CN110377189A - 用于同时检测压力和位置的使用石墨烯的触摸传感器 - Google Patents

用于同时检测压力和位置的使用石墨烯的触摸传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通过使用石墨烯作为电极和/或应变计的用于同时检测触摸位置和/或触摸压力大小的触摸传感器，更具体地，涉及一种通过使用石墨烯依靠电阻的改变来同时测量压力和位置的触摸传感器。

Description

用于同时检测压力和位置的使用石墨烯的触摸传感器
本申请是申请号为201180062319.1、申请日为2011年12月23日、发明名称为“用于同时检测压力和位置的使用石墨烯的触摸传感器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及触摸传感器，其通过使用石墨烯依靠电阻的改变能够同时测量压力和位置。
背景技术
在诸如触摸屏和触摸板之类的触摸传感器中，是通过手指、笔或类似物接触屏幕来进行输入的，而不需要使用诸如键盘或鼠标之类的输入设备。虽然触摸屏在精确性、输入速度、字符的输入等等方面需要改善，但是其有利的一面是其能够让任何人容易地进行输入。因此，触摸屏通常使用在公共部门中，例如使用在自动柜员机、自助服务机等类似物上。然而，随着移动通信技术的最新发展，触摸屏的功能已经延伸到诸如手机、PDA和导航系统等电子信息设备中的用于简单地显示字符信息的工具，以及在音频、视频和无线互联网网络浏览器中用于提供更多样的和复杂的多媒体的工具。随着多媒体功能的发展，需要在电子信息设备的有限尺寸范围内实现更大的显示屏。因此，使用触摸面板的显示器更引人关注。
因为通过将触摸面板叠置在液晶显示屏而形成的触摸显示屏集成了屏幕和坐标输入工具，所以与传统的键输入类型的装置相比，其具有减少空间的优势。因此，由于采用了触摸显示屏的电子信息设备能够增加屏幕尺寸和改善用户体验，所以触摸面板的使用日益增加。
简要地了解一下各种检测类型的触摸面板，有电阻型的，其通过在施加DC电压的状态中的电流值或者电压值的改变来检测被压力按压的位置；有电容型的，其使用耦合在施加AC电压的状态中的电容；以及还有电磁型的，其通过在施加磁场的状态中的电压的改变来检测被选择的位置。
将电阻型的触摸面板与液晶显示设备结合以用于个人移动设备、导航系统、PMP、电子笔记本、PDA等等。根据检测触摸点的方法，可将该电阻型的触摸面板分成模拟型和数字型。韩国专利申请公开号2008-0108277描述了一种用于使用超声波融合生产电阻触摸传感器的方法。
如上所述，各种设备上使用着各种类型的触摸屏。然而，有很多问题需要解决以降低成本并改善性能。也就是说，需要具有简化的结构和更加完善的性能的触摸屏设备。而且，传统的触摸屏设备的一个问题是其难以实现大尺寸的屏幕。
发明内容
本发明提供了一种触摸传感器，其能够通过使用石墨烯作为电极和/或应变计(strain gauge)来确定触摸位置和/或触摸压力的大小，更具体地，是提供了一种通过使用石墨烯根据电阻的改变而能够同时检测压力和位置的触摸传感器。
然而，本发明所要解决的问题并不限于上文描述的那些问题。根据下文的公开，本领域技术人员能够清楚地理解本发明所能解决的、但并没有在本文中描述的其它问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其包括：第一石墨烯电极图案(electrode patterns)，其形成在第一基板上并且包括多个相互平行地形成的石墨烯电极；形成在所述第一石墨烯电极图案上的力感应电阻(FSR)层；第二石墨烯电极图案，其形成在第二基板上，与所述第一石墨烯电极图案垂直交叉，并且包括多个相互平行地形成的石墨烯电极；以及控制器，其向所述第一石墨烯电极图案和所述第二石墨烯电极图案施加电压，并且根据施加在所述第一基板或者所述第二基板上的外部触摸的压力感测所述力感应电阻的电阻变化以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标并感测该外部触摸所施加的压力的大小。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：显示面板；以及根据本发明的上述第一方面所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中所述触摸传感器与所述显示面板的前表面连接。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其包括：第一基板，该第一基板形成在第一绝缘基板上，并且包括第一石墨烯图案，该第一石墨烯图案包括多个相互平行地形成的石墨烯电极；第二基板，该第二基板形成在第二绝缘基板上，并且包括与所述第一石墨烯图案垂直相交的第二石墨烯图案，该第二石墨烯图案包括多个相互平行地形成的石墨烯电极；以及控制器，其向所述第一石墨烯图案和所述第二石墨烯图案施加电压，并且根据施加在所述第一或第二绝缘基板上的外部触摸所施加的压力感测在所述第一石墨烯图案的至少一个石墨烯电极和所述第二石墨烯图案的至少一个石墨烯电极中产生的电阻变化，以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标并感测该外部触摸所施加的压力的大小。
