本發(fā)明涉及壓力傳感器，并且更具體地，涉及一種電容式泡沫壓力傳感器和包括這種傳感器的系統(tǒng)。

存在可以檢測壓力的幾種方式。一種方式是利用壓力傳感器。壓力傳感器用于數(shù)千個日常應(yīng)用中的控制和監(jiān)視。壓力傳感器還可以用于間接地測量其他變量，例如流體/氣體流量、速度、水位和高度。壓力傳感器可以可替選地稱為壓力換能器、壓力變送器、壓力發(fā)送器、壓力指示器、流壓計和壓力計、以及其他名稱。

壓力傳感器的用途很多。例如，壓力傳感器可以用于測量沖擊力以及持續(xù)的壓力。這些用途僅僅是示例，并且還可以提供其他用途。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

導(dǎo)電電極被放置在泡沫片的任一側(cè)面上。通過測量這兩個電極的平行板電容，可以確定泡沫已被壓縮的程度。通過使用不同的導(dǎo)電材料或印刷電子圖案，可以制造更先進的傳感器。

在一個實施方式中，公開了一種壓力傳感器，其包括第一板、第二板和設(shè)置在第一板與第二板之間的泡沫。該泡沫是具有約50μm至250μm的平均泡孔尺寸和5lbs/ft³至30lbs/ft³之間的密度的聚氨酯泡沫。

在另一實施方式中，公開了一種壓力傳感器，其包括第一板、第二板和設(shè)置在第一板與第二板之間的泡沫。該壓力傳感器還包括設(shè)置在第一板或第二板中的一個的表面上的導(dǎo)體包覆壓電膜。

附圖說明

在說明書所附的權(quán)利要求書中特別指出并且明確要求保護被認為是本發(fā)明的主題。從下面結(jié)合附圖的詳細描述中，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點是明顯的，其中：

圖1A和圖1B示出了泡沫電容器的示例；

圖2示出了用于讀取泡沫電容器的電容的電路；

圖3示出了如圖2所示的電路中的壓縮的和非壓縮的泡沫電容器的示例響應(yīng)；

圖4示出了與壓電傳感器相組合的泡沫電容器；以及

圖5示出了用于讀取圖5的組合的電路。

具體實施方式

根據(jù)一個實施方式，公開了一種壓力傳感器。壓力傳感器可以是獨立的傳感器或者可以用作包括壓力傳感器的系統(tǒng)的一部分。在一個實施方式中，所公開的壓力傳感器采取兩個導(dǎo)電電極的形式，該兩個導(dǎo)電電極呈由泡沫材料分隔開的板的形式。當(dāng)在所述板中的一個或全部兩個上施加壓力時，泡沫被壓縮。改變所述板之間的距離引起傳感器的電容改變。該改變與所施加的壓力的量相關(guān)。

所公開的傳感器可以用在許多不同的環(huán)境中，包括但不限于：用于頭盔的沖擊傳感器；用于頭盔和鞋類的磨損傳感器；用于公共交通的乘客的檢測；以及汽車座椅-能夠為安全帶傳感器區(qū)別人與行李。

圖1A和圖1B示出了被實施為根據(jù)一個實施方式形成的電容器100的壓力傳感器的示例。該電容器包括第一電極102和第二電極104。在一個實施方式中，每個電極是具有面積A的板。在所示的實施方式中，電極由泡沫材料(泡沫)106分隔開。

如本文所使用的，“泡沫”是指具有泡孔(cellular)結(jié)構(gòu)的聚合材料，其中所述泡孔可以是開放的(網(wǎng)狀的)或閉合的。泡沫的性質(zhì)(例如，密度、模量、壓縮負載偏轉(zhuǎn)(deflection)、拉伸強度、撕裂強度等)可以通過改變?nèi)绫绢I(lǐng)域中已知的反應(yīng)性組合物的組分來調(diào)節(jié)。泡沫是軟的并且可以具有低于65磅每立方英尺(pcf)、具體地小于或等于55pcf(881kg/m³)、更具體地不大于25pcf(400kg/m³)的密度，基于聚合泡沫的總體積的20％至99％、具體地30％至80％的空隙體積含量。在一些實施方式中，泡沫具有5磅/立方英尺至30磅/立方英尺(lb/ft³)(80kg/m³至481kg/m³)的密度，0.5lb/in²至20lb/in²(0.3kg/m²至1.41kg/m²)的25％壓縮力偏轉(zhuǎn)(CFD)，以及小于10％、具體地小于5％的在70°F(21℃)處的壓縮永久變形(compression set)。如本領(lǐng)域中已知的，聚合物泡沫由在發(fā)泡之前或伴隨發(fā)泡而混合的前體組合物制成。

可以使用各種各樣的聚合物，包括各種熱塑性樹脂或熱固性樹脂?？梢允褂玫木酆衔锏氖纠ň劭s醛、聚丙烯酸、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚烯烴、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯(諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺(諸如尼龍6、尼龍6,6、尼龍6,10、尼龍6,12、尼龍11或尼龍12)、聚酰胺酰亞胺、聚芳酯、聚氨酯(polyurethane)、乙烯丙烯橡膠(EPR)、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅酮等、或者包括以上聚合物中的至少一個。

