CN103970352B - 一种纸基柔性触控传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸基柔性触控传感器，包括由纸基绝缘层和沉积于该纸基绝缘层表面的第一金属导电层共同组成的第一组件，由纸基绝缘层、沉积于该纸基绝缘层表面的第二金属导电层和涂覆在该第二金属导电层表面上的驻极体材料层共同组成的第二组件，以及联接在第一组件与第二组件之间，并呈现为具备多个孔洞的隔离层形式的第三组件。本发明还公开了相应的制造方法。通过本发明，所获得的触控传感器作为主动式传感器可获得较高的功率和灵敏度，而且其整体易于折叠弯曲，便于与其他柔性电子器件进行集成，因此可适用于与其他柔性电子装置的集成及日常生活应用。

Description

一种纸基柔性触控传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于触控传感器器件技术领域，更具体地，涉及一种纸基柔性触控传感器及其制造方法。

背景技术

触控传感器作为一种数据输入装置，目前在智能手机、平板电脑、笔记本电脑和Ipad等电子设备中获得了广泛的应用。现有的触控传感器按照工作原理主要可分为电容式触控传感器、电阻式触控传感器、表面波触控传感器和红外线式触控传感器等。随着对电子产品更轻、更薄、更快的性能要求，刚性触控传感器越来越多地被柔性触控传感器所替换，以满足更具吸引力的触控设计。

然而，现有的柔性触控传感器的基底主要是基于高分子聚合物的柔性材料，并根据电容感应、压阻或压电效应等制备而成。这类柔性触控传感器在生产制备过程中往往存在较多问题：第一，在高分子聚合物上制备电极是一个工业问题，其成本和造价都是制约其发展的阻力；第二，高分子聚合物不利于重复利用，对于器件回收处理，成本较大，且处理过程易对环境造成污染；第三，由于其工作原理和基本结构的限制，在输出功率、耐弯曲、加工便利性以及与其他柔性电子器件的集成方面仍然有待进一步改善。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明的目的在于提供一种纸基柔性触控传感器及其制造方法，其中通过对柔性触控传感器的工作原理及其结构进行设计，同时对基底材质、关键工作元件的构造和制造工艺等方面进行研究，相应可获得成本更为低廉、便于加工、具备高灵敏度，并且尤其适用于与其他柔性电子器件相集成的触控传感器产品。

按照本发明的一个方面，提供了一种纸基柔性触控传感器，其特征在于，该纸基柔性触控传感器包括：

第一组件，所述第一组件由第一纸基绝缘层和第一金属导电层共同组成，其中第一金属导电层包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，这些像素单元通过磁控溅射、热蒸镀或者喷墨打印的方式沉积于第一纸基绝缘层的整个下表面，并从每个像素单元的侧面各自引出电极以集成形成第一电极；

第二组件，所述第二组件由第二纸基绝缘层、第二金属导电层和驻极体材料层共同组成，其中第二金属导电层同样包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，这些像素单元通过磁控溅射、热蒸镀或者喷墨打印的方式沉积于第二纸基绝缘层的整个上表面且与第一金属导电层的多个像素单元相互对置，并从每个像素单元的侧面各自引出电极以集成形成第二电极；驻极体材料层的材质选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯和聚二甲基硅氧烷这些材料中的一种或其组合，并通过涂覆或粘合的方式形成在第二金属导电层的整个上表面；

第三组件，所述第三组件联接在第一组件与第二组件之间，并呈现为具备多个孔洞的隔离层形式，其中各个孔洞对应设置在第一、第二金属导电层两者相互对置的像素单元之间，且其形状和大小与像素单元相匹配；当按压及释放该纸基柔性触控传感器时，所述第一金属导电层与驻极体材料层之间的间隙发生变化，相互对置的像素单元之间的电容也随着发生变化并导致电子经由第一、第二电极联通的外部电路中振荡，从而产生交流电检测信号予以输出。

作为进一步优选地，所述第一纸基绝缘层和第二纸基绝缘层的材质选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等。

作为进一步优选地，所述第一、第二金属导电层由金、银、铜、铝或者它们的氧化物等材料制成。

作为进一步优选地，所述纸基绝缘层、驻极体材料层均优选为透明结构。

作为进一步优选地，在所述驻极体材料层与第一金属导电层相对置的表面上，加工有多个微纳米量级的凹凸结构。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列步骤：

