专利名称：压力激活开关和触摸板的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及压力激活开关器件和触摸板，并涉及在这样的器件中通过加压或不加压而接通或断开电连接所用的材料。
触摸屏和触膜开关提供了方便的用者界面器件，这种器件可以通过手指、触针或其他适用的物体的接触而被激活。在许多用途中，这些器件具有在使用者施压的情况下将原本分开的导电膜、电极或电路连能从而探测到信号的功能。
发明概要本发明涉及可开关的压力激活电子器件，该器件包括可朝第二导体移动的第一导体以及第一和第二导体之间的复合材料，用来在导体之间施加足够压力的情况下使第一和与第二导体电连接、在不施加这种足够压力的情况下使第一与第二导体电绝缘。复合材料包括至少部分嵌入电绝缘材料层内的许多导电颗粒。这些导电颗粒不进行有意的相对取向，其分布能使第一和第二导体之间的所有电连接基本是通过一个个颗粒形成的。
本发明还涉及可开关的压力激活电子器件，该器件包括含有许多基本上为球形的导电颗粒的复合层，这些颗粒的分布使得基本上没有导电颗粒发生物理接触，复合层置于两个导体之间，在此两个导体之间施加或停止施加足够的力时复合层的厚度发生可逆的减小，从而在施加足够的压力时能使两个导体通过一个或多个导电颗粒而发生电接通，在停止施加足够的力时则使两个导体发生电绝缘。
本发明还提供一种可开关的压力激活电子器件，它包括第一导体、第二导体的用来在施加足够的压力时使第一导体与第二导体发生电连接，停止施加足够的压力时使第一导体与第二导体电绝缘的装置。
本发明还提供可开关的压力激活电子器件的制造方法，包括分散许多导电颗粒，将导电颗粒至少部分地嵌在绝缘材料层中，将绝缘材料和导电颗粒组成的层置于第一导体和第二导体之间，这样在施加足够压力的情况下，通过一个或多个单独颗粒的接触使第一与第二导体接通，在停止施加足够压力的情况下使第一与第二导体发生电绝缘。
本发明还提供电子开关用膜，其厚度随压力的变化会发生可逆的减小，该膜包含至少部分嵌入该层中的无规放置的导电颗粒。这些导电颗粒的分布使得在层的几乎所有位置，在层的厚度上最多有一个导电颗粒。
本发明还提供一种电子开关，它包括可向第二导体移动的第一导体，许多位于第一和第二导体之间无规放置的导电颗粒，在导体之间不施加足够压力时第一导体与第二导体电绝缘，当对导体之间施加足够压力时，通过一个或多个单独颗粒的接触使第一导体与第二导体发生电连接。
还提供一个显示系统，该系统包括一个可通过本发明电子开关看到的显示器。
上述本发明概要并非用于说明本发明每一个实施方式，下列附图和详细说明只是具体地说明这些实施方式。
附图简要说明结合附图读了以下的详细说明可以更全面地了解本发明其中
图1为压敏电子器件的侧视图；图2(a)和(b)为可用在本发明压敏电子器件中的复合材料侧视图；图3(a)和(b)为包含本发明压敏电子器件的膜开关的侧视图；图4(a)和(b)为包含本发明压敏电子器件的触摸板的侧视图；图5(a)和(b)为包含本发明可开关压力激活器件中车实施方式的侧视图；图6为与显示元件相连的压敏电子器件的侧视图；图7为带有本发明压敏电子器件的触摸板的侧视图；图8为本发明可开关压力激活器件另一实施方式的侧视图。
由于本发明适合进行各种改进和改变，其详情将用附图显示，并将作详细说明。但是应当明白，目的不是要将本发明限定在所述的特定实施方式中。相反，目的是涵盖所有在本发明精神范围内的改进、等效和替代的内容。
详细说明本发明涉及象膜开关和触摸传感器这样的可开关压力激活电子器件。可开关压力激活电子器件是可以通过反复施加和停止施加足够压力而进行可逆激活的器件。在本发明器件中，足够的压力是指这样一种压力；当在导体之间施加该压力时使得导体之间产生电接触，这种电接触可以使信号被器件检测到。电接触包括在主要导电元件之间或其中的直接的物理接触或电子偶合，不管这物理接触是否是例如通过电容偶合产生的。
为了使导体之间接通，本发明使用了分布于导体之间的许多导电颗粒，务使电接触基本上是通过一个或多个单独颗粒来进行的，换句话说，是一个或多个颗粒同时接触两种导体而形成的电接触。导电颗粒至少部分嵌在绝缘材料中，便于在导体之间不再存在足够压力时使电连接断开。例如，绝缘材料可以是弹性材料，在加压的情况下变形使导体产生电连接，而在不加压时使导体回到起初隔开的位置。