根据本发明的第四方面，提供了一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：显示面板；以及根据本发明的上述第三方面所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中所述触摸传感器与所述显示面板的前表面连接。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其包括：形成在绝缘基板上的、并且包括多个相互平行地形成的石墨烯线电极的第一石墨烯电极图案，以及形成在所述第一石墨烯电极图案上的、并且包括与所述第一石墨烯电极图案的各自的多个石墨烯线电极垂直交叉的多个石墨烯线电极的第二石墨烯电极图案，该多个石墨烯线电极相互平行地形成；多个石墨烯应变计，其被形成以与所述第一石墨烯电极图案的所述多个石墨烯线电极和所述第二石墨烯电极图案的所述多个石墨烯线电极之间的各自的交叉点连接；以及控制器，其对所述第一石墨烯图案和所述第二石墨烯图案的多个石墨烯线电极中的每一个施加电压，并且根据由外部触摸所施加的压力来感测与所述绝缘基板上的所述外部触摸的位置对应的在所述石墨烯应变计中产生的电阻变化，以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标，并且感测该外部触摸所施加的压力的大小。
根据本发明的第六方面，提供了一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：显示面板；以及根据本发明的上述第五方面所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中所述触摸传感器与所述显示面板的前表面连接。
根据本发明的第七方面，提供了一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：配置有透明导电膜、电极和点隔离片的下基板；配置有透明导电膜和电极的上基板；形成在被包括在所述上基板内的电极和/或被包括在所述下基板内的电极上的石墨烯电极，该石墨烯电极具有感测应变的功能；以及粘合剂，用于将所述下基板和所述上基板粘合成相互面对且具有一定间隔，其中所述显示面板包括布线结构，该布线结构用于信号从所述上基板的所述电极和所述下基板的所述电极到外部的输入和输出。
根据本发明的第八方面，提供了一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：配置有透明导电膜的上基板；配置有透明导电膜的下基板；形成在所述上基板和所述透明导电膜之间的石墨烯电极；形成在所述石墨烯电极的侧表面上的电极；以及用于使所述下基板的透明导电膜的下部绝缘的绝缘覆盖部分，其中，当触摸所述透明导电膜的上表面时，形成在所述侧表面上的电极根据静电电容的变化感测该触摸位置，并且通过使用该石墨烯电极本身的感测应变的功能来感测该触摸的压力的大小。
根据本发明，通过将图案化的并形成在基板上的X-轴和Y-轴石墨烯电极应用到触摸传感器，能够实现多触点功能。当使用石墨烯制造电极时，能够防止或最小化由于不对准所导致的问题。而且，能够容易地实现该产品的均匀性和可复制性。由于石墨烯具有极好的透明度和机械性能，其能够被用于透明的、弹性的、和可伸缩的(stretchable)触摸传感器。因此，本发明的传感器也能够被应用为可伸缩的3D传感器。
附图说明
图1为示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的分解透视图。
图2为示意性地说明根据本发明的另一个示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的分解透视图。
图3为根据本发明的实施方式的说明用于制造用于同时检测压力和位置的触摸传感器的方法的透视图。
图4提供了用于根据在依照本发明的例子的用于同时检测压力和位置的触摸传感器中施加的压力测量电阻的实验方法的照片。
图5提供了显示由图4的测量方法测量的电阻的变化的图表，该电阻的变化取决于随着施加压力的时间变化的压力的大小的改变。
图6提供了根据重复施加到依照本发明的例子的用于同时测量压力和位置的触摸传感器的压力的电阻的图表。
图7为示意性地说明根据本发明的另一个示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的分解透视图。
图8提供了根据本发明的例子的用于同时测量压力和位置的触摸传感器的照片，该触摸传感器被制造成包括石墨烯应变计。
图9为示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的剖视图。
图10为示意性地说明根据本发明的另一个示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性的实施方式和实施例，以便本领域的技术人员能够容易地实施本发明的内容。
然而，应注意的是，本发明并不限于示例性的实施方式和实施例，而是能够以各种其它的方法来实现。在附图中，省略了与描述不直接相关的某些部件，以便使附图更清楚，并且在整个文件中，相同的参考数字表示相同的部件。
在整个文件中，使用的术语“包括或包含”和/或“包括有或包含有”意指除了描述的部件、步骤、操作和/或元件外，并不排除一个或多个其它的部件、步骤、操作和/或元件的存在或者增加。术语“约或者大约”或“基本上”意指接近被指定的具有许可误差的数字值或范围，并且是为了防止为了本发明的理解而公开的精确的或绝对的数值被任何不合理的第三方非法或不公平地使用。在整个文件中，术语“…的步骤”并不意味着“用于…的步骤”。
