ПРОВОДЯЩИЕ СТРУКТУРЫ Российский патент 2005 года по МПК H01C10/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к проводящим структурам, используемым в устройствах с переменным электрическим сопротивлением для изменения электрического сопротивления при движении и колебаниях давления. Эти структуры также могут обеспечивать электрическую изоляцию и экранирование и позволяют устанавливать начальное сопротивление. Кроме того, они могут создавать путь утечки для электростатического напряжения, добавлять степень движения и тактильности в работе, а в предпочтительных формах могут реагировать на присутствие химических и биологических веществ или радиоактивных изотопов.

Предшествующий уровень техники

В международных заявках: PCT/GB 98/00206 (публикация WO 98/33193) и PCT/GB 99/00205 (публикация WO 98/33193) раскрыты полимерные композиции, которые проявляют свойство электрической изоляции в состоянии покоя и свойство электрической проводимости в состоянии механического напряжения или в электрических полях. При приложении механического или электрического напряжения эти композиции обычно изменяют сопротивление из состояния высокого сопротивления (обычно 10¹² Ом·см) в состояние низкого сопротивления (обычно миллиОм·см). Эффективное сопротивление фазы полимерного компонента уменьшается, по всей вероятности, в результате туннелирования электронов и захвата носителя. Находясь в таком состоянии, полимерная композиция может выдерживать токи высокой плотности даже при отсутствии полных металлических токопроводов, т.е. данная композиция находится ниже порога перколяции.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно первому аспекту изобретения предложен электрический переменный резистор, содержащий присоединяемые снаружи электроды, соединенные мостом в виде элемента, содержащего полимер и частицы металла, сплава или восстановленного оксида металла, причем упомянутый элемент имеет первый уровень проводимости в состоянии покоя и переходит на второй уровень проводимости при изменении напряжения, прикладываемого посредством растяжения или сжатия, или электрического поля, и содержащий средство для создания напряжения на участке поперечного сечения элемента, пропорционального требуемому уровню проводимости, отличающийся тем, что упомянутое средство содержит прилегающий к поперечному сечению слой, выполненный из изоляционного или слабопроводящего материала, благодаря содержанию углерода или органического проводящего полимера, причем упомянутый слой имеет пустоты, доступные для подвижной текучей среды (подвижная среда фактически может отсутствовать, например, указанный переменный резистор может работать в вакууме).

В данном описании термин "переменный резистор" может включать переключатель, потому что диапазон сопротивления может быть равен сопротивлению открытой цепи, а частицы металла, сплава и восстановленного оксида металла независимо от того, инкапсулированы ли они полимером или нет и напряжены ли они или могут подвергаться напряжению для обеспечения проводимости, будут называться "высокопроводящими".

Средство создания напряжения может содержать рабочий орган, имеющий переменную геометрию на месте приложения, например косой башмак или избирательно активизируемая группа штифтов или источники излучения.

В частности, элемент может иметь консистенцию, позволяющую проникать через слой в зависимости от прикладываемого сжимающего усилия. Предпочтительно элемент содержит материал, проводимость которого увеличивается при сжатии. Слой имеет основную структуру, выбранную из группы, состоящей из пенопласта, сетки, марли, мата или ткани, или комбинации двух или более из перечисленных материалов. Основная структура и материал, из которого она выполнена, влияют на физические и механические пределы и работу всего элемента в целом и их можно выбрать по требованию, а также для уменьшения влияния на медленное изменение свойств, характерного для гибких проводящих полимеров.

Наиболее предпочтительно слои содержат по меньшей мере один из материалов, выбранных из группы, состоящей из полимерного пенопласта с открытыми ячейками, тканого или нетканого текстиля, например фетра, возможно со склеенными волокнами, и трехмерных агрегаций волокна или полосы.

Элемент может иметь основную структуру такого же типа, что и слой, но предпочтительно должен быть пригодным для выполнения конкретной функции в переменном резисторе. Например, можно использовать элемент со сплющенной структурой в комбинации с несплющенным слоем, как будет описано ниже. Предпочтительно основная структура элемента содержит пустоты для подвижной текучей среды.

Также предложено в качестве нового изделия пористое тело, имеющее основную структуру из полимера, содержащего пустоты для подвижной текучей среды, и содержащее полимер и частицы металла, сплава или восстановленного оксида металла, причем тело имеет первый уровень электрической проводимости в состоянии покоя и способно переходить на второй уровень проводимости при изменении напряжения, прикладываемого посредством растяжения или сжатия или электрического поля, причем согласно изобретению в качестве базовой структуры использован сплющенный пенопласт или ткань. Такое пористое тело может иметь по меньшей мере один из предпочтительных признаков, изложенных в описании.

В переменном резисторе средство создания напряжения может использоваться, например, для приложения напряжения, повышающего проводимость, и/или реверсирования такого напряжения или противодействия ранее существующему напряжению.

