CN109326709B - 感测膜及其制备方法、电子装置 - Google Patents

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Abstract

一种感测膜，其包括：基底层；形成在所述基底层上的压电层；以及形成在所述压电层上的梳状的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极彼此间隔且电性绝缘。本发明还提供上述感测膜的制备方法及应用上述感测膜的电子装置。所述感测膜性能优良。

Description

感测膜及其制备方法、电子装置
技术领域
本发明涉及一种感测膜及其制备方法及应用该感测膜的制备方法。
背景技术
现有的一种感测膜的制备方法包括：将压电陶瓷片表面涂布电极，将涂布有电极的压电陶瓷片粘结(Bonding)于印刷电路板(PCB)上。常规Bonding制程需使用异方性导电胶(Anisotropic Conductive Film，ACF)设置在压电陶瓷片与PCB之间并对二者施加压力使二者压合。ACF主要透过压力使导电粒子分布产生压缩并破裂，形成通路。如果陶瓷片的主要成分为具有晶粒与晶界的多晶烧结体，晶界处在压合过程中易受到应力集中效应而使陶瓷片破裂。此外，目前业界常使用的陶瓷片多为铸造而成，而如果要形成薄膜，需要添加大量的助形剂(Binder)，因此在后续烧结过程中，助形剂气化跑出而在陶瓷中常形成微孔洞，进而使陶瓷片之机械强度大大降低。
发明内容
本发明提供一种感测膜，其包括：
基底层；
形成在所述基底层上的压电层；以及
形成在所述压电层上的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且
电性绝缘，
所述第一电极和所述第二电极均为梳状的，
所述第一电极包括第一连接部以及与所述第一连接部分别连接的多个第一梳齿部；
所述第二电极包括第二连接部以及与所述第二连接部分别连接的多个第二梳齿部；
所述第一连接部与所述第二连接部相对设置且彼此间隔；
所述多个第一梳齿部均连接所述第一连接部靠近所述第二连接部的一侧；
所述多个二梳齿部均连接所述第二连接部靠近所述第一连接部的一侧；
所述第一梳齿部与所述第二梳齿部沿所述第一连接部与所述第二连接部的延伸方向交替
排布。
本发明还提供一种感测膜，其包括：
基底层；
形成在所述基底层上的第一电极层；
形成在所述第一电极层远离所述基底层一侧的电子传输层；
形成在所述电子传输层远离所述基底层一侧的压电层，所述压电层的成分为APbX3，其中A为CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X为卤素，APbX3具有钙钛矿结构；
形成在所述压电层远离所述基底层一侧的电洞传输层；以及
形成在所述电洞传输层上的梳状的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且电性绝缘。
本发明还提供应用上述感测膜的电子装置，所述感测膜包括：
基底层；
形成在所述基底层上的压电层；以及
形成在所述压电层上的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且电性绝缘，所述第一电极和所述第二电极均为梳状的。
本发明还提供一种感测膜的制备方法，其包括如下步骤：
将压电陶瓷粉末与溶剂混合形成压电陶瓷溶胶；
将压电陶瓷溶胶涂覆于衬底上并进行干燥；
对干燥后的压电陶瓷溶胶进行高温退火处理，得到压电陶瓷层；
使压电陶瓷层与衬底相互剥离并将压电陶瓷层转移至基底层上；
在压电陶瓷层上形成梳状的第一电极和第二电极；以及
对第一电极和第二电极进行封装，形成绝缘封装层。
本发明还提供一种感测膜的制备方法，其包括如下步骤：
提供APbX3粉末，其中A为CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X为卤素，ApbX3具有钙钛矿结构；
将APbX3粉末与溶剂混合配置成涂膜液；
将涂膜液形成在基底层上并干燥后形成压电层；
在压电层上形成梳状的第一电极和第二电极；以及
对第一电极和第二电极进行封装，形成绝缘封装层。
本发明还提供一种感测膜的制备方法，其包括如下步骤：
提供基底层，在基底层上形成第一电极层；
在第一电极层表面形成电子传输层；
在电子传输层上形成压电层，所述压电层的成分为APbX3粉末，其中A为CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X为卤素，APbX3具有钙钛矿结构；
在压电层上形成电洞传输层；
在电洞传输层上形成梳状的第一电极和第二电极；以及
对第一电极和第二电极进行封装，形成绝缘封装层。
本发明通过对感测膜的结构和材料进行设计，得到了性能优良的感测膜，克服了现有技术的缺陷，且所述感测膜的制备方法简单。
附图说明
图1为本发明第一实施方式感测膜的剖面示意图。
图2为本发明第二实施方式感测膜的两个电极的平面示意图。