本发明的第一方面提供了一种用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其包括：第一石墨烯电极图案(electrode patterns)，其形成在第一基板上并且包括多个相互平行地形成的石墨烯电极；形成在所述第一石墨烯电极图案上的力感应电阻(FSR)层；第二石墨烯电极图案，其形成在第二基板上，与所述第一石墨烯电极图案垂直交叉，并且包括多个相互平行地形成的石墨烯电极；以及控制器，其向所述第一石墨烯电极图案和所述第二石墨烯电极图案施加电压，并且根据施加在所述第一基板或者所述第二基板上的外部触摸的压力来感测所述力感应电阻的电阻变化以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标并感测该外部触摸所施加的压力的大小。
在示例性实施方式中，所述第一基板和第二基板中的至少一个是弹性的或者可伸缩的，但不局限于此。例如，由于石墨烯电极是弹性的和可伸缩的，因此所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板中至少一个可以由弹性和可伸缩的材料形成，从而能够制造出弹性的和可伸缩的触摸传感器。所述第一基板和第二基板中的至少一个可以由塑料或橡胶形成，但并不限于此。
在示例性实施方式中，第一基板和第二基板可包括透明有机绝缘体，但不局限于此。例如，该透明有机绝缘体可包括从由聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(polyacryl)、诸如多元酚、聚酯、硅树脂和聚氨酯的热固性树脂、诸如聚碳酸酯、聚乙烯和聚苯乙烯的热塑性树脂、苯并环丁烯(BCB)、F添加聚酰亚胺(PI)、全氟环丁烷(PFCB)、氟代聚芳醚(FPAE)、硅氧烷基聚合物、SOG以及它们的组合所组成的组中选择之一。
在示例性实施方式中，所述力感应电阻层可包括透明导电膜，但并不局限于此。由于透明导电膜除了具有极好的导电性和透明度之外，还具有极好的弯曲性，如果所述第一和第二力感应电阻层中的每一个都由透明导电膜形成，那么就可能提供一种具有改善导电性的膜，该膜能用作为透明电极和平板显示器的触摸屏的材料。在示例性的实施方式中，所述第一和第二力感应电阻层中的每一个可以由压电材料形成，但并不局限于此。对于压电材料，可以不受限制地使用本领域内已知的任何压电材料。
在示例性实施方式中，所述力感应电阻层可包括至少一个力感应电阻层，但并不局限于此。
在示例性实施方式中，所述控制器施加电压至所述第一石墨烯电极图案的石墨烯电极和所述第二石墨烯电极图案的石墨烯电极的被施加外部触摸的位置之一，以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标，并且同时确定该外部触摸所施加的压力大小。然而该控制器并不局限于此。
图1为示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的结构的分解透视图。
参见图1，根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器100包括第一基板110、力感应电阻(FSR)层120和第二基板130。该触摸传感器100可进一步包括图案化并形成在第一基板110上的第一石墨烯电极图案(electrode patterns)(X1,X2…Xn)和图案化并形成在第二基板130上的第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)。
用于同时检测压力和位置的触摸传感器100可被配置成包括第一基板110和面对该第一基板110的第二基板130。该第一基板110是被定点物体(pointing object)(例如，手指、手写笔等等)施加外部压力F的构件，并且该构件在该外力F下会发生应变。在本发明的触摸面板100中，第一基板110可以由透明材料形成以向用户提供显示屏。例如，该透明材料可包括玻璃、石英、丙烯酸板、透明膜、塑料基板以及其它材料。该上部的基板可以由在定点物体施加外力F之后能恢复的材料形成。
第二基板130与第一基板110间隔一定距离并且类似于第一基板110，可以由透明材料形成。第一基板110和第二基板130之间的间隔例如可以是大约0.01μm至大约100μm。如果该间隔小于大约0.01μm，那么第一基板110的应变所产生的间隔的变化将不能被充分地响应。如果该间隔超过大约100μm，那么这会不利于尺寸的最小化。采用第一基板110和第二基板130之间的该间隔，该触摸屏的耐用性得到了改善。而且，这能够提供能够抵抗外部的冲击的屏幕并且能提供用户干净的屏幕。
该第一110覆盖有第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)，该第一石墨烯图案包括沿着该第一基板110的X轴方向相互平行地形成的多个石墨烯电极。该第二基板130覆盖有第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)，该第二石墨烯电极图案与第一石墨烯图案(X1,X2…Xn)的X轴方向垂直交叉并且包括沿着该第二基板130的Y轴方向相互平行地形成的多个石墨烯电极。