对导电颗粒加以分布以便通过一个或多个单独的颗粒进行电接触有几个好处。由于两个导体是通过单独的颗粒发生电接触的，每一个颗粒的接触最多只有两个接触点对接触电阻有贡献(导电颗粒接触上导体为一个接触点，同一导电颗粒接触下导体为另一个接触点)，因此一个特定的器件每次激活时，这种接触点数保持不变。这样，每次器件时激活都能产生较低的接触电阻以及更稳定、可靠和重复的信号。较低的接触电阻减小了信号损失，最终产生较高的信号与噪音比，从而使得例如在触摸传感器中定位检测更为准确。当通过多个颗粒组成的颗粒链进行接触时，如果要进行接触的颗粒没有很好地垂直排列(即在器件厚度方向排列)的话，颗粒与上电极进行电接触所在的横向位置会由与下电极进行接触所在的横向位置发生偏移。这会造成位置偏差和分辨率损失。
如在本发明中所述，单独颗粒的电接触的另一个好处是不存在对颗粒的排列要求以及颗粒与颗粒的优选取向要求。例如，在器件制造过程中不需要用磁场来使颗粒取向和排列，使得制造方法更容易、成本更低。此外，采用磁性排列方法时，导电颗粒会跨过所得薄膜的厚度，因此需要放置另一个绝缘材料层，因此在没有压力的情况下整个结构不导电。对颗粒的排列没有要求还可以提高使用在器件厚度方向上排列的垂直取向的导线或延伸棒的器件的耐用性，这种器件在反复激活和/或施加强作用力时会被弯曲和破坏。没有颗粒排列和取向的要求使得本发明器件特别适用于要将器件安装在外形为弯曲的、不规则的或其他方面非平面的结构中。
本发明的器件还可以做得非常薄，因为在静止(没有外加压力)状态下，两个导体之间的空隙只需稍大于分布在导体之间的最大的导电颗粒。因此在导电颗粒量相对较小的同时仍能保持可靠的性能和足够的分辨率(例如当导体是图案形式时)。在需要通过器件可看到显示器或其他物体的场合，结构薄、导电颗粒密度低是非常重要的。导电颗粒还可以分布得使激活力(激活器件所需的力)均匀分布在器件表面和/或使器件上的外观相对均匀。可以采用较小的导电颗粒密度，还有成本方面的好处，因为所用的颗粒较少。
将导体之间的空隙用导电颗粒和绝缘材料复合物完全充填使得基本上不存在空气之间隙，这样可以改善本发明器件的光学性能。在要让光线透过器件的用途中，没有空气空隙可以改善透光性。导电颗粒的无规分布和不需要取向，对于方便制造和光学效果来说是很需要的。例如，垂直排列的导电颗粒垫和垂直排列的导线会降低从高角度看时器件下的显示器或其他部件的可视性。
图1显示了一种压力激活电子器件，它包括形式为导电层110的第一导体、形式为导电层120的第二导体和第一与第二导电层之间的空隙130。导电层110和120中至少有一个可以例如由使用者施加外压力而相对于另一个导电层移动。空隙130中是许多导电颗粒完全或部分嵌在绝缘材料中构成的复合材料。绝缘意味着材料的导电性比导电颗粒和导体的导电性低得多，这样在停止施加压力时就无法维持加压而形成的电连接。
无论导电层110还是120，都可以是导电性薄片、导电箔或导电涂层，可以是连续的或图案形式的(例如以电路的形式，作为一系列导线，棒或垫等)的。导电层材料可以包括任何适用的材料，如金属、半导体、掺杂半导体、半金属、金属氧化物、有机导体和导电性聚合物等。无机材料的例子包括铜、金和常用于电子器件的其他金属或金属合金以及透明导电材料如透明导电氧化物，例如氧化铟锡(IT0)，氧化锑锡(ATO)等。有机材料的例子包括导电性有机金属化合物及导电性聚合物如聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔和聚噻吩以及欧洲专利公报EP-1-172-831-A2中公开的材料。导体可以是自撑的或在基底上(未在图1中显示)。适用的基底可以是刚性的，如刚性塑料、玻璃、金属或半导体，也可以是柔性的，如柔性塑料薄膜、柔性箔或薄玻璃。根据不同用途，适用的基底可以透明或不透明的。
置于两个导体之间的复合材料包括至少部分嵌在绝缘材料中的导电颗粒。导电颗粒分布成对器件施加压力使一个导体相对于另一个导体移动时，通过接触两个导体的单独的颗粒进行电连接。因此，绝缘材料最好具有变形性和回弹性，能在压力的作用后发生电接触，在停止施加压力后断开电接触。图2(a)所示为复合材料230的一个例子，该材料包含部分嵌在绝缘材料层250中的导电颗粒240。图2(b)所示为另一种复合材料231的例子，该材料包含完全嵌在绝缘材料层251中的导电颗粒241。虽然图2(a)和(b)用作可用于本发明的复合材料的示例性实施方式，但可以采用任何合适的排列，其中的导电颗粒以任何适用的比例在适当的位置上完全或部分嵌在可用的绝缘材料层或材料的任何特定表面中。本发明不排除复合材料中导电颗粒在器件厚度方向上重叠的情况。
