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Dokumentenidentifikation DE69304443T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0576400
Titel Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen drucksensitiven Taste oder Tastatur und durch dieses Verfahren erhaltenes Produkt
Anmelder Algra Holding AG, Cham, CH
Erfinder Bühlmann, Albert, CH-5603 Staufen, CH;
Schenk, Hans, CH-5637 Beinwil, CH
Vertreter Hoffmann, Eitle & Partner Patent- und Rechtsanwälte, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69304443
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 21.06.1993
EP-Aktenzeichen 938104395
EP-Offenlegungsdatum 29.12.1993
EP date of grant 04.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H01L 41/24
IPC-Nebenklasse H03K 17/96   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Elemente, die als druckempfindliche Tasten oder Tastaturen bekannt sind, sowie die nach diesem Verfahren erhaltenen Elemente.

Bei den meisten piezoelektrischen Anwendungen, z.B. für Tasten oder Tastaturen, wird der piezoelektrische Anteil in Form von vorgefertigten Elementen oder Plättchen verwendet, die mit Elektroden versehen sind; diese Plättchen müssen beim Zusammenbau einer Tastatur einzeln montiert werden. Eine typische Tastatur dieser Art ist in EP 0 472 888 und CH 600 581 beschrieben, und eine solche Fertigung ist recht arbeits- und zeitaufwendig. Eine Tastatur dieser Art besteht aus mindestens zwei Folien, die mit Leiterbahnen und Kontaktflächen versehen sind; für jede Taste wird ein piezokeramisches Plättchen benötigt. Beim Zusammenbau der Tastatur müssen die Folien und die piezokeramischen Plättchen zueinander positioniert und mit Klebstoff befestigt werden, und Versuche zur Verbesserung der Effizienz und/oder zur Verringerung der Produktionskosten solcher Tasten oder Tastaturen laufen gegen Grenzen.

EP-A-0 408 306 beschreibt einen piezoelektrisch/elektrostriktiven Schalter mit einem keramischen Substrat und mindestens einer piezolektrisch/elektrostriktiven Schalteinheit, die auf mindestens einem Teil mindestens einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, wobei jede piezoelektrisch/elektrostriktive Schalteinheit einen ersten Elektrodenfllm, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film und einen zweiten Elektrodenfllm aufweist, die in der Reihenfolge der Beschreibung durch Wärmebehandlung mit der auf dem Substrat gebildeten piezoelektrisch/ elektrostriktiven Schalteinheit laminiert werden.

GB-A-2 161 647 beschreibt eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer dünnen Schicht aus piezoelektrischem Keramikmaterial, das auf einem Substrat befestigt ist, wobei die Schicht aus piezoelektrischem Keramikmaterial eine Zusammensetzung aus einem in einer kontinuierlichen Phase eines glasartigen Bindemittels verteilten "piezoelektrischen" keramischen Pulver ist und dann in situ gebildet und elektrisch polarisiert wird.

Die Schicht aus piezoelektrischer Keramik kann einen laminierten Aufbau haben. Das piezoelektrische Material kann aus einer Bleizirkonatititanat-Verbindung in einem Bleiborsilikat-Binder bestehen. Ferner wird zur Herstellung einer für Siebdruck geeigneten Paste ein flüssiger Träger verwendet.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, piezoelektrische Elemente zur Verfügung zu stellen, die nach einem Verfahren hergestellt werden können, bei dem manuelle Operationen signifikant vermindert oder im wesentlichen ausgeschaltet sind und die arbeitsintensive Montage der einzelnen piezoelektrischen Bauteile entfallen kann.

Diese und weitere Aufgaben werden gemäss der Erfindung mit dem in Anspruch 1 umschriebenen Verfahren gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2-8 umschrieben. Die Produkte des Verfahrens und eine besondere Ausführungsform sind in den Ansprüchen 9 und 10 umschrieben.

Allgemein bietet die Erfindung eine piezoelektrische Taste oder Tastatur mit einem solchen Aufbau, dass bei der Fertigung ein manuelles Eingreifen im wesentlichen vermieden werden kann. Die piezoelektrische Schicht kann in verbesserter Weise und ohne mühsames Zusammensetzen und Montieren von einzelnen vorgefertigten piezoelektrischer Elementen in ihre betriebsfähige Position gebracht werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass alle topisch definierten Elemente einschliesslich von elektrisch leitfähigen Schichten und/oder Pfaden, piezoelektrischen Schichtbereichen sowie topisch definierten Isolier- und Abstandshaltebereichen hergestellt werden können, indem diese in einer Folge von methodisch einheitlichen und im wesentlichen ähnlichen Schritten auf eine Grundschicht, einen Träger oder eine Unterschicht zur Bildung von Schichten aufgetragen werden, etwa nach den sogenannten "Dickfilm"- oder "Dünnfilm"- Applikationsmethoden, und in Form von strukturierten Beschichtungen praktisch jeder gewünschten Form oder Konfiguration. Erfindungsgemäss können piezoelektrische Tastaturen in nahezu jeder gewünschten Komplexität auf wirtschaftlichere Weise und in kleinen oder grossen Serien ohne Verlust von Betriebseigenschaften oder sogar mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass diejenigen Bestandteile, die "topisch kritisch" sind, d.h. an einer vorbestimmten Stelle oder Position angeordnet werden müssen, als Schichten durch im wesentlichen ähnliche Verfahrensschritte aufgetragen werden können, die auch dann völlig automatisiert werden können, wenn die Lagen eine praktisch beliebige Struktur haben. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass zusätzlich zu den leitfähigen, den isolierenden und den piezoelektrischen Schichtstrukturen weitere Elemente, wie Widerstände, Kondensatoren oder Dioden, einfach integriert werden können.

Auch verschiedene Typen von Abstandshaltern, die bekanntlich die Empfindlichkeit von piezoelektrischen Tasten oder Tastaturen erhöhen, können wirtschaftlicher erzeugt werden, wenn man sie mittels einer Fluid-Applikationsmethode herstellt, unabhängig davon, wie die anderen Bestandteile der piezoelektrischen Struktur gebildet werden.

Gemass einer bevorzugten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung geht man von einer Grundschicht oder einer Unterlage aus, die mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich hat. Eine dünne Schicht eines Fluids, das ein organisches Polymer und ein teilchenförmiges piezoelektrisches Material enthält, wird als Präkursormaterial auf den ersten elektrisch leitfähigen Bereich aufgetragen und in einen im wesentlichen zusammenhängenden, gleichmässigen festen Film aus piezoelektrischem Verbundmaterial umgewandelt, in welchem das piezoelektrische Material in einer Matrix aus dem organischen Polymer eingebettet ist, wobei der Film fest am ersten elektrisch leitfähigen Bereich haftet. Beabstandet vom ersten elektrisch leitfähigen Bereich wird ein zweiter elektrisch leitfähiger Bereich gebildet, entweder in einer "gestapelten" oder in einer "Sandwich"-Konfiguration oder in einer co-planaren Anordnung, und in jedem Fall fest haftend auf dem festen piezoelektrischen Verbundmaterial. Dies ergibt in einer kritischen Position ein praktisch monolithisches piezoelektrisches Element, das an der Grundschicht haftet und das piezoelektrische Verbundmaterial sowie den ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Bereich umfasst. Das piezoelektrische Vebundmaterial wird polarisiert. Eine Schutzschicht kann vorgesehen werden. Vorzugsweise wird ein Beabstandungsmittel, wie z.B. ein Abstandshalter, benachbart zum monolithischen Sandwichelement verwendet, so dass es mit der Anordnung der Tasten übereinstimmt und die Empfindlichkeit in an sich bekannter Weise erhöht. Die verschiedenen Schichten, nämlich die elektrisch leitfähigen Bereiche, die piezoelektrischen Schichten und - vorzugsweise - die Abstandhalter, werden nach Fluid-Applikationsmethoden, etwa durch Bedrucken, z.B. mittels Siebdruck, gebildet.

