CN101776496B - 柔性电子压力感测装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种可大面积感测与低成本制作的柔性电子压力感测装置及其制作方法，该装置包括多层柔性薄膜、多个电极、多个感测块及多个凸块。这些柔性薄膜有间隔地设置而定义出二个空间。这些电极及这些感测块配置在这些柔性薄膜上而位于空间内，且这些凸块配置在这些柔性薄膜上而位于另一空间内。这些空间内的空气维持配置有这些电极及这些感测块的二个柔性薄膜之间的相对距离。当柔性电子压力感测装置产生形变时，可避免因分别配置于不同柔性薄膜上的感测块与电极或两感测块的相互接触而产生的误感测信号。此外，一种柔性电子压力感测装置的制作方法亦被提出。

Description

柔性电子压力感测装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种柔性电子压力感测装置及其制造方法，更特别，本发明涉及一种可应用于大面积感测与低成本制作的柔性电子压力感测装置及其制造方法。

背景技术

柔性电子泛指将功能性的感测材料制作于柔性或可弯曲基板上的技术与应用，目前有塑胶电子(Plastic electronics)、印刷电子(Printed Electronics)、有机电子(Organic Electronics)与聚合物电子(Polymer electronics)等新技术的探讨，而这些技术已被应用于柔性传感器设计与制作，其优势在此技术是采用印制工艺及可适合于大面积感测和低成本制作。

一般压力感测元件大多数为采用半导体或微机电工艺方式制作而成，其工艺的成本高、元件大多数属于块体刚性结构与不易折弯，故不适合于大面积柔性阵列压力感测侦测。再者，现有柔性电子压力传感器采用实心堆叠式方式制作而成，因此难于在动态感测模式使用，因为当柔性传感器受到弯曲时，容易因感测单元受到自身形变基板薄膜的挤压而产生误作动感测信号外，元件结构的可靠度亦不佳。故现今柔性压力感测装置大多仅可在准静态的环境下操作，而难以用于动态模式下操作。

美国专利编号US6032542提出一种柔性电子压力感测装置，主要是于上、下两片柔性薄膜上分别制作行与列的感测电极配线，再将电阻感测材料印制于行与列的电极配线上，然后使两片柔性薄膜上面的行和列，以正交的交错方式相对应组装一起，交错点即为电阻材料受力时感测区块，故感测区受到膜自身形变的受力挤压，易产生感测误作动信号。

再者，美国专利编号US7258026提出一种以螺旋状结构(spiral-like)组合而成的柔性阵列感测元件，即于上、下柔性薄膜设计螺旋状结构后，再经组合成为感测装置，然而于实际应用时，此螺旋状弹簧外面仍然需要封装一层保护薄膜，故经过保护膜封装后的螺旋状弹簧机构，即损失个体元素的自由度与弹性效果，而又造成元素与元素之间有较高的相互耦合作用。虽然采用弹簧式柔性感测元素，增加感测时灵敏度，然而，其并不适合于柔性阵列感测装置同时有形变与有外力触碰的情况下使用，因基板上的薄膜感测单元无法有效辨识是基板自身形变或外力接触作用，而造成感测单元的感测。

现今于静态与动态的大面积压力感测装置，较为成熟的应用实例为武术护具与电子宠物，传统护具的主要目的是避免运动员受伤与减轻打击过程中所造成的严重冲击，特别是运动员间有肢体剧烈接触的运动项目。因此，为了提高运动竞赛的裁判的正确性，现今已有护具结合电子压力感测装置于竞赛过程中同时感测所受压力。现有较为成熟的电子护具是以惯性质量搭配电感的感应方式，进行动态模式的感测，如美国专利编号US7012187。

然而，在感测过程中其手或脚护具需搭配特殊感测装置，使之与身体或头护具达成感测功能，因此会造成穿载上不便，且易受到外在的干扰。至于常见电子宠物的感知装置，多数整合单一或数个压力感测单元于电子宠物表面内，此方式显然既无效益亦不经济，再者整合形式通常难有较高的空间解析度。

