CN108475139A - 压力传感器及具有所述压力传感器的复合元件 - Google Patents

压力传感器及具有所述压力传感器的复合元件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压力传感器及一种具有所述压力传感器的复合元件,所述压力传感器包括:第一电极层及第二电极层,分别具有第一电极及第二电极,所述第一电极与所述第二电极被排列成彼此间隔开且彼此面对;以及压电层,排列在所述第一电极层与所述第二电极层之间,其中所述压电层包括排列在聚合物中的具有板形状的多个压电体。另外,所述多个压电体在水平方向上的彼此交叉的一个方向与另一方向上排列且在垂直方向上排列。通过使用具有板形状的压电体,本发明与现有压电粉末相比表现出优异的压电性质,且因此可甚至轻易地感测到微小的压力,由此提高感测效率。

Description

压力传感器及具有所述压力传感器的复合元件
技术领域
本发明涉及一种压力传感器,且更具体来说涉及一种压电压力传感器及一种具有所述压电压力传感器的复杂器件。
背景技术
总体上,键盘已作为用于装置与用户之间的相互联系(interface)的工具而广泛用于例如个人计算机(personal computer,PC)及网络终端等装置中。大部分键盘设置有机械配置,其中在以注射模塑制品(injection molded article)的形式制成的键下面安装有弹簧及开关,且键输入是通过用户以一定的力击打键以获得弹簧的弹力及使得开关能够进行操作来进行。
同时,除设置有此种机械配置的键盘以外,已出现采用触摸面板类型的键盘。采用触摸面板类型的键盘各自具有利用对由于触摸而产生的人体电流的探测或者压力、温度或类似因素的变化来探测及识别人体(手指)或笔的触摸或非触摸的技术工具。具体来说,利用压力变化来探测人体或笔的触摸或非触摸的输入装置已备受关注。
存在包括使用压电体的压电型压力传感器在内的各种类型的压力传感器。即,压力传感器是使用具有预定厚度的压电体来实作且是使用压电陶瓷粉末而形成。然而,当使用压电粉末时,存在由于压电性能为低的且由此输出值为低的而导致出现感测错误的局限性。另外,存在由于压电粉末的不规则混合导致的不规则电压输出而造成感测错误的局限性。另外,使用压电陶瓷粉末的压电体具有由于高脆性(high brittleness)而不易于将使用所述粉末的压电体应用于各种装置的局限性。
(现有技术文献)
韩国专利注册号:10-1094165
发明内容
技术问题
本发明提供一种能够减少感测错误及改善脆性的压力传感器。
本发明提供一种设置有压力传感器的复杂器件,在所述复杂器件中集成有具有与所述压力传感器的功能不同的功能的至少一个组件。
技术解决方案
根据本发明的一个方面,一种压力传感器包括:第一电极层及第二电极层,被设置成彼此间隔开且分别包括第一电极及第二电极,所述第一电极与所述第二电极彼此面对;以及压电层,设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间,其中所述压电层包括位于聚合物中的多个板状压电体。
所述压电体在水平方向上的彼此交叉的一个方向与另一方向上排列有多个且在垂直方向上排列有多个。
所述压电体被设置成具有30%到99%的密度。
所述压电体是单晶体的。
所述压电体各自包含由以下形成的晶种成分:取向原材料成分,由具有钙钛矿(perovskite)晶体结构的压电材料构成;以及氧化物,分布在所述取向原材料成分中且具有通式ABO3(A是二价金属元素,且B是四价金属元素)。
根据本发明的另一方面,一种压力传感器包括:第一电极层及第二电极层,被设置成彼此间隔开且分别包括第一电极及第二电极,所述第一电极与所述第二电极彼此面对;压电层,设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间;以及多个剖切部分,在所述压电层中形成为预定宽度且形成在预定深度处。
所述剖切部分被形成到为所述压电层的厚度的50%到100%的深度。
所述剖切部分被形成为使所述剖切部分中的至少一者对应于以预定间隔排列的所述多个第一电极与所述多个第二电极之间的间隔。
所述压力传感器还包括设置在所述剖切部分内的弹性层。
所述压电层是单晶体的。
所述压电层包含由以下形成的晶种成分:取向原材料成分,由具有钙钛矿(perovskite)晶体结构的压电材料构成;以及氧化物,分布在所述取向原材料成分中且具有通式ABO3(A是二价金属元素,且B是四价金属元素)。
根据本发明的又一方面,一种复杂器件包括:根据所述方面及所述另一方面的压力传感器;以及至少一个功能部件,具有与所述压力传感器的功能不同的功能。
所述功能部件包括:压电器件,设置在所述压力传感器的一侧上;以及振动板,设置在所述压电器件的一侧上。
所述压电器件根据施加到所述压电器件的信号而被用作压电振动装置或压电声学装置。
所述功能部件设置在所述压力传感器的一侧上且包括近场通信(near fieldcommunication,NFC)器件、无线充电(wireless power charge,WPC)器件、及磁力安全传输(magnetic secure transmission,MST)器件中的至少一者,所述NFC、所述WPC及所述MST各自包括至少一个天线图案。
所述功能部件可包括:压电器件,设置在所述压力传感器的一个表面上;振动板,设置在所述压电器件的一个表面上;以及NFC、WPC、及MST中的至少一者,设置在所述压力传感器的另一表面上或所述振动板的一个表面上。
所述复杂器件包括指纹探测部件,所述指纹探测部件电连接到所述压力传感器且被配置成从所述压力传感器测量由超声波信号产生的声学阻抗在指纹的谷处与脊处的差异并由此探测所述指纹。
有益效果
根据示例性实施例的压力传感器可具有位于彼此间隔开的第一电极层与第二电极层之间的压电层,且所述压电层可设置有多个板状单晶体压电体。由于使用板状压电体,因此压电特性好于典型压电粉末。因此,也可轻易地感测到微小的压力,且感测效率可由此提高。
另外,在根据示例性实施例的压力传感器中,压电层可每一胞元单元具有一剖切部分,且在所述剖切部分中可进一步形成有弹性层。所述多个剖切部分形成在压电层中,且因此,压力传感器可具有柔性特性。
另外,根据示例性实施例的压力传感器可与起到压电声学器件或压电振动器件作用的压电器件集成在一起,且也可与NFC、WPC、及MST集成在一起。另外,压力传感器也可用作指纹识别传感器。
附图说明
图1是根据第一示例性实施例的压力传感器的剖视图。
