泡沫压力传感器的制作方法

本发明涉及压力传感器，并且更具体地，涉及一种电容式泡沫压力传感器和包括这种传感器的系统。

存在可以检测压力的几种方式。一种方式是利用压力传感器。压力传感器用于数千个日常应用中的控制和监视。压力传感器还可以用于间接地测量其他变量，例如流体/气体流量、速度、水位和高度。压力传感器可以可替选地称为压力换能器、压力变送器、压力发送器、压力指示器、流压计和压力计、以及其他名称。

压力传感器的用途很多。例如，压力传感器可以用于测量冲击力以及持续的压力。这些用途仅仅是示例，并且还可以提供其他用途。

技术实现要素：

导电电极被放置在泡沫片的任一侧面上。通过测量这两个电极的平行板电容，可以确定泡沫已被压缩的程度。通过使用不同的导电材料或印刷电子图案，可以制造更先进的传感器。

在一个实施方式中，公开了一种压力传感器，其包括第一板、第二板和设置在第一板与第二板之间的泡沫。该泡沫是具有约50μm至250μm的平均泡孔尺寸和5lbs/ft³至30lbs/ft³之间的密度的聚氨酯泡沫。

在另一实施方式中，公开了一种压力传感器，其包括第一板、第二板和设置在第一板与第二板之间的泡沫。该压力传感器还包括设置在第一板或第二板中的一个的表面上的导体包覆压电膜。

附图说明

在说明书所附的权利要求书中特别指出并且明确要求保护被认为是本发明的主题。从下面结合附图的详细描述中，本发明的前述和其他特征和优点是明显的，其中：

图1A和图1B示出了泡沫电容器的示例；

图2示出了用于读取泡沫电容器的电容的电路；

图3示出了如图2所示的电路中的压缩的和非压缩的泡沫电容器的示例响应；

图4示出了与压电传感器相组合的泡沫电容器；以及

图5示出了用于读取图5的组合的电路。

具体实施方式

根据一个实施方式，公开了一种压力传感器。压力传感器可以是独立的传感器或者可以用作包括压力传感器的系统的一部分。在一个实施方式中，所公开的压力传感器采取两个导电电极的形式，该两个导电电极呈由泡沫材料分隔开的板的形式。当在所述板中的一个或全部两个上施加压力时，泡沫被压缩。改变所述板之间的距离引起传感器的电容改变。该改变与所施加的压力的量相关。

所公开的传感器可以用在许多不同的环境中，包括但不限于：用于头盔的冲击传感器；用于头盔和鞋类的磨损传感器；用于公共交通的乘客的检测；以及汽车座椅-能够为安全带传感器区别人与行李。

图1A和图1B示出了被实施为根据一个实施方式形成的电容器100的压力传感器的示例。该电容器包括第一电极102和第二电极104。在一个实施方式中，每个电极是具有面积A的板。在所示的实施方式中，电极由泡沫材料(泡沫)106分隔开。

如本文所使用的，“泡沫”是指具有泡孔(cellular)结构的聚合材料，其中所述泡孔可以是开放的(网状的)或闭合的。泡沫的性质(例如，密度、模量、压缩负载偏转(deflection)、拉伸强度、撕裂强度等)可以通过改变如本领域中已知的反应性组合物的组分来调节。泡沫是软的并且可以具有低于65磅每立方英尺(pcf)、具体地小于或等于55pcf(881kg/m³)、更具体地不大于25pcf(400kg/m³)的密度，基于聚合泡沫的总体积的20％至99％、具体地30％至80％的空隙体积含量。在一些实施方式中，泡沫具有5磅/立方英尺至30磅/立方英尺(lb/ft³)(80kg/m³至481kg/m³)的密度，0.5lb/in²至20lb/in²(0.3kg/m²至1.41kg/m²)的25％压缩力偏转(CFD)，以及小于10％、具体地小于5％的在70°F(21℃)处的压缩永久变形(compression set)。如本领域中已知的，聚合物泡沫由在发泡之前或伴随发泡而混合的前体组合物制成。

可以使用各种各样的聚合物，包括各种热塑性树脂或热固性树脂。可以使用的聚合物的示例包括聚缩醛、聚丙烯酸、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚烯烃、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺(诸如尼龙6、尼龙6,6、尼龙6,10、尼龙6,12、尼龙11或尼龙12)、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯、聚氨酯(polyurethane)、乙烯丙烯橡胶(EPR)、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、硅酮等、或者包括以上聚合物中的至少一个。