最大的导电颗粒较好至少稍小于绝缘材料层的厚度，至少当颗粒的粒度是在复合材料的厚度方向上测得的时候。这有助于防止器件的短路。
示例性的导电颗粒包括任何适用的具有连接导电外表面的颗粒。例如导电颗粒可以是实心导电颗粒(如金属球体)、涂有导电材料的实心颗粒、具有导电外壳的空心颗粒或涂有导电材料的空心颗粒。导电材料包括金属、导电性金属氧化物、有机导体和导电性聚合物、半导体等。有涂层颗粒的核心可以是实心或空心的玻璃塑料颗粒、陶瓷颗粒、碳粒、金属颗粒等。导电颗粒可以是透明、半透明、有色或不透明的，其表面可粗糙也可光滑，可以是刚性的或可变形的。
“颗粒”一词包括球形颗粒、细长颗粒、平截纤维、不规则形状颗粒等。一般来说颗粒包括长宽比为1∶1-1∶20以及特征尺寸在1-500微米范围内的颗粒物体，取决于用途。在本发明中，分散在复合材料中的导电颗粒不作任何优选的取向或排列。
示例性绝缘材料包括那些能够在本发明压力激活器件的导体之间保持足够电隔离，并具有变形性和回弹性的材料，这样能通过一个或多个单独颗粒接触而发生导体的电接触，当导体之间不再有原先施加的足够压力时使导体恢复到原先电断开的状态。器件的响应时间(施加足够的压力后激活器件所用的时间)和松弛时间(停止施加足够的压力后恢复开路所用的时间)，对于特定用途最好短到足以，使另一个输入可以在同一位置在需要的时间段内进入器件。在某些用途中，需要可以快速反复地输入。而在另一些用途中，需要能防止短时间内在同一位置的另一个输入。弹性体组合物可以提供适用的绝缘材料性能。示例性的绝缘材料包括硅氧烷、聚硅氧烷、聚氨乙酯、聚硅氧烷-聚氨酯、橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、苯酚腈橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚醚嵌段酰胺和聚烯烃以及各种凝胶和其他类似的材料。例如可以使用美国专利5,686,705所述那样的凝胶材料，特别是在器件为不透明的场合。
可以对绝缘材料和复合层的特征加以选择，以产生、增强和改变本发明开关器件的各种性能。例如，调整弹性体绝缘材料的柔软性和/或改变相对于导电颗粒粒度的绝缘材料层厚度可以改变器件的激活力。高激活力可用来产生对手的排斥作用(意思是当使用者的手只搁放在器件上的并不接受触摸输入)。低激活力则可用于需要检测低力度触摸输入的时候。
在一些实施方式中，需要通过本发明的压力激活器件看到诸如显示器之类的物体。因此可能需要提供可视的透光基底、导体和复合材料。可视透光复合材料包括基本上透明的绝缘材料和导电颗粒，它们可以透过可见光，或者可以低密度的，从而让数量明显的光透过器件。即使在需要通过器件看到物体的用途，通过器件可看到均匀的外观要比透光性最大化还重要。
在需要较高的透光率时，使透光率显著提高的方法可以是用复合材料填充导体之间的空气之间隙，从而使导体之间基本上没有空气之间隙，并选择绝缘材料、导电涂层或导电颗粒的其他材料，和/或导全的材料，使它们各自的折射率相匹配，使更多的可见光透过。例如可将涂有透明导电氧化物或导电性聚合物的聚合物颗粒置于透明弹性体中，形成装在本发明器件中的复合材料，可以对复合材料的组成部分及导体和器件其他层的折射率和光学性能加以选择，以便产生需要的光学性能，例如透明度的增加。
为于需要高透明度的用途，复合材料最好能对透明导体润湿。为了产生这种效果，颗粒最好完全嵌入弹性材料，形成光滑的表面。此外，为了保持可开关压力激活器件使用期之间的光学透明度，弹性绝缘材料最好具有自密封性，这样颗粒穿破而产生电连接的穿通点就不会变成可见的了。
复合材料可以以任何合适的方式提供。一般来说，复合材料的制造或提供步骤包括分配导电颗粒并将导电颗粒至少部分地嵌在绝缘材料中。例如，可先将颗粒分配在表面上，再将绝缘材料涂敷、压到或层压在颗粒层上。分配以颗粒的表面可以是器件的一层，例如导体的层或在将颗粒嵌入绝缘材料之后要除去的载体基底。作为另一个例子，可以将颗粒分散在绝缘材料中，再对所得的复合材料加以涂敷而形成复合材料。还有一个例子，绝缘材料可以以层的形式提供，例如涂敷，然后将导电颗粒分配在绝缘材料层上。颗粒可以加压嵌入绝缘材料中，此时可以加热使绝缘材料软化，或者趁绝缘材料尚未固化或处于软化状态时，将颗粒分配在绝缘材料层上，或可再将颗粒压入绝缘材料层中，然后用固化、冷却等方法使绝缘材料硬化。
