CN111819427A

CN111819427A - 具有尤其针对温度的环境补偿功能的传感器和触摸屏

Info

Publication number: CN111819427A
Application number: CN201880091008.XA
Authority: CN
Inventors: 赛维拉克·法布雷斯; 尼克拉·迪富尔
Original assignee: Nanofabrication Laboratory
Current assignee: Nanofabrication Laboratory
Priority date: 2017-01-14
Filing date: 2018-01-14
Publication date: 2020-10-23
Also published as: US20210239546A1; FR3053116A1; FR3053116B1; WO2018130672A1; US11366029B2; EP3775817A1; JP2021509481A

Abstract

本发明涉及一种尤其针对温度的补偿压力或补偿力传感器，其特征在于，该传感器包括：a.基板（401）；b.在基板的一侧的、两个电极之间的第一多层纳米颗粒组件（200）；c.在基板的同一侧且靠近第一组件的、两个电极之间的第二单层纳米颗粒组件（100）；d.电子电路，该电子电路能够测量第一纳米颗粒组件和第二纳米颗粒组件的电特性的变化并且组合测量结果。本发明还涉及一种使用此类传感器的触摸屏。

Description

具有尤其针对温度的环境补偿功能的传感器和触摸屏

本发明涉及一种包括尤其关于温度的环境敏感性补偿的力传感器和触摸屏。本发明更具体地但非排他性地旨在用于与包括设置有触摸界面的屏幕的物件通信，诸如，智能电话、平板PC、微型计算机、或触屏手表。用户与这种物件之间的交互经由所述触摸屏进行，其或者直接在用户的手指与屏幕之间进行、或者甚至通过触笔进行。为此，根据现有技术，通过透明传感器连接至屏幕来允许检测到屏幕表面上的触点和该触点的位置，并且在更高级的版本中，通过透明传感器连接至屏幕还允许测量所施加的接触压力或接触力强度。这些传感器例如是具有压电特性或压阻特性的透明膜。有利地，所述膜被使用纳米颗粒并且以较高敏感性为特征的传感器代替。

文献EP 2601491描述了使用纳米颗粒的传感器及其制造工艺的示意性实施方式。

文献EP 2877911描述了使用这种传感器的透明触敏表面的示意性实施方式。

根据这些示意性实施方式的传感器在对形成每个基本传感器的纳米颗粒组件施加的微变形的影响下产生纳米颗粒组件的电特性变化，该微变形是由施加至传感器或支撑该传感器的基板的力或压力引起的，并且具有改变形成组件的纳米颗粒之间的距离的效果。作为非限制性示例，所测得的对应于纳米颗粒之间的距离的电特性是所述组件的电阻率或电容。

然而，这些电特性还受环境因素并且尤其受温度的影响，因此，为了独立于针对以这种触摸屏为特征的设备的使用条件来执行对施加至基本传感器的压力的测量，必须补偿这些环境因素并且特别是温度的影响。

文献WO 2015/106183披露了实施这种温度补偿的透明触摸传感器的示意性实施方式。

根据该文献的教导，基本传感器包括被放置在透明基板的每一侧的两个力敏测量层。因此，当将基本上垂直于基板的压力施加至所述传感器时，上敏感层受到压缩并且产生所导致的电特性变化，同时在基板的另一侧的下敏感层受到拉伸并且产生与所测得的电特性变化相反的变化。然而，这种传感器所暴露于的温度的变化针对每个层产生相同的测得的电特性变化。因此，根据交换称量原理，可以通过将从这两个层获得的测量结果组合来测量由所施加的力引起的电特性变化，同时消除温度的影响。然而，由于需要在基板的两侧印刷敏感层，因此该示意性实施方式实施起来是复杂的。

