Detektoren und Spuren elektrisch isoliert. Detektoren 10 können
auch als Tasten bzw. Schaltflächen bezeichnet werden.
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Bei
einigen Ausführungsformen gibt es mehr als einen Detektor 10 und
mehr als eine Spur 12. Vorzugsweise weist jeder Detektor
seine eigene Spur auf, und der Detektor und die Spur sind von anderen
Detektoren und Spuren elektrisch isoliert, wie zum Beispiel in 2 gezeigt.
In 2 ist die Detektor- und Spurlage 4 von
der dielektrischen Lage 6 derart getrennt, dass die Detektor-
und Spurausgestaltung gesehen werden kann. Detektoren 10, 32 und 36 sind
jeweils mit Spuren 12, 34 und 38 verbunden.
Verbindungen zu dem Kapazitätsmesser können durch
einen Durchdringungsverbinder (nicht gezeigt) mit separaten Stiften
für jede Spur vorgenommen werden, und anders als durch
den Kapazitätsmesser sind keine der Detektor-/Spurpaare mit
irgendeinem anderen Detektor-/Spurpaar elektrisch verbunden.
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Vorzugsweise
ist die Leitfähigkeit, die von der Mitte des Detektors 10 zu
dem Punkt gemessen wird, wo die Spur 12 den Rand 16 der
Detektor- und Spurlage 4 erreicht, ein Megaohm oder weniger,
und bevorzugter zwischen 0 und 10.000 Ohm. Es ist jedoch ausreichend,
dass der elektrische Widerstand des Detektors 10 zu dem
Ende der Spur 12 weniger ist als der elektrische Widerstand über
die dielektrische Lage 6.
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Die
Detektor- und Spurlage 4 kann durch Aufbringen von leitfähigen
Beschichtungen auf die dielektrische Lage 6 oder eine separate
Lage ausgebildet werden. Die separate Lage kann eine Tuchware oder
ein Film sein, die/der dann auf die dielektrische Lage 6 durch
Laminieren auf irgendeine Fachleuten bekannte Art aufgebracht wird.
Vorzugsweise wird ein Haftmittel zwischen den Lagen verwendet, einschließlich
reaktiver Urethan-Haftmittel oder niedrigschmelzender Polymermaterialien.
Haftmittel können zum Beispiel durch Rotationstiefdruck,
Aufstreichen mit einem Messer bzw. Spatel, Pulveraufbringung oder
als ein Netz aufgebracht werden, abhängig von der Form
des Haftmittels.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung werden Detektoren 10 und
Spuren 12 direkt auf der dielektrischen Lage 6 oder
auf einem Film oder einer Tuchware, der/die an die dielektrische
Lage 6 angehaftet wird, mit Siebdruck aufgebracht. Die
Druckfarbe kann irgendeine leitfähige Druckfarbe sein,
die typischerweise ausgebildet wird durch Mischen von Harzen oder
Haftmitteln mit pulverisierten leitfähigen Materialien,
wie beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Graphitpulver, Carbon-Black,
Nickel oder anderen Metallen oder Legierungen. Sie können
auch Carbon-basierte Druckfarbe, Silber-basierte Druckfarbe oder
eine Kombination aus Carbon-basierten und Silber-basierten Druckfarben
sein. Die leitfähige Druckfarbe kann auf das Substrat unter Verwendung
irgendeiner von einer Vielfalt von in der Technik bekannten Verfahren
beschichtet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt
auf, Siebdruck, Aufbringen durch eine Bürste, Aufbringen
durch eine Walze, Sprühen, Eintauchen, Maskieren, Vakuum-Plattieren,
Aufdampfen oder irgendeiner Kombination der Vorangehenden.
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Die
elektrisch leitfähige Referenzlage 8 des flexiblen
kapazitiven Sensors 2 kann eine leitfähige Beschichtung
auf der dielektrischen Lage 6 sein, ein inhärent
leitfähiger Film oder eine Tuchware, oder eine elektrisch
leitfähige Beschichtung auf einem Film oder einer Tuchware,
der/die dann an die dielektrische Lage 6 angehaftet wird.
Bei einigen Ausgestaltungen ist die elektrisch leitfähige
Referenzlage vorzugsweise kontinuierlich. Bei anderen kann sie,
falls gewünscht, Öffnungen in der Lage aufweisen.
Vorzugsweise ist die Referenzlage flexibel.