示例性的导电颗粒分散方法包括在同时转让的专利号为10/008,468的美国专利申请中所述的方法。概括地说，可以在存在电场的情况下将颗粒配送到一层绝缘材料上，帮助这些颗粒无规地落在绝缘材料层上时进行分布。此时颗粒带上了互斥的电荷，从而可以基本上避免颗粒的电连接和聚集。电场还用来产生颗粒对膜的吸引力。这种方法可以产生导电颗粒的无规非聚集的分布。可以以预先选定的密度(单位面积颗粒数)使颗粒施加分布得比较均匀。另外。可以对(绝缘材料层)加以抛光以进一步帮助颗粒分布。
还可以使用其他分散导电颗粒的方法。例如，可以将颗粒沉积在微复制的防粘衬垫的凹陷中，如国际专利公报WO 00/00563中所述那样。然后可以将绝缘材料涂敷或压在这种充填有颗粒的衬垫上。可以使用任何其他分布或分散颗粒的方法，只要颗粒在复合材料中的分布能使本发明压力激活器件的导体之基本上间所有的电接触都是通过一个或多个单独的颗粒的接触来实现的。因此，要仔细减小或消除复合材料中颗粒堆积，即两个或多个颗粒在复合材料厚度方向上位置重叠现象的发生。在将导电颗粒引入绝缘材料的任何方法中，要注意减小或消除夹杂或形成气泡的现象的发生。
将导电颗粒放置到介质上的方法应确保平面(x-y)方向上导电颗粒之间的接触尽可能少。以没有两个以上颗粒接触为好，没有两个颗粒相互接触则更好。这可以防止由于颗粒接触而导致在平面方向上短路，在需要使用多个之间隔很小的电极的用途中就尤其需要。
图3(a)和3(b)所示为在本发明器件中使用的示例性膜开关，在开关中的电接触是通过一个或多个单独颗粒的物理接触获得的。膜开关300包括第一导体310、第二导体320和分布在两个导体之间绝缘基底350中的导电颗粒340。如图3(a)所示，没有在导体之间施加压力时，绝缘材料使导体保持电绝缘。如图3(b)所示，对第一导体310施加足够的压力P时，通过一个个单独颗粒的接触使第一和第二导体之间发生电接触。单独颗粒的接触为第一导体和第二导体之间的电接触，此时一个或多个单独的导电颗粒各自与第一和第二导体都接触。
导电颗粒可以有粒度分布，因此，颗粒的粒度(或形状)不尽相同。在这些情况下，较大的导电颗粒会先于，较小的相邻颗粒产生电接触，此时甚至较小的颗粒不会产生电接触。是否发生这种现象以及达到什么程度，取决于颗粒的粒度及形状的分布、颗粒是否聚集、颗粒的密度、可移动导体(或可移动导体/基底的组合)能对局部凹凸发生弯曲和贴合的能力、颗粒的变形性、嵌有导电颗粒的绝缘介质的变形性等。因此，可以对这些或其他性能加以调节，从而在施加足够压力时在第一和第二导体之间形成需要的单位面积上单独颗粒的电接触数。例如，在导体为图案形式(例如当导体呈不连续直线)时，在施加足够的压力后单独颗粒接触的平均之间隔以至少比电路的之间隔尺寸小为好，使得至少有一个，最好一个以上的单独颗粒能够在相应导体图案的重叠部分之间产生接触。
在有些实施方式中，颗粒的粒度分布最好相对较窄，在有些情况下所有颗粒的粒度最好基本相同。在有些实施方式中，颗粒的粒度分布最好是双峰的。例如最好有两种不同类型的颗粒，即较大的和较小的颗粒分散在复合材料中。在一个包含双峰分布颗粒的实施方式中，较大的颗粒可以具有低导电性，较小的颗粒可以具有较高的导电性，并且颗粒以这种方式分布，即低力度接触通过较大的颗粒产生电连接，高力度接触通过较小的颗粒产生附加的电连接。低力度接触所产生的信号因此而得以与较高力度接触所产生的信号区别开来。用具有这样的双峰分布颗粒的复合材料制成的触摸传感器可以用来，例如用低触摸力使图符突出，然后在同一位置用较大的触摸力打开图符所代表的程序，因此在同一位置仅施加额外的力就可以进行一种双击操作。
