RU2251754C2 - Conducting structures - Google Patents
Conducting structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2251754C2 RU2251754C2 RU2002101318/09A RU2002101318A RU2251754C2 RU 2251754 C2 RU2251754 C2 RU 2251754C2 RU 2002101318/09 A RU2002101318/09 A RU 2002101318/09A RU 2002101318 A RU2002101318 A RU 2002101318A RU 2251754 C2 RU2251754 C2 RU 2251754C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- variable resistor
- conductive
- resistor according
- variable
- particles
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к проводящим структурам, используемым в устройствах с переменным электрическим сопротивлением для изменения электрического сопротивления при движении и колебаниях давления. Эти структуры также могут обеспечивать электрическую изоляцию и экранирование и позволяют устанавливать начальное сопротивление. Кроме того, они могут создавать путь утечки для электростатического напряжения, добавлять степень движения и тактильности в работе, а в предпочтительных формах могут реагировать на присутствие химических и биологических веществ или радиоактивных изотопов.The present invention relates to conductive structures used in devices with variable electrical resistance to change the electrical resistance during movement and pressure fluctuations. These structures can also provide electrical insulation and shielding and allow the initial resistance to be set. In addition, they can create a creepage path for electrostatic stress, add a degree of movement and tactility to the work, and in preferred forms they can respond to the presence of chemical and biological substances or radioactive isotopes.
Предшествующий уровень техникиState of the art
В международных заявках: PCT/GB 98/00206 (публикация WO 98/33193) и PCT/GB 99/00205 (публикация WO 98/33193) раскрыты полимерные композиции, которые проявляют свойство электрической изоляции в состоянии покоя и свойство электрической проводимости в состоянии механического напряжения или в электрических полях. При приложении механического или электрического напряжения эти композиции обычно изменяют сопротивление из состояния высокого сопротивления (обычно 1012 Ом·см) в состояние низкого сопротивления (обычно миллиОм·см). Эффективное сопротивление фазы полимерного компонента уменьшается, по всей вероятности, в результате туннелирования электронов и захвата носителя. Находясь в таком состоянии, полимерная композиция может выдерживать токи высокой плотности даже при отсутствии полных металлических токопроводов, т.е. данная композиция находится ниже порога перколяции.In international applications: PCT / GB 98/00206 (publication WO 98/33193) and PCT / GB 99/00205 (publication WO 98/33193) disclosed polymer compositions that exhibit the property of electrical insulation at rest and the property of electrical conductivity in mechanical condition voltage or in electric fields. When a mechanical or electrical voltage is applied, these compositions usually change the resistance from a state of high resistance (usually 10 12 Ohm · cm) to a state of low resistance (usually milliOhm · cm). The effective phase resistance of the polymer component decreases, most likely, as a result of electron tunneling and carrier capture. Being in this state, the polymer composition can withstand high density currents even in the absence of full metal conductors, i.e. this composition is below the percolation threshold.
Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention
Согласно первому аспекту изобретения предложен электрический переменный резистор, содержащий присоединяемые снаружи электроды, соединенные мостом в виде элемента, содержащего полимер и частицы металла, сплава или восстановленного оксида металла, причем упомянутый элемент имеет первый уровень проводимости в состоянии покоя и переходит на второй уровень проводимости при изменении напряжения, прикладываемого посредством растяжения или сжатия, или электрического поля, и содержащий средство для создания напряжения на участке поперечного сечения элемента, пропорционального требуемому уровню проводимости, отличающийся тем, что упомянутое средство содержит прилегающий к поперечному сечению слой, выполненный из изоляционного или слабопроводящего материала, благодаря содержанию углерода или органического проводящего полимера, причем упомянутый слой имеет пустоты, доступные для подвижной текучей среды (подвижная среда фактически может отсутствовать, например, указанный переменный резистор может работать в вакууме).According to a first aspect of the invention, there is provided an electric variable resistor comprising externally connected electrodes connected by a bridge in the form of an element containing a polymer and particles of a metal, alloy or reduced metal oxide, said element having a first conduction level at rest and switches to a second conduction level when changing voltage applied by tension or compression, or an electric field, and containing means for creating voltage across the section cross-section of an element proportional to the required level of conductivity, characterized in that said means comprises a layer adjacent to the cross section made of an insulating or weakly conductive material due to the content of carbon or an organic conductive polymer, said layer having voids accessible to a mobile fluid (mobile the medium may actually be absent, for example, the indicated variable resistor can operate in vacuum).
В данном описании термин "переменный резистор" может включать переключатель, потому что диапазон сопротивления может быть равен сопротивлению открытой цепи, а частицы металла, сплава и восстановленного оксида металла независимо от того, инкапсулированы ли они полимером или нет и напряжены ли они или могут подвергаться напряжению для обеспечения проводимости, будут называться "высокопроводящими".In this description, the term "variable resistor" may include a switch, because the resistance range may be equal to the resistance of the open circuit, and the particles of the metal, alloy and reduced metal oxide, regardless of whether they are encapsulated by a polymer or not and whether they are stressed or can be stressed to ensure conductivity, will be called "highly conductive."
Средство создания напряжения может содержать рабочий орган, имеющий переменную геометрию на месте приложения, например косой башмак или избирательно активизируемая группа штифтов или источники излучения.The voltage generating means may comprise a working element having a variable geometry at the application site, for example, an oblique shoe or a selectively activated group of pins or radiation sources.
В частности, элемент может иметь консистенцию, позволяющую проникать через слой в зависимости от прикладываемого сжимающего усилия. Предпочтительно элемент содержит материал, проводимость которого увеличивается при сжатии. Слой имеет основную структуру, выбранную из группы, состоящей из пенопласта, сетки, марли, мата или ткани, или комбинации двух или более из перечисленных материалов. Основная структура и материал, из которого она выполнена, влияют на физические и механические пределы и работу всего элемента в целом и их можно выбрать по требованию, а также для уменьшения влияния на медленное изменение свойств, характерного для гибких проводящих полимеров.In particular, the element may have a consistency that allows penetration through the layer depending on the applied compressive force. Preferably, the element comprises a material whose conductivity increases upon compression. The layer has a basic structure selected from the group consisting of foam, mesh, gauze, mat or fabric, or a combination of two or more of these materials. The basic structure and the material from which it is made affect the physical and mechanical limits and the operation of the entire element as a whole and can be selected on demand, as well as to reduce the effect on the slow change in properties characteristic of flexible conductive polymers.
Наиболее предпочтительно слои содержат по меньшей мере один из материалов, выбранных из группы, состоящей из полимерного пенопласта с открытыми ячейками, тканого или нетканого текстиля, например фетра, возможно со склеенными волокнами, и трехмерных агрегаций волокна или полосы.Most preferably, the layers comprise at least one of materials selected from the group consisting of open-cell polymeric foam, woven or non-woven textiles, such as felt, possibly bonded fibers, and three-dimensional aggregations of fiber or strip.
Элемент может иметь основную структуру такого же типа, что и слой, но предпочтительно должен быть пригодным для выполнения конкретной функции в переменном резисторе. Например, можно использовать элемент со сплющенной структурой в комбинации с несплющенным слоем, как будет описано ниже. Предпочтительно основная структура элемента содержит пустоты для подвижной текучей среды.The element may have a basic structure of the same type as the layer, but should preferably be suitable for a specific function in a variable resistor. For example, a flattened structure element may be used in combination with a flattened layer, as will be described below. Preferably, the basic structure of the element comprises voids for a movable fluid.
