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Druckempfindliches Widerstandselement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches Widerstandselement sowie ein Verfahren
zu seiner Herstellung.
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Bekannte druckempfindliche Widerstandselemente, die eine Elastizität
zum Umwandeln mechanischer Spannung in ein elektrisches Signal aufweisen, bestehen
aus einem leitenden Gummi, das so hergestellt wird, daß Gummi mit pulverförmigem
natürlichem oder künstlichem Graphit gemischt und dann zur Herstellung des leitenden
Gummis einem Formen unter Vulkanisierung unterworfen wird.
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Ein solches leitendes Gummi hat sich jedoch durch eine geringe relative
Widerstandsänderung in bezug zur mechanischen Spannung und durch starke Hysterese
als nachteilig erwiesen.
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Das beispielsweise aus einer Mischung mit 20 Gew.-% Graphit bestehende
leitende Gummi weist eine relative Widerstandsänderung
von lediglich
1,5 auf, selbst wenn eine mechanische Spannung von 4 kg/cm² aufgebracht wird, wobei
die relative Widerstandsänderung hier als das Verhältnis des Widerstandswerts ohne
Spannung in bezug zum Widerstandswert mit Spannungsbeaufschlagung zu verstehen ist.
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Ferner war es bisher auch schwer, eine gleichmäßige Verteilung der
leitenden Teilchen im Gummi zu erzielen, wodurch man unstabile druckempfindliche
Widerstandselemente erhält.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein druckempfindliches Widerstandselement
zu schaffen, das eine große relative Widerstandsänderung in bezug zu einer an ihm
angreifenden mechanischen Spannung und eine geringe Hysterese aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines
Verfahrens zur Herstellung des obigen druckempfindlichen Widerstandselements.
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Ein druckempfindliches Widerstandselement gemäß der Erfindung besteht
aus einem Widerstand, der durch Wärmeformen leitender Teilchen in zusammengeballtem
Zustand hergestellt ist, wobei die Oberfläche jedes Teilchens mit einem elastischen
Polymerharz überzogen ist, und aus Metallelektroden, die am Widerstand haftend befestigt
sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigqn Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
druckempfinifinhen Widerstandselements,
Fig. 2 eine die Beziehung
zwischen Widerstand und aufgebrachter Last bei einem erfindungsgemäßen druckempfindlichen
Widerstandselement veranschaulichende Kennlinie, Fig. 3 eine Hysterese-Kurve von
Strom zu Last bei einer bestimmten, an ein erfindungsgemäßes druckempfindliches
Widerstandselement gelegten elektrischen Spannung, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht
eines erfindungsgemäßen druckempfindlichen Widerstands elements, teilweise im Schnitt,
mit das Element abdeckenden isolierenden Bändern, Fig. 5 eine perspektivische Ansicht
des erfindungsgemäßen Widerstandselements teilweise im Schnitt, mit einer Abdeckung
aus elastischem ItunststoffS Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines auf einer
in Abhängigkeit von einer Zugkraft biegsamen elastischen Platte befestigten druckempfindlichen
Widerstandselements gemäß der Erfindung und Fig. 7 eine die Beziehung zwischen Widerstand
und Zugbelastung bei dem in Fig. 6 dargestellten Widerstandselement veranschaulichende
Kennlinie.
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Durch die Erfindung soll ein druck-empfindliches Widerstandselement
mit hoher Empfindlichkeit und guter Stabilität sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung
geschaffen werden, bei dem leitende Teilchen mit einen härtbaren elastischen Po
lymerharz überzogen und dann einen WYärneformen unterworfe
werden.
Bei einer Durchführungsform des Verfahrens werden die leitenden Teilchen zu einem
Gemisclì mit dem elastischen Polymerharz verknetet und dann bis zu einem halbausgehärteten
Zustand erhitzt, woraufhin man durch Pulverisieren der halbharten Teilchen die mit
dem Polymerhaz überzogenen leitenden Teilchen herstellt. Die so überzogenen leitenden
Teilchen werden zusammengebacken und durch erneute Wärmebehandlung geformt, wodurch
ein druckempfindlicher Widerstand hergestellt wird, der eine geringe Hysterese mit
gleichmäßiger Struktur und eine relativ große Widerstandsänderung in bezug zur aufgebrachten
mechanischen Spannung aufweist.
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Daraufhin werden Metallelektroden durch Aufdampfen oder durch Klebemittel
daran befestigt, wodurch man ein druckempfindliches Widerstandselement erhält.
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Das Aufbringen der mechanischen Spannung auf das so hergestellte
druckempfindliche Widerstands element verursacht eine Veränderung der Kontaktflächen
und des Kontaktdrucks zwischen den leitenden Teilchen, durch die der Widerstandswert
verändert wird.
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Ferner ist aufgrund der Elastizität des als Bindemittel zwischen
den leitenden Teilchen dienenden Polymerharzes eine las ische gleichmäßige erförmung
zu erzielen.
