Пленочное переключающее и коммутирующее устройство

 

Использование: устройства ввода буквенно-цифровой информации в электронных устройствах, коммутации электрических сигналов и т.п. Сущность: в пленочном переключающем и коммутирующем устройстве с верхним и нижним диэлектрическими слоями, имеющими электрические слои, содержащие электрическую разводку и множество контактных площадок, расположенных напротив друг друга и образующих попарно переключающиеся узлы, а также изолирующую прокладку, расположенную между диэлектрическими слоями, прокладка выполнена в виде сплошной пленки, изготовленной из пьезорезистивного полимерного материала. 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в качестве устройства ввода буквенно-цифровой информации в электронных устройствах, коммутации электрических сигналов и т.п.

Известно коммутационное устройство [1], содержащее сепаратор и изоляционное основание с неподвижными контактами, собранными в пакет, эластичную мембрану с подвижными контактами, расположенными на торцах конических выступов мембраны. Конические выступы вставлены в конические отверстия сепаратора. Эластичная мембрана имеет приливы и образует с выступами замкнутый объем, заполненный амортизирующим наполнителем, например воздушной средой. Недостатком известного устройства является наличие подвижных контактов, расположенных на эластичной мембране, которые в процессе эксплуатации подвергаются значительным деформациям, что приводит к быстрому износу контактных площадок и уменьшению его надежности и долговечности. Кроме того, наличие большого числа деталей устройства, обеспечивающих достижение положительного эффекта, усложняет конструкцию и технологию его изготовления.

Известен также пленочный переключатель [2], включающий в себя первый и второй диэлектрические слои, имеющие электрическую разводку, и множество первых и вторых контактных площадок, расположенных напротив друг друга. Слои поддерживаются в разомкнутом состоянии разделительным устройством, представляющим собой выступы, расположенные между линиями электроразводки вокруг первых контактных площадок.

Недостатком данного устройства является наличие деформируемых проводящих покрытий, используемых в качестве контактных площадок на первом и втором гибких диэлектрических слоях, что приводит к разрушению площадок, уменьшению надежности и тем самым сокращению времени эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является переключатель [3] , включающий покровную эластичную пленку, верхнюю и нижнюю полиамидные пластины, диэлектрические слои с нанесенными на них электрической разводкой и контактными площадками, разделенные изолирующей прокладкой, выполненной в виде гибкой пленки с отверстиями под контактными площадками. Замыкание контактов осуществляется деформацией верхней эластичной пластины при приложении на нее давления.

Недостатком данного устройства является деформация контактных площадок верхнего слоя, возникающая при воздействии на нее нагрузок, и, как следствие, их постепенное разрушение. Кроме того, наличие отверстий в разделительном слое подразумевает присутствие в пространстве между диэлектрическими слоями атмосферы воздуха, что приводит к окислению материала контактных площадок и требует применения проводящих покрытий из драгоценных (например, серебра) или кислородоустойчивых (хром, никель и т.п.) металлов. Указанные недостатки снижают надежность устройства и усложняют технологию его изготовления.

Целью изобретения является повышение надежности устройства и упрощение его конструкции.

Цель достигается тем, что в пленочном переключателе и коммутирующем устройстве, включающем верхний и нижний диэлектрические слои, имеющие электрическую разводку и множество контактных площадок, расположенных напротив друг друга и образующих попарно переключающие узлы, и изолирующую прокладку, выполненную в виде сплошной полимерной пленки пьезорезистивного материала, помещенной между верхним и нижним диэлектрическими слоями, пленка полимерного пьезорезистивного материала сформирована на верхнем и (или) нижнем диэлектрическом слое методом трафаретной печати, методом центрифугирования или поливом состава пьезорезистивного материала [4] с последующим удалением растворителя.

Из научно-технической и патентной литературы не известно использование полимерной пьезорезистивной пленки для осуществления контакта между двумя проводящими покрытиями в коммутирующем устройстве.