该用于同时检测压力和位置的触摸传感器100可包括力感应电阻层120，其用于感应形成在第一基板110上的第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)与形成在第二基板130上的第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)之间的压力的变化。该力感应电阻层120起感应压力的层的作用。在该力感应电阻层120中，当施加至传感器表面的力增加时，电阻就会下降。这对于感应压力是理想的。
当触摸该用于同时检测压力和位置的触摸传感器100的表面时，由于施加的外力，该第一基板110和第二基板130会发生电阻改变。借助于被施加的外部压力所导致的石墨烯的电阻的改变所引起的电流的下降程度，感测电路(未示出)可以通过评估施加压力的大小来测量压力。在这种情况下，根据压力的大小，函数可以是微分的。例如，当施加的是小的力时，会执行缩小函数(zooming out function)。当施加的是大的力时，会执行放大函数(zooming in function)。通过使用上文描述的操作原理，能够实现这些函数。此外，当维持施加的压力时，可使用产生的电阻值来添加(add)函数。
通过在每个石墨烯电极线中产生的电阻大小的改变的分布来感测位置是可能的。可将导线和负载电阻(RL)连接至第二基板130的每个第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)的端部。在第一基板110中，通过图案化已经被分开的第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)可以相互平行地形成以使得该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和该第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)相互垂直交叉。将电压施加于该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)，以使得每个图案化的电极处于接通状态(ON)，并且其它开关处于关闭状态(OFF)。用这种方法，通过按顺序施加用于检测位置的信号，即可测量电压。在这种情况下，当通过外部触摸施加的压力来对该第一基板110或者该第二基板130上的某一点进行触摸时，在力感应电阻层120的触摸操作点会产生高信号(high signal)，从而使得控制器(未示出)能够感测产生的电阻改变以确定和检测外外部触摸的位置的X和Y坐标。也就是说，通过凭借软件来获取每个第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和每个第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)的线分布(line distribution)能够检测触摸点，所述线分布显示了该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和该第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)相互交叉的位置点的电阻的大的改变。
在根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器100中，该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)是图案化的，并且同时被相互隔开一定间隔以便使这两个电极隔开。因此，即便当触摸同时发生在两个点时，这两个电极也不会受到彼此的电气影响。因此，能够实现多点触摸功能。
该触摸传感器100的优点在于其能够直接在基板上将石墨烯形成为电极。也就是说，在将平板形的石墨烯形成在用于触摸屏的基板上之后，该石墨烯能够被图案化为期望的形状。由于石墨烯能够被氧等离子体(O2等离子体)容易地蚀刻，因此通过使用由上至下(top-down)的工艺(例如光刻或者电子束光刻)能够获得很好的、期望形状的石墨烯图案。因此，当通过使用石墨烯来制造该电极时，能够防止或最小化由不对准所导致的问题。能够容易地实现该产品的均匀性和可复制性。此外，由于石墨烯具有极好的透明度和机械性能，其能够被用于透明的和可伸缩的(stretchable)触摸传感器。本发明的传感器可以被应用为可伸缩的3D传感器。
本发明的第二方面提供了具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：显示面板；以及根据本发明的第一方面的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中该触摸传感器与该显示面板的前表面连接。
在示例性实施方式中，该显示面板可以是液晶显示面板，但并不限于液晶显示面板。
本发明的第三方面提供了一种用于同时测量压力和位置的触摸传感器，其包括：形成在第一绝缘基板上的、并且包括第一石墨烯图案的第一基板，所述第一石墨烯图案包括相互平行地形成的多个石墨烯电极；形成在第二绝缘基板上的、并且包括第二石墨烯图案的第二基板，所述第二石墨烯图案与所述第一石墨烯图案垂直交叉并且包括相互平行地形成的多个石墨烯电极；以及控制器，其对所述第一石墨烯图案和所述第二石墨烯图案施加电压，并且根据对所述第一或第二绝缘基板的外部触摸所施加的压力来感测在所述第一石墨烯图案的至少一个石墨烯电极和所述第二石墨烯图案的至少一个石墨烯电极中产生的电阻变化，以确定外部触摸的位置的X和Y坐标，并且感测该外部触摸所施加的压力的大小(degree of the pressure)。