本发明的目的是消除现有技术的缺点，并且为此，涉及一种能够进行尤其针对温度的环境敏感性补偿的压力或力的传感器，并且该压力或力的传感器包括：

a. 基板，

b. 在基板的一侧的、两个电极之间的第一多层纳米颗粒组件，

c. 在基板的同一侧且靠近第一组件的、两个电极之间的第二单层纳米颗粒组件，

d. 电子电路，电子电路用于测量第一纳米颗粒组件和第二纳米颗粒组件的电特性的变化并且用于组合这些测量结果以便进行补偿。

因此，本发明的传感器使用多层组件与单层组件之间的响应差异来补偿环境因素（如，温度）的影响，同时在基板的同一侧保持这两个组件的共面构型。

根据实施方式以及下文公开的变体能够有利地实施本发明，这些实施方式以及变体应单独来考虑或根据任何技术上可操作的组合来考虑。

根据示意性实施方式，电子电路测量这两个组件的电阻变化，并且包括具有固定值的两个控制电阻，根据惠斯通半桥电路来连接这两个纳米颗粒组件和这些控制电阻。该实施方式是最紧凑的，因为控制电阻被放置在测量电路内、有利地被放置成与纳米颗粒组件相距一定距离。与根据现有技术的使用单个基本力传感器的解决方案相比，使用惠斯通电桥的电路进一步允许改进传感器的线性和敏感性。

根据另一实施方式，本发明的传感器包括：

e. 靠近这两个纳米颗粒组件的、在两个电极之间的附加多层纳米颗粒组件，

f. 靠近这三个纳米颗粒组件的附加单层纳米颗粒组件，

其中，根据惠斯通全桥电路来连接这4个纳米颗粒组件。

除了温度补偿之外，该实施方式还允许对此待测量或待补偿变形的传感器元件变形的其他影响进行补偿，例如，对基板的扭转变形进行补偿。

根据后一实施方式的变体：

- 这4个纳米颗粒组件粘合至基板的同一侧，或者

- 相对于第一纳米颗粒组件和第二纳米颗粒组件，将附加的纳米颗粒组件粘合至基板的相反侧。

本发明还涉及一种触摸屏，该触摸屏包括根据本发明的多个传感器，其中，第一纳米颗粒组件与第二纳米颗粒组件并置。这种触摸屏允许对待测量的屏幕表面上的触点的位置以及在触点处施加的力根据由每个基本传感器提供的输出的环境因素来进行补偿。

