CN108303018A - 分层异向位移型拉伸传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分层异向位移型拉伸传感器，包含一第一弹性绝缘层、一第一弹性导电层、一弹性介电层、一第二弹性导电层以及一第二弹性绝缘层。第一弹性导电层设置于第一弹性绝缘层，并且包含复数个第一耦合段与复数个第一连接段。弹性介电层覆盖于第一弹性导电层。第二弹性导电层包含复数个第二耦合段与复数个设置于第二耦合段间的第二连接段。第二弹性绝缘层覆盖于第二弹性导电层。其中，当第一弹性绝缘层与第二弹性绝缘层反向被拉伸时，第一耦合段与第二耦合段分别产生位移，借以改变第一耦合段与第二耦合段间的耦合电容量。本发明可以利用分层异向位移的方式来增加两侧电极之间的感应电容变化量。

Description

分层异向位移型拉伸传感器

技术领域

本发明涉及一种拉伸传感器，尤其涉及一种分层异向位移型拉伸传感器。

背景技术

在人机互动的领域中，由于穿戴式装置可穿戴在使用者的身上，进而成为使用者的一部分，并提供使用者通过本身的肢体动作进行操作，因此不仅可以有效的融入使用者的日常生活之中，更能因为穿戴式装置提供的功能来让使用者的生活更加便利。

然而，由于穿戴式装置主要是通过各种传感器来感测使用者的动作，因此传感器必需要具备有可挠性与伸缩性，借以感测到各种弯曲或伸展的动作。

在现有技术中，为了使传感器具备有伸缩性的功能，主要是在弹性体的两侧设有电极，进而通过两侧的电极形成感应电容，借以在弹性体受到拉伸而缩短两侧电极之间的距离时，使两侧电极所形成的感应电容产生变化，进而计算出拉伸变形量；其中，虽然通过上述的技术可以感测到拉伸变形量，但由于靠缩短两侧电极的距离来使感应电容产生变化的方式，传感器必须要拉伸一定的距离才能明显的变形，进而缩短两侧电极之间的距离，因此现有的传感器并无法灵敏的感测到细微的拉伸变化。

发明内容

有鉴于在现有技术中，现有的传感器主要是通过在弹性体的两侧设置有电极，因此当弹性体受到拉伸时，弹性体会因为向外伸展而使两侧电极之间的距离缩短，进而使得两侧电极所形成的感应电容产生变化，然而由于其变化有限，导致感应电容的变化不明显，因此并无法作较灵敏的感测；缘此，本发明的目的在于提供一种分层异向位移型拉伸传感器，以利用分层异向位移的方式来增加两侧电极之间的感应电容变化量。

本发明为解决现有技术的问题，所采用的必要技术手段是提供一种分层异向位移型拉伸传感器，包含一第一弹性绝缘层、一第一弹性导电层、一弹性介电层、一第二弹性导电层以及一第二弹性绝缘层。

第一弹性绝缘层具有一第一连结部与一第一拉伸操作端部，第一拉伸操作端部一体成型地自第一连结部沿一第一方向延伸出。

第一弹性导电层设置于第一连结部，并且包含复数个第一耦合段以及复数个第一连接段。复数个第一耦合段彼此相间隔地排列设置，复数个第一连接段设置于第一耦合段之间，借以使第一耦合段彼此电性连结。较佳者，第一连接段交错地位于第一耦合段的两侧；此外，第一耦合段以一第一间距彼此相间，且第一耦合段各具有一第一宽度，第一宽度与第一间距的比值为1.67。

弹性介电层设置于第一连结部，并覆盖于第一弹性导电层。其中，弹性介电层包含一弹性树脂与一介电材料。弹性树脂的组成至少包含单乙烯基封端二甲基硅氧烷(Monovinyl terminated polydimethylsiloxane)、乙烯基Q硅树脂(Vinyl modified Qsilica resin)以及二甲基甲基氢(硅氧烷与聚硅氧烷)(Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer,trimethylsiloxane terminated)；该介电材料的组成至少包含一Sr_1-xCa_xTiO₃化合物、一Sr_1-yBa_yTiO₃化合物或一BaTiO₃化合物，且0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，以使该介电材料的介电常数(Dielectric Constant；K)维持在14至8000之间，进而使该弹性介电层的介电常数维持在4.85至300之间。此外，介电材料由Sr_1-xCa_xTiO₃化合物所组成，以使介电材料的介电常数维持在14至30之间，且弹性介电层含有10wt％至20wt％的介电材料。