图4(a)和4(b)所示为用在示例性电阻性触摸板400。触摸板400包括在柔性基底412上的第一导电层410，在基底422上的第二导电层420，置于两个导体层之间的复合材料，复合材料包含在绝缘基底450中的导电颗粒440。如图4(a)所示，导电层在没有施加触摸力的情况下是电绝缘的。如图4(b)所示，手指F(或触针或其他物体)产生的触摸力在柔性基底412上施加一个局部压力，在该压力作用下，基底412和导电层410会局部地朝导电层420移动。只要施加足够的力，就可以产生一个或多个单独颗粒的接触。如图所示，通过单独的颗粒接触，导电层与导电颗粒440A和440B之间产生了电接触。运动手指或其他物体除去后，以使基底412和导电层410回到原来的位置，两个导电层就再次电绝缘。
图5(a)和5(b)所示为一实施方式，其中单独的颗粒的电连接是通过两个导体的电容偶合而产生的。图5(a)所示为可开关的压力激活器件500，包括底导体520，顶导体512和在导体520和基底512之间的绝缘材料550中的导电颗粒540。顶导体510是用来施加压力以激活器件的，可以是任何可以导电的物体，例如系在器件上的导电性触针、使用者手中所握未系的导电触针、手指或其他类似物体。如图5(b)所示，用导电性触摸工具510产生的压力使得导电颗粒与导体520接触，同时足以缩短导电性触摸工具510与导电颗粒540之间的距离，因此可以进行电容偶合并在器件上产生信号。
图6所示为与显示元件601一起使用的压力激活电子器件600。压力激活器件600包括具有至少部分嵌在绝缘材料中的导电颗粒的复合材料、导电颗粒和绝缘材料能透过可见光并且选配的折射率足以让观察者V通过器件600看到显示元件601。显示元件601可以包括永久性或可替换的图象(如图片、地图或图符等)以及诸如液晶显示器、阴离子射线管、等离子显示器、电荧光显示器、有机电荧光显示器、光电显示器等的电子显示器。
在其他实施方式中，显示元件或图象可以放置在可开关器件的上方，器件不必是透明的。放置在可开关器件上方时，显示元件可以是永久性的(诸如带有印刷图象或其他标记)或者是可以改变的(例如，活动表层)。
大多数电阻性触摸屏包含置于透明导电层之间的空气之间隙和间隔物。用填充材料填充该空隙可以产生改善触摸屏视觉形象的效果。透明导电层常用ITO或另一种透明导电氧化物制成，这些材料具有高的折射率，结果在具有导体之间空气之间隙的触摸屏上发生高强度的反射。用材料填充空隙可以消除空气之间隙，使器件的透光性更好。填充之间隙还有其他好处，如提高耐久性，因为填充材料对透明导电层起到了保护作用，否则透明导电层容易开裂和剥落而降低器件的寿命。
图7所示为用在触摸板上的本发明电子器件的另一个实施方式。触摸板700包括顶基底712、置于上基底712上的呈一系列导电棒710形式的导电层、具有一系列与导电棒710相互垂直取向的平行导电棒720的底基底722、置于两层基底和导电棒之间的复合材料，复合材料包含绝缘材料750和导电颗粒740。对导电颗粒加以分布，其粒度和分布密度如此安排，使得用手指、触针或适用的其他物体所产生的足够的触摸力能使顶导电棒710中的一个与底导电棒720中的一个通过一个或多个单独的颗粒接触而电接通。通过检测被接通的导电棒之间的电流，系统可以确定接触位置。触摸板可以制成透明或不透明的。
图7所示器件可以类似地用作膜开关的阵列或组合件。这样就可以制成多个开关，开关位置呈任何需要的分布，不需要诸如模具切割的之间隔层这样的单独部件来固定开关位置。另外，对开关用的上、下电极位置的排列要求可松一些。本发明因此在设计和放置膜开关方面提供了的自由度。
图8所示为另一个本发明器件的实施方式。可开关器件800包括置于基底812上的导体810和置于另一基底822上的导体820。导体810或导体820都能朝向另一个导体移动。置于导体810和820之间的导电颗粒部分嵌入弹性可变形的绝缘材料850中并部分嵌入并被锚定在刚性绝缘材料层860中。刚性层860可用来锚定导电颗粒的位置以减小转换时间，可以产生更恒定和可重复的电接触，并因此使信号的重复性更好。可以对图8所示的器件加以改进，使得导电颗粒部分嵌入在刚性材料中，每个颗粒的至少一部分嵌在刚性材料的两侧。在这种情况下，可以将弹性、而可变形的绝缘材料置于下导体和刚性锚定的导电颗粒之间以及上导体与刚性锚定的导电颗粒之间。
