CN104536613A - 聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，涉及压电式触摸屏敏感元件制备方法。在透明下PET薄膜上制作下电极后，在带有下电极的下PET薄膜上沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维，得到X轴方向敏感压电纤维阵列；在沉积有压电纤维阵列的下PET薄膜上制作下粘贴条；在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列，将沉积有压电纳米纤维阵列的下PET薄膜、中PET薄膜层叠对准，再覆盖透明上PET薄膜，将下粘贴条、上粘贴条固化，使下PET薄膜、中PET薄膜、上PET薄膜形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构；通过引线键合技术获得引线，并与外部处理电路电连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电式触摸屏敏感元件制备方法，尤其是涉及一种基于近场静电纺丝的聚偏氟乙烯(PVDF)压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法。
背景技术
触摸屏技术，因其操作直观方便，深受使用者的追捧，触摸屏集成已经是电子产品设计的总体趋势，产品市场前景广阔。目前已经成熟的触摸屏技术有4种，即红外线式、表面声波式、五线电阻式、电容式，这四种方式各具优缺点(曲海波,陈莉.触摸屏技术的原理及应用[J].中国教育技术装备,2007(11):49-51.)。
红外感应式触摸屏，无需独立电源，价格低，安装简易，防刮擦性好，透光性几乎达到100％，触摸寿命相当于发光管寿命，反应时间为1530ms，发射、接收管排列有限，分辨率不高，易受外界红外光的干扰而且不防水不防尘、框架易碎。表面声波触摸屏由于没有氧化金属涂层，其清晰度非常好，强化玻璃屏有很高的防刮擦能力，触摸寿命大于5000万次，反应时间为10～14ms，透光性达到90％，但是容易受到其它频率相近和倍频的超声、强声、振动以及屏幕污染的影响，所以适合室内、办公室、研究室等范围。电阻式触摸屏，其透光率和清晰度也很高，达到70％，触摸寿命大于3500万次，反应时间为10～20ms，由于工作在与外界封闭隔离状态下，不怕污染，环境适应性好，另一个突出特点是高分辨率，能分辨很尖细触针的触动，但怕锐器的硬戳。电容式触摸屏，具有灵敏度、分辨率较高，感知轻微触摸的能力较强，反应时间较短(8～15ms)，触摸寿命较长(大于6000万次)，不怕屏幕污染，透光率达到80％等优点，但是外界强电场的干扰对其性能影响较大。
针对以上分析，可以得出现有触摸屏缺陷为以下几点：
①触摸物受限制。对于市面上流行的电阻式和电容式触摸屏而言，电阻式触摸屏是单点触摸，不能感应面接触；而电容式触摸屏大多只能感应人手，其它触摸物不易被识别。
②响应时间相对较长。响应时间长就限制了触摸屏的精度提升空间，同样这也限制了触摸屏多点触摸功能的实现。
③休眠能耗较高。除电容式触摸屏以外，其它已经成熟的触摸屏技术，在非工作时耗能较高。
④透光率相对较低。
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，将其转换为电信号。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高(中国专利CN 102136546 A压电传感器)。
PVDF作为一种高分子聚合物压电材料被广泛使用，PVDF晶体有五种晶相结构，分别为α相、β相、γ相、δ相和ε相。其中，β相偶极子的取向排列一致具有良好的压电效应，而直接制得的PVDF中主要以无压电效应的α相为主，其无压电效应，需要经过高温退火、静电场极化、拉伸处理手段后将α相转化为β相制备压电PVDF(Wang D,Li K,Teo W K.Preparation and characterization of polyvinylidene fluoride(PVDF)hollow fibermembranes[J].Journal of Membrane Science,1999,163(2):211-220.)。