第二弹性导电层设置于弹性介电层，通过弹性介电层而与第一弹性导电层相间隔，并且包含复数个第二耦合段以及复数个第二连接段。复数个第二耦合段对应于第一耦合段而彼此相间隔地排列设置，并与第一耦合段之间形成一总初始耦合电容量。复数个第二连接段设置于第二耦合段之间，借以使第二耦合段彼此电性连结。较佳者，第二连接段交错地设置于第二耦合段的两侧，且第一连接段与第二连接段彼此交错地排列；此外，第二耦合段以一第二间距彼此相间，且第二耦合段各具有一第二宽度，第二宽度与第二间距的比值为1.67。

第二弹性绝缘层具有一第二连结段与一第二拉伸操作端部，第二连结段设置于弹性介电层，并覆盖于第二弹性导电层，且第二拉伸操作端部一体成型地自第二连结段沿一与第一方向相反的第二方向延伸出。

其中，当第一拉伸操作端部与第二拉伸操作端部分别沿第一方向与第二方向被拉伸，而使分层异向位移型拉伸传感器被拉伸至一拉伸长度时，第一耦合段与第二耦合段分别沿第一方向与第二方向位移，借以产生一对应于拉伸长度的总拉伸耦合电容量，且总拉伸耦合电容量小于总初始耦合电容量。

如上所述，由于本发明所提供的分层异向位移型拉伸传感器是在弹性介电层的两侧分别设有第一弹性导电层与第二弹性导电层，因此第一弹性导电层的复数个第一耦合段可与第二弹性导电层的复数个第二耦合段互相感应而形成一总初始耦合电容量，当第一弹性绝缘层与第二弹性绝缘层分别沿第一方向与第二方向被拉伸时，第一耦合段与第二耦合段会分别沿第一方向与第二方向位移，至使两者之间产生一对应于拉伸长度的总拉伸耦合电容量，借此，使用者可以通过比较总拉伸耦合电容量与总初始耦合电容量来计算出分层异向位移型拉伸传感器被拉伸的幅度。

附图说明

图1显示本发明较佳实施例所提供的分层异向位移型拉伸传感器的立体分解示意图；

图2显示本发明较佳实施例所提供的分层异向位移型拉伸传感器的立体示意图；

图3显示第一弹性导电层与第二弹性导电层的平面示意图；

图4显示图3的圈B放大示意图；

图5显示图2的A-A剖面示意图；

图6显示图5的圈C放大示意图；

图7显示图5的分层异向位移型拉伸传感器被拉伸的剖面示意图；以及

图8为图7圈D的放大示意图。

附图标号说明：

100 分层异向位移型拉伸传感器；

1 第一弹性绝缘层；

11 第一连结部；

12 第一拉伸操作端部；

2 第一弹性导电层；

21 第一耦合段；

22 第一连接段；

3 弹性介电层；

4 第二弹性导电层；

41 第二耦合段；

42 第二连接段；

5 第二弹性绝缘层；

51 第二连结段；

52 第二拉伸操作端部；

S1 第一间距；

S2 第二间距；

W1 第一宽度；

W2 第二宽度；

L1 第一方向；

L2 第二方向。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书的范围，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参阅图1与图2，图1显示本发明较佳实施例所提供的分层异向位移型拉伸传感器的立体分解示意图；图2显示本发明较佳实施例所提供的分层异向位移型拉伸传感器的立体示意图。如图所示，一种分层异向位移型拉伸传感器100包含一第一弹性绝缘层1、一第一弹性导电层2、一弹性介电层3、一第二弹性导电层4以及一第二弹性绝缘层5。

第一弹性绝缘层1具有一第一连结部11与一第一拉伸操作端部12，第一拉伸操作端部12一体成型地自第一连结部11沿一第一方向L1延伸出。

请继续参阅图3与图4，图3显示第一弹性导电层与第二弹性导电层的平面示意图；图4显示图3的圈B放大示意图。第一弹性导电层2设置于第一连结部11，并且包含复数个第一耦合段21以及复数个第一连接段22。多个第一耦合段21以一第一间距S1彼此相间隔地排列设置，且每个第一耦合段21各具有一第一宽度W1，第一宽度W1与第一间距S1的比值为1.67。在本实施例中，第一耦合段21的第一宽度W1为0.5mm，而第一间距S1为0.3mm。

多个第一连接段22分别设置于多个第一耦合段21之间，并交错地位于多个第一耦合段21的两侧，借以使上述复数个第一耦合段21能通过上述复数个第一连接段22彼此电性连结。

