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专利名称：压敏换能器组件和用于包括这种组件的系统的控制方法
技术领域：
本发明涉及包括力感测电阻器的压敏换能器组件。
背景技术：
更特别地，本发明涉及被用在按钮中以便检测按钮的激活的这样的组件或触觉压カ传感器。通常，压敏换能器组件包括具有连接装置的力感测电阻器，所述カ感测电阻器包括
-第一和第二衬底，其均具有内表面，其中衬底中的至少ー个是柔性的，以便响应于所施加的力向衬底中的另ー个移动；
-至少第一和第二导电迹线，其在第一衬底的内表面上，所述第一迹线包括第一组指状物，该第一组指状物与和第二迹线有关的第二组指状物相间错杂，以便在第一衬底的内表面上一起限定敏感区域，该第一组指状物和第二组指状物在该第一衬底的内表面上彼此电学上分离；
-电阻层，其在该第二衬底的内表面上，使得该电阻层面对该敏感区域。在没有在衬底上施加的力的情况下，指示静止状态的第一电信号通过控制电路在第一和第二迹线之间施加參考电压来产生。响应于施加到衬底中柔性的ー个的力，电阻层将第一组的指状物和第二组的指状物一起与取决于电阻层的电阻率且取决于所施加的力的电阻进行接触和电连接。因此，该控制电路能够当在第一和第二迹线之间施加所述參考电压时产生指示所施加的力的第二电信号。这样的压敏换能器组件已经在US2006/0007172A1被描述，其中其包括力感测电阻器，在其静止状态中没有预加载防止两个衬底之间的接触的空气间隙的情况下该カ感测电阻器进行工作。这样的力感测电阻器将在下文被指定为标准力感测电阻器。W02009/070503A1公开了替代实施例，其中力感测电阻器被设计成在其静止状态中的预加载状况下进行工作，即使在没有外部施加的力的情况下，衬底彼此触及。这样的力感测电阻器将在下文被指定为预加载的カ感测电阻器。当前的换能器组件并不是完全令人满意的，当组件为不同的情形提供相同的输出吋，不可能容易地检测该组件何时从控制电路被断开。对于使用标准カ感测电阻器的组件，通过其连接装置提供给控制电路的输出电压在其被断开且处于其静止状态(没有外部施加的力)时基本上等于恒定电压。对于使用预加载感测电阻器的组件，通过其连接装置提供给控制电路的输出电压在其被断开时且在预加载状况损耗时基本上等于恒定电压。尤其重要的是，能够检测诸如汽车行业中的应用中的组件的断开，因为大量的部件被同时组装，并且通过压敏换能器组件由按钮所控制的功能可能是关键的。另ー个重要的问题是，能够进行关于カ感测电阻器的状态的诊断，以便检测异常，诸如カ感测电阻器和中央単元之间的不良接触、预加载状况的损耗、电子设备故障、カ感测电阻器连接器的断开或超出力感测电阻器的正常操作范围的操作。常见的解决方案提供了附加的接触引脚或线路和固定的电阻层，该附加的接触引脚或线路出于由中央単元测试的目的，以便检查引脚和力感测电阻器的连接之间的连续性及其特性，该固定的电阻层与处于线测试器(EOLT)或在线上的(in-line)测试器的末尾处的模拟驱动器或照相机测试一起被直接印制在力感测电阻器上，以通过使用形状检测原理来检查将力感测电阻器的连接器部分正确插入到连接装置中。然而，出于测试目的添加的新引脚暗含了用于连接器和用于カ感测电阻器的更高的成本。由于产品内的连接器区域的小空间和不良的可见性，EOLT或在线上的视觉检查和照相机测试也増加了成本和组装时间，并且不能被容易地实现。进ー步，仅有的可以被检测的电子设备故障是对接地或对电源的短接。在力感测电阻器驱动器中的任何其它电子设备故障将不被检测。此外，这些常见的解决方案不允许将电子设备故障与力感测电阻器超出其正常操作范围的使用相区分。模拟驱动器的分辨率不足以检测预加载状况的损耗。尽管力感测电阻器的电连接器部分和该连接器之间的接触可以被检查，正确的插入仍需要被检查。

发明内容
本发明的目的在于通过提供容易实现且有成本效率的解决方案来克服前述缺陷。出于该目的，提供了ー种压敏换能器组件，其包括压カ感测电阻器，所述压カ感测电阻器包括