Je nach dem verwendeten Material und der gewünschten Dicke des piezoelektrischen Materials können mehrfache Applikations- und Umwandlungsschritte durchgeführt werden. Um die Dicke des ganzen Tastenaufbaus weiter zu vergrössern, können zunächst beide Seiten der Grundschicht mit elektrisch leitfähigen Bereichen versehen und dann daraufje eine Sandwich-Struktur gebildet werden. Man kann auch ein bimorphes piezoelektrisches Sandwich herstellen. Das Verfahren wird dabei durch Bildung eines zweiten piezoelektrischen Verbundmaterials auf der zweiten Elektrode und durch Bildung einer zusätzlichen Elektrode auf dem zweiten piezoelektrischen Material modifiziert.

Die Erfindung wird ohne Beschränkung anhand von Beispielen und Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Figur 1 die schematische Darstellung einer einzelnen piezoelektrischen Taste gemäss der Erfindung;

Figur 2 die Darstellung eines Aufbaus mit mehreren Tasten, die direkt auf die Rückseite einer Frontplatte aufgedruckt sind;

Figur 3 die Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Tastaturmatrix;

Figur 4 die Seitenansicht der Tastaturmatrix längs der Linie IV - IV von Figur 3;

Figur 5 die Seitenansicht der Tastaturmatrix längs der Linie V - V von Figur 3;

Figur 6 die Seitenansicht eines Teils eines piezoelektrischen Konverters;

Figur 7 die Schnittansicht eines piezoelektrischen Verbundmaterials;

Figur 8 die Darstellung einer Vorrichtung zur Coronapolarisierung des piezoelektrischen 4; 5 Verbundmaterials;

Figur 9 den Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer einzelnen piezoelektrischen Taste gemäss der vorliegenden Erfindung;

Figur 10 den Querschnitt einer bimorphen einzelnen piezoelektrischen Taste gemäss der vorliegenden Erfindung;

Figur 11 die Querschnittansicht einer Modifikation der piezoelektrischen Taste von Figur

Figur 12 die schematische aufgebrochene Draufsicht auf die Elektroden einer Taste oder Tastatur gemäss der Erfindung in coplanarer oder kammartiger Anordnung auf einer Grundschicht;

Figur 13 die Draufsicht von Figur 12 nach dem Auftragen der piezoelektrischen Lage auf das Elektrodenpaar mittels Fluid-Applikationstechnik gemäss der Erfindung; und

Figur 14 die geschnittene Darstellung der in Figur 13 gezeigten Anordnung.

Figur 1 zeigt den Aufbau einer einzelnen piezoelektrischen Taste einer Tastatur. Sie besitzt eine Träger- oder Basisschicht 1, eine erste leitfähige Schicht 2, eine piezoelektrische Schicht 3, eine zweite leitfähige Schicht 4, eine Isolier- oder Schutzschicht 5 und eine Verbindungs- oder Abstandsschicht 6, welche die Taste mit einer Trägerfolie oder Trägerplatte 8 verbindet. In der Verbindungsschicht 6 ist unter einer Pressstelle 9 ein Hohlraum 7 ausgespart, der die Taste fixiert.

Eine auf die Druckeinwirkungsstelle 9 in Richtung des eingezeichneten Pfeils wirkende Kraft führt bei dieser Anordnung zu einem Durchbiegung der piezoelektrischen Schicht 3, was wegen des piezoelektrischen Effekts zwischen den leitfähigen Schichten 2 und 4 eine elektrische Spannung erzeugt. Die leitfähigen Schichten 2 und 4 sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden, welche die Erkennung dieser Spannung ermöglicht und ein Tastaturbe tätigungssignal erzeugt.

Die Herstellung der Taste erfolgt in diesem Beispiel durch mehrere Siebdruckschritte, mit welchen die Schichten 2 bis 6 auf einen Träger aufgedruckt oder als Folien aufgeklebt werden. Die piezoelektrische Schicht 3 und die leitfähigen Schichten 2 und 4 haften fest aneinander und bilden so ein praktisch monolithisches piezoelektisches Sandwich-Element, das fest am Träger 1 haftet.

Typische Schichtdicken liegen hierbei im Bereich von 1 - 100 µm.

Man kann der Aufbau von Figur 1 natürlich ändern. So kann als Träger 1 z.B. ein dünnes Metallblatt verwendet werden, auf das die Strukturen gemäss Figur 2 aufgedruckt werden. Das Metallblatt 1 kann in diesem Fall direkt als Frontplatte einer Tastatur verwendet werden. Je nach Anwendung ist es dabei nützlich, das Metallblatt 1 direkt als gemeinsame Elektrode zu verwenden, wobei die leitfähige Schicht 2 gemäss Figur 2 weggelassen wird. Man kann auch zwischen dem Metallblatt und der leitfähigen Schicht 2 eine zusatzliche Isolationsschicht einführen.

Bei einer anderen Ausführungsform können die Verbindungsschicht 6 und die Träger platte 8 weggelassen werden. Das Biegen der piezoelektrischen Schicht wird dabei durch die Konzentration der Betätigungskraft auf einen Punkt der Tastaturoberfläche erzeugt. Dies kann z.B. durch eine geeignete Ausbildung der Rückseite der Frontplatte 1 erreicht werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann z.B. die Isolierschicht 5 weggelassen werden, besonders dann, wenn die Trägerplatte 8 elektrisch nichtleitend ist oder die gleiche elektrische Spannung wie die leitfiihige Schicht 4 hat.

Die Tatsache, dass die Schichten strukturiert (engl.:patterned) aufgetragen werden können, macht es auch möglich, sehr viel kompliziertere Strukturen mit einer Mehrzahl gesonderter Piezoelemente auf eine einzige Trägerschicht aufzubringen. Die Figuren 3 bis 5 zeigen beispielsweise einen Teil einer Tastaturmatrix. Hierbei sind die leitfähigen Schichten 2 und 4 als mehrere parallele Reihen und Kolonnen von leitfähigen Streifen ausgebildet, die jeweils inselförmige Elemente der piezoelektrischen Schicht 3 überschneiden.

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform eines Elements zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Hierbei werden die leitfähige Schicht 2 und die Piezoschicht 3 als gleichlörmige Schichten aufgetragen. Je nach Anwendung kann die zweite leitfähige Schicht 4 in Streifen- oder Inselform aufgetragen werden. Wenn ein auf diese Art hergestelltes Bauelement mechanisch auf Biegung beansprucht wird, z.B. wenn es wie eine Fahne vom Wind bewegt wird, sammeln sich auf den Inseln oder Streifen der Schicht 4 positive oder negative Ladungen, die mittels Dioden 14 und Kondensatoren 15 gleichgerichtet werden können. In diesem Fall können sowohl die Dioden 14 als auch die Kondensatoren 13 durch Dünnschicht oder Dickschichttechnik im Bauelement integriert werden.

