BRPI0616016A2

BRPI0616016A2 - dispositivo eletrÈnico interdigital

Info

Publication number: BRPI0616016A2
Application number: BRPI0616016-6A
Authority: BR
Inventors: Ranjith Divigalpitya; Pei-Jung Chen
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2011-05-31
Also published as: CA2616532A1; AU2006275922A1; JP5411227B2; US20070022828A1; WO2007016116A1; TW200715329A; ATE495535T1; JP2012049140A; BRPI0616016A8; CN101292312A; EP1913611B1; CN101292312B; MX2008001195A; EP1913611A1; KR20080040682A; JP2009503867A; US7509881B2; DE602006019606D1

Abstract

DISPOSITIVO ELETRÈNICO INTERDIGITAL Trata-se de um dispositivo eletrónico interdigital que compreende um condutor (210), um eletrodo interdigital (220) e um material compósito (230), disposto entre o condutor e o eletrodo interdigital para conectar eletricamente o condutor e o eletrodo interdigital por aplicação de uma pressão suficiente entre eles, O material compósito compreende particulas condutoras pelo menos parcialmente embutidas em uma camada eletricamente isolante. As partículas condutoras não têm nenhuma orientação relativa e são dispostas de modo tal, que substancialmente todas as conexões elétricas feitas entre o condutor e o eletrodo interdigital são na direção z. Pelo menos um do condutor e do eletrodo interdigital é deslocável em relação ao outro.

Description

"DISPOSITIVO ELETRONICO INTERDIGITAL"

Campo Da Invenção

A presente invenção se refere a dispositivos eletrônicos ativadospor força e sensores de força que têm um eletrodo interdigital.

Fundamentos Da Técnica

Chaves de força e membranas sensoras de força são usados emdiversas aplicações, para detectar contato/toque, detectar e medir alterações deforça ou de carga aplicada, detectar e medir a taxa de alteração de força e/oupara detectar a remoção de uma força ou carga.

As chaves de força e as membranas sensoras de força funcionamtipicamente por detecção de um sinal quando películas condutoras, eletrodos oucircuitos que estão separados são colocados, por um usuário, em contato poraplicação de força.

As membranas sensoras de força, por exemplo, tipicamenteconsistem em um elastômero compreendendo partículas condutoras (a"camada elastomérica") posicionadas entre dois contatos condutores.

Quando se aplica pressão em um dos contatos condutores, o contatocondutor é comprimido contra a superfície da camada elastomérica e sãocriados trajetos de condução. Os trajetos de condução são constituídos decadeias de partículas condutoras que formam um trajeto tortuoso através doelastômero. Portanto, a concentração de partículas condutoras noelastômero precisa estar acima de um limiar determinado (isto é, acima dolimiar de percolação) para que um trajeto contínuo seja formado. À medidaque se aumenta a pressão, são criados números maiores de regiões decontato entre o contato condutor e a superfície de camada elastomérica.

Assim, é criado um número maior de trajetos de condução através doelastômero e partículas condutoras, e a resistência através da camadaelastomérica é reduzida.Sumário Da Invenção

Considerando-se o exposto acima, reconhecemos que, como ostrajetos de condução em chaves de força e membranas sensoras de força datécnica anterior são constituídos de contatos de muitas partículas condutoras,podem ocorrem variações de resistência e histerese.

Em suma, em um aspecto, a presente invenção propõedispositivos eletrônicos interdigitais (chaves de força e sensores de forçainterdigitais, por exemplo) em que a concentração de partículas condutoras émenor do que o limiar de percolação. Os dispositivos eletrônicos interdigitaiscompreendem (a) um condutor, (b) um eletrodo interdigital e (c) um materialcompósito disposto entre o condutor e o eletrodo interdigital.

Conforme empregado na presente invenção, o termo "eletrodointerdigital" se refere a um padrão periódico semelhante a dedos de eletrodoscoplanares. A Figura 1 ilustra um eletrodo interdigital exemplificativs. O eletrodointerdigital 100 inclui uma área de bloco 115 compreendendo um padrãosemelhante a um dedo e dois traços 125. O padrão é constituído por quinze"dedos" 135. O termo "interdigital" é também às vezes substituído na técnica portermos equivalentes como, por exemplo, "periódico," "microtira," "pente" (ou "empente"), "de grade," ou "interdigitado." Deve ficar subentendido que a presenteinvenção não se destina a ser limitada pelo uso do termo "interdigital" depreferência a estes ou outros termos equivalentes na técnica.

Pelo menos um do condutor e do eletrodo interdigital é deslocávelem relação ao outro (isto é, ou o condutor é deslocável na direção do eletrodointerdigital, ou o eletrodo interdigital é deslocável na direção do condutor, ouentão tanto o condutor como o eletrodo interdigital são deslocáveis um nadireção do outro).

O material compósito compreende partículas condutoras pelomenos parcialmente embutidas em uma camada eletricamente isolante. Aspartículas condutoras conectam eletricamente o condutor e o eletrodointerdigital por aplicação de uma pressão suficiente entre eles. As partículascondutoras não têm uma orientação relativa e são dispostas de modo tal quesubstancialmente todas as conexões elétricas feitas entre o condutor e oeletrodo interdigital ocorrem na direção ζ (isto é, substancialmente todas asconexões elétricas feitas entre o condutor e o eletrodo interdigital ocorrem nadireção da espessura de uma estrutura relativamente plana e não na direçãocoplanar (x-y)).