静电纺丝是一种新型MEMS加工工艺，因其众多的优点已经受到越来越多的关注。孙道恒课题组提出了近场静电纺丝(Sun D,Chang C,Li S,et al.Near-field electrospinning[J].Nano letters,2006,6(4):839-842.)，克服了传统电纺纳米纤维无序沉积的缺点，实现了单根纳米纤维的可控有序制备。配合精密运动平台，可进行图案化微纳结构的可控制备与精确定位，最优定位精度可达1μm。近场静电纺丝技术实现了PVDF纳米纤维精确定位沉积和PVDF晶体自极化宏观控制的有机结合，为高性能PVDF压电纳米纤维提供了一种简便的制备方法。静电纺丝过程中射流受强电场的拉伸与极化作用，自极化为具有压电效应的取向纳米纤维。
目前已有实验室利用近场静电纺丝的方法单步制备了高能量转换效率的PVDF压电纳米纤维。经检测发现，电纺直写PVDF纳米纤维中具有压电效应的分子含量较高，具有很好的压电效应；单根电纺直写PVDF纳米纤维在微弱变形下压电输出电压可达30mV，机械能转换电能的最高效率为21.8％，而传统静电纺丝或拉伸方法所制备的PVDF膜能量转换率仅0.5％～4％。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的触摸屏敏感元件制备工艺复杂、响应时间长(ms级别)、休眠能耗高、透光率低等问题，提供采用近场电纺技术实现柔性、可折叠的压电触摸屏敏感元件，拓展触摸屏的应用范围的一种基于近场静电纺丝的聚偏氟乙烯(PVDF)压电纳米纤维触摸屏敏感元件及其制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)在透明下PET薄膜上制作下电极后，在带有下电极的下PET薄膜上沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维，其中纤维数m＞1，得到X轴方向敏感压电纤维阵列；
2)在沉积有压电纤维阵列的下PET薄膜上制作下粘贴条；
3)在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列，将沉积有压电纳米纤维阵列的下PET薄膜、中PET薄膜层叠对准；
4)在层叠对准后的下PET薄膜、中PET薄膜上覆盖透明上PET薄膜，将下粘贴条、上粘贴条固化，使下PET薄膜、中PET薄膜、上PET薄膜形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构；
5)通过引线键合技术获得引线，并与外部处理电路电连接。
在步骤1)中，所述在透明下PET薄膜上制作下电极可采用微加工工艺在透明下PET薄膜薄膜上制作下电极；所述沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维可采用近场静电纺丝方法沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维；
在步骤2)中，所述在沉积有压电纤维阵列的下PET薄膜上制作下粘贴条可采用微加工工艺制作下粘贴条。
在步骤3)中，所述在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列可采用微加工工艺在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列。
在步骤4)中，所述将下粘贴条、上粘贴条固化可采用热压等工艺将下粘贴条、上粘贴条固化。
本发明的下PET薄膜、中PET薄膜上电极通过微纳工艺制作而成，本发明的下PET薄膜、中PET薄膜上沉积压电纤维采用近场静电纺丝技术，可以确保压电纤维呈现纳米尺寸的同时获得优良的定向性与弯曲性，缩短压电效应响应时间，提高触摸屏透光率，实现柔性基材上触控交互；本发明的压电材料可选择聚合物偏二氟乙烯(PVDF)，压电效应激化途径与静电纺丝技术加工过程接近，可实现加工过程中自激化；本发明的下PET薄膜、中PET薄膜以及上PET薄膜粘结方式可采用点胶粘结等微工艺实现，厚度尺度与电纺纳米直径尺度相近。