Der elektrostriktive Effekt, der den Piezoeffekt begleitet, erlaubt auch den umgekehrten Betrieb eines erfindungsgemässen Bauelements. Dabei kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden eine Verformung der piezoelektrischen Schicht ausgelöst werden. So können z.B. sehr preiswerte Schallerzeuger hergestellt werden.

Gemäss der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Tastatur oder Taste gemäss Figur 9 nach einem Verfahren mit folgenden Schritten hergestellt: (A) Es wird eine Grundschicht 1 vorgelegt, die als Träger dient, auf dem ein daran haftendes monolithisches piezoelektrisches "Sandwich" gebildet wird, das Teil der fertigen Tastatur oder Taste wird.

Eine wesentliche Anforderung an eine solche Grundschicht besteht darin, dass sie mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich 2 trägt. Diese Anforderung kann aufverschiedene Weise erfüllt werden: in einer ersten und oft bevorzugten Ausführungsform wird eine selbsttragende Folie aus einer organischen Polymerzusammensetzung verwendet, die im wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden thermoplastischen oder duroplastischen Polymer besteht, wobei letzteres ein Polymer ist, das weder elastisch noch thermoplastisch ist, sondern nach irgend einer geeigneten Methode, einschliesslich aber nicht ausschliesslich durch Warmhärtung, vernetzt wird.

Repräsentative Beispiele sind u.a. Folien aus technisch erhältlichen Polyestern, Polycarbonaten, Polypropylenen, Polyamiden, Polyacetalen usw., mit typischen Dicken im Bereich von etwa 50 - 2000 µm. Eine Biegsamkeit der Trägerfolie ist erwünscht, nicht aber die Fähigkeit, durch Zugbeanspruchung gedehnt zu werden. Demzufolge wird eine molekulare Orientierung der Folie oder eine solche inhärenter kristalliner Art bevorzugt. Geeignete Folien sind alterungsbeständig und mechanisch stabil; sie können durchscheinend, durchsichtig oder undurchsichtig und/oder gefärbt sein. Thermische Stabilität, etwa eine solche entsprechend einer Erweichungstemperatur von über 100 Cº, ist sehr wünschenswert, weil sie die Anwendung von Temperaturen nicht beschränkt, wie sie allgemein zum Trocknen, Härten und Vernetzen angewendet werden oder zur Herstellung der monolithischen piezoelektrischen Sandwichelemente erforderlich sein können.

Der mindestens eine elektrisch leitfähige Bereich 2 kann auf eine derartige organische Polymer-Grundschicht aufgetragen werden, entweder selektiv (d.h. topisch vorbestimmt) oder als Obertlächenschicht nach üblichen Verfahren einschliesslich Aufdrucken eines Strukturmusters (engl. : pattern), z.B. durch Siebdruck, durch Elektrodenzerstäubung, Vakuumabscheideverfahren oder ähnliche Methoden. Die besondere Geometrie der elektrisch leitfähigen Bereiche 2 und 4 und die Insel des Piezomaterials 3 dazwischen können beliebige Formen haben, z.B. rund, polygonal usw. Wesentlich ist, dass sie in einem bestimmten Bereich liegen, der auf eine darauf einwirkende Kraft 9 ohne Uebersprecherscheinungen reagiert.

Zur topisch selektiven Applikation von elektrisch leitfähigen Schichten geeignete Zubereitungen sind technisch erhältlich und enthalten im allgemeinen ein Bindemittel sowie ein elektrisch leitfähiges Material, z.B. ein Metallpigment, wie Silber, oder feinteiligen Kohlenstoff. Ein spezielles Beispiel ist "Silberfarbe", wie sie von verschiedenen Lieferanten erhältlich ist. Die Viskosität solcher Farben oder Druckpasten wird entsprechend der speziellen Applikationsmethode gewähit, wie der Siebgrösse (definiert durch die üblichen metrischen oder nicht metrischen Normen), die zum Auftragen des mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereichs (hier auch als "erste Elektrodenschicht" bezeichnet, um von der zweiten oder einer folgenden und elektrisch leitfähigen Schicht der erflndungsgemässen Taste oder Tastatur zu unterscheiden) angewendet wird.

Die Bindung zwischen dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich sollte derart sein, dass bei normalem Betrieb der Taste oder Tastatur eine Schichttrennung praktisch ausgeschlossen ist. Bindungsverbessernde Mittel, z.B. herkömrnliche Grundierschichten auf der Basis von Ionomeren, EVA-Harzen usw., oder Bindungsfiächenbehandlungen, z.B. durch Oxidation oder Halogenieren der Oberfläche der polymeren Grundschichtlagen, können erforderlich oder vorteilhaft sein, um die Haftung des mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereichs auf der Grundschicht zu verbessern.

Alternativ kann die Grundschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, wie einem Metaliblech, das eine Oberflächenstruktur, z.B. erzeugt durch topische Applikation eines organischen oder anorganischen Elektromaterials, aufweisen kann aber nicht muss.

(B) Piezoelektrischer Präkursor: ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die piezoelektrische(n) Schicht(en) 3 der neuen Taste oder Tastatur nicht wie üblich vorgefertigt ist/sind, sondern auf dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich der Grundschicht gebildet werden und fest an diesem haftet bzw. haften, die wiederum fest an der Grundschicht haften. Wie bereits angedeutet, wird der Begriff "starke Haftung" hier gleichbedeutend mit "unter Betriebsbedingungen während der Betriebsdauer der Taste oder Tastatur nicht durch Abschälen trennbar" verwendet. Es wurde gefünden, dass diese als wesentlich für die kommerzielle Nutzung geltende Eigenschaft erreicht werden kann; ferner muss jede Schicht einer erflndungsgemässen Taste oder Tastatur kohärent sein.

Die Bezeichnung "Präkursor", wie sie hier unter Bezug auf die erflndungsgemäss gebildete kohärente Schicht (oder Schichten) mit piezoelektrischem Material verwendet wird, bezieht sich aufjedes System, das in einem nicht-festen, d.h. fluiden Zustand vorliegen kann, um als dünner Film aufgetragen zu werden (wobei sich der Ausdruck "dünn" auf eine typische Dicke in verfestigtem Zustand im Bereich von 1 bis etwa 100 µm liegend, vorzugsweise unter 20 µm, bezieht). Figur 7 zeigt ein Verbundsystem, das sich für die Applikation durch Bedruckverfahren eignet. Bei diesem System ist ein pulveriges piezoelektrisches Keramikmaterial 10 in einem Bindemittel 11 suspendiert. Das Bindemittel muss eine möglichst grosse Härte aufweisen, damit Kräfte soweit wie möglich auf die Körner übertragen werden können.

Ein bevorzugter Präkursor ist ein "piezoelektrisches Anstrichmittel", wobei sich diese Bezeichnung allgemein auf ein flüssiges System aus einem fein zerteilten Feststoff bezieht, der piezoelektrisch ist oder gemacht werden kann. Derartige Feststoffe entsprechen typischerweise dem PZT-Typ (Blei-Zirkon-Titan) und werden allgemein als "keramische" piezoelektrische Stoffe bezeichnet; sie sind technisch von verschiedenen Lieferanten erhältlich. Typische Teilchengrössen von hier brauchbaren piezoelektrischen Feststoffen liegen im allgemeinen Bereich von 0.5 bis etwa 20 µm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 µm und insbesondere im Bereich von etwa 1 bis 5 µm. Die untere Grenze ist mehr von der Verfügbarkeit effektiver Produkte als von einer Bevorzugung gemäss der Erfindung abhängig. Die obere Grenze hingegen wird wegen der Kohärenz und der Gleichmässigkeit der aus solchen Materialien gebildeten festen Schichten für die meisten Anwendungen der Erfindung als wesentlich angesehen.