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Bei
einer Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige
Referenzlage 8 eine elektrisch leitfähige Beschichtung
auf der dielektrischen Lage. Dies ermöglicht, dass der
Sensor dünner ist und weniger wiegt, wichtig für
tragbare Anwendungen, und kann auch eine Montage vereinfachen oder
Kosten verringern. Die für den Detektor 10 und
die Spur 12 offenbarten Materialien können auch
für die leitfähige Referenzlage 8 verwendet
werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist die elektrisch
leitfähige Referenzlage 8 ein inhärent
leitfähiger Film oder eine Tuchware. Einige inhärent
leitfähige Filme und Tuchwaren umfassen zum Beispiel metallisierte Tuchwaren,
Carbon-beladene Olefin-Filme, mit leitfähigen Polymeren
beschichtete Tuchwaren, aus flexiblen, leitfähigen Garnen,
wie beispielsweise Garne aus nichtrostendem Stahl und Silber-beschichtete
Garne, aufgebaute Tuchwaren. Bei einer anderen Ausführungsform
kann die elektrisch leitfähige Referenzlage 8 ein
Film oder eine Tuchware mit einer elektrisch leitfähigen
Beschichtung sein. Vorzugsweise wird der Film oder die Tuchware
an die dielektrische Lage 6 vorzugsweise unter Verwendung
eines Thermoplast-, Duroplast-, druckempfindlichen bzw. Haft- oder
UV-aushärtbaren Haftmittels angehaftet.
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Der
elektrische Widerstand der leitfähigen Referenzlage 8 ist
typischerweise weniger als 10.000 Ohm. Wenn der kapazitive Sensor 2 nicht
verwendet wird, um die Position der Nutzerinteraktion zu bestimmen,
dann kann der elektrische Widerstand der leitfähigen Referenzlage
so niedrig wie ausführbar sein.
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Außerdem
kann die elektrisch leitfähige Referenzlage 8 mit
zusätzlichen Detektoren und Spuren (nicht gezeigt) gemustert
sein, die in Lagegenauigkeit mit den Detektoren 10 und
Spuren 12 der Detektor- und Spurlage 4 platziert
sind, eher als eine kontinuierliche Lage zu sein. Dieser Ansatz
führt jedoch eine zusätzliche Herstellungskomplikation
ein, die leitfähige Bezugslage 8 derart zu positionieren,
dass ihre Detektoren 10 und Spuren 12 mit dem
Muster der Detektoren und Spuren in der Detektor- und Spurlage 4 lagegenau
sind.
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Bei
einer Ausführungsform, die in 4 gezeigt
wird, weist die elektrisch leitfähige Referenzlage 194 ein
Loch 192 in der Lage auf, das zumindest teilweise den Detektor 110 in
der Detektor- und Spurlage 104 überlappt. Vorzugsweise überlappt
das Loch 192 vollständig und ist in Ausrichtung
mit dem Detektor 110. Es kann zwei oder mehr Detektoren
und zwei oder mehr Löcher geben, wobei jedes Loch einen
Detektor überlappt.
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Bei
dieser Ausgestaltung nehmen die elektrischen Feldlinien des kapazitiven
Sensors den Raum über dem Detektor 110 und unter
dem Loch 192 ein. Sie werden leicht durch ein äußeres
kapazitives Objekt gestört, wie beispielsweise der Finger
einer Person, welches sich dem Loch 192 annähert
oder in es eintritt. Diese Störung wird die durch den kapazitiven
Sensor wahrgenommene Kapazität ändern, und kann
als ein Ereignis erfasst werden. Die Störung wird verursacht,
selbst wenn das kapazitive Objekt nicht in elektrischen Kontakt
mit dem Detektor 110 gelangt. Die leitfähige Referenzlage 194 der
vorliegenden Erfindung schirmt die Detektor- und Spurlage 104 von
dem äußeren kapazitiven Objekt ab. Ein Loch in
der leitfähigen Referenzlage 194, das den Detektor 110 überlappt,
konzentriert die Feldlinien in dem Bereich über dem Detektor,
was das System empfindlicher für Ereignisse macht, die
an dem Detektor 110 auftreten, und weniger empfänglich
für falsche Andeutungen bzw. Indikationen aufgrund einer
peripheren Annäherung an den Detektor. Außerdem
wird ein kapazitiver Sensor, der keine leitfähige Referenzlage
umfasst, empfänglicher für eine Störung
von äußeren Elektromagnetfeldern, Streukapazität,
statischer Elektrizität und falschen Ereignissen aufgrund
eines Kontakts des äußeren kapazitiven Objekts
mit der Spur sein.
