CN109328328A - 传感器和显示器以及用于制造它们的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于制造传感器的方法和设备。在一种设置中，该方法包括在基板上形成第一电极和第二电极，施加电功能层以将该第一电极连接到该第二电极。该电功能层的施加至少包括：第一步骤，以包括多个第一子区域的第一图案施加包含传递液和电功能材料的组合物。

Description

传感器和显示器以及用于制造它们的设备和方法
技术领域
本发明涉及提供一种传感器，特别地用于人机界面(诸如显示器)的力敏感单元或其它传感器，如能够检测例如通过手指或触控笔按压显示器的可视表面而施加到显示器区域上的力的大小的传感器。
背景技术
诸如计算机、平板电脑、电话和手表之类的消费类电子器件通常包括触敏屏幕，其能够检测触摸到屏幕的一个或多个位置。人们越来越关注额外提供检测与触摸屏相关的力的能力。
过去已经使用许多技术来实现力检测，通常涉及电容传感器或压电器件。然而，已经证明，实现可靠性和低制造成本的可接受组合是具有挑战性的。
一种有前景的方法是基于在电极之间施加纳米颗粒以形成基于纳米颗粒的电阻应变计。当力施加至纳米颗粒时，电极之间的电阻随施加的力而变化，从而提供力的量度。该组件可以以相对低的成本制造，并且可以有利地应用于刚性基板和柔性基板。然而，纳米颗粒组件的可变性会引起力传感器在响应中的可变性，导致不同传感器之间存在差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器，其能够以低成本可靠地制造并且具有一致的性能特性。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造传感器的方法，包括：在基板上形成第一电极和第二电极；以及施加电功能层以将所述第一电极连接到所述第二电极，其中：电功能层的施加至少包括以包括多个第一子区域的第一图案施加包含传递液和电功能材料的组合物的第一步骤；以及当垂直于基板观察时，两个或更多个第一子区域中的每一个独立于所有的其它第一子区域；和/或当垂直于基板观察时，两个或更多个第一子区域中的每一个连接到一个或多个其它的第一子区域，并且当垂直于基板观察时，第一子区域与连接到第一子区域的一个或多个其它第一子区域中的每一个之间的最短接触线小于第一子区域的外边界线长度的20％。
发明人已经发现，以多个子区域施加组合物降低了在蒸发传递液期间，电功能材料不均匀迁移和积聚的程度，从而与在单个连续区域中里沉积所有电功能材料的替代方法相比，实现了更均匀且可重复的电功能材料沉积。因此，电功能层的电气特性更可预测且有规律。减少了不同传感器之间的性能的差异。
在一个实施方案中，电功能层的施加包括在第一步骤之后的第二步骤，在所述第二步骤中，以包括多个第二子区域的第二图案施加包含传递液和电功能材料的组合物。
发明人已经发现，在多个步骤中以这种方式沉积电功能材料使得在每个步骤中布置彼此进一步独立的不同子区域成为可能，从而有助于避免在传递液蒸发期间不同子区域之间的电功能材料的迁移，同时在所有步骤完成后能够实现电功能层的高度覆盖。传递液可以在不同步骤之间大部分或完全蒸发。
在一个实施方案中，电功能层包含导电纳米颗粒，该导电纳米颗粒可选地配置为使得确定电功能层内的电阻率的主导因素是导电纳米颗粒之间的量子隧穿。发明人已经发现，以这种方式配置电功能层对施加的力提供了特别高的灵敏度。
根据另一方面，本发明提供了一种传感器，包括：基板上的第一电极和第二电极；以及将第一电极连接到第二电极的电功能层，电功能层形成包括多个子区域的图案，其中：当垂直于基板观察时，两个或更多个子区域中的每一个独立于所有的其它子区域；和/或当垂直于基板观察时，两个或更多个子区域中的每一个连接到一个或多个其它子区域，并且当垂直于基板观察时，子区域与连接到子区域的一个或多个其它子区域中的每一个之间的最短接触线小于子区域的外边界线长度的20％。
附图说明
现将参照附图以示例的方式来进一步描述本发明，其中：
图1是根据实施方案的传感器的示意性俯视图；
图2是图1的传感器的一部分的示意性侧视图；
图3是根据另一实施方案的图1所示类型的传感器的一部分的示意性侧视图；
图4描绘了垂直于基板观察时，传递液和电功能材料的组合物的示例性第一图案；
图5描绘了垂直于基板观察的另一种第一图案；
图6描绘了传递液和电功能材料的组合物的示例性第二图案，其与图5的第一图案互补；
图7描绘了施加图5的第一图案且随后施加图6的第二图案的结果；
图8是传感器的一部分的示意性俯视图，示出了传递液和电功能材料的组合物的第一子区域，每个第一子区域与第一电极和第二电极两者重叠；
图9描绘了图5或图6中所示类型的第一图案或第二图案的一部分，其中每个子区域独立于所有的其它子区域；