Die Konzentration des piezokeramischen Pulvers wird so hoch gewählt, dass ein mechanischer Kontakt zwischen möglichst vielen einander benachbarten Keramikfragmenten sichergestellt ist, was typisch einem Volumenverhältnis von Druckpastenbasis oder Vehikel zum Keramikmaterial in der Grössenordung von 0.1 bis 10 entspricht. Dies ist nötig, um eine möglichst effiziente Kraftübertragung auf die Körner sicherzustellen. Der Keramikanteil ist dabei durch die Anforderungen an die Haftung und die mechanische Beständigkeit des getrockneten Materials begrenzt.

Obwohl hier auch andere als "keramische" Feststoffe, z.B. feinkristalline organische Stoffe,wie normalerweise feste organische Säuren oder deren Salze, z.B. Weinsäure, Tartrate, Salicylate, wie auch Saccharide, Polyvinyl oder Polyvinylidenhalogenide usw., nicht ausgeschlossen sind, werden sie für die meisten Zwecke weniger vorgezogen.

Der Begriff "Fluid", wie er hier im Zusammenhang mit dem Präkursormaterial verwendet wird, umfasst flüssige und gasförmige Zustände oder Systeme. Flüssige Systeme werden hier allgemein bevorzugt, hauptsächlich aus praktischen Gründen der einfachen Handhabung, Verfügbarkeit und verhältnismässig einfachen Prozesssteuerung. Repräsentative Beispiele sind u.a. Dispersionen aus einem oder mehreren fein zerteilten festen piezoelektrischen Material(ien) in einer flussigen oder pastösen Masse, wie kommerziell erhältliche Basismassen, Vehikel oder Lacke für Siebdruckmethoden. Basismassen enthalten typisch ein oder mehrere Lösungsmittel sowie einen oder mehrere Binder, z.B. organische Polymere gelöst in geeigneten Lösungsmitteln, und gewünschtenfalls Additive und Adjuvantien, z.B. zur Steuerung der Geschwindigkeit der Verdampfung, Härtung, Vernetzung usw..

Beispiele anderer flüssiger oder gasfbrmiger Systeme sind u.a. Stoffe, die durch Elektrodenzerstäubung (sputtering) oder Vakuumabscheidungsmethoden aufgetragen werden können, d.h. alle Substanzen, die aus einem gastörmigen oder flüssigen Präkursor, wie Zinkoxid usw., einen piezoelektrischen Feststoff bilden können.

(C) Applikation des Präkursors: die zum Auftragen des Präkursors angewendete Methode hängt natürlich von der Art des verwendeten Präkursorsystems ab. Mit dem bevorzugten flüssigen System können Filme aus dem Präkursor durch Siebdruck, Sprühen, Aufwalzen usw. aufgetragen werden. Solche flüssigen Systeme kann man auftragen, und tut dies vorzugsweise, durch Ablagerung einer Folge von wie oben definierten dünnen Filmen, vorzugsweise unter intermediärer Verfestigung, wie Trocknen, Härten oder Vernetzen. Der Abstandhalter 16 mit Öffiiungen für den Präkursor kann ebenfalls durch Drucken gebildet oder eine Schicht sein, die mit Öffnung hergestellt ist. Der Abstandhalter kann vor dem Präkursor aufgebracht und für das Applikationsverfahren benützt oder nach der Applikation des Präkursors aufgebracht werden. Der Abstandhalter ist vorzugsweise nicht kompressibel, um Ubersprechereffekte zu verhindern.

(D) Umwandeln der Präkursorschicht: wiederum hängt die zur die Umwandlung des Präkursors angewendete Methode vom verwendeten System ab. Bei dem bevorzugten flüssigen System wird die Umwandlung durch Verfestigung erzielt, z.B. durch Entfernen der flüssigen Phase mittels Trocknen, Härten oder Vernetzen. Für viele Zwecke werden thermische Umwandlungsmethoden bevorzugt, sofern dies keinen Schaden für andere Bestandteile verursacht. Temperaturen im Bereich von etwa 50ºC bis 200ºC sind typisch. Für viele Zwecke wird bevorzugt, dass die resultierende kohärente Schicht eine Dicke von weniger als 125 µm und insbesondere weniger als 100 µm hat. Eine besonders bevorzugte Dicke ist noch geringer, d.h. liegt unter 75 µm und insbesondere unter etwa 50 µm. Die Schicht muss aber im oben definierten Sinne kohärent sein; dies kann eine wiederholte Applikation und wiederholte Verfestigung erfordern, was von den verwendeten Komponenten und insbesondere von der Elastizität der Polymermatrix abhängt, die das fein verteilte feste piezoelektrische Material enthält.

Wie erwähnt, sollte die resultierende Schicht im wesentlichen gleichmässig sein. Im allgemeinen bezieht sich dieser Ausdruck auf die Tatsache, dass die kohärente piezoelektrische Schicht einen Kurzschluss zwischen den angrenzenden Elektrodenschichten verhindern muss. Ein allgemeiner Grund tür eine ungenügende Gleichmässigkeit der durch Verfestigung von flussigen oder pastösen Systemen gebildeten Schichten ist der Einschluss kleiner, wenn nicht mikroskopisch winziger Luftblasen. Ein übliches Mittel zur Vermeidung hiervon ist die Entga-Sung, z.B durch verminderten Druck. Ein anderes Verfahren zum Erzielen oder Verbessern von Kohärenz und Gleichmässigkeit der piezoelektischen Schicht ist die Anwendung eines mechanischen oder hydrostatischen Drucks.

Optimale Ergebnisse können bei einem gegebenen System durch einige wenige, einfa che Versuche ermttelt werden, etwa durch Messen der elektrischen Eigenschaften der Schichten, vorzugsweise nachdem die beiden angrenzenden Elektrodenschichten 2 und 4 gebildet worden sind.

Der Ausdruck "Verbund" wird hier unter Bezug auf den kohärenten piezoelektrischen Film gemäss der Erfindung verwendet und soll alle Schichtsysteme umfassen, die aus einer Vielzahl fester Teilchen gebildet sind, ohne Rücksicht auf die Art der Bindung. Dies umfasst Oberflächenbindung von dem Typ, wie sie bei Schichten auftritt, die durch die Elektroabscheidung oder aber durch Verwendung von Verbindungs- oder Haftstoffen gebildet werden. Bevorzugte Mittel zur Bindung der piezoelektischen Teilchen umfassen die Bildung einer "Matrix", z.B. aus einer anorganischen oder vorzugsweise einer organischen Substanz, wie einem Polymer, das vernetzt sein kann, aber nicht vernetzt sein muss. Vorzugsweise bildet die Matrix eine im wesentlichen kontinuierliche Phase, welche die festen Teilchen des piezoelektrischen Materials festhält und unerwünschte Veränderungen der Schichten bei andauernder mechanischer Belastung (z.B. zwei oder vier Millionen Schaltungen der Taste) sowie eine Alterung ausschliesst (geprüft durch beschleunigten Test, wie Betrieb bei erhöhten Temperatu ren, die einem mehijährigen Betrieb als gleichwertig angenommen werden können).

