CN105765750A - 多层压电聚合物膜装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种触摸面板，该触摸面板包括具有设置在第一压电层与第二压电层之间的电介质芯层的触摸传感器。每个压电层包含极化压电聚合物。触摸传感器还包括设置在第一压电层上方的至少第一可单独寻址的电极组以及设置在第二压电层上方的至少一个第二电极。电路耦合到第一电极组和第二电极。电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，第一电极组中至少一个电极的电信号相对于第二电极的变化。

Description

多层压电聚合物膜装置和方法
技术领域
本发明整体涉及压电膜，以及采用此类膜的装置与系统、和与此类膜相关的方法。
发明背景
压电效应涉及为了响应机械应力或力量变化而发生的电场变化。施加到压电材料的力使材料上的电场发生变化。相反地，施加在压电材料上的电场使材料发生机械变形。
发明内容
本文所公开的实施方案包括具有触摸传感器的触摸面板。触摸传感器包括触摸表面和电介质芯层。芯层设置在第一压电层与第二压电层之间，每个压电层均包含极化压电聚合物。触摸传感器还包括设置在第一压电层上方的至少第一可单独寻址的电极组以及设置在第二压电层上方的至少一个第二电极。电路耦合到第一电极组和第二电极。电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，第一电极组中至少一个电极的电信号相对于第二电极的变化。
一些实施方案涉及包括触摸传感器的触摸面板。触摸传感器具有触摸传感器、电介质芯层和至少一个压电层，该压电层包括设置在电介质芯层第一表面上方的极化压电聚合物。触摸传感器还包括设置在压电层上方的至少第一可单独寻址的电极组以及设置在芯层第二表面上方的至少一个第二电极。电路耦合到第一电极组和第二电极。电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，第一电极组中至少一个电极的电信号相对于第二电极的变化。
一些实施方案涉及方法。可通过与至少一个压电聚合物层共挤出芯层来制备触摸传感器。压电聚合物层设置在芯层的第一表面上。通过在至少一个压电聚合物层上施加电场来极化该至少一个压电聚合物层。第一电极组形成在压电聚合物层上方，至少一个第二电极形成在芯层第二表面上方。将第一电极组和第二电极组耦合到电路，该电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，第一电极组中至少一个电极的电信号相对于第二电极的变化。
一些实施方案涉及实施触摸传感器的方法。触摸传感器包括设置在第一压电层与第二压电层之间的芯层。每个压电层包含极化压电聚合物。至少第一电极设置在第一压电聚合物层上方，至少第二电极设置在第二压电聚合物层上方。第一电极和第二电极中的一者或两者包括可单独寻址的电极阵列。检测响应于触摸传感器第一压电层变形而导致的传感器电压变化。根据检测到的电压变化确定触摸位置和触摸力度中的至少一者。
附图说明
图1示出了一种多层装置的截面图，在一些具体实施中可以将该装置并入触摸传感器中。
图2示出了另一种多层结构的截面图，该多层结构包括设置在第一压电层与第二压电层之间的芯层。
图3示出了包括一个或多个接合层的多层结构。
图4示出了可共挤出以包括芯层和表层的多层结构，芯层夹在第一压电层与第二压电层之间，表层设置在第一压电层和第二压电层上。
图5为可以结合图1、图2和/或图3中所示多层结构的触摸传感器的截面图。
图6为可以结合图1、图2和/或图3中所示多层结构的触摸传感器的俯视图。
图7为包括设置在多层结构的两个压电层上面或上方的图案化导电层的触摸传感器的截面图。
图8为包括第一粘合层和第二粘合层的触摸传感器的截面图，第一粘合层设置在第一电极组与第一压电层之间，第二粘合层设置在第二电极组与第二压电层之间。
图9和图10分别为具有行电极构造和列电极构造的触摸传感器的截面图和俯视图。
图11和图12分别为触及和触离事件期间触摸传感器的截面图。
图13示出了包括用于触摸传感、触摸信号处理以及信息显示的电路的触摸显示系统。
图14示出了包括在非图案化电极层之间设置有多层结构的装置。
图15示出了在能量收集装置中使用的多层装置。
图16为示出多层结构制造方法的流程图。
图17示出了使用多层结构进行触摸传感的方法。
在附图中，类似的附图标号指示类似的元件。
示例性实施方案的具体具体实施
压电材料可用于传感和能量生成应用。本文所述的一些实施方案涉及触摸传感系统，该系统包括结合有一个或多个极化压电聚合物层的多层触摸传感器。在一些具体实施中，触摸传感器包括一个或多个与芯层共挤出的压电层，其中芯层为传感器赋予机械性能和电气性能两者。在此构造中，相对较贵的压电层与芯层相比可能薄些。压电层厚度减小可降低多层装置的成本，并且在较薄的压电层之间设置具有低介电常数和高电阻率的芯可提供大小合适的传感器信号。此外，芯层可被构造成用于提高触摸传感器的稳定性和触碰耐久性。
图1示出了多层结构100的截面图，在一些具体实施中可以将该结构并入触摸传感器中。结构100包括共挤出芯层101和压电层102。芯层为在所有取向上的最大压电应变系数|d_3x|<2pC/N(其中x＝1,2,3)的非压电聚合物。在被拉伸并进行电极化处理以排列材料内的偶极子之后，压电层102展现出压电性能。可通过加热材料并在材料加热时向材料施加电场来完成偶极子排列。加热以及施加电场之后，对材料进行淬火处理以冻结排列的偶极子。随后施加压力和/或使材料变形，以在偶极子重新排列时在材料上产生电压。在材料上施加电压使得偶极子重新排列，继而致使材料变形。