Также предложено в качестве нового изделия пористое тело, имеющее основную структуру из полимера, содержащего пустоты для подвижной текучей среды, и содержащее полимер и частицы металла, сплава или восстановленного оксида металла, причем тело имеет первый уровень электрической проводимости в состоянии покоя и способно переходить на второй уровень проводимости при изменении напряжения, прикладываемого посредством растяжения или сжатия или электрического поля, причем согласно изобретению в качестве базовой структуры использован сплющенный пенопласт или ткань. Такое пористое тело может иметь по меньшей мере один из предпочтительных признаков, изложенных в описании.It is also proposed as a new product a porous body having a basic structure of a polymer containing voids for a mobile fluid, and containing a polymer and particles of a metal, alloy or reduced metal oxide, the body having a first level of electrical conductivity at rest and can switch to a second the level of conductivity when the voltage applied by tension or compression or an electric field changes, moreover, according to the invention, a double enny foam or cloth. Such a porous body may have at least one of the preferred features set forth in the description.
В переменном резисторе средство создания напряжения может использоваться, например, для приложения напряжения, повышающего проводимость, и/или реверсирования такого напряжения или противодействия ранее существующему напряжению.In a variable resistor, voltage generating means can be used, for example, to apply a voltage that increases conductivity and / or reverse such voltage or counteract a pre-existing voltage.
Если средство создания напряжения оказывает действие посредством сжатия или растяжения, то оно может быть механическим, или магнитным, или пьезоэлектрическим, или пневматическим и/или гидравлическим. Такое напряжение может прикладываться непосредственно или дистанционно. В случае сжимающего напряжения оно может вытеснять подвижную текучую среду из пустот элемента и/или слоя. В простом переключателе текучей средой является воздух, и элемент и/или слой сообщается с атмосферой. Независимо от того, присутствует ли подвижная текучая среда или нет, элемент и/или слой может быть достаточно упругим, чтобы полностью восстанавливаться самостоятельно или с помощью упругого рабочего элемента, такого как пружина. Для реверсирования механического напряжения элемент и слой можно расположить в закрытой системе, включающей средство для принудительного ввода подвижной текучей среды в пустоты. Такая система может служить средством обнаружения движения заготовки, действующего на текучую среду снаружи переменного резистора.If the voltage generating means exerts an action by compression or tension, then it can be mechanical, or magnetic, or piezoelectric, or pneumatic and / or hydraulic. Such voltage can be applied directly or remotely. In the case of compressive stress, it can displace the moving fluid from the voids of the element and / or layer. In a simple switch, the fluid is air, and the element and / or layer communicates with the atmosphere. Regardless of whether a moving fluid is present or not, the element and / or layer can be resilient enough to fully recover on its own or with an elastic working element such as a spring. To reverse the mechanical stress, the element and layer can be arranged in a closed system, including means for forcing the moving fluid into the voids. Such a system can serve as a means of detecting the movement of a workpiece acting on a fluid outside a variable resistor.
Подвижная текучая среда может быть упругой, например нереактивным газом, таким как воздух, азот или благородный газ, или легко конденсируемый газ. Альтернативно, текучая среда может быть неупругой, например водой, водным раствором, полярной органической жидкостью, такой как спирт или простой эфир, неполярной органической жидкостью, такой как углеводород, или жидким полимером, таким как силиконовое масло. В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения текучая среда является образцом, к которому чувствительна проводимость переменного резистора.The mobile fluid may be elastic, for example a non-reactive gas such as air, nitrogen or a noble gas, or an easily condensable gas. Alternatively, the fluid may be inelastic, for example water, an aqueous solution, a polar organic liquid, such as an alcohol or ether, a non-polar organic liquid, such as a hydrocarbon, or a liquid polymer, such as silicone oil. In one preferred embodiment of the invention, the fluid is a sample to which the conductivity of the variable resistor is sensitive.
Материалы для изготовления элемента и слоя включают сетку, марлю, тканый или нетканый материал, гидрофобные полимеры, такие как полиэтилен, полиалкилентерефталат, полипропилен, политетрафторэтилен, полиакрилонитрил, сильно эстерифицированная и/или эфиризированная целлюлоза, силикон, нейлоны, а также гидрофильные полимеры, такие как целлюлоза (природная или регенерированная, возможно слегка эстерифицированная или эфиризированная), шерсть и шелк, пенопласт, включающий полиэфир, полистирол, полипропилен, полиуретан (предпочтительно обладающие некоторой пластичностью), силикон, природный или синтетический каучук.Materials for the manufacture of the element and layer include mesh, gauze, woven or non-woven material, hydrophobic polymers such as polyethylene, polyalkylene terephthalate, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, highly esterified and / or esterified cellulose, silicone, nylons, as well as hydrophilic polymers such as cellulose (natural or regenerated, possibly slightly esterified or etherified), wool and silk, foam, including polyester, polystyrene, polypropylene, polyurethane (preferably coated giving some plasticity), silicone, natural or synthetic rubber.
Предпочтительно, чтобы материал имел форму с относительно большими пустотами (например, величиной 50-500 микрон) и был способен сплющиваться при сжатии в 2-8 раз, при этом еще оставлять возможность для сжатия.Preferably, the material has a shape with relatively large voids (for example, 50-500 microns) and is able to flatten when compressed 2-8 times, while still leaving room for compression.
Обычно два размера элемента значительно превосходят третий размер. Таким образом, он имеет форму листа, например, толщиной 0,1-5, в частности 0,5-2,0 мм. Другие размеры выбирают с учетом удобства изготовления и требований пользователя, например, чтобы осуществить контакт с испытываемым образцом в датчике согласно третьему аспекту изобретения. Если элемент должен подвергаться напряжению электрическим путем, то его площадь поперечного сечения следует разделить на электрически изолированные части, чтобы осуществлять требуемую частичную активизацию. Предпочтительно элемент является анизотропным, т.е. может сжиматься перпендикулярно к своей плоскости, но устойчив к сжатию или растяжению вдоль своей плоскости.Typically, two element sizes are significantly larger than the third size. Thus, it has the shape of a sheet, for example, with a thickness of 0.1-5, in particular 0.5-2.0 mm. Other sizes are selected taking into account manufacturing convenience and user requirements, for example, to contact the test sample in the sensor according to the third aspect of the invention. If the element must be electrically stressed, its cross-sectional area should be divided into electrically isolated parts in order to carry out the required partial activation. Preferably, the element is anisotropic, i.e. can compress perpendicular to its plane, but is resistant to compression or stretching along its plane.
Содержание проводящего материала в элементе составляет 500-5000 мг/см3. Размер переменного резистора можно выбирать в широком диапазоне. Он может быть размеров в несколько гранул инкапсулированного металла или может быть частью области движения человека. В одном из вариантов, будучи выполнен из гибкого материала, он может быть встроен в одежду.The content of the conductive material in the element is 500-5000 mg / cm 3 . The size of the variable resistor can be selected in a wide range. It can be the size of several granules of an encapsulated metal, or it can be part of the area of human movement. In one embodiment, being made of flexible material, it can be integrated into clothing.
Если требуется, чтобы слой был слабо проводящим, это можно обеспечить содержанием "полупроводящих" материалов, включающих углерод и органические полимеры, такие как полианилин, полиацетилен и полипиррол. Изобретение можно использовать для изменения физических и электрических свойств этих проводящих материалов. Низкая проводимость слоя может альтернативно или дополнительно обеспечиваться сильным проводником, обычно таким же, как присутствующий в элементе, но с более низким содержанием, например, от 0,1 до 10% содержания в элементе.If the layer is required to be weakly conductive, this can be achieved by containing “semi-conductive” materials including carbon and organic polymers such as polyaniline, polyacetylene and polypyrrole. The invention can be used to change the physical and electrical properties of these conductive materials. The low conductivity of the layer can alternatively or additionally be provided by a strong conductor, usually the same as that present in the element, but with a lower content, for example, from 0.1 to 10% of the content in the element.
