CN113039656A - 具有层结构的机电换能器 - Google Patents
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Abstract
一种机电换能器(1，21，28)，其具有层结构，所述层结构以如下顺序包括：第一层(2)，其在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域(3)；第二层(6)，其用作在至少某些点处导电的粘合层；第三层(13，22)，其包括机电功能元件；第四层(15，23)，其用作至少在某些点处导电的粘合层；第五层(17，24)，其在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域(18)。另外，描述了一种制造这样的机电换能器(1，21，28)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及具有层结构的机电换能器。
背景技术
EP2372802A2描述了一种机电换能器，其包括至少底部支撑层，布置在所述底部支撑层上的电和或机电功能元件，以及具有连接至功能元件的电触点的顶层。
对于这样的将在商业上可行的机电换能器，需要高效的制造工艺。
发明内容
本发明因此基于指定适于以工业规模生产并且稳健和可靠地操作的机电换能器的目的。另外，指定相关的制造方法。
为了解决该问题，提供了具有权利要求1的特征的机电换能器。
根据本发明的机电换能器具有层结构，所述层结构以如下顺序包括：
-第一层，其在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域，
-第二层，其用作在至少某些点处导电的粘合层，
-第三层，其包括机电功能元件，
-第四层，其用作至少在某些点处导电的粘合层，
-第五层，其在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域。
根据本发明的机电换能器的特征在于由于其层结构而能够简单且不昂贵地大量制造的事实。外层，即第一层和第五层，用于尤其是屏蔽机电功能元件，使得其不能被诸如电磁场的外部影响干扰。另一个优点是根据本发明的机电换能器由于层结构而能够相对容易地制造。特别地，通过相继分割层结构(面板)而将各个层在单个过程中叠加而能够制造若干机电换能器，由此获得各个换能器。
在根据本发明的机电换能器中，第二层和第四层用作粘合层，其以该方式分别将两个相邻层(即，第一层和第三层以及第三层和第五层)连接。在本文中必要的是第二层和第四层至少在多个点处导电。以该方式，能够跨过不同的层而实现电连接。
在本发明的范围内，可以设置为第一层和/或第五层具有暴露在外部的接触件。接触件可以用于连接电连接元件(例如，线路)。同样在本发明的范围内的是，接触件形成为插头或者插座或者电子组件。如果接触件集成在机电换能器中，则电连接特别简单。例如，接触件能够被设计为存储卡，例如SD卡，或者用于移动电话的SIM卡。
通过具体的优势，在根据本发明的机电换能器中能够设置为每个层具有至少一个点状电触点或者贯穿镀层，层经由其导电地连接至相邻层。以该方式，电信号能够垂直于层平面而以单个或多种(过多的)方式传递至一个或两个外层。
优选地，在根据本发明的机电换能器中，第二层至第五层直接或间接经由布置在其与第一层之间的层而具有至少一个与第一层的导电连接。因此，如果具有出于信号的传递或其他原因的需要，则优选布置在第一层上的接触件能够电连接至每个单个层。
当两个相邻层，优选全部相邻层，彼此通过材料结合时，产生机电换能器的特别稳健的结构。这意味着全部的层彼此牢固地结合，导致机电换能器的稳定的结构。
在本发明的另外的实施例中，可以设置为至少两个相邻层，优选全部相邻层，通过聚合体基体(例如树脂基体)以材料锁固和/或形状适配的方式彼此结合。特别地，用作粘合层的第二层和第四层也能够由聚合体基体或者具有树脂基体组成。替代地，它们可以包括粘合膜、热塑膜或者液态或粘性的粘合剂。在这方面，可以预想到界面结合将会使聚合体表面结合至聚合体表面。然而，也可以设置为通过材料结合的接点将金属表面结合至金属表面，或者通过材料结合的接点将聚合体表面结合至金属表面。优选地，相互连接的机电换能器的表面面积的至少20％由聚合体形成，特别是由树脂基体形成。替代地，可以由树脂基体或者聚合体基的粘合剂形成材料结合。粘合剂能够通过加热，可选地在压力下，被粘合剂-活化和/或硬化。