多层结构100的厚度可为约0.02mm至约0.2mm，其中压电层的厚度小于约10微米，小于约7微米，小于约5微米，小于约3微米，小于约2微米，小于约1微米。在一些实施方案中，压电层的厚度在约1微米到约5微米的范围内。
芯层101为在所有取向上的最大压电应变系数|d_3x|<2pC/N(其中x＝1,2,3)的非压电聚合物。芯层可包含与压电材料兼容的聚合物，以有利于共挤出和拉伸多层结构。例如，如果压电材料为聚偏二氟乙烯(PVDF)，合适的芯层可以包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或PMMA与诸如Kraton(合成嵌段共聚物)等改性剂的混合物。芯层可以包含多种材料，包括聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或任何其他合适的材料。
应当理解，芯聚合物的选择不仅仅取决于预期应用，还取决于选择的压电聚合物以及所采用的共挤出和/或膜拉伸处理条件。合适的芯聚合物材料应为光学透明材料，包括但不限于聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)及其异构体(诸如2,6-、1,4-、1,5-、2,7-和2,3-PEN)、聚对苯二甲酸亚烷基二醇酯(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸-1,4-环己二甲酯)、其他聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酰胺(诸如尼龙6、尼龙12、尼龙4/6、尼龙6/6、尼龙6/9、尼龙6/10、尼龙6/12和尼龙6/T)、聚酰亚胺(包括热塑性聚酰亚胺和聚丙烯酰亚胺)、聚酰胺-酰亚胺、聚醚-酰胺、聚醚酰亚胺、聚芳醚(诸如聚苯醚和环取代聚苯氧化物)、聚芳醚酮(诸如聚醚醚酮(PEEK))、脂肪族聚酮(诸如乙烯和/或丙烯与二氧化碳的共聚物和三元共聚物)、聚苯硫醚、聚砜(包括聚醚砜和聚芳砜)、无规聚苯乙烯、间规聚苯乙烯(sPS)及其衍生物(诸如间规聚-α-甲基苯乙烯和间规聚二氯苯乙烯)、任何这些聚苯乙烯的混合物(彼此混合或与其他诸如聚苯氧化物等聚合物混合)、任何这些聚苯乙烯的共聚物(诸如苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-氰乙烯共聚物和氰乙烯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、聚丙烯酸酯(诸如聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙脂和聚丙烯酸丁酯)、聚甲基丙烯酸酯(诸如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸异丁酯)、纤维素衍生物(诸如乙基纤维素、醋酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素和硝酸纤维素)、聚亚烷基聚合物(诸如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯和聚(4-甲基)戊烯、氟化聚合物和共聚物(诸如聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物、全氟烷氧基树脂、聚三氟氯乙烯、聚乙烯-三氟乙烯共聚物、聚乙烯-三氟氯乙烯共聚物)、氯化聚合物(诸如聚偏二氯乙烯和聚氯乙烯)、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚醚(诸如聚甲醛和聚环氧乙烷)、离聚物树脂、高弹体(诸如聚丁二烯、聚异戊二烯和氯丁二烯橡胶)、硅树脂、环氧树脂和聚氨酯。
合适的材料还有共聚物、上述聚合物或共聚物中的两种或多种的可混溶或不可混溶混合物。本发明的共聚物可为例如嵌段共聚物、无规共聚物或交替共聚物。
用在诸如PET、PEN、PBN等聚酯中的合适共聚单体可为二醇、二羧酸或酯类。二羧酸类共聚单体包括但不限于对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、所有同分异构的萘二甲酸(2,6-、1,2-、1,3-、1,4-、1,5-、1,6-、1,7-、1,8-、2,3-、2,4-、2,5-、2,7-和2,8-萘二甲酸)、联苯甲酸(诸如4,4'-联苯二甲酸及其异构体)、反式-4,4'-1,2-二苯乙烯二甲酸及其异构体、4,4'-二苯醚二甲酸及其异构体、二羧基-4,4'-二苯砜及其异构体、二羧基-4,4'-二苯甲酮及其异构体、卤代的芳香族二羧酸(诸如2-氯对苯二甲酸和2,5-二氯对苯二甲酸)、其他取代的芳香族二羧酸(诸如叔丁基间苯二甲酸和磺化间苯二甲酸钠)、环烷烃二甲酸(诸如1,4-环己烷二甲酸及其异构体和2,6-十氢萘二甲酸及其异构体)、双环或多环的二羧酸(诸如各种同分异构的降莰烷二甲酸和降冰片烯二甲酸、金刚烷二甲酸和双环辛烷二甲酸)、烷烃二甲酸(诸如癸二酸、己二酸、草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、壬二酸以及十四烷双酸)、任何稠环芳香族烃(诸如茚、蒽、菲、苯并萘和芴等)的同分异构二羧酸。作为选择，还可使用这些单体的烷基酯，诸如对邻苯二甲酸二甲酯。