-第一和第二衬底，其均具有内表面，其中衬底中的至少ー个是柔性的，以便响应于所施加的力向衬底中的另ー个移动；
-多个导电迹线，其在至少第一衬底的内表面上，第一迹线包括第一组指状物，该第一组指状物与和第二迹线有关的第二组指状物相间错杂，以便一起限定敏感区域，该第一组指状物和第二组指状物在该第一衬底的内表面上彼此电学上分离；以及
-电阻层，其在该第二衬底的内表面上，使得该电阻层面对第一组指状物，
其特征在于，衬底之一的内表面上的辅助迹线通过恒定电阻将第一迹线连接到第二迹线，该恒定电阻不取决于施加到衬底的力，所述电阻具有的值远大于当外部力被施加到衬底时能够在经过指状物的迹线之间被间接测量的电阻的值。本发明的优点在于在不需要额外连接引脚的情况下，其需要压敏换能器组件的非常少的修改。根据本发明的有利特征，所述カ感测电阻器被配置成在预加载状况下进行工作，即使在组件的静止状态中，所述电阻层与指状物相接触。在该情况下，由于辅助迹线和恒定电阻，可能检测预加载损耗。因此，可以关于组件来进行防护性维护动作。可以产生警告信号来通知用户该组件可能不正确地工作。根据本发明的其它有利特征
-所述辅助迹线被布置在敏感区域之外；
-第一迹线包括第一横向臂，从该第一横向臂向第二迹线的第二横向臂延伸多个纵向指状物，从该第二横向臂向该第一横向臂延伸多个纵向指状物，所述辅助迹线从第一迹线的无指状物的端部延伸到第二横向臂；
-所述辅助迹线包括连接到第一迹线的第一部分和连接到第二迹线的第二部分，所述第一和第二部分通过形成恒定电阻的电阻层的衬垫彼此电学上分离；
-所述第一迹线、所述第二迹线、和所述辅助迹线被布置在第一衬底的内表面上。根据本发明的另外的有利特征
-组件进一歩包括诊断装置，该诊断装置包括所述恒定电阻，用于检测该カ感测电阻器的电子设备故障；
-所述诊断装置进ー步包括力感测电阻器的频率驱动器，用于检测预加载状况的损耗和正常操作范围之外的操作；
-所述电阻被用于利用更精确的阈值来改善对预加载状况的损耗的检测；
-诊断装置进ー步包括所述电阻层，用于通过连接装置来检测所述组件和外部中央单元之间的不良接触；
-所述连接装置由具有特定图案的若干连接引脚制成，其中两个外部连接引脚比其它中央连接引脚稍短，并且其中所述诊断装置进ー步包括用于检测组件的断开的连接装置的所述特定图案。本发明还提供一种系统，其包括控制根据前述权利要求中的任一项的压敏换能器组件的中央単元，所述中央単元通过连接装置与所述组件连接，以便在组件的第一和第二迹线之间施加參考电压或频率，使得
-在没有在衬底上施加的力的情况下，产生指示静止状态的第一电信号，
-响应于对衬底中柔性的一个所施加的力，来产生指示施加的力的第二电信号，以及 -当组件被断开时，产生指示组件断开的第三电信号。有利地，当预加载状况损耗且在第一和第二迹线之间施加參考电压或频率时，产生指示预加载状况损耗的第四电信号。本发明还提供一种用于如上所述的系统的控制方法，包括以下步骤
-通过所述连接装置在第一和第二迹线之间施加參考电压或频率，
-通过所述连接装置测量组件的输出电压或频率，
-将输出电压或频率与各种电压电平进行比较，
-产生指示组件的状态的电信号，
其特征在于
-当输出电压或频率等于在第一和第二迹线之间所测量的静止状态电压或频率时，产生指示组件的静止状态的第一电信号，
-当输出电压或频率等于表示在敏感区域上施加的カ的预定值时，产生指示所述施加的力的第二电信号，以及
-当输出电压或频率基本上等于指示组件的断开的断开电压或频率时，产生第三电信号。有利地，当输出电压或频率基本上等于通过所述恒定电阻在第一和第二迹线之间所测量的预加载损耗电压或频率时，产生指示组件的所损耗的预加载状况的第四电信号。


现在參考附图将以示例的方式来描述本发明，其中
-图1是示意性示出了根据本发明的包括压敏换能器组件的系统的框图，
