CN102933945A - 压力传感器装置，其制造方法以及利用其制造触摸屏的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力传感器装置，此压力传感器装置包括基板，此基板由电绝缘材料制成，包括第一储液槽、与第一储液槽连接的第二储液槽，且第二储液槽的两个内壁各配备有一电极，此压力传感器装置还包括挠性薄膜，此挠性薄膜由电绝缘材料制成，包括一突起，并被牢牢地固定到基板上，以使突起能够在与填充第一储液槽的液体有一段距离的一位置与向液体施压而使液体至少部分地从第一储液槽流向第二储液槽与所述两个电极之间发生机械接触的至少一第二位置之间移动，所述的液体与所述两个电极的机械接触使两个电极之间的电阻或电容发生变化。本发明在制造触摸感应屏方面很实用。

Description

压力传感器装置,其制造方法以及利用其制造触摸屏的应用
技术领域
本发明涉及一种形成包括由电绝缘材料制成的基板的压力传感器的装置。
本发明还涉及一种用于制造这种传感器的方法。
本发明所涵盖的尤其引人关注的应用是制造触摸屏。
背景技术
目前已知有许多压力传感器。更一般地来说，可以将压力传感器定义为通过机械压力可以传送电信号的元件，此电信号可供控制电路使用。
近来，压力传感器的发展加快，因为它们被拓展用作触摸屏的一部分。实际上，触摸屏使一使用者能够通过用手指或尖笔在界面面板上由图形及/或字符界面标示出的一精确区域中施加压力来完成不同的功能。因此，一般而言，触摸屏适于识别界面面板的一确定区域中的一确定压力，且从而，与电信号的一软件处理系统连接的一控制电路可解译与图形及/或字符界面区域有关的确定压力，因而能启动所需操作。
在此可以援引苹果公司所制造的涉及触摸屏的各种商业实施例，包括可以检测向玻璃板施加的压力的多个压力传感器。
在苹果公司的触摸屏应用中，压力传感器可被分为两个不同的种类。
电阻型压力传感器包括两块板体，这两块板体上都涂布有导电材料涂层或由导电材料制成的多个垫片，且两块板体彼此之间被一电阻材料层隔开。在向有一外部界面的板体施压的时候，金属导电垫片或金属导电层相接触，借助于电阻层使电阻发生了变化，利用一精确区域中的这种电气变化可检测施加压力的位置。在电容型压力传感器中，电荷聚积在有一外部界面的一块玻璃板上。在向该玻璃板施压的时候，诱生一过量电容。此过量可以被测量出来。将多个压力传感器排布在玻璃板的整个表面上使确定受压区域的坐标成为可能。
发明人认为，对于不同的应用，使用塑料技术来制成的一压力传感器将会是有利的，特别是因为它使所设想的挠性基板成为可能。除此之外，发明人还认为提升此类压力传感器的灵敏度可能会是有利的。
因此，本发明之目的在于提出一种新型压力传感器，它能够使用塑料技术制成并且灵敏度提升。
本发明的另一个目的在于提出一种用作触摸屏基部的压力传感器。
发明内容
为此，本发明涉及一种形成一压力传感器的装置，它包括：
一基板，此基板由电绝缘材料制成，包括第一储液槽、与第一储液槽连通的第二储液槽，且第二储液槽的两个内壁各配备有一电极；
一挠性薄膜，此挠性薄膜由电绝缘材料制成，包括一突起，并被固定到基板上，以使突起能够在与填充第一储液槽的液体有一段距离的一位置与向液体施压而使液体至少部分地从第一储液槽流向第二储液槽与两个电极发生机械接触的至少一第二位置之间移动，所述的液体与两个电极的机械接触在两个电极之间建立一电阻或电容。
有了本发明就可以在由塑性材料(诸如灵敏度很高的聚萘二甲酸乙二醇酯PEN)制成的一挠性基板上制造一压力传感器。
这样的压力传感器的响应时间很短，即，向挠性薄膜施压(通常是利用使用者的一根手指向挠性薄膜施压)那一刻与具有一软件处理单元的一控制电路检测到两个电极短路那一刻之间的间隔时间很短。如果液体是电绝缘的，那么可以选择具有高介电常数的材料，这可以在两个电极短路过程中获得传感器的大电容。