合适的二醇类共聚单体包括但不限于直链或支链的烷基二醇或二元醇(诸如乙二醇、丙二醇(诸如1,3-丙二醇)、丁二醇(诸如1,4-丁二醇)、戊二醇(诸如新戊二醇)、己二醇、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇和更高级的二醇)、醚二醇(诸如二甘醇、三甘醇和聚乙二醇)、链-酯二醇(诸如3-羟基-2,2-二甲丙基-3-羟基-2,2-二甲基丙酸)、环烷烃二醇(诸如1,4-环己烷二甲醇及其异构体和1,4-环己二醇及其异构体)、双环或多环的二醇(诸如各种同分异构的三环癸烷二甲醇、降莰烷二甲醇、降冰片烯二甲醇和双环辛烷二甲醇)、芳香族二醇(诸如1,4-苯二甲醇及其异构体、1,4-苯二酚及其异构体、双酚(诸如双酚A)、2,2'-二羟基联苯及其异构体、4,4'-二羟甲基联苯及其异构体、以及1,3-双(2-羟基乙氧基)苯及其异构体)、以及这些二醇的低级烷基醚或二醚(诸如二醇的双甲醚或双乙醚)。
也可使用三官能或多官能的共聚单体，其可起到为聚酯分子赋予支化结构的作用。它们可为羧酸、酯、含羟基化合物或醚类物质。示例包括但不限于偏苯三酸及其酯、三羟甲基丙烷和季戊四醇。
其他适合作为共聚单体的单体为具有混合官能团的单体，包括：羟基羧酸类，例如对羟基苯甲酸和6-羟基-2-萘甲酸、以及它们的异构体；以及具有混合官能团的三官能或多官能的共聚单体，例如5-羟基间苯二甲酸等。
芯层101可以是基本上光学透明的、柔性的以及可弹性变形的。例如，在一些具体实施中，芯材料的弹性模量可为约2.5至3Gpa，在其他实施方案中，芯材料的弹性模量可为约0.5Gpa，或在约0.5Gpa到约3Gpa的范围内。在一些实施方案中，芯层101可设计为具有指定电阻率和/或介电常数。例如，芯层101的电阻率可大于约1015Ω-cm或大于约1017Ω-cm，芯层材料的介电常数可小于10，或小于7，或小于5，或在约2到约5的范围内。芯层101与压电层102相比相对较厚。例如，芯层101的厚度可为压电层102的厚度的2倍以上，5倍以上，甚至10倍以上。
在一些具体实施中，压电层102可直接设置在芯层101上。在其他具体实施中，在芯层101与压电层102之间可能有居间层。压电层可为PVDF层、含氟聚合物层和/或偏二氟乙烯与三氟乙烯(TrFE)共聚物层，或包括这些层。压电层可弹性变形，并且在一些具体实施中，压电层的弹性模量在约1到1.5Gpa的范围内，压电层可为基本上光学透明的。如前所述，以展现压电特性，其他层的PVDF被拉伸至其初始长度的至少四倍(单轴拉伸)或被拉伸至其原始长度和宽度的至少二倍(双轴拉伸)，然后被电极化。单向拉伸5次或更多次或者双向拉伸3次或更多此可提供更好性能。拉伸后，压电层的结晶度可在例如40％到60％的范围内。
压电膜可在拉伸的同时极化，也可在拉伸后极化。极化PVDF可涉及将膜保持在80至120℃温度下并暴露于约50至500MV/m的电场中。极化过程可能需要30分钟至数小时，其中包括冷却时间。作为选择，可在室温下极化PVDF，但使用更高的电场，例如100至800MV/m。可通过许多方法实现极化。极化压电聚合物具有至少约5pC/N的压电电压常数(d33)。
经过极化和拉伸的压电层具有大于例如约1014Ω-cm的电阻率，以及大于芯层的介电常数，例如约8至14。如果芯材料的介电常数与压电层相比相对越小，那么多层结构中压电层的电场集中程度与包括压电材料而无芯的一层相同厚度相比可能更高。由于芯的电阻率(为约1017Ω-cm)可能大于压电层的电阻率，因此多层结构可另外地或另选地降低泄漏电流。多层结构也可以展现比包括压电材料而无芯的相同厚度结构更高的电气击穿强度。
芯的弹性模量也可以比压电层更高。例如，芯层的弹性模量可以比压电层的弹性模量高例如二倍或三倍。例如，当PMMA和PVDF分别用于芯层和压电层时，芯层具有约3GPa的弹性模量，压电层具有约1至1.5GPa的弹性模量。
拉伸致使PVDF层内的晶体对齐。这导致材料性能(诸如热膨胀)和压电系数各向异性。例如，单向拉伸膜的压电系数可为d31～20pC/N、d32～2pC/N和d33～-30pC/N。对于这些值，方向定义如惯例所示：轴1为膜拉伸方向，轴2为膜平面上正交于轴1的方向，轴3为垂直于膜平面的方向。就双向拉伸膜而言，d31＝d32(即在膜的平面上没有任何差异)。可通过诸如X-射线衍射等技术观察晶体的取向。
图2示出了另一种多层结构200的截面图，该结构包括设置在第一压电层202与第二压电层203之间的芯层201。芯层和压电层可以共挤出，并且具有如结合图1所述相似的电气、光学和机械性能。芯层为在所有取向上的最大压电应变系数|d_3x|<2pC/N(其中x＝1,2,3)的非压电聚合物。多层结构200的组合厚度可为约0.025mm至0.15mm。在一些实施方案中，芯层的厚度为芯层、第一压电层202和第二压电层203的组合厚度的至少约1/6。在一些实施方案中，芯层具有小于芯层、第一压电层和第二压电层的组合厚度的约2/3的厚度。第一压电层和第二压电层的厚度均例如小于约10微米，小于约7微米，或甚至小于约5微米。
如图3中的横截面所示，在一些实施方案中，可共挤出多层结构300，包括一个或多个接合层304、305，接合层设置在压电层302、303中至少一者与芯层301之间。芯层301与压电层302、303中的一者或二者之间的接合层可允许使用更多种类的聚合物来制备芯层301。例如，PMMA薄层可用作接合层，以提高与PP、PVC、PET或PEN芯层的层粘附力。
如图4中的横截面所示，在一些实施方案中，可共挤出多层结构400，以包括夹在第一压电层402与第二压电层403之间的芯层401。如图4所示，表层406、407可设置在第一压电层402和第二压电层403上。表层406、407可以轻易剥离，以便在进一步处理芯层401和压电层402、403之前剥除它们。例如，可在拉伸多层结构400之后剥除表层406、407。表层406、407可提高多层结构400的拉伸性，也可使多层结构更容易抓握。表层406、407可用作压电层402、403的临时保护层，以减小处理期间对这些层造成的损坏。例如，由PET制成的表层将足够牢固地粘贴到PVDF压电层，以便拉伸和抓握多层结构，但是仍可相对容易地剥除PET表层以直接触及PVDF层，举例来说，用于在PVDF层上制备电极。