鉴于多数电子压力感测装置仅合适于准静态模式下的感测，本发明提出可应用于大面积静动态用的柔性电子压力感测装置，此装置是以柔性基板为主体，且配合聚合物材料及简易印制的工艺技术，实现大面积感测与低成本制作的柔性电子传感器装置，以克服现有压力感测单元需大面积感测元件的高单价问题，及提供可应用于静动态使用的感测装置。

发明内容

本发明提供一种柔性电子压力感测装置，在动态感测过程中可降低传感器因自身的形变而产生误感测信号的机率。

本发明还提供一种柔性电子压力感测装置的制造方法，其具有低技术需求及低成本的特性。

本发明提出一种柔性电子压力感测装置，其包括第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、多个第一电极、多个第二电极、多个第一感测块、第三柔性薄膜及多个第一凸块。第二柔性薄膜有间隔地设置在第一柔性薄膜的下方，并与第一柔性薄膜构成第一空间。这些第一电极阵列地配置在第一柔性薄膜上，且位于第一柔性薄膜及第二柔性薄膜之间。这些第二电极阵列地配置在第二柔性薄膜上，且位于第一柔性薄膜及第二柔性薄膜之间。这些第一感测块分别配置在这些第一电极上，并分别与对应的第二电极相隔离。第三柔性薄膜有间隔地设置在第一柔性薄膜的上方，并较第一柔性薄膜远离第二柔性薄膜，且与第一柔性薄膜构成第二空间，其中第一空间内与第二空间内的空气维持第一柔性薄膜相对于第二柔性薄膜的距离。这些第一凸块分别对应于这些第一感测块而配置在第一柔性薄膜上，且位于第一柔性薄膜及第三柔性薄膜之间。

基于上述，本发明利用填充于柔性电子压力感测装置中的空气维持其薄膜的相对距离。当柔性电子压力感测装置自身产生形变时，可防止配置于不同薄膜上的感测块与电极或两感测块相互接触，而凸块可使其所配置的薄膜在受到外力的作用下，通过应力集中的效果而产生较大的形变量，以提高感测的灵敏度。此外，本发明通过简易的印制与点胶技术，使柔性电子压力感测装置的制造方法具有低技术需求及低成本的特性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明实施例的柔性电子压力感测装置的剖面示意图。

图1B为图1A的柔性电子压力感测装置的立体图。

图1C为图1A的柔性电子压力感测装置的立体分解图。

图2A至图2C及图3A至图3D为图1A的柔性电子压力感测装置的制造流程剖面示意图。

图4为本发明另一实施例的柔性电子压力感测装置的剖面示意图。

图5为本发明又一实施例的柔性电子压力感测装置的部分结构俯视示意图。

附图标记说明

100、100’：柔性电子压力感测装置

110：第一柔性薄膜

112：中央部分

114：框缘部分

116：弹性部分

120：第二柔性薄膜

130：第一电极

130a：第一电极线

140：第二电极

140a：第二电极线

150：第一感测块

160：第三柔性薄膜

170：第二感测块

180：第四柔性薄膜

A：胶材

B1：第一凸块

B2：第二凸块

H1：第一通气孔

H2：第二通气孔

S1：第一空间

S2：第二空间

S3：第三空间

V：气阀

W：墙状物

X：子空间

具体实施方式

图1A为本发明实施例的柔性电子压力感测装置的剖面示意图，图1B为图1A的柔性电子压力感测装置的立体图，图1C为图1A的柔性电子压力感测装置的立体分解图。请同时参考图1A、图1B及图1C，本实施例的柔性电子压力感测装置100包括第一柔性薄膜110、第二柔性薄膜120、多个第一电极130、多个第二电极140、多个第一感测块150、第三柔性薄膜160及多个第一凸块B1。

第二柔性薄膜120有间隔地设置在第一柔性薄膜110的下方，并与第一柔性薄膜110构成第一空间S1。这些第一电极130阵列地配置在第一柔性薄膜110上，且位于第一柔性薄膜110及第二柔性薄膜120之间。这些第二电极140阵列地配置在第二柔性薄膜120上，且位于第一柔性薄膜110及第二柔性薄膜120之间。这些第一感测块150分别配置在这些第一电极130上，并分别与对应的第二电极140相隔离。