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Die
dielektrische Lage 106 in dem kapazitiven Sensor 190,
der in 4 gezeigt wird, muss nicht zusammendrückend
oder elastisch sein, da eine Änderung der Kapazität
durch die Nähe von einem kapazitiven Körper verursacht
werden kann, wie im Gegensatz zu einer Änderung im Abstand
zwischen dem Detektor 110 und der Referenzlage 194.
Die dielektrische Lage 6 kann irgendein geeignetes dünnes,
flexibles, elektrisches Widerstandsmaterial sein.
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3 zeigt
einen kapazitiven Sensor 62 mit einer zusätzlichen
flexiblen dielektrischen Lage 64 und einer leitfähigen
Referenzlage 66. Die zweite flexible, elastische dielektrische
Lage 64 ist auf der Detektor- und Spurlage 4 auf
der Seite gegenüberliegend der originalen dielektrischen
Lage 6. Es gibt eine zweite elektrisch leitfähige
Referenzlage 66 angrenzend an die zweite dielektrische
Lage 64 auf der Seite gegenüberliegend der Detektor-
und Spurlage 4. Die Materialien, die für die zweite
flexible, elastische, dielektrische Lage und die zweite elektrisch
leitfähige Referenzlage verwendet werden, können
die gleichen Materialien sein und die gleichen physikalischen Eigenschaften
aufweisen wie die dielektrische Lage und die leitfähige
Referenzlage, die zuvor beschrieben wurden.
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Andere
Lagen können auf den Sensor aufgebracht werden, wie beispielsweise
eine Isolierlage, und sind vorzugsweise flexibel. Eine Isolierlage
kann beschichtet, laminiert, genäht oder anderweitig auf
irgendeiner oder beiden der äußeren Oberflächen
des kapazitiven Sensors 2, 30, 62 oder 190 aufgebracht
sein. Diese Lagen können aus irgendwelchen Materialien
und auf irgendeine Art und Weise aufgebaut sein, derart dass die
Gesamtflexibilität des Sensors akzeptabel bleibt. Üblicherweise
werden diese Materialien das dünne Profil beibehalten,
das typisch für die kapazitiven Sensoren der Erfindung
ist. Mögliche Materialien für die äußeren Lagen
umfassen Textilien, Leder oder andere Felle, Filme oder Beschichtungen.
Die Isolierlagen können jede ein Verbund aus mehreren Materialien
und Lagen sein, und die oberen und unteren Isolierlagen müssen
nicht die gleiche Aufmachung aufweisen.
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Dekorative
Graphiken oder Informationen, z. B. Informationen über,
oder Anweisungen für einen Tastsensor oder die Anzeige
oder ein anderes Gerät, mit dem der Tastsensor angewandt
oder verbunden wird, können auf eine äußerste
Isolierlage auf den Sensor gedruckt werden. Typischerweise wird
die obere Oberfläche des Sensors, die Oberfläche,
die dem Nutzer präsentiert wird, Graphiken umfassen, um
die Stelle und die Funktion von jedem der Detektoren anzugeben.
Das Material kann ausgewählt werden, um beides vorzusehen,
dekorative und funktionelle Aspekte. Funktionen der Isolierlage
können visuelle oder taktile Ästhetik, Widerstand
gegen Abrieb oder Einstiche, Fleckenabstoßung, Schutz gegen
Verschüttetes und Flüssigkeiten, Widerstand gegen
ultravioletten Abbau usw. umfassen. Die untere Lage des Sensors
kann mit ähnlichen Materialien hergestellt werden, um Funktionen ähnlich
der oberen Lage zu erfüllen, außer dass dekorative
oder informative Graphiken typischerweise nicht enthalten sind.
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Für
den kapazitiven Sensor 62 ist der Kapazitätsmesser 14 mit
der leitfähigen Referenzlage 8, der zweiten leitfähigen
Referenzlage 66 und jeder Spur 12 verbunden. Die
leitfähige Referenzlage 8 ist bei einer ersten
Spannung, die Spur 12 ist bei einer zweiten Spannung, und
die zweite Referenzlage 66 ist bei einer dritten Spannung,
wo die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest
0,1 Volt aufweisen, und die zweite und die dritte Spannung einen
Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen. Bei einer Ausführungsform
weisen die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest
1,0 Volt auf, und die zweite und die dritte Spannung weisen einen
Unterschied von zumindest 1,0 Volt auf. Vorzugsweise sind die erste
und die dritte Spannung gleich. Bei einer Ausführungsform
bilden die erste und die dritte Spannung die Referenzspannung aus
und werden während des Betriebs des kapazitiven Sensors
konstant gehalten. Bei einer Ausführungsform wird die Referenzspannung
gleich der Erde oder dem Boden der Sensorumgebung gehalten. Dies
wird dazu dienen, den kapazitiven Sensor von äußerer
Störung und elektrischen Entladungen am besten zu isolieren.