在一个示例性实施方式中，所述第一石墨烯图案和第二石墨烯图案的多个石墨烯电极中的每一个起到应变计的作用，以使得由于外部触摸所施加的压力而对所述第一石墨烯图案的至少一个石墨烯电极和所述第二石墨烯图案的至少一个石墨烯电极的接触所产生的电阻变化与由该外部触摸所施加的压力大小成比例。然而，本发明并不仅限于此。
在一个示例性实施方式中，所述第一绝缘基板和第二绝缘基板可包括但不限于透明有机绝缘体。
在一个示例性实施方式中，所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板中至少一个可以是弹性的或者可伸缩的，但并不限于此。例如，由于石墨烯电极是弹性的和可伸缩的，因此所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板中至少一个可以由弹性和可伸缩的材料形成，从而能够制造出弹性的和可伸缩的触摸传感器。所述第一基板和第二基板中的至少一个可以由塑料或橡胶形成，但并不限于此。例如，所述第一绝缘基板和第二绝缘基板中的至少一个可以由橡胶形成，以便能制造出手套形式的(glove form)用于同时检测压力和位置的触摸传感器。这样一种手套形式的触摸传感器能够被用作为用于在医疗护理、实验和其它各种领域中同时检测压力和位置的触摸传感器。
在一个示例性实施方式中，所述控制器可以仅仅施加电压至所述第一石墨烯图案的石墨烯电极和所述第二石墨烯图案的石墨烯电极的被施加外部触摸的位置之一，以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标，但不限于此。
图2为示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器的分解透视图。
参见图2，根据本发明的示例性实施方式的用于同时检测压力和位置的触摸传感器200可包括第一绝缘基板210、透明有机绝缘体220和第二绝缘基板230。该触摸传感器200可进一步包括形成在该第一绝缘基板210上的、并且包括第一石墨烯图案(X1,X2…Xn)的第一基板以及形成在该第二绝缘基板230上的、并且包括第二石墨烯图案(Y1,Y2…Yn)的第二基板，所述第一石墨烯图案包括相互平行地形成的多个石墨烯电极，所述第二石墨烯图案与所述第一石墨烯图案垂直交叉并且包括相互平行地形成的多个石墨烯电极。
所述第一绝缘基板210和第二绝缘基板230是被定点物体(pointing object)(例如，手指、手写笔等等)施加外部压力F的构件，并且该构件在该外部压力(F)下会发生应变。在根据本发明的用于同时检测压力和位置的触摸传感器200中，第一绝缘基板210和第二绝缘基板230可以由透明材料形成以向用户提供显示屏。例如，该透明材料可包括橡胶、玻璃、石英、丙烯酸板、透明膜、塑料基板以及其它材料。关于用于上部基板的材料，可以使用可伸缩的或者弹性的基板，从而使得该基板可以由在定点物体施加外部压力F之后能恢复。例如，该可伸缩的或弹性的基板可以选自由热塑性弹性体、苯乙烯材料、烯族材料、聚烯烃、热塑性聚氨酯弹性体、聚酰胺、合成橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丁二烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁烯、硅树脂、以及它们的组合所组成的组，但是并不限于此。
所述第一绝缘基板210和第二绝缘基板230可包括透明有机绝缘体220。例如该透明有机绝缘体220可包括从由诸如聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(polyacryl)、多元酚、聚酯、硅树脂和聚氨酯的热固性树脂、诸如聚碳酸酯、聚乙烯和聚苯乙烯的热塑性树脂、苯并环丁烯(BCB)、F添加聚酰亚胺(PI)、全氟环丁烷(PFCB)、氟代聚芳醚(FPAE)、硅氧烷基聚合物、SOG以及它们的组合所组成的组中选择之一。
第一石墨烯图案(X1,X2…Xn)和第二石墨烯图案(Y1,Y2…Yn)的多个石墨烯电极中的每一个起应变计的作用，并且是用于测量第一绝缘基板210和第二绝缘基板230的接触表面的方向的应变率的构件，该第一绝缘基板和第二绝缘基板在外力F的作用下会发生应变。优选的是，第一绝缘基板210的一个表面(其配置有第一石墨烯图案(X1,X2…Xn))面对第二绝缘基板230。优选的是，第二绝缘基板230的一个表面(其配置有第二石墨烯图案(Y1,Y2…Yn))面对第一绝缘基板210。这种结构是为了保护第一石墨烯图案(X1,X2…Xn)和第二石墨烯图案(Y1,Y2…Yn)不受触摸屏的外部环境的影响。由于第一石墨烯图案(X1,X2…Xn)和第二石墨烯图案(Y1,Y2…Yn)中的用于信号检测的布线(wiring)对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此在此省略这方面的详细描述。