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass der Befünd überrascht, wonach Tasten oder Tastaturen, die solch strenge Anforderungen erfüllen, durch die Erfindung erhältlich sind; somit können zwei Hauptziele der Erfindung erreicht werden, nämlich eine wesentlich verbesserte Produktionswirtschaftlichkeit sowie eine gleiche oder verbesserte Leistung.

(E) Die fakultative zweite Elektrodenschicht: nach Beendigung von Schritt (D) wird auf der Oberseite des Films aus piezoelektrischem Verbundmaterial 3, wie in Figur 10 gezeigt, eine weitere elektrisch leitfähige Schicht 4 (zweite Elektrodenschicht) gebildet. Allgemeinen kann dies, wie in Schritt (A) zur Bildung der ersten Elektrodenschicht 2 auf einer elektrisch isolierenden Grundschicht erläutert, erreicht werden und bedarf keiner weiteren Erklärungen. Über die zweite Elektrodenschicht 4 kann eine Schutz- oder Isolierschicht, wie die Schicht 5, aufgebracht werden.

(F) Polarisieren oder Polen: Wie in der Fachwelt bekannt, ist zum Aktivieren eines druckempfindlichen Elements, das piezoelektrisches Material enthält, die Einwirkung eines elektrischen Potentials oder Feldes erforderlich. Hierzu können die typischen bekannten Po lungsverfahren angewendet werden, indem man zwischen den Leiterschichten 2 und 4 eine Spannung anlegt. Das elektrische Feld im Innern des Ferroelektrikums muss so gross sein, dass es das koerzitive Feld übersteigt. Dies ist besonders bedeutsam, wenn die relative Permittivität des Ferroelektrikums viel höher als diejenige des Bindematerials ist, was zu einer entsprechenden Verminderung eines im Inneren des Ferroelektrikums erzeugten Feldes führt.

Durch Temperaturverminderung oder -erhöhung während des Polarisierens ist es auch möglich, die relative Dielektrizitätskonstante und das koerzitive Feld des Ferroelektrikums zu verringern und das Polarisieren dadurch zu erleichtern. Wenn die piezoelektrische Schicht ein Verbundmaterial mit Polymermatrix ist, wird das Polen vorzugsweise bei erhöhter Temperatur (z.B. 80 - 150ºC) durchgeführt. Gleichzeitig kann Druck angewendet werden, doch ist dies fakultativ.

Ausserdem kann das Polen vor oder nach dem Aufbringen einer Deckschicht oder allfälliger zusätzlicher Tragschichten, wie einer praktisch starren Monatgeplatte 8, bewirkt werden.

Um während des Polarisierens Kurzschlüsse zwischen den Elektroden zu vermeiden, kann man das Polarisieren auch mittels Coronapolarisation erzielen. Dies erfolgt nach der Verfestigung des Piezomaterials 3, aber vor dem Auftragen der zweiten Elektrodenschicht. Wie in Figur 8 gezeigt, wird in diesem Fall die erste leitfähige Schicht 2 mit einer Erdung oder der Grundspannung verbunden. Dann wird eine Elektrodennadel 12, die einige Zentimeter vom Substrat entfernt ist, mit einer Hochspannungsquelle 13 verbunden. Die resultierende Coronaentladung führt zu Obertlächenladungen auf dem Piezomaterial, das dadurch polarisiert wird.

Die verschiedenen Polarisationsverfahren, besonders die Elektrodenpolarisation, ermöglichen eine lokale Polarisation des Piezomaterials nur an gewünschten Stellen, wodurch induktive Störungen zwischen benachbarten Bereichen verringert werden können.

Bei einer anderen Ausführungsform besteht das Piezomaterial aus einem geeigneten piezoelektrischen Polymer, wie einem polarisierten Polyvinylidenfiuorid (PVDF). In diesem Fall wird das Polymer entweder in gelöster Form oder oberhalb des Schmelzpunkts von 160 bis 180ºC gedruckt. Das Material kann z.B. auch durch ein elektrostatisches Pulverspruhverfahren aufgetragen werden. Nach dem Auftragen wird es durch ein elektrisches Feld polarisiert, in welchem Fall die oben beschriebenen Verfahren angewendet werden können. Dies muss oberhalb der Glasumwandlungstemperatur durchgeführt werden oder solange der Film noch nicht trocken ist.

Man kann auch als Trägerfolie eine polarisierte Folie dieser Art verwenden, auf die alle anderen Schichten, z.B. durch Druckverfahren, aufgetragen werden.

Wie in Figur 9 gezeigt, ist die kombinierte Dicke des Piezomaterials 3 und der elektrisch leitenden Lage 4 kleiner als die Dicke des Abstandhalters 16. Dadurch wird unter dem Sandwich ein Spalt gebildet, was ebenso wie die Bindeschicht 6 von Figur 1 ein Biegen ermöglicht. Übliche Abstands- oder Distanzhalter können z.B. ein Stück Karton oder Kunststoff mit Öffnungen enthalten, das mit dem Tastaturbild übereinstimmt. In diesem Zusammenhang ist EP-A-0 472 888 zu nennen, welche Beschreibung hier durch Verweisung übernommen wird. Der Stand der Technik zeigt auch verschiedene Mittel zum Verschweissen eines Deckblattes, das gleicher Art sein kann wie die Grundschicht in ihrer bevorzugten Form als Folie aus organischem Polymermatrial.

Allgemeinen dienen die Abstandsmittel dazu, unter jeder Taste einen kleinen Hohlraum zu bilden, so dass die piezoelektrische Schicht an ihrem Umfang, aber in der Mitte nicht oder weniger, abgestützt ist, so dass ein auf die Oberseite der Tastatur ausgeübter Druck eine Biegebeanspruchung zur Verstärkung des elektrischen Signals verursacht. Da dieses Merkmal in der Fachwelt bekannt ist, erübrigt sich eine weitere Erläuterung.

Wie in der piezoelektrischen Fachwelt bekannt, können Tasten oder Tastaturen eine sogenannte bimorphe Struktur haben. Dies kann gemäss der Erfindung in verbesserter Weise durch Wiederholung der Schritte (C) bis (E) erreicht werden. Wie in Figur 10 gezeigt, besitzt das monolithische piezoelektrische Sandwich gemäss dieser Ausführungsform zwischen den ersten und zweiten Elektrodenschichten 2, 3 zwei zusammenhängende Filme 3A und 3B aus festem piezoelektrischem Material, getrennt durch eine intermediäre oder "dritte" Elektrodenschicht 17. Ferner können zur verbesserten Haftung, Kohärenz oder Kompatibilität benachbarter Schichten weitere oder intermediäre Schichten vorgesehen werden.

In Figur 11 ist eine andere Ausführungsform eines mehrschichtigen Piezomaterials zur Vergrösserung der Dicke des Sandwiches ohne Gefährdung der Integrität des Piezomaterials dargestellt. Eine Basis 1A hat auf beiden Seiten erste Elektrodenschichten 2A und 2B. Auf den ersten Elektrodenschichten sind "Inseln" 3A und 3B aus piezoelektrischem Material gebildet; auf den Inseln 3A und 3B sind zweite Elektrodenschichten 4A und 4B gebildet.