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Jede
der ersten leitfähigen Referenzlage 8 und der
zweiten leitfähigen Referenzlage 66 kombiniert sich
mit der Detektor- und Spurlage 4, um zwei separate Kondensatoren
auszubilden. Vorzugsweise sind die erste und die dritte Spannung
an jeder der leitfähigen Referenzlagen gleich, so dass
die zwei separaten Kondensatoren elektrisch parallel sind. Dies
vereinfacht die Anforderungen des Messgeräts 14,
das die zwei separaten Kondensatoren als einen einzelnen Kondensator
mit größerer Kapazität behandeln kann.
Eine größere Kapazität wird auch typischerweise
die Empfindlichkeit des Sensors verbessern, was ein Vorteil des
Aufnehmens von leitfähigen Referenzlagen auf beiden Seiten
der Detektor- und Spurlage 4 ist. Die zweite elektrisch
leitfähige Referenzlage 66 hilft auch den Sensor
vor Störung abzuschirmen, auf die gleiche Art und Weise
wie die erste elektrisch leitfähige Referenzlage 8.
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Wenn
die erste elektrisch leitfähige Referenzlage 8 ein
Loch über jedem der Detektoren in der Detektor- und Spurlage 4 aufweist,
und das Dielektrikum 6 nicht zusammendrückbar
und elastisch ist, dann wird die zweite elektrisch leitfähige
Referenzlage 66 primär wirken, um zu helfen, den
Sensor vor einer Störung abzuschirmen.
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In
dem Fall von einem Sensor, der mit einem zusammendrückbaren
Dielektrikum gebaut ist, variiert die Kapazität des Sensors
umgekehrt mit der Kompression der dielektrischen Lage 6.
Eine auf den Detektor 10 aufgebrachte Kraft wird die dielektrische
Lage 6 zusammendrücken, womit die Kapazität
zwischen der Detektor- und Spurlage 4 und der elektrisch
leitfähigen Referenzlage 8 erhöht wird.
Wenn die Kraft entfernt wird, oder lediglich vermindert wird, vergrößert
sich der Trennungsabstand zwischen der Detektor- und Spurlage 4 und
der leitfähigen Referenzlage 8, und die Kapazität
des kapazitiven Sensors 2 nimmt ab.
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In
dem Fall wo das Dielektrikum nicht zusammendrückbar ist,
sondern es ein Loch in der leitfähigen Referenzlage 4 gibt,
das den Detektor 10 in der Detektor- und Spurlage 4 überlappt,
nimmt die Kapazität mit der Annäherung von einem
kapazitiven Körper zu, wie beispielsweise der Finger von
einer Person. In beiden Fällen kann die Änderung
der Kapazität durch das Messgerät 14 überwacht
werden, das nachfolgend eine gewünschte Reaktion initiieren
kann, wie beispielsweise die Aktivierung von einem elektrischen
Gerät, wie beispielsweise ein Radio.
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Um
die Änderung der Kapazität zu überwachen
wird vorzugsweise eine erste Spannung an die leitfähige
Referenzlage 8 angelegt, und eine zweite Spannung wird
an die Spur 12 angelegt. In dem Fall, dass es mehr als
eine Spur auf der Detektor- und Spurlage 4 gibt, würde
dann jede Spur eine separate Spannung erhalten (Bsp. zweite, dritte,
vierte, fünfte usw. Spannung). In dem Fall wo es mehr als
eine Spur gibt, werden vorzugsweise die Spannungen aufeinanderfolgend
an die Spuren angelegt. Bei einer Ausführungsform werden
die Spannungen aufeinanderfolgend angelegt und sind im Wesentlichen
gleich. Vorzugsweise sind die Spannungen, die an die leitfähige
Referenzlage angelegt werden, zumindest 0,1 Volt unterschiedlich
von den Spannungen, die an die Spur(en) angelegt werden, oder bei
einer anderen Ausführungsform mehr als 1 Volt unterschiedlich.
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An
dem Rand der Detektor- und Spurlage 4 wird ein Durchdringungsverbinder
(nicht gezeigt) verwendet, um einen elektrischen Kontakt mit den
Spuren 12 vorzunehmen. Das Prinzip des Betriebs von Durchdringungsverbindern
ist in der Elektronik bekannt. Wenn eine elektrische Verbindung
mit elektrischen Leitern vorgenommen wird, die mit einer Isolierung
beschichtet sind, werden Durchdringungsverbinder verwendet, um sich
durch die Isolierung zu der Leiterinnenseite zu „beißen".