Os dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invençãosatisfazem, portanto, a necessidade na técnica chaves e sensores de força quetenham menos variação de resistência e histerese menor do que os constituídospor contatos de muitas partículas condutoras.

Além disso, foi descoberto que, quando o condutor compreendeum revestimento condutor sobre uma película, os dispositivos eletrônicosinterdigitais da presente invenção são surpreendentemente sensíveis.

Descrição Dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista de topo esquemática de um eletrodointerdigital

A Figura 2 é uma vista lateral esquemática de um dispositivoeletrônico interdigital.

As Figuras 3(a) e (b) são vistas laterais esquemáticas de materiaiscompósitos úteis em um dispositivo eletrônico interdigital da presente invenção.

As Figuras 4(a), (b), (c), e (d) ilustram o uso de um dispositivoeletrônico interdigital da presente invenção usando vistas laterais esquemáticasde um dispositivo eletrônico interdigital da presente invenção.

A Figura 5 é uma vista lateral esquemática de um dispositivoeletrônico interdigital que ilustra o trajeto de condução.

A Figura 6 é um gráfico de resistência pela força em uma escalaIog-Iog para dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invenção descritosno Exemplo 1 e no Exemplo Comparativo 1.

A Figura 7 é um gráfico de resistência pela força em uma escalaIog-Iog para dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invenção descritosno Exemplo 2 e no Exemplo Comparativo 2.

A Figura 8 é um gráfico de resistência pela força em uma escalaIog-Iog para dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invenção descritosno Exemplo 3 e no Exemplo Comparativo 3.

Embora a invenção seja passível de sofrer diversas modificações eapresentar formas alternativas, suas características específicas foramapresentadas a título de exemplo nos desenhos e serão descritas em detalhes.

Deve ficar subentendido, no entanto, que a intenção não é a de limitar ainvenção ás modalidades específicas descritas. Pelo contrário, a intenção é a deabranger todas as modificações, equivalentes e alternativas que incidem noespírito e âmbito da invenção.

Descrição Detalhada

Os dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invençãopodem ser usados em diversas aplicações para a detecção de contato/toque,detecção e medição de uma alteração relativa na força ou na carga aplicada, nadetecção e medição da taxa de alteração na força, e/ou detecção da remoção deuma carga ou força.

Quando se aplica uma pressão suficiente a um dispositivoeletrônico interdigital da presente invenção, o contato elétrico é feito entre ocondutor e o eletrodo interdigital. Para se fazer contato elétrico entre o condutore o eletrodo interdigital, a presente invenção emprega partículas condutorasdistribuídas eletronicamente de tal modo, que substancialmente todos oscontatos elétricos se produzem através de uma ou mais partículas individuais(isto é, tanto o condutor como o eletrodo interdigital se encontram em contatoelétrico simultâneo com a mesma partícula ou partículas). As partículascondutoras estão pelo menos parcialmente embutidas em uma camadaeletricamente isolante. Por isolante, pretende-se que o material ésubstancialmente menos condutor do que o condutor e as partículas condutoras.

Conforme empregado no presente, materiais ou camadas "isolantes" tem umaresistividade acima de aproximadamente 109 ohms.

A camada eletricamente isolante permite que a conexão elétricaproduzida por aplicação de pressão seja substancialmente reduzida quandonenhuma pressão é aplicada.

A camada eletricamente isolante pode consistir, por exemplo, emum material resiliente que pode ser deformado para permitir que se faça contatoelétrico quando se aplica pressão, e que devolve o condutor e o eletrodointerdigital às suas posições iniciais separadas quando não se aplica pressão.

A distribuição das partículas condutoras de modo tal que contatoselétricos são produzidos por meio de uma ou mais partículas individuais pode terdiversos benefícios. Como o condutor e o eletrodo interdigital estão em contatoelétrico por meio de partículas individuais, há no máximo somente dois pontosde contato para contribuir para resistência de contato para cada contato departícula (uma partícula condutora que entra em contato como condutor constituium ponto de contato, e a mesma partícula condutora que entra em contato como eletrodo interdigital constitui um outro ponto de contato), e este número depontos de contato permanece consistente para cada ativação de um dispositivoeletrônico interdigital específico. Isto pode resultar em uma resistência decontato relativamente baixa e em um sinal mais consistente, confiável ereproduzível sempre que o dispositivo é ativado. Uma resistência de contatomenor dá origem a uma perda de sinal menor, o que em última análise resultaem uma relação mais alta de sinal para ruído, o que pode resultar emdeterminações posicionais ou de pressão mais precisas nos dispositivos detoque ou sensores de força.

Uma outra vantagem de contatos elétricos de uma partículaindividual é a ausência de exigência de alinhamento de partículas e orientaçõespreferidas de partícula a partícula. A aplicação de um campo magnético durantea fabricação, por exemplo, não é necessária para se orientar e alinhar apartículas, tornando a fabricação mais fácil e menos dispendiosa. Além disso,quando se usa o alinhamento magnético, as partículas condutoras abrangem aespessura integral da película resultante necessitando que se aplique uma outracamada isolante, de modo que a construção total não é condutora na ausênciade pressão. A ausência de exigências de alinhamento de partículas podetambém aumentar a durabilidade relativa a dispositivos que empregam fiosalinhados ou hastes alongadas orientadas verticalmente na direção daespessura do dispositivo que pode ser sujeito a flexão e ruptura por ativaçãorepetida e/ou forças aplicadas relativamente grandes. A ausência de exigênciasde alinhamento e orientação de partículas torna os dispositivos eletrônicosinterdigitais da presente invenção especialmente adequados para aplicaçõesem que o dispositivo deve ser montado em configuração curvas, irregulares oude outro modo qualquer não planas.