图1至图4示出的多层结构100、200、300、400适合用于触摸传感。触摸传感涉及确定触摸表面的触摸信息，相关信息可包括检测触及、触离、一个或多个暂时交叠触摸的触摸位置、一个或多个暂时交叠触摸的触摸力度和/或其他触摸信息。触摸的持续时间范围从单个位置的相对较短轻触到时间更长的触摸和/或经追踪后视为在触摸表面移动的触摸。
触摸压电层时，压电层中的偶极子以机械方式重新排列，在压电层上产生瞬态电压。可使用设置在压电层任一侧上的电极检测电压信号，并且可分析电压信号以获取触摸信息。触摸位置信息的分辨率与设置在压电层至少一侧上的可单独寻址电极的分布相关。
图5和图6为触摸传感器500的截面图和俯视图，触摸传感器500采用图2所示的多层结构200，但是也可采用图1和图3所示的多层结构100、300。多层结构200包括设置在第一压电层202与第二压电层203之间的芯层201。电极502、503设置在多层结构200的任一侧上。电极可直接沉积在压电层上。电极可以是透明的。透明电极的示例包括铟锡氧化物(ITO)和掺锑氧化锡(ATO)、纳米银丝和微丝网。在压电膜的一侧或两侧上，电极可为非图案化的(例如，连续的)或图案化的电极。
在图5和图6所示的触摸传感器500中，导电材料的图案层形成于第一压电层202的上面或上方。图案层提供电耦合到第一压电层202的第一可单独寻址电极组502。导电材料的非图案层形成于第二压电层203的上面或上方。非图案层提供电耦合到第二压电层203的第二电极503。保护层504、505覆盖并保护电极502、503。保护层504、保护层505中任一者或两者的表面504a、505a可形成触摸传感器500的触摸表面。保护层504、保护层505中的一者或两者可以弹性变形，从而允许压电层202、203变形以响应触摸。在一些实施方案中，第一保护层504可弹性变形，表面504a形成触摸表面，第二保护层505为刚性的。
图7为触摸传感器700的截面图，该传感器包括设置在多层结构200的两个压电层202、203的上面或上方的图案化导电层。图案化导电层提供设置在第一压电层202上面或上方的第一可单独寻址电极组702，以及设置在第二压电层203上方的第二可单独寻址电极组703。之前结合图5和图6所述的保护层在图7中未示出。
图8为触摸传感器800的截面图，其在一些方面与图7所示的触摸传感器700类似。触摸传感器800还包括第一粘合层802和第二粘合层803，第一粘合层设置在第一电极组702与第一压电层202之间，第二粘合层设置在第二电极组703与第二压电层203之间。粘合层802、803可为在压电层202、203的外表面上共挤出的薄层。粘合层802、803增强了电极702、703与压电层202、203之间的粘结。例如，由于制备了许多导体来粘附到PET，因此PET薄层可用作粘合层。除了接合层(未示出)，还可以在压电层202、203与粘合层802、803之间使用粘合层以增强这些层之间的粘结强度。在一些实施方案中，接合层为PMMA层。作为选择或除了粘合层之外，可以对膜表面进行化学处理或例如通过等离子来增强电极与压电层之间的粘结力。
图9和图10为具有行电极和列电极构造的触摸传感器900的截面图和俯视图。在此构造中，第一电极组902形成如下图案：行电极设置在多层结构200的第一压电层202的上面或上方。第二电极组903形成如下图案：列电极设置在多层结构200的第二压电层203上的面或上方。在此构造中，行电极902可用作传感电极，并且列电极可用作选择电极903，但也可能采用相反构造，即行电极用作选择电极，列电极用作传感电极。图9示出了覆盖电极902、903的第一保护层904和第二保护层905。
例如，当通过将选择电极903a电连接至感测电路等方式而选择了选择电极903a时，感测每个行传感电极902呈现的电信号提供了压电层202、203在每个节点911的位置处的变形状态提示，其中节点911位于选择电极903a与传感电极902之间。扫描选择电极903，例如，按顺序将每个选择电极连接至感测电路，记录传感电极902的电压以确定触摸表面上每个节点911的变形状态。任意节点上的电压变化即指示节点位置处的触摸。另外，变形的大小或程度可用于确定施加到触摸表面上的力量。
图11和图12分别为触及和触离事件期间触摸传感器900的截面图。图11和图12也示出了触及和触离事件期间触摸传感器900的信号输出V(t)的理想化版本。
通过触摸器具，诸如手指999，施加到触摸表面的触摸致使触摸表面904a在触摸位置1110处发生局部变形，继而致使压电层202和/或压电层203发生局部变形。压电层的局部变形产生了瞬态电压信号991，这是由于压电层202、203中的一者或两者的偶极子在由触摸器具999导致的变形期间的移动所致。在触摸位置1110附近的电极902、903上可检测到触及事件对应的瞬态电压信号991。
当如图12所示，从触摸表面移除触摸器具999时即发生触离。移除触摸后，触摸表面弹回其以前的位置。移除变形后，压电层中的一者或两者的偶极子重新排列，在之前触摸的位置1110附近产生瞬态电压信号992。在触摸位置1110附近的电极902、903之间可检测到触离事件对应的瞬态电压信号992。
图13示出了包括用于触摸传感、触摸信号处理以及信息显示的电路的触摸显示系统1300。触摸装置包括被构造成用于触摸传感的触摸传感器1301和用于触摸信号处理的触摸控制器。显示装置包括显示器和显示控制器。触摸控制器和显示控制器可耦合到主计算机。如果触摸传感器1301的层基本上光学透明，可将显示器布置为使其透过触摸传感器1301可见。图13示出了具有电耦合到触摸控制器电路的行电极R1-R5和列电极C1-C2的触摸传感器。触摸控制器包括电极选择电路，诸如复用器，该电路被构造成在利用感测电路感测来自传感电极的触摸输入信号时扫描选择电极。感测电路可包括各种信号处理部件，诸如滤波器(例如，凹口滤波器、带通滤波器、高通滤波器和/或低通滤波器)、放大器、门限检波器、模数转换器和/或其他信号处理部件。通过存在于触摸控制器中的触摸信息处理器任选地分析经处理的触摸输入信号。触摸信息处理器被构造成用于根据经处理的触摸输入信号确定触摸信息。在一些实施方案中，经处理的输入信号可传输至主计算机，然后由主计算机确定触摸信息。