图2及图3是压力传感器的第一电极层及第二电极层的示意图。
图4是根据第二示例性实施例的压力传感器的剖视图。
图5及图6是根据第二示例性实施例的压力传感器的平面照片及剖视照片。
图7是根据第三示例性实施例的压力传感器的剖视图。
图8到图13是根据各种示例性实施例的集成复杂器件的图。
图13是采用根据示例性实施例的压力传感器的指纹识别传感器的配置图。
图14是根据经修改示例性实施例的压力传感器的剖视图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图来详细阐述本发明的示例性实施例。然而,本发明可实施为不同形式且不应被视作仅限于本文所述的实施例。确切来说,提供这些实施例是为了使本发明将透彻及完整,并将向所属领域中的技术人员充分传达本发明的范围。
图1是根据第一示例性实施例的压力传感器的剖视图,图2及图3是压力传感器的第一电极层及第二电极层的示意图。
参照图1,根据示例性实施例的压力传感器包括:第一电极层(100)与第二电极层(200),彼此间隔开;以及压电层(300),设置在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间。此处,压电层(300)可设置有具有预定厚度的多个板状压电体(310)。
1.电极层
第一电极层(100)与第二电极层(200)在厚度方向上(即,在垂直方向上)彼此间隔开且压电层(300)设置在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间。第一电极层(100)及第二电极层(200)可包括:第一支撑层(110)及第二支撑层(210);以及第一电极(120)及第二电极(220),分别形成在第一支撑层(110)及第二支撑层(210)上。即,第一支撑层(110)与第二支撑层(210)被形成为彼此间隔开预定距离,且第一电极(120)与第二电极(220)分别在彼此面对的方向上形成在所述支撑层的表面上。此时,第一电极(120)及第二电极(220)被形成为与压电层(300)接触。因此,可通过在厚度方向上从底侧堆叠第一支撑层(110)、第一电极(120)、压电层(300)、第二电极(220)、及第二支撑层(210)来实作压力传感器。此处,第一支撑层(110)及第二支撑层(210)支撑第一电极(120)及第二电极(220),以使第一电极(120)及第二电极(220)分别形成在第一支撑层(110)的一个表面及第二支撑层(210)的一个表面上。为此,第一支撑层(110)及第二支撑层(210)可被设置成具有预定厚度的板形状。另外,第一支撑层(110)及第二支撑层(210)也可被设置成膜形状以具有柔性。第一支撑层(110)及第二支撑层(210)可使用例如硅酮(silicone)、氨基甲酸酯(urethane)、及聚氨基甲酸酯(polyurethans)等液体聚合物来形成,且可使用通过利用液体可光固化单体(1iquid photocurable monomer)、寡聚体(oligomer)、光敏引发剂(photoinitiator)、及添加剂(additives)形成的预聚物(prepolymer)来形成。另外,可选地,第一支撑层(110)及第二支撑层(210)可为透明的或者也可为不透明的。
同时,第一电极(120)及第二电极(220)可由例如氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)及氧化锑锡(antimony tin oxide,ATO)等透明导电材料形成。然而,除此类材料以外,第一电极(120)及第二电极(220)也可由另一种透明导电材料形成,且也可由例如银(Ag)、铂(Pt)、及铜(Cu)等不透明导电材料形成。此外,第一电极(120)及第二电极(220)可形成在彼此交叉的方向上。举例来说,第一电极(120)可被形成为在一个方向上具有预定宽度,且被进一步形成为在另一方向上相隔一定间隔。第二电极(220)可被形成为在与所述一个方向垂直的另一方向上具有预定宽度,且被进一步形成为在与所述另一方向垂直的所述一个方向上相隔一定间隔。即,如图2中所示,第一电极(120)及第二电极(220)可形成在彼此垂直的方向上。举例来说,第一电极(120)可被形成为在水平方向上具有预定宽度且进一步以相隔一定间隔的排列方式在垂直方向上形成有多个,且第二电极(220)可被形成为在垂直方向上具有预定宽度且进一步以相隔一定间隔的排列方式在水平方向上形成有多个。此处,第一电极(120)的宽度及第二电极(220)的宽度可等于或大于第一电极(120)之间的相应间隔及第二电极(220)之间的相应间隔。当然,第一电极(120)的宽度及第二电极(220)的宽度也可小于第一电极(120)之间的间隔及第二电极(220)之间的间隔,但优选地,所述宽度大于所述间隔。举例来说,第一电极(120)及第二电极(220)各自的宽度对间隔比率可为10∶1到0.5∶1。即,当间隔为1时,宽度可为10到0.5。此外,第一电极(120)及第二电极(220)可被形成为除此种形状以外的各种形状。举例来说,如图3中所示,第一电极(120)及第二电极(220)中的任一者也可整体地形成在支撑层上,且另一者也可被形成为在一个方向及另一方向上具有预定宽度及预定间隔的多个近似矩形的图案。即,多个第一电极(120)可被形成为近似矩形的图案,且第二电极(220)可整体地形成在第二支撑层(210)上。当然,除矩形以外,也可使用例如圆形及多边形等各种图案。另外,第一电极(120)及第二电极(220)中的任一者也可整体地形成在支撑层上,且另一者可被形成为在一个方向及另一方向上延伸的晶格形状(1attice shape)。同时,第一电极(120)及第二电极(220)可被形成为例如0.1微米(μm)到10μm的厚度,且第一电极(120)及第二电极(220)可被设置成相隔一定间隔(例如1μm到500μm)。此处,第一电极(120)及第二电极(220)可与压电层(300)接触。当然,第一电极(120)及第二电极(220)维持与压电层(300)间隔开预定距离的状态,且当施加例如用户的触摸输入等预定压力时,第一电极(120)及第二电极(220)中的至少任一者可局部地与压电层(300)接触。此时,压电层(300)也可被压缩到预定深度。
2.压电层