下文根据本发明的绝不是穷举的优选实施方式并且参考图1至图8披露了本发明，在附图中：

- 图1是使用纳米颗粒组件的单层变形传感器的示意性实施方式的示意性剖视图，其中图1A没有负载，图1B处于机械负载下，

- 图2是使用纳米颗粒组件的多层变形传感器的示意性实施方式的示意性剖视图，其中图2A没有负载，图2B处于机械负载下，

- 在图1B和图2B中，为了便于观看，未示出传感器的钝化层，

- 图3示出了单层基本传感器或多层基本传感器在经受温度变化时的标称电阻变化的示例，

- 图4是根据本发明的、使用根据惠斯通半桥电路连接的多层基本传感器和单层基本传感器的温度补偿传感器的示意性实施方式的剖视图，

- 图5是根据本发明的传感器当经受温度变化时其标称电阻变化的示例，

- 图6是根据本发明的、附接至基板的两个相反侧并且根据惠斯通全桥电路连接的两个单层基本传感器和两个多层基本传感器的传感器的使用剖视图的示意性实施方式，

- 图7示出了根据本发明的实施半桥补偿传感器的网络的触摸屏的示意性实施方式的示意性正视图，以及

-图8示出了实施一系列基本传感器的触摸屏的示意性实施方式的示意性正视图，传感器的每一个都被设置作为惠斯通全桥。

图1A，根据示意性实施方式，单层变形基本传感器（100）包括基板（101），在电绝缘配体中的胶体悬浮液中的导电或半导电纳米颗粒组件（110）粘合至该基板。作为非限制性示例，为了制造透明或半透明传感器，纳米颗粒（110）是掺杂有锡的氧化铟颗粒（ln₂O₃ -SnO₂）或ITO、并且配体是（氨甲基）膦酸。这些组件位于电极（121、122）之间并且电连接至这些电极，这些电极例如由ITO制成。因此，根据该实施方式，电极和纳米颗粒组件是透明的。包括电极（121、122）和纳米颗粒组件的套件被粘合至基板（101），该基板本身是透明的，例如由聚对苯二甲酸乙二醇酯或PET制成，以形成软触敏表面，或甚至由二氧化硅（SiO₂）制成，以形成刚性触敏表面。根据另一示意性实施方式，柔性基板被粘合至刚性支撑件。根据示意性实施方式，钝化层（130）沉积在纳米颗粒组件上。具有有机或陶瓷性质的该透明层保护纳米颗粒组件和实施该纳米颗粒组件的装置免受外部损害。钝化层（130）的尺寸根据其制成材料而定，使得其允许将机械负载传送至纳米颗粒组件。作为非限制性示例，钝化层由聚酰亚胺、二氧化硅（SiO₂）或氮化硅（Si₃N₄）制成。通过现有技术中已知的任何方法，特别是通过使用对流毛细管沉积法或液滴蒸发法，将纳米颗粒（110）沉积在基板上，如文献EP2877911中所披露的。例如，使用化学偶联剂将纳米颗粒层（110）牢固地粘合至基板（101）。举例来讲，化学偶联剂是能够在通过UV-臭氧处理预先活化的基板表面上与OH基团相互作用的硅烷（SiH₄），并且化学偶联剂在另一端包括羧基（COOH），该羧基能够接枝到预先接枝到纳米颗粒表面上的胺基（NH₂）上。纳米颗粒组件形成应变仪，该应变仪的电阻根据组件中的纳米颗粒之间的相对距离而变化。导电率的这种变化归因于纳米颗粒之间的隧道电导，并且这种效应提供了非常高的应变系数，该应变系数远高于使用压阻膜所能达到的应变系数，并且允许测量到非常低的变形。通过示例，由基于膦酸的配体中的ITO纳米颗粒组件组成的这种基本传感器的电阻的成比例变化引起响应的指数变化，这取决于基本传感器（100）经历的变形，其中，在从压缩下的-1%变形到处于张力下的+1%变形的范围内，应变系数达到值85，并且在没有变形的情况下，电阻的数量级为2000*10³欧姆。

图1B，根据示意性实施方式，当将机械负载（190）施加至基板时，纳米颗粒层处于张力下，并且组件中的纳米颗粒之间的相对距离（150）增大，从而引起组件的电阻率和单层基本传感器（100）的电阻增大。

图2A，根据示意性实施方式，多层变形传感器（200）包括基板（201），包括在配体中的胶体悬浮液中的几层纳米颗粒的组件和电极（221、222）连接至该基板。传感器有利地包括钝化层（230）。由于制造技术相同，因此关于单层传感器，纳米颗粒、配体、基板、电极和钝化层的性质是相同的，其中，根据如文献EP 2877911中描述的制造方法，在制造期间例如在使用对流毛细管沉积或通过包含在蒸发液滴中的纳米颗粒的数量时获得传感器的单层外观或多层外观。例如，使用化学偶联剂将第一纳米颗粒层牢固地粘合至基板（201），而下面的层通过胶体悬浮液中的配体粘合在一起。这种传感器的应变系数具有与单层传感器的应变系数相同的数量级。

图2B，当将机械负载（190）施加至多层传感器（200）时，纳米颗粒组件受到张力，这使纳米颗粒之间的相对距离（251）在与基板（201）基本上相切的方向上增大，但是同样，由于缩颈效应，层之间的距离（252）在基本上垂直于基板的方向上减小。实际上，缩颈效应是主要的，并且组件的电阻率以及传感器的电阻随着所施加的力（190）的强度而减小。

图3，当上文披露的基本传感器中的一个或另一个经受温度变化时，所考虑的传感器的标称电阻发生变化。因此，通过在烤箱中使每个基本传感器经受温度（303）循环（305），并且在不对传感器施加任何负载的情况下，单层传感器（311）和多层传感器（312）的标称电阻（302）随着时间推移的成比例变化是相似。

总而言之，当两个传感器经受相同的机械负载时，与单层传感器相比，多层电阻器在电阻变化方面的响应是相反的，而当这两个传感器经受温度变化或其他环境影响因素时，这两个传感器的标称电阻的变化是相似的。

图4，有利地将这些特性用于制造传感器（400），即补偿环境影响（尤其是针对温度），并且该传感器包括在同一基板（401）的同一侧的相邻传感器（一个单层传感器（100）和一个多层传感器（200））。根据该示意性实施方式，这两个传感器（100、200）通过电子电路连接，根据惠斯通半桥构型，该电子电路包括具有固定值的2个控制电阻（411、412）、DC电源（450）（例如+5伏特）、以及用于测量半桥的两个分支之间的电压差的电压表型测量装置（490）。用于使用惠斯通电桥来测量变形的技术是现有技术中已知的并且不再进一步解释。根据使用半桥的该示意性电路，控制电阻（411、412）被集成到电子电路中、与传感器（100、200）相距一定距离。