如前面所讨论的，本文示出的多层结构可用于形成触摸传感器，该触摸传感器可用于确定触摸信息，包括触摸位置和触摸力度。本文所描述和示出的多层结构不仅可用于触摸传感，还可实现多种用途，包括能量收集(收集多层结构运动生成的能量)和大面积压力感测。对于大面积压力感测和能量收集应用两者而言，可使用类似于图1至图8示出的多层结构。在这些应用中，两个电极层都可为如图14和图15所示的非图案化的。图14示出了包括在非图案化电极层1402和1403之间设置有多层结构200的装置1400。保护层1404、1405布置在电极层1402、1403上。对于大面积压力感测应用，在压力感测表面(可为表面1404a、1405a中的一者或两者)处的压力改变致使多层结构200内的压电层变形。该变形被检测为电极1402与电极1403之间的瞬态电压信号。
对于能量收集应用，如图15所示，多层结构1400可用于形成通过弯曲或移动产生能量的压电悬臂。多层结构1400移动产生的能量可存储在电容器或其他能量存储装置中。
图16为示出本文所讨论多层结构制造方法的流程图。该方法包括(1610)将至少一个压电聚合物层与至少一个芯层共挤出，从而形成共挤出子组件。拉伸并加热共挤出子组件，(1620)对加热的子组件施加电场以极化压电聚合物层。(1630)在共挤出子组件的任一侧形成电极。在各种应用中，(1640)电极可任选性地耦合到被构造成用于检测触摸、压力或提供能量存储的电路。
在一些构造中，至少一个压电聚合物层包括第一压电聚合物层和第二压电聚合物层。在此构造中，将至少一个压电聚合物层与芯层共挤出包括共挤出夹在第一压电聚合物层与第二压电聚合物层之间的芯层。
共挤出可包括共挤出设置在至少一个压电聚合物层上的可剥离层。使用第一压电层和第二压电层时，共挤出可包括共挤出第一压电层上的第一可剥离层和第二压电层上的第二可剥离层。从压电聚合物层剥离可剥离层，在压电层上形成电极。
在一些具体实施中，共挤出包括共挤出第一接合层和第二接合层中的至少一者，第一接合层设置在芯层与第一压电聚合物层之间，第二接合层设置在芯层与第二压电聚合物层之间。共挤出可除此之外或另选地包括以下的一项或多项：共挤出第一压电层上的第一粘合层；以及共挤出第二压电聚合物层上的第二粘合层。
图17示出了使用本文所述的多层结构进行触摸传感的方法。该方法包括(1710)检测由于触摸传感器中的极化压电层变形而造成的触摸传感器电极上的电压变化，触摸传感器包括设置在第一压电层与第二压电层之间的芯层，每个压电层均包含极化压电聚合物。电极包括设置在第一压电层上方的至少第一电极和设置在第二压电层上方的至少第二电极。第一电极和第二电极中的一者或两者包括可单独寻址电极。(1720)根据检测到的电压变化确定触摸位置和触摸力度中的至少一个。在一些具体实施中，至少一个第一电极包括第一可单独寻址电极组，至少一个第二电极包括第二可单独寻址电极组。检测电压的变化包括检测第一电极组中电极的电压相对于第二电极组中电极的变化。
在一些具体实施中，确定触摸位置包括确定可同时发生或基本上同时发生的多次触摸的位置。可通过电压的变化确定移动跨过触摸表面的触摸的触摸位置。
使用压电传感器进行的触摸传感有利于检测戴手套进行的触摸或触控笔触摸，这类触摸传感不像使用其他触摸传感方法进行的触摸传感(诸如电容传感)那样直截了当。这样，触摸装置可构造为采用两种触摸传感技术，使得压电触摸传感与电容式触摸传感组合，以增强触摸传感信息的获取能力。例如，电容传感可用于某些环境，诸如手指触摸，压电触摸传感可用于其他环境，诸如触笔触摸或戴手套触摸。在一些实施方案中，压电传感可用于获取一些触摸信息，例如，触及、触离和/或触摸力度，电容触摸传感可用于获取不同的触摸信息，诸如触摸位置。在一些具体实施中，压电传感和电容传感可使用相同的电极，其中触摸控制器电路包括用于驱动电极进行电容传感的额外电路。触摸控制器电路可被构造成用于按顺序施加驱动信号至第一电极组并且感测第二电极组中每个电子的响应信号。可分析由触摸造成变形所响应的触摸传感器上的电压变化和指示电容变化的响应信号这两者来提供关于触摸的信息。在一些具体实施中，分析可包括将压电层生成的信号分量与电容传感生成的信号分量分离开来。例如，可通过合适的滤波和/或其他信号处理方式，将通过压电层生成的信号分量与通过电容传感生成的信号分量分离开来。
如前面所讨论的，在包括一个或多个压电层的多层结构上施加电压可致使压电层移动，压电层移动由所施加的电压重新排列偶极子所致。这一现象对向用户提供触觉反馈可能十分有用。例如，在一个位置处检测到触摸时，可对触摸位置处的电极施加电压，致使压电层发生用户可觉察到的移动。
本文所公开的实施方案包括：
项目1.一种触摸面板，包括：
触摸传感器，包括：
触摸表面；
电介质芯层；
至少第一压电层和第二压电层，所述电介质芯层设置在第一压电层与第二压电层之间，每个压电层包含极化压电聚合物；
设置在所述第一压电层上方的至少第一可单独寻址电极组；以及
设置在所述第二压电层上方的至少一个第二电极；和
耦合到所述第一电极组和所述第二电极的电路，所述电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，所述第一电极组中至少一个电极的电信号相对于所述第二电极的变化。
