CN108458815B - 透明压力感测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透明压力感测器及其制造方法。透明压力感测器包括数层透明电极、位于透明电极之间的至少一感压变形层以及一金属氧化物层。各层透明电极是由纳米线所构成，而所述金属氧化物层则位于各层透明电极的纳米线间的间隙。本发明的透明压力感测器是通过电容的变化来感测出压力，且整体为透明的结构。

Description

透明压力感测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压力感测技术，且特别涉及一种透明压力感测器及其制造方法。

背景技术

在现有技术中，压力感测器的感压变形层大多是在树脂中混合导电粒子的方式形成，其是通过在受压时，受压部位的厚度变薄，导致导电粒子之间的距离变短而使输出电阻降低；换言之，受压部位的导电率会因此上升，而可以作为感压变形层使用。这种压力感测器因为对于导电率要求较高，所以电极本身大多采用金属层，而无法达到整体呈透明的压力感测器。

发明内容

本发明提供一种透明压力感测器，通过电容的变化来感测出压力，且整体为透明的结构。

本发明另提供一种透明压力感测器的制造方法，能制作出整体为透明的压力感测器。

本发明的透明压力感测器，包括数层透明电极、至少一感压变形层以及一金属氧化物层。所述透明电极是由多个纳米线所构成，且感压变形层是位于两层透明电极之间，而金属氧化物层则位于各层透明电极的纳米线间的间隙。

本发明的另一透明压力感测器，包括由多个纳米线所构成的第一透明电极、由多个纳米线所构成的第二透明电极、位于第一与第二透明电极之间的一感压变形层以及位于纳米线之间的间隙的一金属氧化物层。所述第一透明电极具有一第一端，所述第二透明电极具有一第二端。

本发明的透明压力感测器的制造方法，包括进行第一打印过程，形成由数条纳米线所构成的数条透明电极；再进行第二打印过程，以于纳米线间的间隙形成一半导体胶层，其中半导体胶层包括溶剂以及金属氧化物前驱物。然后进行第三打印过程，以于半导体胶层与透明电极上形成一感压变形层。重复上述第一至第三打印过程，再进行热过程，以去除半导体胶层中的溶剂并使金属氧化物前驱物还原成金属氧化物。

基于上述，本发明采用纳米线所构成的透明电极与透明的感压变形层，所以能制备出整体为透明的压力感测器，且于制造期间在纳米线间的间隙填入半导体胶层，以增进相邻纳米线之间的接合，进而提升线路的稳定性以及导电性，并防止后续打印感压变形层时的断线问题。

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，并配合所示附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种透明压力感测器的剖面示意图。

图2是图1的透明压力感测器的透明电极的断面放大图。

图3是依照本发明的另一实施例的一种透明压力感测器的平面示意图。

图4A至图4E是依照本发明的又一实施例的透明压力感测器的制造流程剖面示意图。

图5是实验例的压力感测曲线图。

附图标记说明：

100：透明压力感测器

102a、102b、102c、102d、300、302、400、406：透明电极

104a、104b、104c、104d、304、404、410：感压变形层

106：基板

200：纳米线

202：金属氧化物层

402、408：半导体胶层

具体实施方式

请参照图1，在本实施例中，透明压力感测器100包括数层透明电极102a、102b、102c与102d、数层感压变形层104a、104b、104c与104d和一金属氧化物层。在图1中显示所有构件都形成在基板106上，而感压变形层104a位于透明电极102a和102b之间，感压变形层104b位于透明电极102b和102c之间，感压变形层104c位于透明电极102c和102d之间，感压变形层104d覆盖透明电极102d。本实施例的透明压力感测器100是通过因施压所改变的透明电极102a、102b、102c与102d之间的距离所导致的电容变化，来感测压力的大小；例如在受压时，受压部位的感压变形层104a、104b和104c会变薄，导致其间的电容值减少。而且，由于透明电极102a和102c是电性接合至一端，而透明电极102b与102d是电性接合至另一端，所以如要测量透明压力感测器100的电容值，只需将电表接通上述两端，就能得到感压变形层104a、104b和104c的电容值。

由于本实施例不需要如同电阻式压力感测器需顾及导电率，所以可以只用透明电极102a、102b、102c与102d，而达到整体呈透明的压力感测器。此外，只要确保透明电极102a、102b、102c与102d之间有感压变形层104a、104b和104c即可，覆盖透明电极102d的感压变形层104d则可作为保护或缓冲的结构，抑或省略该层。