Если средство создания напряжения оказывает действие посредством сжатия или растяжения, то оно может быть механическим, или магнитным, или пьезоэлектрическим, или пневматическим и/или гидравлическим. Такое напряжение может прикладываться непосредственно или дистанционно. В случае сжимающего напряжения оно может вытеснять подвижную текучую среду из пустот элемента и/или слоя. В простом переключателе текучей средой является воздух, и элемент и/или слой сообщается с атмосферой. Независимо от того, присутствует ли подвижная текучая среда или нет, элемент и/или слой может быть достаточно упругим, чтобы полностью восстанавливаться самостоятельно или с помощью упругого рабочего элемента, такого как пружина. Для реверсирования механического напряжения элемент и слой можно расположить в закрытой системе, включающей средство для принудительного ввода подвижной текучей среды в пустоты. Такая система может служить средством обнаружения движения заготовки, действующего на текучую среду снаружи переменного резистора.

Подвижная текучая среда может быть упругой, например нереактивным газом, таким как воздух, азот или благородный газ, или легко конденсируемый газ. Альтернативно, текучая среда может быть неупругой, например водой, водным раствором, полярной органической жидкостью, такой как спирт или простой эфир, неполярной органической жидкостью, такой как углеводород, или жидким полимером, таким как силиконовое масло. В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения текучая среда является образцом, к которому чувствительна проводимость переменного резистора.

Материалы для изготовления элемента и слоя включают сетку, марлю, тканый или нетканый материал, гидрофобные полимеры, такие как полиэтилен, полиалкилентерефталат, полипропилен, политетрафторэтилен, полиакрилонитрил, сильно эстерифицированная и/или эфиризированная целлюлоза, силикон, нейлоны, а также гидрофильные полимеры, такие как целлюлоза (природная или регенерированная, возможно слегка эстерифицированная или эфиризированная), шерсть и шелк, пенопласт, включающий полиэфир, полистирол, полипропилен, полиуретан (предпочтительно обладающие некоторой пластичностью), силикон, природный или синтетический каучук.

Предпочтительно, чтобы материал имел форму с относительно большими пустотами (например, величиной 50-500 микрон) и был способен сплющиваться при сжатии в 2-8 раз, при этом еще оставлять возможность для сжатия.

Обычно два размера элемента значительно превосходят третий размер. Таким образом, он имеет форму листа, например, толщиной 0,1-5, в частности 0,5-2,0 мм. Другие размеры выбирают с учетом удобства изготовления и требований пользователя, например, чтобы осуществить контакт с испытываемым образцом в датчике согласно третьему аспекту изобретения. Если элемент должен подвергаться напряжению электрическим путем, то его площадь поперечного сечения следует разделить на электрически изолированные части, чтобы осуществлять требуемую частичную активизацию. Предпочтительно элемент является анизотропным, т.е. может сжиматься перпендикулярно к своей плоскости, но устойчив к сжатию или растяжению вдоль своей плоскости.

Содержание проводящего материала в элементе составляет 500-5000 мг/см³. Размер переменного резистора можно выбирать в широком диапазоне. Он может быть размеров в несколько гранул инкапсулированного металла или может быть частью области движения человека. В одном из вариантов, будучи выполнен из гибкого материала, он может быть встроен в одежду.

Если требуется, чтобы слой был слабо проводящим, это можно обеспечить содержанием "полупроводящих" материалов, включающих углерод и органические полимеры, такие как полианилин, полиацетилен и полипиррол. Изобретение можно использовать для изменения физических и электрических свойств этих проводящих материалов. Низкая проводимость слоя может альтернативно или дополнительно обеспечиваться сильным проводником, обычно таким же, как присутствующий в элементе, но с более низким содержанием, например, от 0,1 до 10% содержания в элементе.

Элемент может содержать "полупроводящий" материал из перечисленных выше. Если элемент имеет пустоты, они могут включать слабый проводник, например пенопласт с открытыми ячейками, предварительно заполненный во время изготовления полупроводниковым наполнителем, чтобы придать начальное сопротивление переключателю или переменному резистору или чтобы исключить возникновение статического электричества на таком устройстве или внутри него.

Элемент или слой, т.е. проводящий и непроводящий слои, можно изготовить отдельно и разместить друг на друге и соединить клеем (фиг.2с). В альтернативном варианте (фиг.2b) слой можно выполнить заодно целое с элементом, изменяя концентрацию высокопроводящего материала. Примером элемента и слоя может быть тонкий лист пенопласта, который в напряженном состоянии обладает высокой электропроводностью на одной стороне, а на другой стороне остается электроизоляционным или слабо проводящим. Такой лист можно получить путем заполнения высокопроводящим порошком или гранулами пустот в части листа из непроводящего пенопласта с открытыми ячейками по его толщине. Так образуется проводящий слой пенопласта, лежащий сверху непроводящего слоя пенопласта. Проводящий материал можно зафиксировать в листе пенопласта клеем или посредством сшивания пенопласта после заполнения.