图10描绘了图5或图6中所示类型的第一图案或第二图案的一部分，其中每个子区域在其拐角处连接到相邻的子区域；和
图11是包括多个传感器的显示器的示意性俯视图。
具体实施方式
在一个实施方案中，提供了一种制造传感器2的方法。示例性传感器2描绘在图1至图3中。在一个实施方案中，传感器2包括力敏单元。该力敏单元可以形成人机界面，例如显示器30(例如触敏显示器)的一部分(例如，如图11所示)。替代地或另外地，传感器2可以是电容传感器或其它传感器2。传感器2可以包括交叉指型电极。
该方法包括在基板6上形成第一电极11和第二电极12。通常，基板6将由绝缘材料形成和/或用绝缘材料覆盖，使得第一电极11和第二电极12通过绝缘材料与基板6接触。第一电极11和第二电极12可以以本领域技术人员已知的多种不同方式形成，例如将导电材料以期望的图案沉积到基板上和/或在沉积之后进行图案化工艺以提供所需的图案。例如，可以通过诸如金属或氧化铟锡(ITO)的导电层的激光图案化来形成第一电极11和第二电极12。在图1所示的具体实例中，第一电极11包括多个平行指状物111，第二电极12包括多个平行指状物121，并且第一电极11的多个平行指状物111和多个平行指状物第二电极12的121相互交错，形成所谓的交叉指型电极。然而，本发明不限于这种特定的布置。
该方法进一步包括施加电功能层4以将第一电极11连接到第二电极12。电功能层4可以采用多种形式。在一个实施方案中，电功能层4配置成使得施加到电功能层4的力改变电功能层4的电气特性。电气特性的改变可以通过使用连接到第一电极11和第二电极12的标准电子器件来检测(例如，通过监测在第一电极11和第二电极12之间施加的电势差与在第一电极11和第二电极12之间的电流之间的关系)。在一个实施方案中，电功能层4配置成使得基板6的弯曲(即，基板6形状的变化，例如基板6的折弯)改变电功能层4的电气特性。因此，例如，在将力施加到包括传感器2的显示器30上而引起传感器2的区域中的基板6弯曲时，可通过连接到第一电极11和第二电极12的电子器件来检测。
在一个实施方案中，电气特性的改变包括电功能层4的电阻率的改变，并因此引起第一电极11和第二电极12之间的电通路的电阻的改变。替代地或另外地，电气特性的改变包括电功能层4的介电常数的改变，并因此引起第一电极11和第二电极12之间的电通路的电容特性的改变。电气特性的改变的检测可用于确定施加到传感器2的力的大小。
在一个实施方案中，电功能层包含导电纳米颗粒。该导电纳米颗粒可配置为使得确定电功能层内的电阻率的主导因素是导电纳米颗粒之间的量子隧穿。已经发现这种类型的电功能层对施加的力特别敏感，从而提供高灵敏度。这些材料的使用使得能够更可靠地区分不同水平的力。替代地或另外地，这种材料的使用使得能够使用更刚性的基板，因为能够可靠地检测到基板形状的较小变化。因此可以使设备更具鲁棒性。
包含导电纳米颗粒的电功能层可包括金属和非导电弹性体粘合剂的复合材料，例如具有类似弹性橡胶性质的聚合物复合材料(例如弹性体)和金属颗粒(诸如镍)的组合。电功能层可以以不透明或透明的形式提供。电功能层可以配置成使得在没有压力的情况下导电纳米颗粒相隔太远而不会显著导电。施加的压力可以迫使导电纳米颗粒足够地靠近而导致显著程度的发生量子隧穿，使得穿过导电元件之间的绝缘材料。与电阻通常随距离线性变化的经典情况不同，量子隧穿主导的电阻中的变化被预期是呈指数变化的。这种指数变化而非线性变化奠定了高灵敏度的基础。
电功能层4的施加至少包括：第一步骤，以包括多个第一子区域21的第一图案施加包含传递液和电功能材料的组合物。在一个实施方案中，第一步骤是施加电功能层4的唯一步骤且有效地用于施加所需的所有电功能层4，以在第一电极11和第二电极12之间提供所需连接(因此，在这样的实施方案中，第一子区域21是唯一的子区域21)。图4中示出了这种第一图案的实例。在其它实施方案中，第一步骤仅是用于提供电功能层4的多个步骤(例如，两个步骤、三个步骤或更多个步骤)中的一个。在图5和图6中分别示出了在这种多步骤过程的两个不同步骤中使用的第一图案和第二图案的实例。可以多次施加第一图案和第二图案(或实际上任何其它图案)中的任一个或两者以构建所期望厚度的电功能材料。
在一个实施方案中，包括多个第一子区域21的第一图案在包括传递液和电功能层的组合物首次接触第一电极和第二电极的同时形成，先于任何后续传递液蒸发或组合物的运动。在一些实施方案中，例如如图2所示，在传递液蒸发期间，基板6的上侧的结构(诸如第一电极11和第二电极12)将不会显著破坏组合物中电功能材料的定位。在传递液蒸发后，电功能材料将以与第一图案基本相同的图案沉积。然而，在其它实施方案中，在组合物首次接触第一电极11和第二电极12之后，基板6的上侧的结构可以引起电功能材料的移动。例如，如图3的示例设置所示，在第一电极11和第二电极12相对高(厚)的情况下，在传递液蒸发期间，电功能材料可优先落入第一电极11和第二电极12之间的谷中，使得在传递液蒸发后，较少的电功能材料或基本没有电功能材料留在第一电极11和/或第二电极12的顶部。在这种情况下，在传递液蒸发之后，由电功能材料形成的图案可能基本不同于第一图案。