在用于同时检测压力和位置的触摸传感器200中，当施加外力F时，该第一绝缘基板210会发生应变。当该第一绝缘基板210发生应变时，形成在该第一绝缘基板210上的第一基板(X1,X2…Xn)的电阻值会发生改变。根据该电阻值的改变，能够检测该外力F的大小和操作位置。该电阻的改变与该外部触摸所施加的压力的大小是成比例的。在这种情况下，该石墨烯应变计的功能是为了非常精确地测量从外界施加到某一区域的电阻的大小。该石墨烯应变计能够比本发明的第一方面中的电阻型的多触点屏幕更精确地测量压力。在这种情况中，通过在软件上绘制从外界施加的压力以及压力变化的分布情况来准确地检测位置是可能的。通过列举(enumerating)第一石墨烯图案(X1,X2…Xn)和第二石墨烯图案(Y1,Y2…Yn)，本发明能够实现3D触摸传感器。
在一个例子中(参见图3)，Ni层被形成为SiO2/Si基板上的催化剂层，以便形成Ni/SiO2/Si基板。随后，在该Ni/SiO2/Si基板上生长石墨烯，以便石墨烯X电极图案(X1,X2…Xn)形成在该基板上。随后，在该石墨烯X电极图案(X1,X2…Xn)被作为透明有机绝缘层的50nm的Su-8覆盖之后，在垂直于石墨烯X电极图案(X1,X2…Xn)的方向上图案化石墨烯Y电极图案(Y1,Y2…Yn)并对其进行干式转印。此处，Su-8起保护层的作用。而且，由于Su-8基于环氧基树脂，其能促进石墨烯图案的转印。随后，在将金(Au)图案化为PDMS橡胶基板上的接触电极之后，将该基板作为整体放入水中以启动该装置，并且然后，去除Ni以便制成传感器。图4提供了用于根据在依照本发明的例子的用于同时检测压力和位置的触摸传感器中施加的压力测量电阻的实验方法的图片。图5是由图4的测量方法根据施加的压力测量的电阻的图表。图6是根据重复施加到依照本发明的例子的用于同时测量压力和位置的触摸传感器的压力的电阻的图表。参考图3-6，可以看到，在图中所示的根据施加的压力测量的电阻中，取决于施加的压力大小的电阻的改变是不同的[图5中的(a)]。此外，当将电阻的改变转换成微分值(differential value)时(电阻的相对改变)，该电阻的暂时变化会更加清楚[图5中的(b)]。当连续施加压力到该触摸传感器时，根据该施加的压力的大小，该电阻被维持在其伸缩状态(stretched state)中。当没有施加压力时，该电阻会立刻恢复(图6)。因此，根据施加的压力的大小可以添加各种函数。例如，该多种函数可包括根据施加的压力的大小来调节字符的粗度(thickness of a character)的函数，以及根据施加的压力的大小来控制体积的函数。
本发明的第四方面提供了具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：显示面板；以及根据本发明的第三方面的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中所述触摸传感器与该显示面板的前表面连接。
在示例性实施方式中，该显示面板可以是液晶显示面板，但并不限于此。
本发明的第五方面提供了用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其包括：形成在绝缘基板上的、并且包括相互平行地形成的多个石墨烯线电极的第一石墨烯电极图案，以及形成在该第一石墨烯电极图案上的、并且包括与所述第一石墨烯电极图案的各自的多个石墨烯线电极垂直交叉的多个石墨烯线电极的第二石墨烯电极图案，该多个石墨烯线电极相互平行地形成；多个石墨烯应变计，其被形成以与所述第一石墨烯电极图案的所述多个石墨烯线电极和所述第二石墨烯电极图案的所述多个石墨烯线电极之间的的交叉点连接；以及控制器，其对所述第一石墨烯图案和所述第二石墨烯图案的每个所述石墨烯线电极施加电压，并且根据由外部触摸所施加的压力来感测与所述外部触摸的位置对应的产生在所述石墨烯应变计中的电阻变化，以确定该外部触摸的位置的X和Y坐标，并且感测该外部触摸所施加的压力的大小(degree of the pressure)。
在示例性实施方式中，所述触摸传感器可进一步包括多个薄膜晶体管，其与所述多个石墨烯应变计中的每一个连接。例如，该多个薄膜晶体管被连接至控制器，从而使得当该控制器产生电压时，该晶体管能够被控制而接通。而且，该晶体管能够改善用于同时检测压力和位置的触摸传感器的灵敏度。
在示例性实施方式中，该多个薄膜晶体管可以是透明的，但并不局限于此。该多个薄膜晶体管可以由从由碳纳米管、石墨烯、有机薄膜、氧化物薄膜、硅树脂薄膜以及它们的组合所组成的组中选择之一形成，但不局限于此。
在示例性实施方式中，该绝缘基板可以是弹性的或者可伸缩的，但不局限于此。
在示例性实施方式中，该触摸传感器可进一步包括在第二石墨烯电极图案和石墨烯应变计上的保护层，但是不局限于此。
图7为示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的利用电阻改变来同时检测压力和位置的触摸传感器的分解透视图。参见图7，本发明的示例性实施方式中的用于同时检测压力和位置的触摸传感器300可包括形成在绝缘基板310上的第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)、第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)、石墨烯应变计320和控制器(未示出)。该触摸传感器300可进一步包括在该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)、该第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)和该石墨烯应变计上的保护层。