压电层(300)在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间被设置成预定厚度,且可被设置成例如10μm到500μm的厚度。压电层(300)可使用压电体(310)及聚合物(320)来形成,压电体(310)具有拥有预定厚度的近似矩形板形状。即,在聚合物(320)中设置有多个板状压电体(310),由此可形成压电层(300)。此处,压电体(310)可使用PZT(Pb、Zr、Ti)系、NKN(Na、K、Nb)系及BNT(Bi、Na、Ti)系压电材料来形成。当然,压电体(310)可由各种压电材料形成,且可包含:钛酸钡(barium titanate)、钛酸铅(1ead titanate)、锆钛酸铅(leadzirconate titanate)、铌酸钾(potassiumniobate)、铌酸锂(1ithium niobate)、钽酸锂(1ithium tantalate)、钨酸钠(sodium tungstate)、氧化锌(zinc oxide)、铌酸钾钠(potassium sodium niobate)、铁酸铋(bismuth ferrite)、铌酸钠(sodium niobate)、钛酸铋(bismuth titanate)、或类似物质。然而,压电体(310)可由氟化物(fluoride)聚合物或其共聚物形成。板状压电体(310)可被形成为在一个方向及与所述一个方向垂直的另一方向上具有预定长度并且具有预定厚度的近似矩形板形状。举例来说,压电体(310)可被形成为3μm到5000μm的大小。压电体(310)可在一个方向及另一方向上排列有多个。即,所述多个压电体可在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间在厚度方向上(即,在垂直方向上)及与所述厚度方向垂直的平面方向上(即,在水平方向上)排列。压电体(310)可在厚度方向上排列成两层式结构或更多层式结构(例如五层式结构),但层的数目不受限制。为在聚合物(320)中将压电体(310)形成为多个层,可使用各种方法。举例来说,在具有预定厚度的聚合物层上形成具有预定厚度的压电体层,并堆叠多个所述压电体层,由此可形成压电层(300)。即,压电体层是通过在具有比压电层(300)小的厚度的聚合物层上设置板状压电板来形成,且压电层(300)可通过堆叠所述多个压电体层来形成。然而,可通过各种方法来形成其中压电体(310)形成在聚合物(320)中的压电层(300)。同时,优选地,压电体(310)具有相同的大小且彼此间隔开相同的距离。然而,压电体(310)也可被设置成至少两种或更多种大小且相隔两种或更多种间隔。此时,压电体(310)可被形成为具有30%到99%的密度,且优选地在所有区中以相同的密度进行设置。然而,压电体(310)可被设置成使压电体(310)的至少一个区具有60%或大于60%的密度。举例来说,当压电体(310)的至少一个区具有密度65%且至少另一个区具有90%的密度时,在具有较大的密度的区中可产生较高的电压。然而,当压电体具有60%或大于60%的密度时,控制单元可充分感测到在压电层中产生的电压。另外,根据示例性实施例的压电体(310)由于被形成为单晶体形式而具有优越的压电特性。即,与使用典型压电粉末的情形相比,使用板状压电体(310)使得可获得优越的压电特性,且由此可甚至探测到由轻微触摸造成的压力,且因此,可防止触摸输入错误。同时,聚合物(320)可包括但不限于选自由环氧树脂、聚酰亚胺、及液晶聚合物(1iquidcrystalline polymer,LCP)组成的群组中的至少一种或多种。另外,聚合物(320)可由热塑树脂形成。热塑树脂可包括例如推选自由以下组成的群组中的一种或多种:酚醛环氧树脂(novolac epoxy resin)、苯氧基型环氧树脂(phenoxy-type epoxy resin)、双酚A型环氧树脂(BPA-type epoxy resin)、双酚F型环氧树脂(BPF-type epoxy resin)、氢化BPA环氧树脂(hydrogentated BPA epoxy resin)、二聚酸改性环氧树脂(dimer acid modifiedepoxy resin)、氨基甲酸酯改性环氧树脂(urethane modified epoxy resin)、橡胶改性环氧树脂(rubber modified epoxy resin)、及双环戊二烯型环氧树脂(DCPD-type epoxyresin)。
3.压电体的另一实例
同时,压电体(310)可使用压电陶瓷烧结体来形成,所述压电陶瓷烧结体是通过对包括由以下构成的晶种成分的压电陶瓷成分进行烧结来形成:取向原材料成分,由具有钙钛矿(perovskite)晶体结构的压电材料构成;以及氧化物,分布在取向原材料成分中且具有通式ABO3(A是二价金属元素,且B是四价金属元素)。此处,取向原材料成分可使用其中具有与钙钛矿晶体结构不同的晶体结构的材料形成固溶体(solid solution)的成分来形成。举例来说,可使用其中具有四边形结构的PbTiO3(PT)及具有菱面体结构(rhombohedralstructure)的PbZrO3(PZ)形成固溶体的PZT系材料。另外,在取向原材料成分中,PZT系材料的特性可通过使用其中Pb(Ni,Nb)O3(PNN)、Pb(Zn,Nb)O3(PZN)、及Pb(Mn,Nb)O3(PMN)中的至少一者在所述PZT系材料中作为驰豫剂(relaxor)而固溶的成分来改善。举例来说,可通过使用PZN系材料及PNN系材料在PZT系材料中将具有高压电特性、低介电常数、及可烧结性的PZNN系材料作为驰豫剂固溶来形成取向原材料成分。其中PZNN系材料在PZT系材料中作为驰豫剂而固溶的取向原材料成分可具有经验式(1-x)Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-xPb((Ni1-yZny)1/ 3Nb2/3)O3。此处,x可具有范围为0.1<x<0.5的值,优选地具有范围为0.30≤x≤0.32的值,且最优选地具有为0.31的值。另外,y可具有范围为0.1<y<0.9的值,优选地具有范围为0.39≤y≤0.41的值,且最优选地具有为0.40的值。另外,对于取向原材料成分,也可使用不含铅(Pb)的无铅压电材料。此种无铅压电材料可为包含选自以下中的至少一者的无铅压电材料:Bi0.5K0.5TiO3、Bi0.5Na0.5TiO3、K0.5Na0.5NbO3、KNbO3、NaNbO3、BaTiO3、(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xSrTiO3、(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3、(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5Na0.5TiO3、BaZr0.25Ti0.75O3等。
