TW201542167A - 可撓性感測器、其製造方法及設有可撓性感測器之量測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種可撓性感測器、其製造方法及設有該可撓性感測器之量測系統，用以供量測人體表皮之伸長量，該可撓性感測器包含一基材層，由具有可撓性之基材製成；及一導電層，覆蓋於該基材層，該導電層採用銀、鋁或鎢製成，且該導電層之二側分別電性連接一電極。此外，該可撓性感測器可另包含一中介層，該中介層形成於基材層與該導電層之間，且該中介層採用鈦、鋁或鉻製成。

Description

可撓性感測器、其製造方法及設有可撓性感測器之量測裝置

本發明係關於一種可撓性感測器，尤其是關於一種能夠量測皮膚伸長量之可撓性感測器、其製造方法及設有該可撓性感測器之量測裝置。

現今醫學已然相當發達，且在網際網路的輔助下促使大量醫療資訊流通和普及化，連帶使得現代人注重身體健康與保健的意識逐漸抬頭。受惠於此，可以預期針對肌肉訓練之產品未來市場非常龐大，無論是運動科學研究、健身產品開發或是營養品製造業者均投入大量資源，試圖搶佔肌肉訓練相關產業的商機。

其中，由於肌肉訓練的動作過程講求標準與精確，方能有效達到鍛鍊肌肉的效果同時避免發生受傷情形，因此如何在人體動作過程中偵測目標肌群是否確實活化，以評估訓練效果並作為動作調整之參考，係學界與業界相關廠商爭相研發之關鍵技術。已知肌肉活化時將壓迫皮膚使表皮伸長，故藉由量測人體表皮之伸長量可以間接偵測皮下肌肉的活化程度。

受到人體表皮會產生形變的影響，應用於皮膚之感測器必須具備可撓性，否則容易在人體動作過程中鬆脫而無法確實固定。請參照第 1圖所示，係一種習用可撓性感測器9，包含一軟性基材91、數個溫度感測器92和數個壓力感測器93。該軟性基材91可以是一種軟性印刷電路板，該溫度感測器92設置於該軟性基材91的內表面91a，該壓力感測器93是設置於該軟性基材91的外表面91b。其中，該外表面91b係該軟性基材91與外界接觸的表面；反之，該內表面91a則為該軟性基材91相對該外表面91b之另一表面。

請一併參照第2圖所示，係該習用可撓性感測器9之壓力感測器93的結構圖。該壓力感測器9包含一對電極931及932，該電極931及932屬於交趾型電極(inter-digital electrodes)。藉此，該壓力感測器9能夠感測該軟性基材91於其法線方向上所承受之壓力。然而，即便將該習用可撓性感測器9貼附於人體表皮，由於人體表皮伸長時僅能對沿該軟性基材91之切線方向對其施以壓力，因此該壓力感測器9將無法有效感測人體表皮之伸長量。事實上，該習用可撓性感測器9係供應用在機器人(robot)的製作與設計上，以利用該溫度感測器92和壓力感測器93達成壓力與溫度感測的功能，因此顯然無法適用於人體表皮之伸長量的量測。

其它習知的可撓性感測器製造方法包含採用電容式感測原理或壓電效應感測原理等，透過將感應電容層或壓電材料結合於一可撓性基材上以形成習用可撓性感測器。惟上述方法所製作出的可撓性感測器與前述習用可撓性感測器9類似，均用以感測外界施加於該可撓性基材的垂直壓力，因而無法在該可撓性感測器被貼附於人體表皮時，有效感測人體表皮之伸長量。換言之，習用可撓性感測器並無法在肌肉活化壓迫皮膚時，針對人體表皮之伸長量進行量測。

有鑑於此，極需提供一種進一步改良之可撓性感測器，以供量測人體表皮之伸長量，進而偵測皮下肌肉的活化程度，能夠幫助找出訓練過程中的動作缺失，並且提醒訓練者調整姿勢至正確位置，以增進肌肉 鍛鍊效果同時降低受傷風險，可大幅拓展肌肉訓練相關產業的發展空間。