当施加电压至该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和该第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)时，在该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)、该第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)中会形成电场。可通过连接至该第一石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)和该第二石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)的交叉点的应变计320来测量根据外界压力的施加而应变的绝缘的接触表面的方向上的应变率。如放大图中所示，由于电阻的改变与应变计320的长度的改变是成比例的，所以弯曲形式的应变计320对基板外界压力更加的敏感。该应变计320由石墨烯形成，从而使得电阻值根据施加至该用于同时检测压力和位置的触摸传感器300的压力的大小而改变。结果，施加至该外部触摸位置的压力大小能够被测量。
图8提供了根据本发明的例子的包括石墨烯应变计的、用于同时检测压力和位置的触摸传感器的照片。在本发明的一个例子中，该包括石墨烯电极和石墨烯应变计的用于同时检测压力和位置的触摸传感器可具有单层结构，该单层结构通过图案化一个石墨烯片形成。例如，该石墨烯片可通过在金属催化剂层上生长石墨烯而制造。该金属催化剂层用于促进石墨烯的生长。关于该金属催化剂层的材料，可以使用任何材料而不受限制。例如，该金属催化剂层可包括从由镍、钴、铁、铂、金、铝、铬、铜、镁、锰、钼、铑、硅、钽、钛、钨、铀、钒、锆、锗、钌、铱、黄铜、青铜、镍、不锈钢以及它们的组合所组成的组中选择之一，但不局限于此。
关于生长石墨烯的方法，可以使用本领域内通常使用的用于生长石墨烯的任何方法，而不受限制。例如，该用于生长石墨烯的方法可以使用化学气相沉积(CVD)方法，但并不局限于该方法。该化学气相沉积方法可包括快速热化学气相沉积(RTCVD)、电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、大气压化学气相沉积(APCVD)、有机金属化学气相沉积(MOCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，但并不局限于这些。
可通过向金属催化剂层施加气相碳供应源并对该金属催化剂层进行热处理来生长石墨烯。在示例性实施方式中，将该金属催化剂层放入腔室，并且同时向该腔室注入碳供应源，例如一氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯、或者甲苯，同时在例如约300℃-2000℃的温度执行热处理。结果，该碳供应源中的碳成分相互结合以形成六角形的板状结构，从而产生了石墨烯。当该石墨烯冷却后，就获得了均匀排列状态的石墨烯。然而，用于在金属催化剂层上形成石墨烯的方法并不局限于化学气相沉积法。在本发明的示例性实施方式中，可以使用任何在金属催化剂层上形成石墨烯的方法。应当理解的是，本发明并不局限于在金属催化剂层上形成石墨烯的某种特定方法。
在金属催化剂层上生长了石墨烯以后，该石墨烯能够被转移到期望的目标基板上。该目标基板是弹性的和可伸缩的基板，例如PDMS、PET或其它材料。通过使用光刻法、遮挡掩膜或其它方法的氧等离子体工艺在基板上同时图案化X石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)、Y石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)和应变计是可能的。也能够通过将该石墨烯转移到期望的目标基板的方法来制造该用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中，该X石墨烯电极图案(X1,X2…Xn)、Y石墨烯电极图案(Y1,Y2…Yn)和该应变计已经被图案化在金属催化剂层上。
该触摸传感器可进一步包括多个薄膜晶体管(未示出)，该多个薄膜晶体管包含在石墨烯应变计300内。该多个薄膜晶体管与控制器(未示出)连接，以便当控制器产生电压时，该晶体管能够被控制以接通(turn on)。
该多个薄膜晶体管可以是透明的。例如，该多个薄膜晶体管可以包括从由碳纳米管、石墨烯、有机薄膜、氧化物薄膜、硅薄膜和它们的组合所组成的组中选择之一，但不局限于此。
本发明的第六方面提供了一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：显示面板；以及根据本发明的第五方面的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其中该触摸传感器与该显示面板的前表面连接。
在示例性实施方式中，该显示面板可以是液晶显示面板，但并不局限于此。
如图9所示，本发明的第七方面提供了一种用于同时检测压力和位置的触摸传感器400，其包括：配置有透明导电膜420、电极和点隔离片470的下基板410；配置有透明导电膜440和电极的上基板460；形成在被包括在上基板460内的电极和/或被包括在下基板410内的电极上的石墨烯电极450，该石墨烯电极450具有感测应变的功能；以及粘合剂430，其用于将该下基板410和上基板460粘合成相互面对且具有一定间隔。