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Die leitenden Teilchen bestehen beispielsweise aus kohlehaltigen
pulvern einer Korngröße von 100 bis 600 mesh, die durch Karbonisieren oder Graphitieren
eines aus Phenol- oder Furanharzen ausgewählten wärmehärtenden Harzes hergestellt
sind. Die kugelförmigen Teilchen, die im allgemeinen als glasartige Kohle bezeicimet
werden, sind aufgrund (1.) der großen relativen
Änderung des Kontaktwiderstands,
(2.) der guten Widerstandsfähigkeit gegen Hitzestöße, wie bei einem Funken oder
einer Bogenentladung, (3.) der hohen mechanischen Festigkeit, (4.) der isotropen
Natur in bezug auf elektrischen Widerstand und (5.) der weitgehend kugeligen Form
im Vergleich zu gewöhnlichem natürlichem Graphit oder künstlichem Graphit besonders
als leitende Teilchen geeignet. Demnach ist die glasartige Kohle für die Verwendung
als leitende Teilchen geeignet, aus denen ein druckempfindlicher Widerstand mit
einer großen relativen Widerstandsänderung und guter Stabilität hergestellt wird.
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Andererseits wird hitze- und chemikalienbeständiges Siliziumharz
vorzugsweise als Polymerharz verwendet.
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Das Mischverhältnis zwischen den leitenden Teilchen und dem Polymerharz
kann vom Gesichtspunkt der relativen Widerstands änderung und der Stabilität in
einem Gewichtsverhältnis von 3 : 7 bis 7 : 3 gewählt werden.
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Die Befestigung der Elektroden am Widerstand ist von großer Wichtigkeit.
Ein gutes Ergebnis kann erzielt werden, wenn die Elektroden mit Hilfe eines leitenden
Klebemittels am elastischen druckempfindlichen Widerstand befestigt werden.
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Herkömmlicherweise werden die Elektroden mit einem wärmehärtendeg
leitenden Klebemittel oder durch ein Metallaufdampf- bzw. Metall beschichtungsverfahren
am Widerstand angebracht.
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Bei einer solchen Art der Befestigung treten jedoch Probleme auf;
beispielsweise treten unmittelbar nach wiederholte Aufbringen mechanischer Spannung
wegen des großen Unterschieds zwischen dem Youngschen Modul der Elektrode und dem
des Klebemittels aufgrund der Elastizität des druckempfindlichen Widerstands
ein
Springen oder Abblättern an den Elektroden auf, woraus sich ein unstabiler Kontaktwiderstand
zwischen dem elastischen druckempfindlichen Widerstand und der Elektrode ergibt,
wodurch man ein unstabiles druckempfindliches Widerstandselement erhält.
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Andererseits bietet ein leitendes druckempfindliches Klebemittel,
in dem der druckempfindliche Klebstoff mit einem leitenden Pulver, z.B. Silberpulver,
zu einem Gemisch verknetet ist, eine stabile Kennlinie und verhindert ein Abblättern
der Elektrode vom druckempfindlichen Widerstand, da sie die gleiche Elastizität
wie der druckempfindliche Widerstand hat.
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Fig. 1 zeigt den Aufbau des oben erwähnten druckempfindlichen Widerstandselements,
bei dem eine druckempfindliche Widerstandsschicht 3 in Sandwichart zwischen Metallelektroden
1 und 2 angeordnet ist, die jeweils mit einem leitenden druckempfindlichen Klebemittel
5 bzw. 6 an der entsprechenden druckempfindlichen Widerstandsschicht befestigt sind.
Der Widerstandswert des druckempfindlichen Widerstandselements ändert sich bei Aufbringen
der mechanischen Spannung in Richtung des Pfeils A.
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Fig. 2 zeigt ein Widerstand/Last-Diagramm des erfindungsgemäßen druckempfindlichen
Widerstandselements.
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Bei dieser Ausführungsform werden die glasartigen kohlehaltigen Teilchen
mit einer Korngröße von 250 bis 300 mesh, die aus einem graphitierten und karbonisierten
wärmehärtenden Harz hergestellt sind, in einem Gewichtsverhältnis von 50 : 50 mit
einem Siliziumharz gemischt und dann erhitzt, wodurch man halbausgehärtete Teilchen
erhält. Durch Pulverisieren der so hergestellten Teilchen werden die mit dem Polymerharz
überzogenen
kohlehaltigen Teilchen hergestellt, die wieder zusammengeballt
werden, um den Formvorgang unter Druck bei einer geeigneten Temperatur durchführen
zu können, wodurch man den druckempfindlichen Widerstand erhält. Daraufhin kann
dadurch, daß man den druckempfindlichen Widerstand unter Verwendung des durch Mischen
eines druckempfindlichen Klebemittels aus Silizium mit Silberpulver hergestellten
leitenden druckempfindlichen Klebemittels auf beiden Seiten mit Kupferelektroden
versieht, das vollständige druckempfindliche Widerstandselement hergestellt werden.