第三柔性薄膜160有间隔地设置在第一柔性薄膜110的上方，并较第一柔性薄膜110远离第二柔性薄膜120，且与第一柔性薄膜110构成第二空间S2，其中第一空间S1内与第二空间S2内的空气维持第一柔性薄膜110相对于第二柔性薄膜120的距离。这些第一凸块B1分别对应于这些第一感测块150而配置在第一柔性薄膜110上，且位于第一柔性薄膜110及第三柔性薄膜160之间。

当外力作用于柔性电子压力感测装置100时，配置于这些第一电极130上的这些第一感测块150与配置于第二柔性薄膜的这些第二电极140因受到压迫而相互接触，并因此产生感测信号以达到感测压力的目的。值得注意的是，第一空间S1内的空气可维持这些第一感测块150与这些第二电极140的相对距离。因此，当柔性电子压力感测装置100自身产生形变时，可防止这些第一感测块150与这些第二电极140相互接触而产生误感测信号。

另外，配置于第一柔性薄膜110的这些凸块B1可使第一柔性薄膜110在受到外力的作用下，通过应力集中的效果而产生较大的形变量，以提高感测的灵敏度。在本实施例中，各第一感测块150的材料例如是电阻材料、压阻材料、压电材料、电感材料、电磁材料或热电材料，用以感测压力并对应产生感测信号。

在本实施例中，柔性电子压力感测装置100还包括多个墙状物W、多条第一电极线130a及多条第二电极线140a。这些墙状物W配置于第一柔性薄膜110与第二柔性薄膜120之间，且位于这些第一感测块150的两相邻者之间，并将第一空间S1分隔成多个相互连通的子空间X。再者，第一空间S1及第二空间S2透过设置在第一柔性薄膜110的第一通气孔H1相互连通而组成密闭空间，且其内部气压大于1大气压。这些第一电极130透过连接于其上的这些第一电极线130a而电性连接，且这些第二电极140透过连接于其上的这些第二电极线140a而电性连接。

在另一实施例中，第二柔性薄膜120及第三柔性薄膜160所组成的外层结构具有气阀V。透过气阀V可充填空气于第一空间S1及第二空间S2所组成的密闭空间内，以维持柔性电子压力感测装置100内各元件间的相对距离。气阀V例如是单向或双向气阀。

在另一未绘示的实施例中，子空间X亦可为多个互不连通的密闭空间。在又一未绘示的实施例中，第一空间S1及第二空间S2分别为密闭空间，且其内部气压皆大于1大气压。值得注意的是，若柔性电子压力感测装置100具有多个互不连通的密闭空间，则其具有相对应的多个气阀V，以充填空气于各密闭空间内。

为了更详尽地说明本实施例的柔性电子压力感测装置100的结构，以下将搭配图2A至图2C及图3A至图3D来说明本实施例的柔性电子压力感测装置100的制造流程。

图2A至图2C及图3A至图3D为图1A的柔性电子压力感测装置的制造流程剖面示意图。首先，请参考图2A，提供第一柔性薄膜110，并在第一柔性薄膜110上以平板印刷的曝光显影技术蚀刻出多个第一电极130、多条连接于各第一电极130的第一电极线130a(绘示于图1C)及第一通气孔H1。

接着，请参考图2B，以印制或点胶方式将多个胶状的第一感测块150分别制作于各第一电极130上。然后，请参考图2C，待第一电极130固化后再以印制或点胶方式，在第一柔性薄膜110上形成多个分别对应各第一电极130且与各第一电极130位于第一柔性薄膜110不同侧的第一凸块B1。

请参考图3A，提供第二柔性薄膜120，并在第二柔性薄膜120上以平板印刷的曝光显影技术蚀刻出多个第二电极140及多条连接于各第二电极140的第一电极线140a(绘示于图1C)。

接着，请参考图3B，提供多个墙状物W，并以薄片贴合工艺或印制工艺技术将这些墙状物W固定于第二柔性薄膜120上。然后，请参考图3C，以网印或印制方式将多个胶材A印制在这些墙状物W上方。

接着，请参考图3D，将图3C绘示的结构透过这些胶材A组装至图2C绘示的结构，而使第一柔性薄膜110与第二柔性薄膜120定义出第一空间S1，且这些第一电极130、这些第二电极140及这些第一感测块150皆位于第一空间S1内，其中这些墙状物W在第一空间S1内定义出多个子空间X。