(a)第一组件的制备步骤：

将选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，然后通过磁控溅射、热蒸镀或喷墨打印的方式在其表面上沉积形成第一金属导电层，其中第一金属导电层包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，并且每个像素单元的侧面各自引出电极以集成形成第一电极；

(b)第二组件的制备步骤：

将同样选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射、热蒸镀或喷墨打印的方式在其表面上沉积形成第二金属导电层，其中第二金属导电层包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，并且各个像素的侧面各自引出电极以集成形成第二电极；然后通过旋涂、喷涂或者粘合的方式将驻极体材料制备到第二金属导电层上，所述驻极体材料经过极化或者摩擦处理，使之带上电荷；

(c)第三组件的制备步骤：

将选自于纸基材质、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷这些材料中的一种或其组合的片状材料切割成所需尺寸，并对其加工形成形状与大小与所述第一、第二组件的像素单元相匹配的多个孔洞；

(d)封装步骤：

将所述第一、第二组件通过封装工艺与第三组件进行联接，并使得第一组件和第二组件的像素单元相互对置，第三组件的孔洞结构对应设置在两者之间。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述驻极体材料层的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷这些材料中的一种或其组合。

总体而言，按照本发明的纸基柔性触控传感器及其制造方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对纸基柔性触控传感器的工作原理以及关键部件的结构进行研究和改进，测试表明能够获得较高的输出功率和灵敏度，而且该传感器为主动式传感器阵列，而且其整体易于折叠弯曲，便于与其他柔性电子器件进行集成，因此可适用于与其他柔性电子装置的集成及日常生活应用；

2、通过采用各类柔韧性较好的纸基材料直接作为触控传感器的基底，相应获得易于弯曲折叠、成本低廉，无污染且便于大批量加工制造的效果；此外，还可以通过选择适当的纸基和驻极体材料，进而形成透明的触控传感器产品；上述所选用的驻极体材料具备良好的吸附和保存电荷的性能，可以产生高输出功率，同时具有耐磨、耐弯曲和便于加工的特点。

附图说明

图1是按照本发明的纸基柔性触控传感器的像素单元的结构示意图；

图2是用于显示按照本发明一个优选实施例所制得的3×3阵列纸基柔性触控传感器在实际测试时所产生的电压输出强度信号；

图3是用于显示按照本发明上述实施例所制得的3×3阵列纸基柔性触控传感器对一个2.2μF的电容进行充电时的测试曲线图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一组件 2-第二组件 3-第三组件 11-第一纸基绝缘层 12-第一金属导电层 21-第二纸基绝缘层 22-第二金属导电层 23-驻极体材料层 31-隔离层

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的纸基柔性触控传感器的像素单元的结构示意图。如图1中所示，按照本发明的纸基柔性触控传感器主要包括第一组件1、第二组件2和第三组件，其中第一组件1由第一纸基绝缘层11(譬如，其材质可直接取自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等这类柔韧性较好的纸张或者透明纸张)和沉积在第一纸基绝缘层11一个表面(图示为下表面)上的第一金属导电层12组成，该金属导电层12包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，这些像素单元优选通过磁控溅射、热蒸镀或者喷墨打印的方式沉积于纸基绝缘层的表面上，并且各个像素单元的侧面可各自引出电极并集成为第一电极，由此与外部电路相连通；类似地，第二组件2由第二纸基绝缘层21、沉积在该第二纸基绝缘层21表面(图示为上表面)的第二金属导电层22和粘合在该导电层22另一表面的驻极体材料层23共同组成，该第二金属导电层22同样包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，这些像素单元通过磁控溅射、热蒸镀或者喷墨打印的方式沉积于纸基绝缘层的整个表面，并且各个像素单元的侧面可各自引出电极并集成为第二电极，由此与第一电极和外部电路相连通。此外，第三组件3由隔离层31组成，其联接在第一组件与第二组件之间，并具有多个孔洞，其中各个孔洞对应设置在第一、第二金属导电层两者相互对置的像素单元之间，且其形状和大小与像素单元相匹配。在以下实施案例中按照以上工艺，制备了3×3的纸基柔性触控传感器阵列。