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Ein Lasttest wurde mit einem Muster des so hergestellten druckempfindlichen
Widerstands mit einem Außendurchmesser von 5 mm und einer Dicke von 0,8 mm und mit
daran befestigten Kupferelektroden durchgeführt. Das Ergebnis ist in Fig. 2 und
in der folgenden Tabelle 1 veranschaulicht, die eine große relative Widerstandsänderung
und zwar 1,2 x 107 offenbart.
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Tabelle 1
| aufgebrachte Last Widerstand |
| O g 100 m |
| 800 g lOQ |
Fig. 3 zeigt die Hysteresiskurve von Strom zu Last bei Anlegen einer Spannung an
das druckempfindliche Widerstandselement, woraus ebenfalls eine beachtlich geringe
Hysteresis ersichtlich ist0 Ferner wurde ein Dauerhaftigkeitstest durch Aufbringen
einer Last auf das druckempfindliche Widerstandselement mit 150-sliSllionenLae-er
Wiederholun- durchge--ührt. Das Ergebnis hat
bewiesen, das das Eleiierit
eine stabile relative Widerstandsänderung aufweist, deren Wert innerhalb eines Bereichs
von 5 in bezug zum ursprünglichen Wert liegt und im Vergleich zum herkömnilichen
leitenden Gummi eine verbesserte hohe relative Widerstandsänderung darstellt, wodurch
die Schaffung eines druckempfindlichen Widerstandselements mit hoher Stabilität
bewiesen ist.
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Vorzugsweise kann das oben beschriebene druckempfindliche Element
wegen seiner ungenügenden mechanischen Festigkeit zum mechanischen Schutz mit einer
isolierenden Hülle bedeckt werden; andererseits kann es auch zur Erhöhung der Feuchtigkeitsfestigkeit
bzw. der mechanischen Festigkeit über seinen ganzen Umfang mit einem elastischen
Polymerharz bedeckt werden.
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Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des druckempfindlichen Elements,
bei der das Element 7 durch Epoxy-Klebebänder 8 und 9 überdeckt ist, die in einer
Glasröhre eingeschlossen sind, wobei an den Elektroden Anschlüsse 10 und 11 beispielsweise
in der Technik der gedruckten Schaltung befestigt werden.
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Fig. 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des druckenlfindlichen
Widerstandselements, bei der ein druckempfindlicher Widerstand 12 mit Elektroden
13 und 14 versehen und rundherum mit einem Siliziumharz Xedeckt ist.
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Das gemäß der Erfindung hergestellte druckempfindliche iderstandselement
neigt dazu, durch Aufbringen einer Zugbelastung brüchig zu werden. Um diesen Nachteil
zu beseitigen, wird der auf beiden Seiten mit Elektroden 17 bzw. 18 versehene druckempfindliche
Widerstand 16, wie in Fig. 6 dargestellt, mit einem Klebemittel auf einer biegsamen
elastischen Platte 19
befestigt. Infolgedessen kann durch Aufbringen
der Zugspannung auf die elastisohe Platte 19 in Richtung B-B' die Zugbelastung indirekt
auf den druckempfindlichen Widerstand 16 aufgebracht werden. Auf diese Weise wird
der Schutz eines mechanisch zerbrechlichen druckempfindlichen Miderstands ermöglicht
und es wird außerdem=! die Möglichkeit geschaffen, durch entsprechende Wahl des
Materials für die elastische Platte die Zuglast/Widerstands-Kennlinie beliebig zu
verändern.
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Fig. 7 zeigt die Widerstand/Zuglast-Kennlinie eines druckempfindlichen
Widerstandselements mit dem in Fig. 6 dargestellten Aufbau.
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Bei dieser Ausführungsform werden kohlehaltige Teilchen einer Korngröße
von 25Q bis 300 mesh, die durch Karbonisieren und Graphitieren eines wärmehärtenden
Harzes hergestellt sind, mit einem Siliziumharz in einem Gewichtsverhältnis von
60 : 40 gemischt und dann bis zu einem halbausgehärteten Zustand erhitzt, um durch
Pulverisieren der halbausgehärteten Teilchen die kohlehaltigen, mit Harz überzogenen
Teilchen herzustellen.
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Daraufhin werden diese Teilchen wieder zusammengeballt und dann einem
Formvorgang unter Druck bei geeigneter Temperatur unterworfen, wodurch man einen
druckempfindlichen Widerstand mit einem Außendurchmesser von 5 mm und einer Dicke
von0, 8 mm erhält. Wie in Fig. 6 dargestellt, wird der druckempfindliche Widerstand
dann an seinen beiden Enden mit einem leitenden druckempfindlichen Klebemittel mit
Elektroden 17 und 18 versehe und auf eine 0,5 mm dicke elastische Platte 19 aus
liairgummi a geklebt, um das vollständige druckempfindliche Widerstandselement fertigzustellen.
Dieses Element zeigt bei Aufbringen der Zuglast eine hochstabile Widerstand/Zuglast-Kennlinie,
wie aus Fig. 7 ersichtlich.