Durchdringungsverbinder werden Zähne aufweisen, die auf
die Spur 12 und auf die leitfähige Referenzlage 8 aufgebracht
werden, und potentiell auf die leitfähige Referenzlage 66,
wenn eine existiert. Bei einer Ausführungsform erstrecken
sich die Spuren hinter die anderen Lagen, um leichter verbunden
zu werden. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit einer Vielzahl von Detektoren 10 und Spuren 12,
können separate Zähne in dem Verbinder jede der
separaten Spuren berühren, so dass das Messgerät 14 verwendet
werden kann, um Änderungen der Kapazitäten wahrzunehmen,
wenn Druck auf jeden Detektor oder mehrere Detektoren aufgebracht
wird. Die Verwendung eines Durchdringungsverbinders vereinfacht
die Herstellung in einem großen Maßstab.
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Der
Durchdringungsverbinder lässt eine Verbindung des vorliegenden
flexiblen kapazitiven Sensors 2 mit dem Kapazitätsmesser 14 zu,
durch Verbinden des Messgeräts 14 mit der Spur 12 und
des Messgeräts 14 mit der leitfähigen
Referenzlage 8. Der Kapazitätsmesser 14 misst
die Spannung über die dielektrische Lage 6 von
dem Detektor 10 zu der leitfähigen Referenzlage 8,
und vergleicht jene Spannung mit einer Referenzspannung. Wenn sich
die Kapazität über die dielektrische Lage 6 an
dem Detektor 10 ändert, ändert sich auch die
Spannung über den Detektor 10, und ein Spannungsausgangssignal
wird basierend auf dem Unterschied zwischen der Referenzspannung
und der Nennspannung über den Detektor 10 erzeugt.
Wenn die auf den Detektor 10 aufgebrachte Kraft verringert
wird, und sich die dielektrische Lage 6 in ihre Ausgangsdimensionen ausdehnt,
nimmt die Kapazität ab.
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Die
Kapazität der Detektoren bei dieser Anordnung kann durch
eine Vielfalt von elektrischen Verfahren gemessen werden, von denen
zwei hier diskutiert werden. Die elektrischen Messungen machen Gebrauch
von der Tatsache, dass sich der Widerstand der Spuren nicht ändert,
lediglich die Kapazität der einzelnen Detektoren. Somit ändert
sich das messbare RC-Zeitkonstantencharakteristikum von jeder Detektor-
und Spurkombination lediglich aufgrund von Änderungen der
Kapazität des Detektors. Ein Verfahren ist ein Spannungsverschiebungsverfahren;
das andere ist eine Phasenverschiebung beim Frequenzgang.
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Bei
dem ersten Verfahren, welches wir als das Spannungsverschiebungsverfahren
bezeichnen werden, verwenden wir einen Reihenwiderstand, der mit
der Spur verbunden ist. Der Kapazitätsmesser 14 sucht nach
irgendeinem der folgenden: (1) die Zeit, um eine festgelegte Abnahme
der Spannung von der Spur und dem Detektor während einer
Entladung des Detektors 10 zu erhalten; (2) die Abnahme
der Spannung von der Spur und dem Detektor während eines
festgelegten Zeitraums von dem Beginn der Entladung des Detektors 10;
(3) der Zeitraum, um eine festgelegte Zunahme der Spannung von der
Spur und dem Detektor während des Ladens des Detektors 10 zu
erhalten; oder (4) die Zunahme der Spannung von der Spur und dem
Detektor während eines festgelegten Zeitraums von dem Beginn
der Entladung des Detektors 10. Irgendeine dieser vier messbaren
Größen lässt eine Bestimmung der RC-Zeitkonstante
zu, und daher eine Messung von der Änderung der Kapazität
des Detektors.
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Bei
dem Phasenverschiebungsverfahren wird ein Zeitvariierendes Spannungssignal
an die Detektor- und Spurlage 4 angelegt. Ein Widerstand
zur Erde ist mit der leitfähigen Referenzlage 8 verbunden.