晶种成分是由具有通式ABO3的氧化物构成,且ABO3是具有可取向板状钙钛矿(perovskite)结构的氧化物,其中A是由二价金属元素构成且B是由四价金属元素构成。由具有通式ABO3的氧化物构成的晶种成分可包括CaTiO3、BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、及Pb(Ti,Zr)O3中的至少一者。此处,可以为取向原材料成分的1体积%(vol%)到10vol%的体积比包含晶种成分。当以小于1vol%的体积比包含晶种成分时,改善晶体取向的效果不显著,且当以大于10vol%的体积比包含晶种成分时,压电陶瓷烧结体的压电性能降低。
如上所述,包含取向原材料成分及晶种成分的压电陶瓷成分在具有与所述晶种成分相同的取向的同时通过模板晶粒生长(templated grain growth,TGG)方法进行生长。即,在具有经验式0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31Pb((Ni0.6Zn0.4)1/3Nb2/3)O3的取向原材料成分中使用BaTiO3作为晶种成分,以使压电陶瓷烧结体不仅可在1000℃或小于1000℃的低温下进行烧结,而且由于晶体取向改善且因电场造成的位移量可最大化而具有与单晶体材料相似的高的压电特性。
改善晶体取向的晶种成分被添加到取向原材料成分,且所得物被烧结以制造压电陶瓷烧结体。因此,根据电场的位移量可最大化且压电特性可显著改善。
如上所述,在根据第一示例性实施例的压力传感器中,压电层(300)形成在彼此间隔开的第一电极层(100)与第二电极层(200)之间,且压电层(300)可设置有具有预定板状形状的所述多个单晶体压电体(310)。由于使用板状压电体(310),因此压电特性好于典型压电粉末的压电特性。因此,可甚至轻易地感测到轻微的压力,且感测效率可由此提高。
即,锆钛酸铅(1ead zirconatetita-nate,PZT)陶瓷正广泛用于现在主要使用的压电材料。80年或更长时间以来PZT已有所改善,但相对于现在的水平没有进一步的改善。相比之下,在其中使用压电材料的领域中需要具有改善的物理性质的材料。单晶体是满足此种需要的材料,且是可通过改善已达到PZT陶瓷的极限的物理性质来改善应用元件的性能的新式材料。单晶体可具有压电常数(d33)且还具有大的机电耦合系数(electromechanical coupling factor),并且表现出优越的压电特性,压电常数(d33)比作为典型压电材料的主流的多晶体(polycrystal)陶瓷的压电常数大两倍。
如以下表1中所示,可发现压电单晶体具有比现有多晶体大得多的压电常数(piezoelectric constant)(d33及d31)值及机电耦合系数(elec-tromechanical couplingfactor)(K33)值。此种优越的物理性质在向应用器件应用压电单晶体的过程中表现出显著效果。
[表1]
因此,与现有多晶体陶瓷相比,压电单晶体用于医学及无损检查(medical andnondestructive inspection)、鱼类探测等中的超声波振动器以使得能够拍摄更清晰的图像,用于洗涤器等中的超声波振动器以使得能够得到更强的振荡,且用于高精度控制致动器(例如,印刷头(printer head)及硬盘驱动器头(HDD head)中的定位器件、以及防手抖器件)以使得能够得到更优异的响应度(responsibility)及微型化(miniaturization)。
同时,为制造板状单晶体压电体,可使用固体单晶体生长方法(solid singlecrystal growth method)、布里奇曼方法(Bridgemann method)、盐熔融方法(salt fusionmethod)等。在混合通过此种方法制造的单晶体压电体之后,可通过例如印刷及模塑等方法形成压电层。
图4是根据第二示例性实施例的压力传感器的剖视图。另外,图5及图6是根据第二示例性实施例的压力传感器的平面照片及剖视照片。
参照图4到图6,根据第二示例性实施例的压力传感器包括:第一电极层(100)与第二电极层(200),彼此间隔开;以及压电层(300),设置在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间。此时,压电层(300)可由具有预定厚度的压电陶瓷形成。即,在示例性实施例中,压电层(300)是以使得在聚合物(320)中形成板状压电体(310)的方式形成,但在另一示例性实施例中,可使用压电陶瓷形成具有预定厚度的压电层(300)。另外,可对压电层(300)使用与压电体(310)相同的材料。以下将阐述此种第二示例性实施例,同时省略与对第一示例性实施例的说明重复的内容。
压电层(300)可被形成为在一个方向及面对所述一个方向的另一方向上具有预定宽度且相隔预定间隔。即,多个压电层(300)可各自具有预定宽度且相隔预定间隔,使得剖切部分(330)被形成到预定深度。此时,剖切部分(330)可包括被形成为在一个方向上具有预定宽度的多个第一剖切部分,及被形成为在与所述一个方向垂直的另一方向上具有预定宽度的多个第二剖切部分。因此,如图5及图6中所示,压电层(300)可被所述多个第一剖切部分及所述多个第二剖切部分划分成具有预定宽度及预定间隔的多个单元胞元。此时,可以整体厚度或以所述整体厚度的50%到95%对压电层(300)进行剖切。即,以整体厚度或以所述整体厚度的50%到95%对压电层(300)进行剖切,由此可形成所述剖切部分。这样一来,压电层(300)被剖切,由此压电层(300)具有预定柔性特性。此时,压电层(300)可被剖切成具有10μm到5000μm的大小及1μm到300μm的间隔。即,通过剖切部分(330),单元胞元可具有10μm到5000μm的大小及1μm到300μm的间隔。同时,压电层(300)的第一剖切部分及第二剖切部分可对应于第一电极层(100)及第二电极层(200)的电极之间的间隔。即,第一剖切部分可被形成为对应于第一电极层(100)的第一电极之间的间隔,且第二剖切部分可被形成为对应于第二电极层(200)的第二电极之间的间隔。此时,电极层的间隔与剖切部分的间隔可为相同的,或者电极层的间隔可大于或小于剖切部分的间隔。同时,可通过利用例如激光、切割(dicing)、刀片切削(blade cutting)等方法剖切压电层(300)来形成所述剖切部分。另外,压电层(300)也可通过以下方式形成:通过利用例如激光、切割、刀片切削等方法剖切处于绿杠状态(green bar state)的材料来形成剖切部分,且接着执行烘焙工艺(baking process)。