项目2.根据项目1所述的触摸面板，其中所述至少一个第二电极包括第二可单独寻址电极组，所述电路被构造成用于检测所述第一电极组中的一个或多个电极的一个或多个电信号分别相对于所述第二电极组中一个或多个电极的变化。
项目3.根据项目1和项目2所述的触摸面板，其中所述第一极化压电聚合物层直接设置在所述芯层的第一表面上，所述第二极化压电聚合物层直接设置在所述芯层的第二表面上。
项目4.根据项目1至项目3中任一项所述的触摸面板，其中所述极化压电聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)。
项目5.根据项目1至项目3中任一项所述的触摸面板，其中所述极化压电聚合物包括含氟聚合物或PVDF-三氟乙烯(TrFE)共聚物。
项目6.根据项目1至项目5中任一项所述的触摸面板，其中所述极化压电聚合物具有至少约5pC/N的压电电压常数(d33)。
项目7.根据项目1至项目6中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层包含聚合物。
项目8.根据项目1至项目6中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层包含聚(甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
项目9.根据项目1至项目8中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层具有约2至约5的介电常数。
项目10.根据项目1至项目9中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层具有大于约1015Ω-cm的电阻率。
项目11.根据项目1至项目10中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层具有在约0.5GPa至约3GPa范围内的弹性模量。
项目12.根据项目1至项目11中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层的厚度为所述芯层、所述第一压电层和所述第二压电层组合厚度的至少1/6。
项目13.根据项目1至项目11中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层具有小于所述芯层、所述第一压电层和所述第二压电层组合厚度的约2/3的厚度。
项目14.根据项目1至项目13中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层、所述第一压电层和所述第二压电层的组合厚度在约0.02微米至约0.2微米的范围内。
项目15.根据项目1至项目14中任一项所述的触摸面板，其中每个所述第一极化压电聚合物层和每个所述第二极化压电聚合物层具有约1微米至约5微米的厚度。
项目16.根据项目1至项目15中任一项所述的触摸面板，其中所述芯层、所述第一压电层、所述第二压电层、所述第一电极组和所述至少一个第二电极是基本上光学透明的。
项目17.根据项目1至项目16中任一项所述的触摸面板，还包括以下一项或多项：
设置在所述第一压电层与所述芯层之间的第一接合层；和
设置在所述第二压电层与所述芯层之间的第二接合层。
项目18.根据项目1至项目17中任一项所述的触摸面板，还包括以下一项或多项：
设置在所述第一电极组与所述第一压电层之间的第一粘合层；和
设置在所述至少一个第二电极与所述第二压电层之间的第二粘合层。
项目19.根据项目1至项目18中任一项所述的触摸面板，还包括电子显示器，其中所述电子显示器透过触摸传感器可见。
项目20.根据项目1至项目19中任一项所述的触摸面板，还包括以下一项或多项：
设置在所述第一电极组上方的第一保护层；和
设置在所述至少一个第二电极组上方的第二保护层。
项目21.一种触摸面板，包括：
触摸传感器，包括：
触摸表面；
电介质芯层；
至少一个压电层，所述至少一个压电层包括设置在所述电介质芯层第一表面上方的极化压电聚合物；
设置在所述压电层上方的至少第一可单独寻址电极组；以及
设置在所述芯层第二表面上方的至少一个第二电极；和
耦合到所述第一电极组和所述第二电极的电路，所述电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，所述第一电极组中至少一个电极的电信号相对于所述第二电极的变化。
项目22.根据项目21所述的触摸面板，其中所述压电层具有小于约5微米的厚度。
项目23.一种方法，包括：
制备触摸传感器，包括：
共挤出至少一个压电聚合物层和芯层，所述压电聚合物层设置在所述芯层的第一表面上；
通过在所述至少一个压电聚合物层上施加电场来极化所述至少一个压电聚合物层；
在所述压电聚合物层上方形成第一电极组；
在所述芯层的第二表面上方形成至少一个第二电极；以及
将所述第一电极组和所述第二电极组耦合到电路，所述电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，所述第一电极组中至少一个电极的电信号相对于所述第二电极的变化。
项目24.根据项目23所述的方法，其中：
所述至少一个压电聚合物层包括第一压电聚合物层和第二压电聚合物层；以及
共挤出所述至少一个压电聚合物层和所述芯层，包括共挤出夹在所述第一压电聚合物层与所述第二压电聚合物层之间的所述芯层。
项目25.根据项目23至项目24中任一项所述的方法，其中：
所述共挤出包括共挤出设置在所述至少一个压电聚合物层上的可剥离层；
从所述压电聚合物层剥离所述可剥离层；以及
在所述压电聚合物层上制备电极组。
项目26.根据项目23至项目25中任一项所述的方法，其中所述共挤出包括共挤出以下至少一项：
设置在所述芯层与所述第一压电聚合物层之间的第一接合层；以及
