專利名稱：壓力感知型無觸點(diǎn)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子元件類，特別是由壓電、或壓阻、或壓電壓阻復(fù)合傳感材料結(jié)合封裝的感知型開關(guān)。
背景技術(shù)：
隨模擬、數(shù)字電子技術(shù)及材料技術(shù)的發(fā)展，大量的新型壓力敏感材料不斷面世，被用來制備傳感器。但一直沒有一種低成本封裝的、能對操作狀態(tài)采樣的壓力感知型開關(guān)，限制了力敏感型傳感器的使用。在中國專利文獻(xiàn)中，專利申請?zhí)?00320123875公開了一種壓電開關(guān)，此技術(shù)應(yīng)用的原理是，在壓電薄膜兩端施加有電壓，當(dāng)受壓后壓電薄膜被擊穿，產(chǎn)生電離導(dǎo)通的效應(yīng)。但該專利申請仍然只是作為不導(dǎo)體轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體的普通開關(guān)，并不對操狀態(tài)進(jìn)行采樣，無法獲得多模式輸入效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種壓力感知型無觸點(diǎn)開關(guān)，其結(jié)構(gòu)簡單，可在實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作的同時(shí)，對豐富的操狀態(tài)予以采樣，經(jīng)后端電路、軟件進(jìn)行分析后，獲得多模式輸入的效果。
解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采用的方案是在壓電、或壓阻、或壓電壓阻復(fù)合材料的受力面兩側(cè)分別連接有電極作為輸入輸出端，除受力面外，整個(gè)器件或部分器件鑲嵌在具有一定柔性的基板上，頂部的電極表面覆蓋一層絕緣保護(hù)膜，各電極連接至調(diào)理采樣電路。
本發(fā)明所述的壓力感知型無觸點(diǎn)開關(guān)工作時(shí)，操作控制壓力引發(fā)壓電或壓阻傳感器力——電轉(zhuǎn)換，通過判斷輸出端電流或電壓的變化可以知道是否被觸發(fā)，斷開和觸發(fā)的壓力值。傳感材料和電極的結(jié)合整體鑲嵌于絕緣柔性材質(zhì)的基板，可屏蔽除控制力方向之外的震動或其他力的影響，保證本開關(guān)的工作可靠。控制力的大小與電極兩端電壓的大小關(guān)聯(lián)，通過后端調(diào)理采樣電路對感應(yīng)到的電壓調(diào)理，并采樣分析，可以通過電壓的大小和變化的方式，得到控制力的大小、控制施加的方式和開關(guān)觸發(fā)的判斷。


圖1為本發(fā)明單片壓電式開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明單片壓阻式開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明對狀壓電式開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明對狀壓電壓阻式開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明有位置編碼功能的開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明帶有碗形傳感器件的開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各標(biāo)號依次表示壓電材料1、電極2、基板3、絕緣保護(hù)膜4、調(diào)理采樣電路5、壓阻材料6、絕緣體7。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1參見圖1所示的單片壓電式開關(guān)示意圖，壓電材料1的受力面兩側(cè)分別連接有電極2，壓電材料1與電極2組合成的整體鑲嵌于絕緣柔彈材質(zhì)的基板3中，頂部的電極2上表面覆蓋一層絕緣保護(hù)膜4，電極2連接至調(diào)理采樣電路5中。壓電材料1是具有力——電轉(zhuǎn)換特征的材料，如壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料等，壓電材料的極化方向與控制力方向一致；電極的引線與電極2接觸，可以是印刷導(dǎo)電油墨的膜、金屬片、或者復(fù)合型導(dǎo)電材料，也可以與電極一體成型；基板3應(yīng)具有良好的絕緣性能，同時(shí)還要有良好的抗震緩沖性能，可采用聚氨酯板、橡膠板等。當(dāng)控制的動作發(fā)生時(shí)，壓電材料被擠壓，釋放靜電荷，在輸出端產(chǎn)生正電壓，當(dāng)控制動作結(jié)束時(shí)，壓電材料釋放，在正極端產(chǎn)生負(fù)電壓。控制力的大小與電壓的大小成正比，通過后端電路調(diào)理，并采樣分析，可以對控制力的大小、控制施加的方式和開關(guān)觸發(fā)進(jìn)行判斷。壓電材料要有高的機(jī)電耦合系數(shù)，才有高的靈敏度。柔性絕緣緩沖材料的基板3不能太軟，要保證一定的強(qiáng)度和韌性，可以采用聚氨酯板、橡膠板等。傳感器件的封裝形式為，在基板3上預(yù)留電極2引線溝槽，埋入或印刷電極引線，印刷有電極引線的絕緣保護(hù)膜4熱壓或粘貼在基板3上，將嵌入基板3的傳感器件封裝起來。電路為無源電路，不需要加載電流。絕緣保護(hù)膜4可采用帶印刷屏蔽網(wǎng)的單層或夾層膜片，保證壓電信號受較小干擾。