图3为图1所示感测膜的制备流程图。
图4为图1所示感测膜的另一种制备流程图。
图5为本发明第二实施方式的感测膜的剖面示意图。
图6为电子装置的示意图。
图7为图6中的压力判断电路的示意图。
图8为图5所示感测膜的制备流程图。
主要元件符号说明
Figure BDA0001824263660000031
Figure BDA0001824263660000041
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
附图中示出了本发明的实施例，本发明可以通过多种不同形式实现，而并不应解释为仅局限于这里所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本发明更为全面和完整的公开，并使本领域的技术人员更充分地了解本发明的范围。
请一并参阅图1和图2，本发明第一实施方式的感测膜10包括基底层11、形成在基底层11上的压电层13、以及形成在压电层13上的第一电极152和第二电极154。压电层13上还形成有一绝缘封装层17，第一电极152和第二电极154设置在绝缘封装层17中且第一电极152和第二电极154远离基底层11的端面未被绝缘封装层17覆盖。
如图2所示，第一电极152和第二电极154均为梳状结构且彼此电性绝缘。第一电极152包括第一连接部151以及与第一连接部151分别连接的多个第一梳齿部153。第二电极154包括第二连接部155以及与第二连接部155分别连接的多个第二梳齿部157。多个第一梳齿部153相互平行且间隔，多个第二梳齿部157相互平行且间隔。第一连接部151与第二连接部155均沿第一方向(如图2所示D1方向)延伸成矩形长条状且二者间隔设置。多个第一梳齿部153均连接第一连接部151的同一侧(靠近第二连接部155的一侧)且沿与第一方向交叉的第二方向(如图2所示D2方向)延伸成矩形长条状。多个第二梳齿部157均连接第二连接部155的同一侧(靠近第一连接部151的一侧)且沿第二方向延伸成矩形长条状。
本实施例中，第一方向与第二方向正交，第一连接部151与第一梳齿部153垂直连接，第二连接部155与第二梳齿部157垂直连接。第一电极152的第一梳齿部153与第二电极154的第二梳齿部157沿第一方向依次交替排布。
基底层11的材料为绝缘材料，一实施例中为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
压电层13的材料为压电陶瓷，一实施例中为锆钛酸铅(PZT)陶瓷。
感测膜10可结合于印刷电路板上。感测膜10具有正压电与逆压电之特性，可应用于传感领域。以压电层13的材料为PZT为例，PZT的逸出功(在固体物理中被定义成：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量)为4.6eV，可使用Ag/Al(逸出功约为4.26eV)搭配上Mo(逸出功约为4.6eV)薄层作为欧姆接触改善层对PZT进行极化，使PZE具有压电效应。当感测膜10受到压力发生形变时，电子聚集通过电极(如第一电极152)形成电流，形成压电驱动之压差，输出正压电特性，进而可利用感测膜10作为压力传感器。或者感测膜10利用逆压电效应，形成一超声波器件。或者，透过改变基底层11厚度形成类似振动膜之特性，可利用感测膜10进行超声波感测。
在另一实施例中，压电层13的材料为APbX3，其中A为CH3NH3 +、N(CH3)4+及CH(NH2)2+中的一种，Pb为正二价，X为卤素，如氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)，APbX3具有钙钛矿结构。于一实施例中，压电层13的成分为CH3NH3PbI3。由于APbX3材料其禁带宽度(band gap)符合光波段能级，可通过吸收可见光产生电子跃迁，即将光能转换为电能(具有光电效应)，因此APbX3材料广泛应用于太阳能电池。同时APbX3也具有压电效应，其压电系数d33为50-185pC/N，也可广泛应用于各种常规的压电装置中。
请参阅图3，压电层13为压电陶瓷的感测膜10的制备方法，所述方法包括：
配置压电陶瓷溶胶，于一实施例中为将压电陶瓷粉末与一定溶剂混合形成压电陶瓷溶胶；
将压电陶瓷溶胶形成于蓝宝石衬底上，于一实施例中可采用涂膜方法，如旋涂、刷涂等；
干燥涂覆的压电陶瓷溶胶使溶剂去除，于一实施例中可将其放入450摄氏度的反应炉中。为得到一定厚度的压电陶瓷层，可参上步骤重复进行多次的涂覆和干燥压电陶瓷溶胶，从而得到一定厚度的压电陶瓷溶胶层，例如可重复20次进而得到2微米厚度的压电陶瓷溶胶层；
对压电陶瓷溶胶层进行退火处理，得到压电陶瓷层；
将压电陶瓷层贴附在基底层(塑料材质，如PET)上(可依靠胶体进行粘附，如UV感光胶等)，并采用激光照射使压电陶瓷层与蓝宝石衬底相互剥离进而使压电陶瓷层转移到基底层上；
在压电陶瓷层上形成电极，于一实施例中可采用网印的方式将电极印刷于压电陶瓷层上，再对印刷的电极进行蚀刻形成梳状；