Os dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invençãopodem também ser fabricados com uma espessura muito delgada, pois omaterial compósito precisa ser somente ligeiramente maior do que as partículascondutoras máximas. Podem ser usadas cargas de partículas relativamentebaixas, mantendo ao mesmo tempo um desempenho confiável e uma resoluçãosuficiente. As partículas podem também ser distribuídas de modo tal, que a forçade ativação (isto é, a força necessária para se ativar o dispositivo eletrônicointerdigital) é uniforme em toda a superfície da membrana. A capacidade de seusar uma densidade menor de partículas pode também ser uma vantagemeconômica, pois é usado um número menor de partículas.A Figura 2 mostra um dispositivo eletrônico interdigital 200 queinclui um condutor na forma de uma camada condutora 210, um eletrodointerdigital 220, um material compósito 230 entre o condutor e o eletrodointerdigital, e meios para a medição da resposta elétrica (mostrada aqui comoresistência) em todo o dispositivo eletrônico interdigital 260. Pelo menos um dacamada condutora 210 e eletrodo interdigital 220 é deslocável na direção dooutro, por aplicação de pressão externa, por exemplo. O material compósito 230tem partículas condutoras total ou parcialmente embutidas em uma camadaeletricamente isolante.

A camada condutora 210 pode ser uma folha condutora, laminadoou revestimento. O material da camada condutora pode incluir qualquer materialcondutor como, por exemplo, metais, semicondutores, semicondutoresdopados, semimetais, óxidos metálicos, condutores orgânicos e condutorpoliméricos e semelhantes e suas misturas. Materiais inorgânicos adequadosincluem, por exemplo, cobre, ouro e outros metais ou ligas metálicashabitualmente usados nos dispositivos eletrônicos, assim como materiaiscondutores transparentes como óxidos condutores transparentes (óxido deíndio-estanho (ITO)1 óxido de antimônio-estanho (ATO) e similares). Pode-setambém usar grafite. Materiais orgânicos adequados incluem, por exemplo,compostos condutores metálicos orgânicos, assim como polímeros condutorescomo polipirrol, polianilina, poliacetileno, politiofeno e materiais como osdescritos na publicação de patente européia EP 1172831.

Para algumas aplicações (aplicações de cuidados desaúde/médicas, por exemplo) é preferível que a camada condutora sejapermeável a vapor de umidade. É preferível que a taxa de vapor de umidade(MVTR) da camada condutora seja de aproximadamente 400 g de água/m2/24horas (sendo mais preferível de pelo menos aproximadamente 800; sendo aindamais preferível de pelo menos aproximadamente 1600; sendo o mais preferívelde pelo menos aproximadamente 2000) quando meda usando-se o método deágua de acordo com ASTM E-96-00.

O condutor pode ser auto-sustentável ou pode ser disposto sobreum substrato (não mostrado na Figura 2). substratos adequados podem serrígidos (plásticos rígidos, vidro metais ou semicondutores, por exemplo), ouflexíveis (películas de plástico flexível, laminados flexíveis, ou vidro fino, porexemplo). Os substratos podem ser transparentes ou opacos dependendo dasua aplicação.

O condutor pode também ser um segundo eletrodo interdigital.

É preferível que o condutor compreenda um revestimento metálicoou polimérico condutor disposto sobre uma película plástica. É mais preferívelque o condutor compreende um revestimento metálico ou polimérico condutorsobre uma película de poliéster. O mais preferível que o condutor compreendeum revestimento de polietileno-dioxitiofeno (PEDOT), de óxido de índio-estanho(ITO), ou de prata transparente sobre uma película de poliéster.

O eletrodo interdigital tipicamente inclui um padrão condutorsemelhante a dedo sobre um substrato isolante. O material condutor com opadrão pode incluir qualquer material condutor como, por exemplo, metais,semicondutores, semicondutores dopados, semimetais, óxidos metálicos,condutores orgânicos e polímeros condutores, e semelhantes, e suas misturas,conforme descrito acima. Os substratos adequados podem ser rígidos (plásticosrígidos ou vidro, por exemplo), ou flexíveis (películas de plástico flexíveis, vidrofino ou têxteis, por exemplo). Os substratos podem ser transparentes ou opacos,dependendo da aplicação.

É preferível que o eletrodo interdigital compreenda tinta de prataou ITO sobre um substrato plástico. É mais preferível que o eletrodo interdigitalcompreenda tinta de prata ou ITO sobre um substrato de poliéster.

Para algumas aplicações (aplicações de cuidado desaúde/médicas, por exemplo) é preferível que o substrato do eletrodo interdigitalseja permeável a vapor de umidade. É preferível que a taxa de transmissão devapor de umidade (MVTR) do substrato seja de pelo menos aproximadamente400 g de água/m2/24 horas (sendo mais preferível de pelo menosaproximadamente 800; sendo ainda mais preferível de pelo menosaproximadamente 1600; sendo o mais preferível de pelo menosaproximadamente 2000) quando medida usando-se um método de água deacordo com ASTM E-96-00.