设置在所述芯层与所述第二压电聚合物层之间的第二接合层。
项目27.根据项目23至项目26中任一项所述的方法，其中所述共挤出包括共挤出以下至少一项：
在形成所述第一电极组之前在所述第一压电聚合物层上共挤出第一粘合层；以及
在形成所述第二电极组之前在所述第二压电聚合物层上共挤出第二粘合层。
项目28.一种方法，包括：
检测响应触摸传感器第一压电层变形所导致的所述传感器上的电压变化，所述触摸传感器包括：
设置在所述第一压电层与所述第二压电层之间的芯层，每个压电层包含极化压电聚合物；
设置在所述第一压电聚合物层上方的至少第一电极；和
设置在所述第二压电聚合物层上方的至少第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的一者或两者包括可单独寻址电极的阵列；
根据检测到的电压变化确定触摸位置和触摸力度中的至少一者。
项目29.根据项目28所述的方法，其中确定所述触摸位置包括确定多次触摸的位置。
项目30.根据项目28和项目29所述的方法，其中确定所述触摸位置包括确定移动触摸的触摸位置。
项目31.根据项目28至项目30中任一项所述的方法，其中：
所述至少一个第一电极包括第一可单独寻址电极组；
所述至少一个第二电极包括第二可单独寻址电极组；以及
检测电压的变化包括检测所述第一电极组中电极的电压相对于所述第二电极组中电极的变化。
项目32.根据项目31所述的方法，其中所述第一电极组在节点阵列处电容耦合到第二电极组，所述方法还包括：
使用驱动信号按顺序驱动所述第一电极组的电极；
感测所述第二电极组每个电极处的响应信号；
检测响应于施加到所述触摸表面的触摸而指示一个或多个所述节点处电容变化的响应信号变化；以及
使用由所述触摸造成变形所响应的所述触摸传感器上的电压变化和指示电容变化的所述响应信号这二者来提供所述触摸的信息。
项目33.根据项目28至项目32中任一项所述的方法，还包括施加电压到所述第一电极和所述第二电极以向用户提供触觉反馈。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中用来表示数量、特性量度等的所有数字都应被理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可以根据本领域内的技术人员利用本专利申请的教导内容想要获得的所需特性而改变。并且不旨在将等同原则的应用限制在权利要求书范围内，至少应该根据所记录的有效数位的数目和通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。虽然给出实施方案宽范围的数值范围和参数是近似值，但就本文所述具体实例中列出的任何数值来说，所报告的数值是尽可能精确的。然而，任何数值可以包括与测试或测量限制关联的误差。
本文所公开实施方案的各种变型和更改对本领域技术人员将显而易见。例如，阅读者应当认为一个公开的实施方案中的特征可同样应用于所有其他公开实施方案，除非另外指明。

Claims (33)

1.一种触摸面板，包括：
触摸传感器，包括：
触摸表面；
电介质芯层；
至少第一压电层和第二压电层，所述电介质芯层设置在所述第一压电层与所述第二压电层之间，每个所述压电层包含极化压电聚合物；
设置在所述第一压电层上方的至少第一可单独寻址电极组；和
设置在所述第二压电层上方的至少一个第二电极；和
耦合到所述第一电极组和所述第二电极的电路，所述电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，所述第一电极组中至少一个电极的电信号相对于所述第二电极的变化。
2.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述至少一个第二电极包括第二可单独寻址电极组，所述电路被构造成用于检测所述第一电极组中一个或多个电极的一个或多个电信号分别相对于所述第二电极组中一个或多个电极的变化。
3.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述第一极化压电聚合物层直接设置在所述芯层的第一表面上，并且所述第二极化压电聚合物层直接设置在所述芯层的第二表面上。
4.根据权利要求1中任一项所述的触摸面板，其中所述极化压电聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)。
5.根据权利要求1中任一项所述的触摸面板，其中所述极化压电聚合物包括含氟聚合物或PVDF-三氟乙烯(TrFE)共聚物。
6.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述极化压电聚合物具有至少约5pC/N的压电电压常数(d33)。
7.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层包含聚合物。
8.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层包含聚(甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
9.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层具有约2至约5的介电常数。
10.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层具有大于约1015Ω-cm的电阻率。
11.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层具有在约0.5GPa至约3GPa的范围内的弹性模量。