图7是根据第三示例性实施例的压力传感器的剖视图。
参照图7,根据第三示例性实施例的压力传感器可包括:第一电极层(100)与第二电极层(200),彼此间隔开;压电层(300),设置在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间且在一个方向及另一方向上具有形成在压电层(300)中的多个剖切部分(330);以及弹性层(400),形成在压电层(300)的剖切部分(330)中。此时,剖切部分(330)可形成在压电层(300)的整个厚度之上且形成为预定厚度。即,剖切部分(330)可被形成到为压电层(300)的厚度的50%到100%的厚度。因此,压电层(300)可被剖切部分(330)划分成在一个方向及另一方向上彼此间隔开预定距离的单元胞元,且弹性层(400)可形成在所述单元胞元之间。
弹性层(400)可使用聚合物、硅、或具有弹性的类似物质来形成。由于压电层(300)被剖切且形成有弹性层(400),因此压电层(300)可具有比其中不形成弹性层(400)的其他示例性实施例高的柔性特性。即,当在压电层(300)中形成剖切部分(330)但不形成弹性层时,压电层(300)的柔性特性可能受到约束。然而,压电层(300)被整体地剖切且形成有弹性层(400),由此柔性特性可被提高到使压电层(300)可卷起的程度。当然,弹性层(400)可被形成为使剖切部分(330)不形成在压电层(300)的整体厚度之上,而是如图4到图6中所示,弹性层(400)可被形成为使形成在所述厚度的一部分中的剖切部分(330)被弹性层(400)填充。
同时,根据示例性实施例的压力传感器可通过与触觉器件、压电蜂鸣器、压电扬声器、NFC、WPC、及MST(magnetic secure transmission,磁力安全传输)等进行组合而被实作成复杂器件。另外,根据示例性实施例的压力传感器也可用作指纹识别传感器。即,根据示例性实施例的压力传感器可通过与提供和所述压力传感器不同的功能的功能部件进行耦合来实作复杂器件。图8到图10中示出根据示例性实施例的设置有压电传感器的复杂器件。此处,在压力传感器(1000)中,可使用利用图1、图4、及图7而阐述的各种示例性实施例中的任一种结构。
如图8中所述,压电器件(2000)可形成在振动板(3000)上,且根据示例性实施例的压力传感器(1000)可设置在压电器件(2000)上方。
压电器件(2000)可被形成为在衬底的两个表面上具有压电层的双压电晶片型(bimorph type),且也可被形成为在所述衬底的一个表面上具有压电层的单压电晶片型(unimorphtype)。所述压电层可被形成为使得堆叠至少一个层,或者优选地,可堆叠多个压电层。另外,在压电层的上部部分及下部部分上可形成有电极。即,压电器件(2000)可通过交替地堆叠多个压电层及多个电极来实作。此处,压电层(300)可使用与压电层(300)相同的材料(例如,PZT(Pb、Zr、Ti)系、NKN(Na、K、Nb)系及BNT(Bi、Na、Ti)系压电材料)来形成。另外,所述压电层可通过在彼此不同的方向上或在相同的方向上极化来进行堆叠及形成。即,当在衬底的一个表面上形成有多个压电层时,在每一压电层中在彼此不同的方向上或在相同的方向上可交替地形成极化。同时,对于所述衬底,可使用具有在维持其中堆叠有压电层的结构的同时产生振动的特性的材料(例如,金属、塑料等)。同时,压电器件(2000)可在压电器件(2000)的被施加驱动信号的至少一个区中具有电极图案(图中未示出)。举例来说,电极图案可设置在压电器件(2000)的上表面上或压电器件(2000)的下表面的边缘上。至少两个电极图案可被形成为彼此间隔开,可连接到连接端子(图中未示出),且可通过所述连接端子连接到电子装置。此时,当电极图案形成在压电器件(2000)的下部部分上时,所述电极图案可优选地与振动板(3000)绝缘,且为此,可在压电器件(2000)与振动板(3000)之间形成绝缘膜。
振动板(3000)可被设置成具有与压电器件(2000)及压力传感器(1000)相同的形状,且可被设置成比压电器件(2000)大。压电器件(2000)可利用粘合剂而粘合在振动板(3000)的上表面上。可对此种振动板(3000)使用金属系材料或聚合物系材料或者浆系材料。举例来说,可对振动板(3000)使用树脂膜,且可使用具有为1兆帕(MPa)到10吉帕(GPa)的杨氏模量(young’s modulus)及大的损失系数(loss coefficient)的材料(例如,乙丙橡胶系材料(ethylene propylene rubber-based material)及丁苯橡胶系材料(styrenebutadiene rubber-based material))。此种振动板(3000)将压电器件(2000)的振动放大。
这样一来,设置在振动板(3000)与压力传感器(1000)之间的压电器件(2000)可根据通过电子装置(即,交流电源)施加的信号而作为压电声学器件或压电振动器件进行操作。即,压电器件(2000)可根据所施加信号而用作产生预定振动的致动器(即,触觉器件),或者可用作产生预定声音的压电蜂鸣器或压电扬声器。
同时,压力传感器(1000)与压电器件(2000)可利用粘合剂等进行粘合,且也可被一体地形成。当压力传感器(1000)与压电器件(2000)被一体地制造时,压力传感器(1000)可具有利用图4及图7而阐述的结构。即,第二电极可形成在其中多个压电层及电极交替堆叠的一部分上及其上部部分上,且压电层(300)形成在所述第二电极上,且第一电极形成在所述压电层上。此时,第二电极是通过图案化而形成,压电层(300)可被剖切且被多个剖切部分划分成预定单元胞元,且第一电极可通过图案化而形成在所述压电层上。