В переменном резисторе высокопроводящий материал может присутствовать в одном или нескольких состояниях:

а) как составная часть основной структуры элемента,

b) в виде частиц, захваченных в пустоты и/или прилипших к поверхностям, доступным для подвижной текучей среды,

c) в виде поверхностной фазы, образованной в результате взаимодействия частиц высокопроводящего наполнителя (1 или 2) с основной структурой элемента или покрытия на нем.

В каком бы состоянии не присутствовал проводящий материал, его можно вводить как:

1) "открытый", т.е. без предварительного покрытия, но возможно имеющий на своей поверхности остаток поверхностной фазы в равновесии с окружающим воздухом, где он хранился, или образовавшейся во время соединения с элементом. Это можно использовать для состояний (а) и (с), но может привести к физически менее стабильному элементу в состоянии (b);

2) слегка покрытый, т.е. имеющий тонкое покрытие из пассивирующего или водовытесняющего материала, или остаток такого покрытия, образовавшийся во время соединения с элементом. Это аналогично (1), но может обеспечить лучшее управление при изготовлении;

3) покрытый полимером, но проводящий в состоянии покоя. Примером могут служить гранулированные композиции никеля с полимером, имеющие такое высокое содержание никеля, что физические свойства полимера очень слабо выражены, если вообще различимы. Например, при объемной плотности исходных частиц никеля 0,85-0,95 это соответствует отношению объема никель/силикон (выпущенная масса/беспористый твердый материал) типично более чем около 100. Материал в форме (3) можно применять в водной суспензии. Полимер может быть эластомером, хотя это не обязательно. Форма (3) также обеспечивает лучшую контролируемость при изготовлении, чем (1);

4) покрытый полимером, но проводящий только в напряженном состоянии. Примером являются композиции никеля с полимером, содержание никеля в которых ниже, чем в (3), т.е. достаточно низкое, чтобы физические свойства полимера были различимы, и достаточно высокое, чтобы при перемешивании частицы никеля и полимер в жидкой форме превратились в гранулы, а не образовывали сыпучую фазу. Это является предпочтительным для (b) и может не требоваться для (а) и (с). Альтернативно, можно использовать частицы, полученные путем измельчения материала, как в пункте (5) ниже. В отличие от (1)-(3) материал (4) может обеспечивать реакцию на напряжение в каждой отдельной грануле, а также между гранулами, но измельченный материал (5) менее чувствителен. При изготовлении элемента материал (4) можно наносить в водной суспензии;

5) включенный в полимер в сыпучей фазе. Это относится только к (а) и (с). При этом обеспечивается реакция на напряжение в сыпучей фазе, а также между стенками пустот, если таковые имеются.

Высокопроводящим материалом может быть, например, один или несколько материалов из группы, включающей титан, тантал, цирконий, ванадий, ниобий, гафний, алюминий, кремний, олово, хром, молибден, вольфрам, свинец, марганец, бериллий, железо, кобальт, никель, платина, палладий, осмий, иридий, рений, технеций, родий, рутений, золото, серебро, кадмий, медь, цинк, германий, мышьяк, сурьму, висмут, бор, скандий и металлы лантанидного или актинидного ряда, и, если требуется, по меньшей мере, один электропроводящий агент. Он может быть на ядре-носителе в форме порошка, зерен, волокон или других форм. Оксиды могут быть смесями, содержащими спеченные порошки оксисоединения. Сплав может быть обычным или, например, боридом титана.

Для (а) или (с) в параллельной заявке А раскрыта и заявлена композиция, способная к упругой деформации из состояния покоя, которая содержит по меньшей мере один электропроводящий наполнитель, смешанный с непроводящим эластомером, и которая характеризуется тем, что объемное отношение наполнителя к эластомеру составляет по меньшей мере 1:1, при этом наполнитель смешан с эластомером в заданном соотношении и в режиме смешивания исключаются разрушающие сдвигающие усилия, в результате чего наполнитель диспергирован в эластомере и инкапсулирован в нем и может сохранить свою структуру, причем характер и концентрация наполнителя таковы, что электрическое сопротивление композиции изменяется в ответ на силы сжатия или растяжения и уменьшается от определенного значения в состоянии покоя до значения, по существу равного значению проводящих перемычек наполнителя, когда его подвергают воздействию сил сжатия или растяжения, и композиция дополнительно содержит модификатор, который при снятии упомянутых сил ускоряет упругий возврат композиции к ее состоянию покоя.

Для (3) и (b) предпочтительный состав, раскрытый и заявленный в параллельной заявке Б, представляет собой электропроводящий композит, обеспечивающий проводимость, когда на него действует механическое напряжение или электрический заряд, но являющийся электроизоляционным в состоянии покоя, содержащий гранулированную композицию, каждая гранула которой содержит по меньшей мере один непроводящий полимер и по меньшей мере один электропроводящий наполнитель и которая является электроизоляционной в состоянии покоя, но проводящей, когда на нее действует механическое напряжение или электрический заряд.