图5，通过使用温度补偿传感器以及使用半桥的连接，如图4所示，当传感器经受温度（503）循环（505）时，在从10°C至50°C的范围内标称电阻（502）随时间推移（501）的成比例变化（510）保持小于0.2%，这证明了以这种方式实现的温度补偿的有效性。在这种情况下，在不对传感器进行机械加载的情况下，使用热风枪使该传感器经受温度变化。

图6，使用惠斯通全桥的套件是通过由基本传感器（100'、200'）（分别是单层传感器和多层传感器）代替图4所示的控制电阻实现的，这些基本传感器粘合至与用于以上示出的半桥电路的传感器（100，200）相同的基板（601）并且靠近这些传感器。根据该图中所示的示意性实施方式，与第一半桥的传感器（100、200）相比，另外两个基本传感器（100'、200'）附接至基板（601）的相反侧。

图7，根据第一示意性实施方式，通过例如根据矩阵组织进行成对组合来获得对所施加的力的强度敏感的触摸屏（700），一系列对包括单层基本传感器（100）和多层基本传感器（200）。

图8，根据另一个示意性实施方式，触摸屏（800）实施一系列补偿传感器，该一系列补偿传感器包括均附接至基板的同一侧并且作为全桥连接的两个单层基本传感器（100、100'）和两个多层基本传感器（200、200'）。与使用半桥的实施方式相比，使用全桥尤其允许进一步改进响应的线性并且提高传感器的敏感性。

以上描述和示意性实施方式表明，本发明实现了所期望的目的，更具体地，本发明允许制造一种能够在补偿不受控制的环境因素（尤其是温度）的影响的情况下测量所述屏幕上的触点的强度和位置的触摸屏，同时将官能化限制到官能化表面的单个侧。与现有技术中已知的用于应用的压阻膜相比，使用利用在配体中的胶体悬浮液中的纳米颗粒组件的基本传感器进一步允许获得高应变系数和高测量敏感性。相同的原理允许补偿其他环境因素对传感器元件的标称电阻的影响，这些环境因素诸如光、暴露于UV辐射、湿度或对传感器具有类似影响的其他因素。本发明的应用不限于触摸屏和透明传感器。通过示例，可以使用相同的原理来制造非透明的触敏表面，例如在电话或平板PC的背面或侧面上、触屏手表的表带上、在床单（bed undersheet）上、或甚至在地板覆盖物上。根据本发明的传感器的高敏感性尤其允许测量心率或呼吸率，或者当在地板覆盖物上使用时允许检测运动或跌倒。

Claims

1.一种压力或力的传感器（400），其能够进行特别是针对温度的环境敏感性补偿，其特征在于，该压力或力的传感器包括：

a. 基板（401），

b. 在所述基板的一侧的、两个电极（221，222）之间的第一多层纳米颗粒组件（200），

c. 在该基板（401）的该同一侧且靠近该第一多层纳米颗粒组件的、两个电极（121，122）之间的第二单层纳米颗粒组件（100），

d. 电子电路，该电子电路用于测量该第一纳米颗粒组件和该第二纳米颗粒组件的电特性的变化并且用于组合这些测量结果以便进行补偿。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，该电子电路测量这两个组件的电阻变化，并且该电子电路包括具有固定值的两个控制电阻（411，412），并且其中，使用被称为惠斯通半桥的电路连接这两个纳米颗粒组件和这些控制电阻。

3.根据权利要求1所述的传感器，包括：

e. 靠近所述两个纳米颗粒组件的、在两个电极之间的附加多层纳米颗粒组件（200'），

f. 靠近所述三个纳米颗粒组件的附加单层纳米颗粒组件（100'），

其中，根据惠斯通全桥电路来连接所述4个纳米颗粒组件。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中，将所述4个纳米颗粒组件（100，200，100'，200'）粘合至该基板（401）的同一侧。

5.根据权利要求3所述的传感器，其中，相对于该第一纳米颗粒组件和该第二纳米颗粒组件（100，200），将这些附加的纳米颗粒组件（100'，200'）连接到该基板的相反侧。

6.一种触摸屏（700，800），该触摸屏包括根据前述权利要求之一的多个传感器（100，200，100'，200'），其中，该第一多层纳米颗粒组件（200）与该第二单层纳米颗粒组件（100）并置。