CN107037903A - 寻址式感测元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种寻址式感测元件及其制造方法。寻址式感测元件包括基板、多个第一电极、多个第二电极、多个感测单元以及接触层。多个第一电极和多个第二电极位于基板的至少其中一表面上，其中多个第一电极沿着第一方向排列且沿着第二方向延伸，多个第二电极沿着第二方向排列且沿着第一方向延伸，且多个第一电极与多个第二电极投影至基板上形成多个交会区域。多个感测单元分别与每个第一电极和每个第二电极电性连接。接触层至少位于多个第一电极或多个第二电极上。本发明提供的寻址式感测元件及其制造方法，可藉由产生感应电荷而发电，并达到可挠性、透明且薄型的优点，此外，藉由感测元件中电极的排列方式，可达到更精密的感测度。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测元件及其制造方法，尤其涉及一种寻址式感测元件及其制造方法。
背景技术
科技与人类的互动在于接口的设计，如何将信息输入与输出为最重要的功能。人类的感知来自于五种知觉：视觉、听觉、味觉、嗅觉与触觉，其中以触觉为最直接的感知源但也较难以仿造。
感测元件是将接受到的触觉信号转换为电阻或电压的输出以表现出触觉的感测，而传统的感测元件通常需接外部电源以使感测元件正常运作，故其应用范围受限。因此，如何能够自行发电而不需外部电源供应的感测元件将可扩大其应用范围。
发明内容
本发明提供一种寻址式感测元件及其制造方法，可藉由产生感应电荷而发电，并达到可挠性、透明且薄型的优点，此外，藉由感测元件中电极的排列方式，可达到更精密的感测度。
本发明提供一种寻址式感测元件。寻址式感测元件包括基板、多个第一电极、多个第二电极、多个感测单元以及接触层。多个第一电极和多个第二电极位于基板的至少其中一表面上，其中多个第一电极沿着第一方向排列且沿着第二方向延伸，多个第二电极沿着第二方向排列且沿着第一方向延伸，且多个第一电极与多个第二电极投影至基板上形成多个交会区域。多个感测单元分别与每个第一电极和每个第二电极电性连接。接触层至少位于多个第一电极或多个第二电极上。
在本发明的一实施例中，上述接触层的厚度小于2mm。
在本发明的一实施例中，上述基板包括可挠性基板、硬式玻璃基板、导电基板、半导体基板、陶瓷基板、金属氧化物基板或其组合。
在本发明的一实施例中，上述第一电极和第二电极的材料包括金属、合金或金属氧化物。
在本发明的一实施例中，上述第一电极和第二电极位于基板的同一表面上。
在本发明的一实施例中，还包括绝缘层位于第一电极和第二电极之间。
在本发明的一实施例中，上述第一电极和第二电极位于基板的不同表面上。
本发明又提供一种寻址式感测元件的制造方法，其包括以下步骤。提供基板。形成多个第一电极和多个第二电极位于基板的至少其中一表面上，其中多个第一电极沿着第一方向排列且沿着第二方向延伸，多个第二电极沿着第二方向排列且沿着第一方向延伸，且多个第一电极与多个第二电极投影至基板上形成多个交会区域。提供多个感测单元分别与每个第一电极和每个第二电极电性连接。形成接触层至少位于多个第一电极或多个第二电极上。
在本发明的一实施例中，上述接触层的厚度小于2mm。
在本发明的一实施例中，上述基板包括可挠性基板、硬式玻璃基板、导电基板、半导体基板、陶瓷基板、金属氧化物基板或其组合。
在本发明的一实施例中，上述第一电极和第二电极的材料包括金属、合金或金属氧化物。
在本发明的一实施例中，上述第一电极和第二电极位于基板的同一表面上。
在本发明的一实施例中，还包括绝缘层位于第一电极和第二电极之间。
在本发明的一实施例中，上述第一电极和第二电极位于基板的不同表面上。
基于上述，本发明的寻址式感测元件，藉由材料的选择，可做成具有可挠性、透明且薄型的感测元件。又由于本发明是藉由对象与寻址式感测元件的接触层之间具有相对电位差产生感应电流或电压，不需再接外部电源，且相较于传统的触控装置或触控键盘，本发明的寻址式感测元件的厚度更薄。此外，本发明藉由多个长条电极排列而形成的多个交会区域的排列方式，可在单位面积内设置较高密度的电极排列。因此，本发明的感测元件可达到更精密的感测度。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1E为依照本发明的一实施例所显示的寻址式感测元件的制造方法的立体结构示意图；
图2为沿图1E的A-A’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图；
图3为依照本发明的另一实施例所显示的寻址式感测元件的立体结构示意图；
图4为沿图3的B-B’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图；
图5为依照本发明的又一实施例所显示的寻址式感测元件的立体结构示意图；