Métodos úteis para dispor do padrão de material condutordependerão do tipo de material condutor usado. Alguns materiais como, porexemplo, tintas de prata, tintas de prata-paládio, e tintas de carbono pode serdispostos usando-se impressão por tela. Revestimentos condutores de ligascomo oxido de estanho, óxido de zinco, óxido de índio-estanho, oxido deantimônio e óxido de antimônio-estanho podem ser faiscados ou depositadospor plasma sobre um substrato de polímero, sendo então aplicados usando-setécnicas padrão de ataque químico. Outros materiais condutores podem serdepositados por evaporação térmica de feixe de elétrons, sendo então dispostosem padrão usando-se ataque químico de máscara convencional.

Conforme é bem conhecido na técnica, o padrão interdigital podeser ajustado alterando-se a sua área, o número de dedos e/ou o espaçamentoentre eles a fim de controlar a intensidade do sinal de saída. Tipicamente, oespaçamento entre os dedos do eletrodo interdigital será maior do que aspartículas condutoras para evitar curto-circuitos.

O material compósito disposto entre o condutor e o eletrodointerdigital inclui partículas condutoras pelo menos parcialmente embutidas emuma camada eletricamente isolante. As partículas condutoras são dispostas demodo que, quando se aplica pressão sobre o dispositivo para se deslocar ocondutor ou o eletrodo interdigital um em relação ao outro (isto é, deslocar ocondutor na direção do eletrodo interdigital, ou vice versa), pode ser produzidauma conexão elétrica através de partículas individuais que entram em contatotanto com o condutor como com o eletrodo interdigital.

Materiais exemplificativos para a camada eletricamente isolanteincluem os materiais que podem manter uma separação elétrica suficiente entreo condutor e o eletrodo interdigital e que apresentam propriedades dedeformabilidade e resiliência que permitam que o material isolante sejacomprimido para permitir contato elétrico dos condutores por meio do contato deuma ou mais partículas individuais e que devolva o condutor e o eletrodointerdigital para um estado eletricamente separado quando a pressão éremovida. Os materiais isolantes adequados incluem silicone, polissiloxanos,poliuretano, polissilicone-poliuretanas, borracha, copolímeros de etileno-acetatode vinila, borracha de nitrila fenólica, borracha de estireno butadieno, blocos depoliéter-amidas, poliolefinas e semelhantes.

Para algumas aplicações (aplicações de cuidados desaúde/médicas, por exemplo) é preferível que a camada eletricamente isolanteseja permeável a vapor de umidade. É preferível que a taxa de transmissão devapor de umidade (MVTR) do material elastomérico seja de pelo menosaproximadamente 400 g de água/m2/24 horas (sendo mais preferível de pelomenos aproximadamente 800; sendo ainda mais preferível de pelo menosaproximadamente 1600; sendo o mais preferível pelo menos aproximadamente2000) quando medida usando-se um método de água de acordo com ASTME-96-00.

Em algumas aplicações é também preferível que a camadaeletricamente isolante material não seja substancialmente afetada por umidade.

A Figura 3(a) mostra um exemplo de um material compósito 330que inclui partículas condutoras 340 parcialmente embutidas em uma camadaeletricamente isolante 350. Fig. 3(b) mostra um exemplo de um outro materialcompósito 331 que inclui materiais condutores 341 completamente embutidosem uma camada eletricamente isolante 351. Embora as Figuras 3(a) e (b) sirvampara ilustrar modalidades de um material compósito útil na presente invenção,qualquer arranjo adequado em que as partículas condutoras estejam embutidastotal ou parcialmente em qualquer relação adequada em qualquer posiçãoadequada no tocante a qualquer superfície específica da camada elastoméricaou material pode ser usado. A presente invenção não exclui materiaiscompósitos que têm casos isolados em que partículas condutoras se sobrepõemna direção da espessura do dispositivo.

É preferível que as partículas condutoras de tamanho máximosejam pelo menos um pouco menores do que a espessura da camada dematerial eletricamente isolante, pelo menos quando o tamanho de partícula formedido na direção da espessura (z) do compósito. Isto pode ajudar a evitar umcurto circuito elétrico.

As partículas condutoras adequadas incluem quaisquer partículasadequadas que têm uma superfície externa contiguamente condutora. Aspartículas condutoras podem ser partículas sólidas, por exemplo, (esferasmetálicas, por exemplo), partículas sólidas revestidas com um material condutor,partículas ocas com uma casca externa condutora ou partículas ocas revestidascom um material condutor. O material condutor pode incluir metais, óxidos demetais condutores, condutores orgânicos e polímeros condutores,semicondutores, por exemplo, e semelhantes. O núcleo de partículas revestidaspode consistir em microesferas de vidro ou de plástico sólidas ou ocas,partículas de cerâmica, partículas de carbono, partículas metálicas, esemelhantes. As partículas condutoras podem ser transparentes,semitransparentes, coloridas ou opacas. Elas podem ter superfícies grosseirasou lisas e podem ser rígidas o deformáveis.

O termo "partículas" inclui microesferas esféricas, microesferasalongadas, fibras truncadas, partículas de formato irregular e semelhantes,geralmente as partículas incluem objetos em partículas que tem relações deaspecto (isto é, a relação da dimensão mais estreita para a dimensão mais longa(para uma fibra a relação de aspecto seria comprimento, por exemplo), de 1:1 aaproximadamente 1:20, e têm dimensões características na faixa deaproximadamente 1 μιτι a aproximadamente 500 μιη, dependendo da aplicação.As partículas condutoras são dispersas no material compósito sem nenhumaorientação ou alinhamento preferido.