另外,当压电器件(2000)用作压电蜂鸣器或压电扬声器时,优选地,在压电器件(2000)与压力传感器(1000)之间设置有预定谐振空间。即,如图9中所示,在压电器件(2000)与压力传感器(1000)之间的边缘上可设置有具有预定厚度的支撑件(4000)。可对支撑件(4000)使用聚合物。可根据支撑件(4000)的高度来调整压电器件(2000)与压力传感器(1000)之间的谐振空间的大小。同时,支撑件(4000)也可被实作成使得胶带等沿压电器件(2000)及压力传感器(1000)的周边进行设置。另外,如图10中所示,不仅在压电器件(2000)与压力传感器(1000)之间的边缘上可设置有第一支撑件(4100),而且在压电器件(2000)与振动板(3000)之间也可设置有第二支撑件(4200),由此可提供预定谐振空间。
图11及图12是根据根据示例性实施例的设置有压力传感器的复杂器件的实例,包括NFC及WPC的复杂器件的分解透视图及组装透视图。当然,压力传感器可耦合到NFC、WPC、及MST中的每一者,且这些NFC、WPC、及MST可通过预定天线图案来配置。
参照图11及图12,复杂器件可包括:第一片材(5000),设置在压力传感器(1000)的一个表面上且具有形成在第一片材(5000)上的第一天线图案(5100);以及第二片材,设置在第一片材(5000)上或第一片材(5000)下方或者与所述第一片材设置在相同的表面上且具有形成在所述第二片材上的第二天线图案(6100)及第三天线图案(6200)。此处,第一片材(5000)的第一天线图案(5100)与第二片材(6000)的第二天线图案(6100)连接到彼此且由此形成无线充电(WPC)天线,且第二片材(6000)的第三天线图案(6200)形成在第二天线图案(6100)外部且由此形成近场通信(NFC)天线。即,根据示例性实施例的复杂器件模块可被设置成使得压力传感器、WPC天线、NFC天线集成在一起。
第一片材(5000)设置在压力传感器(1000)的一个表面上且具有形成在第一片材(5000)上的第一天线图案(5100)。另外,第一片材(5000)设置有:第一抽出图案(5200a)及第二抽出图案(5200b),连接到第一天线图案(5100)且被抽出到外部;多个连接图案(5310、5320、及5330),连接形成在第二片材(6000)的第三天线图案(6200);以及第三抽出图案(5400a)及第四抽出图案(5400b),连接到第三天线图案(6200)且被抽出到外部。此种第一片材(5000)可被设置成与压力传感器(1000)相同的形状。即,第一片材(5000)可被设置成近似矩形板形状。此时,第一片材(5000)的厚度可等于或不同于压力传感器(1000)的厚度。第一天线图案(5100)可例如通过在一个方向上从第一片材(5000)的中心部分旋转而形成预定匝数。举例来说,第一天线图案(5100)可被形成为具有预定宽度及间隔且朝外逆时针旋转的螺旋形状。此时,第一天线图案(5100)的导线宽度及间隔可为彼此相同的或彼此不同的。即,第一天线图案(5100)可具有比间隔大的导线宽度。此外,第一天线图案(5100)的端部连接到第一抽出图案(5200a)。第一抽出图案(5200a)被形成为预定宽度且被形成为朝第一片材(5000)的一侧暴露出。举例来说,第一抽出图案(5200a)被形成为在第一片材(5000)的纵向方向上延伸且暴露到第一片材(5000)的一个短侧。另外,第二抽出图案(5200b)与第一抽出图案(5200a)间隔开且与第一抽出图案(5200a)形成在相同的方向上。此种第二抽出图案(5200b)连接到形成在第二片材(6000)上的第二天线图案(6100)。此处,第二抽出图案(5200b)可被形成为比第一抽出图案(5200a)长。另外,设置有多个连接图案(5310、5320、及5330)以连接形成在第二片材(6000)上的第三天线图案(6200)。即,第三天线图案(6200)被形成为例如其中至少两个区被断开连接的半圆形形状,且在第一片材5000形成有多个连接图案(5210、5220、及5230)以将所述两个区连接到彼此。连接图案(5210)在第一抽出图案(5200a)之间的区中的一个短侧的方向上形成预定宽度及长度。连接图案(5220及5230)形成于在长侧方向上面对连接图案(5210)的位置上(即,形成在上面不形成第一抽出图案(5200a)及第二抽出图案(5200b)的另一短侧上),且在不暴露到所述另一短侧的条件下在所述另一短侧的方向上在所述另一短侧上形成预定宽度及长度。另外,连接图案(5220与5230)被形成为彼此间隔开。另外,第三抽出图案(5400a)及第四抽出图案(5400b)被形成为与第二抽出图案(5200b)间隔开且被形成为暴露到所述一个短侧。同时,贯穿孔(5500a及5500b)被形成为在其中未形成上面形成有抽出图案(5200及5400)的一侧的抽出图案(5200及5400)的区中单独地分离。另外,抽出图案(5200及5400)连接到连接端子(图中未示出)且通过所述端子连接到电子器件。同时,可使用磁性陶瓷制造第一片材(5000)。举例来说,可使用NiZnCu系磁体或NiZn系磁体形成第一片材(5000)。具体来说,在NiZnCu系磁性片材中,可添加Fe2O3、ZnO、NiO、CuO作为磁体,且可以5∶2∶2∶1的比率添加Fe2O3、ZnO、NiO、及CuO。这样一来,第一片材(5000)是使用磁性陶瓷来制造,且因此,可屏蔽或吸收从WPC天线及NFC天线产生的电磁波。因此,可抑制电磁波的干扰。
第二片材(6000)设置在第一片材(5000)上,且第二天线图案(6100)与第三天线图案(6200)被形成为彼此间隔开。另外,在第二片材(6000)中形成有多个孔(6310、6320、6330、6340、6350、6360、6370、及6380)。此种第二片材(6000)可被设置成与压力传感器(1000)及第一片材(5000)相同的形状。即,第二片材(6000)可被设置成近似矩形板形状。此时,第二片材(6000)的厚度可等于或不同于压力传感器(1000)及第一片材(5000)的厚度。即,第二片材(6000)可被设置成比压力传感器(1000)的厚度小且与第一片材(5000)的厚度相同的厚度。第二天线图案(6100)可例如通过在一个方向上从第二片材(6000)的中心部分旋转而形成预定匝数。举例来说,第二天线图案(6100)可被形成为具有预定宽度及间隔且朝外顺时针旋转的螺旋形状。即,第二天线图案(6100)可被形成为从与形成在第一片材(5000)上的第一天线图案(5100)相同的区顺时针旋转的螺旋形状,且一直形成到与形成在第一片材(5000)上的第二抽出图案(5200b)交叠的区。