В открытом проводнике или в любой такой композиции частицы наполнителя предпочтительно содержат металл, имеющий шиловидную и/или дендритную поверхностную текстуру и/или волокнистую структуру. Предпочтительно проводящий наполнитель содержит металлический никель, полученный из карбонила. Предпочтительно частицы наполнителя имеют трехмерный цепной каркас из шиповидных шариков, причем цепи имеют поперечное сечение величиной в среднем 2,5-3,5 мкм и длиной более 15-20 мкм. Полимер предпочтительно является эластомером, в частности силиконовым каучуком, предпочтительно содержащим усиливающий восстановление модификатор-наполнитель.

Эти и другие детали композиций раскрыты в упомянутых выше совместно рассматриваемых заявках. Если используются проводящие ингредиенты формы (3) или (4), то их гранулы предпочтительно имеют шиловидную, и/или неправильную, и/или дендритную форму.

Изобретение предусматривает способы введения проводящего материала в элемент. Сильно или слабо проводящие частицы особенно предпочтительных форм можно поместить на пенопласт или в пустоты пенопласта или ткани и зафиксировать там посредством связи или механической, или фрикционной фиксации, например, поместив превосходящие по размеру частицы в несколько меньшие пустоты. Это можно сделать просто путем механического вдавливания или путем суспендирования их в жидкости, которую затем пропускают через пенопласт или ткань. Пенопласт или ткань можно дополнительно обработать, чтобы она дала усадку и обеспечила лучший захват частиц. Другие способы фиксации гранул в элементе включают присоединение или покрытие пленкой или листом одной или нескольких его поверхностей для обеспечения герметизации. Если эта пленка или лист электропроводящие, то они также являются средством омического контакта.

Для обеспечения усадки базового материала элемента, содержащего пустоты, можно использовать клей и прикладывать давление, пока не затвердеет. Другим способом усадки базового материала может быть нагревание и приложение давления. Для такого типа обработки пригодны многие формующиеся в нагретом состоянии пенопласты и ткани. При этом необходимо контролировать изменение электрического сопротивления в области, к которой прикладывается давление, чтобы получить соответствующий продукт. Кроме того, степень усадки, тип, размер и морфология используемых частиц и размер пустот также влияют на чувствительность к давлению и пределы сопротивления переменного резистора. Диэлектрические слои можно также вводить, используя расположение проводящего пласта над непроводящим пластом, чтобы получить переменный резистор с собственным диэлектрическим слоем.

Было обнаружено, что в данном элементе могут использоваться гранулы с эластомерным покрытием, например, из эпоксидной смолы. Эластомерный характер основной структуры оказывается достаточным для осуществления изобретения, хотя чувствительность к давлению обычно снижается, а электрические свойства покрытых эпоксидной смолой гранул отличаются от электрических свойств гранул с силиконовым покрытием.

В то время как сжимающее усилие удобно прикладывать перпендикулярно к плоскости листового элемента, такой элемент может также проявлять электропроводность через свою поверхность, например, на стороне постепенно изменяющейся структуры, содержащей проводящую полимерную композицию, и на эту проводимость может влиять давление, если используется чувствительный к давлению проводящий полимер, порошок или гранулы. Другая сторона такой структуры будет проявлять нормальное высокое электрическое сопротивление, если только во время изготовления ее не заполнить проводящим или полупроводящим наполнителем.

В таком переменном резисторе, выполненном в виде чувствительного к давлению моста через два или больше омических проводников, лежащих в одной и той же плоскости, можно повысить чувствительность, покрыв открытую обратную сторону элемента полностью проводящим слоем, например металлической пленкой или покрытием. Это будет способствовать образованию более короткого проводящего пути сквозь элемент, а не через него.

В предпочтительном варианте переменного резистора присоединяемый снаружи электрод размещают таким образом, чтобы он только касался поверхности элемента, и напротив на поверхности слоя размещают соответствующий электрод. При отсутствии давления на электродах элемент находится в состоянии покоя и не проводит ток. Если приложить давление к электродам, то элемент будет проводить ток при продавливании через пустоты слоя. При снятии давления проводимость прекращается и элемент возвращается в состояние покоя.

Если используется чувствительный к давлению проводящий полимер, порошок или гранулы, с увеличением давления будет уменьшаться сопротивление.

Согласно второму аспекту изобретение относится к электрическим токопроводам в полимерных композициях или на них, обеспечивающим электрическую связь между областями или точками, находящимися на них. Такие композиции и их формы, являющиеся объектом упомянутых выше заявок на патент и других аспектов изобретения, изменяют свое электрическое сопротивление при приложении к ним нагрузки. На неупругой основе, например жестком металле или пластике, прикладываемая нагрузка вызывает механическое движение полимерной композиции, ограниченное относительной жесткостью основы. Однако на упругой основе, например упругом пластике, волокнистом материале или пенопласте, механическое действие на покрытие будет дополнительно изменяться за счет механической реакции основы.