Der Widerstand wird verwendet, um die Phasenverschiebung zwischen
dem angelegten Signal und dem nacheilenden Signal durch die Detektor-
und Spurlage 4 zu messen. Da die Nacheilung durch das Vorhandensein
von Kapazität in der Detektor- und Spurlage 4 verursacht
wird, kann eine Änderung der Nacheilung verwendet werden,
um die Änderung der Kapazität zu bestimmen. Die
Amplituden des originalen und nacheilenden Signals können
verglichen werden, um mehr Informationen über den Zustand
des Systems zu liefern. Wie in der Technik bekannt ist, umfassen
gewöhnliche Formen des Spannungssignals Impulse, Sinuswellen
und Rechteckwellen. Vorzugsweise werden alternierende Spannungssignale
eine größere Frequenz als 10 kHz aufweisen.
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Die
digitale Information, die Signalabfallzeit-Zeitkonstante oder die
Phasenverschiebung stellt die kontinuierliche Zeitvariation der
Widerstands-/Kapazitätseigenschaften des Netzwerks dar,
und als solche die Zustände des Detektors 10.
Um ein besseres Signal-Geräusch-Verhältnis zu
erzielen, können Mittelwertbildung und Filtern auf den
kontinuierlichen Datenfluss angewandt werden.
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Das
Zeitkonstantenverfahren und die Phasenverschiebungen sind anfällig
für elektromagnetische Störung sowie Streukapazität.
Somit kann der Geräuschgehalt der Signale die wahren Zustände
verschleiern. Eine Stichprobenprüfung wird in Intervallen
durchgeführt, die durch festlegbare Unterbrechungsbefehle
im Microcontroller definiert sind. Durch Stichprobenprüfung,
die durch das Nyquist-Kriterium diktiert wird, das die Stichprobenprüfungstheorie
und digitale Rekonstruktion von Hochfrequenz-Ereignissen regelt,
können Ereignisse, die bei weniger als der Hälfte
der stichprobenprüfungsfrequenz stattfinden, erfolgreich
erfasst werden. Zu dem Zeitpunkt der individuellen Stichprobenprüfung
werden mehrere Stichproben in der Größenordnung von
wenigen Mikrosekunden jeweils zusammen gemittelt, um den Fehler
zu verringern, der durch den Analog/Digital-Wandler herbeigeführt
wird, sowie kleine elektromagnetische Effekte. Eine Stichprobenprüfung kann
in regelmäßigen Zeitintervallen auftreten, oder
es kann vorteilhaft sein, Stichprobenprüfungen in zufälligen
Intervallen durchzuführen, so dass das Geräuschspektrum
nicht gut mit dem Stichprobenprüfungsintervall korreliert
ist.
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Die
abgetasteten Werte werden dann entweder in FIR-Filter oder IIR-Filter
durchgeleitet. Diese Filter verringern weiter die Effekte von Geräusch
und Störung auf die abgetasteten Werte von Quellen, wie
beispielsweise Starkstromleitungen. Auf diese Art kann eine bessere
Abschätzung der Kapazität des Detektors durch eine
bessere Abschätzung der Phasenverschiebung oder Zeitkonstante
bestimmt werden.
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Eine
Kaskadierung unterschiedlicher Filter lässt unterschiedliche
Interpretationen der Daten zu. Zum Beispiel wird eine Gruppe von
Filtern verwendet, um langfristige Änderungen an dem System
(z. B. gradueller Verlust von Elastizität in der dielektrischen
Lage 6) zu entfernen oder zu ignorieren, womit eine stabile
Grundlinie vorgesehen wird, während andere Filter kurzfristige Änderungen
(z. B. Drücken des Detektors 10) isolieren. Die
Auswahl von unterschiedlichen Filtern ist eine wesentliche Verbesserung
gegenüber einer einfachen Stichprobenprüfung und
einem Vergleich mit einem Schwellenwert.
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Der
kapazitive Sensor 14 erfordert Kalibrierung. Kalibrierung
wird benötigt, weil die Grundlinien-Kapazität
dazu neigt, über die Zeit abzuweichen bzw. abzudriften,
aufgrund von Umweltänderungen, Materialänderungen
und äußeren elektromagnetischen Feldern. Insbesondere
bei dielektrischen Materialien, die aus Schaum hergestellt sind,
ungeachtet der Verwendung von Schäumen mit minimiertem
Kriechen und Hysterese, wird sich die Kapazität trotzdem
mit der Zeit ändern. Ein Sensor, der nachkalibriert werden
kann, wird immer robuster und empfindlicher sein als einer, der
es nicht kann.