在一些實施方式中，泡沫是聚氨酯泡沫或有機硅泡沫?；陂_孔的低模量聚氨酯泡沫有利的壓縮力偏轉(zhuǎn)、壓縮永久變形(compression set)以及它們的良好的耐磨性，優(yōu)選的是開孔的低模量聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫可以具有約50μm至250μm(如可以根據(jù)ASTM D 3574-95測量的)的平均泡孔尺寸、約5lb/ft³至30lb/ft³之間、具體地6lb/ft³至25lb/ft³之間的密度、小于約10％的壓縮永久變形和約1psi至9psi(7kPa至63kPa)之間的力偏轉(zhuǎn)。這種材料例如由Rogers Corporation，Woodstock，Conn以商品名PORON銷售。已經(jīng)配制PORON泡沫以提供優(yōu)異的性能范圍，包括優(yōu)異的耐壓縮永久變形性。具有這種耐壓縮永久變形性的泡沫可以在負載下提供延長的時間內(nèi)的緩沖并且保持其原始形狀或厚度。

電容器100的電容基于板102、104的分隔。該分隔示出為圖1A中的尺寸D1以及圖1B中的尺寸D2。如圖所示，D1大于D2。

限定電容器的電容的等式的一般形式可以寫為：

C＝ε(A/D) (1)

其中ε是板(在這種情況下，泡沫)之間的材料的介電常數(shù)，A是板的面積，D是板之間的距離。

若設(shè)D1大于D2，則圖1A中的電容器的電容將小于圖1B中的電容器的電容。當(dāng)然，它們中的任一個可以包括連接至板102/104的引線110/112以允許電容器100附接至電路。

圖2示出了簡單電路200，其中可以采用圖1A/B中的電容器100。該電路包括電流源202。在一個實施方式中，電流源202可以以變化的頻率或以特定的頻率提供電流。電路202還可以包括電阻器204和電容器100。電阻器204可以是實際的電阻器或者可以是電路的電阻的表示。電阻器204和電容器100的組合將提供具有由R和C的值限定的、并且與C成反比的截止頻率的低通濾波器。因此，隨著C減小，截止頻率增大，反之亦然。由上可知，隨著板之間的距離減小，電容增大。因此，截止頻率與距離之間的關(guān)系基本上是比例關(guān)系。這允許電容器100被用作壓力傳感器。也就是說，隨著壓力增大，電容增大。

更具體地，截止頻率通常可以表示為：

從上面代替C得到：

這在其中頻率相對于增益(以dB為單位)而繪制的圖3中進一步示出。第一跡線302示出了當(dāng)泡沫106絲毫未被壓縮時電路200的示例響應(yīng)。第二跡線304示出了當(dāng)泡沫106被完全壓縮時電路200的示例響應(yīng)。截止頻率f_{c-uncompressed}大于截止頻率f_c-compressed，意味著電容隨著D的減小而增大。由于D與泡沫相關(guān)，所以當(dāng)壓力增大時，D減小。因此，隨著壓力增大，電容也增大。

當(dāng)截止頻率減小時，在高于該截止頻率(例如，如線310所示)的任何頻率處，輸出(例如，圖3中的Vout)之間的差(示為△)將與泡沫被壓縮的量相關(guān)。也就是說，△可以用作壓力的相對測量(或至少其代理)。

應(yīng)理解，電路200還可以包括可選的電感器206。雖然精確的數(shù)學(xué)表示可不同于上面描述的數(shù)學(xué)表示，但是在這種情況下，△的值將再次與壓力成比例。在使用中，無需一定使用增益作為△的標(biāo)度。例如，可以使用電壓或電流。

在一個實施方式中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以在Vout處轉(zhuǎn)換感測到的電壓/電流并且隨時間進行采樣。基于測量的采樣電平和時序，發(fā)生預(yù)定的測量下降(例如，3dB或其他△)的時間將被記錄。該時間將對應(yīng)于頻率并且因此對應(yīng)于如上所述的壓力傳感器100的電容。

在一個實施方式中，可以通過印刷跡線來形成更復(fù)雜的傳感器，使得可以在泡沫的給定部分上形成并且測量多個電容器。

在另一個實施方式中，如圖4所示，泡沫電容器100可以包括形成在板102/104中的一個上的壓電傳感器402。在一個實施方式中，壓電傳感器402由設(shè)置在電容器100的第一板或第二板中的一個的表面上的導(dǎo)體包覆壓電膜形成。在一個實施方式中，壓電膜/傳感器402被配置成具有比泡沫壓力傳感器100的帶寬大(即，較低的RC)的帶寬(如由測量/傳感器電容RC時間常數(shù)限定)。在一個實施方式，RC時間常數(shù)是大于泡沫壓力傳感器100的量級或量值的量級或量值。

在這種情況下，可以使用圖5的電路，其中傳感器402和泡沫電容器100并聯(lián)連接。模數(shù)轉(zhuǎn)換器502以已知的方式測量傳感器402的響應(yīng)，并且電容傳感器504可以如上所述關(guān)于圖2所示的電路200而工作。在圖5中，壓力導(dǎo)體包覆壓電膜連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換器502與地電平之間，并且泡沫電容器連接在電容傳感器504與地電平之間。

另外，圖4和圖5中所示的配置可以提供具有高帶寬沖擊傳感器和較低帶寬壓力傳感器的混合傳感器。這將能夠測量沖擊的量值和持續(xù)時間。

除非上下文清楚地另外指明，否則單數(shù)形式包括復(fù)數(shù)個指示物。關(guān)于同一特征或部件的所有范圍的端點可獨立組合并且包括所述端點。所有參考文獻均通過引用并入本文中。如在本文中且貫穿全文所使用的，“設(shè)置”、“接觸”及其變型是指相應(yīng)材料、基板、層、膜等之間的完全或部分物理接觸。另外，本文中的術(shù)語“第一”、“第二”等不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于區(qū)分一個元件與另一元件。

盡管為了說明目的而闡述了典型的實施方式，然而前述描述不應(yīng)被視為對本文范圍的限制。因此，在不脫離本文的精神和范圍的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出各種修改方案、適應(yīng)方案和替代方案。