Этот эффект используется в системах для обеспечения проводящих путей, позволяющих контролировать изменения сопротивления от точки приложения рабочего усилия. Было обнаружено, что удобным способом получения проводящих или полупроводящих путей на листах и структурах или внутри них является приложение и сохранение напряжения по ходу требуемого проводящего пути.

Согласно второму аспекту изобретения электрический компонент содержит тело из материала, способного повышать свою электропроводность, когда он находится под напряжением. Данное тело характеризуется по меньшей мере одной локализованной областью, предварительно напряженной для обеспечения постоянной проводимости и приспособленной для внешнего электрического соединения.

Это можно реализовать несколькими путями.

Можно приложить напряжение к проводящей полимерной композиции в ее окончательной форме, но еще не сшитой, в области требуемого токопровода во время процесса сшивания. Такое напряжение может быть механическим или электрическим, прикладываться прямо или индуцироваться и может включать давление, тепло, электромагнитную энергию и другие источники излучения. Некоторые из этих напряжений могут сами вызывать сшивание вдоль требуемого проводящего пути, однако для некоторых полимеров требуется отдельная операция сшивания, выполняемая одновременно с образованием проводящего пути или после него.

Можно создать постоянное напряжение по требуемому проводящему пути после изготовления и сшивания. Это можно реализовать путем обеспечения усадки пути с помощью сфокусированного источника излучения. После этого можно подвергнуть облученные пути механическому сжатию для консолидации проводящего содержимого и улучшения окончательной проводимости пути.

Посредством укладки полимера или клея, дающего усадку во время сшивания или высыхания, сверху или внутрь проводящей полимерной композиции или структуры можно сделать проводящей лежащую снизу полимерную композицию.

В листах проводящей полимерной композиции и материалах, покрытых проводящей полимерной композицией, линия сшивания может создавать достаточное усилие внутри или между стежками для создания проводящего пути. Тонкие пенопласты, покрытые проводящими гранулами, особенно хорошо подходят для этой формы изобретения, и таким методом можно получать гибкие сенсорные схемы. Нить, используемая для сшивания, может быть стандартного непроводящего типа, а размер и натяжение стежка влияет на окончательное сопротивление пути. Можно использовать нити, содержащие проводящий материал, если требуются пути с очень низким сопротивлением. Листы с проводящими дорожками удерживаются врозь с помощью пенопласта с открытыми ячейками или другого диэлектрика, пока не будет приложено рабочее давление для обеспечения взаимной проводимости листов.

Третий аспект изобретения относится к полимерным чувствительным материалам, в частности к датчику на основе чувствительных к напряжению, электропроводящих полимерных композиций, таких как композиции, подробно описанные в упомянутых выше заявках на патент.

Было обнаружено, что вышеупомянутые полимерные композиции, модифицированные полимеры и структуры изменяют электрическое свойство при взаимодействии с химическими и микробиологическими веществами, ядерными и электромагнитными полями. Изменение электрического свойства имеет обратимый характер и может обеспечивать меру концентрации потока излучения.

Предложенный датчик для химических или микробиологических веществ или излучения содержит контактную головку, представляющую собой полимерную композицию, содержащую, по меньшей мере, один по существу непроводящий полимер и, по меньшей мере, один электропроводящий наполнитель и являющуюся электроизоляционной в состоянии покоя, но проводящей, когда на нее действует механическое напряжение или электростатический заряд; средство для обеспечения доступа испытываемого образца к головке; средство для включения головки в электрическую цепь, выполненное с возможностью измерения электрического свойства полимерной композиции.

Следует отметить, что в полимерной композиции инкапсулирующая фаза является высокоотрицательной на трибоэлектрическом веществе, не накапливает электроны на своей поверхности и проницаема для прохождения ряда газов и других подвижных молекул в головку и/или на ее поверхность, что вызывает изменение электрического свойства полимерной композиции.

В контактной головке полимерная композиция может быть, например, в любой из описанных выше форм.

Контактная головка может содержать средство для создания напряжения, например механического сжатия или растяжения, или источник электрического или магнитного поля, чтобы привести полимерную композицию к уровню проводимости, соответствующему требуемой чувствительности датчика.

Датчик может быть выполнен с возможностью статического или динамического контактирования. Для статического контактирования он может быть выполнен в форме портативного блока, пригодного для погружения головки в образец в контейнере.

Для динамического контактирования датчик можно держать в движущемся потоке образца или он может иметь собственные каналы ввода и/или разгрузки и, возможно, насосное средство для ввода и/или удаления образца. Такое насосное средство может быть перистальтического типа, как, например, в медицинских исследованиях.

В одном примерном варианте свойства системы изменяются в реальном времени. Это значит, что под действием неоднородного электрического поля частицы испытывают электрофоретическое усилие, которое изменяет электрическое свойство полимерной структуры.