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Es
gibt drei Arten den Sensor 14 zu kalibrieren. Die erste
Art ist, Kalibrierungseinstellungen zum Zeitpunkt der Herstellung
zu programmieren. Ein zweites Verfahren ist, den Sensor 14 jedes
Mal zu kalibrieren, wenn das System, von dem er ein Teil ist, sich
selbst initialisiert, das heißt beim Hochfahren. Dieses
Verfahren verringert effektiv Fehler von einigen Variationen bei
großen Zeitmaßstäben. Bei dem dritten
Verfahren wird der Sensor 14 kontinuierlich für
sich ändernde Bedingungen kalibriert, durch Herausfiltern
von elektrischem Fremdgeräusch sowie außer Acht
lassen des versehentlichen Berührens oder anderen Kontakts.
Es gibt kommerziell erhältliche Elektronikmodule, die ausgestaltet
sind, um die Kapazität wahrzunehmen und die eine kontinuierliche
Selbstkalibrierung, Geräuschfilterung und Nachkalibrierung
einschließen.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Ein
Bedienungsfeld wurde durch Zusammenlaminieren mehrerer Lagen hergestellt,
wie in 5 gezeigt. Sämtliche Prozentwerte sind
nach Gewicht, solange nicht anderweitig angegeben.
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Zwei
identische elastische Strukturen wurden hergestellt, die in Reihenfolge
bestehen aus:
- I) einer Schutzlage 104 aus
100 g/m2 CelFil 100 spunbonded
nichtgewebter Polyester-Tuchware von Polymeross y Derivados aus
Mexiko,
- II) einer ersten leitfähigen Lage 101 aus
100 Mikrometer dickem Velostat 1704 leitfähigem Film von
3M Corporation aus St. Paul, Minnesota, und
- III) einer elastischen Trennlage 102 aus 8 mil dickem
Duraflex PT9300 Polyurethan-Film von Deerfield Urethane aus Massachusetts.
Die erste leitfähige Lage 101 wurde als eine Bodenebene
verwendet, um das Gerät vor äußeren Störungen
abzuschirmen.
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Als
nächstes wurde eine zweite leitfähige Lage 108 hergestellt,
beginnend mit der gleichen nichtgewebten Tuchware wie in der Schutzlage 104.
Diese wurde mit einer leitfähigen Paste beschichtet, die
aus einer Mischung aus 60% Hycar 26-1199 Bindemittel von Noveon
aus Gastonic, North Carolina, 10% SFG-15 Graphit von Timcal aus
Bodio, Schweiz, und 30% Wasser besteht. Um die Paste herzustellen,
wurde das Graphit zu dem Wasser zusammen mit ungefähr 10
mL von SL 6227 Dispergiermittel von Milliken Chemical aus Spartanburg,
South Carolina, zugefügt, während gerührt
wurde. Als nächstes wurde das Hycar-Bindemittel zugefügt. Schließlich
wurde Acrysol RM-8W Verdickungsmittel von Rohm and Haas aus Philadelphia,
Pennsylvania, zugefügt, bis die Viskosität 12.000
cP erreicht hat, wie an einem Brookfield-Viskosimeter gemessen.
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Diese
Paste wurde mit Siebdruck auf die nichtgewebte Polyester-Tuchware
aufgebracht, um die in 6 gezeigte gemusterte Struktur
zu erzeugen. Detektorbereiche 120, Spuren 122,
Stiftverbindungen 124 und Referenzlagenverbindungen 126 wurden
gedruckt. Nach dem Drucken wurde die Tuchware in einem Umluftofen
für 15 Minuten getrocknet, um das Wasser wegzutreiben und
die Beschichtung mit der Tuchware zu verbinden bzw. an sie zu binden.
Als nächstes wurde die leitfähige Beschichtung
mit PE-001 Silber-Paste von Acheson Colloids aus Port Huron, Michigan,
aufgebracht und zurück in den Ofen platziert, um zu trocknen.
Die weibliche Hälfte bzw. Buchsenhälfte von einem
Durchdringungsstiftverbinder (nicht gezeigt) wurde derart angebracht,
dass separate Stifte die Spuren von jedem der Detektoren durchstochen.
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Dieser
bedruckte Bogen wurde zwischen den zwei identischen elastischen
Strukturen platziert, derart dass die nichtgewebten Schutzlagen 104 auf
der Außenseite der resultierenden Struktur waren. Separate
isolierte Kupferdrähte wurden an jeden leitfähigen
Film angebracht, um sie mit den Erde-Verbindungen in dem Druck zu
verbinden. Angrenzende Lagen wurden aneinander angehaftet unter
Verwendung eines Super 77 Spray-Haftmittels von der 3M
Corporation aus St. Paul, Minnesota.