该透明导电膜420和440由透明材料形成。例如，该透明导电膜420和440可以由包括诸如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锡锑氧化物(tin antinomy oxide)(TAO)、氧化锡(TO)、氧化锌(ZnO)、碳纳米管、或者石墨烯的透明导电氧化物(TCO)形成。该触摸传感器400采用电阻类型，其中当对该上基板460施加外部压力时，该上基板460和下基板410的透明导电薄膜420和440相互机械接触，以便能感测形成在对应的基板中的每一个的接触点上的X轴和Y轴电势，从而，通过该电势值能够感测位置。该电阻类型的触摸传感器的结构在本领域的技术人员所了解的范围内是可以改变的。
如图10所示，本发明的第八方面提供了用于同时检测压力和位置的触摸传感器500，触摸传感器500包括配置有透明导电膜540的上基板570、配置有透明导电膜520的下基板530、形成在该上基板570和该透明导电膜540之间的石墨烯电极550、形成在该石墨烯电极550的侧表面上的电极560以及用于使该透明导电膜540的下部绝缘的绝缘覆盖部分510，其中，当触摸该透明导电膜的顶表面时，形成在侧表面上的电极根据静电电容的变化感测该触摸位置，并且通过使用该石墨烯电极本身的感测应变的功能来感测该触摸的压力的大小。
上基板570可以由玻璃或者塑料形成。对于下基板530，可以使用聚合物膜基板。形成在上基板570和下基板530上的透明导电膜520和540由透明材料形成。例如，该透明导电膜520和540可以由包括诸如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锡锑氧化物(TAO)、氧化锡(TO)、氧化锌(ZnO)、碳纳米管、或者石墨烯的材料形成。
触摸传感器500采用电容型，其中，当诸如人的手指或者导电手写笔之类导体触碰透明导电膜的顶部时，电压会下降，使得设置在侧表面上的电极感测触摸位置。该电容型触摸传感器的结构在本领域技术人员所了解的范围内是可以改变的。
根据由外部压力所引起的石墨烯的电阻改变所产生的电流下降程度，形成在采用电阻型400和电容型500的触摸传感器内的透明导电膜上的石墨烯应变传感器450和550也能够通过评估施加的压力的大小来测量压力。因此，提供一种用于同时测量压力和位置的触摸传感器是可能的。
参照实施方式和实施例已经详细描述了本发明。然而，本发明并不限于这些实施方式和实施例，并可以以多种形式修改。应当清楚的是，本领域技术人员可以在本发明的技术构思的范围内对本发明作各种修改。

Claims (9)

1.一种用于同时检测压力和位置的触摸传感器，其包括：
形成在绝缘基板上的、并且包括多个相互平行地形成的石墨烯线电极的第一石墨烯电极图案，以及形成在所述第一石墨烯电极图案上的、并且包括与所述第一石墨烯电极图案的各自的多个石墨烯线电极垂直交叉的并相互平行地形成的多个石墨烯线电极的第二石墨烯电极图案；
多个石墨烯应变计，其被以弯曲形式形成以与所述第一石墨烯电极图案的所述多个石墨烯线电极和所述第二石墨烯电极图案的所述多个石墨烯线电极之间的各自的交叉点连接；以及
控制器，其对所述第一石墨烯图案和所述第二石墨烯图案的多个石墨烯线电极中的每一个施加电压，并且根据由外部触摸所施加的压力来感测与所述绝缘基板上的所述外部触摸的位置对应的产生在所述石墨烯应变计中的电阻变化，以确定所述外部触摸的位置的X和Y坐标，并且感测所述外部触摸所施加的所述压力的大小。
2.根据权利要求1所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述触摸传感器还包括与所述多个石墨烯应变计中的每一个连接的多个薄膜晶体管(TFTs)。
3.根据权利要求2所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述多个薄膜晶体管与所述控制器连接，以便当所述控制器施加电压时，所述多个薄膜晶体管被控制以接通。
4.根据权利要求2所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述多个薄膜晶体管是透明的。
5.根据权利要求2所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述多个薄膜晶体管由从由碳纳米管、石墨烯、有机薄膜、氧化物薄膜、硅树脂薄膜以及它们的组合所组成的组中选择之一形成。
6.根据权利要求1所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述绝缘基板可以是弹性的或者可伸缩的。
7.根据权利要求1所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述触摸传感器还包括在所述第二石墨烯电极图案和所述石墨烯应变计上的保护层。
8.一种具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，其包括：
显示面板；以及
根据权利要求1-7中任一项所述的用于同时检测压力和位置的触摸传感器，
其中所述触摸传感器与所述显示面板的前表面连接。
9.根据权利要求8所述的具有用于同时检测压力和位置的触摸传感器的显示面板，
其中所述显示面板是液晶显示面板。
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