Bei allen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung sollte die Taste oder Tastatur einen stabilen "monolithischen" Aufbau des piezoelektrischen Sandwichelements aufweisen, d.h. einen mehrschichtigen Aufbau mit einer Grundschicht, einer Elektrodenschicht und der piezolektrischen Filmschicht in Form einer integralen Struktur haben, in der die Schichten aneinander haftend derartig ausgebildet sind, wie sie durch Auftragen von Schichten der entsprechenden Präkursoren gebildet werden, d.h. Zusammensetzungen oder Substanzen, welche die erforderlichen Bestandteile in einem System enthalten oder bilden, das fliessfähig und nicht fest ist und demzufolge nicht als vorgefertigtes Element gebraucht oder aufgebracht wird.

Die folgenden Beispiel werden zur Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung und nicht zur Beschränkung gegeben. Teile und Prozente sind, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen.

Beispiel I:

Eine druckempfindliche Tastatur wurde wie folgt hergestellt:

(a) Grundschicht

Die zur Herstellung der Tastatur verwendete Grundschicht war eine handelsübliche Polyethylenterephthalat-Folie (Dicke 175 µm, Handelsmarke Melinex, Typ 505 ST der Firma ICI) mit einer üblichen Grundierschicht oder zur Haftungsverbesserung in üblicher Weise oberflächlich chioriert.

(b) Erste elektrisch leitfähige Schicht

Handelsübliche Silberfarbe (z.B. erhältlich bei Acheson Industries USA oder Olin Hunt, GB) wurde mittels Siebdruck (Siebeinheit 90T entsprechend Siebgrösse 230 T) in einer Dicke (trocken) von etwa 7,5 µm auf die Grundschicht aufgetragen, um ein Tastaturmuster an sich bekannter Art herzustellen, das aus sechzehn Tastenbereichen und einem ersten Muster aus leitfähigen Bahnen für einzelne oder gruppenweise (Zeilen/Spalten) Verbindungen besteht. Das Muster wurde in üblicher fotografischer Weise zur Bildung von sechzehn runden Elektrodenbereichen und verbindenden Leitpfaden hergestellt. Das gedruckte Muster wurde 20 Minuten bei 110ºC an der Luft getrocknet.

(c) Piezoelektrische Schicht

Eine Druckpaste wurde hergestellt durch Vermahlen in einer Labormühle von:

100 Teilen handelsüblichem PZT-Keramikpulver (erhältlich von Philips, Niederlande, Typ PXE 5 oder Typ 52) mit Teilchengrössen im Bereich von 0,5 bis 2,5 Mikrometer;

Teilen handelsüblichem Siebdrucklack (erhältlich als Harz 290-05 von Printcolor, Schweiz,);

5 Teilen Akryllack (Printcolor, Typ 290);

1 Teil Verdampfüngsverzögerer (Printcolor, Typ 10-99).

Das Mahlen wurde dreimal wiederholt, um eine Homogenität (ausweislich visueller Erscheinung) und eine Viskosität im üblichen Siebdruckbereich zu erzielen.

Die Druckpaste wurde topisch auf die Grundschicht im Bereich der Elektrodenbereiche aufgetragen, die gemäss Abschnitt (b) durch dreimaliges Drucken mit einem 43 T-Sieb (110 mesh T) hergestellt worden war, wobei auf die Vermeidung der Bildung von Luftblasen in der Schicht geachtet wurde. Es wurde ein fotografisch erzeugtes Muster verwendet, um die gemäss Abschnitt (b) hergestellten Elektrodenbereiche konzentrisch zu decken und diese mit einem Rand von etwa 1 mm zu überdecken. Nach jedem Druckvorgang wurde die aufgetragene Schicht 30 Minuten bei 100ºC an der Luft getrocknet. Die Gesamtdicke des resultierenden getrockneten piezoelektrischen Films betrug etwa 50 µm.

(d) Zweite Ektrodenschicht

Ein Elektrodenmuster im wesentlichen wie in Teil (b) und mit einem entsprechenden Satz von Verbindungspfaden zur individuellen Betätigung jeder Taste wurde in denjenigen Bereichen der Grundschicht passend zu dem Muster aufgetragen, das gemäss den Abschnitten (b) und (c) durch Siebdruck in der in Abschnitt (b) erläuterten Weise mit einem 120 T Sieb (Sieb 305 T) hergestellt worden war. Die gedruckte Schicht wurde 20 Minuten bei 110ºC luftgetrocknet.

(e) Schutzschicht

Im Bereich der Enden der Leiter wurde eine Siegelschicht aufgetragen, indem eine Schicht aus durch UV polymerisierbarem Lack (erhältlich von Olin Hunt, Typ Iso UV) mit einem 120 T Sieb (305 mesh) aufgetragen wurde. Die Belichtung mit aktinischer UV-Strahlung erfolgte mit einer handelsüblichen UV-Lampe.

(f) Polen (Polarisieren)

Das Produkt von Abschnitt (e) wurde zwischen zwei gegeneinandergedrückten Platten (0,0 bar) auf etwa 150ºC erhitzt, und zwischen jedem Elektrodenpaar wurde über die Leiterbahnen eine Gleichspannung von 100 V angelegt. Das Polen wurde 10 Minuten fortgesetzt.

(g) Deckschicht und Abstandshaltereinlage

Ein Folie aus Polyethylenterephthalat mit einer Dicke von 125 µm wurde mit einem Blatt Papier verklebt, das mit Öffnungen versehen war, die im wesentlichen dem Elektrodenmuster entsprachen, um beim Versiegeln miteinander unter jedem Sandwich aus zwei Elektroden und der dazwischenliegenden piezoelektrischen Schicht scheibenfbrmige Hohlräume zu bilden. Dieses Blatt wurde mit dem polarisierten Produkt ausgerichtet und mit diesem unter Verwendung eines handelsüblichen Klebers, wie einem Kleber vom Typ 467 von 3M (Minnesota, Mining and Manufacturing Co), versiegelt. Das fertige Produkt erzeugte eine maximale Signalstärke von etwa 10 V.

Beispiel II:

Eine druckempfindliche Tastatur wurde wie folgt hergestellt:

(a) Grundschicht

Die zur die Herstelllung der Tastatur verwendet Grundschicht 1 A war eine handelsübliche Polyethylenterephthalat-Folie (Dicke 175 µm, Handelsmarke Melinex, Typus 505 ST, von ICI) mit einer üblichen Grundierschicht oder in üblicher Weise zur Hattungsverbesserung auf beiden Oberflächen chloriert.

(b) Leitfähige Grundschichten

Die gleiche Silberfarbe wie in Beispiel I wurde topisch auf beide Seiten der Grundschicht 1A in gleicher Weise aufgetragen, wie die erste leitfähige Schicht von Beispiel I. Auf beiden Seiten der Grundschicht wurden Muster 2A, 2B mit sechzehn Tastenbereichen und Verbindungsleitpfaden erzeugt.

(c) Piezoelektrische Schichten

Eine piezoelektrische Druckpaste wurde wie in Beispiel I hergestellt. Die Paste wurde mittels Siebdruck auf beiden Seiten der gemäss Abschnitt (b) erhaltenen Grundschicht in den Bereichen der sechzehn Leitertasten aufgetragen. Das Bedrucken wurde wie in Beispiel I dreimal wiederholt, wiederum unter Überdeckung der gemäss Abschnitt (b) gebildeten Tastenbereiche. Die Gesamtdicke der resultierenden Filme 3A, 3B betrug wiederum etwa 50 µm.

(d) Oberseitige leitfähige Schichten

Ein Elektrodenmuster wurde auf die piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Grundschicht in gleicher Weise aufgetragen wie die zweite Elektrodenschicht 4A, 4B von Beispiel 1.