Элемент может содержать "полупроводящий" материал из перечисленных выше. Если элемент имеет пустоты, они могут включать слабый проводник, например пенопласт с открытыми ячейками, предварительно заполненный во время изготовления полупроводниковым наполнителем, чтобы придать начальное сопротивление переключателю или переменному резистору или чтобы исключить возникновение статического электричества на таком устройстве или внутри него.The element may contain "semiconducting" material from the above. If the element has voids, they may include a weak conductor, such as open-cell foam, pre-filled with semiconductor filler during manufacture to give initial resistance to the switch or variable resistor or to prevent static electricity from forming on or inside the device.
Элемент или слой, т.е. проводящий и непроводящий слои, можно изготовить отдельно и разместить друг на друге и соединить клеем (фиг.2с). В альтернативном варианте (фиг.2b) слой можно выполнить заодно целое с элементом, изменяя концентрацию высокопроводящего материала. Примером элемента и слоя может быть тонкий лист пенопласта, который в напряженном состоянии обладает высокой электропроводностью на одной стороне, а на другой стороне остается электроизоляционным или слабо проводящим. Такой лист можно получить путем заполнения высокопроводящим порошком или гранулами пустот в части листа из непроводящего пенопласта с открытыми ячейками по его толщине. Так образуется проводящий слой пенопласта, лежащий сверху непроводящего слоя пенопласта. Проводящий материал можно зафиксировать в листе пенопласта клеем или посредством сшивания пенопласта после заполнения.An element or layer, i.e. conductive and non-conductive layers can be manufactured separately and placed on top of each other and connected with glue (figs). In an alternative embodiment (fig.2b), the layer can be integral with the element, changing the concentration of highly conductive material. An example of an element and layer can be a thin sheet of foam, which in high tension has high electrical conductivity on one side, and on the other side remains electrical insulating or weakly conductive. Such a sheet can be obtained by filling with highly conductive powder or void granules in a portion of a sheet of non-conductive foam with open cells in its thickness. This forms a conductive foam layer lying on top of the non-conductive foam layer. The conductive material can be fixed to the foam sheet with glue or by stitching the foam after filling.
В переменном резисторе высокопроводящий материал может присутствовать в одном или нескольких состояниях:In a variable resistor, a highly conductive material may be present in one or more states:
а) как составная часть основной структуры элемента,a) as part of the basic structure of the element,
b) в виде частиц, захваченных в пустоты и/или прилипших к поверхностям, доступным для подвижной текучей среды,b) in the form of particles trapped in voids and / or adhering to surfaces accessible to a mobile fluid,
c) в виде поверхностной фазы, образованной в результате взаимодействия частиц высокопроводящего наполнителя (1 или 2) с основной структурой элемента или покрытия на нем.c) in the form of a surface phase formed as a result of the interaction of particles of a highly conductive filler (1 or 2) with the basic structure of the element or coating on it.
В каком бы состоянии не присутствовал проводящий материал, его можно вводить как:In whatever condition the conductive material is present, it can be introduced as:
1) "открытый", т.е. без предварительного покрытия, но возможно имеющий на своей поверхности остаток поверхностной фазы в равновесии с окружающим воздухом, где он хранился, или образовавшейся во время соединения с элементом. Это можно использовать для состояний (а) и (с), но может привести к физически менее стабильному элементу в состоянии (b);1) "open", i.e. without preliminary coating, but possibly having on its surface the remainder of the surface phase in equilibrium with the surrounding air, where it was stored, or formed during connection with the element. This can be used for states (a) and (c), but can lead to a physically less stable element in state (b);
2) слегка покрытый, т.е. имеющий тонкое покрытие из пассивирующего или водовытесняющего материала, или остаток такого покрытия, образовавшийся во время соединения с элементом. Это аналогично (1), но может обеспечить лучшее управление при изготовлении;2) slightly covered, i.e. having a thin coating of a passivating or water-displacing material, or the remainder of such a coating formed during connection with the element. This is similar to (1), but can provide better manufacturing control;
3) покрытый полимером, но проводящий в состоянии покоя. Примером могут служить гранулированные композиции никеля с полимером, имеющие такое высокое содержание никеля, что физические свойства полимера очень слабо выражены, если вообще различимы. Например, при объемной плотности исходных частиц никеля 0,85-0,95 это соответствует отношению объема никель/силикон (выпущенная масса/беспористый твердый материал) типично более чем около 100. Материал в форме (3) можно применять в водной суспензии. Полимер может быть эластомером, хотя это не обязательно. Форма (3) также обеспечивает лучшую контролируемость при изготовлении, чем (1);3) coated with polymer, but conductive at rest. An example is granular nickel-polymer compositions having such a high nickel content that the physical properties of the polymer are very poorly expressed, if not distinguishable at all. For example, at a bulk density of the starting nickel particles of 0.85-0.95, this corresponds to a nickel / silicone volume ratio (discharged mass / non-porous solid material) typically of more than about 100. The material in the form (3) can be used in an aqueous suspension. The polymer may be an elastomer, although this is not necessary. Form (3) also provides better manufacturing control than (1);
4) покрытый полимером, но проводящий только в напряженном состоянии. Примером являются композиции никеля с полимером, содержание никеля в которых ниже, чем в (3), т.е. достаточно низкое, чтобы физические свойства полимера были различимы, и достаточно высокое, чтобы при перемешивании частицы никеля и полимер в жидкой форме превратились в гранулы, а не образовывали сыпучую фазу. Это является предпочтительным для (b) и может не требоваться для (а) и (с). Альтернативно, можно использовать частицы, полученные путем измельчения материала, как в пункте (5) ниже. В отличие от (1)-(3) материал (4) может обеспечивать реакцию на напряжение в каждой отдельной грануле, а также между гранулами, но измельченный материал (5) менее чувствителен. При изготовлении элемента материал (4) можно наносить в водной суспензии;4) coated with polymer, but conductive only in a stressed state. An example is nickel composition with a polymer, the nickel content of which is lower than in (3), i.e. low enough so that the physical properties of the polymer are distinguishable, and high enough so that with stirring, the nickel particles and the polymer in liquid form turn into granules rather than form a granular phase. This is preferred for (b) and may not be required for (a) and (c). Alternatively, particles obtained by grinding the material can be used, as in paragraph (5) below. Unlike (1) - (3), material (4) can provide a response to stress in each individual granule, as well as between granules, but the crushed material (5) is less sensitive. In the manufacture of the element, the material (4) can be applied in an aqueous suspension;
5) включенный в полимер в сыпучей фазе. Это относится только к (а) и (с). При этом обеспечивается реакция на напряжение в сыпучей фазе, а также между стенками пустот, если таковые имеются.5) incorporated into the polymer in a granular phase. This applies only to (a) and (c). This ensures a reaction to stress in the granular phase, as well as between the walls of the voids, if any.