实施方式实施方式1用系列号为10/008,468的美国专利申请所公开的工艺制造一个膜开关，是将许多镀银的玻璃珠置于50微米厚的热熔胶层上。镀银玻璃珠可从位于ValleyForge，PA的Potters Industries公司购得，牌号为Conduct-O-FillTM-S-3000-S3P。镀银玻璃珠的平均直径为43微米。热熔胶是从位于Philadelphia，PA的E1fAtochem公司购得的牌号为Pedax 3533的树脂与从位于Panama City，FL的ArizonaChemical公司购得的牌号为Nirez 2040的增粘树脂的50∶50混合物。将此混合物热挤压成50微米厚的膜，将镀银玻璃珠置于其上制成复合材料。玻璃珠的分布平均密度为约每平方毫米140个。
然后将复合材料夹在两片铜箔之间，每片铜箔厚100微米。将此结构粘到作机械支撑用的玻璃片上。组装后未见因导电颗粒与两个导电层均有接触而发生的短路现象。
将两片铜箔与欧姆计连接，用手指对上铜箔施压，检测它们之间的电阻。当不施加压力时，处于“断开”状态的开关的电阻大于200MΩ，用手指施压后处于“接通”状态的开关的电阻小于1Ω。反复开关500次，开关功能完好。
实施方式2根据实施方式1制造膜开关，所不同的是将镀银玻璃珠置于50微米厚的带有聚硅氧烷材料镀层的刀上，该聚硅氧烷材料可从位于Midland，MI的Dow Corning公司购得，牌号为Silicone 734。在聚硅氧烷材料层涂敷到其防粘衬上后，立即将玻璃珠放到聚硅氧烷材料层上。玻璃珠的分布平均密度为每平方毫米140个。将硅氧烷和玻璃珠放在60℃的加热炉内加热约2小时使硅氧烷固化并使玻璃珠陷入硅氧烷层。固化后，剥去复合材料上的防粘衬并将其夹在象实施方式1那样的两片100微米厚的铜箔之间。组装后未发现因导电颗粒与两个导电层均有接触而发生的短路现象。
制作一个机械点接触激活器件，对膜开关进行反复试验。在一个D.C.马达驱动的活塞上安装直径11mm的圆形硅橡胶片，该硅橡胶片可从位于St.Paul，MN的3M公司购得，牌号为BumponTM。活塞用来激活开关，硅氧烷橡胶片与上铜箔接触。活塞和硅橡胶片的重量为104克。马达设定为每秒激活开关4次，方法是将活塞提起，与开关相距短距离，然后放下活塞，让活塞的重力对开关施加压力而将其激活。
处于“连通”状态的开关的电阻约为1Ω，处于“断开”状态的开关电阻大于20MΩ。开关被激活126.6万次以上后没有发现明显的功能损坏。
实施方式3制作与实施方式2相同的膜开关，所不同的是硅氧烷层厚度约为35微米。组装后未发现因导电颗粒与两个导电层均有接触而发生的短路现象。手指非常轻的接触可将开关激活。使用具有78平方毫米截面积的25克重物，可使开关激活。处于“连通”状态的开关的电阻为约1Ω，处于“断开”状态的开关电阻大于20MΩ。
实施方式4制作与实施方式2相同的膜开关，所不同的是用厚度为约50微米的丁腈橡胶膜替代聚硅氧烷材料，该膜可从位于St.Paul，MN的3M公司购得，牌号为3M Scotch-Weld Bonding Film 538。所得开关需要每平方厘米加压500克才能激活。处于“连通”状态的开关的电阻为约1Ω，处于“断开”状态的开关电阻大于20MΩ。
实施方式5制作一个透明传感器。先将许多直径43微米的涂银玻璃珠置于50微米厚的透明硅材料层上，该聚硅氧烷材料可从位于Midland，MI的Dow Corning公司购得，牌号为RTV734 Clear。玻璃珠的分布与实施方式1相同。然后对硅氧烷层加以固化。将复合材料夹在两片涂有ITO厚25微米的PET片中之间。PET片的ITO层面对面。PET片还带有银连接线，以便与例如控制器接通。器件的一小块区域留有比较用的开口(即ITO层之间没有复合材料)。
将一数字式电压表与此结构的两面上的银连接线连接。用诸如那些在掌上电脑所用的那些市售触针对此结构施以触摸力，该触针可从位于Santa Clara的Palm有限公司购得的牌号为PalmTM的触针。用触针对“开口”区域施加触摸力，使ITO与ITO直接接触，结果产生2000-8000Ω的电阻。用触针对具有复合材料的区域施以触摸力，从而通过多个单独的导电颗粒的接触使ITO与ITO电连接，同样产生了2000-8000Ω的电阻。对器件接触30次以上，复合材料导致绝缘(“断开”状态)与传导(“连通”状态)之间进行可逆的开关。
还可以将此触摸传感器与可从位于Methuen，MA的3M Touch System有限公司购得的电阻式触摸传感控制器连接，对其进行试验。用触针接触处在ITO涂层之间具有复合材料区域中的传感器时，控制器能够接受一次接触。