實(shí)施例2參見圖2所示的單片壓阻式開關(guān)示意圖，其結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，壓阻材料6采用具有力——電阻變化特征的材料，如應(yīng)變片、壓阻半導(dǎo)體、壓阻復(fù)合材料等。壓阻材料可以是單片，也可以是多片組合成橋式電路，如應(yīng)變片，封裝后以單片理解。當(dāng)控制的動作發(fā)生時(shí)，壓阻材料6被擠壓，其輸出端電阻發(fā)生變化，當(dāng)控制動作結(jié)束時(shí)，壓阻材料還原，電阻恢復(fù)到標(biāo)定值。通過后端調(diào)理采樣電路5的調(diào)理，統(tǒng)一采樣方式，如電壓、電流并采樣分析，可以通過電壓或電流的大小和變化的方式，得到控制力的大小、控制施加的方式和開關(guān)觸發(fā)的判斷。壓阻類材料一般對高頻響應(yīng)比較差，有一定的遲滯，不能用于快速開關(guān)的判斷。壓阻材料可以根據(jù)應(yīng)用目的制作成不同的形狀，如拱形、碗形，也可脫離于柔性基板外，只要保證唯一受力面來自操作控制方向?；趬鹤璨牧系奶匦?，絕緣保護(hù)膜可以不加屏蔽層。
實(shí)施例3參見圖3所示的對狀壓電式開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，壓電材料1為層疊的對狀組合結(jié)構(gòu)，即多組壓電材料1與電極2層疊組合，再鑲嵌于絕緣柔彈材質(zhì)的基板3中，可以共用或不共用電極的負(fù)極。當(dāng)控制的動作發(fā)生時(shí)，兩組壓電材料1的正極釋放靜電荷，在輸出端產(chǎn)生正電壓，當(dāng)控制動作結(jié)束時(shí)，壓電材料1釋放，在正極端產(chǎn)生負(fù)電壓?？刂屏Φ拇笮∨c電壓的大小成正比，通過后端電路調(diào)理，并采樣分析，可以通過電壓的大小和變化的方式，得到控制力的大小、控制施加的方式和開關(guān)觸發(fā)的判斷。對狀組合結(jié)構(gòu)的主要目的是構(gòu)建陣列傳感開關(guān)組，可以通過矩陣掃描的方法降低傳感開關(guān)組的端線引腳，提高傳感器的靈敏度和可靠性。
實(shí)施例4參見圖4所示的對狀壓電壓阻式開關(guān)示意圖，基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例3，壓電材料1和壓阻材料6的電極2間有一層絕緣體7。當(dāng)控制的動作發(fā)生時(shí)，頂層和底層的壓電材料1產(chǎn)生電荷變化，中間的壓阻材料6產(chǎn)生電阻變化，判斷輸出端可以得到控制力的大小、控制施加的方式和開關(guān)觸發(fā)的判斷，壓電壓阻式結(jié)構(gòu)的主要目的之一同實(shí)施例3，目的之二是同時(shí)采集動態(tài)操作力和靜態(tài)操作力。由壓電材料的原理可知，壓電類材料對于動態(tài)力的響應(yīng)很好，但因?yàn)殡姾尚孤┑脑?，很難采集靜態(tài)力，而壓阻材料正相反，對于靜態(tài)力有很好的響應(yīng)，對動態(tài)、特別是高頻動態(tài)力，因?yàn)椴牧先渥兒推渌颍荒苡泻玫捻憫?yīng)。本發(fā)明將兩種材料組合在一個(gè)開關(guān)位置內(nèi)，很好的解決了以上矛盾。
實(shí)施例5參見圖5，基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，由多組開關(guān)元件組合成開關(guān)陣列，即把所有同位置編號的壓電或壓阻材料片串聯(lián)或并聯(lián)起來。具體的工作方式是，由0-4號共5片壓電片組成元件，壓電片都極化過，有正、負(fù)極，放置方式如圖6-2，組合方式就有2的5次方種狀態(tài)，即32種編碼，設(shè)正電壓為1，負(fù)電壓為O。編碼號如11111，即5個(gè)壓電片都是正極向受力面，其受壓后，所有口線輸出正電壓，其釋放后，所有口線輸出負(fù)電壓，即00000。這兩個(gè)編碼就對應(yīng)A鍵位的觸發(fā)和釋放，所以，可用開關(guān)位置編碼有32/2＝16種。例如，A鍵的壓電片組合為0-4號均為正極向受力面，則A鍵觸發(fā)碼為11111，釋放碼為00000，口線1定義為前向鍵。如果電路接受到受力端面的5條口線都有正電壓，即11111，則確定A鍵觸發(fā)，隨后，口線1有明確正電壓信號，其他線沒有或較小，則判斷A鍵又觸發(fā)一次前向動作，直到電路收到00000信號，則判斷A鍵釋放。同理，可以設(shè)置B鍵為O負(fù)、1正、2正、3負(fù)、4正，這樣B鍵的觸發(fā)碼為01101，釋放碼為10010。