当使用该纸基柔性触控传感器时，通过按压第一组件使其与第二组件驻极体材料层之间的间隙发生变化，在此弯曲和恢复的过程中，电容也会随着发生变化，并导致电子在外部电路中振荡，形成交流电检测信号予以输出。的测试试验表明，当触控纸基柔性触控传感器阵列的某一像素单元时，单元输出的信号可具有较大的信噪比。此外，将该纸基柔性触控传感器阵列与液晶显示屏相连时，轻轻触控该传感器阵列即可驱动该液晶显示屏，显示对应数据。这证明其不仅能够获得较高的输出功率和灵敏度，而且便于与其他电子器件进行集成。由于该柔性触控传感器装置是基于纸基，可以折叠弯曲，便于加工，成本低廉，无污染，传感灵敏度稳定性好，因此尤其适用于柔性电子学研究领域，也可广泛应用于日常生活。

下面将进一步解释按照本发明的纸基柔性触控传感器阵列的基本工作原理。

在不考虑边缘效应下，本发明纸基柔性触控传感器阵列的机理解释可等效于平行平板电容的机理解释。根据麦克斯韦方程组相关公式推导，上下金属导电层的开路电压有：

其中，U_BE、U_TE分别为第一、第二金属导电层的电势；σ₁、σ₂和σ分别是第一、第二金属导电层和驻极体材料层的表面面密度；d₁和d₂分别是驻极体材料层的厚度和所述间隙的距离；ε₀为真空介电常数，ε_rp为驻极体材料层的相对介电常数。

其中根据电荷守恒有：

-σ＝σ₁+σ₂ (公式2)

根据上述公式以及推论结果可以看出，当第一组件和第二组件间的第三组件空气间隙发生变化时，由于上下金属导电层电势的变化，电子会在电极两端的外部电路中来回振荡，进而形成交流电压电流检测信号予以输出。相应地，本发明中利用上述原理来对纸基柔性触控传感器阵列的功能组件及结构进行改变，由此可获得与现有技术相比性能更加稳定可靠的柔性触控传感器装置。

在一个优选实施例中，第一纸基绝缘层11和第二纸基绝缘层21的材质可以选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等柔韧性较好的纸张或者透明纸张，驻极体材料层23的材质可以选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷等材料中的一种或其组合，第一金属导电层12和第二金属导电层22可以由金、银、铜、铝或其氧化物等材料中的一种制成。

此外，在另外一个优选实施例中，为了进一步增加驻极体材料层的整体表面积并提高其吸附与保持电荷的能力，可以在其上表面加工形成有许多微纳米级别凹凸结构，譬如平均尺寸为几十纳米到几个微米之间的凹凸结构。测试表明能够使该纸基柔性触控传感器阵列装置具有高的性能输出，符合大多数实际运用场合的需求。

下面将具体描述按照本发明用于制造纸基柔性触控传感器装置的工艺流程。

首先，将选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射，热蒸镀或者喷墨打印的方式在其表面上沉积形成具有像素单元的第一金属导电层，该金属导电层的像素单元单独引出外电极；接着，将同样选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构(或者直接利用上一步骤所获得的片状纸基)，并通过磁控溅射、热蒸镀、喷墨打印或者其他方法沉积形成具有像素单元的第二金属导电层，该金属导电层的像素单元单独引出外电极；然后通过旋涂、喷涂、粘合或者其他方法，将驻极体材料的悬浮液或者薄膜沉积或者粘合在导电纸的第二金属导电层表面。驻极体材料可选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷等材料中的一种或其组合；接着对驻极体材料层进行极化处理。第三组件根据第一组件和第二组件的金属像素单元的大小制备相应的空洞。最后，对第一和第二组件通过第三组件进行组装处理。由此完成了纸基柔性触控传感器阵列的制造过程。

按照以上工艺流程制得触控传感器阵列装置后，下面将对其进行一系列的性能测试。

图2是用于显示按照本发明一个优选实施例所制得的3×3纸基柔性触控传感器阵列装置在手触摸该装置时电压输出强度信号。例如，对纸基柔性触控传感器阵列装置某一像素单元触控时，该单元输出信号较强，同时按压其他单元，可以发现它们的干扰信号很弱。可见该传感器阵列具有较好的信噪比。

图3是用于显示按照本发明上述实施例所制得的3×3纸基柔性触控传感器阵列装置对一个2.2μF的电容充电的曲线图；表明发明的纸基柔性触控传感器阵列除了可以直接为电子器件提供能量，还能对储能器件进行充电。图中的插图为该充电曲线的局部放大示意图。