图6为沿图5的C-C’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图；
图7为依照本发明的又一实施例所显示的寻址式感测元件的立体结构示意图；
图8为沿图7的D-D’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图；
图9A至图9E为依据图2所显示的寻址式感测元件的电荷感应原理图。
附图标记：
100：基板
100a、100b：表面
102：第一电极
103、103a、103b：绝缘层
104：第二电极
106：交会区域
108：感测单元
110：接触层
200：物件
D1、D2、D3：方向
A-A’、B-B’、C-C’、D-D’：线
具体实施方式
图1A至图1E为依照本发明的一实施例所显示的寻址式感测元件的制造方法的立体结构示意图。图2为沿图1E之A-A’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图。
请参照图1A，提供基板100。基板100的材料包括可挠性材料或硬式材料，例如是聚对苯二甲酸乙酯(polyethylene terephthalate，PET)、玻璃、硅、不锈钢、氧化铝(Al2O3)、铝、聚酰亚胺(polyimide，PI)、聚间苯二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate，PEN)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、铜、塑料、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)等或其他具有可挠性的材料，这些可挠性的材料可以是透明的或不透明的。基板100的厚度例如是介于1微米(μm)至5毫米(mm)之间。在另一实施例中，基板100的厚度可例如是介于100μm至1mm之间。在一实施例中，基板100可例如是可挠性基板、硬式玻璃基板、导电基板、半导体基板、陶瓷基板、金属氧化物基板或其组合。
请同时参照图1B至图1D，形成多个第一电极102和多个第二电极104位于基板100的至少其中一表面上。
在此实施例中，第一电极102和第二电极104位于基板100的同一表面上。也就是说，第一电极102和第二电极104皆位于基板100的上表面100a上。但本发明不限于此。
在此实施例中，首先，如图1B所示，先形成多个第一电极102于基板100的上表面100a上，其中多个第一电极102沿着第一方向D1排列且沿着第二方向D2延伸。接着，如图1C所示，形成绝缘层103覆盖第一电极102和基板100。然后，如图1D所示，形成多个第二电极104于绝缘层103上，其中多个第二电极104沿着第二方向D2排列且沿着第一方向D1延伸。在此实施例中，绝缘层103位于第一电极102和第二电极104之间，也就是说，第一电极102和第二电极104之间具有绝缘层103电性隔离。
在一实施例中，多个第一电极102与多个第二电极104投影至基板100上形成多个交会区域106。在一实施例中，多个第一电极102与多个第二电极104投影至基板100上可以形成网状或格子状的排列。第一电极102和第二电极104的形状例如是长条状，但本发明不限于此。第一电极102和第二电极104的宽度例如是介于10nm至100mm之间，相邻电极之间的间距例如是介于10nm至100mm之间，第一电极102与第二电极104投影至基板100上形成的交会区域106的大小例如是介于10纳米(nm)至100mm之间，但本发明不限于此。
第一电极102、第二电极104和绝缘层103的形成方法例如是先形成第一电极材料层(未显示)于基板100上之后，对第一电极材料层进行图案化工艺以形成多个第一电极102沿着第一方向D1排列且沿着第二方向D2延伸。接着，形成绝缘层103覆盖第一电极102和基板100的表面。然后，形成第二电极材料层(未显示)于绝缘层103上之后，对第二电极材料层进行图案化工艺以形成多个第二电极104沿着第二方向D2排列且沿着第一方向D1延伸。
第一电极102和第二电极104的材料可以是金属、合金或金属氧化物，金属例如是铜、铝、银等导电良好的金属。金属氧化物例如是铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、铝锌氧化物、铟锗锌氧化物或其它合适的氧化物等透明的导电材料，但本发明不限于此。绝缘层103的材料例如是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、二氧化硅(SiO2)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)绝缘层103的厚度例如是介于10nm至100μm之间。