实施方式6制作用在上述实施例中的分散有导电颗粒的自撑式透明硅氧烷膜，用来检测可用于本发明的复合材料所能达到的透明。
将平均直径(D)63微米的ITO涂敷玻璃珠分散在透明硅氧烷(平均颗粒密度为每平方毫米15颗)中，制成厚度(d)为约78微米的自撑式复合膜。用透明硅氧烷制作另一种并含有上述例子中所用镀银玻璃珠(平均直径(D)为43微米，颗粒密度为为每平方毫米140颗)的自撑式复合膜，膜厚(d)为60微米左右。用透明硅制作第三种含有上述例子中所用镀银玻璃珠(平均直径(D)为23微米，颗粒密度为为每平方毫米80颗)的自撑式复合膜，膜厚(d)为37微米左右。然后检测这些膜的总的可见光透过率(TT)(波长在400nm到700nm范围内的平均透光率)和总的可见光反射率(RT)(波长在400nm到700nm范围内的平均反射率)。结果见表I。
表I
由于实验误差，所报告的透光率和反射率准确到2％以内。结果表明，可以制成高透明度的复合材料，而且其光吸收量很小。
本发明不应认为限定在任何上述特定实施例中，而应当看成涵盖了如在所附权利要求中明确指出的本发明的所有方面。对于那些熟悉本发明所涉及的技术的专业人员来说，了解了本专利说明书后，本发明可用的各种修改良、等同工艺和各种构造是显而易见的。
权利要求
1.一种可开关的压力激活电子器件，包括可向第二导体移动的第一导体；处在第一和第二导体之间的复合材料，用来在对第一和第二导体之间施加足够压力时接通两导体，在没有这样的足够压力时使两导体绝缘，复合材料包含许多至少部分嵌在电绝缘材料层中的导电颗粒，这许多导电颗粒并不进行有意的相互取向，其分布使得第一和第二导体之间的所有电连接完全依靠这些单个的颗粒。
2.权利要求1所述的器件，其特征在于可开关压力激活电子器件是个膜开关。
3.权利要求1所述的器件，其特征在于可开关压力激活电子器件是个膜开关的阵列，所述各个膜开关可独立地激活。
4.权利要求1所述的器件，其特征在于可开关压力激活电子器件是个触摸传感器。
5.权利要求1所述的器件，其特征在于第一和第二导体是导电材料片或涂层。
6.权利要求5所述的器件，其特征在于第一和第二导体分别处在第一和第二基底上。
7.权利要求6所述的器件，其特征在于第一和第二基底中的至少一个是柔性的。
8.权利要求6所述的器件，其特征在于第一和第二基底中的至少一个是刚性的。
9.权利要求6所述的器件，其特征在于第一和第二基底是透明的。
10.权利要求5所述的器件，其特征在于第一和第二导体中的至少一个是透明的。
11.权利要求1所述的器件，其特征在于第一和第二导体中的至少一个是透明导电氧化物。
12.权利要求1所述的器件，其特征在于第一和第二导体中的至少一个是金属。
13.权利要求1所述的器件，其特征在于第一和第二导体中的至少一个是有机导体。
14.权利要求1所述的器件，其特征在于第一和第二导体中的至少一个是图案形式的。
15.权利要求1所述的器件，其特征在于第一和第二导体中的至少一个是个电路。
16.权利要求1所述的器件，其特征在于复合材料是置于第一和第二导体之间，从而使第一和第二导体之间基本上不存在空气之间隙。
17.权利要求1所述的器件，其特征在于电绝缘材料层是可透过可见光的。
18.权利要求1所述的器件，其特征在于电绝缘材料层是弹性材料。
19.权利要求1所述的器件，其特征在于电绝缘材料层是聚硅氧烷材料。
20.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒基本上是球形的。
21.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是金属。
22.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是具有导电性涂层的核心颗粒。
23.权利要求22所述的器件，其特征在于导电涂层是金属。
24.权利要求22所述的器件，其特征在于导电涂层是透明导电氧化物。
25.权利要求22所述的器件，其特征在于导电涂层是有机导体。
26.权利要求22所述的器件，其特征在于核心颗粒是玻璃颗粒。
27.权利要求22所述的器件，其特征在于核心颗粒包括空心颗粒。
28.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是透明的。