Os materiais compósitos podem ser providos de qualquer modoadequado. Geralmente, a produção ou provisão de material compósito envolve adistribuição das partículas condutoras e pelo menos parcialmente oembutimento parcial das partículas condutoras no material eletricamenteisolante. As partículas podem ser primeiro distribuídas sobre a superfície, porexemplo, e o material eletricamente isolante pode ser aplicado comorevestimento, comprimido sobre ela ou laminado à camada de partículas. Asuperfície sobre a qual as partículas são distribuídas pode constituir umacamada do dispositivo eletrônico interdigital, o condutor, por exemplo, ou umsubstrato de suporte que é removido depois das partículas estarem embutidasno material eletricamente isolante. Como um outro exemplo, as partículaspodem ser dispersas no material eletricamente isolante e o compósito resultantepode ser revestido para formar o material compósito. Como um outro exemploainda, o material eletricamente isolante pode ser provido em forma de umacamada, por revestimento, por exemplo, sendo então as partículas condutorasdistribuídas sobre a camada de material eletricamente isolante. As partículaspodem ser embutidas comprimindo-se as mesmas na camada de materialeletricamente isolante, com um aquecimento opcional do material eletricamenteisolante para permitir que o material amoleça, ou distribuindo-se as partículassobre a camada de material eletricamente isolante, e opcionalmentecomprimindo as partículas para dentro da camada de material eletricamenteisolante quando o material eletricamente isolante se encontra em um estado nãocurado ou de outro modo qualquer amolecido, e endurecendo-sesubseqüentemente a camada de material eletricamente isolante por cura,resfriamento ou semelhantes. Podem ser empregadas reações de cura térmica,por umidade e por luz, assim como sistemas de duas partes.

Os métodos de dispersão das partículas condutoras incluem, porexemplo, os descritos no pedido de patente N2 U.S. publicado 03/0129302(Chambers et a!.). Resumindo, as partículas podem ser dispensadas sobre umacamada do material eletricamente isolante na presença de um campo elétricopara auxiliar a distribuição das partículas à medida que elas caemaleatoriamente sobre a camada. As partículas têm carga elétrica, de modo queelas se repelem mutuamente. Portanto impedem-se conexões elétricas lateraise aglomeração de partículas. O campo elétrico é também usado para criar aatração das partículas à película. Tal método pode produzir uma distribuiçãoaleatória não agregadora de partículas condutoras. As partículas podem seraplicadas a uma densidade pré-selecionada com uma distribuição relativamenteuniforme de partículas (número de partículas por unidade de área). Além disso,a trama pode ser separada para auxiliar ainda mais na distribuição daspartículas.

Podem também ser usados outros métodos de dispersão daspartículas condutoras. As partículas podem ser depositadas em bolsos derevestimento liberável micro-replicado, por exemplo, conforme descrito napublicação internacional WO 00/00563. O material eletricamente isolante seriaentão revestido sobre este revestimento cheio de partículas ou comprimidocontra ele.

Qualquer outro método para a distribuição ou dispersão daspartículas pode ser usado desde que as partículas sejam de tal mododistribuídas no material compósito que substancialmente todos os contatoselétricos feitos entre o condutor da membrana adesiva e um segundo condutorse produzem através de um ou mais contatos de partículas individuais. Por estemotivo, deve-se tomar cuidado em reduzir ou eliminar a ocorrência de partículasempilhadas no compósito, isto é, duas ou mais partículas tendo posiçõessobrepostas na direção da espessura do compósito).

Os métodos para dispersão das partículas sobre o suporte devemassegurar que o contato entre partículas na direção coplanar (x-y) sejaminimizado. De preferência, não mais de duas partículas devem estar emcontato (em uma área de 30 cm2, por exemplo). Com mais preferência,nenhuma par de partículas deve estar em contato entre si (em uma área de 30cm2, por exemplo). Isto impedirá qualquer curto circuito na direção coplanardevido a contato entre partículas.

As partículas condutoras podem ter uma distribuição por tamanhotal que todas as partículas não tenham tamanhos (ou formatos) idênticos.

Nestas circunstâncias, as partículas condutoras de maiores dimensões podemfazer contato elétrico antes das partículas vizinhas de menores dimensões, oumesmo com exclusão das mesmas. Se isso ocorrerá e até que ponto issoocorrerá depende da distribuição por tamanho e formato das partículas, dapresença ou ausência de aglomeração de partículas, da densidade decarregamento e da distribuição espacial das partículas, da capacidade que ocondutor (ou a combinação condutor/substrato) tem de se flexionar e seconformar a variações locais, da deformabilidade das partículas, dadeformabilidade do material no qual as partículas estão embutidas e de fatoressimilares. Estas e outras propriedades podem ser ajustadas, de modo que umnúmero desejável de contatos elétricos entre partículas individuais por unidadeocorra quando se aplica uma pressão suficiente entre o condutor e o eletrodointerdigital. A propriedades podem também ser ajustadas de modo que umnúmero desejável de contatos elétricos com partículas individuais por unidadeseja feito quando uma quantidade dada de pressão por uma quantidadediferente de pressão aplicada entre o condutor e o eletrodo interdigital.

Em algumas modalidades, pode ser preferível que a distribuiçãopor tamanho de partículas seja relativamente estreita e em algumascircunstâncias pode ser preferível que todas as partículas sejamsubstancialmente do mesmo tamanho. Em algumas modalidades, pode serdesejável se ter uma distribuição bimodal de tamanhos de partículas. Pode serdesejável, por exemplo, se ter dois tipos diferentes de partículas, partículasmaiores e partículas menores, dispersas no material compósito.