此时,第二天线图案(6100)的导线宽度及间隔可与第一天线图案(5100)的导线宽度及间隔相同,且第二天线图案(6100)与第一天线图案(5100)可交叠。在第二天线图案(6100)的开始位置及结束位置中分别形成有孔(6310及6320),且孔(6310及6320)填充有导电材料。因此,第二天线图案(6100)的开始位置经由孔(6310)连接到第一天线图案(5100)的开始位置,且第二天线图案(6100)的结束位置经由孔(6320)连接到第二抽出图案(5200b)的预定区。第三天线图案(6200)被形成为与第二天线图案(6100)间隔开且沿第二片材(6000)的周边形成复数个匝。即,第三天线图案(6200)被设置成从外部环绕第二天线图案(6100)。此时,第三天线图案(6200)被形成为在第二片材(6000)上的预定区中断开连接的形状。即,第三天线图案(6200)不形成彼此连接的复数个匝,而是可被形成为在至少两个区中断开连接且在第二片材(6000)上彼此断开电连接的形状。这样一来,在彼此断开连接的第三天线图案(6200)之间形成有多个孔(6330、6340、6350、6360、6370、及6380)。此外,所述多个孔(6330、6340、6350、6360、6370、及6380)填充有导电材料且分别连接到第一片材(5000)的连接图案(5310、5320、及5330)。因此,第三天线图案(6200)是以在至少两个区中断开连接的形式形成,但可经由所述多个孔(6330、6340、6350、6360、6370、及6380)、以及第一片材(5000)的连接图案(5310、5320、及5330)电连接到彼此。另外,在第二片材(6000)中,形成有多个贯穿孔(6410及6420),所述多个贯穿孔(6410及6420)分别暴露出第一片材(5000)的贯穿孔(5500a及5500b)以及所述多个抽出图案(5200及5400)。另外,所述四个贯穿孔(6420)被形成为暴露出第一片材(5000)的所述多个(即,四个)抽出图案(5200及5400)。同时,可使用与第一片材(5000)的材料不同的材料来制造第二片材(6000)。举例来说,可使用非磁性陶瓷来制造(即,使用低温共烧陶瓷(lowtemperature co-fired ceramic,LTCC)来制造)第二片材(6000)。
同时,天线图案(5100、6100及6200)、抽出图案(5200及5400)、连接图案(5310、5320及5330)、以及类似元件是使用铜箔或导电膏形成,且当使用导电膏形成时,所述导电膏可通过各种印刷方法印刷在片材上。作为导电膏的导电颗粒,可使用金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、涂布有银的铜(涂布有Ag的Cu)、涂布有银的镍(涂布有Ag的Ni)、涂布有镍的铜(涂布有Ni的Cu)的金属颗粒、及涂布有镍的石墨(涂布有Ni的石墨)、碳纳米管、碳黑、石墨、涂布有银的石墨(涂布有Ag的石墨)、或类似物质。导电膏为其中导电颗粒均匀地散布在流体有机粘结剂(fluidicorganic binder)中的材料,通过例如印刷等方法涂覆在片材上,且由此通过例如干燥、固化、及烘焙等热处理而表现出导电性。另外,作为印刷方法,可使用例如网版印刷(screen printing)等平版印刷(planography)、例如凹版印刷(gravure printing)等滚动印刷(roll-to-roll printing)、喷墨印刷、或类似技术。
如上所述,可通过将压力传感器、WPC天线、及NFC天线集成在一起来制造根据示例性实施例的复杂器件模块。因此,通过使用一个模块,可感测到电子器件的输入,可对电子器件进行无线充电,且可执行短程通信。当然,复杂器件模块也可被制造成使得压力传感器与压电扬声器、压电致动器、WPC天线、NFC天线、及MST天线中的至少一者集成在一起。另外,通过一个模块能实现多种功能,且因此,与其中单独地提供所述功能中的每一种功能的情形相比,在所述情形中所占用的区的面积可减小。
图13是采用根据示例性实施例的压力传感器的指纹识别传感器的配置图,且图14是根据第二示例性实施例的压力传感器的剖视图。
参照图13,采用根据示例性实施例的压力传感器的指纹识别传感器可包括:压力传感器(1000);以及指纹探测部件(7000),电连接到压力传感器(1000)且探测指纹。另外,指纹探测部件(7000)可包括信号产生部件(7100)、信号探测部件(7200)、计算部件(7300)、及类似部件。
同时,如图14中所示,压力传感器(1000)可进一步设置有保护层(500)来作为在上面放置手指的表面的保护涂层。保护层(500)可使用氨基甲酸酯或可起到保护涂层作用的另一种塑料来制造。保护层(500)利用粘合剂而粘合到第二电极层(200)。另外,压力传感器(1000)还可包括支撑层(600),支撑层(600)可用作压力传感器(1000)内的支撑件。支撑层(600)可使用聚四氟乙烯(Teflon)或类似材料来制造。当然,可对支撑层(600)使用另一种类型的支撑材料。支撑层(600)利用粘合剂而粘合到第一电极层(100)。同时,如图4中所示,示例性实施例的压力传感器(1000)可被设置成使得压电层(300)被剖切部分(330)划分成在一个方向及另一方向上彼此间隔开预定距离的单元胞元,且如图7中所示,弹性层(400)可形成在剖切部分(3300)上。在此种情形中,所形成的弹性层(400)防止相应的振动彼此影响是所期望的。
指纹探测部件(7000)可连接到设置在压力传感器(1000)的压电层(300)上及压电层(300)下方的第一电极(110)及第二电极(210)中的每一者。指纹探测部件(7000)可通过向第一电极(110)及第二电极(210)施加具有超声波频带的谐振频率的电压来垂直地振动压电层(300)而产生超声波信号。
信号产生部件(7100)电连接到包括在压力传感器(1000)中的所述多个第一电极(110)及所述多个第二电极(210),且向每一电极施加具有预定频率的交流电压。在压力传感器(1000)的压电层(300)通过施加到电极的交流电压而垂直地振动的同时,具有预定谐振频率(例如10兆赫(MHz))的超声波信号被发射到外部。