弹性介电层3设置于第一连结部11，并覆盖于第一弹性导电层2。其中，弹性介电层3的组成包含一弹性树脂与一介电材料。

在本实施例中，弹性树脂包含单乙烯基封端二甲基硅氧烷(Monovinylterminated polydimethylsiloxane，CAS No.为68951-99-5)、乙烯基Q硅树脂(Vinylmodified Q silica resin，CAS No.为68584-83-8)以及二甲基甲基氢(硅氧烷与聚硅氧烷)(Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer,trimethylsiloxaneterminated，CAS No.为68037-59-2)，且弹性树脂的组成所包含的单乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷的含量大于70％，弹性树脂的组成所包含的乙烯基改性Q硅树脂的含量小于30％，弹性树脂的组成所包含的二甲基甲基氢(硅氧烷与聚硅氧烷)的含量小于10％；在本实施例中，弹性树脂的组成所包含的单乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基改性Q硅树脂以及二甲基甲基氢(硅氧烷与聚硅氧烷)的含量分别为75％、20％与5％。

弹性介电层3所包含的介电材料的组成至少包含一Sr_1-xCa_xTiO₃化合物、一Sr_{1- y}Ba_yTiO₃化合物或一BaTiO₃化合物，且0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，以使该介电材料的介电常数(Dielectric Constant；K)维持在14至8000之间，进而随着3.75wt％至20wt％的添加量而使弹性介电层3的介电常数维持在4.85至300之间。

下述表一为介电材料的组成包含Sr_1-xCa_xTiO₃化合物但不包含Sr_1-yBa_yTiO₃化合物与BaTiO₃化合物时，介电材料在不同添加量下所相对提升的介电常数，如表一所示，当x＝0.1时，介电材料(Sr_0.9Ca_0.1TiO₃)的介电常数为30；当x＝0.9时，介电材料(Sr_0.1Ca_0.9TiO₃)的介电常数为14。另外，当弹性介电层3的介电材料的添加量为10wt％至20wt％，随着Sr_{1- x}Ca_xTiO₃化合物的x值不同，添加介电材料后所相对提升的介电常数也会不同，进而使得弹性介电层3通过添加10wt％至20wt％的介电材料后，可以相对的提升1.4至6的介电常数。

表一：

承上所述，由于在本实施例中，弹性介电层3的弹性树脂的介电常数为3.45，因此在弹性树脂与x＝0.1或0.9的介电材料(Sr_1-xCa_xTiO₃化合物)添加不同比例的情况下，弹性介电层3的介电常数会有不同程度的提升。同时，本实施例中的介电材料的组成亦可以Sr_{1- y}Ba_yTiO₃化合物或BaTiO₃化合物加以取代，例如添加3.75wt％的BaTiO₃化合物，即可使弹性介电层3的介电常数达到300(由于弹性树脂本身的介电常数相对较低而在此忽略不计)。

此外，在另一实施例中，介电材料的组成可同时包含Sr_1-yBa_yTiO₃化合物与BaTiO₃化合物，而Sr_1-yBa_yTiO₃化合物在0.1≤y≤0.9时的介电常数的范围为1000至4000之间，BaTiO₃化合物的介电常数的范围则介于3000至8000之间；借此，当Sr_1-yBa_yTiO₃化合物与BaTiO₃化合物的介电常数分别为最大值，且介电材料中的Sr_1-yBa_yTiO₃化合物与BaTiO₃化合物的比例为1：1时，弹性树脂只要添加5wt％的介电材料便能使产生的弹性介电层3的介电常数达到300(由于弹性树脂本身的介电常数相对较低而在此忽略不计)。

除上述实施例之外，在其他实施例中，介电材料的组成可同时包含Sr_1-xCa_xTiO₃化合物与Sr_1-yBa_yTiO₃化合物；或者同时包含Sr_1-xCa_xTiO₃化合物与BaTiO₃化合物；又或者同时包含Sr_1-xCa_xTiO₃化合物、Sr_1-yBa_yTiO₃化合物与BaTiO₃化合物。

第二弹性导电层4设置于弹性介电层3，以通过弹性介电层3而与第一弹性导电层2相间隔，且第二弹性导电层4包含复数个第二耦合段41以及复数个第二连接段42。多个第二耦合段41分别对应于多个第一耦合段21而彼此相间隔地排列设置，意即第二耦合段41与第一耦合段21是重叠地设置于弹性介电层3的两侧面，且每个第二耦合段41皆与相对应重叠的第一耦合段21耦合，进而在相对应的两者间形成一初始耦合电容量。其中，多个第二耦合段41之间以一第二间距S2彼此相间，且每个第二耦合段41各具有一第二宽度W2，第二宽度W2与第二间距S2的比值为1.67。在本实施例中，第二耦合段41的第二宽度W2为0.5mm，而第二间距S2为0.3mm。