В предпочтительном варианте выполнения датчика полимерную композицию возбуждают полем линейного и нелинейного переменного тока. Можно использовать ряд методов для выделения интересующего сигнала из шума и помех, например, на основе реактивности, индуктивности, профиля сигнала, профиля фазы, частоты, пространственной и временной когерентности.

В другом примере полимерная композиция удерживается в переходном состоянии путем приложения электрического заряда, затем увеличение ионизации вследствие воздействия ядерного излучения изменяет электрическое сопротивление, реактивность, импеданс или другое электрическое свойство системы.

В следующем примере в полимерную композицию вводится комплексообразующий ионофор или другой материал типа "замок и ключ" (lock and key) или адсорбирующий материал. Такие материалы включают краун-эфиры, цеолиты, твердые и жидкие ионообменные смолы, биологические антитела и их аналоги или другие подобные материалы. При возбуждении полем постоянного тока, линейного или нелинейного переменного тока такие материалы изменяют свое электрическое свойство в соответствии с адсорбцией материалов или контактом с источниками излучения. Такие материалы обеспечивают возможность сужения ширины полосы пропускания для адсорбированных веществ и избирательности системы. В еще одном примере в полимерную композицию вводится электрод, т.е. материал, в котором единственным анионом является электрон и типичным примером которого может быть цезий-5-краун-5, полученный путем испарения металлического цезия на 15-краун-5. Аналогичным образом можно применять другие ионофоры, цеолит и ионообменные материалы. Такая композиция имеет низкую функцию работы выхода электронов, типично <<1 электрон-вольт, так что низкие напряжения постоянного тока или неоднородные напряжения переменного тока переключают его с электроизоляционной на электропроводящую фазу с уменьшением постоянной времени и увеличением полосы пропускания для адсорбированных веществ и системы. Такие материалы можно использовать для обнаружения адсорбированных материалов и/или источников излучения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 изображает в разобранном виде переменный резистор, имеющий гибкое или жесткое внешнее соединительное средство, согласно изобретению;

фиг.2 изображает три варианта элемента, изображенного на фиг.1, согласно изобретению;

фиг.3 изображает два переменных резистора, имеющих конфигурацию элемента и внешних соединений, отличные от тех, которые изображены на фиг.1 и 2; в них факультативно используются соединители согласно второму аспекту изобретения;

фиг.4 изображает в разобранном виде два многофункциональных переменных резистора согласно изобретению.

Любой из переменных резисторов, изображенных на чертежах, может составить основу датчика согласно третьему аспекту изобретения.

Подробное описание изобретения

Пример

Примером проводящей пенопластовой структуры для элемента может служить лист полиэфирного пенопласта с открытыми ячейками, толщиной 2 мм с размером ячеек 80 пор на дюйм (32 поры на см), заполненный покрытыми силиконом гранулами никеля размером в пределах 75-152 микрон. Гранулы были получены путем покрытия никелевого порошка INCO типа 287 силиконом ALFAS INDUSTRIES RTV типа А2000 в массовом соотношении 8:1 методом абляции вращением. Гранулы просеивали до нужного размера и втирали в пенопласт до тех пор, пока они не появлялись на нижней стороне пенопласта, что являлось показателем соответствующего заполнения. Пенопласт удерживает 75 мг гранул на см², что соответствует 1875 мг/см² в среднем через пенопласт после сжатия и около 2500 мг/см³ в полностью загруженном пласте, составляющем элемент. Пенопласт с гранулами сжимали между металлическими листами и нагревали в печи при 120°С в течение 30 мин. В результате получали очень гибкую, чувствительную к давлению структуру толщиной 0,4 мм, которая имела диапазон сопротивления более чем 10¹² Ом по толщине и которую можно было пропорционально регулировать до менее чем одного Ома используя только давление пальца.

Слова "верхний" и "нижний" при описании чертежей относятся только к положению на чертежах и их не следует понимать как ограничивающие расположение при использовании; круглая форма компонентов является только иллюстративной, она зависит от предназначения, например, для контактной головки в третьем аспекте изобретения подойдет прямоугольная форма, чтобы обеспечить путь для циркуляции жидкого испытываемого образца.

Изображенный на фиг.1 переменный резистор содержит внешнее соединительное средство с электродами 10, от которых отходят внешние соединители (не показаны). Электроды 10 соединены мостом в виде элемента 14, выполненного из пенопласта с никелем и силиконом, как в описанном выше примере. Нижний электрод 10 опирается на твердое основание 16. Верхний электрод 10 выполнен с возможностью движения вниз для сжатия элемента 14 под действием средства 18, показанного в общем стрелками и способного влиять на часть или на всю площадь электрода 10. Можно, конечно, использовать средство 18 также и для нижнего электрода. Электрод 10 может быть отдельным элементом, выполненным из твердого материала, такого как металлическая медь или покрытая платиной латунь, в этом случае действие на часть площади электрода можно обеспечить, например, путем наклонного приложения средства 18 к электроду 10 или использования элемента 14 с изменяющейся толщиной. Альтернативно, электрод 10 может быть гибким, например из металлической фольги, ткани с металлическим покрытием, органического проводящего полимера или, в предпочтительном переключателе, в форме когерентного покрытия из проводящего металла на верхней и/или нижней поверхности элемента 14. Такое покрытие можно получить посредством нанесения краски с большим содержанием металла, например серебряной краски. В таком переменном резисторе элемент 14 может быть конструктивно основан на любом другом материале, имеющем соответствующие пустоты, например на полиэфирной ткани грубого плетения, такой как саржа или камвольная ткань.