在一些实施方式中，泡沫是聚氨酯泡沫或有机硅泡沫。基于开孔的低模量聚氨酯泡沫有利的压缩力偏转、压缩永久变形(compression set)以及它们的良好的耐磨性，优选的是开孔的低模量聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫可以具有约50μm至250μm(如可以根据ASTM D 3574-95测量的)的平均泡孔尺寸、约5lb/ft³至30lb/ft³之间、具体地6lb/ft³至25lb/ft³之间的密度、小于约10％的压缩永久变形和约1psi至9psi(7kPa至63kPa)之间的力偏转。这种材料例如由Rogers Corporation，Woodstock，Conn以商品名PORON销售。已经配制PORON泡沫以提供优异的性能范围，包括优异的耐压缩永久变形性。具有这种耐压缩永久变形性的泡沫可以在负载下提供延长的时间内的缓冲并且保持其原始形状或厚度。

电容器100的电容基于板102、104的分隔。该分隔示出为图1A中的尺寸D1以及图1B中的尺寸D2。如图所示，D1大于D2。

限定电容器的电容的等式的一般形式可以写为：

C＝ε(A/D) (1)

其中ε是板(在这种情况下，泡沫)之间的材料的介电常数，A是板的面积，D是板之间的距离。

若设D1大于D2，则图1A中的电容器的电容将小于图1B中的电容器的电容。当然，它们中的任一个可以包括连接至板102/104的引线110/112以允许电容器100附接至电路。

图2示出了简单电路200，其中可以采用图1A/B中的电容器100。该电路包括电流源202。在一个实施方式中，电流源202可以以变化的频率或以特定的频率提供电流。电路202还可以包括电阻器204和电容器100。电阻器204可以是实际的电阻器或者可以是电路的电阻的表示。电阻器204和电容器100的组合将提供具有由R和C的值限定的、并且与C成反比的截止频率的低通滤波器。因此，随着C减小，截止频率增大，反之亦然。由上可知，随着板之间的距离减小，电容增大。因此，截止频率与距离之间的关系基本上是比例关系。这允许电容器100被用作压力传感器。也就是说，随着压力增大，电容增大。

更具体地，截止频率通常可以表示为：

从上面代替C得到：

这在其中频率相对于增益(以dB为单位)而绘制的图3中进一步示出。第一迹线302示出了当泡沫106丝毫未被压缩时电路200的示例响应。第二迹线304示出了当泡沫106被完全压缩时电路200的示例响应。截止频率f_{c-uncompressed}大于截止频率f_c-compressed，意味着电容随着D的减小而增大。由于D与泡沫相关，所以当压力增大时，D减小。因此，随着压力增大，电容也增大。

当截止频率减小时，在高于该截止频率(例如，如线310所示)的任何频率处，输出(例如，图3中的Vout)之间的差(示为△)将与泡沫被压缩的量相关。也就是说，△可以用作压力的相对测量(或至少其代理)。

应理解，电路200还可以包括可选的电感器206。虽然精确的数学表示可不同于上面描述的数学表示，但是在这种情况下，△的值将再次与压力成比例。在使用中，无需一定使用增益作为△的标度。例如，可以使用电压或电流。

在一个实施方式中，模数转换器可以在Vout处转换感测到的电压/电流并且随时间进行采样。基于测量的采样电平和时序，发生预定的测量下降(例如，3dB或其他△)的时间将被记录。该时间将对应于频率并且因此对应于如上所述的压力传感器100的电容。

在一个实施方式中，可以通过印刷迹线来形成更复杂的传感器，使得可以在泡沫的给定部分上形成并且测量多个电容器。

在另一个实施方式中，如图4所示，泡沫电容器100可以包括形成在板102/104中的一个上的压电传感器402。在一个实施方式中，压电传感器402由设置在电容器100的第一板或第二板中的一个的表面上的导体包覆压电膜形成。在一个实施方式中，压电膜/传感器402被配置成具有比泡沫压力传感器100的带宽大(即，较低的RC)的带宽(如由测量/传感器电容RC时间常数限定)。在一个实施方式，RC时间常数是大于泡沫压力传感器100的量级或量值的量级或量值。

在这种情况下，可以使用图5的电路，其中传感器402和泡沫电容器100并联连接。模数转换器502以已知的方式测量传感器402的响应，并且电容传感器504可以如上所述关于图2所示的电路200而工作。在图5中，压力导体包覆压电膜连接在模数转换器502与地电平之间，并且泡沫电容器连接在电容传感器504与地电平之间。

另外，图4和图5中所示的配置可以提供具有高带宽冲击传感器和较低带宽压力传感器的混合传感器。这将能够测量冲击的量值和持续时间。

除非上下文清楚地另外指明，否则单数形式包括复数个指示物。关于同一特征或部件的所有范围的端点可独立组合并且包括所述端点。所有参考文献均通过引用并入本文中。如在本文中且贯穿全文所使用的，“设置”、“接触”及其变型是指相应材料、基板、层、膜等之间的完全或部分物理接触。另外，本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分一个元件与另一元件。

尽管为了说明目的而阐述了典型的实施方式，然而前述描述不应被视为对本文范围的限制。因此，在不脱离本文的精神和范围的条件下，本领域技术人员可以做出各种修改方案、适应方案和替代方案。