使用触摸屏时，且设想使用者的手指将施加压力，建议第一和第二储液槽中液体的体积约为5mm3，两个电极之间的距离约为1mm，且施加在两个电极之间的电压约为0.5伏特。
为了进一步提升根据本发明的压力传感器的精度，可以设想将第一和第二储液槽的体积降至10mm3。
根据本发明的压力传感器具有高检测再现性：实际上，转移(流出)的液体的体积是由基板中所确定的初始体积决定的幅度，此初始体积被校准，且在传感器的整个使用寿命期内保持不变。
根据一有利的实施例，电绝缘基板具有使之具有挠性的厚度。
电绝缘基板优选地是由塑性材料制成，有利地是从聚乙烯中选择，以聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)为宜。也可以在聚酰亚胺，诸如
Figure BDA00002536255400031
(卡普顿)、聚丙烯以及聚碳酸酯中选择。
还可以设想用陶瓷或二氧化硅来制造所述电绝缘基板。
对于液体而言，可以设想三种选择：
液体可能是导电的，诸如聚乙烯二氧噻吩(polyethylenedioxythiophene,PDOT)聚合物或聚苯胺或一电解质：两个电极之间建立的短路会导致电阻变化，
液体可能是电绝缘的：两个电极之间建立的短路会导致电容变化，
液体可能是半导电的，诸如聚(苯乙烯磺酸)钠(sodiumpoly(styrene sulfonate))聚合物：根据液体的导电性，两个电极之间建立的短路会导致电阻变化或电容变化。
换言之，仅通过选择液体的导电性就可以制造一种电容型传感器或一种电阻型传感器。
根据一替代实施例，挠性薄膜由一种塑性材料制成，有利地是聚乙烯(PE)。
根据另一实施例，薄膜是覆盖有一电绝缘膜的一金属片。
为了优化液体受压流出，优选地是第一储液槽的形状除了一段短小的距离以外大体上与突起互补，当向突起施压时，这段短小的距离使液体能够从第一储液槽流向第二储液槽。因此，突起可以是平行六面体形。
为了简化制造过程，第一储液槽和第二储液槽被连接在一起，其中第二储液槽高于第一储液槽。
本发明还涉及一种用于制造形成一压力传感器的装置的方法，此方法包括以下步骤：
a)制造一基板，此基板由电绝缘材料制成，包括第一储液槽和与第一储液槽连通的第二储液槽的一部分，
b)使第二储液槽的基部金属化，以产生第一电极和与第一电极连接的一电连接线的一部分，
c)制造一挠性薄膜，此挠性薄膜由电绝缘材料制成，包括一突起，
d)使薄膜的一面或由电绝缘材料制成的固定到薄膜有突起的一侧上的一层体金属化，以产生第二电极和与第二电极连接的第二电连接线的一部分，
e)用液体来填充第一储液槽的一部分，
f)将挠性薄膜固定到基板上，以使突起与第一储液槽相对，且使所述突起能够在与液体有一段距离的一位置与向液体施压而使液体至少部分地从第一储液槽流向由所述两个电极限定的第二储液槽与所述两个电极发生机械接触的至少一第二位置之间移动，所述的液体与两个电极的机械接触使两个电极之间的电阻或电容改变。
为了执行步骤a)，可以对一电绝缘基板进行浮凸或蚀刻。
步骤c)优选地是通过模塑、浮凸或蚀刻来执行。
有利地是，在步骤e)之后，第一储液槽中未填充液体的部分和第二储液槽是真空的。有利地是，在储液槽中未填充液体的部分中制造真空可以防止电极氧化，且因此可以延长根据本发明的一传感器的使用寿命。此造真空步骤可在步骤f)-固定挠性薄膜和基板的过程中执行。
可以通过将薄膜对齐地黏合到基板上来执行步骤f)。还可以设想诸如密封或焊接之类的其他任一种技术。
所述方法使得两个电极中的一个可以制成固定到薄膜上：那么，当向薄膜施压时，第二储液槽的尺寸特性也已改变。因此，测量出两个电极之间的电阻或电容的变化可以精确地确定施加在薄膜上的压力值。