在一个实施方案中，当垂直于基板6观察时，两个或更多个第一子区域21(可选地所有第一子区域)中的每一个独立于所有其它第一子区域21(即，不连接)。图4中示出了这种设置的实例。每个第一子区域21被其中不存在电功能层4的材料的区域围绕。发明人已经发现，相对于所有电功能层4形成在单个连续区域的替代方法，这种设置减小了由咖啡环效应引起的电功能层4的变化幅度。由于包含传递液和电功能材料的沉积用组合物之间蒸发速率的差异，咖啡环效应导致颗粒的非均匀性沉积。边缘处的液体蒸发被内部的液体补充，致使蒸发期间的向边流动以及电功能材料朝向沉积的组合物的边缘的不成比例的积聚。将沉积的组合物限制到离散区域(第一子区域21)使得电功能材料保留在那些离散区域内并防止电功能材料在更长距离上迁移。因此，电功能层4的电气特性更可预测且有规律。从而减少了不同的但名义上相同的传感器2性质之间的差异。
在一个实施方案中，一个或多个第一子区域21中的每一个与第一电极11的一部分和第二电极12的一部分重叠。图8中描绘了这种类型的示例配置。因此，即使在各个第一子区域21之间存在间隙的情况下，通过与第一电极11和第二电极12两者重叠的一个或多个第一子区域21中的每一个仍然能够在第一电极11和第二电极12之间形成连续连接。
在一个实施方案中，电功能层4的施加包括在第一步骤之后的第二步骤。在第二步骤中，以第二图案施加包含传递液和电功能材料的组合物。第二图案包括多个第二子区域22。在一个实施方案中，在进行第二步骤之前，至少蒸发大部分的在第一步骤期间施加的传递液。因此，第二子区域22可以直接与第一子区域21相邻，或者甚至与第一子区域21重叠地施加，而没有发生任何大规模咖啡环效应的显著风险。电功能材料不能移动穿过不存在明显传递液的区域。
在一个实施方案中，第二图案与第一图案基本互补，使得第二子区域22基本填充第一子区域21之间的间隙25(并且第一子区域21基本填充第二子区域22之间的间隙27)。图5和图6中分别示出了这种类型的示例性第一图案和第二图案。图7中示出了使用图5的第一图案进行第一步骤且随后使用图6的第二图案进行第二步骤的结果。可以看出，第一步骤和第二步骤的组合提供了在相对较大的区域中的基本连续的覆盖，但没有在该整个较大区域上发生咖啡环效应的风险。任何咖啡环效应只能发生在单个第一子区域21和第二子区域22中。
在一个实施方案中，当垂直于基板6观察时，第二子区域22的总表面积的至少大部分不与任何第一子区域21重叠。上面参考图5至图7讨论的设置是这种类型的一个实例。最小化重叠有助于确保电功能材料的均匀沉积。
在一个实施方案中，第一子区域21和第二子区域22具有相同的形状并且彼此嵌合。这种方法易于实施并且实现了良好的空间填充。在图5至图7的实例中，第一子区域21和第二子区域22是正方形，但是可以使用任何其它嵌合形状。在其它实施方案中，也可使用具有彼此不同形状但仍形成嵌合图案的第一子区域21和/或第二子区域22的组合。
嵌合形状的使用不限于使用多步骤方法来施加电功能层的情况。即使仅存在第一子区域21(如图4的实例中)，第一子区域21也可以全部具有相同的形状和/或配置为彼此嵌合。这种方法也易于实施并提供良好的空间填充。在其它实施方案中，也可使用形成嵌合图案的不同形状的第一子区域21的组合。
在一个实施方案中，第一子区域21和第二子区域22以行和列来设置，并且在各行和各列中彼此交替。图7中所示的国际象棋盘样实例是这种类型的实施方案。
图9和图10是根据两个不同实施方案且上文参考图5所描述类型的第一图案的一部分的放大视图。
在图9的实施方案中，每个第一子区域21与所有其它子区域21分开。因此，即使在第一子区域21的最接近邻近第一子区域21的拐角处，也没有发生接触。该方法使咖啡环效应最小化，但需要精确形成子区域21和/或电功能层较低的覆盖率。
在图10所示例的替代实施方案中，当垂直于基板6观察时，两个或更多个第一子区域21(可选地所有的第一子区域21)中的每一个连接到一个或多个其它第一子区域21，并且当垂直于基板6观察时，第一子区域21与连接到第一子区域21的一个或多个其它第一子区域21中的每一个之间的最短接触线小于第一子区域21的外边界线31的长度的20％，可选地小于10％，可选地小于5％，可选地小于2％，可选地小于1％。在图10中，图8的左下方所示的第一子区域21与其第一最接近的子区域(沿着对角线)中的每一个之间的最短接触线由四条虚线A-B、C-D、E-F和G-H来示出。外边界线3l包括第一子区域的整个边界，由线A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G、G-H和H-A构成。