请继续参照图1D，提供多个感测单元108分别与每个第一电极102和每个第二电极104电性连接。感测单元108可用于表现经过第一电极102和第二电极104的电流或电压，以下会有关于感应电流产生的操作原理的说明。另外，感测单元108的另一端接地，以在感应电流产生的过程中，输入或输出电子维持整体寻址式感测元件呈电中性。
请参照图1E，形成接触层110于绝缘层103与第二电极104上。详细地说，接触层110是毯覆式(blanketly)形成在基板100的上表面100a上，且接触层110覆盖第一电极102、绝缘层103以及第二电极104。接触层110的材料例如是相对于以下所述用于与接触层110接触的对象之间具有相对电位差的材料皆可。例如是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、二氧化硅(SiO2)、金属薄膜、尼龙(Nylon)或其组合等，但本发明不限于此。这些接触层110的材料可以是具有可挠性且透明的材料。
以下，将利用图1E和图2针对本发明的寻址式感测元件的结构进行说明。
如图1E和图2所示，本发明的寻址式感测元件包括基板100、多个第一电极102、绝缘层103、多个第二电极104、多个感测元件108以及接触层110。多个第一电极102和多个第二电极104位于基板100的至少其中一表面100a上。多个第一电极102沿着第一方向D1排列且沿着第二方向D2延伸。多个第二电极104横越(cross)第一电极102，且沿着第二方向D2排列并沿着第一方向D1延伸。绝缘层103位于第一电极102和基板100上。接触层110位于绝缘层103以及第二电极104上。从另一方面来看，如图2所示，绝缘层103位于第一电极102和第二电极104之间，以电性隔离第一电极102和第二电极104。绝缘层103亦位于基板100和第二电极104之间，以电性隔离基板100和第二电极104。多个第一电极102与多个第二电极104投影至基板100上形成多个交会区域106。多个感测单元108分别与每个第一电极102和每个第二电极104电性连接。如图2所示，第一电极102、绝缘层103、第二电极104和接触层110是依序沿着第三方向D3往基板100上方形成。上述各构件的材料及制造方法如上所述，于此不再赘述。
值得一提的是，在本发明各构件的材料选择上，可选择具有可挠性且透明的材料，以使后续的应用范围扩大。
以下的实施例中，相同或相似的元件、构件、层以相似的元件符号来表示。举例来说，图1E的绝缘层103、图3的绝缘层103a以及图5的绝缘层103b为相同或相似的构件。于此不再逐一赘述。
图3为依照本发明的另一实施例所显示的寻址式感测元件的立体结构示意图。图4为沿图3的B-B’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图。
基本上，图3的寻址式感测元件与图1E的寻址式感测元件相似。上述两者不同之处在于：图3的绝缘层103a仅位于第一电极102和第二电极104之间。详细地说，在此实施例中，形成绝缘层103覆盖第一电极102和基板100之后，在形成多个第二电极104之前，会先移除非位于第一电极102和第二电极104之间的绝缘层103，因此，剩余的绝缘层103a仅位于第一电极102和第二电极104之间。换言之，在本实施例中，第一电极102和第二电极104的重叠处或交会处才具有绝缘层103a。绝缘层103a可电性隔离第一电极102和第二电极104。
图5为依照本发明的又一实施例所显示的寻址式感测元件的立体结构示意图。图6为沿图5的C-C’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图。
基本上，图5的寻址式感测元件与图3的寻址式感测元件相似。上述两者不同之处在于：图5的第一电极102的高度高于图3的第一电极102的高度；且图5的第二电极104的高度高于图3的第二电极104的高度。详细地说，在形成多个第一电极102和多个第二电极104位于基板100的至少其中一表面上之前，会先进行图案化工艺以在基板100形成多个沟渠(未显示)，多个沟渠的排列例如是网状或格子状，接着，再形成多个第一电极102和多个第二电极104并填满沟渠。因此，从图5的正面方向来看，第一电极102的底面低于基板100的上表面100a。也就是说，基板100的上表面100a具有凹凸表面。相同地，从图5的侧面方向来看，第二电极104的底面亦低于基板100的上表面100a。在此实施例中，藉由在基板100蚀刻形成沟渠，可增加后续形成的第一电极102和第二电极104高度，进而提升第一电极102和第二电极104表面积比，藉此可增加感应的电荷量。此外，在本实施例中，如图6所示，绝缘层103b仅位于第一电极102和第二电极104的重叠处或交会处，以电性隔离第一电极102和第二电极104。但本发明不限于此，在其他实施例中，绝缘层(未显示)亦可毯覆式形成在第一电极102与第二电极104之间以及第二电极104与基板100之间。
图7为依照本发明的又一实施例所显示的寻址式感测元件的立体结构示意图。图8为沿图7的D-D’线所显示的寻址式感测元件的剖面示意图。