本发明的原理是：在两片带有电极的透明PET上沉积等线宽平行的PVDF纳米纤维，在两片带有PVDF纳米纤维的PET薄膜上加一层作为绝缘层的PET薄膜，三层层叠固定，两片薄膜上的纤维方向成一定角度，形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构。纳米纤维图形层叠组成的平面坐标网格，由于纤维的直径可以达到人眼无法识别的纳米尺度，从而建立了一个高透光率、近乎透明的XY压电坐标系。当使用者用手指触摸屏幕上一点时，被压部位上的PVDF纳米纤维由于压电效应，产生两个方向上电压信号，辅助后续信号读取电路以及逻辑判断模块，最终实现触摸点X,Y值的确定。
本发明的有益效果为：压电触摸屏敏感元件中压电材料选择有机压电材料PVDF，所需成本低廉；压电触摸屏敏感元件加工工艺主要采用近场静电纺丝技术，加工工艺过程自激化压电纤维，加工设备以及工艺简单；触摸屏敏感部分结构采用压电纳米纤维作为敏感元件，具有极高的响应速度以及透光率，低的休眠能耗、强的弯曲刚度。压电触摸屏敏感元件可以变形，扭曲后正常工作，可以与柔性发光基底等良好兼容，具有极强的创新性以及市场竞争力。
附图说明
图1为本发明制备的聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件实施例的基本结构分解示意图。
图2为在透明下PET薄膜上沉积平行Y轴的压电纳米纤维薄膜实施方案。
图3为压电纳米纤维互相垂直的两层透明PET薄膜层叠固定的实施方案。
图4为在两层薄膜层上覆盖一层透明上PET薄膜实施方案。
图5为压电纳米纤维触摸屏制作完成的整体外观图。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作进一步说明。
参见图1～5，本发明实施例包括以下步骤：
1)在透明下PET薄膜4上制作下电极1后，在带有下电极1的下PET薄膜4上沿平行Y轴方向在下电极1两端等距沉积压电纳米纤维，其中纤维数m＞1，得到X轴方向敏感压电纤维阵列2；所述在透明下PET薄膜4上制作下电极1可采用微加工工艺在透明下PET薄膜4薄膜上制作下电极1；所述沿平行Y轴方向在下电极1两端等距沉积压电纳米纤维可采用近场静电纺丝方法沿平行Y轴方向在电极两端等距沉积压电纳米纤维。
2)采用微加工工艺制作在沉积有压电纤维阵列2的下PET薄膜4上制作下粘贴条3。
3)采用微加工工艺在透明中PET薄膜7上制作上电极5、上粘贴条8以及Y轴方向敏感压电纤维阵列6，将沉积有压电纳米纤维阵列的下PET薄膜4、中PET薄膜7层叠对准。
4)在层叠对准后的下PET薄膜4、中PET薄膜7上覆盖透明上PET薄膜9，采用热压等工艺将下粘贴条3、上粘贴条8固化，使下PET薄膜4、中PET薄膜7、上PET薄膜9形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构。
5)通过引线键合技术获得引线10，并与外部处理电路电连接。
本发明的下PET薄膜4、中PET薄膜7上电极通过微纳工艺制作而成，本发明的下PET薄膜4、中PET薄膜7上沉积压电纤维采用近场静电纺丝技术，可以确保压电纤维呈现纳米尺寸的同时获得优良的定向性与弯曲性，缩短压电效应响应时间，提高触摸屏透光率，实现柔性基材上触控交互；本发明的压电材料可选择聚合物偏二氟乙烯(PVDF)，压电效应激化途径与静电纺丝技术加工过程接近，可实现加工过程中自激化；本发明的下PET薄膜4、中PET薄膜7以及上PET薄膜9粘结方式可采用点胶粘结等微工艺实现，厚度尺度与电纺纳米直径尺度相近。
本发明的原理是：在两片带有电极的透明PET上沉积等线宽平行的PVDF纳米纤维，在两片带有PVDF纳米纤维的PET薄膜上加一层作为绝缘层的PET薄膜，三层层叠固定，两片薄膜上的纤维方向成一定角度，形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构。纳米纤维图形层叠组成的平面坐标网格，由于纤维的直径可以达到人眼无法识别的纳米尺度，从而建立了一个高透光率、近乎透明的XY压电坐标系。当使用者用手指触摸屏幕上一点时，被压部位上的PVDF纳米纤维由于压电效应，产生两个方向上电压信号，辅助后续信号读取电路以及逻辑判断模块，最终实现触摸点X,Y值的确定。
本发明通过微加工工艺在透明PET薄膜4上沿X轴方向加工金属下电极1，大小为500×500μm，厚度为200nm，控制相邻两个电极间距为5mm；其次采用近场静电纺丝技术在下PET薄膜4电极两端沿X轴方向分别沉积相互平行等间距的Y轴压电纳米纤维阵列2；当下PET薄膜4上沉积压电纤维后，采用硬掩膜板作为阻挡层在电极区域再次溅射与下电极1相同材料的金属，使压电纤维与金属电极形成良好的电学接触，并且保证压电纤维与电极的粘结强度；最后在下PET薄膜4正面通过点胶喷印两条粘合剂形成下粘贴条3，粘合剂沿Y轴方向采用平行线形分布在下PET薄膜4的正面边缘，粘合剂的线宽厚度量级与纤维直径相当。