Высокопроводящим материалом может быть, например, один или несколько материалов из группы, включающей титан, тантал, цирконий, ванадий, ниобий, гафний, алюминий, кремний, олово, хром, молибден, вольфрам, свинец, марганец, бериллий, железо, кобальт, никель, платина, палладий, осмий, иридий, рений, технеций, родий, рутений, золото, серебро, кадмий, медь, цинк, германий, мышьяк, сурьму, висмут, бор, скандий и металлы лантанидного или актинидного ряда, и, если требуется, по меньшей мере, один электропроводящий агент. Он может быть на ядре-носителе в форме порошка, зерен, волокон или других форм. Оксиды могут быть смесями, содержащими спеченные порошки оксисоединения. Сплав может быть обычным или, например, боридом титана.A highly conductive material can be, for example, one or more materials from the group consisting of titanium, tantalum, zirconium, vanadium, niobium, hafnium, aluminum, silicon, tin, chromium, molybdenum, tungsten, lead, manganese, beryllium, iron, cobalt, nickel , platinum, palladium, osmium, iridium, rhenium, technetium, rhodium, ruthenium, gold, silver, cadmium, copper, zinc, germanium, arsenic, antimony, bismuth, boron, scandium and metals of the lanthanide or actinide series, and, if required, at least one electrically conductive agent. It may be on a carrier core in the form of powder, grains, fibers, or other forms. Oxides can be mixtures containing sintered powders of the oxy compound. The alloy may be ordinary or, for example, titanium boride.
Для (а) или (с) в параллельной заявке А раскрыта и заявлена композиция, способная к упругой деформации из состояния покоя, которая содержит по меньшей мере один электропроводящий наполнитель, смешанный с непроводящим эластомером, и которая характеризуется тем, что объемное отношение наполнителя к эластомеру составляет по меньшей мере 1:1, при этом наполнитель смешан с эластомером в заданном соотношении и в режиме смешивания исключаются разрушающие сдвигающие усилия, в результате чего наполнитель диспергирован в эластомере и инкапсулирован в нем и может сохранить свою структуру, причем характер и концентрация наполнителя таковы, что электрическое сопротивление композиции изменяется в ответ на силы сжатия или растяжения и уменьшается от определенного значения в состоянии покоя до значения, по существу равного значению проводящих перемычек наполнителя, когда его подвергают воздействию сил сжатия или растяжения, и композиция дополнительно содержит модификатор, который при снятии упомянутых сил ускоряет упругий возврат композиции к ее состоянию покоя.For (a) or (c) in parallel application A, a composition capable of elastic deformation from a resting state is disclosed and claimed, which contains at least one electrically conductive filler mixed with a non-conductive elastomer and which is characterized in that the volumetric ratio of filler to elastomer is at least 1: 1, while the filler is mixed with the elastomer in a predetermined ratio, and in the mixing mode, destructive shear forces are eliminated, as a result of which the filler is dispersed in the elastomer and the encapsulations n it can retain its structure, the nature and concentration of the filler being such that the electrical resistance of the composition changes in response to compressive or tensile forces and decreases from a certain value at rest to a value substantially equal to the value of the conductive bridges of the filler when it is subjected the action of compressive or tensile forces, and the composition further comprises a modifier, which upon removal of the mentioned forces accelerates the elastic return of the composition to its rest state.
Для (3) и (b) предпочтительный состав, раскрытый и заявленный в параллельной заявке Б, представляет собой электропроводящий композит, обеспечивающий проводимость, когда на него действует механическое напряжение или электрический заряд, но являющийся электроизоляционным в состоянии покоя, содержащий гранулированную композицию, каждая гранула которой содержит по меньшей мере один непроводящий полимер и по меньшей мере один электропроводящий наполнитель и которая является электроизоляционной в состоянии покоя, но проводящей, когда на нее действует механическое напряжение или электрический заряд.For (3) and (b), the preferred composition disclosed and claimed in parallel application B is an electrically conductive composite providing conductivity when it is subjected to mechanical stress or an electric charge, but being electrical insulating at rest, containing a granular composition, each granule which contains at least one non-conductive polymer and at least one electrically conductive filler and which is insulating at rest, but conductive when on it mechanical stress or electrical charge.
В открытом проводнике или в любой такой композиции частицы наполнителя предпочтительно содержат металл, имеющий шиловидную и/или дендритную поверхностную текстуру и/или волокнистую структуру. Предпочтительно проводящий наполнитель содержит металлический никель, полученный из карбонила. Предпочтительно частицы наполнителя имеют трехмерный цепной каркас из шиповидных шариков, причем цепи имеют поперечное сечение величиной в среднем 2,5-3,5 мкм и длиной более 15-20 мкм. Полимер предпочтительно является эластомером, в частности силиконовым каучуком, предпочтительно содержащим усиливающий восстановление модификатор-наполнитель.In an open conductor or in any such composition, the filler particles preferably comprise a metal having an awl and / or dendritic surface texture and / or fibrous structure. Preferably, the conductive filler comprises metallic nickel derived from carbonyl. Preferably, the filler particles have a three-dimensional chain of spike-shaped balls, the chains having a cross section of an average size of 2.5-3.5 microns and a length of more than 15-20 microns. The polymer is preferably an elastomer, in particular silicone rubber, preferably containing a reinforcing modifier-filler.
Эти и другие детали композиций раскрыты в упомянутых выше совместно рассматриваемых заявках. Если используются проводящие ингредиенты формы (3) или (4), то их гранулы предпочтительно имеют шиловидную, и/или неправильную, и/или дендритную форму.These and other details of the compositions are disclosed in the aforementioned co-pending applications. If conductive ingredients of the form (3) or (4) are used, their granules preferably have an awl-shaped and / or irregular and / or dendritic form.
Изобретение предусматривает способы введения проводящего материала в элемент. Сильно или слабо проводящие частицы особенно предпочтительных форм можно поместить на пенопласт или в пустоты пенопласта или ткани и зафиксировать там посредством связи или механической, или фрикционной фиксации, например, поместив превосходящие по размеру частицы в несколько меньшие пустоты. Это можно сделать просто путем механического вдавливания или путем суспендирования их в жидкости, которую затем пропускают через пенопласт или ткань. Пенопласт или ткань можно дополнительно обработать, чтобы она дала усадку и обеспечила лучший захват частиц. Другие способы фиксации гранул в элементе включают присоединение или покрытие пленкой или листом одной или нескольких его поверхностей для обеспечения герметизации. Если эта пленка или лист электропроводящие, то они также являются средством омического контакта.The invention provides methods for introducing a conductive material into an element. Strongly or weakly conductive particles of particularly preferred shapes can be placed on the foam or in the voids of the foam or fabric and fixed there by communication or mechanical or frictional fixation, for example, by placing larger particles in slightly smaller voids. This can be done simply by mechanical indentation or by suspending them in a liquid, which is then passed through a foam or cloth. The foam or fabric can be further processed to shrink and provide better particle capture. Other methods of fixing the granules in an element include attaching or coating with a film or sheet of one or more of its surfaces to provide sealing. If this film or sheet is electrically conductive, then they are also a means of ohmic contact.
Для обеспечения усадки базового материала элемента, содержащего пустоты, можно использовать клей и прикладывать давление, пока не затвердеет. Другим способом усадки базового материала может быть нагревание и приложение давления. Для такого типа обработки пригодны многие формующиеся в нагретом состоянии пенопласты и ткани. При этом необходимо контролировать изменение электрического сопротивления в области, к которой прикладывается давление, чтобы получить соответствующий продукт. Кроме того, степень усадки, тип, размер и морфология используемых частиц и размер пустот также влияют на чувствительность к давлению и пределы сопротивления переменного резистора. Диэлектрические слои можно также вводить, используя расположение проводящего пласта над непроводящим пластом, чтобы получить переменный резистор с собственным диэлектрическим слоем.To ensure shrinkage of the base material of the element containing the voids, you can use glue and apply pressure until it hardens. Another method of shrinkage of the base material may be heating and applying pressure. For this type of processing, many thermoformed foams and fabrics are suitable. In this case, it is necessary to control the change in electrical resistance in the area to which pressure is applied in order to obtain the corresponding product. In addition, the degree of shrinkage, type, size and morphology of the particles used and the size of the voids also affect the pressure sensitivity and the resistance limits of the variable resistor. Dielectric layers can also be introduced using the location of the conductive layer above the non-conductive layer to obtain a variable resistor with its own dielectric layer.
