磁力致动的印刷膜片开关及其应用
【专利说明】磁力致动的印刷膜片开关及其应用
[0001]相关申请
[0002]本申请主张于2013年3月14日提交的美国临时申请US61/782，540的优先权，该专利申请通过援引其整体上并入本文。
技术领域
[0003]本发明概括而言涉及膜片开关，而更具体而言涉及由磁力致动的印刷膜片开关。
【背景技术】
[0004]开关典型地是电动或手动控制的双态装置，该双态装置操作为断开和闭合电路中的导电元件或接触件，由此影响电路或电路的至少一部分的操作。例如，一开关通过中断电流、或使电流从一个导体转移至另一个导体、或者使得电流沿两个导体或在两个导体之间流动而操作为断开或形成一电路。开关也可提供用于重定向或偏置电路中的电流的一手段，以启用或禁用电路的另一部分的功能。存在开关的很多类型，例如包括机电设备(如光开关)、簧片(reed)开关、继电器、闭锁开关(latching switch)以及膜片开关，这些仅为举例。
[0005]继电器是一种通过另一电路来操作的电开关。例如，一些继电器使用一电磁体或仅在电场存在时产生磁场的一材料，以致动切换机构。继电器通常结合有线圈，从而当电流通过线圈时，线圈能产生一磁场。继而，基于所述的结构，磁场致动一铁基衔铁(ferrousarmature)，且衔铁与一固定接触件建立或断开连接，以断开或闭合电路。继电器通常用于通过使用一低功率信号来控制以高功率运行的一电路。
[0006]—种离散的簧片开关是一种通过一施加的磁场而操作的一电开关。在一种简单的形式中，一簧片开关例如包括:至少两个能磁化的柔性金属簧片，当所述开关断开时，在各簧片的一端上分离开一小间隙。由一电磁体或永磁体产生的磁场存在时，簧片被迫接触在一起，由此消除所述间隙并闭合所述开关，以使电路完整。可替代地，簧片接触，从而所述开关闭合，而一磁场的存在迫使它们分离开，由此断开开关以切断或中断电路。
[0007]—种离散的簧片开关可包括:多个铁基金属簧片，典型地气密地密封在一玻璃套中，以保护所述多个簧片免受大气腐蚀和/或金属簧片的氧化，这可减少或负面影响金属的导电属性。然而，这些开关在结构上结合到电路中由于它们的尺寸和刚度而在经济上是不可行的或者是不合适的，由此限制了它们的应用。
[0008]闭锁开关是一旦被致动就保持其状态的开关，且仅在第二次致动时返回到其原始状态。例如，在开关的第一次致动时一电路形成或断开，而仅在开关的第二次致动时电路断开或形成。
[0009]在题为“Laminated Relays with Multiple Flexible Contacts (具有多个柔性接触件的层叠式继电器)”的美国专利US7，215，229 (下文称为“’ 229”专利)中描述了一种类型的闭锁开关。在’ 229专利中，一层叠的电子机械系统(LEMS)开关包括“多个结构层，这包括至少两个结构层，各结构层包括一柔性元件。所述多个结构层堆叠且对齐成一叠(stack)，以形成至少一个开关。该叠中的各结构层附接于该叠的一相邻的结构层。当所形成的开关处于一“启动(on)”状态时，第一柔性元件接触第二柔性元件”(摘要)。将第一柔性元件致动到一第一稳定状态(即所述第一柔性元件接触所述第二柔性元件)通过一永磁体层(其产生磁场以引起第一柔性元件的磁性材料的磁化)而完成。与第一磁场相反的一第二磁场通过一电磁体或线圈产生，且当通过将电流施加于该线圈而致动时，所述第一柔性元件返回至第二稳定状态(即所述第一柔性元件不接触所述第二柔性元件)。
[0010]尽管所述多个层叠层使闭锁开关更简单，从而它们可结合到更广泛的各种应用中，但是由于开关的闭锁功能，闭锁开关仍有些复杂，且将它结合到许多应用(包括类似包装的低成本的物品)中可能是不经济的。
[0011]—种更简单的非闭锁开关结构是膜片开关。膜片开关是一种印刷在一柔性基体(诸如PET或ΙΤ0)上的电开关。膜片开关通常通过施加垂直基体的力而被致动，以即刻断开或闭合一相应的电路。膜片开关典型地是非闭锁开关，因为他们暂时断开或闭合，当力存在时所述电路更常见的是闭合。