在本实施例中，透明电极102a、102b、102c与102d中任一个如图2的断面图所示，单一层透明电极是由多条纳米线200所构成，且于纳米线200间的间隙形成有金属氧化物层202，其中纳米线200的材料例如金、银、铜等金属；金属氧化物层202的材料例如二氧化钛、氧化锌或氧化钨。在图2中，金属氧化物层202填满纳米线200的间隙，且金属氧化物层202可采用含金属氧化物前驱物的胶体层，并通过毛细现象而囤积于纳米线200的间隙与交界处，再利用热处理上金属氧化物前驱物还原得到。另外，形成于纳米线200的表面上的金属氧化物层202的厚度例如介于0.1纳米至10纳米之间，但本发明并不限于此。由于金属氧化物层202几乎包覆住纳米线200，所以可作为纳米线200的保护膜。此外，聚集在纳米线200交会处的金属氧化物层202也能增进纳米线200之间的接合，进而提升线路的稳定性以及导电性。另外，金属氧化物层202也可增加透明电极与基板106间的黏着性，进而提升整体线路结构的稳定性。

请参照图3，为了清楚起见，图3省略示出部分构件。透明压力感测器的透明电极300和302是线状电极，而感压变形层304位于两层透明电极300和302之间。透明电极300和302可参照图2是由多条纳米线200所构成，且纳米线间的间隙有金属氧化物层202，故不再赘述。在图3中，线状电极(即300和302)的延伸方向不同，但本发明并不限于此。

关于本发明的制造流程剖面示意图。请先参照图4A，进行第一打印过程，形成一层由数条纳米线构成的透明电极400，其中纳米线的材料例如金、银或铜。所述第一打印过程可为3D打印。

然后请参照图4B，进行第二打印过程，形成一半导体胶层402于透明电极400间的间隙，其中半导体胶层402包括溶剂以及金属氧化物前驱物，且所述金属氧化物前驱物例如二氧化钛前驱物、氧化锌前驱物或氧化钨前驱物；溶剂例如水。在本实施例中，因为毛细现象的关系，所以半导体胶层402会囤积在透明电极400间的间隙。所述第二打印过程可为3D打印。而且，在第二打印过程完成后，半导体胶层402几乎都会是干燥的。

接着请参照图4C，进行第三打印过程，以于半导体胶层402与透明电极400上形成一感压变形层404。所述第三打印过程可为3D打印。由于半导体胶层402与感压变形层404一般含有不互溶的材料与溶剂，所以上述第二打印过程之后立即进行第三打印过程也不会有半导体胶层402与感压变形层404相互影响的问题。

重复上述第一与第二打印过程，可得到图4D的结构，其中显示透明电极406与半导体胶层408。从图4D可观察到上下两层透明电极400和406是呈阵列排列，所以本实施例还能应用于触控面板之类的感压触控装置。

然后，再进行一次第三打印过程，可得到图4E的结构，其中显示另一感压变形层410。由于本实施例是利用打印的方式形成各层，所以可根据需求重复数次第一至第三打印过程，来制造出透明且多层的压力感测器。最后进行热过程，以去除半导体胶层402和408中的溶剂并使金属氧化物前驱物还原成金属氧化物，如二氧化钛、氧化锌或氧化钨。上述热过程的热处理温度例如在50℃～200℃之间。此外，在上述第二打印过程之后，也可选择性地进行50℃～200℃的低温烘烤，并静置10分钟～20分钟，以使半导体胶层402以及/或是408稳定固化。由于本实施例的所有热过程的温度都落于低温加热区间，故本实施例可应用于塑胶软板基材。

以下实际制作透明压力感测器且验证其功能。

实验例

首先，在两片玻璃基板上分别喷印含有纳米银线的金属墨水。接着，在其中一片玻璃基板的金属墨水上喷印含有二氧化钛前驱物和水的半导体胶，然后将两片玻璃基板压合。然后，在150℃下烘烤1小时以去除溶剂(水)并使二氧化钛前驱物还原成二氧化钛。至此，即可在两片玻璃基板之间完成两层由纳米银线构成的透明电极并夹一层半导体胶层的简单的透明压力感测器，其透光率约在90％以上。在上述各段打印(喷印)过程期间，玻璃基板一直保持约80℃的温度。