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Der
Stiftverbinder wurde an seinem männlichen Gegenstück
bzw. Steckergegenstück angebracht, welches wiederum an
ein abgeschirmtes Koaxialkabel angebracht wurde, derart dass der
Erde-Mantel des Kabels mit den ersten leitfähigen Lagen
verbunden wurde. Der Mittelleiter wurde aufeinanderfolgend mit jeder
der Spuren verbunden. Das andere Ende des Koaxialkabels wurde in
die Kapazitätsmessungsschlitze von einem Triplett 2102
Multimeter eingeführt, welches festgelegt war, um eine
kleine Kapazität zu messen. Die Kapazität zwischen
jeder Spur und den Bezugslagen wurde zweimal gemessen, zuerst in
dem Ruhezustand, und dann während auf den Detektor gedrückt
wurde, um die elastische Trennlage maximal zusammenzudrücken.
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Beispiel 2
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Eine
zweite Struktur wurde hergestellt, identisch zu derjenigen in Beispiel
1 mit Ausnahme, dass das Polymer in der elastischen Trennlage 102 durch
einen 3 mil dicken M823 Silikon-Film von Specialty Silicone Products
aus Ballston Spa, New York, ersetzt wurde.
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Beispiel 3
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Eine
zweite Struktur wurde hergestellt, identisch zu derjenigen in Beispiel
1 mit Ausnahme, dass das Polymer in der elastischen Trennlage 102 durch
einen 44 mil dicken T-1505 HypurCEL Polyurethan-Schaum von Rubberlite
Incorporated aus Huntington, West Virginia, ersetzt wurde.
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Tabelle
A zeigt die gemessenen Kapazitäten von jeder der Proben
in den Beispielen 1 bis 3. Diese Werte sind nach einem Heraussubtrahieren
der 44 pF von Kapazität zwischen den Kabeln, die von den
Bedienungsfeldern zu dem Multimeter führen. Das Muster
der gedruckten Detektor- und Spurelemente wird in
6 gezeigt.
Detektoren
120 wurden mit dem Rand des Geräts
durch die lange Spur
122 und die kurze Spur
121 verbunden.
Auch gedruckt waren die Erde-Verbindungen
126 und die Stiftverbindungen
124. Tabelle A:
| Probe | Lange Spur
(pF) 122 | Kurze Spur
(pF) 121 |
| | Ruhend | Gedrückt | Ruhend | Gedrückt |
| Beispiel
1 | 76 | 84 | 34 | 40 |
| Beispiel
2 | 70 | 83 | 41 | 56 |
| Beispiel
3 | 29 | 39 | 14 | 24 |
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Tabelle
A zeigt, dass ein dünneres Dielektrikum eine größere
Kapazität ergeben wird, aber dass ein dickeres Dielektrikum
eine größere relative Änderung der Kapazität
ergeben kann (relativ zu dem Ruhewert). Was vorzuziehen ist, hängt
ab von der Anwendungsumgebung, gewünschten Empfindlichkeit
und Auflösung der Erfassungselektronik.
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Es
ist beabsichtigt, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung sämtliche
Modifikationen umfasst, die ihre hauptsächlichen Designmerkmale
aufgenommen haben, und dass der Bereich und Beschränkungen
der vorliegenden Erfindung durch den Bereich der angehängten
Ansprüche und ihrer Äquivalente zu bestimmen sind.
Es sollte deshalb verstanden werden, dass die hierin beschriebenen
erfinderischen Konzepte austauschbar sind und/oder sie zusammen
in noch anderen Permutationen der vorliegenden Erfindung genutzt
werden können, und dass andere Modifikationen und Substitutionen
für Fachleute aus der vorangehenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen offensichtlich sein werden, ohne von
dem Denken oder Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft einen flexiblen, elastischen kapazitiven Sensor,
der zur Massenherstellung geeignet ist. Der Sensor umfasst ein Dielektrikum,
eine elektrisch leitfähige Detektor- und Spurlage auf der
ersten Seite der dielektrischen Lage mit einem Detektor und einer
Spur, eine elektrisch leitfähige Referenzlage auf einer
zweiten Seite der dielektrischen Lage, und einen Kapazitätsmesser,
der mit der Spur und mit der leitfähigen Referenzlage elektrisch
verbunden ist, um Änderungen der Kapazität bei
Interaktion mit dem Detektor zu erfassen. Der Sensor ist abgeschirmt,
um die Effekte von äußeren Störungen
zu verringern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4703757 [0008]
- - US 5917180 [0008]
- - US 6210771 [0008]
- - US 5449002 [0008]