Было обнаружено, что в данном элементе могут использоваться гранулы с эластомерным покрытием, например, из эпоксидной смолы. Эластомерный характер основной структуры оказывается достаточным для осуществления изобретения, хотя чувствительность к давлению обычно снижается, а электрические свойства покрытых эпоксидной смолой гранул отличаются от электрических свойств гранул с силиконовым покрытием.It has been found that granules with an elastomeric coating, for example, epoxy resin, can be used in this element. The elastomeric nature of the basic structure is sufficient for carrying out the invention, although pressure sensitivity is usually reduced, and the electrical properties of the epoxy coated granules are different from the electrical properties of silicone coated granules.
В то время как сжимающее усилие удобно прикладывать перпендикулярно к плоскости листового элемента, такой элемент может также проявлять электропроводность через свою поверхность, например, на стороне постепенно изменяющейся структуры, содержащей проводящую полимерную композицию, и на эту проводимость может влиять давление, если используется чувствительный к давлению проводящий полимер, порошок или гранулы. Другая сторона такой структуры будет проявлять нормальное высокое электрическое сопротивление, если только во время изготовления ее не заполнить проводящим или полупроводящим наполнителем.While the compressive force is conveniently applied perpendicular to the plane of the sheet element, such an element can also exhibit electrical conductivity through its surface, for example, on the side of a gradually changing structure containing a conductive polymer composition, and pressure can influence this conductivity if pressure sensitive is used conductive polymer, powder or granules. The other side of such a structure will exhibit normal high electrical resistance unless it is filled with a conductive or semi-conductive filler during manufacture.
В таком переменном резисторе, выполненном в виде чувствительного к давлению моста через два или больше омических проводников, лежащих в одной и той же плоскости, можно повысить чувствительность, покрыв открытую обратную сторону элемента полностью проводящим слоем, например металлической пленкой или покрытием. Это будет способствовать образованию более короткого проводящего пути сквозь элемент, а не через него.In such a variable resistor, made in the form of a pressure-sensitive bridge through two or more ohmic conductors lying in the same plane, it is possible to increase the sensitivity by covering the open back side of the element with a fully conductive layer, for example, a metal film or coating. This will contribute to the formation of a shorter conductive path through the element, and not through it.
В предпочтительном варианте переменного резистора присоединяемый снаружи электрод размещают таким образом, чтобы он только касался поверхности элемента, и напротив на поверхности слоя размещают соответствующий электрод. При отсутствии давления на электродах элемент находится в состоянии покоя и не проводит ток. Если приложить давление к электродам, то элемент будет проводить ток при продавливании через пустоты слоя. При снятии давления проводимость прекращается и элемент возвращается в состояние покоя.In a preferred embodiment, the variable resistor is connected to the outside of the electrode so that it only touches the surface of the element, and on the contrary on the surface of the layer place the corresponding electrode. In the absence of pressure on the electrodes, the cell is at rest and does not conduct current. If pressure is applied to the electrodes, then the cell will conduct current when punching through the voids of the layer. When the pressure is removed, the conductivity ceases and the element returns to a state of rest.
Если используется чувствительный к давлению проводящий полимер, порошок или гранулы, с увеличением давления будет уменьшаться сопротивление.If a pressure-sensitive conductive polymer, powder or granules is used, resistance will decrease with increasing pressure.
Согласно второму аспекту изобретение относится к электрическим токопроводам в полимерных композициях или на них, обеспечивающим электрическую связь между областями или точками, находящимися на них. Такие композиции и их формы, являющиеся объектом упомянутых выше заявок на патент и других аспектов изобретения, изменяют свое электрическое сопротивление при приложении к ним нагрузки. На неупругой основе, например жестком металле или пластике, прикладываемая нагрузка вызывает механическое движение полимерной композиции, ограниченное относительной жесткостью основы. Однако на упругой основе, например упругом пластике, волокнистом материале или пенопласте, механическое действие на покрытие будет дополнительно изменяться за счет механической реакции основы.According to a second aspect, the invention relates to electrical conductors in or on polymer compositions, providing electrical communication between regions or points located thereon. Such compositions and their forms, which are the subject of the aforementioned patent applications and other aspects of the invention, change their electrical resistance when a load is applied to them. On an inelastic base, such as hard metal or plastic, the applied load causes mechanical movement of the polymer composition, limited by the relative stiffness of the base. However, on an elastic basis, for example, elastic plastic, fibrous material or foam, the mechanical effect on the coating will further change due to the mechanical reaction of the substrate.
Этот эффект используется в системах для обеспечения проводящих путей, позволяющих контролировать изменения сопротивления от точки приложения рабочего усилия. Было обнаружено, что удобным способом получения проводящих или полупроводящих путей на листах и структурах или внутри них является приложение и сохранение напряжения по ходу требуемого проводящего пути.This effect is used in systems to provide conductive paths to control resistance changes from the point of application of the working force. It has been found that a convenient way to obtain conductive or semiconducting paths on or inside sheets and structures is to apply and maintain voltage along the desired conductive path.
Согласно второму аспекту изобретения электрический компонент содержит тело из материала, способного повышать свою электропроводность, когда он находится под напряжением. Данное тело характеризуется по меньшей мере одной локализованной областью, предварительно напряженной для обеспечения постоянной проводимости и приспособленной для внешнего электрического соединения.According to a second aspect of the invention, the electrical component comprises a body of material capable of increasing its electrical conductivity when it is energized. This body is characterized by at least one localized region, pre-stressed to ensure constant conductivity and adapted for external electrical connection.
Это можно реализовать несколькими путями.This can be implemented in several ways.
Можно приложить напряжение к проводящей полимерной композиции в ее окончательной форме, но еще не сшитой, в области требуемого токопровода во время процесса сшивания. Такое напряжение может быть механическим или электрическим, прикладываться прямо или индуцироваться и может включать давление, тепло, электромагнитную энергию и другие источники излучения. Некоторые из этих напряжений могут сами вызывать сшивание вдоль требуемого проводящего пути, однако для некоторых полимеров требуется отдельная операция сшивания, выполняемая одновременно с образованием проводящего пути или после него.You can apply voltage to the conductive polymer composition in its final form, but not yet crosslinked, in the region of the desired current path during the crosslinking process. Such voltage may be mechanical or electrical, applied directly or induced, and may include pressure, heat, electromagnetic energy, and other radiation sources. Some of these stresses can themselves cause crosslinking along the desired conductive path, however, for some polymers, a separate crosslinking operation is required that is performed simultaneously with or after the formation of the conductive path.
Можно создать постоянное напряжение по требуемому проводящему пути после изготовления и сшивания. Это можно реализовать путем обеспечения усадки пути с помощью сфокусированного источника излучения. После этого можно подвергнуть облученные пути механическому сжатию для консолидации проводящего содержимого и улучшения окончательной проводимости пути.You can create a constant voltage on the desired conductive path after manufacturing and stitching. This can be accomplished by providing path shrinkage using a focused radiation source. After that, the irradiated paths can be subjected to mechanical compression to consolidate the conductive contents and improve the final path conductivity.