基本上，图7的寻址式感测元件与图1E之寻址式感测元件相似。上述两者不同之处在于：图7的第一电极102和第二电极104位于基板100的不同表面上。详细地说，如图7和图8所示，第一电极102例如是位于基板100的上表面100a上，第二电极104例如是位于基板100的下表面100b上。在此实施例中，由于第一电极102和第二电极104之间有基板100间隔其间，因此不需另外形成绝缘层103位于第一电极102和第二电极104之间，但本发明不限于此。本实施例其他构件的材料及制造方法与图1A至图1E和图2相同，于此不再赘述。
图9A至图9E为依据图2所显示的寻址式感测元件的电荷感应原理图。
本发明的寻址式感测元件的操作原理将以图9A至图9E的寻址式感测元件的剖面示意图来说明。
在一实施例中，提供一相对于接触层110带有较高正电性的对象200。举例来说，接触层110例如是PDMS，对象200例如是手指，但本发明不限于此，只要相对于接触层110带有较高正电性的材料皆可作为对象200的材料。如图9A所示，在对象200与寻址式感测元件尚未接触或靠近时，并不会有感应电荷的产生。接着，如图9B所示，将对象200接触寻址式感测元件的接触层110，对象200与接触层110的接触区域位于多个第一电极102与多个第二电极104投影至基板100上所形成的多个交会区域106之一。由于对象200相对于接触层110带有较高正电性，会诱导接触层110与对象200接触的表面产生负电荷。然后，如图9C所示，当带有正电荷的对象200离开接触层110表面的瞬间，由于接触层110与对象200接触的表面仍呈现带负电的状态，促使第一电极102和第二电极104产生感应的正电荷。也就是说，此时第一电极102和第二电极104会有电子经过感测单元108并流向接地处，使得第一电极102和第二电极104逐渐产生正电荷。接着，如图9D所示，当对象200完全离开接触层110，此时电子的输出达最大值，同时此寻址式感测元件可视为电荷平衡的电中性状态。然后，如图9E所示，若将带有正电荷的对象200再次靠近接触层110，接触层110与对象200靠近的表面将感应出负电荷，而第一电极102和第二电极104将再次感应出正电荷，此时，电子会由接地处回流至第一电极102和第二电极104抵消感应出的正电荷，以维持对象200和接触层110达到电荷平衡的电中性状态。
此外，如图1E、9A-9E所示，由于本实施例的寻址式感测元件具有网状或格子状的排列的第一电极102与第二电极104，因此，本实施例的寻址式感测元件可藉由交错排列的第一电极102(可例如是Y方向)与第二电极104(可例如是X方向)，以达到定位对象200的功效。
在另一实施例中，提供一相对于接触层110带有较高负电性的对象。举例来说，接触层110例如是PDMS，对象例如是铁氟龙(Teflon)，但本发明不限于此，只要相对于接触层110带有较高负电性的材料皆可作为对象的材料。将此对象依照上述的方式接触、远离并再次靠进接触层110以产生感应电荷。在此实施例中，由于此对象相对于接触层110带有较高负电性，与上述对象200相对于接触层110带有较高正电性产生感应电荷的方式正好相反。
需注意的是，对象与接触层的材料并没有特别限制，只要对象与接触层的材料之间具有相对的电位差即可。举例来说，以下所述材料其带电性由正至负依序为皮肤、玻璃、尼龙(nylon)、羊毛(wool)、铅(lead)、棉花(cotton)、铝(aluminum)、纸(paper)、钢(steel)、明胶(gelatin)、镍和铜(nickel,copper)、金和铂(gold,platinum)、天然橡胶(natural rubber)、硫(sulfur)、醋酸盐(acetate)、聚酯(polyester)、赛璐珞(celluloid)、氨基甲酸乙酯(urethane)、聚乙烯(polyethylene)、乙烯(vinyl)、硅(silicon)、铁氟龙(teflon)。也就是说，对象与接触层的材料可以从中任选二种，此二种材料之间具有相对的电位差即可，但本发明不限于此。
如上述图9A至图9E所示，在对象与接触层110接触、离开至完全离开并再度靠近的过程中，本发明可藉由感测单元108来测量第一电极102和第二电极104之间输出或输入的电流或电压表现。换言之，本发明的寻址式感测元件仅藉由单一层的接触层110即可达到触控效果。相较于传统的触控装置或触控键盘，本发明的寻址式感测元件的整体厚度更薄。
另外，本发明可藉由交错排列的多个长条电极来形成多个交会区域。此交会区域呈一数组排列(array)，藉此达到定位对象的功效。当单位面积内的电极密度愈高(亦或交会区域密度愈高)，本发明的感测元件的感测度或定位功能则愈好。