(e) Schutzschichten

Zum Schutz und zur elektrischen Isolation der gemäss den Abschnitten (a) bis (d) hergestellten Sandwichstruktur wurde eine Schutzschicht gleich wie die Schutzschicht von Beispiel I auf beide Seiten der Grundschicht aufgetragen.

(f) Polen

Zum Polen der nach den Abschnitten (a) bis (e) erhaltenen bimorphen Struktur wurden die leitfähigen Grundschichten 2A und 2B aller zweiunddreissig Sandwichelemente in Reihe miteinander verbunden. Es wurden die aussenliegenden leitfähigen Schichten 4A der sechzehn Sandwichelemente auf der einen Seite der Grundschicht und die sechzehn leitfähigen Bereiche der Lage 4B auf der anderen Seite miteinander verbunden. An den beiden aussenliegenden leitfähigen Schichten 4A, 4B wurde eine Gleichspannung von 200 V angelegt und das Ganze auf 150ºC erhitzt. Das Polen wurde 10 Minuten fortgesetzt. Während des Polens wurden die Sandwichelemente auf beiden Seiten der Grundschicht in Reihe verbunden. Nach dem Polen wurden die beiden korrespondierenden Sandwichelemente durch Verbinden der leitfähigen Schichten an der Basis und der äusseren leitfähigen Schichten parallel geschaltet.

(g) Deckschicht und Abstandshaltereinlage

Eine 125 µm dicke Folie aus Polyethylenterephthalat wurde durch Verkleben mit einem Blatt Papier verbunden, das mit Öffhungen versehen war, die im wesentlichen dem Elektrodenmuster entsprachen, um beim Versiegeln unter jedem Sandwich aus zwei Elektroden und der dazwischenliegenden piezoelektrischen Schicht scheibenfbrmige Hohlräume zu bilden. Dieses Blatt wurde mit dem polarisierten Produkt ausgerichtet und mit handelsüblichem Klebstoff, wie dem Kleber Typ 467 von 3M (Minnesota, Mining and Manufacturing Co) mit diesem versiegelt. Das fertige Produkt erzeugte eine maximale Signalstärke von etwa 10 V.

Beispiel III

Dieses Beispiel erläutert eine bevorzugte Ausführungsform der Herstellung der Abstandsmittel für eine Taste oder Tastatur gemäss der Erfindung durch Fluid-Apllikations technik anstelle der Verwendung einer vorgefertigten Einlage.

Beispiel I wurde mit der Abänderung wiederholt, dass die Abstandsmittel, d.h. die Abstandsschicht 16 (Fig. 9), vor Schritt (d) durch Drucken als Schicht mit einer Gesamtdicke von etwa 100 µm aufgetragen wurde. Das Bedrucken kann wie in Beispiel I, Abschnitt (c), durchgeführt werden, mit der Abänderung, dass man den Zusatz von Keramikmaterial zur Druckpastengrundmasse durch eine "inerte" Komponente gemäss den nachfolgenden Ausführungen ersetzt. Mternativ können Abstandshalteschichten erfindungsgemäss dadurch hergestellt werden, dass ein Muster mit einer Druckpaste gedruckt wird, das ein UV-vernetzbares Polymer wie oben angegeben oder eine reaktive Polymerzusammensetzung, wie handelsübliche Epoxidpolymere mit geeigneten Vernetzungsmitteln, z.B. Araldit , enthält, sofern dieses Polymer ebenfalls "inert" ist.

Dies wird wie folgt erläutert: alle Bestandteile von erfindungsgemäss durch Fluid- Applikaltionsmethoden erzeugten Abstandsmitteln oder Abstandshalteschichten sollten vorzugsweise "piezoelektrisch inert" sein; diese Bezeichnung beruht auf der bekannten piezoelektrischen Belastungskonstanten, die meist in picocoulomb pro Newton (pC/N) angegeben wird, was gewöhnlich auch die Richtungen der piezoelektrischexyLadung oder die Beziehung von Impuls zur mechanischen Belastung durch den Index "dxy", z.B. d&sub3;&sub1;, angibt. Demzufolge sollte jeder Stoff, der als Komponente der Abstandhalteschicht verwendet wird, eine piezoelektrische Beanspruchungskonstante haben, die nicht mehr als etwa 1 Prozent (numerische Basis) der piezoelektrischen Beanspruchungskonstante der zugehörigen piezoelektrischen Schicht übersteigt, z.B. d&sub3;&sub1;(Schicht 16) ≤ 0,01 d&sub3;&sub1; (Schicht 3).

Eine zur Herstellung von Abstandshalteschichten geeignete Druckpaste kann in einem einzigen Applikationsschritt aufgetragen werden, wenn sie eine ausreichende Konsistenz oder Zähigkeit hat, wie dies beispielsweise bei Verwendung von lösungsmittelfreien flüssigen Polymerzubereitungen oder durch Verwendung eines Füllers erreicht wird, wie typischerweise Glaspulver oder irgend ein teilchenförmiger Feststofff, der "inert" sowohl im oben erläuterten wie auch im normalen chemischen Sinn ist; viele anorganische Silikate, Carbonate und Oxide erfüllen diese Anforderungen und sind brauchbar. Bevorzugte Teuchengrössen liegen unter 50 µm, z.B. bis 30 µm.

Beispiel IV

Beispiel II wird mit der Abänderung wiederholt, dass die Abstandsmittel 16A, 16B (Fig. 10) durch Drucken unter Verwendung einer Druckpaste hergestellt werden, die aus Glaspulver (Teilchengrösse unter etwa 20 µm) und einer handelsüblichen Druckpastengrundlage, wie die in Beispiel I, Abschnitt (c) verwendete Grundlage, im Verhältnis 2:3, d.h. mit einem Anteil von etwa 35 Gew.% Glaspulver, bestand.

Die Abstandshalteschicht 16A wird durch Drucken nach Bildung der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und vor der Bildung der dritten Elektrodenschicht 17 aufgebracht; die Abstandshalterschicht 16B wird mit der gleichen Druckpaste wie die Abstandshalteschicht 16A aufgetragen, aber nach Bildung der zweiten piezoelektrischen Druckschicht 3B und vor der Bildung der Elektrodenschicht 4.

Beispiel V

Zur Herstellung einer Tasten- oder Tastatur-Struktur des in Figur 11 gezeigten Typs wurde im wesentlichen die in Beispiel III beschriebene Arbeitsweise wiederholt. Ausgehend von der Grundschicht 1A wurde auf dieser durch aufeinanderfolgendes Auftragen der leitfahigen Elektrodenschicht 2A, der piezoelektrischen Schicht 3A, der Abstandshalteschicht 16A und der Elektrodenschicht 2A eine erste "Sandwich"-Struktur gebildet. Dann wurde auf der Rückseite der Grundschicht 1A durch aufeinanderfolgendes Auftragen der leitfahigen Elektrodenschicht 2B, der piezoelektrischen Schicht 3B, der Abstandshalterschicht 16B und der Elek trodenschicht 4B eine zweite Sandwichstruktur gebildet. Darauf wurde eine Deckschicht 1B wie in Beispiel I aufgetragen. Natürlich könnte man die Reihenfolge der Herstellung der beiden Sandwichstrukturen umkehren, indem man mit dem Auftragen der Elektrodenschicht 2B auf die Rückseite der Grundschicht 1A beginnt.