多个第二连接段42分别设置于多个第二耦合段41之间，并交错地位于多个第二耦合段41的两侧，借以使第二耦合段41彼此电性连结。其中，第一连接段22与第二连接段42彼此交错地排列，借以使第二弹性导电层4与第一弹性导电层2之间仅通过第一耦合段21与第二耦合段22的重叠来互相耦合。

承上所述，在本实施例中，相对重叠的第一耦合段21与第二耦合段41的重叠率需大于10％才能产生感应电容。此外，每个第一耦合21与相对应的每个第二耦合段41会分别产生一个别初始耦合电容量，而加总后即为总初始耦合电容量。

第二弹性绝缘层5具有一第二连结段51与一第二拉伸操作端部52，第二连结段51设置于弹性介电层3，并覆盖于第二弹性导电层4，且第二拉伸操作端部52一体成型地自第二连结段51沿一与第一方向L1相反的第二方向L2延伸出。

请继续参阅图5至图8，图5显示图2的A-A剖面示意图；图6显示图5的圈C放大示意图；图7显示图5的分层异向位移型拉伸传感器被拉伸的剖面示意图；图8为图7圈D的放大示意图。其中，由于分层异向位移型拉伸传感器100在本实施例中是通过印刷的方式一层一层堆叠成型，且由于第一弹性导电层2与第二弹性导电层4本身皆会形成多个间隙，因此弹性介电层3与第二弹性绝缘层5皆会在形成时分别填入第一弹性导电层2与第二弹性导电层4的间隙中，进而形成如图5至图8所示，相对的，图1与图2仅是以简单的示意分层异向位移型拉伸传感器100的组成元件之间的关系，因此并显示图5至图8所示。

如图5至图8所示，当第一拉伸操作端部12与第二拉伸操作端部52分别沿第一方向L1与第二方向L2被拉伸，而使分层异向位移型拉伸传感器100被拉伸至一拉伸长度时，第一耦合段21与第二耦合段41分别沿第一方向L1与第二方向L2位移，借以产生复数个个别拉伸耦合电容量，而这些个别拉伸耦合电容量加总后即为一对应于拉伸长度的总拉伸耦合电容量，且总拉伸耦合电容量小于总初始耦合电容量。

承上所述，更详细的说，当第一弹性绝缘层1是以第一拉伸操作端部12沿第一方向L1被拉伸，而第二弹性绝缘层5是以第二拉伸操作端部52沿第二方向L2被拉伸时，由于第一弹性绝缘层1与第二弹性绝缘层5之间是通过弹性介电层3连结，因此弹性介电层3为第一弹性绝缘层1与第二弹性绝缘层5的相对受力部分，也因此第一弹性绝缘层1会以弹性介电层3为基础，并以受力的第一拉伸操作端部12拉伸变形量较多，而第一连结部11拉伸变形量则相对的较少，意即第一弹性绝缘层1的拉伸变形量会由第一连结部11沿着第一方向L1朝第一拉伸操作端部12递增，而第二弹性绝缘层5的拉伸变形量则是相对的由第二连结部51沿着第二方向L2朝第二拉伸操作端部52递增。

承上所述，在第一弹性绝缘层1与第二弹性绝缘层5被拉伸而分别沿第一方向L1与第二方向L2伸长时，第一耦合段21与第二耦合段41会先在邻近第一拉伸操作端部12与第二拉伸操作端部52处产生偏移，然后随着第一弹性绝缘层1与第二弹性绝缘层5的伸长率增加时，第一耦合段21与第二耦合段41会渐渐的在远离第一拉伸操作端部12与第二拉伸操作端部52处产生偏移，意即第一耦合段21与第二耦合段41之间的偏移量会随着第一弹性绝缘层1与第二弹性绝缘层5的伸长率递增而由弹性介电层3的两侧处朝中心处递增，因此，随着第一耦合段21与第二耦合段41之间的偏移量递增，第一弹性导电层2与第二弹性导电层4之间的总拉伸耦合电容量也会递减，借此使用者便能通过总拉伸耦合电容量与分层异向位移型拉伸传感器100未受到拉伸时的初始耦合电容量进行比较，进而计算出分层异向位移型拉伸传感器100的拉伸变形量。

综上所述，相较于现有技术的传感器主要是通过弹性体因为被拉伸而使得两侧电极之间的距离缩短，进而使得两侧电极所形成的感应电容产生变化；由于本发明的分层异向位移型拉伸传感器是通过弹性介电层分隔第一弹性导电层与第二弹性导电层，因此当第一弹性绝缘层与第二弹性绝缘层分别沿第一方向与第二方向被拉伸时，会带动第一弹性导电层与第二弹性导电层分别沿第一方向与第二方向产生位移，进而使得第一弹性导电层与第二弹性导电层之间的总耦合电容量产生变化。