值得一提的是，对象与接触层110接触面积的大小会影响产生的感应电荷的大小。举例来说，当对象200例如为手指，随着与接触层110接触的手指数目增加，所产生的感应电荷将增加。也就是说，产生的感应电流可随着手指数目增加而成等比增加。此外，施加对象与接触层110接触的力量的大小亦会影响产生的感应电荷的大小。举例来说，当对象200例如为手指，随着手指施加于与接触层110接触的力量增加，所产生的感应电荷将增加。因此，本发明可藉由对象200数目不同或是对象200与接触层110接触的力量不同，使得感测单元108所接收到的感应电荷不同，以达到多功能操作。所谓多功能操作，举例来说，可例如是利用两只手指来进行放大或缩小显示画面的操作；又或者是藉由加大手指的压力以达到拖曳影像的操作，但本发明不以此为限。
本发明的寻址式感测元件可应用于键盘、脉搏传感器、力量传感器、位移监测器、速度传感器、触控面板、应变传感器等相关应用，但本发明不限于此。
综上所述，本发明的寻址式感测元件，藉由材料的选择，可做成具有可挠性、透明且薄型的感测元件。又由于本发明是藉由对象与寻址式感测元件的接触层之间具有相对电位差产生感应电流或电压，不需再接外部电源，且相较于传统的触控装置或触控键盘，本发明的寻址式感测元件的厚度更薄。此外，本发明藉由多个长条电极排列而形成的多个交会区域的排列方式，可在单位面积内设置较高密度的电极排列。因此，本发明的感测元件可达到更精密的感测度。
虽然本发明已以实施例揭示如上，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，当可作些许的改动与润饰，均在本发明保护范围内。
Claims (14)
1.一种寻址式感测元件，其特征在于，包括：
基板；
多个第一电极和多个第二电极位于所述基板的至少其中一表面上，其中所述多个第一电极沿着第一方向排列且沿着第二方向延伸，所述多个第二电极沿着所述第二方向排列且沿着所述第一方向延伸，且所述多个第一电极与所述多个第二电极投影至所述基板上形成多个交会区域；
多个感测单元分别与每个第一电极和每个第二电极电性连接；以及
接触层至少位于所述多个第一电极或所述多个第二电极上。
2.根据权利要求1所述的寻址式感测元件，其特征在于，所述接触层的厚度小于2毫米。
3.根据权利要求1所述的寻址式感测元件，其特征在于，所述基板包括可挠性基板、硬式玻璃基板、导电基板、半导体基板、陶瓷基板、金属氧化物基板或其组合。
4.根据权利要求1所述的寻址式感测元件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属、合金或金属氧化物。
5.根据权利要求1所述的寻址式感测元件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述基板的同一表面上。
6.根据权利要求5所述的寻址式感测元件，其特征在于，还包括绝缘层位于所述第一电极和所述第二电极之间。
7.根据权利要求1所述的寻址式感测元件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述基板的不同表面上。
8.一种寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，包括：
提供基板；
形成多个第一电极和多个第二电极位于所述基板的至少其中一表面上，其中所述多个第一电极沿着第一方向排列且沿着第二方向延伸，所述多个第二电极沿着所述第二方向排列且沿着所述第一方向延伸，且所述多个第一电极与所述多个第二电极投影至所述基板上形成多个交会区域；
提供多个感测单元分别与每个第一电极和每个第二电极电性连接；以及
形成接触层至少位于所述多个第一电极或所述多个第二电极上。
9.根据权利要求8所述的寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，所述接触层的厚度小于2毫米。
10.根据权利要求8所述的寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，所述基板包括可挠性基板、硬式玻璃基板、导电基板、半导体基板、陶瓷基板、金属氧化物基板或其组合。
11.根据权利要求8所述的寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属、合金或金属氧化物。
12.根据权利要求8所述的寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述基板的同一表面上。
13.根据权利要求12所述的寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，还包括形成绝缘层位于所述第一电极和所述第二电极之间。
14.根据权利要求8所述的寻址式感测元件的制造方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述基板的不同表面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170811 |