特別說明，①可以用正、負(fù)、沒有壓電片或沒有極化過的壓電片組合成元件，一個(gè)編碼位置就有1、-1、0這3種狀態(tài)，由5個(gè)編碼位置組合的開關(guān)就可提供3的5次方種狀態(tài)，即243種，扣除00000狀態(tài)，有242種，實(shí)際可用編碼有242/2＝121種。但實(shí)際應(yīng)用中，為了保證可靠性，不建議使用有0狀態(tài)的方式；②可以根據(jù)應(yīng)用需要，在不采用0狀態(tài)的情況下，設(shè)計(jì)2-N種編碼位置組合，可提供組合狀態(tài)有2的N次方種，如9個(gè)編碼位置，有2的9次方種狀態(tài)，即512，可用編碼鍵位數(shù)為512/2＝256種，口線數(shù)為9*2＝18條；③在要采集位置和方向動作時(shí)，這種編碼方式不能完全避免鍵位沖突，如A鍵觸發(fā)后，B鍵觸發(fā)，系統(tǒng)將不好準(zhǔn)確判斷是A鍵的方向動作還是B鍵的觸發(fā)動作。設(shè)計(jì)編碼的時(shí)候要盡量避開可能的編碼沖突；④如果只作為位置編碼開關(guān)處理，則可避免鍵位沖突，因?yàn)閴弘娦盘栒加每诰€時(shí)間極短，是ms秒極，觸發(fā)信號通過后口線就處于空閑狀態(tài)；⑤采用的壓電材料要有比較高的敏感性。
⑥觸發(fā)的力傳動部分要根據(jù)應(yīng)用目的，設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)，才能確保功能的實(shí)現(xiàn)。
⑦根據(jù)需要，可以與本專利的其他組合形式再組合，構(gòu)成新的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種壓力感知型無觸點(diǎn)開關(guān)，其特征在于，由壓電、或壓阻、或壓電壓阻復(fù)合材料制作的傳感器件，分別引電極作為輸入輸出端，器件鑲嵌于具有一定柔性的基板上，電極連接至調(diào)理采樣電路。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感開關(guān)，其特征在于，傳感器件是由單片壓電材料制作而成。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感開關(guān)，其特征在于，傳感器件是由單片壓阻材料制作而成。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感開關(guān)，其特征在于，傳感器件是由對狀組合壓電材料制作制作而成。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感開關(guān)，其特征在于，傳感器件是由壓電材料根據(jù)極化方向正反，按陣列式排列組合成的壓電編碼片制作而成。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感開關(guān)，其特征在于，傳感器件是由壓電編碼片和壓阻材料組合制作而成。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感開關(guān)，其特征在于，組成傳感器件的壓電、壓阻材料呈碗形、弓形、帽形或條形。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感開關(guān)，其封裝形式為，在基板上預(yù)留電極引線溝槽，埋入或印刷電極引線，印刷有電極引線的絕緣保護(hù)膜熱壓或粘貼在基板，封裝嵌入基板的傳感器件。
9.如權(quán)利要求9所述的傳感器開關(guān)封裝方式，其特征在于，絕緣保護(hù)膜采用帶印刷屏蔽網(wǎng)的單層或夾層膜片。
全文摘要
壓力感知型無觸點(diǎn)開關(guān)。本發(fā)明屬于電子元件類，特別是由壓電或壓阻傳感材料結(jié)合封裝的感知型開關(guān)。本開關(guān)采用了壓電、或壓阻、或壓電壓阻復(fù)合的傳感材料，在傳感材料的受力面兩側(cè)分別連接有電極作為輸入輸出端，除受力面外，整個(gè)器件或部分器件鑲嵌在具有一定柔性的基板上，頂部的電極表面覆蓋一層絕緣保護(hù)膜，各電極連接至調(diào)理采樣電路。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可在實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作的同時(shí)，對豐富的操作狀態(tài)予以采樣，經(jīng)后端電路、軟件進(jìn)行分析后，獲得多模式輸入的效果。
文檔編號G01L1/16GK1885584SQ200510010870
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者劉騰舟 申請人:昆明凱旋利科技有限公司