承上所述，由于第一弹性导电层与第二弹性导电层分别设有复数个第一耦合段与复数个第二耦合段，且第一弹性导电层与第二弹性导电层会随着第一弹性绝缘层与第二弹性绝缘层在第一方向与第二方向上有递增的弹性拉伸变形量，因此即使只有些微的拉伸，亦可以通过第一耦合段与第二耦合段耦合的数量与耦合量不同而导致第一弹性导电层与第二弹性导电层之间整体的总耦合电容量也会有细微的变化，借此，本发明的分层异向位移型拉伸传感器确实可以有效的拉伸变形量的感应灵敏度。

此外，本发明亦可将多个分层异向位移型拉伸传感器进行叠加，进而提升拉伸变形量的感应灵敏度。

上述仅为本发明较佳的实施例而已，并不对本发明进行任何限制。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术手段的范围内，对本发明揭示的技术手段和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术手段的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分层异向位移型拉伸传感器，包含：

一第一弹性绝缘层，具有一第一连结部与一第一拉伸操作端部，所述第一拉伸操作端部一体成型地自所述第一连结部沿一第一方向延伸出；

一第一弹性导电层，设置于所述第一连结部，包含：

复数个第一耦合段，彼此相间隔地排列设置；以及

复数个第一连接段，设置于所述复数个第一耦合段之间，借以使所述复数个第一耦合段彼此电性连结；

一弹性介电层，设置于所述第一连结部，并覆盖于所述第一弹性导电层；

一第二弹性导电层，设置于所述弹性介电层，通过所述弹性介电层而与所述第一弹性导电层相间隔，并且包含：

复数个第二耦合段，对应于所述复数个第一耦合段而彼此相间隔地排列设置，并与所述复数个第一耦合段之间形成一总初始耦合电容量；以及

复数个第二连接段，设置于所述复数个第二耦合段之间，借以使所述复数个第二耦合段彼此电性连结；以及

一第二弹性绝缘层，具有一第二连结段与一第二拉伸操作端部，所述第二连结段设置于所述弹性介电层，并覆盖于所述第二弹性导电层，且所述第二拉伸操作端部一体成型地自所述第二连结段沿一与所述第一方向相反的第二方向延伸出；

其中，当所述第一拉伸操作端部与所述第二拉伸操作端部分别沿所述第一方向与所述第二方向被拉伸，而使所述分层异向位移型拉伸传感器被拉伸至一拉伸长度时，所述复数个第一耦合段与所述复数个第二耦合段分别沿所述第一方向与所述第二方向位移，借以产生一对应于所述拉伸长度的总拉伸耦合电容量，且所述总拉伸耦合电容量小于所述初始耦合电容量。

2.根据权利要求1所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述复数个第一连接段交错地位于所述复数个第一耦合段的两侧，所述复数个第二连接段交错地位于所述复数个第二耦合段的两侧，且所述复数个第一连接段与所述复数个第二连接段彼此交错地排列。

3.根据权利要求1所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述弹性介电层包含一弹性树脂与一介电材料。

4.根据权利要求3所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述弹性树脂的组成至少包含单乙烯基封端二甲基硅氧烷、乙烯基Q硅树脂以及二甲基甲基氢(硅氧烷与聚硅氧烷)。

5.根据权利要求3所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述介电材料的组成至少包含一Sr_1-xCa_xTiO₃化合物、一Sr_1-yBa_yTiO₃化合物或一BaTiO₃化合物，且0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，以使所述介电材料的介电常数维持在14至8000之间，进而使所述弹性介电层的介电常数维持在4.85至300之间。

6.根据权利要求5所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述介电材料由所述Sr_{1- x}Ca_xTiO₃化合物所组成，以使所述介电材料的介电常数维持在14至30之间。

7.根据权利要求6所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述弹性介电层含有10wt％至20wt％的所述介电材料。

8.根据权利要求1所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述复数个第一耦合段以一第一间距彼此相间，且所述复数个第一耦合段各具有一第一宽度，所述第一宽度与所述第一间距的比值为1.67。

9.根据权利要求8所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述复数个第二耦合段以一第二间距彼此相间，且所述复数个第二耦合段各具有一第二宽度，所述第二宽度与所述第二间距的比值为1.67。

10.根据权利要求9所述的分层异向位移型拉伸传感器，其中，所述第二间距等于所述第一间距。