最后，提供第三柔性薄膜160。在第三柔性薄膜160上形成气阀V，并将第三柔性薄膜160组装至第一柔性薄膜110而定义出第二空间S2，以使这些第一凸块B1位于第二空间S2内。

图4为本发明另一实施例的柔性电子压力感测装置的剖面示意图。请参考图4，相较于图1的实施例的柔性电子压力感测装置100，本实施例的柔性电子压力感测装置100’还包括多个分别配置在第二电极140上的第二感测块170。第二感测块170分别与对应的第一感测块150相隔离。各第二感测块170的材料例如是电阻材料、压阻材料、压电材料、电感材料、电磁材料或热电材料，用以感测压力并对应产生感测信号。

相较于图1的实施例的柔性电子压力感测装置100，柔性电子压力感测装置100’还包括第四柔性薄膜180及多个第二凸块B2。第四柔性薄膜180有间隔地设置在第二柔性薄膜120的下方，并与第二柔性薄膜120构成第三空间S3。其中第一空间S1内与第三空间S3内的空气维持第二柔性薄膜120相对于第一柔性薄膜110的距离。这些第二凸块B2分别对应于这些第一感测块150而配置在第二柔性薄膜120上，且位于第二柔性薄膜120及第四柔性薄膜180之间。

第一空间S1、第二空间S2及第三空间S3透过分别设置于第一柔性薄膜110及第二柔性薄膜120的第一通气孔H1及第二通气孔H2相互连通而组成密闭空间，且其内部气压大于1大气压。此外，第一柔性薄膜110例如具有多数个用以相互连通第一空间S1与第二空间S2的穿孔(未绘示)，以使第一空间S1与第二空间S2内的气压更具平衡性。

第三柔性薄膜160及第四柔性薄膜180所组成的外层结构具有气阀V。透过气阀V可充填空气于第一空间S1、第二空间S2及第三空间S3所组成的密闭空间内，以维持柔性电子压力感测装置100’内各元件间的相对距离。气阀V例如是单向或双向气阀。

图5为本发明又一实施例的柔性电子压力感测装置的部分结构俯视示意图。请参考图5，相较于上述实施例的柔性电子压力感测装置100或柔性电子压力感测装置100’，本实施例的第一柔性薄膜110包括多个中央部分112、框缘部分114及多个分别位于这些中央部分112与框缘部分114之间的弹性部分116，而这些第一电极130与这些第一凸块B1皆分别位在这些中央部分112上。

透过上述结构，第一柔性薄膜110在受到外力的作用下，可通过弹性变形的效果而产生较大的形变量，以提高感测的灵敏度。此外，这些弹性部分116例如是长条状或弹簧状。

在另一未绘示的实施例中，第一空间S1、第二空间S2及第三空间S3分别为密闭空间，且其内部气压皆大于1大气压。值得注意的是，若柔性电子压力感测装置100’具有多个互不连通的密闭空间，则其具有相对应的多个气阀V以充填空气于各密闭空间内。

综上所述，本发明的柔性电子压力感测装置通过其密闭空间内的空气维持其各薄膜的相对距离，当柔性电子压力感测装置自身产生形变时，可防止其配置于不同薄膜上的感测块与电极或两感测块相互接触而产生误感测信号，而凸块可使其所配置的薄膜在受到外力的作用下，通过应力集中的效果而产生较大的形变量，以提高感测的灵敏度。此外，本发明通过简易的工艺技术，使柔性电子压力感测装置的制造方法具有低技术需求及低成本的特性。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (23)

1.一种柔性电子压力感测装置，包括：

第一柔性薄膜；

第二柔性薄膜，有间隔地设置在该第一柔性薄膜的下方，并与该第一柔性薄膜构成第一空间；

多个第一电极，阵列地配置在该第一柔性薄膜上，且位于该第一柔性薄膜及该第二柔性薄膜之间；

多个第二电极，阵列地配置在该第二柔性薄膜上，且位于该第一柔性薄膜及该第二柔性薄膜之间；

多个第一感测块，分别配置在这些第一电极上，并分别与该对应的第二电极相隔离；

第三柔性薄膜，有间隔地设置在该第一柔性薄膜的上方，并较该第一柔性薄膜远离该第二柔性薄膜，且与该第一柔性薄膜构成第二空间，其中该第一空间内与该第二空间内的空气维持该第一柔性薄膜相对于该第二柔性薄膜的距离；以及