压力感测测试

对实验例的透明压力感测器进行电容值量测，得到未施压时的电容值为0.2nF；按压后测得电容值为0.29nF。图5是对实验例的透明压力感测器按压三次的操作时间(operation time)对感测回应(sensing responses)的曲线图，其中感测回应是∣ΔC∣/C₀，其中ΔC是电容的差值、C₀是未施压时的电容值。在图5中的三个箭头就代表按压三次，所以每次按压都能马上感测。

综上所述，本发明通过纳米线所构成的透明电极与一般为透明的感压变形层，能制备出整体为透明的压力感测器，且在纳米线间的间隙填入半导体胶层，因此能增进相邻纳米线之间的接合，进而提升透明电极的稳定性以及导电性，并防止后续打印感压变形层时的断线问题。

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技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，但这些更改和润饰均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种透明压力感测器，其特征在于，包括：

多数层透明电极，且各层所述透明电极是由多条纳米线所构成，其中各层所述透明电极为线状电极，而各层的所述线状电极的延伸方向不同且互不平行；

多数感压变形层，位于所述多数层透明电极之间并覆盖所述多数层透明电极，其中所述多数感压变形层的侧壁为倾斜面；以及

金属氧化物层，位于各层所述透明电极的所述多条纳米线间的间隙，其中所述金属氧化物层形成于所述多条纳米线的表面上且所述金属氧化物层的厚度介于0.1纳米至10纳米之间。

2.根据权利要求1所述的透明压力感测器，其中各层的所述线状电极呈阵列排列。

3.一种透明压力感测器，其特征在于，包括：

第一透明电极，具有第一端；

第二透明电极，具有第二端，且所述第一透明电极与所述第二透明电极是由多条纳米线所构成，其中所述第一透明电极包括多条第一线状电极，所述第二透明电极包括多条第二线状电极，而所述多条第一线状电极与所述多条第二线状电极的延伸方向不同且互不平行；

多数感压变形层，位于所述第一透明电极与所述第二透明电极之间并覆盖所述第一透明电极与所述第二透明电极，其中所述多数感压变形层的侧壁为倾斜面；以及

金属氧化物层，位于所述多条纳米线之间的间隙，其中所述金属氧化物层形成于所述多条纳米线的表面上且所述金属氧化物层的厚度介于0.1纳米至10纳米之间。

4.根据权利要求3所述的透明压力感测器，其中所述多条第一线状电极电性接合在所述第一端以及所述多条第二线状电极电性接合在所述第二端。

5.根据权利要求4所述的透明压力感测器，其中所述至少一感压变形层还包括位于所述多条第一线状电极之间与所述多条第二线状电极之间。

6.一种透明压力感测器的制造方法，其特征在于，包括：

进行第一打印过程，形成由多条纳米线所构成的多条透明电极，其中所述多条透明电极为线状电极；

进行第二打印过程，形成一半导体胶层于所述多条透明电极间的间隙；

进行第三打印过程，以于所述半导体胶层与所述多条透明电极上形成一感压变形层，其中所述半导体胶层包括溶剂以及金属氧化物前驱物；

重复所述第一打印过程、所述第二打印过程与所述第三打印过程至少一次，其中所述感压变形层覆盖所述半导体胶层与所述多条透明电极，其中所述感压变形层的侧壁为倾斜面，而各层的所述线状电极的延伸方向不同且互不平行；以及

进行热过程，以去除所述半导体胶层中的所述溶剂以及使所述金属氧化物前驱物还原成金属氧化物，其中所述金属氧化物层形成于所述多条纳米线的表面上且所述金属氧化物层的厚度介于0.1纳米至10纳米之间。

7.根据权利要求6所述的透明压力感测器的制造方法，其中所述纳米线的材料包括金、银或铜，其中所述金属氧化物前驱物包括二氧化钛前驱物、氧化锌前驱物或氧化钨前驱物。

8.根据权利要求6所述的透明压力感测器的制造方法，其中所述热过程的热处理温度在50℃～200℃之间。

9.根据权利要求6所述的透明压力感测器的制造方法，其中在进行所述第二打印过程之后，还包括进行50℃～200℃的烘烤。

10.根据权利要求6所述的透明压力感测器的制造方法，其中所述第一打印过程、所述第二打印过程与所述第三打印过程包括3D打印。

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