在本发明的范围内，可以设置为功能元件被设计为如下传感器之一：压电传感器、电容传感器、感应传感器、电导传感器、电阻式传感器、压阻式传感器、热电传感器、位置传感器、陀螺测试仪、霍尔传感器、磁力计、雷达传感器、接近传感器。上述传感器中的每个能够用于专门的测量任务。例如，提到的传感器能够用于检测结构传递的声音(即，主体的振动)，或者检测力、应力或者弯曲。能够从由传感器记录的这些测量值得到或者计算另外的更多量。例如，也能够将结构传递的声音振动检测为声信号。
根据本发明的机电换能器可以包括电子电路，所述电子电路具有以下部件中的一个或多个：信号放大器、滤波器、A/D转换器、信号处理控制器、数据存储器、无线数据传递模块、无线电力传递模块、ASIC(特定用途集成电路，application specific integratedcircuit)、DSP(数字信号处理器，digital signal processor)、FPGA(现场可编程门阵列，field programmable gate array)。
还在本发明的范围内的是，根据本发明的机电换能器具有若干一个堆叠在另一个顶部的相同层或不同层。层的顺序可以不同。例如，堆叠的层可以对称布置。根据本发明的机电换能器的至少一层可以包括纤维加强聚合体。这样的纤维加强聚合体特别容易组装到层结构中。根据本发明的机电换能器的粘合层可以电绝缘，至少分段地电绝缘。例如通过例如具有作为组成部分的碳纤维或者银颗粒的导电聚合体可以形成导电复合物。也可以只在垂直于层平面的多个点处存在导电率，同时粘合层在该平面中绝缘。
在本发明的范围内，能够将一个或多个的功能层直接集成到机电换能器中。这样的层可以包括电子部件、传感器或者诸如温度传感器、位置传感器、扭矩传感器、加速度传感器的另一传感器或者上文提到的一个或多个的电子电路。这样的传感器和电路通过本发明能够容易且不昂贵地连接。还能够将完全配备有电子部件的印刷电路板集成到根据本发明的换能器中。
在根据本发明的机电换能器中，至少一个层可以是能够热硬化的，或者可以被硬化，或者是自粘合的。此外，机电换能器能够具有包括机电功能元件的多个层。优选地，机电换能器的至少一个层包括纤维加强聚合体。优选地，粘合层至少分段地电绝缘和/或平行于由粘合层限定的平面。
此外，本发明涉及制造机电换能器的方法，其包括以下步骤：
-设置第一层，所述第一层在至少一个平面中具有至少一个以与外部绝缘的模式的用作电屏蔽的导电区域，
-设置第二层，所述第二层用作至少在某些点处导电的粘合层，
-设置第三层，所述第三层包括机电功能元件，
-设置第四层，所述第四层用作至少在某些点处导电的粘合层，
-设置第五层，所述第五层在至少一个平面中具有至少一个以与外部绝缘的模式的用作电屏蔽的导电区域，
-堆叠并且对齐第一层至第五层以形成面板区域，
-在压力下对层进行挤压，以及
-分割面板区域。
在根据本发明的工艺中，能够设置为通过加热来将层挤压在一起。特别地，能够将层挤压在一起几分钟或几秒钟，或者优选地只几分之一秒。
在所述工艺的范围内，可以设置为在挤压之前使至少一个层经受清洁或者表面活化。表面活化能够采用等离子处理的形式。
在根据本发明的工艺中，冷硬化粘合剂、热塑热熔性粘合剂或者热固性塑料结构粘合剂(duromer structural adhesive)能够用作粘合层。
附图说明
在下文中参照附图通过示例来说明本发明的进一步的优点和细节。附图为示意性的表示并且示出：
图1为根据本发明的机电换能器的第一实施例的截面图，
图2为根据本发明的机电换能器的第二实施例，以及
图3为根据本发明的机电换能器的第三实施例。
具体实施方式
图1为截面图并且示出具有层结构的机电换能器1。机电换能器1包括第一层2，所述第一层2在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域3。平面区域3形成与机电换能器1的外部电绝缘的外层。另外，第一层2包括与平面区域3分开的另一个平面区域4。两个平面区域3、4嵌入聚合体基体5中并且由此彼此材料结合。
第一层2跟随有用作粘合层的第二层6。粘合层在多个点7处导电。在这些点7中的每个处，存在横向于粘合层(即，从粘合层的一侧到相反侧)的电触点。从用作粘合层的第二层6，接触件8垂直于层平面而向机电换能器1的外部9延伸。接触件8终止于触点10。在图1中，能够看出另外的触点出现在外部9。若干触点11向平坦区域3延伸。触点12通过平坦区域4连接外部9。