-图2是示意性示出了图1的组件及其预加载的力感测电阻器的结构的分解图，
-图3是示意性示出了图2的力感测电阻器的部分截面图，
-图4示意性示出了图2的组件的上视图，
-图5是示意性示出了图2的组件的接触引脚的图2的组件的连接器部分的视图。
具体实施例方式在以下描述中，相似的特征可以用相同的參考标记来指定。
现在參考图1，示出了根据本发明的优选实施例的系统10，该系统10包括控制压敏换能器组件14的中央単元12，该压敏换能器组件14包括预加载的力感测电阻器16。例如，系统10是用于在汽车的乘客车厢中使用的控制面板。所述中央単元12通过连接装置18被连接到所述组件14以便提供參考电压Vref或频率Fref给组件14。如图2、3和4中所示，组件14包括均具有内表面24、26的第一衬底20和第二衬底22。优选地，所述衬底20、22是柔性的，以便响应于所施加的力Fa向衬底中的另ー个移动。衬底20、22可以是从例如聚脂薄膜或PET (聚こ烯对苯ニ甲酸盐)材料的一片材料获得的个别部分。第一和第二导电迹线28、30被印制在第一衬底20的内表面24上，以及电阻层28被布置在第二衬底22的内表面26上。第一迹线28包括第一组指状物32，该第一组指状物32与和第二迹线30有关的第ニ组指状物34相间错杂，以便一起在第一衬底20的内表面24上限定敏感区域36，其中该电阻层38面对相间错杂的指状物32、34。该第一组指状物32和第二组指状物34在该第一衬底20的内表面24上彼此电学上分离。根据所不的实施例，第一迹线28包括第一横向臂40,从该第一横向臂40向第二迹线30的横向臂42延伸多个纵向指状物32，多个纵向指状物34从该第二横向臂42向该第一横向臂40延伸。如图3中所示，第一衬底20被放置在第二衬底22之下，使得迹线28、30被放置在电阻层38之下。当然，如果第一衬底20被放置在第二衬底22之上使得迹线28、30被放置在电阻层38之上，则预加载的カ感测电阻器16也同样起作用。迹线28、30可以通过本领域已知的任何合适的手段来被形成在第一衬底20上。例如，迹线28、30可以通过将导电材料沉积到第一衬底20上并接着选择性移除导电材料的若干部分来限定迹线28、30而被形成。迹线28、30还可以通过在第一衬底20上沉积导电聚合物厚膜油墨(通常通过丝网印刷)来被形成。迹线28、30的尺寸取决于カ感测电阻器16的尺寸、衬底20、22的材料和构造、电阻层38的材料和构造，等等。电阻层38可以是カ感测电阻器油墨。第一和第二衬底20、22 —直彼此相接触，使得第二衬底22的电阻层38与第一衬底20的指状物32、34接触和电连接在一起。针对彼此按压衬底20、22的偏置力Fb即使在没有在衬底中的至少ー个上外部施加的力Fa的情况下也是存在的，并且与组件14的静止状态相对应。根据所示的实施例，通过握紧底部支撑41和上部覆盖43之间的カ感测电阻器16来提供偏置力Fb。上部覆盖43可以是系统10的外侧覆盖，在其上可以施加触觉压力。电阻层38将迹线28、30与相反地取决于偏置力Fb的量的电阻短接在一起。同样地，迹线28、30之间的电阻随着该偏置力Fb增加(減少)而减少(增加)。根据本发明的优选实施例，偏置力Fb是基本上恒定的，使得迹线28、30之间的电阻在没有外部施加力Fa被施加的情况下是基本上恒定的。在将外部力Fa在朝向衬底20、22中的另ー个的方向上施加到衬底20、22中的一个时(例如，在第二衬底22上的触摸按压)，衬底20、22用更大的力彼此接触。就是说，衬底20,22受到偏置力Fb和增加以形成总カFt的外部施加力Fa。电阻层38将迹线28、30与相反地取决于总力Ft的量的电阻短接在一起。同样地，迹线28、30之间的电阻随着该总カ增加而減少。根据所示的实施例，组件14进ー步包括后粘合层44，其附着于第一衬底20的底侦U。未示出的是在第二衬底22的顶部上的可选的顶部环境保护层。组件14进ー步包括尾部加固物46，用于对第一衬底20的连接器部分48提供结构支撑。