本發明之主要目的係提供一種可撓性感測器，可在人體表皮伸長時被拉伸，進而改變一導電層之電阻值，能夠達成供量測人體表皮之伸長量之功效。

本發明之次一目的係提供一種設有該可撓性感測器之量測裝置，以一量測單元量測該導電層的電阻值，並將量測結果傳輸至一處理單元，該處理單元根據該量測結果以計算該導電層之電阻變化量，有效量測人體表皮之伸長量，具有偵測皮下肌肉是否活化之功效。

本發明之另一目的係提供一種可撓性感測器之製造方法，係利用濺鍍方式於一可撓性基材上形成該導電層，具有製作程序簡便、技術需求低及製程時間短等優點，達成降低可撓性感測器之生產成本功效。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段包含有：一種可撓性感測器，係包含：一基材層，由具有可撓性之基材製成；及一導電層，覆蓋於該基材層，該導電層採用銀、鎢或鋁製成，且該導電層之二側分別電性連接一電極。

本發明之可撓性感測器，其中，另包含一中介層，該中介層形成於基材層與該導電層之間，且該中介層採用鈦、鋁或鉻製成。

本發明之可撓性感測器，其中，該基材層由人工皮膚構成。

本發明之可撓性感測器，其中，所述人工皮膚係由一半透膜及一膠體組成，所述膠體塗佈於該基材層遠離該導電層之一表面。

一種設有前述可撓性感測器的量測裝置，包含：一量測單元，該量測單元經由一訊號線以分別電性連接該可撓性感測器之二電極；及一處理單元，耦接該量測單元。

本發明之量測裝置，其中，該量測單元包含電阻計、電表或 資料擷取紀錄器等電阻值量測儀器。

本發明之量測裝置，其中，該處理單元為電腦主機、嵌入式系統或微控制器等運算裝置。

一種可撓性感測器之製造方法，包括：製備一可撓性基材，該可撓性基材包含一基材層；以銀、鎢或鋁作為靶材，於該可撓性基材上經由濺鍍方式形成一導電層；及於該導電層之二側以導體材質分別製作一電極，使該二電極分別電性連接該導電層之二側。

本發明之可撓性感測器之製造方法，其中，該導電層以銀、鎢或鋁作為靶材進行濺鍍時採用的功率為30~60W，濺鍍時間為10~90min，製程壓力為1.8×10-2~7.8×10^-2torr且環境溫度為20~44℃。

本發明之可撓性感測器之製造方法，其中，製備該可撓性基材時，該可撓性基材另包含一中介層，該中介層係以鈦、鋁或鉻作為靶材，經由濺鍍方式形成且結合於該基材層，該導電層則結合於該中介層。

本發明之可撓性感測器之製造方法，其中，該中介層以鉻作為靶材進行濺鍍時採用的功率為30~60W，濺鍍時間為10~90min，製程壓力為1.8×10^-2~7.8×10^-2torr且環境溫度為20~44℃。