在一个实施方案中，使用喷墨打印施加包含传递液和电功能材料的组合物。在组合物首次接触第一电极和第二电极时(即通过打印施加组合物时)由组合物形成的图案通过喷墨打印工艺来限定。喷墨打印头(或多个头)以期望的图案(例如，第一图案、第二图案等)打印组合物。发明人发现这种方法是有效和灵活的。
在一个实施方案中，以下项中的一个或多个(可选地全部)是基本透明的(例如，具有大于90％的透明度)：第一电极11、第二电极12、电功能层4和基板6。基板6可例如由PET形成。
在一个实施方案中，基板6是柔性的，例如，其程度能够使得基板6的变形(不破坏基板6)足以引起将第一电极11和第二电极12连接在一起的电功能层中电气特性(例如电阻率/或介电常数)的显著(例如，容易测量的)变化。
在一个实施方案中，施加电功能层包括在施加组合物之后加热包含传递液和电功能材料的组合物，以促进传递液的蒸发。例如，该加热可以在用于施加电功能层的过程期间通过支撑基板6的卡盘来施加。
在一个实施方案中，在施加电功能层之后，提供保护性覆盖层10，如图2和图3中所示的设置。
在一个实施方案中，该方法适于在显示器30的不同位置处形成多个传感器2。在传感器配置为测量力的情况下，这使得能够根据显示器上的位置来测量力。图11中示意性地描绘了包括多个这样的传感器2的示例性显示器30。

Claims (38)

1.一种制造传感器的方法，包括：
在基板上形成第一电极和第二电极；和
施加电功能层以将所述第一电极连接到所述第二电极，其中：
所述电功能层的施加至少包括以包括多个第一子区域的第一图案施加包含传递液和电功能材料的组合物的第一步骤；和
当垂直于所述基板观察时，两个或更多个所述第一子区域中的每一个独立于所有的其它第一子区域；和/或
当垂直于所述基板观察时，两个或更多个所述第一子区域中的每一个连接到一个或多个其它第一子区域，并且当垂直于所述基板观察时，所述第一子区域与连接到所述第一子区域的一个或多个其它第一子区域中的每一个之间的最短接触线小于所述第一子区域的外边界线长度的20％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器包括力敏单元。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，包含所述传递液和所述电功能层的所述组合物使用喷墨打印来施加。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板是柔性的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电功能层配置为使得施加到所述电功能层的力改变所述电功能层的电气特性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电功能层配置为使得所述基板的弯曲改变所述电功能层的电气特性。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述电气特性的改变包括所述电功能层的电阻率的改变，并因此引起所述第一电极和所述第二电极之间的电通路的电阻的改变。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述电气特性的改变包括所述电功能层的介电常数的改变，并因此引起所述第一电极和所述第二电极之间的电通路的电容特性的改变。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当垂直于所述基板观察时，所有的所述第一子区域独立于所有的其它第一子区域。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个第一子区域中的每一个与所述第一电极的一部分和所述第二电极的一部分重叠。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电功能层的施加包括：在所述第一步骤之后的第二步骤，在所述第二步骤中，以包括多个第二子区域的第二图案施加包含所述传递液和所述电功能材料的所述组合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，当垂直于所述基板观察时，至少所述第二子区域的大部分表面积不与所述第一子区域中的任何一个重叠。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第二图案与所述第一图案基本互补，使得所述第二子区域基本填充所述第一子区域之间的间隙。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，在执行所述第二步骤之前，至少蒸发大部分在所述第一步骤期间施加的所述传递液。