形成绝缘封装层用以对电极进行封装，电极嵌设在绝缘封装层中；
对压电陶瓷层进行极化；以及
将压电陶瓷层、电极及基底层的结合体bonding于PCB上。
请参阅图4，压电层13为APbX3的感测膜10的制备方法，所述方法包括：
提供APbX3粉末，于一实施例中可将CH3NH2与HI混合反应，得到初级产物碘化甲基铵(MAI)，再将MAI与PbI2混合搅拌反应得到APbX3；
将APbX3粉末与溶剂混合配置成涂膜液，将涂膜液形成在基底层(如塑料材质)上并干燥后形成压电层，于一实施例中为：溶剂为二甲基甲酰胺(Dimethylformamide，DMF)，采用涂膜方法，如旋涂、刷涂等；重复此步骤，直到涂膜厚度达到默认值；
在压电层上形成电极，于一实施例中可采用网印的方式将电极印刷于压电层上，再对印刷的电极进行蚀刻形成梳状；
形成绝缘封装层，用以对电极进行封装，电极嵌设在绝缘封装层中；
对压电层进行极化；以及
将压电层、电极及基底层的结合体bonding于PCB上。
请参阅图5，本发明第二实施方式的感测膜20其包括依次层叠设置的基底层11、形成在基底层11上的第一电极层12、形成在第一电极层12上的电子传输层14、形成在电子传输层14上的压电层13、形成在压电层13上的电洞传输层16、以及形成在电洞传输层16上的第一电极152和第二电极154(均为如图2所示的梳状电极，)。电洞传输层16上形成有一绝缘封装层17，第一电极152和第二电极154嵌设在绝缘封装层17中且彼此电性绝缘。
基底层11的成分为绝缘材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。本实施例中，第一电极层12的材质为透明导电材料，如氧化铟锡；电子传输层14的材质为氧化锌；压电层13为的材质CH3NH3PbI3；电洞传输层16的材质为3-己基噻吩的聚合物(P3HT)。
压电层13的材质为APbX3，其中A为CH3NH3 +、N(CH3)4+或CH(NH2)2+，Pb为正二价，X为卤素，如氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)。参上所述，压电层13的材质为APbX3，其能够将光能转换为电能(光电效应)和压电效应，因此感测膜20可应用于太阳能电池，可依靠其压电效应进行触控感测(应变感知)，且依靠其光电效应作为太阳能板进行光能转换为电能。
感测膜20可分别通过第一电极层12和第一电极152/第二电极154进行正负极的输出。当感测膜20未受到挤压时，第一电极152和第二电极154的电位为相等的，当感测膜20受到挤压产生形变时，第一电极152和第二电极154电位不相等，可通过第一电极152和第二电极154的电压电流差，换算得到变形量，实现自供电之压电结构。
当感测膜20作为太阳能板进行光能转换为电能，电能将储存于PCB板电容内。此时第一电极152电压(VB1)－第一电极层12电压(VA)＝第二电极154电压(VB2)－第一电极层12电压(VA)，但若产生形变时，此时供电/扫描电路将出现VB1－VA不等于VB2－VA，经计算和分析可确认形变量。
请参阅图6，应用了感测膜20的电子装置200包括：感测膜20、充电电路210、蓄电池220、控制电路230、驱动电路240、和压力判断电路250。如图6所示，感测膜20电性连接充电电路210，二者配合以将光能转换为电能；充电电路210电性连接蓄电池220，以将电能存储于蓄电池220中；蓄电池220电性连接驱动电路240和压力判断电路250，以对它们进行电力供应；控制电路230电性连接充电电路210、蓄电池220、驱动电路240；感测膜20电性连接压力判断电路250，压力判断电路250根据感测膜20的电流信号变化判断是否有触摸形变；压力判断电路250电性连接控制电路230，当判断有触摸形变时，控制电路230控制充电电路210开启，从而触发充电功能。因此，应用了感测膜20的电子装置200，其不仅可感知形变和太阳能充电，还可通过形变触发太阳能充电的功能。电子装置200可做成贴覆于使用者皮肤表面使用的产品。
请参阅图7，压力判断电路250包括放大器21，放大器21的正极输入端连接第一电极152，放大器21的负极输入端连接第二电极154，当感测膜20未被按压，第一电极152和第二电极154的电位相等，放大器21的输出端将输出第一信号；当感测膜20被按压，第一电极152和第二电极154的电位不相等时，放大器21的输出端将输出不同于第一信号的第二信号(提示有按压)。放大器21的负极输入端与输出端之间还电性连通有一反馈电阻(图未示)，压力判断电路250还包括其他的电子元件，如固定电阻(图未示)、可变电阻(图未示)、电容(图未示)等，以使压力判断电路250正常运行。
感测膜20的制备方法，如图8所示，所述方法包括：
提供基底层(塑料材质，如PET)，在基底层上形成第一电极层，于一实施例中第一电极层的材质为透明导电材料，如氧化铟锡；
在第一电极层表面形成电子传输层(例如氧化锌材质)，于一实施例中为：采用涂膜方法，如旋涂、刷涂等，或采用物理气相沉积法，在第一电极层表面涂覆一层氧化锌再在120摄氏度的温度下进行退火处理；