本發明之可撓性感測器之製造方法，其中，該基材層由人工皮膚構成。

〔本發明〕

1‧‧‧可撓性感測器

11‧‧‧基材層

111‧‧‧表面

12‧‧‧導電層

13‧‧‧中介層

14‧‧‧電極

2‧‧‧量測單元

21‧‧‧訊號線

3‧‧‧處理單元

H1‧‧‧基材厚度

H1’‧‧‧基材厚度

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

〔習知〕

9‧‧‧習用可撓性感測器

91‧‧‧軟性基材

91a‧‧‧內表面

91b‧‧‧外表面

92‧‧‧溫度感測器

93‧‧‧壓力感測器

931‧‧‧電極

932‧‧‧電極

第1圖係一種習用可撓性感測器之外觀圖。

第2圖係一種習用可撓性感測器之壓力感測器的結構圖

第3圖係本發明可撓性感測器第一實施例之剖視示意圖。

第4圖係本發明可撓性感測器第二實施例之剖視示意圖。

第5圖係本發明設有可撓性感測器之量測裝置的架構示意圖。

第6圖本發明設有可撓性感測器之量測裝置計算該導電層之電阻變化量的結果示意圖。

第7圖係本發明可撓性感測器之製造方法一實施例的流程示意圖。

第8a圖係本發明可撓性感測器之製造方法一實施例製備一基材的步驟示意圖。

第8b圖係本發明可撓性感測器之製造方法一實施例製備具有中介層之一基材的步驟示意圖。

第8c圖係本發明可撓性感測器之製造方法一實施例於該基材上形成一導電層的步驟示意圖。

第8d圖係本發明可撓性感測器之製造方法一實施例於該導電層之二側分別製作一電極的步驟示意圖。

第9圖係本發明可撓性感測器之製造方法一實施所製造之可撓性感測器的外觀示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參閱第3圖所示，其係本發明可撓性感測器1第一實施例之剖視示意圖。該可撓性感測器1包含一基材層11及一導電層12，該導電層12係覆蓋於該基材層11，且該導電層12之二側可以分別電性連接一電極14，該二電極14較佳係分別結合該基材層11。

其中，該基材層11係由具有可撓性之基材製成，且在本實施例當中該基材層11較佳由人工皮膚構成。詳言之，所述人工皮膚主要係由一半透膜(例如：聚氨酯半透膜)配合一膠體(例如：親水膠體)所組成，所述膠體較佳塗佈於該基材層11遠離該導電層12之一表面111，藉此該表面111即可經由所述膠體以貼附固定於人體表皮或其它待應用該可 撓性感測器1的位置。

該導電層12係經由濺鍍方式以結合於該基材層11，因此該導電層12可以採用延展性與導電性較佳的金屬材質(例如：金、銀、銅或鋁或鎢)，惟在本實施例當中受限於製程需求，該導電層12較佳採用銀、鎢或鋁製成。該電極14則可以為任意導體材質，本發明並不加以限制。

然而，上述第一實施例之可撓性感測器1實際使用時，若該基材層11所產生之應變量過大或者長時間使用下，可能會產生該導電層12自該基材層11剝離甚至脫落的情形，換言之，上述第一實施例之可撓性感測器1的結構強度與耐用度不甚理想。據此，請參照第4所示，其係本發明可撓性感測器1第二實施例之剖視示意圖，與前述第一實施例相異之處在於：該基材層11與該導電層12之間另設有一中介層13，該中介層13較佳採用鈦、鋁或鉻製成。

更詳言之，該中介層13係經由濺鍍方式以結合於該基材層11，而該導電層12則經由濺鍍方式以結合於該中介層13。藉此，該中介層13能夠有效增強該導電層12於該基材層11的附著性，避免該導電層12自該基材層11剝離或脫落的情形發生。

請參照第5圖所示，本發明第一及第二實施例之可撓性感測器1實際使用時，可以利用該可撓性感測器1、一量測單元2及一處理單元3共同組成一量測裝置，該量測單元2係分別電性連接該可撓性感測器1之二電極14，該處理單元3則耦接於該量測單元2。

其中，該量測單元2包含電阻計、電表或資料擷取紀錄器(data logger)等能夠量測該可撓性感測器1之電阻值的習用測量儀器，在本實施例當中，該量測單元2可以為Agilent公司所生產之E34970A型資料擷取紀錄器，惟不以此為限。該量測單元2係經由一訊號線21以分別電性連接該可撓性感測器1之二電極14，該訊號線21可以為同軸電纜(coaxial cable)或其他訊號傳輸線材。

該處理單元3可以為電腦主機、嵌入式系統(embedded system)或微控制器(microcontroller unit,MCU)等習用運算裝置，係藉由有線實體(例如：乙太網路)、無線媒介(例如：無線網路)或其組合(例如：異質網路)等方式耦接該量測單元2，使該處理單元3與該量測單元2之間可以相互傳遞資料。