На фиг.2 общая конструкция переменного резистора такая же, как на фиг.1, но представлены три варианта элемента 2а-2с.

В варианте 2а элемент 22 содержит углерод по всему своему объему 22+24, а гранулы никеля с силиконом только в центральной области 24. Когда переключатель находится в состоянии покоя без приложения напряжения средством 18, это позволяет проходить небольшому току за счет слабой проводимости углерода, обеспечивая таким образом начальное сопротивление или начальную проводимость. При приложении напряжения средством 18 возникает высокая проводимость композиции никеля и силикона, степень которой зависит от площади, к которой прикладывается такое напряжение, а также от степени сжатия композиции, если она обладает таким свойством.

Варианты 2b и 2с иллюстрируют комбинации элемента с согласованным слоем непроводящего или слабопроводящего материала.

В варианте 2b элемент 34 содержит верхнюю часть блока из пенопласта или текстиля, содержащую никель с силиконом, а его нижняя часть выполнена в виде непроводящего или (например, как в 2а) слабопроводящего слоя. Эта комбинация получена путем нанесения никеля с силиконом в виде порошка или жидкой суспензии преимущественно на одну сторону блока. Граница между элементом и слоем не обязательно должна быть четкой.

В варианте 2с элемент 34 может содержать никель с силиконом, расположенный равномерно или постепенно изменяющимся образом, но слой 38 является отдельным элементом и в собранном переключателе может быть приклеен или механически зафиксирован в контакте с элементом 34. Преимущество над вариантом 2b состоит в том, что данный слой может структурно отличаться от элемента, например,

ЭлементСлойсплющенный пенопластнесплющенный пенопласт-″-тканый материал-″-сеткасплющенная тканьнесплющенная ткань

На фиг.3а и 3b элемент содержит блок 314 из пенопласта, содержащего никель с силиконом, имеющий внешние соединительные проводники 313, внедренный в него. Этому элементу можно придавать проводимость посредством сжатия области между проводниками 313 башмаком 316, который может иметь косой нижний конец, чтобы область его приложения к элементу зависела от степени его движения вниз. Вместо или в дополнение к башмаку 316 может быть предусмотрено множество отдельно управляемых элементов, позволяющих получить требуемую совокупную область приложения. В миниатюрном переменном транзисторе башмаком 316 может служить точечно-матричный или пьезоэлектрический механизм. Внедренные проводники могут быть выполнены из омического материала или они могут быть дорожками из композиции металла и полимера, например никеля с силиконом, которой придана постоянная проводимость путем локального сжатия, например методом усадки или сшивания. Если внедренные проводники получают путем локального сжатия, это можно реализовать в относительно тонком листе элемента, после чего сверху этого тонкого листа можно уложить другой лист элемента.

Переменный резистор, изображенный на фиг.3а, при использовании в качестве датчика согласно третьему аспекту изобретения может составлять часть статической системы, в которой он погружается в образец текучей среды, а также может использоваться в поточной системе.

Переменный резистор, изображенный на фиг.3b, представляет собой гибрид, в котором использованы механизмы, изображенные на фиг.1 и фиг.3а. Он обладает более высокой чувствительностью, чем переменный резистор на фиг.3а. При приложении напряжения в месте 18 проводимость между проводниками 313 возникает также и через электрод 10.

На фиг.4а изображен переменный резистор, представляющий собой два переменных резистора, показанных на фиг.1, сложенных обратными сторонами. Здесь обеспечено более компактное расположение двух выходов переменных сопротивлений от одного входа, чем в случае использования обычных компонентов переменного резистора. Изображенная на фиг.4а комбинация при ее использовании в датчике может обеспечивать параллельно тестирующее и пустое считывание. На фиг.4b проиллюстрирован вариант, в котором два отдельных переменных резистора, подобных изображенному на фиг.1, электрически изолированы друг от друга блоком 20. В вариантах на фиг.4а и 4b можно использовать варианты, изображенные на фиг.2 и 3. Такие комбинации могут служить примерами компактного многофункционального управляющего средства, создающего новые возможности конструирования электрического прибора. Например, вариант 4b может быть использован в качестве двухпозиционного переключателя и регулятора громкости, управляемого одной кнопкой.