提供APbX3粉末(具体制备步骤可参上所述)，并将APbX3粉末与溶剂混合配置成涂膜液，将涂膜液形成在电子传输层(例如氧化锌材质)上并干燥后形成压电层，于一实施例中为：溶剂为二甲基甲酰胺(Dimethylformamide，DMF)，采用涂膜方法，如旋涂、刷涂等；重复此步骤，直到涂膜厚度达到默认值；
在压电层上形成电洞传输层，于一实施例中为：将P3HT采用涂膜方法，如旋涂、刷涂等形成在压电层上；
在压电层上形成电极，于一实施例中采用网印的方式将电极印刷于压电层上，再对印刷的电极进行蚀刻形成梳状；
形成绝缘封装层对电极进行封装，电极嵌设在绝缘封装层中并相对绝缘封装层露出；
对压电层进行极化；以及
将压电层、电极及基底层的结合体bonding于PCB上。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，图示中出现的上、下、左及右方向仅为了方便理解，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种感测膜，其特征在于，所述感测膜作为太阳能板，也作为压电器件，所述感测膜包括：
基底层；
形成在所述基底层上的压电层；以及
形成在所述压电层上的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且电性绝缘，
所述第一电极和所述第二电极均为梳状的，
所述第一电极包括第一连接部以及与所述第一连接部分别连接的多个第一梳齿部；
所述第二电极包括第二连接部以及与所述第二连接部分别连接的多个第二梳齿部；
所述第一连接部与所述第二连接部相对设置且彼此间隔；
所述多个第一梳齿部均连接所述第一连接部靠近所述第二连接部的一侧；
所述多个二梳齿部均连接所述第二连接部靠近所述第一连接部的一侧；
所述第一梳齿部与所述第二梳齿部沿所述第一连接部与所述第二连接部的延伸方向交替排布；
所述压电层的成分为APbX3，其中A为CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X为卤素，APbX3具有钙钛矿结构。
2.如权利要求1中所述的感测膜，其特征在于，所述感测膜还包括绝缘封装层，所述第一电极和所述第二电极设置在所述绝缘封装层中。
3.一种感测膜，其特征在于，其包括：
基底层；
形成在所述基底层上的第一电极层；
形成在所述第一电极层远离所述基底层一侧的电子传输层；
形成在所述电子传输层远离所述基底层一侧的压电层，所述压电层的成分为APbX3，其中A为CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X为卤素，APbX3具有钙钛矿结构；
形成在所述压电层远离所述基底层一侧的电洞传输层；以及
形成在所述电洞传输层上的梳状的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且电性绝缘。
4.如权利要求3中所述的感测膜，其特征在于，
所述第一电极包括第一连接部以及与所述第一连接部分别连接的多个第一梳齿部；
所述第二电极包括第二连接部以及与所述第二连接部分别连接的多个第二梳齿部；
所述第一连接部与所述第二连接部相对设置且彼此间隔；
所述多个第一梳齿部均连接所述第一连接部靠近所述第二连接部的一侧；
所述多个二梳齿部均连接所述第二连接部靠近所述第一连接部的一侧；
所述第一梳齿部与所述第二梳齿部沿所述第一连接部与所述第二连接部的延伸方向交替排布。
5.一种电子装置，其包括感测膜，其特征在于，感测膜包括：
基底层；
形成在所述基底层上的压电层；以及
形成在所述压电层上的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极彼此间隔且电性绝缘，所述第一电极和所述第二电极均为梳状的;
所述感测膜作为太阳能板；
所述电子装置还包括：
充电电路，其电性连接所述感测膜，二者配合以将光能转换为电能；
蓄电池，其电性连接所述充电电路，以将电能存储于蓄电池中；
驱动电路，其电性连接所述蓄电池；
控制电路，其电性连接充电电路、蓄电池、驱动电路；
压力判断电路，其电性连接感测膜并根据感测膜的电流信号变化判断是否有触摸形变，当判断有触摸形变时，控制电路控制充电电路开启，从而触发充电功能。
6.一种感测膜的制备方法，其包括如下步骤：
提供基底层，在基底层上形成第一电极层；
在第一电极层表面形成电子传输层；
在电子传输层上形成压电层，所述压电层的成分为APbX3粉末，其中A为CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X为卤素，APbX3具有钙钛矿结构；
在压电层上形成电洞传输层；
在电洞传输层上形成梳状的第一电极和第二电极；以及
对第一电极和第二电极进行封装，形成绝缘封装层。
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