[0012]—种膜片开关典型地具有多层。膜片开关的顶层能够是使用者和机器之间的一图形界面(例如键盘上的键)。另一层是一印刷电路。这也可是由铜和聚酰亚胺材料制成的一柔性电路。例如，参照图1A，一膜片开关10可包括一第一层或基体12，其具有由一间隙16间隔开的一第一导电迹线14a和一第二导电迹线14b。经由一间隔层20与第一基体12间隔开的一第二层或基体18包含或保持一导电迹线22或分流器。参照图1B，当施加垂直于第一层12和第二层18的力F时，导电分流器22被迫接触两个迹线14a、14b中的每一个，以使电路完整。
[0013]因为它们的简单性和灵活性，制造膜片开关比其它常规开关便宜。然而，膜片开关的常见用途仍然稍限于例如计算机键盘、触摸屏、控制面板等。
[0014]由于印刷电路技术日益增加的灵活性，对于印刷电子产品或电子设备的新的应用已经在考虑。这些应用可例如包括包装(packaging)、包封(wrapping)、促销物品、一次性物品、标牌(signage)、服装等。电子产品可以提供新奇的审美特征或功能特征(诸如视觉特征或声音特征)给各种物品，以作为一种吸引潜在的客户或买家来购买这些产品或以其它的方式提高这些产品的价值的手段。电子产品还可提供一种“智能”特征，以在物品上显示或提供信息(如价格、截止日期、温度等)。电子产品典型地是经由钮扣(coin cell)电池或印刷电池来电池供电。
[0015]在包含电子产品的物品的运输、邮递和/或储存期间，希望维持电池供电的电子产品或电路处于关闭或低功率状态。例如，在包装结合有电子产品的情况下，运输和/或储存需要的时间可能比电池的寿命长，从而如果电子产品在整个时间运行的话，它们在到达目的地时将不再能工作或工作的时间不能令人不满意。这也可能是这种情况，对于安全、加工、处理或其它筛选过程，电子产品的运行可能是破坏性的，且因此不允许电子产品在这些过程期间运行。
[0016]开关结合到电子产品的电路可起到断电，或保持电子产品处于低功率状态直到它们被故意致动的功能。然而，常规的开关要么太复杂要么成本太高而不能经济地或有效地结合到印刷电路中，或者它们可能无法提供正确的功能(例如手动膜片开关)，或者它们可能不会提供一兼容的形式因素(诸如典型地与邮寄物品相关的薄的且柔性的因素)。
[0017]依然需要一种方式来使电池供电的电路维持在一低功率或无功率状态直到被致动，且能有效地并经济地结合到物品(诸如包装、包封、促销物品、一次性物品、标牌、服装等)中。
【发明内容】
[0018]本发明克服了许多上述的缺陷，并涉及一种印刷膜片开关，其能由一磁力致动并能有效地且经济地制造或结合到电路中。
[0019]根据本发明所述的磁力致动膜片开关能够在无磁场存在的一静止或未磁化状态和有磁场存在的(不管是一互斥场还是一相吸场)的一致动或磁化状态之间转换。所述膜片开关一般包括第一导电迹线和第二导电迹线，它们能够在一闭合位置和一断开位置之间转换，在闭合位置，所述两个导电迹线电连接以闭合一电路，而在断开位置，所述两个导电迹线电隔离以断开所述电路。依赖所述开关的结构，所述静止状态可对应所述电路的断开位置或所述电路的闭合位置，而所述致动状态可对应所述电路的断开位置或闭合位置中的另一个位置。所述膜片开关还包括一磁性材料，其受一磁场影响(吸引或排斥)，由此，在磁场存在的情况下实现从静止状态到致动状态的切换操作，且当撤除磁场时，返回到静止状
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[0020]根据一实施例，一磁力致动膜片开关包括印刷在一柔性基体上的一第一平面上且由一间隙间隔开的第一导电迹线和第二导电迹线。经由一间隔层与第一柔性基体间隔开的一第二柔性基体包括或包含一导电分流器。一磁性材料(诸如一铁磁材料)结合到所述分流器本身、靠近所述分流器印刷和/或结合到所述第一平面。当施加一磁场(诸如存在稀土磁性物质或其它磁体)时，作用于磁性材料上的力引起柔性基体(其上具有磁性材料)从一第一静止状态挠曲至一第二状态。当撤除磁场时，所述柔性基体返回至第一静止状态。
[0021]在一实施例中，在静止状态，所述膜片开关处于一断开位置，在断开位置，所述柔性基体间隔开且电路断开。施加一磁场引起所述磁性材料被吸向磁体，因此引起柔性层(其上具有磁性材料)挠曲至另一柔性层，从而所述导电分流器桥接两个导电迹线之间的间隙，由此闭合电路。
[0022]在一替代实施例中，在静止状态，所述膜片开关处于一闭合位置，在闭合位置，所述第一柔性基体和所述第二柔性基体接触且所述导电分流器桥接两个导电迹线之间的间隙。通过相对于磁性材料来放置磁体，施