Проводящая структура используется в устройствах с переменным электрическим сопротивлением для обеспечения изменений электрического сопротивления при движении и колебаниях давления, при этом устройство с переменным сопротивлением содержит присоединяемые снаружи электроды, соединенные по схеме моста в виде элемента, содержащего полимер и частицы металла, сплава или восстановленного оксида металла. Элемент имеет первый уровень проводимости в состоянии покоя и способен переходить на второй уровень проводимости при изменении напряжения, прикладываемого посредством растяжения, или сжатия, или электрического поля, а устройство дополнительно содержит средство для создания напряжения на элементе на площади поперечного сечения, пропорциональной требуемому уровню проводимости. Техническим результатом является возможность выдержать полимерной композицией токов высокой плотности даже при отсутствии полных металлических токопроводов. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Переменный резистор, содержащий тело в виде сплющиваемого базового слоя из полимерного материала, обладающего изоляционным или слабо проводящим свойством, частицы проводящего наполнителя в виде частиц металла, сплава или восстановленного оксида металла, причем упомянутый резистор имеет электрическое сопротивление, которое уменьшается при приложении напряжения путем растяжения или сжатия или электрического поля, отличающийся тем, что базовый слой имеет пустоты, которые содержат наполнитель в виде проводящих частиц.2. Переменный резистор по п.1, отличающийся тем, что указанные пустоты имеют структуру, доступную для проникновения текучей среде.3. Переменный резистор по п.2, отличающийся тем, что базовый слой выбран из группы, состоящей из пенопласта, сетки, марли, мата или ткани, или комбинации двух или более перечисленных материалов.4. Переменный резистор по п.3, отличающийся тем, что содержит полимерный пенопласт с открытыми ячейками, заполненный проводящими частицами, при этом заполненный пенопласт сплющен в 2÷8 раз по объему с остающейся возможностью дополнительного сжатия.5. Переменный резистор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что имеет форму листа толщиной 0,1÷5,0 мм.6. Переменный резистор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что концентрация проводящих частиц наполнителя постепенно изменяется по толщине листа.7. Переменный резистор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что базовый слой обладает слабо проводящим свойством благодаря содержанию тонко измельченного углерода.8. Переменный резистор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что проводящий наполнитель имеет форму насыщенных проводником гранул, каждая из которых содержит частицы проводящего металла, сплава или восстановленного оксида металла, покрытого по меньшей мере одним непроводящим полимером, при этом каждая гранула является электроизолятором в состоянии покоя и проводником при воздействии механического напряжения или наведенного электрического заряда.9. Переменный резистор по п.8, отличающийся тем, что непроводящий полимер представляет собой силиконовый каучук.10. Переменный резистор по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что частицы проводящего наполнителя имеют шиловидную, дендритную и/или волокнистую форму.11. Переменный резистор по п.10, отличающийся тем, что проводящие частицы наполнителя содержат полученный из карбонила металлический никель.12. Переменный резистор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что базовый слой содержит слой изолирующего или слабо проводящего материала, содержащего пустоты, но свободного от проводящих частиц наполнителя.13. Переменный резистор по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что содержит внешние соединительные электроды, при этом тело расположено между внешними соединительными электродами.14. Переменный резистор по п.13, отличающийся тем, что содержит средство для увеличения напряжения и/или для преобразования этого напряжения или снятия предварительного напряжения для участка тела между электродами.15. Переменный резистор по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что содержит внешнее соединение, образованное посредством по меньшей мере одного локализованного предварительно напряженного проводящего участка тела.16. Переменный резистор по п.5, отличающийся тем, что тело имеет форму листа, а предварительно напряженный участок является линией сшивания.17. Переменный резистор по любому из пп.1-16, отличающийся тем, что содержит присоединяемые снаружи шунтирующие электроды, внедренные в тело.18. Множество переменных резисторов, содержащее два переменных резистора по п.1, скрепленных друг с другом, причем каждый их переменных резисторов электрически связан и активирован одним механическим средством для создания напряжения на элементе.19. Множество переменных резисторов по п.18, отличающееся тем, что содержит изолирующий блок, посредством которого переменные резисторы изолированы друг от друга.20. Датчик для химических или микробиологических веществ или излучения в подвижной текучей среде, содержащий контактную головку, содержащую, по меньшей мере, один переменный резистор по п.2, имеющий электрическое свойство, заключающееся в чувствительности к наличию химических или микробиологических веществ или излучения в подвижной текучей среде, средство для воздействия на резистор подвижной текучей среды и средство для подключения головки к электрической цепи, предназначенное для измерения электрических свойств.21. Датчик по п.20, отличающийся тем, что контактная головка содержит средство для приложения напряжения для придания переменному резистору уровня сопротивления, достаточного для требуемой чувствительности датчика.

Приоритет по пунктам 1, 3 и 6 - от 22.06.1999.

Приоритет по пунктам 10 и 20 - от 01.07.1999.

Приоритет по пунктам 15 и 16 - от 10.08.1999.

Приоритет по пунктам 5, 8, 9, 11 и 13 - от 10.02.2000.

Приоритет по пунктам 2, 4, 7, 12, 14, 17-19 и 21 - от 21.06.2000.