本发明采用相同微加工工艺在透明中PET薄膜7上制作上电极5、上粘贴条8以及Y轴方向敏感的X轴压电纳米纤维阵列6，将沉积有压电纳米纤维阵列的下PET薄膜4、中PET薄膜7的薄膜层叠对准；在层叠对准后的下PET薄膜4、中PET薄膜7上覆一层透明上PET薄膜9，并通过热压等工艺将下粘贴条3、上粘贴条8固化，使下PET薄膜4、中PET薄膜7、上PET薄膜9形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构，其中下PET薄膜4尺寸大于中PET薄膜7，中PET薄膜7尺寸大于上PET薄膜9，通过三层PET对准粘贴后，从而可以实现下PET薄膜4、中PET薄膜7上电极都分布在触摸屏外部；通过引线键合技术，将敏感元件上的电极与外部电路相连，制备触摸屏配以压电信号处理电路，可以得到完整的压电式触摸屏。
压电纳米纤维采用近场静电纺丝技术加工，在保证压电纤维具有纳米尺度的同时，提高纤维的沉积方向性以及加工过程稳定性。
Y轴压电纳米纤维阵列2和X轴压电纳米纤维阵列6采用偏二氟乙烯(PVDF)，由于电纺过程中对材料产生的电场以及拉伸作用，直接激化偏二氟乙烯产生压电效应，从而实现自激化压电效应偏二氟乙烯压电纳米纤维的制备。
下PET薄膜4与中PET薄膜7上的平行纤维数m，m＞1，并且所述下PET薄膜4与中PET薄膜7上纤维的方向可以是相互垂直，也可以是形成一定角度。
当下PET薄膜4以及中PET薄膜7上沉积压电纤维后，采用硬掩膜板作为阻挡层在电极区域再次溅射金属，使压电纤维与金属电极形成良好的电学接触，并且保证压电纤维与电极的粘结强度。
压电触摸屏敏感元件，能够在折叠、变形的条件下工作，并且与柔性有机发光二极管显示屏兼容使用。
Claims (6)
1.聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在透明下PET薄膜上制作下电极后，在带有下电极的下PET薄膜上沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维，其中纤维数m＞1，得到X轴方向敏感压电纤维阵列；
2)在沉积有压电纤维阵列的下PET薄膜上制作下粘贴条；
3)在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列，将沉积有压电纳米纤维阵列的下PET薄膜、中PET薄膜层叠对准；
4)在层叠对准后的下PET薄膜、中PET薄膜上覆盖透明上PET薄膜，将下粘贴条、上粘贴条固化，使下PET薄膜、中PET薄膜、上PET薄膜形成膜-纤维-膜-纤维-膜的结构；
5)通过引线键合技术获得引线，并与外部处理电路电连接。
2.如权利要求1所述聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述在透明下PET薄膜上制作下电极采用微加工工艺在透明下PET薄膜薄膜上制作下电极。
3.如权利要求1所述聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维采用近场静电纺丝方法沿平行Y轴方向在下电极两端等距沉积压电纳米纤维。
4.如权利要求1所述聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述在沉积有压电纤维阵列的下PET薄膜上制作下粘贴条采用微加工工艺制作下粘贴条。
5.如权利要求1所述聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列采用微加工工艺在透明中PET薄膜上制作上电极、上粘贴条以及Y轴方向敏感压电纤维阵列。
6.如权利要求1所述聚偏氟乙烯压电纳米纤维触摸屏敏感元件的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述将下粘贴条、上粘贴条固化采用热压工艺将下粘贴条、上粘贴条固化。
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