As Figuras 4(a), (b), (c) e (d) ilustram o uso de um dispositivoeletrônico interdigital da presente invenção que é um sensor de força interdigitalem que o contato elétrico é produzido por contato físico através de uma ou maispartículas individuais. O dispositivo eletrônico interdigital 400 inclui um condutor410, um eletrodo interdigital 420, material compósito 430 compreendendopartículas condutoras 440 em uma camada eletricamente isolante 450 dispostaentre os condutores, e meios para se medir a resposta elétrica em todo odispositivo eletrônico interdigital 460.

Quando o dispositivo eletrônico interdigital é destinado a ser usadopara aplicações como sensor de força, a camada eletricamente isolante deveser capaz de voltar substancialmente às suas dimensões originais quando apressão é liberada. Conforme empregado no presente, "capaz de voltarsubstancialmente às suas dimensões originais" significa que a camada é capazde voltar a pelo menos 90 por cento (de preferência pelo menos 95 por cento;sendo mais preferível pelo menos 99 por cento; sendo o mais preferível 100 porcento) da sua espessura original dentro de um período, por exemplo, de 10segundos (de preferência dentro de 1 segundo ou menos). É preferível que acamada eletricamente isolante (no seu estado totalmente curado se for dematerial curável) tenha um módulo de armazenagem (G') substancialmenteconstante dentro de uma faixa ampla de temperaturas (sendo mais preferível ummódulo de armazenagem substancialmente constante entre aproximadamenteO°C e aproximadamente 100°C; sendo o mais preferível um módulo dearmazenagem substancialmente constante entre aproximadamente O0C eaproximadamente 60°C). Conforme empregado no presente, "substancialmenteconstante" significa menos de aproximadamente 50 por cento (de preferênciamenos de 75 por cento) de variação. É preferível que a camada eletricamenteisolante tenha um G' entre aproximadamente 1 χ 103 Pa e aproximadamente 9 χ105 Pa e uma tangente de perda (tan delta) entre aproximadamente 0,01 eaproximadamente 0,60 a 1 Hz a 23°C. É também preferível que a camadaeletricamente isolante seja auto-reparadora (isto é, capaz de se restaurarquando rachada, perfurada ou atravessada).

Materiais adequados para a camada eletricamente isolante parauso em aplicações de sensores de força incluem, por exemplo, borrachasnaturais e sintéticas (borracha de estireno butadieno ou borracha butílica, porexemplo, poliisopreno, poliisobutileno, polibutadieno, policloropreno,acrilonitrila/butadieno assim como elastômeros funcionalizados como borrachascarbóxi-modificadas ou hidróxi-modificadas modificadas, e semelhantes),acrilatos, silicones incluindo, sem limitação, polidimetil siloxanos, copolímerosde blocos estirênicos (copolímeros de blocos de estireno-isopreno-estireno ouestireno-etileno/butileno-estireno, por exemplo,), poliuretanos inclusive, semlimitação, so à base de isocianato alifático, isocianato aromático e combinaçõessuas, poliéter polióis, poliéster polióis, glicol polióis, e combinações suas.Polímeros termoplásticos de poliuretano adequados são disponíveis de BFGoodrich com o nome Estane™. Preparados termorrígidos podem também serusados para a incorporação de polióis e/ou poliisocianatos com umafuncionalidade média acima de dois (componentes trifuncionais outetrafuncionais, por exemplo). Podem também ser adequadas poliuréias comoas formadas por reação de um poliisocianato com uma poliamina. Poliaminasadequadas podem ser selecionadas de uma grande classe que inclui poliéter epoliéster aminas como as comercializadas por Huntsman com o nomeJeffamine™, e polidimetilsiloxanos funcionais de poliaminas como so descritosna patente N2 U.S. 6.441.118 (Sherman et al.); poliésteres elastoméricos comoos disponíveis de DuPont com o nome Hytrel™; determinadas metalocenopoliolefinas como metaloceno polietileno (por exemplo, polímeros Engage™ ouAffinity™ de Dow Chemical, Midland Ml) podem também ser adequados.Elastômeros fluorados como os flúor-elastômeros Dyneon™ (disponíveis deDyneon LLC1 Oakdale, MN) ou flúor-elastômeros Viton™ (disponíveis de DuPontPerformance Elastomers, Wilmington1 DE) podem também ser adequados. Omateriais elastoméricos podem ser modificados com resinas dehidrocarbonetos, por exemplo, (com politerpenos, por exemplo) ou óleosdiluentes (óleos naftênicos ou plastificantes, por exemplo) ou pela adição decargas orgânicas ou inorgânicas como partículas de poliestireno, argilas, sílica esemelhantes. As cargas podem ter uma morfologia em partículas ou em fibras.As microesferas (microesferas Expancel™, por exemplo, de Akzo Nobel) podemtambém ser dispersas no material elastomérico.Conforme mostrado na Figura 4(a), quando não se aplica pressão

entre o condutor 410 e o eletrodo interdigital 420, eles permanecemeletricamente isolados pela camada elastomérica eletricamente isolante 450.Conforme mostrado na Figura 4(b), quando se aplica uma pressão P suficientesobre o condutor 410, pode ser produzido um contato elétrico entre o condutor410 e o eletrodo interdigital 420 por meio de contatos de uma partículaindividual. Os contatos de partícula individual são aqueles contatos elétricosentre o condutor e o eletrodo interdigital em que uma ou mais partículascondutoras individuais entram em contato individualmente tanto com o condutorcomo com o eletrodo interdigital. Conforme mostrado na Figura 4(c), quando seaplica mais pressão P' sobre o condutor 410, a camada elastomérica 450comprime ainda mais e podem ser produzidos mais contatos de partículaindividual. Conforme mostrado na Figura 4(d), quando toda a pressão éremovida, a camada elastomérica 450 volta substancialmente para as suasdimensões originais e não se produz nenhum contato elétrico.