藉由上述量測裝置，當該基材層11遠離該導電層12之表面111被貼附固定於人體表皮時，若在人體動作過程中因肌肉活化而壓迫皮膚使表皮伸長，該基材層11將受到表皮伸長影響而一併被拉伸，使該基材層11發生形變而產生一應變量。注意到，該導電層12由延展性與導電性較佳的金屬材質製成並覆蓋於該基材層11，因此該導電層12將隨著該基材層11發生形變而產生該應變量，且該應變量將影響該導電層12於該二電極14間的電阻值。換言之，該處理單元2可以透過該訊號線21量測該導電層12於該二電極14間的電阻值，並將量測結果傳輸至該處理單元3，以作為該基材層11與該導電層12所產生之應變量的判斷依據。其中，該應變量係與該導電層12之電阻值成正相關，關於該導電層12發生形變對於該導電層12之電阻值造成影響的原理，係本發明所屬領域中具有通常知識者均可輕易理解，恕不再行贅述。

舉例而言，當一使用者進行羅馬椅直膝硬舉訓練時，可以將該基材層11貼附固定於鄰近使用者下背豎脊肌的表皮，該量測單元2透過該訊號線21量測該導電層12於該二電極14間的電阻值，並將量測結果傳輸至該處理單元3後，該處理單元3即可根據該量測結果以計算該導電層12之電阻變化量，如第6圖所示，該導電層12之電阻變化量為〝159.47±21.43Ω〞，係對應該基材層11與該導電層12產生約〝32%〞之應變量時所造成的電阻變化量。據此，該量測裝置能夠藉由該可撓性感測器1以有效 量測人體表皮之伸長量，進而偵測皮下肌肉是否確實活化。以上述使用者往後進行羅馬椅直膝硬舉訓練且再次以該量測裝置進行量測為例，若該處理單元3所計算之電阻變化量小於〝159.47Ω〞超過一定幅度，即代表鄰近使用者下背豎脊肌的表皮伸長量過小，可能因動作偏差而導致下背豎脊肌並未正確活化，使用者需要適當調整姿勢以確保肌肉鍛鍊效果；反之，若該處理單元3所計算之電阻變化量大於〝159.47Ω〞超過一定幅度，即代表鄰近使用者下背豎脊肌的表皮伸長量過大，可能因動作過於猛烈而導致下背豎脊肌受傷，必須盡速調整姿勢以降低受傷風險。

由此可知，本發明第一及第二實施例之可撓性感測器1確實可在人體表皮伸長時被拉伸，進而改變該導電層12之電阻值，確實能夠達成「供量測人體表皮之伸長量」之功效。

再者，設有該可撓性感測器1之量測裝置可以該量測單元2量測該導電層12的電阻值，並將量測結果傳輸至該處理單元3後，該處理單元3即可根據該量測結果以計算該導電層12之電阻變化量，該電阻變化量係對應該導電層12之應變量，因此該處理單元3能夠有效量測人體表皮之伸長量，確實具有「偵測皮下肌肉是否活化」之功效。

值得注意的是，將該基材層11遠離該導電層12之表面111貼附固定於人體表皮時，該二電極14之連線應盡可能與目標肌群之肌肉纖維成平行，使得目標肌群活化而壓迫人體表皮所產生之伸長量能夠正確拉伸該基材層11，以確保人體表皮之伸長量有效為該可撓性感測器1所量測，本發明所屬領域中具有通常知識者均可輕易思及。

請參照第7圖所示，係本發明可撓性感測器之製造方法一實施例的流程示意圖，可供製造前述第一或第二實施例之可撓性感測器1。首先製備一可撓性基材，該可撓性基材包含一基材層11，該基材層11可以由人工皮膚構成，如第8a圖所示，該基材層11具有一基材厚度H1。其 中，若欲製造前述第二實施例之可撓性感測器1時，該可撓性基材另包含一中介層13，該中介層13係經由濺鍍方式以結合於該基材層11，由於該中介層13較佳採用鈦、鋁或鉻製成，因此該中介層13以鈦、鋁或鉻作為靶材進行濺鍍，所述濺鍍作業條件可以如下列表一所示，惟不以此為限。