尾部加固件46可以提供附加的厚度，以满足用于将连接器部分48插入到连接装置18的补充连接器部分中的规范。在所示的实施例中，连接器部分48具有两个连接引脚47、49，分别与第一迹线28和第二迹线30相对应。根据替代实施例(未示出)，迹线28、30可以被布置在由两个第一和两个第二组指状物32、34所界定的两个敏感区域所形成的两个区域内。多个区域允许了不同的功能，诸如定位任一个衬底20、22上的压カ的位置、允许在两个位置上的独立的压カ测量，等等。根据本发明的教导，辅助迹线50被提供在第一衬底20的内表面24上，其通过不取决于被施加到衬底20、22的力Fa的恒定电阻51来将第一迹线28连接到第二迹线30。所述恒定电阻51具有值Rl，该值Rl远大于在外部力Fa被施加到衬底20、22时可以在经过指状物32、34的迹线28、30之间间接测量的电阻的值Ra，所述值Ra通常小于50千欧。优选地，恒定电阻51具有高于100千欧的值，例如200千欧或I兆欧。这种恒定电阻51不需要具有关于其值Rl的高精度；值Rl仅需要远大于电阻Ra的值。根据所示的实施例，所述辅助迹线50从第一迹线28的无指状物的端部52延伸到第二横向臂42。优选地，所述辅助迹线50包括连接到第一迹线28的第一部分54和连接到第二迹线30的第二部分56。第一部分54和第二部分56沿着横轴向彼此延伸，并且通过形成恒定电阻51的电阻层的衬垫58在第一衬底20的内表面24上彼此在电学上分离，第一部分54和第二部分56分别被连接到衬垫58的每个横向末端。用于衬垫58的电阻层应当至少部分地由半导体材料制成，并且其尺寸和成分应当根据要被获得的恒定电阻值Rl来进行选择。有利地，所述辅助迹线50被布置在敏感区域36的外侧，在第二衬底22的内表面26上没有电阻层38面对恒定电阻51，使得电阻层38的值Rl由构造所预定义，并且在衬底20,22上的外部压カFa下不变化。中央単元12通过经由连接装置18和连接器部分48在第一和第二迹线28、30之间施加參考电压Vref或替代地施加參考频率Fref来控制压敏换能器组件14，使得 -在没有在衬底20、22上施加的力的情况下，产生指示静止状态的第一电信号SI，
-响应于对衬底20、22中柔性的一个所施加的力Fa，来产生指示施加的力Fa的第二电信号S2，
-当组件14被断开时，产生指示组件断开的第三电信号S3，
-当预加载状况损耗时，产生指示预加载状况损耗的第四电信号S4，
因为系统10的组装期间的安装问题，组件14的断开可能发生。系统10甚至可以检测组件14的缺少，因为其将呈现为断开。万一组件的部分损坏，使得电阻层38可能不再短接迹线28、30，则其也将被系统检测为组件断开。现在将描述根据本发明的用于系统10的控制方法。所述控制方法包括以下步骤 -通过所述连接装置18在第一迹线28和第二迹线30之间施加參考电压Vref或參考
频率Fref,
-通过所述连接装置18测量组件14的输出电压Vout，相应地测量组件14的输出频率Fout,
-将输出电压Vout与各种电压电平V1、V2、V3、V4进行比较，相应地将输出频率Fout与各种频率电平F1、F2、F3、F4进行比较，
-产生指示组件14的状态的电信号。该电信号产生步骤进ー步被限定为
-当输出电压Vout (相应地是输出频率Fout)等于在第一迹线28和第二迹线30之间所测量的静止状态电压Vl (相应地是静止状态频率Fl)时,产生指示组件14的静止状态的第一电信号SI,
-当输出电压Vout (相应地是输出频率Fout)是表示在敏感区域36上施加的力Fa的预定值V2 (相应地是F2)时，产生指示所述施加的力Fa的第二电信号S2，以及