A Figura 5 ilustra o trajeto de condução em um dispositivoeletrônico interdigital ativado da invenção. No dispositivo 500, aplica-se umaquantidade suficiente de pressão P no condutor 510, e produz-se o contatoelétrico entre o condutor 510 e o eletrodo interdigital 520 (mostrado dispostosobre o substrato 570) por meio de contatos de partículas individuais. O trajetode condução 580 se desloca através de um primeiro dedo do eletrodo interdigital520 (a) e uma primeira partícula condutora 540 (a), através do condutor 510 edescendo por uma segunda partícula condutora 540(b) e segundo dedo doeletrodo interdigital 520(b). Os dois dedos do eletrodo interdigital sãoconectados a meios para a medição da resposta elétrica através do dispositivoeletrônico interdigital 560.

Um dispositivo eletrônico interdigital da presente invenção podeser conectado eletricamente a meios para a medição de resposta elétrica(resistência, condutância, corrente, voltagem, por exemplo, e semelhantes) a fimde detectar uma forço ou para medir a alteração em força através do dispositivo.

Os meios para a medição da resposta elétrica podem ser conectados a doisdedos ou aos traços do eletrodo interdigital, por exemplo, ou conectados a umaparte do eletrodo interdigital e do condutor. A resposta elétrica pode ser lidausando-se qualquer meio adequado (com um contador de ohms, um multímetro,um conjunto de diodos emissores de luz (LEDs) ou sinal de áudio com acircuitagem adequada, por exemplo).

Um dispositivo eletrônico interdigital da invenção pode também serusado do modo descrito acima, mas em que o eletrodo interdigital se desloca nadireção do condutor.

Os dispositivos eletrônicos interdigitais da presente invenção sãoúteis em muitas aplicações como dispositivos eletrônicos ativados por forçacomutável e dispositivos sensores de força. As chaves de força são úteis, porexemplo, como chaves de membrana e painéis de toque. Os sensores de forçasão úteis em aplicações de saúde, por exemplo, para alertar sobre uma pressãoexcessiva sob o gesso, ou para monitorar a pressão e prevenir escaras dedecúbito e úlceras do pé ou da perna em diabéticos. Eles são também úteis, porexemplo, em aplicações automotivas (em sensores de assento ou para aabertura de "airbags", por exemplo), aplicações de consumidores (comosensores de carga ou peso, por exemplo, ou em "sistemas inteligentes" paraperceber a presença ou ausência de um artigo na prateleira), aplicações defabricação (para monitorar a pressão de cilindros de estrangulamento, porexemplo), aplicações esportivas (para monitorar velocidade, força ou impacto oucomo sensores de garra sobre bastões ou raquetes) e similares.

Exemplos

Os objetivos e vantagens desta invenção são ilustrados com aindamais detalhes pelos exemplos abaixo, mas os materiais específicos e suasquantidade citados nestes exemplos, assim como outras condições e detalhes,não devem ser considerados Iimitantes da presente invenção.

Unidade de Teste

Os dispositivos foram avaliados usando-se um aparelho chamadoaparelho de força que consiste em uma célula de carga (modelo LCFD de 1 kgda Omega Engineering Inc., Hartford, CT1 EUA) que mede a força normalaplicada sobre o dispositivo. O dispositivo a ser avaliado foi colocado na célulade carga horizontalmente e preso com fita. Um cilindro operadopneumaticamente (modelo E9X de 0,5N da Airpot Corporation, Norwalk, CT,EUA) conectado a duas válvulas (modelo EC-2-12 da Clippard InstrumentLaboratory1 Cincinnati, OH1 EUA), sob controle computadorizado, com arcomprimido a aproximadamente 275 kPa, foi colocado diretamente acima dacélula de carga. Abrindo-se e fechando-se as válvulas em uma certa seqüência,o cilindro foi deslocado para baixo em etapas constantes pré-determinadas paraaumentar a força aplicada sobre o dispositivo que foi colocado na célula decarga. A célula de carga foi conectada a um dispositivo mostrador (modeloDP41-S-A da Omega Engineering Inc. Hartford, CT, EUA) que mostrou a forçaaplicada. Uma vez atingido um limite pré-determinado de força, o ar é expelidodo sistema usando-se uma válvula de ventilação para reduzir a força aplicadasobre o dispositivo.

O dispositivo foi conectado a um multímetro para registrar aresposta elétrica do dispositivo. A resistência do dispositivo foi medidausando-se um multímetro digital (Keithley Modelo 197A de Keithley Inc., Cleveland, OH1 EUA). A força aplicada lida no multímetro foi capturada com umsistema de aquisição de dados computadorizado. A força aplicada variou de 10a 1.000 gramas de peso e a aplicação da força foi efetuada a uma taxa deaproximadamente 2,8 g/segundo (167 g/minuto).