由此可见，本发明涉及的纸基柔性触控传感器，其基于驻极体带电，摩擦带电与电容变化发电效应进行工作，并且成本低廉、结构简单、便于使用和大规模生产制造。与已有的其它微型能量收集方法相比，本发明中的纸基柔性触控传感器装置具有性能输出的特点，同时还可以作为发电机装置。它的整体结构采用柔性材质，可折叠弯曲，易加工，稳定性好，使用寿命长，此外也有利于与其他柔性电子产品集成。该纸基柔性触控传感器阵列装置已展示出它良好的应用前景，并在作为力、压强传感器等敏感元件方面同样具备着巨大的应用潜力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纸基柔性触控传感器，其特征在于，该纸基柔性触控传感器包括：

第一组件(1)，所述第一组件(1)由第一纸基绝缘层(11)和第一金属导电层(12)共同组成，其中该第一金属导电层(12)包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，这些像素单元通过磁控溅射、热蒸镀或者喷墨打印的方式沉积于所述第一纸基绝缘层(11)的整个下表面，并从每个像素单元的侧面各自引出电极以集成形成第一电极；

第二组件(2)，所述第二组件(2)由第二纸基绝缘层(21)、第二金属导电层(22)和驻极体材料层(23)共同组成，其中该第二金属导电层(22)同样包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，这些像素单元通过磁控溅射、热蒸镀或者喷墨打印的方式沉积于所述第二纸基绝缘层(21)的整个上表面且与所述第一金属导电层(12)的多个像素单元相互对置，并从每个像素单元的侧面各自引出电极以集成形成第二电极；该驻极体材料层(23)的材质选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯和聚二甲基硅氧烷这些材料中的一种或其组合，并通过涂覆或粘合的方式形成在所述第二金属导电层(22)的整个上表面；

第三组件(3)，所述第三组件(3)联接在所述第一组件与所述第二组件之间，并呈现为具备多个孔洞的隔离层形式，其中各个孔洞对应设置在所述第一金属导电层与第二金属导电层两者相互对置的像素单元之间，且其形状和大小与所述像素单元相匹配；当按压及释放该纸基柔性触控传感器时，所述第一金属导电层与所述驻极体材料层之间的间隙发生变化，相互对置的像素单元之间的电容也随着发生变化并导致电子经由第一电极、第二电极联通的外部电路中振荡，从而产生交流电检测信号予以输出。

2.如权利要求1所述的纸基柔性触控传感器，其特征在于，所述第一纸基绝缘层和第二纸基绝缘层的材质选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸。

3.如权利要求1或2所述的纸基柔性触控传感器，其特征在于，所述第一金属导电层和第二金属导电层由金、银、铜、铝或者它们的氧化物制成。

4.如权利要求1所述的纸基柔性触控传感器，其特征在于，在所述驻极体材料层与所述第一金属导电层相对置的表面上，加工有多个微纳米量级的凹凸结构。

5.一种用于制造纸基柔性触控传感器的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)第一组件的制备步骤：

将选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸这些材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，然后通过磁控溅射、热蒸镀或喷墨打印的方式在其表面上沉积形成第一金属导电层，其中该第一金属导电层包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，并且每个像素单元的侧面各自引出电极以集成形成第一电极；

(b)第二组件的制备步骤：

将同样选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸这些材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射、热蒸镀或喷墨打印的方式在其表面上沉积形成第二金属导电层，其中该第二金属导电层包括呈平面阵列式排布的多个像素单元，并且各个像素的侧面各自引出电极以集成形成第二电极；然后通过旋涂、喷涂或者粘合的方式将驻极体材料制备到所述第二金属导电层上，所述驻极体材料经过极化或者摩擦处理，使之带上电荷；

(c)第三组件的制备步骤：

将选自于纸基材质、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷这些材料中的一种或其组合的片状材料切割成所需尺寸，并对其加工形成形状与大小与所述第一组件和第二组件的像素单元相匹配的多个孔洞；

(d)封装步骤：

将所述第一组件、第二组件通过封装工艺与第三组件进行联接，并使得该第一组件和该第二组件的像素单元相互对置，所述第三组件的孔洞结构对应设置在两者之间。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述驻极体材料层的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷这些材料中的一种或其组合。