如果两个电极被固定到基板上，那么，第二储液槽的尺寸特性不会改变，而电阻或电容发生二进制变化，也就是说，要么全有要么全无，这取决于液体与电极之间是否有机械接触。
本发明最后涉及一种触摸屏，它包括多个上述具有单个基板和单个薄膜的压力传感器，其中传感器按照一定义的节距均匀地配置在整个表面上，每一个传感器的两个电极中的一个电极通过定义行(Li)与所有其他多个传感器的两个电极中的一个电极连接，每一个传感器的两个电极中的另一个电极通过定义列(Col)与所有其他多个传感器的两个电极中的另一个电极连接，所述行与一电势(L2)与连接，且所述列与不同于行电势的一电势(L1)连接。
附图说明
鉴于以下详细说明，参考以下附图，其他优势和特征将更加清楚，其中：
图1A和1B是根据本发明的一压力传感器分别在未受压和受压情况下的图示性截面图，
图1C是根据图1A和1B的一压力传感器的图示性俯视图，显示传感器的两个电极的电气连接，
图2至11是图示性截面图，显示制造根据本发明的一压力传感器的不同步骤，
图2A至10A是与图2至10对应的图示性截面俯视图，
图12是一触摸屏的图示性俯视图，此触摸屏包括多个根据本发明、按照具有常规定义节距的矩阵配置的压力传感器。
具体实施方式
本文规定「下部的(lower)」和「上部的(upper)」这两个词参照重力来使用。因此，一下部电极是一底部电极，而一上部电极是一顶部电极。
图1A显示一种形成根据本发明的一压力传感器1的装置，此时其处于未受压状态(P=0)。压力传感器1包括由一种电绝缘材料制成的一基板2，一挠性薄膜3固定在基板2上。
基板2优选地是以塑料膜的形式，诸如聚萘二甲酸乙二醇酯PEN，具有使之具有挠性的厚度(例如，约为125μm)。
基板1包括局部填充有液体4的第一储液槽20。通过将第二储液槽21配置在第一储液槽20上方，第二储液槽21与第一储液槽20连接在一起。此第二储液槽21的内壁下部和内壁上部包括两个电极210、211。
如图1A中所示，挠性薄膜3包括一平行六面体形突起30，除了有一段很短的距离以外，此形状大体上与第一储液槽20的形状互补。在所述范例中，薄膜由聚乙烯(PE)制成。固定挠性薄膜3和基板2使得在无任何压力的情况下，突起与第一储液槽20相对且与之对准，并且与液体4有一段距离(图1A)。
如果向薄膜3施压(P>O)，那么薄膜3所处位置会使突起30推动液体使其至少部分地从第一储液槽20流向第二储液槽21，使得液体与两个电极210、211之间有机械接触。液体4与两个电极210、211的这种机械接触导致所述两个电极之间的短路。
每一个电极210、211与电势不同的电连接线L1、L2连接(图1C)。
在所述范例中，液体4是一种导电聚合物，诸如聚乙烯二氧噻吩(polyethylenedioxythiophene,PDOT)或聚苯胺。
因为两个电极210、211之间的短路产生一电阻，所以1所表示的压力传感器是电阻型压力传感器。
图3和11显示制造根据本发明的一压力传感器的不同步骤，且对应的俯视图显示于图3A和11A。
从由厚度例如约为125μm(图2和2A)的挠性材料，诸如PEN，制成的一基板2开始，首先对此基板2执行浮凸(embossing)或蚀刻(etching)步骤，以获得相连的第一储液槽20和第二储液槽的一部分21’(图3和3A)。
对于通过光刻制成的一高精度传感器，如图3中所示，尺寸e1到e4可能在以下范围内：
e1在1μm到3μm之间；
e2在1μm到3μm之间；
e3在100nm到1μm之间；
e4在100nm到1μm之间。
同样地，对于通过浮凸制成的一高精度传感器，尺寸e1到e4可能在以下范围内：
e1在10μm到500μm之间；
e2在1μm到500μm之间；
e3在100nm到10μm之间；