Посредством укладки полимера или клея, дающего усадку во время сшивания или высыхания, сверху или внутрь проводящей полимерной композиции или структуры можно сделать проводящей лежащую снизу полимерную композицию.By laying the polymer or glue that shrinks during crosslinking or drying, the polymer composition lying on the bottom can be made conductive on top or inside of the conductive polymer composition or structure.
В листах проводящей полимерной композиции и материалах, покрытых проводящей полимерной композицией, линия сшивания может создавать достаточное усилие внутри или между стежками для создания проводящего пути. Тонкие пенопласты, покрытые проводящими гранулами, особенно хорошо подходят для этой формы изобретения, и таким методом можно получать гибкие сенсорные схемы. Нить, используемая для сшивания, может быть стандартного непроводящего типа, а размер и натяжение стежка влияет на окончательное сопротивление пути. Можно использовать нити, содержащие проводящий материал, если требуются пути с очень низким сопротивлением. Листы с проводящими дорожками удерживаются врозь с помощью пенопласта с открытыми ячейками или другого диэлектрика, пока не будет приложено рабочее давление для обеспечения взаимной проводимости листов.In the sheets of the conductive polymer composition and materials coated with the conductive polymer composition, the stitching line can create sufficient force within or between the stitches to create a conductive path. Thin foams coated with conductive granules are particularly well suited for this form of the invention, and by this method flexible sensor circuits can be obtained. The thread used for sewing can be of a standard non-conductive type, and the size and tension of the stitch affects the final resistance of the path. Threads containing conductive material can be used if paths with very low resistance are required. Sheets with conductive paths are held apart by open-cell foam or another dielectric until working pressure is applied to ensure mutual conductivity of the sheets.
Третий аспект изобретения относится к полимерным чувствительным материалам, в частности к датчику на основе чувствительных к напряжению, электропроводящих полимерных композиций, таких как композиции, подробно описанные в упомянутых выше заявках на патент.A third aspect of the invention relates to polymer sensitive materials, in particular to a sensor based on voltage-sensitive, electrically conductive polymer compositions, such as those described in detail in the aforementioned patent applications.
Было обнаружено, что вышеупомянутые полимерные композиции, модифицированные полимеры и структуры изменяют электрическое свойство при взаимодействии с химическими и микробиологическими веществами, ядерными и электромагнитными полями. Изменение электрического свойства имеет обратимый характер и может обеспечивать меру концентрации потока излучения.It was found that the aforementioned polymer compositions, modified polymers and structures change the electrical property when interacting with chemical and microbiological substances, nuclear and electromagnetic fields. The change in electrical property is reversible and can provide a measure of the concentration of the radiation flux.
Предложенный датчик для химических или микробиологических веществ или излучения содержит контактную головку, представляющую собой полимерную композицию, содержащую, по меньшей мере, один по существу непроводящий полимер и, по меньшей мере, один электропроводящий наполнитель и являющуюся электроизоляционной в состоянии покоя, но проводящей, когда на нее действует механическое напряжение или электростатический заряд; средство для обеспечения доступа испытываемого образца к головке; средство для включения головки в электрическую цепь, выполненное с возможностью измерения электрического свойства полимерной композиции.The proposed sensor for chemical or microbiological substances or radiation contains a contact head, which is a polymer composition containing at least one essentially non-conductive polymer and at least one electrically conductive filler and which is electrically insulating at rest, but conducting when it is subject to mechanical stress or electrostatic charge; means for providing access of the test sample to the head; means for incorporating the head into an electrical circuit configured to measure the electrical properties of the polymer composition.
Следует отметить, что в полимерной композиции инкапсулирующая фаза является высокоотрицательной на трибоэлектрическом веществе, не накапливает электроны на своей поверхности и проницаема для прохождения ряда газов и других подвижных молекул в головку и/или на ее поверхность, что вызывает изменение электрического свойства полимерной композиции.It should be noted that in the polymer composition, the encapsulating phase is highly negative on the triboelectric substance, does not accumulate electrons on its surface and is permeable to the passage of a number of gases and other mobile molecules into the head and / or on its surface, which causes a change in the electrical property of the polymer composition.
В контактной головке полимерная композиция может быть, например, в любой из описанных выше форм.In the contact head, the polymer composition may, for example, be in any of the forms described above.
Контактная головка может содержать средство для создания напряжения, например механического сжатия или растяжения, или источник электрического или магнитного поля, чтобы привести полимерную композицию к уровню проводимости, соответствующему требуемой чувствительности датчика.The contact head may include means for generating stress, for example mechanical compression or tension, or a source of electric or magnetic field to bring the polymer composition to a level of conductivity corresponding to the desired sensitivity of the sensor.
Датчик может быть выполнен с возможностью статического или динамического контактирования. Для статического контактирования он может быть выполнен в форме портативного блока, пригодного для погружения головки в образец в контейнере.The sensor may be configured for static or dynamic contacting. For static contacting, it can be made in the form of a portable unit suitable for immersing the head in a sample in a container.
Для динамического контактирования датчик можно держать в движущемся потоке образца или он может иметь собственные каналы ввода и/или разгрузки и, возможно, насосное средство для ввода и/или удаления образца. Такое насосное средство может быть перистальтического типа, как, например, в медицинских исследованиях.For dynamic contacting, the sensor can be held in a moving sample stream or it can have its own channels for input and / or discharge and, possibly, pumping means for introducing and / or removing the sample. Such a pumping means may be of a peristaltic type, as, for example, in medical research.
В одном примерном варианте свойства системы изменяются в реальном времени. Это значит, что под действием неоднородного электрического поля частицы испытывают электрофоретическое усилие, которое изменяет электрическое свойство полимерной структуры.In one exemplary embodiment, the properties of the system change in real time. This means that under the influence of an inhomogeneous electric field, the particles experience an electrophoretic force, which changes the electrical property of the polymer structure.
В предпочтительном варианте выполнения датчика полимерную композицию возбуждают полем линейного и нелинейного переменного тока. Можно использовать ряд методов для выделения интересующего сигнала из шума и помех, например, на основе реактивности, индуктивности, профиля сигнала, профиля фазы, частоты, пространственной и временной когерентности.In a preferred embodiment of the sensor, the polymer composition is excited by a linear and non-linear alternating current field. A number of methods can be used to extract the signal of interest from noise and interference, for example, based on reactivity, inductance, signal profile, phase profile, frequency, spatial and temporal coherence.
В другом примере полимерная композиция удерживается в переходном состоянии путем приложения электрического заряда, затем увеличение ионизации вследствие воздействия ядерного излучения изменяет электрическое сопротивление, реактивность, импеданс или другое электрическое свойство системы.In another example, the polymer composition is held in a transient state by applying an electric charge, then an increase in ionization due to exposure to nuclear radiation changes the electrical resistance, reactivity, impedance, or other electrical property of the system.