-当输出电压Vout (相应地是输出频率Fout)基本上等于指示组件14的断开的断开电压V3(相应地是断开频率F3)时，产生第三电信号S3。优选地，当输出电压Vout (相应地是输出频率Fout)基本上等于通过所述恒定电阻51在第一迹线28和第二迹线30之间所测量的预加载损耗电压V4(相应地是预加载损耗频率F4)时，产生指示组件14的所损耗的预加载状况的第四电信号S4。如以上呈现的对于组件14的另ー个重要问题是提供可靠的诊断装置，其将提供整个范围的力感测电阻器诊断。这些诊断装置将优选地包括
用于提供关于连接器部分48和连接装置18的补充部分之间的不良接触的信息的电阻层38，
检测预加载状况的损耗和力感测电阻器16在其正常操作范围的使用的频率驱动器(未示出)，
用于检测力感测电阻器16上的任何种类的电子设备故障以及通过补偿电阻层38的低精度来改善预加载损耗阈值精确度的恒定电阻51。在以下表格中概述了完全诊断能力
权利要求
1.一种压敏换能器组件(14)，包括力感测电阻器(16)，所述力感测电阻器(16)包括 -第一衬底(20 )和第二衬底(22 )，均具有内表面(24，26 )，其中所述衬底(20，22 )中的至少一个是柔性的，以便响应于所施加的力(Fa)向所述衬底中的另一个移动； -多个导电迹线(28，30)，其在至少第一衬底(20)的内表面(24)上，第一迹线(28)包括第一组指状物(32)，该第一组指状物(32)与和第二迹线(30)有关的第二组指状物(34)相间错杂，以便一起限定对所施加的力(Fa)的敏感区域(36)，该第一组指状物(32)和第二组指状物(34)在该第一衬底(20)的内表面(24)上彼此电学上分离；以及 -电阻层(38 )，其在该第二衬底(22 )的内表面(26 )上，使得该电阻层(38 )面对所述第一组指状物(32)， 使得响应于施加到衬底(20，22)中柔性的一个的力(Fa)，电阻层(38)将第一组的指状物(32)和第二组的指状物(34)与取决于电阻层(38)的电阻率且取决于所施加的力(Fa)的电阻(Ra) —起进行接触和电连接， 其特征在于，衬底(20，22)之一的内表面(24)上的辅助迹线(50)通过恒定电阻(51)将第一迹线(28)连接到第二迹线(30)，该恒定电阻(51)不取决于施加到衬底的力(Fa)，所述电阻(51)具有的值(Rl)远大于当外部力(Fa)被施加到衬底(20，22)时能够在经过指状物(32，34)的迹线(28，30)之间被间接测量的电阻的值(Ra)。
2.如权利要求1中所述的组件(14)，其中所述力感测电阻器(16)被配置成在预加载状况下进行工作，即使在组件(14 )的静止状态中，所述电阻层(38 )与指状物(32，34 )相接触。
3.如权利要求1或2中所述的组件(14)，其中所述辅助迹线(50)被布置在敏感区域(36)之外。
4.如前述权利要求的任意一项中所述的组件(14)，其中所述第一迹线(28)包括第一横向臂(40)，从该第一横向臂(40)向第二迹线(30)的第二横向臂(42)延伸多个纵向指状物(32 )，从该第二横向臂(42 )向该第一横向臂(40 )延伸多个纵向指状物(34 )，所述辅助迹线(50 )从第一迹线(28 )的无指状物的端部(52 )延伸到第二横向臂(42 )。
5.如前述权利要求的任意一项中所述的组件(14)，其中所述辅助迹线(50)包括连接到第一迹线(28)的第一部分(54)和连接到第二迹线(30)的第二部分(56)，所述第一和第二部分(54，56)通过形成恒定电阻(51)的电阻层的衬垫(58)彼此在电学上分离。
6.如前述权利要求的任意一项中所述的组件(14)，其中所述第一迹线(28)、所述第二迹线(30 )和所述辅助迹线(50 )被布置在第一衬底(20 )的内表面(24 )上。
7.如前述权利要求的任意一项中所述的组件(14)，其中其进一步包括诊断装置，所述诊断装置包括用于检测力感测电阻器(16)的电子设备故障的所述恒定电阻(51)。
8.如前一权利要求中所述的组件(14)，其中所述诊断装置进一步包括力感测电阻器(16)的频率驱动器，用于检测预加载状况的损耗和正常操作范围之外的操作。