Beispiel VI

Eine Taste oder Tastatur mit einem Aufbau gemäss den Figuren 12 bis 14 wurde erfindungsgemass wie folgt hergestellt: eine Grundschicht 21 wurde durch Siebdruck wie in Beispiel I oder durch Vakuumbeschichtung (oder nach irgend einem anderen Verfahren, das sich für die Herstellung von relativ dünnen, elektrisch leitfähigen Lagen auf einem Polymersubstrat eignet) mit einem elektrisch leitfähigen Muster nach Art der bekannten Doppelkammwandler versehen, das aus zwei voneienander beabstandeten coplanaren Elektroden 241, 241 besteht, von denen jede einen Anschlusspfad 243, 244 hat.

Dann wurde die piezoelektrische Schicht 23 wie in Abschnitt (c) von Beispiel I aufgetragen. Aus Gründen der einfacheren Verständlichkeit ist die Schicht 23 als auf beiden Seiten überlappend aber ohne vollständige Überdeckung der Elektroden 241, 242 dargestellt. Dies ist nicht kritisch, und für viele Zwecke wird bevorzugt, dass die Schicht 23 die Elektroden 241, 242 im wesentlichen abdeckt oder sogar überdeckt. Dann wird die Abstandshalteschicht 26 wie oben beschrieben hergestellt, worauf alle weiteren Verarbeitungen in Hinblick auf das gewünschte Endprodukt folgen können.

Die Polung kann durch ein elektrisches Feld erzielt werden, das über die leitfähigen Pfade 243, 244 zwischen jedem Paar der Kammelektroden 241, 242 angelegt wird. Ein Teil des Feldes dringt in die piezoelektrische Schicht 23 ein und bewirkt die Polung im Bereich der Kammfinger.

Wird auf den sensitiven Bereich einer so hergestellten Taste oder Tastatur eine mechanische Beanspruchung ausgeübt, d.h. im Bereich des Zwischenraums zwischen den coplanaren Elektrodenschichten und der zusammenwirkenden piezoelektrischen Schicht 23, wird zwischen den Elektroden 241, 242 ein elektrisches Signal von typisch etwa 5 V erzeugt. Die Signalverarbeitung kann gemäss Figur 6 erfolgen.

Für Fachleute der Herstellung piezoelektrischer Tasten oder Tastaturen bieten sich im Rahmen der Erfindung verschiedene Modifikationen, wobei die Tastaturen eine Wiederholung der Tasten darstellen, zuzüglich der erforderlichen Schaltungen entsprechend einer gegebenen Anordnung von 10, 26, 4B oder mehr einzelnen Tasten, die alle Zeichen, wie alphanumerische oder andere Zeichen darstellen, welche für ein tastaturgesteuertes System verwendet werden.

So können zum Beispiel verschiedene andere piezoelektrische Materialien verwendet und in Form von Zusammensetzungen aufgetragen werden, die ein fluides (d.h. flüssiges oder gasförmiges) Präkursorsystem umfassen, das die zur Bildung zusammenhängender piezoelektrischer Schichten geeigneten Stoffe enthält. Beispielsweise könnte das Polymer der Matrix der oben beschriebenen piezoelektrischen Schichten piezoelektrisch aktiv anstatt inert sein. Auch andere Applikationsmethoden als Siebdruck, z.B. Sprühen, Aufstreichen,, Tauchbeschichtung usw., können angewendet werden, sofern dabei die für piezoelektrischen Tasten oder Tastaturen benötigten topisch definierten Strukturmuster (patterns) in kommerziellem Betrieb erhalten werden können, so dass sich bei der Produktion von piezoelektrischen Tasten oder Tastaturen ein im wesentlichen automatisierter Zusammenbau aller Bestandteile erreichen lässt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung einer druckempfindlichen elektronischen Taste oder Tastatur mit den Schritten:

Vorlegen einer Grundschicht (1;21), die mindestens einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich (2;241) besitzt;

Auftragen mindestens einer dünnen Schicht aus einem Fluid, das ein organisches Polymer und ein teilchenfbrrniges piezoelektrisches Material enthält, als Prakursormaterial auf den mindestens einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich;

Umwandlung der mindestens einen dünnen Schicht aus dem Präkursormaterial in einen im wesentlichen kohärenten und gleichmässigen festen Film (3) aus einem fest an dem ersten elektrisch leitfähigen Bereich haftenden Verbund des in eine Matrix aus dem organischen Polymer eingebetteten piezoelektrischen Materials;

Bildung eines zweiten elektrisch leitfähigen Bereichs (4;242), der von dem ersten elektrisch leitfähigen Bereich (2;24 1) durch den festen Film aus dem, einen Raum zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen (2,4;241,242) überbrückenden, Verbund des in die Matrix eingebetteten piezoelektrischen Materials (3) beabstandet und fest mit diesem verbunden ist, um mindestens ein im wesentlichen monolithisches piezoelektrisches Element zu bilden, das fest an der Grundschicht (1) haftet und den festen Film aus dem Verbund aus dem piezoelektrischen Material (3) in der Matrix mit den ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen (2,4;241,242) enthält; und

Polarisieren des in der Matrix eingebetten piezoelektrischen Materials (3) in Bezug auf die ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Bereiche (2,4;241,242).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Grundschicht (1) eine Folie aus einer organischen Polymerzusammensetzung enthält, die eine elektrisch leitfähige Schicht (2) aufweist, welche mittels einer Fluid-Applikationsmethode haftend auf mindestens einen topisch vorbestimmten Bereich auf einer Seite der organischen Polymerfolie aufgetragen wird, und wobei die dünne Schicht aus dem Präkursormaterial ebenfalls mittels einer Fluid-Applikationsmethode aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Fluid-Applikationsmethode ein Siebdruckverfahren ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem die Schritte vor dem Polarisieren wiederholt werden, um ein bimorphes piezoelektrisches Sandwich-Element zu bilden, das zwei übereinanderliegende kohärente feste Filme aus dem piezoelektrischen Verbundmaterial umfasst, die durch eine dritte elektrisch leitfähige Schicht getrennt sind, und wobei die dritte elektrisch 40 leitfähige Schicht mit den beiden übereinander angeordneten Filmen aus dem piezoelektrischen Verbundmaterial haftend verbunden ist.

5. Verfahren nach Mspruch 4, bei dem die Grundschicht auf beiden Seiten mit mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Bereich versehen ist und wobei die Schritte vor dem Polarisieren auf dem ersten elektrisch leitfähigen Bereich aufjeder Seite der Grundschicht durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, umfassend die Bildung mindestens eines Abstandsmittels in einem Bereich benachbart zu dem mindestens einen monolithischen piezoelektrischen Element.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Abstandsmittel durch Aufdrucken gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Abstandsmittel durch Aufdrucken einer Schicht gebildet wird, die im wesentlichen aus piezoelektrisch inertem Material besteht.

9. Mechanisch stabile und alterungsbeständige druckempfindliche Taste oder Tastatur, hergestellt nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-8.

10. Taste oder Tastatur nach Anspruch 9, bei der das monolithische piezoelektrische Element zwei übereinanderliegende zusammenhängende feste Filme aus dem piezoelektrischen Verbundmaterial aufweist, die durch eine dritte elektrisch leitfähige Lage getrennt sind, welche mit beiden übereinanderliegenden Filmen aus dem piezoelektrischen Verbundmaterial haftend verbunden ist.







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