在图1的视图中，包括机电功能元件的第三层13位于用作粘合层的第二层6下方。在示出的实施例中，机电功能元件被设计为压电传感器14。传感器14利用压电效应。当施加机械压力时，产生能够供给至放大器的电荷。随后，能够处理和评估由压电传感器14供给的信号。
在图1的视图中，在第三层13下方，存在用作粘合层的第四层15，其以与用作粘合层的层6相同的方式构成。用作粘合层的层15在多个点处导电。为此目的，在若干点16处设置有贯穿粘合层的触点。用作粘合层的层15连接第三层13和第五层17。第五层17基本上像第一层2那样构成。在一个平面中包括与外部绝缘地构成的导电区域18。另外，第五层17包括沿厚度方向与平面区域18分开的另外的平面区域19。与第一层2的平面区域3、4类似地，两个平面区域18、19嵌入聚合体基体20。
从外部9的触点10，接触件8穿过用作粘合层的第二层6以及用作粘合层的第四层15延伸至以该方式连接至触点10的第五层17。多个触点用于使机电换能器1与外部部件电接触，例如与放大器或者与估算电路电接触。
机电换能器1的全部五个层与根据需要设置在层中的导电区域或者绝缘区域组成聚合体或者纤维加强聚合体。至少在多个点处，每个层具有至少一个导电触点，或者二维触点或者贯穿镀层，各层经由其来与一个或多个的相邻层连接。
在该实施例中描述的机电换能器能够容易地使用自动处理大量制造。为此目的，生产包括以行列布置的多个机电换能器的面板。在将各层堆叠后，执行模压成型。随后切割面板，从而创建各个机电换能器。
图2示出机电换能器21的第二实施例，其与第一实施例描述的换能器类似地构成。因此在本文中省略对应部件的详细描述。
机电换能器21包括具有平面区域3的第一层2，所述平面区域3与外部绝缘地构成并且导电而且用作电屏蔽。第一层2跟随有用作粘合层的第二层6。第三层22包括设计为传感器14的机电功能元件。在图2的视图中位于第三层22的与层6的相反侧的第四层用作粘合层。
第五层24形成与外侧9相反的外侧25。第五层24包括与外部绝缘地构成用作电屏蔽的导电区域26。在图2中，能够看出机电换能器21对称地构成。因此，存在两个相同的传感器14，其中的每个在两侧设置有粘合层。第五层24与图2中的下方的传感器的粘合层邻接。中间层27位于两个内部粘合层之间。
图3示出与图2所示的机电换能器结构类似并且也具有与图1所示的实施例类似的屏蔽的机电换能器28的另一个实施例。
附图标记列表
1 机电换能器
2 第一层
3 平面区域
4 平面区域
5 聚合体基体
6 第二层
7 点
8 接触件
9 外部
10 触点
11 触点
12 触点
13 第三层
14 传感器
15 第四层
16 点
17 第五层
18 平面区域
19 平面区域
20 聚合体基体
21 机电换能器
22 第三层
23 第四层
24 第五层
25 外侧
26 区域
27 中间层
28 机电换能器
Claims (19)
1.一种机电换能器(1，21，28)，其具有层结构，所述层结构以如下顺序包括：
-第一层(2)，其在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域(3)，
-第二层(6)，其用作在至少某些点处导电的粘合层，
-第三层(13，22)，其包括机电功能元件，
-第四层(15，23)，其用作至少在某些点处导电的粘合层，
-第五层(17，24)，其在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部绝缘的用作电屏蔽的导电区域(18)。
2.根据权利要求1所述的机电换能器，其特征在于，所述第一层(2)和/或所述第五层(17，24)具有暴露在外部(9，25)的触点(8)。
3.根据权利要求2所述的机电换能器，其特征在于，所述触点(8)被设计为插头、或者被设计为插座、或者被设计为电子单元。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，每个层(2，5，13，15，17，22，23，24)具有至少一个触点(10，11，12)或者贯穿镀层，所述至少一个触点(10，11，12)至少在多个点处导电，层(2，5，13，15，17，22，23，24)经由所述贯穿镀层而导电地连接至相邻的层(2，5，13，15，17，22，23，24)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，第二层至第五层(6，13，15，17，22，23，24)直接地或者经由布置在其与所述第一层(2)之间的层而具有至少一个与所述第一层(2)的导电连接。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，两个相邻的层(2，5，13，15，17，22，23，24)，优选全部相邻的层(2，5，13，15，17，22，23，24)，以材料锁固的方式彼此结合。