Возможность достижения положительного эффекта обусловлена тем, что при одноосном давлении на поверхность пьезорезистивной пленки в ее объеме происходит фазовый переход типа "диэлектрик-металл", приводящий к электрическому контакту между электродами переключающихся узлов. При снятии давления диэлектрическое состояние восстанавливается, что приводит к размыканию электродов.

На фиг.1 схематично показано предлагаемое устройство; на фиг.2 - собранное устройство; на фиг.3 представлен принцип работы устройства; на фиг.4 дана двухуровневая схема размещения токопроводящих элементов; на фиг.5 показаны формы контактных площадок; на фиг.6 представлена схема пакета устройства с двухуровневой разводкой; на фиг.7 - принцип его работы.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии давления на диэлектрический слой 1 пьезорезистивная прокладка 6 находится в диэлектрическом состоянии и препятствует замыканию контактов 4 через верхний контакт 3, площадь которого позволяет перекрыть зазор между контактами 4. При воздействии на слой 1 давления Р_н в расположенной между контактами 3 и 4 прокладке 6 происходит фазовый переход "диэлектрик-металл", и она переходит в проводящее состояние, обеспечивая замыкание контактов 4 через контакт 3. Через электрическую разводку 5 обеспечивается коммутация или переключение, при снятии давления разделительная прокладка возвращается в диэлектрическое состояние, приводя тем самым к размыканию контактов. Ввиду того, что разделительная прокладка обладает высокой адгезией к материалу диэлектрических слоев, обеспечивается полная герметизация контактных площадок и электрической разводки и тем самым их изоляция от воздействия окружающей среды, что позволяет применять при изготовлении таких устройств любые проводящие дешевые материалы, например, на основе меди или алюминия, и использовать устройство для работы в условиях воздействия агрессивных сред. Кроме того, отсутствие существенных деформаций в верхнем диэлектрическом слое, а также непосредственного контакта между токопроводящими элементами существенно повышает надежность данного устройства. На фиг.4 представлена двухуровневая схема размещения токопроводящих элементов. Она удобна в случае большого количества контактных площадок и сложной системы электрической разводки. Фиг. 5 иллюстрирует варианты формы контактных площадок. Так, форма "гребенки" (фиг. 5, А) наиболее пригодна при больших размерах контактных площадок, и она более надежна.

Упрощение конструкции и технологии изготовления заявленного устройства достигается тем, что отпадает необходимость отдельного изготовления разделительного слоя с отверстиями, требующими дальнейшего их совмещения с контактными площадками при сборке устройства. Сборка устройств типа 1-3 осуществляется, как правило, вручную. Предлагаемое техническое решение позволяет автоматизировать сборку переключающих и коммутирующих устройств. Это может быть достигнуто применением метода трафаретной печати. В данном случае изготовления устройства осуществляется по следующей схеме: формирование разводки с контактными площадками на нижнем диэлектрическом слое, нанесение разделительного пьезорезистивного слоя на эту же подложку, формирование верхней разводки с контактными площадками на поверхности этого разделительного слоя с последующим нанесением верхнего диэлектрического слоя. Все это может осуществляться в едином технологическом режиме без применения ручного труда.

Использование предлагаемого технического решения позволит увеличить надежность за счет исключения подвижных и трущихся контактов; уменьшить величину электрического "дребезга" до 10^-3 с за счет осуществления электрического замыкания внутри объема изолирующей разделительной пленки; заменить материал контактных групп и разводки из драгоценных металлов на обычные; упростить конструкцию переключающих и коммутирующих устройств; применять устройства при работе в агрессивных средах ввиду полной герметизации токопроводящих частей; расширить диапазон рабочих температур в пределах от -100^о С до +150^о С ввиду высокой теплостабильности электрофизических и механических свойств разделительного пьезорезистивного слоя.

Формула изобретения

ПЛЕНОЧНОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ И КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее верхний и нижний диэлектрические слои, имеющие электрическую, разводку контактные площадки и изолирующую прокладку, расположенную между диэлектрическими слоями, отличающееся тем, что изолирующая прокладка выполнена в виде сплошной пленки из пьезорезистивного полимерного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7