e4在1μm到100μm之间。
本发明规定，尺寸e1和e4分别表示第一储液槽20的宽度和高度，且e2和e3分别表示第二储液槽21的宽度和高度。
有利地是，本实施例中基板的第一储液槽的入口特定为形状22，目的是消除锐角。如图1A和1B中所示，此形状22是一截头圆锥形。因此，当施加一压力P时，传感器的薄膜3不会支撑在一锐角上：这提供较大挠性和幅度。除此之外，还可避免过早地破坏薄膜：换言之，其使用寿命因此而延长。
视本发明的传感器所需精度和所需尺寸而定，所述技术(浮凸或光刻)中的其中一种或另一种可能是优选的。
然后，对储液槽的基部21’执行一金属化步骤，以获得一电极211和一电连接线L2(图4和4A)。
接着沉淀一电绝缘层，以使电连接线与第二储液槽的所述部分21’是绝缘的(图5和5A)。
然后用预定量的液体4来填充第一储液槽20(图6和6A)。在所述范例中，液体4是一种导电聚合物，诸如聚乙烯二氧噻吩(PDOT)或聚苯胺。
在完成这些制造上述挠性PEN基板2的步骤的同时制造挠性薄膜。
因此，首先，优选地是通过模塑、浮凸或蚀刻，制成具有形状大体上与第一储液槽20的形状互补的突起30的一挠性PE薄膜3(图7和7A)。
然后，在突起的一面31的一侧上沉淀一电绝缘层6，以使金属化电极210底部绝缘(图8)。
接着，在电绝缘层6上执行实际的金属化步骤，以获得第二电极210和一电连接线L1(图9A)。
然后，沉淀另一绝缘层7，以使之与电连接线L1是电绝缘的(图10和10A)。
一旦挠性基板制成且第一储液槽的局部已经填充了液体4(图6和6A)并且挠性薄膜已制成(图10和10A)，就执行一固定步骤，将薄膜3对齐地固定到基板2上，以使突起30与第一储液槽20相对并与之对准，且使两个电极210和211相对(图11)。
在所示范例中，填充第一储液槽20的液体体积约为5mm3。视所选精度和尺寸e1到e4而定，可以确定介于100pL与10mm3之间的一液体体积。在执行薄膜和基板固定(组装)步骤的过程中，使第一储液槽20的一部分和第二储液槽21处于真空下：因此，避免电极210、211被氧化，且因而根据本发明的传感器的使用寿命得以延长。
为了制造一触摸屏，要制成具有单个基板2和单个薄膜3的多个压力传感器，其中传感器按照一定义节距被均匀地配置在整个表面上，如图12中所示。因此，每一传感器1的两个电极中的一个电极210通过定义几何行Li和电连接线L2与所有其他多个传感器的两个电极中的一个电极210连接。每一个传感器的两个电极中的另一个电极211通过定义几何列Col和电连接线L1与所有其他多个传感器的两个电极中的另一个电极211连接。
所述行L2与一电势连接，且所述列L1与不同于行电势的一电势连接。
换言之，通过在具有一定义节距的一屏幕的整个表面上复制根据本发明的压力传感器1的结构，可以盖住这整个表面，且因此将其像素化。
因此，可以确切地知道触摸屏是否受压以及施压的精确区域在哪。
在不超出本发明范围的情况下，可以有其他改良和应用。
因此，尽管上述压力传感器1是参照一触摸屏的实施例来描述的，但它也能在另一应用中加以利用。

Claims (19)

1.一种形成压力传感器的装置(1)，它包括：
一基板(2)，所述基板(2)由电绝缘材料制成，包括第一储液槽(20)、与所述第一储液槽连通的第二储液槽(21)，且所述第二储液槽的两个内壁各配备有一电极(210，211)；
一挠性薄膜(3)，所述挠性薄膜(3)由电绝缘材料制成，包括一突起(30)，并被固定到所述基板上，以使所述突起能够在与填充所述第一储液槽的一液体(4)有一段距离的一位置与向所述液体施压而使所述液体至少部分地从所述第一储液槽流向所述第二储液槽与所述两个电极发生机械接触的至少一第二位置之间移动，所述的液体与所述两个电极的机械接触在所述两个电极之间建立一电阻或一电容。