9.如前一权利要求中所述的组件(14)，其中所述电阻(51)被用于利用更精确的阈值来改善对预加载状况的损耗的检测。
10.如权利要求7至9的任意一项中所述的组件(14)，其中所述诊断装置进一步包括所述电阻层(38)，用于通过连接装置(18)来检测所述组件(14)和外部中央单元(12)之间的不良接触。
11.如前一权利要求中所述的组件(14)，其中所述连接装置(18)包括具有特定图案的若干连接引脚，其中两个外部连接引脚(47，49)比其它中央连接引脚稍短，并且其中所述诊断装置进一步包括用于检测组件(14)的断开的所述连接装置的所述特定图案。
12.包括中央单元(12)的系统(10)，所述中央单元(12)控制根据前述权利要求中的任一项的压敏换能器组件(14)，所述中央单元(12)通过连接装置(18)与所述组件(14)连接，以便在组件(14)的第一迹线(28)和第二迹线(30)之间施加参考电压(Vref)，使得 -在没有在衬底(20，22)上施加的力的情况下，产生指示静止状态的第一电信号(SI)，-响应于对衬底(20，22)中柔性的一个所施加的力(Fa)，来产生指示施加的力(Fa)的第二电信号(S2)，以及 当组件(14)被断开时，产生指示组件断开的第三电信号(S3)。
13.如前一权利要求中所述的系统(10)，其特征在于，其包括如权利要求2中所述的组件(14)，使得当预加载状况损耗且在第一和第二迹线(28，30)之间施加参考电压(Vref)时，产生指示预加载状况损耗的第四电信号(S4)。
14.用于根据权利要求12或13的系统(10)的控制方法，包括以下步骤 -通过所述连接装置(18)在第一和第二迹线(28，30)之间施加参考量，所述参考量是电压或频率(Vref ；Fref ), -通过所述连接装置(18)测量组件(14)的输出量(Vout ；Fout), -将输出量(Vout ；Fout)与各种量电平(VI，V2，V3，V4 ；F1, F2，F3，F4)进行比较， -产生指示组件(14)的状态的电信号， 其特征在于 -当输出量(Vout ；Fout)等于在第一和第二迹线(28，30)之间所测量的静止状态量(VI; Fl)时，产生指示组件(14)的静止状态的第一电信号(SI)， -当输出量(Vout ;Fout)等于表示在敏感区域(36)上施加的力(Fa)的预定值(V2 ；F2)时，产生指示所述施加的力(Fa)的第二电信号(S2)，以及 -当输出量(Vout ；Fout)基本上等于指示组件(14)的断开的断开量(V3; F3)时,产生指示组件(14)的断开的第三电信号(S3)。
15.应用于根据权利要求13的系统(10)的如前一权利要求中所述的控制方法，其特征在于，当输出量(Vout ；Fout)基本上等于通过所述恒定电阻(51)在第一和第二迹线(28，30)之间所测量的预加载损耗量(V4; F4)时，产生指示组件(14)的所损耗的预加载状况的第四电信号(S4)。
全文摘要
包括力感测电阻器(16)的压敏换能器组件(14)，所述力感测电阻器包括第一和第二衬底(20,22)；在第一衬底的内表面上的至少第一和第二导电迹线(28,30)，包括限定敏感区域(36)的相间错杂的指状物(32,34)；以及电阻层(38)，其面向敏感区域，其特征在于，第一衬底的内表面上的辅助迹线(50)通过恒定电阻(51)将第一迹线连接到第二迹线，该恒定电阻(51)不取决于施加到衬底的力，所述电阻(51)具有的值远大于当外部力被施加到衬底时能够在指状物(32,34)之间被间接测量的电阻的值。还提出了系统和控制方法。
文档编号G01L1/20GK103026195SQ201180037205
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年7月30日
发明者E.奥弗雷尔, C.马尔, S.奥贝热, P-B.普吕多姆 申请人:德尔菲技术公司