特定对象可接触压力传感器(1000)的一个表面(例如,保护层(500)的一个表面)。当接触保护层(500)的所述一个表面的对象是包括指纹的人类手指时,由压力传感器(1000)发射的超声波信号的反射图案是根据所述指纹中存在的细小的谷(valley)及脊(ridge)而以不同方式加以确定。假定其中无对象接触例如保护层(500)的所述一个表面等接触表面的情形,则,从压力传感器(1000)产生的超声波信号中的大部分由于所述接触表面与空气(air)之间的介质差异而无法穿过所述接触表面,而是被反射并返回。相反,当包括指纹的特定对象接触接触表面时,从直接接触所述指纹的脊(ridge)的压力传感器(1000)产生的超声波信号的一部分穿过所述接触表面与所述指纹之间的界面,且所产生的所述超声波信号的仅一部分被反射并返回。这样一来,可根据每一种材料的声学阻抗来确定被反射并返回的超声波信号的强度。因此,信号探测部件(7200)从压力传感器(1000)测量由超声波信号产生的声学阻抗在指纹的谷(valley)处及脊(ridge)处的差异,且可判断对应的区是否为接触所述指纹的脊(ridge)的传感器。
计算部件(7300)对通过信号探测部件(7200)探测到的信号进行分析并计算出指纹图案。其中产生低强度反射信号的压力传感器(1000)是接触指纹的脊的压力传感器(1000),且其中产生高强度信号(理想地,与所输出超声波信号的强度相同的强度)的压力传感器(1000)是对应于所述指纹的谷的压力传感器(1000)。因此,可根据针对压力传感器(1000)的每一区而探测的声学阻抗的差异计算出指纹图案。
同时,根据示例性实施例的压力传感器可被实作成静电电容型压力传感器(electrostatic capacitance-type pressure sensor),使得不设置压电层(300)且第一电极层(100)与第二电极层(200)彼此间隔开预定距离。即,在第一电极层(100)与第二电极层(200)之间形成有空气隙、空隙(void)、或高电容率层(high-permittivity layer)中的至少一者,第一电极层(100)与第二电极层(200)之间的距离是通过触摸压力来调整。因此,静电电容得到调整且所述电极可起到压力传感器的作用。此处,高电容率层可由具有比硅、橡胶、或类似物质的电容率高的电容率(例如,4或高于4)的高电容率材料形成,且可以使得所述高电容率材料与例如硅等绝缘材料混合的方式形成。另外,在示例性实施例中,静电电容型压力传感器也可通过将空气隙或空隙与高电容率层进行混合来实现。即,在高电容率层中可形成有至少一个空气隙或空隙。因此,可使用压电压力传感器及静电电容型压力传感器来实作示例性实施例。此外,在使用静电电容型压力传感器的情形中,可实现利用图8到图14而阐述的复杂器件。即,复杂器件模块也可被制造成使得静电电容型压力传感器与压电扬声器、压电致动器、WPC天线、NFC天线、及MST天线中的至少一者集成在一起。
然而,本发明可实施为不同形式且不应被视作仅限于本文所述的实施例。即,提供以上实施例是为了使本发明将透彻及完整,且将向所属领域中的技术人员充分传达本发明的范围,且应通过本申请的权利要求的范围来理解本发明的范围。

Claims (17)

1.一种压力传感器,包括:
第一电极层及第二电极层,被设置成彼此间隔开且分别包括第一电极及第二电极,所述第一电极与所述第二电极彼此面对;以及
压电层,设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间,其中所述压电层包括位于聚合物中的多个板状压电体。
2.根据权利要求1所述的压力传感器,其中所述压电体在水平方向上的彼此交叉的一个方向与另一方向上排列有多个且在垂直方向上排列有多个。
3.根据权利要求1所述的压力传感器,其中所述压电体被设置成具有30%到99%的密度。
4.根据权利要求1所述的压力传感器,其中所述压电体是单晶体的。
5.根据权利要求3所述的压力传感器,其中所述压电体各自包含由以下形成的晶种成分:
取向原材料成分,由具有钙钛矿晶体结构的压电材料构成;以及
氧化物,分布在所述取向原材料成分中且具有通式ABO3(A是二价金属元素,且B是四价金属元素)。
6.一种压力传感器,包括:
第一电极层及第二电极层,被设置成彼此间隔开且分别包括第一电极及第二电极,所述第一电极与所述第二电极彼此面对;
压电层,设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间;以及
多个剖切部分,在所述压电层中形成为预定宽度且形成在预定深度处。
7.根据权利要求6所述的压力传感器,其中所述剖切部分被形成到为所述压电层的厚度的50%到100%的深度。
8.根据权利要求7所述的压力传感器,其中所述剖切部分被形成为使所述剖切部分中的至少一者对应于以预定间隔排列的多个所述第一电极与多个所述第二电极之间的间隔。
9.根据权利要求6所述的压力传感器,还包括设置在所述剖切部分内的弹性层。
10.根据权利要求6所述的压力传感器,其中所述压电层是单晶体的。
11.根据权利要求6所述的压力传感器,其中所述压电层包含由以下形成的晶种成分:
取向原材料成分,由具有钙钛矿晶体结构的压电材料构成;以及
氧化物,分布在所述取向原材料成分中且具有通式ABO3(A是二价金属元素,且B是四价金属元素)。
12.一种复杂器件,包括:
根据权利要求1到11中的任一项所述的压力传感器;以及
至少一个功能部件,具有与所述压力传感器的功能不同的功能。
13.根据权利要求12所述的复杂器件,其中所述功能部件包括:压电器件,设置在所述压力传感器的一侧上;以及振动板,设置在所述压电器件的一侧上。
14.根据权利要求13所述的复杂器件,其中所述压电器件根据施加到所述压电器件的信号而被用作压电振动装置或压电声学装置。
15.根据权利要求12所述的复杂器件,其中所述功能部件设置在所述压力传感器的一侧上且包括近场通信、无线充电、及磁力安全传输中的至少一者,所述近场通信、所述无线充电及所述磁力安全传输各自包括至少一个天线图案。
16.根据权利要求12所述的复杂器件,所述功能部件包括:
压电器件,设置在所述压力传感器的一个表面上;
振动板,设置在所述压电器件的一个表面上;以及
近场通信、无线充电、及磁力安全传输中的至少一者,设置在所述压力传感器的另一表面上或所述振动板的一个表面上。
17.根据权利要求12所述的复杂器件,包括指纹探测部件,所述指纹探测部件电连接到所述压力传感器且被配置成从所述压力传感器测量由超声波信号产生的声学阻抗在指纹的谷处与脊处的差异并由此探测所述指纹。
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