В следующем примере в полимерную композицию вводится комплексообразующий ионофор или другой материал типа "замок и ключ" (lock and key) или адсорбирующий материал. Такие материалы включают краун-эфиры, цеолиты, твердые и жидкие ионообменные смолы, биологические антитела и их аналоги или другие подобные материалы. При возбуждении полем постоянного тока, линейного или нелинейного переменного тока такие материалы изменяют свое электрическое свойство в соответствии с адсорбцией материалов или контактом с источниками излучения. Такие материалы обеспечивают возможность сужения ширины полосы пропускания для адсорбированных веществ и избирательности системы. В еще одном примере в полимерную композицию вводится электрод, т.е. материал, в котором единственным анионом является электрон и типичным примером которого может быть цезий-5-краун-5, полученный путем испарения металлического цезия на 15-краун-5. Аналогичным образом можно применять другие ионофоры, цеолит и ионообменные материалы. Такая композиция имеет низкую функцию работы выхода электронов, типично <<1 электрон-вольт, так что низкие напряжения постоянного тока или неоднородные напряжения переменного тока переключают его с электроизоляционной на электропроводящую фазу с уменьшением постоянной времени и увеличением полосы пропускания для адсорбированных веществ и системы. Такие материалы можно использовать для обнаружения адсорбированных материалов и/или источников излучения.In the following example, a complexing ionophore or other lock and key or adsorbing material is introduced into the polymer composition. Such materials include crown ethers, zeolites, solid and liquid ion exchange resins, biological antibodies and their analogs, or other similar materials. When excited by a direct current, linear or non-linear alternating current field, such materials change their electrical property in accordance with the adsorption of materials or contact with radiation sources. Such materials provide the possibility of narrowing the bandwidth for adsorbed substances and the selectivity of the system. In yet another example, an electrode is introduced into the polymer composition, i.e. a material in which the only anion is an electron and a typical example of which is cesium-5-crown-5, obtained by evaporation of cesium metal on 15-crown-5. Other ionophores, zeolite and ion exchange materials can be used in a similar manner. Such a composition has a low electron work function, typically << 1 electron-volt, so that low DC voltages or inhomogeneous AC voltages switch it from the electrical insulating to the electrically conductive phase with a decrease in the time constant and an increase in the pass band for adsorbed substances and the system. Such materials can be used to detect adsorbed materials and / or radiation sources.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которыхThe invention is further explained in the description of examples of its embodiment with reference to the accompanying drawings, in which
фиг.1 изображает в разобранном виде переменный резистор, имеющий гибкое или жесткое внешнее соединительное средство, согласно изобретению;figure 1 depicts an exploded view of a variable resistor having a flexible or rigid external connecting means, according to the invention;
фиг.2 изображает три варианта элемента, изображенного на фиг.1, согласно изобретению;figure 2 depicts three variants of the element depicted in figure 1, according to the invention;
фиг.3 изображает два переменных резистора, имеющих конфигурацию элемента и внешних соединений, отличные от тех, которые изображены на фиг.1 и 2; в них факультативно используются соединители согласно второму аспекту изобретения;figure 3 depicts two variable resistors having a configuration of the element and external connections, different from those shown in figures 1 and 2; they optionally use connectors according to a second aspect of the invention;
фиг.4 изображает в разобранном виде два многофункциональных переменных резистора согласно изобретению.Fig. 4 shows an exploded view of two multifunctional variable resistors according to the invention.
Любой из переменных резисторов, изображенных на чертежах, может составить основу датчика согласно третьему аспекту изобретения.Any of the variable resistors shown in the drawings may form the basis of the sensor according to the third aspect of the invention.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
ПримерExample
Примером проводящей пенопластовой структуры для элемента может служить лист полиэфирного пенопласта с открытыми ячейками, толщиной 2 мм с размером ячеек 80 пор на дюйм (32 поры на см), заполненный покрытыми силиконом гранулами никеля размером в пределах 75-152 микрон. Гранулы были получены путем покрытия никелевого порошка INCO типа 287 силиконом ALFAS INDUSTRIES RTV типа А2000 в массовом соотношении 8:1 методом абляции вращением. Гранулы просеивали до нужного размера и втирали в пенопласт до тех пор, пока они не появлялись на нижней стороне пенопласта, что являлось показателем соответствующего заполнения. Пенопласт удерживает 75 мг гранул на см2, что соответствует 1875 мг/см2 в среднем через пенопласт после сжатия и около 2500 мг/см3 в полностью загруженном пласте, составляющем элемент. Пенопласт с гранулами сжимали между металлическими листами и нагревали в печи при 120°С в течение 30 мин. В результате получали очень гибкую, чувствительную к давлению структуру толщиной 0,4 мм, которая имела диапазон сопротивления более чем 1012 Ом по толщине и которую можно было пропорционально регулировать до менее чем одного Ома используя только давление пальца.An example of a conductive foam structure for an element is a 2 mm open-cell polyester foam sheet with a mesh size of 80 pores per inch (32 pores per cm) filled with silicone-coated nickel granules ranging in size from 75-152 microns. The granules were obtained by coating INCO type 287 nickel powder with ALFAS INDUSTRIES RTV type A2000 silicone in a weight ratio of 8: 1 by rotation ablation. The granules were sieved to the desired size and rubbed into the foam until they appeared on the underside of the foam, which was an indication of the corresponding filling. The foam retains 75 mg of granules per cm 2 , which corresponds to 1875 mg / cm 2 on average through the foam after compression and about 2500 mg / cm 3 in a fully loaded formation constituting the element. Foam with granules was compressed between metal sheets and heated in an oven at 120 ° C for 30 min. The result was a very flexible, pressure-sensitive structure with a thickness of 0.4 mm, which had a resistance range of more than 10 12 Ohms in thickness and which could be proportionally adjusted to less than one Ohm using only finger pressure.
Слова "верхний" и "нижний" при описании чертежей относятся только к положению на чертежах и их не следует понимать как ограничивающие расположение при использовании; круглая форма компонентов является только иллюстративной, она зависит от предназначения, например, для контактной головки в третьем аспекте изобретения подойдет прямоугольная форма, чтобы обеспечить путь для циркуляции жидкого испытываемого образца.The words "upper" and "lower" in the description of the drawings refer only to the position in the drawings and should not be understood as limiting the location in use; the round shape of the components is only illustrative, it depends on the purpose, for example, for the contact head in the third aspect of the invention, a rectangular shape is suitable to provide a path for the circulation of the liquid test sample.
Изображенный на фиг.1 переменный резистор содержит внешнее соединительное средство с электродами 10, от которых отходят внешние соединители (не показаны). Электроды 10 соединены мостом в виде элемента 14, выполненного из пенопласта с никелем и силиконом, как в описанном выше примере. Нижний электрод 10 опирается на твердое основание 16. Верхний электрод 10 выполнен с возможностью движения вниз для сжатия элемента 14 под действием средства 18, показанного в общем стрелками и способного влиять на часть или на всю площадь электрода 10. Можно, конечно, использовать средство 18 также и для нижнего электрода. Электрод 10 может быть отдельным элементом, выполненным из твердого материала, такого как металлическая медь или покрытая платиной латунь, в этом случае действие на часть площади электрода можно обеспечить, например, путем наклонного приложения средства 18 к электроду 10 или использования элемента 14 с изменяющейся толщиной. Альтернативно, электрод 10 может быть гибким, например из металлической фольги, ткани с металлическим покрытием, органического проводящего полимера или, в предпочтительном переключателе, в форме когерентного покрытия из проводящего металла на верхней и/или нижней поверхности элемента 14. Такое покрытие можно получить посредством нанесения краски с большим содержанием металла, например серебряной краски. В таком переменном резисторе элемент 14 может быть конструктивно основан на любом другом материале, имеющем соответствующие пустоты, например на полиэфирной ткани грубого плетения, такой как саржа или камвольная ткань.The variable resistor shown in FIG. 1 comprises an external connecting means with
На фиг.2 общая конструкция переменного резистора такая же, как на фиг.1, но представлены три варианта элемента 2а-2с.In Fig.2, the general design of the variable resistor is the same as in Fig.1, but three variants of the element 2a-2c are presented.