12.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层具有所述芯层、所述第一压电层和所述第二压电层的组合厚度的至少约1/6的厚度。
13.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层具有小于所述芯层、所述第一压电层和所述第二压电层的组合厚度的约2/3的厚度。
14.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层、所述第一压电层和所述第二压电层的组合厚度在约0.02微米至约0.2微米的范围内。
15.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述第一极化压电聚合物层和所述第二极化压电聚合物层各自具有约1微米至约5微米的厚度。
16.根据权利要求1所述的触摸面板，其中所述芯层、所述第一压电层、所述第二压电层、所述第一电极组和所述至少一个第二电极是基本上光学透明的。
17.根据权利要求1所述的触摸面板，还包括以下一项或多项：
设置在所述第一压电层与所述芯层之间的第一接合层；和
设置在所述第二压电层与所述芯层之间的第二接合层。
18.根据权利要求1所述的触摸面板，还包括以下一项或多项：
设置在所述第一电极组与所述第一压电层之间的第一粘合层；和
设置在所述至少一个第二电极与所述第二压电层之间的第二粘合层。
19.根据权利要求1所述的触摸面板，还包括电子显示器，其中所述电子显示器透过所述触摸传感器可见。
20.根据权利要求1所述的触摸面板，还包括以下至少一项：
设置在所述第一电极组上方的第一保护层；和
设置在所述至少一个第二电极上方的第二保护层。
21.一种触摸面板，包括：
触摸传感器，包括：
触摸表面；
电介质芯层；
至少一个压电层，所述至少一个压电层包括设置在所述电介质芯层第一表面上方的极化压电聚合物；
设置在所述压电层上方的至少第一可单独寻址电极组；和
设置在所述芯层第二表面上方的至少一个第二电极；和
耦合到所述第一电极组和所述第二电极的电路，所述电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，所述第一电极组中至少一个电极的电信号相对于所述第二电极的变化。
22.根据权利要求21所述的触摸面板，其中所述压电层具有小约5微米的厚度。
23.一种方法，包括：
制备触摸传感器，包括：
共挤出至少一个压电层和芯层，所述压电层设置在所述芯层的第一表面上；
通过在所述至少一个压电聚合物层上施加电场来极化所述至少一个压电层；
在所述压电层上方形成第一电极组；
在所述芯层的第二表面上方形成至少一个第二电极；以及
将所述第一电极组和所述第二电极组耦合到电路，所述电路被构造成用于检测在响应于施加到所述触摸表面的触摸时，所述第一电极组中至少一个电极的电信号相对于所述第二电极的变化。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：
所述至少一个压电层包括第一压电聚合物层和第二压电聚合物层；以及
共挤出所述至少一个压电层与所述芯层包括共挤出夹在所述第一压电层与所述第二压电聚合物层之间的所述芯层。
25.根据权利要求23所述的方法，其中：
所述共挤出包括共挤出设置在所述至少一个压电层上的可剥离层；
从所述压电层剥离所述可剥离层；以及
在所述压电聚合物层上制备电极组。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述共挤出包括共挤出以下至少一项：
设置在所述芯层与所述第一压电层之间的第一接合层；和
设置在所述芯层与所述第二压电层之间的第二接合层。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述共挤出包括以下至少一项：
在形成所述第一电极组之前在所述第一压电层上共挤出第一粘合层；和
在形成所述第二电极组之前在所述第二压电层上共挤出第二粘合层。
28.一种方法，包括：
检测响应于触摸传感器第一压电层变形而导致的所述传感器上的电压变化，所述触摸传感器包括：
设置在所述第一压电层与所述第二压电层之间的芯层，每个所述压电层包含极化压电聚合物；
设置在所述第一压电聚合物层上方的至少第一电极；和
设置在所述第二压电聚合物层上方的至少第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的一者或两者包括可单独寻址电极的阵列；
根据检测到的电压变化确定触摸位置和触摸力度中的至少一者。
29.根据权利要求28所述的方法，其中确定所述触摸位置包括确定多次触摸的位置。
30.根据权利要求28所述的方法，其中确定所述触摸位置包括确定移动触摸的触摸位置。
31.根据权利要求28所述的方法，其中：
所述至少一个第一电极包括第一可单独寻址电极组；
所述至少一个第二电极包括第二可单独寻址电极组；以及
检测电压的变化包括检测所述第一电极组中电极的电压相对于所述第二电极组中电极的变化。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一电极组在节点阵列处电容耦合到第二电极组，所述方法还包括：
使用驱动信号按顺序驱动所述第一电极组的电极；
感测所述第二电极组每个电极处的响应信号；
检测响应于施加到所述触摸表面的触摸而指示一个或多个所述节点处电容变化的响应信号变化；以及
使用由所述触摸造成变形所响应的所述触摸传感器上的电压变化和指示电容变化的所述响应信号这二者来提供关于所述触摸的信息。
33.根据权利要求28所述的方法，还包括施加电压到所述第一电极和第二电极以向用户提供触觉反馈。
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