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述第一子区域和所述第二子区域彼此嵌合。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中，所述第一子区域和所述第二子区域以行和列设置，并且在每行和每列中彼此交替。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电功能层包含导电纳米颗粒。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，包括导电纳米颗粒的所述电功能层配置为使得确定所述电功能层内的电阻率的主导因素是所述导电纳米颗粒之间的量子隧穿。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以下项中的一个或多个基本是透明的：所述第一电极、所述第二电极、所述电功能层和所述基板。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电功能层的施加包括：在施加所述组合物之后，加热包含所述传递液和所述电功能材料的所述组合物，以促进所述传递液的蒸发。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述包括多个第一子区域的第一图案在所述包含传递液和电功能材料的组合物首次接触所述第一电极和所述第二电极的同时形成，先于所述传递液的任何后续蒸发或所述组合物的运动。
22.一种制造显示器的方法，包括在所述显示器上的不同位置处形成多个传感器，每个传感器由使用权利要求1至21中任一项所述的方法制造。
23.一种用于制造传感器的设备，所述设备配置为执行权利要求1至21中任一项所述的方法。
24.一种传感器，包括：
基板上的第一电极和第二电极；和
将所述第一电极连接到所述第二电极的电功能层，所述电功能层形成包括多个子区域的图案，其中：
当垂直于所述基板观察时，两个或更多个所述子区域中的每一个独立于所有的其它子区域；和/或
当垂直于所述基板观察时，两个或更多个所述子区域中的每一个连接到一个或多个其它子区域，并且当垂直于所述基板观察时，所述子区域与连接到所述子区域的一个或多个其它子区域中的每一个之间的最短接触线小于所述子区域的外边界线长度的20％。
25.根据权利要求24所述的传感器，其中，所述传感器包括力敏单元。
26.根据权利要求24或25所述的传感器，其中，所述基板是柔性的。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的传感器，其中，所述电功能层配置为使得施加到所述电功能层的力改变所述电功能层的电气特性，所述电气特性能够通过所述第一电极和所述第二电极来测量。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的传感器，其中，所述电功能层配置为使得所述基板的弯曲改变所述电功能层的电气特性，所述电气特性能够通过所述第一电极和所述第二电极测量。
29.根据权利要求27或28所述的传感器，其中，所述电气特性的改变包括所述电功能层的电阻率的改变，并因此引起所述第一电极和所述第二电极之间的电通路的电阻的变化。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的传感器，其中，所述电气特性的改变包括所述电功能层的介电常数的改变，并因此引起所述第一电极和所述第二电极之间的电通路的电容特性的改变。
31.根据权利要求24至30中任一项所述的传感器，其中当垂直于所述基板观察时，所有的所述子区域独立于所有的其它子区域。
32.根据权利要求24至31中任一项所述的传感器，其中，所述一个或多个子区域中的每一个与所述第一电极的一部分和所述第二电极的一部分重叠。
33.根据权利要求24至32中任一项所述的传感器，其中，所述电功能层包含导电纳米颗粒。
34.根据权利要求33所述的传感器，其中，包括导电纳米颗粒的所述电功能层配置为使得确定所述电功能层内的电阻率的主导因素是所述导电纳米颗粒之间的量子隧穿。
35.根据权利要求24至34中任一项所述的传感器，其中，以下项中的一个或多个基本是透明的：所述第一电极、所述第二电极、所述电功能层和所述基板。
36.一种显示器，包括多个权利要求24至35中任一项所述的传感器，其中，每个传感器位于所述显示器的不同位置。
37.一种基本如下面参考附图所述和/或如附图所示的制造传感器的方法或制造显示器的方法。
38.一种设置和配置为基本如下面参考附图所述和/或如附图所示操作的传感器或显示器。
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