В варианте 2а элемент 22 содержит углерод по всему своему объему 22+24, а гранулы никеля с силиконом только в центральной области 24. Когда переключатель находится в состоянии покоя без приложения напряжения средством 18, это позволяет проходить небольшому току за счет слабой проводимости углерода, обеспечивая таким образом начальное сопротивление или начальную проводимость. При приложении напряжения средством 18 возникает высокая проводимость композиции никеля и силикона, степень которой зависит от площади, к которой прикладывается такое напряжение, а также от степени сжатия композиции, если она обладает таким свойством.In option 2a,
Варианты 2b и 2с иллюстрируют комбинации элемента с согласованным слоем непроводящего или слабопроводящего материала.Options 2b and 2c illustrate combinations of an element with a matched layer of non-conductive or slightly conductive material.
В варианте 2b элемент 34 содержит верхнюю часть блока из пенопласта или текстиля, содержащую никель с силиконом, а его нижняя часть выполнена в виде непроводящего или (например, как в 2а) слабопроводящего слоя. Эта комбинация получена путем нанесения никеля с силиконом в виде порошка или жидкой суспензии преимущественно на одну сторону блока. Граница между элементом и слоем не обязательно должна быть четкой.In option 2b, the
В варианте 2с элемент 34 может содержать никель с силиконом, расположенный равномерно или постепенно изменяющимся образом, но слой 38 является отдельным элементом и в собранном переключателе может быть приклеен или механически зафиксирован в контакте с элементом 34. Преимущество над вариантом 2b состоит в том, что данный слой может структурно отличаться от элемента, например,In option 2c, the
На фиг.3а и 3b элемент содержит блок 314 из пенопласта, содержащего никель с силиконом, имеющий внешние соединительные проводники 313, внедренный в него. Этому элементу можно придавать проводимость посредством сжатия области между проводниками 313 башмаком 316, который может иметь косой нижний конец, чтобы область его приложения к элементу зависела от степени его движения вниз. Вместо или в дополнение к башмаку 316 может быть предусмотрено множество отдельно управляемых элементов, позволяющих получить требуемую совокупную область приложения. В миниатюрном переменном транзисторе башмаком 316 может служить точечно-матричный или пьезоэлектрический механизм. Внедренные проводники могут быть выполнены из омического материала или они могут быть дорожками из композиции металла и полимера, например никеля с силиконом, которой придана постоянная проводимость путем локального сжатия, например методом усадки или сшивания. Если внедренные проводники получают путем локального сжатия, это можно реализовать в относительно тонком листе элемента, после чего сверху этого тонкого листа можно уложить другой лист элемента.In FIGS. 3a and 3b, the element comprises a
Переменный резистор, изображенный на фиг.3а, при использовании в качестве датчика согласно третьему аспекту изобретения может составлять часть статической системы, в которой он погружается в образец текучей среды, а также может использоваться в поточной системе.The variable resistor shown in FIG. 3a, when used as a sensor according to the third aspect of the invention, can form part of a static system in which it is immersed in a fluid sample and can also be used in a flow system.
Переменный резистор, изображенный на фиг.3b, представляет собой гибрид, в котором использованы механизмы, изображенные на фиг.1 и фиг.3а. Он обладает более высокой чувствительностью, чем переменный резистор на фиг.3а. При приложении напряжения в месте 18 проводимость между проводниками 313 возникает также и через электрод 10.The variable resistor depicted in FIG. 3b is a hybrid in which the mechanisms depicted in FIG. 1 and FIG. 3a are used. It has a higher sensitivity than the variable resistor in figa. When voltage is applied at
На фиг.4а изображен переменный резистор, представляющий собой два переменных резистора, показанных на фиг.1, сложенных обратными сторонами. Здесь обеспечено более компактное расположение двух выходов переменных сопротивлений от одного входа, чем в случае использования обычных компонентов переменного резистора. Изображенная на фиг.4а комбинация при ее использовании в датчике может обеспечивать параллельно тестирующее и пустое считывание. На фиг.4b проиллюстрирован вариант, в котором два отдельных переменных резистора, подобных изображенному на фиг.1, электрически изолированы друг от друга блоком 20. В вариантах на фиг.4а и 4b можно использовать варианты, изображенные на фиг.2 и 3. Такие комбинации могут служить примерами компактного многофункционального управляющего средства, создающего новые возможности конструирования электрического прибора. Например, вариант 4b может быть использован в качестве двухпозиционного переключателя и регулятора громкости, управляемого одной кнопкой.On figa shows a variable resistor, which is two variable resistors shown in figure 1, folded by the reverse sides. It provides a more compact arrangement of two outputs of variable resistance from one input than in the case of using conventional components of a variable resistor. The combination depicted in FIG. 4a, when used in a sensor, can provide testing and blank reading in parallel. FIG. 4b illustrates an embodiment in which two separate variable resistors, such as those shown in FIG. 1, are electrically isolated from each other by
Claims (21)
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9914399.2 | 1999-06-22 | ||
| GBGB9914399.2A GB9914399D0 (en) | 1999-06-22 | 1999-06-22 | Conductive structures |
| GBGB9915296.9A GB9915296D0 (en) | 1999-07-01 | 1999-07-01 | Polymeric sensing materials |
| GB9915296.9 | 1999-07-01 | ||
| GB9918837.7 | 1999-08-10 | ||
| GB0002912A GB0002912D0 (en) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | Conductive structures and assemblies |
| GB0002912.4 | 2000-02-10 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002101318A RU2002101318A (en) | 2003-07-27 |
| RU2251754C2 true RU2251754C2 (en) | 2005-05-10 |
Family
ID=35747178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002101318/09A RU2251754C2 (en) | 1999-06-22 | 2000-06-21 | Conducting structures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2251754C2 (en) |
-
2000
- 2000-06-21 RU RU2002101318/09A patent/RU2251754C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1188170B1 (en) | Variable conductance structures | |
| RU2273911C2 (en) | Flexible switching devices | |
| CN101685077B (en) | Chemical sensor using thin-film sensing member | |
| US6495069B1 (en) | Polymer composition | |
| CN109632896A (en) | A kind of grapheme modified flexible sensor of metallic particles and its preparation and application | |
| CA2449973A1 (en) | Analytical device for test fluids, comprises a conductive polymer composition | |
| Akle et al. | High surface area electrodes in ionic polymer transducers: numerical and experimental investigations of the electro-chemical behavior | |
| US2305717A (en) | Circuit controlling means | |
| CN112834090A (en) | Conductive composite material | |
| US20210225552A1 (en) | Composite materials | |
| RU2251754C2 (en) | Conducting structures | |
| US3174125A (en) | Mechanical pressure sensor | |
| JP7348959B2 (en) | Composite materials that sense force or pressure | |
| US10020125B1 (en) | Super dielectric capacitor | |
| Jing-Li et al. | Electrical conduction of La1− xSrxFeO3 ceramics under different relative humidities | |
| Pokhrel et al. | Solid state electrical conductivity and humidity sensing properties of Cr2O3–MoO3 composites | |
| JP7296091B2 (en) | pressure sensor | |
| Owusu et al. | Highly Compressible and Stretchable Piezoresistive Sensor Based 3D Graphene-Melamine Composite Foam for Gait Motion Detection | |
| RU2002101318A (en) | CONDUCTIVE STRUCTURES | |
| Shahinpoor | Smart thin sheet batteries made with ionic polymer metal composites (IPMC’S) | |
| US20220187233A1 (en) | Gas adsorbent, gas adsorbing device, and gas sensor | |
| JP2000056039A (en) | Humidity sensor and humidity measuring method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100622 |