7.根据权利要求6所述的机电换能器，其特征在于，至少两个相邻的层(2，5，13，15，17，22，23，24)，优选全部的层(2，5，13，15，17，22，23，24)，通过聚合体基体(5)以材料锁固和/或形状适配的方式彼此结合。
8.根据权利要求6或7所述的机电换能器，其特征在于，由聚合体，特别是由树脂基体，在所述机电换能器(1，21，28)的表面的至少20％上形成材料结合。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，所述功能元件被设计为如下传感器之一：压电传感器(14)、电容传感器、感应传感器、电导传感器、电阻式传感器、压阻式传感器、热电传感器、位置传感器、陀螺测试仪、霍尔传感器、磁力计、雷达传感器、接近传感器，或者被设计为电子电路。
10.根据权利要求9所述的机电换能器，其特征在于，所述电子电路包括以下部件中的一个或多个：信号放大器、滤波器、A/D转换器、用于信号处理的控制单元、数据存储器、无线数据传递模块、用于电力的无线传输的模块、ASIC(特定用途集成电路)、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，至少一个层(2，5，13，15，17，22，23，24)是能够热硬化的，或者被硬化，或者是自粘合的。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，其包括多个层，所述多个层包括机电功能元件。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，至少一个层(2，5，13，15，17，22，23，24)包括纤维加强聚合体。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的机电换能器，其特征在于，所述粘合层至少分段地电绝缘和/或平行于由所述粘合层限定的平面。
15.一种制造机电换能器(1，21，28)的方法，包括以下步骤：
-设置第一层(2)，所述第一层(2)在至少一个平面中具有至少一个构造为与外部电绝的用作电屏蔽的导电区域(3)，
-设置第二层(6)，所述第二层(6)用作至少在某些点处导电的粘合层，
-设置第三层(13，22)，所述第三层(13，22)包括机电功能元件，
-设置第四层(15，23)，所述第四层(15，23)用作至少在某些点处导电的粘合层，
-设置第五层(17，24)，所述第五层(17，24)在至少一个平面中具有至少一个与外部绝缘模式的用作电屏蔽(18)的导电区域，
-堆叠并且对齐第一层至第五层(2，5，13，15，17，22，23，24)以形成面板区域，
-在压力下对层(2，5，13，15，17，22，23，24)进行挤压，以及
-分割面板区域。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过加热来将所述层(2，5，13，15，17，22，23，24)挤压在一起。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，将所述层(2，5，13，15，17，22，23，24)挤压在一起几分钟或者几秒钟或者优选只几分之一秒。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中，在挤压之前使至少一个层(2，5，13，15，17，22，23，24)经受清洁或者诸如等离子处理的表面活化。
19.根据权利要求15至18中的任一项所述的方法，其中，冷硬化粘合剂、热塑热熔性粘合剂或者热固性塑料结构粘合剂被用作所述粘合层。
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