2.如权利要求1所述之压力传感器，其中所述电绝缘基板具有使之具有挠性的厚度。
3.如权利要求1或2所述之压力传感器，其中所述电绝缘基板由塑性材料制成。
4.如权利要求3所述之压力传感器，其中所述电绝缘基板是选自于聚乙烯，以聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)为宜。
5.如前述任一权利要求所述之压力传感器，其中所述液体是导电的，诸如聚乙烯二氧噻吩(PDOT)聚合物或聚苯胺或一电解质。
6.如权利要求1至4中任一权利要求所述之压力传感器，其中所述液体是半导电的，诸如聚(苯乙烯磺酸)钠(PSS)聚合物。
7.如权利要求1至4中任一权利要求所述之压力传感器，其中所述液体是电绝缘的。
8.如前述任一权利要求所述之压力传感器，其中所述挠性薄膜由塑性材料制成。
9.如权利要求8所述之压力传感器，其中所述挠性薄膜由聚乙烯(PE)制成。
10.如权利要求1至7中任一权利要求所述之压力传感器，其中所述薄膜是覆盖有一电绝缘膜的一金属片。
11.如前述任一权利要求所述之压力传感器，其中所述第一储液槽的形状在一相邻侧上大体上与所述突起互补，当向所述突起施压时，所述侧允许所述液体从所述第一储液槽流向所述第二储液槽。
12.如权利要求11所述之压力传感器，其中所述突起具有一平行六面体形状。
13.如前述任一权利要求所述之压力传感器，其中所述第一储液槽与所述第二储液槽连接在一起，其中所述第二储液槽高于所述第一储液槽。
14.一种用于制造形成压力传感器(1)的装置的方法，所述方法包括以下步骤：
a)制造一基板(2)，所述基板(2)由一电绝缘材料制成，包括第一储液槽(20)和与所述第一储液槽连通的第二储液槽的一部分(21’)，
b)使所述第二储液槽的基部金属化，以产生第一电极(211)和与所述第一电极连接的一电连接线(L2)的一部分，
c)制造一挠性薄膜(3)，所述挠性薄膜(3)由一电绝缘材料制成，包括一突起(30)，
d)使所述薄膜的一个面(31)或由一电绝缘材料制成的固定到所述薄膜有突起的一侧上的一层体(6)金属化，以产生第二电极(210)和与所述第二电极连接的第二电连接线的一部分，
e)用一液体(4)来填充所述第一储液槽的一部分，
f)将所述挠性薄膜固定到所述基板上，以使所述突起与所述第一储液槽相对，且使其能够在与所述液体有一段距离的一位置与向所述液体施压而使所述液体至少部分地从所述第一储液槽流向由所述两个电极限定的所述第二储液槽与所述两个电极发生机械接触的至少一第二位置之间移动，所述的液体与所述两个电极的机械接触使所述两个电极之间的电阻或电容改变。
15.如权利要求14所述之方法，其中步骤a)通过对一电绝缘基板进行浮凸或蚀刻来执行。
16.如权利要求14或15所述之方法，其中步骤c)通过模塑、浮凸或蚀刻来执行。
17.如权利要求14至16中任一权利要求所述之方法，其中，在步骤e)之后，所述第一储液槽中未填充液体的部分和所述第二储液槽是真空的。
18.如权利要求14至17中任一权利要求所述之方法，其中，步骤f)通过将所述薄膜对齐地黏合到所述基板上来执行。
19.一种触摸屏，其包括多个如前述任一权利要求所述之具有单个基板(2)和单个薄膜(3)的压力传感器(1)，其中所述传感器按照一定义的节距均匀地配置在整个表面上，每一个传感器的两个电极中的一个电极通过定义行(Li)与所有其他多个传感器的两个电极中的一个电极连接，每一个传感器的两个电极中的另一个电极通过定义列(Col)与所有其他多个传感器的两个电极中的另一个电极连接，所述行与一电势连接，且所述列与不同于行电势的一电势连接。
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