Explicação Do Valor N

Quando a resistência através de um dispositivo é medida, aresposta da resistência versus força pode ser colocada em um gráfico log-log.Em uma certa faixa, a relação da lei de potência pode ser dada pela fórmula:resistência - A/Fn, em que A é uma constante, F é força e η (o "valor n") é ainclinação da linha de melhor ajuste (determinada por regressão linear) nográfico log-log. O valor η indica a sensibilidade do dispositivo. Quanto mais altofor o valor n, maior a alteração da resistência do dispositivo para uma dadaalteração da força aplicada. Um valor η mais baixo significa uma alteraçãomenor de resistência para a mesma alteração da força aplicada.Procedimento geral

Uma camada (de aproximadamente 25 mícrons de espessura) deelastômero não curado foi revestida com faca sobre um condutor. A composiçãodo elastomero, expressa em phr (partes por em partes de borracha), foi de

<table>table see original document page 22</column></row><table>

Microesferas de vidro revestidas com oxido de índio-estanho(ITO)1 disponíveis no comércio como SD120 da 3M Company (St. Paul, MN1EUA) foram triadas usando-se peneiras disponíveis no comércio bemconhecidas na técnica de seleção de microesferas em tamanhos inferiores aaproximadamente 50 micra. As microesferas foram dispensadas sobre acamada não curada de elastômero, usando-se um dispensador de partículasessencialmente conforme descrito no pedido de patente publicada N2 U.S.03/0129302 (Chambers et al.). Deixou-se que o elastômero curasse àtemperatura ambiente. Um segundo condutor ou um eletrodo interdigital foientão preso no elastômero curado para formar um dispositivo. O dispositivoresultante foi testado usando-se o aparelho de força descrito acima.

Exemplos 1-6

Dispositivos interdigitais com uma película metálica ou umcondutor de olha metálica (conforme indicado na tabela abaixo) foramconstruídos de acordo com o procedimento geral. Os eletrodos interdigitais,adquiridos de CIickTouch America, Inc., Saint-Laurent1 Quebec, Canadá foramconstruídos por impressão por tele com tinta de prata sobre um substrato depoliéster de 250 micra de espessura. Uma visa esquemática dos eletrodosinterdigitais é apresentada na Figura 1. O padrão semelhante a dedo (comquinze "dedos") media 10 mm χ 10 mm. Os traços tinham 9 mm de comprimentoe estavam afastados entre si de 0,25 m.

Os dispositivos interdigitais foram testados usando-se o aparelhode força descrito acima. Os dados de teste para os Exemplos 1 a 3 são lançadosem um gráfico Iog-Iog nas Figuras 6, 7 e 8 respectivamente (juntamente com osdados de teste de Exemplos Comparativos 1 a 3). O valor de η da linha de melhor ajuste para cada dispositivo interdigital é mostrada na tabela abaixo, aforça de ativação (Fi) de cada dispositivo interdigital, definida como a forçanecessária para mostrar uma resistência de 1 KOH é também mostrada.

Exemplos Comparativos 1 a 3Dispositivos com elastômero interposto entre dois condutores em películas condutoras (conforme indicado na tabela abaixo) foram construídos deacordo com o procedimento geral. Os dispositivos foram testados usando-se oaparelho de força descrito acima. Os dados de teste são lançados em um gráficolog-Iog mostrados nas Figuras 6, 7, e 8 (com dados de teste dos Exemplos 1 a3). O valor η da linha de melhor ajuste para cada dispositivo interdigital émostrada na tabela abaixo. A força de ativação (Fi) de cada dispositivo, definidacomo a força necessária para apresentar uma resistência de 1 kOhm é tambémapresenta.

<table>table see original document page 23</column></row><table><table>table see original document page 24</column></row><table>Diversas modificações e alterações à presente invençãoevidenciar-se-ão aos versados na técnica sem que haja desvio do âmbito eespírito da presente. Deve-se ter em mente que a presente invenção não selimitada às modalidades ilustrativas e aos exemplos apresentados no presentedocumento e que tais exemplos e modalidades são apresentados a título deexemplo somente, destinando-se o âmbito da presente invenção a restringir-sesomente pelas reivindicações apresentadas conforme abaixo.

Claims

1. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL,caracterizado Pelo fato de compreender:um condutor;um eletrodo interdigital; eum material compósito disposto entre o condutor e o eletrodointerdigital para conectar eletricamente o condutor e o eletrodo interdigital poraplicação de uma pressão suficiente entre eles,sendo que o material compósito compreende partículascondutoras pelo menos parcialmente embutidas em uma camada eletricamenteisolante,as partículas condutoras não possuem orientação relativa e sendodispostas de modo tal que substancialmente todas as conexões elétricas feitasentre o condutor e o eletrodo interdigital estão na direção z,sendo que o condutor e/ou o eletrodo interdigital é deslocável na direção dooutro.

2. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o condutor compreendeum eletrodo interdigital.

3. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eletrodo interdigital estádisposto sobre um substrato.

4. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o substrato étransparente.

5. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o condutor eo eletrodo interdigital são transparentes.

6. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a camadaeletricamente isolante é capaz de voltar substancialmente às suas dimensõesoriginais quando a pressão é removida.

7. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a camada eletricamenteisolante compreende um material elastomérico que tem um G' substancialmenteconstante entre aproximadamente O0C e aproximadamente 100°C.

8. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a camada eletricamenteisolante compreende um material elastomérico que tem um G' entreaproximadamente 1 χ 103 Paeaproximadamente 9 χ 105 Pa e uma tangente deperda entre aproximadamente 0,01 e aproximadamente 0,60 a 1 Hz e a 23°C.

9. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de compreender,ainda, meios para a medição de resposta elétrica dinâmica através dodispositivo.

10. DISPOSITIVO ELETRÔNICO INTERDIGITAL, de acordocom uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de ser umcomutador ativado por força ou um sensor de força.