29.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是半透明的。
30.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是有色的。
31.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是不透明的。
32.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒是可变形的。
33.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒的粒度基本相同。
34.权利要求1所述的器件，其特征在于导电颗粒具有双峰粒度分布。
35.权利要求1所述的器件，其特征在于第一导体是导电性触针。
36.权利要求1所述的器件，还包括图象或标记。
37.权利要求1所述的器件，还包括可透过导体和复合材料看到的显示元件。
38.一种可开关压力激活电子器件，包括复合层，它含有许多基本上为球形的导电颗粒，其分布使得基本上没有导电颗粒相互之间有物理接触，对于复合材料层上的基本所有位置，在该层厚度上最多有一个单独颗粒，复合层位于两个导体之间，在导体之间施加或停止施加足够压力时其厚度发生可逆的减小，从而在施加足够的力时通过一个或多个导电颗粒使这两个导体接通，在停止施加足够的力时使导体之间绝缘。
39.一种制造可开关压力激活电子器件方法，包括分散许多导电颗粒；将导电颗粒至少部分嵌在绝缘材料中；将绝缘材料和导电颗粒组成的层置于第一导体和第二导体之间，从而在施加足够压力时通过一个或多个单独的导电颗粒的接触使第一导体和第二导接通，在停止施加足够压力时第一和第二导体绝缘。
40.权利要求39所述的方法，其特征在于分散许多导电颗粒的步骤包括使颗粒带电从而颗粒相互排斥并将颗粒分配到表面上。
41.权利要求40所述的方法，其特征在于所述表面为绝缘材料层的表面。
42.权利要求39所述的方法，其特征在于将导电颗粒至少部分嵌入绝缘材料层的步骤是将导电颗粒压入绝缘材料层。
43.权利要求39所述的方法，其特征在于将导电颗粒至少部分嵌入绝缘材料层的步骤是加热绝缘材料层以便使导电颗粒陷到绝缘材料层表面中。
44.权利要求39所述的方法，其特征在于对导电颗粒加以分散和将导电颗粒嵌在绝缘材料层中的步骤包括将导电颗粒分散在绝缘材料的液态前体中，形成可涂敷组合物，涂敷此可涂敷组合物形成复合层，使液态前体固化而形成分散有导电颗粒的绝缘材料层。
45.一种用在电子开关中的膜，这种膜包含厚度在受压时发生可逆减小的一层，至少部分嵌在所述层中的许多基本上无规放置的导电颗粒，对于层中的几乎全部位置，在该层厚度上至多只有一个导电颗粒。
46.一种电子开关，包括可向第二导体移动的第一导体；处在第一和第二导体之间的许多无规放置的导电颗粒，在第一和第二导体之间不加足够压力时第一导体与第二导体绝缘，在对两者之间施加足够压力时通过一个或多个单个的颗粒连接使第一导体与第二导体接通。
47.一种显示系统，包括可通过电子开关看到的显示器，该电子开关包括可向第二导体移动的第一导体，处在第一和第二导体之间的许多无规放置的导电颗粒，在第一和第二导体之间不加足够压力时第一导体与第二导体绝缘，在对两者之间施加足够压力时通过一个或多个单个的颗粒连接使第一导体与第二导体接通。
48.一种可开关的压力激活电子器件，包括第一导体；第二导体；在施加足够压力时接通第一导体和第二导体的装置；在停止施加足够压力时使第一导体和第二导体绝缘的装置。
全文摘要
本发明提供一种压力激活可开关电子器件。该可开关电子器件包括一种置于两个导体之间的复合材料。当在两个导体之间施加压力时，复合材料使两导体电连接，当对两个导体之间不施加压力时，两导体就电绝缘。复合材料包括至少部分嵌入绝缘材料的许多导电颗粒。放置导电颗粒的目的是使第一和第二导体之间的全部电连接完全是通过一个颗粒形成的。
文档编号H01H1/029GK1650377SQ03809870
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月3日 优先权日2002年5月2日
发明者R·迪维加皮蒂亚, D·E·里文斯托恩, R·S·莫斯雷扎德, E·M·克罗斯 申请人:3M创新有限公司