多个第一凸块，分别对应于这些第一感测块而配置在该第一柔性薄膜上，且位于该第一柔性薄膜及该第三柔性薄膜之间。

2.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一感测块的材料为电阻材料、压阻材料、压电材料、电感材料、电磁材料或热电材料。

3.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，还包括：

第二感测块，分别配置在这些第二电极上，并分别与该对应的第一感测块相隔离。

4.如权利要求3所述的柔性电子压力感测装置，其中该第二感测块的材料为电阻材料、压阻材料、压电材料、电感材料、电磁材料或热电材料。

5.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，还包括：

墙状物，配置于该第一柔性薄膜与该第二柔性薄膜之间，且位于这些第一感测块的两相邻者之间。

6.如权利要求5所述的柔性电子压力感测装置，其中该墙状物将该第一空间分隔成多个子空间。

7.如权利要求6所述的柔性电子压力感测装置，其中这些子空间为多个密闭空间。

8.如权利要求6所述的柔性电子压力感测装置，其中这些子空间相互连通。

9.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一空间与该第二空间相互连通。

10.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第二柔性薄膜及该第三柔性薄膜所组成的外层结构包含单向气阀或双向气阀。

11.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一空间为密闭空间，其内部气压大于1大气压。

12.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第二空间为密闭空间，其内部气压大于1大气压。

13.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一空间及该第二空间组成密闭空间，其内部气压大于1大气压。

14.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，还包括：

第四柔性薄膜，有间隔地设置在该第二柔性薄膜的下方，并与该第二柔性薄膜构成第三空间，其中该第一空间内与该第三空间内的空气维持该第二柔性薄膜相对于该第一柔性薄膜的距离；以及

多个第二凸块，分别对应于这些第一感测块而配置在该第二柔性薄膜上，且位于该第二柔性薄膜及该第四柔性薄膜之间。

15.如权利要求14所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一空间与该第三空间相互连通。

16.如权利要求14所述的柔性电子压力感测装置，其中该第三柔性薄膜及该第四柔性薄膜所组成的外层结构包含单向气阀或双向气阀。

17.如权利要求14所述的柔性电子压力感测装置，其中该第三空间为一密闭空间，其内部气压大于1大气压。

18.如权利要求14所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一空间、该第二空间及该第三空间组成密闭空间，其内部气压大于1大气压。

19.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一柔性薄膜具有至少一个穿孔，用以相互连通该第一空间与该第二空间。

20.如权利要求1所述的柔性电子压力感测装置，其中该第一柔性薄膜形成框缘部分、多个中央部分及多个分别位于这些中央部分与该框缘部分之间的弹性部分，而这些第一电极分别位在这些中央部分上。

21.一种柔性电子压力感测装置的制作方法，包括：

形成多个第一电极、多个第一感测块及多个第一凸块在第一柔性薄膜上，其中这些第一电极在该第一柔性薄膜的一侧，这些第一感测块分别位在这些第一电极上，而这些第一凸块分别对应于这些第一感测块而位在该第一柔性薄膜的另一侧上；

形成多个第二电极及多个墙状物在第二柔性薄膜上；

结合这些墙状物至该第一柔性薄膜，以使该第一柔性薄膜与该第二柔性薄膜定义出第一空间，且这些第一电极、这些第二电极及这些第一感测块皆位于该第一空间内；

将第三柔性薄膜组装至该第一柔性薄膜，以使该第一柔性薄膜与该第三柔性薄膜定义出第二空间，且这些第一凸块位于该第二空间内。

22.如权利要求21所述的柔性电子压力感测装置的制作方法，其中该第三柔性薄膜包含气阀。

23.如权利要求21所述的柔性电子压力感测装置的制作方法，其中结合这些墙状物至该第一柔性薄膜是通过涂布在这些墙状物上的胶材。

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