其中，如第8b圖所示，若該可撓性基材係包含該基材層11及該中介層13，則該基材層11及該中介層13係共同具有一基材厚度H1’。接著，該可撓性感測器之製造方法係於該可撓性基材上形成一導電層12，該導電層12係經由濺鍍方式以結合於該基材層11或該中介層13，由於該導電層12較佳採用銀、鎢或鋁製成，因此該導電層12係以銀、鎢或鋁作為靶材進行濺鍍，所述濺鍍作業條件可以如上表一所示，惟不以此為限。如第8c圖所示，該導電層12具有一導電厚度H2。在本實施例中，該可撓性基材所具有之基材厚度H1、H1’約可以為〝35mm〞，而該導電層12所具有之導電厚度H2可以為〝0.0016mm〞，惟本發明並不以此為限。

該導電層12形成且覆蓋於該基材後，如第8d圖所示，係於該導電層11之二側分別製作一電極14，該二電極14係由導體材質製作，且該二電極14分別電性連接該導電層12之二側。其中，製作該二電極14時，可以使該二電極14係分別結合該基材層11，以增強該二電極14與該導電層12之結合強度。

藉由上述流程，本發明可撓性感測器之製造方法實施例即可 完成前述第一或第二實施例之可撓性感測器1的製造。如第9圖所示，根據該可撓性感測器之製造方法實施例所製造之可撓性感測器1的導電層12具有一長度L及一寬度W，該長度L及該寬度W分別可以為〝40~50mm〞及〝25mm〞，使該可撓性感測器1之尺寸適合貼附於人體表皮。

在本發明可撓性感測器之製造方法的實施例中，僅需利用濺鍍方式即可形成覆蓋於該可撓性基材之導電層12，具有製作程序簡便、技術需求低及製程時間短等優點，確實達成「降低可撓性感測器之生產成本」功效。

綜上所述，本發明可撓性感測器1係可供量測人體表皮之伸長量，因此設有該可撓性感測器1之量測裝置能夠有效偵測皮下肌肉是否活化，確可達到幫助找出訓練過程中的動作缺失，並且提醒訓練者調整姿勢至正確位置，以增進肌肉鍛鍊效果同時降低受傷風險，且本發明可撓性感測器之製造方法能夠利用濺鍍方式於可撓性基材上形成該導電層12，有效降低可撓性感測器之生產成本，確實可大幅拓展肌肉訓練相關產業的發展空間。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧可撓性感測器

11‧‧‧基材層

111‧‧‧表面

12‧‧‧導電層

13‧‧‧中介層

14‧‧‧電極

Claims (13)

1. 一種可撓性感測器，包括：一基材層，由具有可撓性之基材製成；及一導電層，覆蓋於該基材層，該導電層採用具延展性與導電性的金屬材質製成，且該導電層之二側分別電性連接一電極。
2. 根據申請專利範圍第1項之可撓性感測器，其中，該導電層採用銀、鎢或鋁製成。
3. 根據申請專利範圍第1項之可撓性感測器，其中，另包含一中介層，該中介層形成於基材層與該導電層之間，且該中介層採用鈦、鋁或鉻製成。
4. 根據申請專利範圍第1、2或3項之可撓性感測器，其中，該基材層由人工皮膚構成。
5. 根據申請專利範圍第4項之可撓性感測器，其中，所述人工皮膚係由一半透膜及一膠體組成，所述膠體塗佈於該基材層遠離該導電層之一表面。
6. 一種設有如申請專利範圍第1項所述之可撓性感測器的量測裝置，包含：一量測單元，該量測單元經由一訊號線以分別電性連接該可撓性感測器之二電極；及一處理單元，耦接該量測單元。
7. 根據申請專利範圍第6項之量測裝置，其中，該量測單元包含電阻值量測儀器如電阻計、電表或資料擷取紀錄器。
8. 根據申請專利範圍第6項之量測裝置，其中，該處理單元為運算裝置如電腦主機、嵌入式系統或微控制器。
9. 一種可撓性感測器之製造方法，包括： 製備一可撓性基材，該可撓性基材包含一基材層；以銀、鎢或鋁作為靶材，於該可撓性基材上經由濺鍍方式形成一導電層；及於該導電層之二側以導體材質分別製作一電極，使該二電極分別電性連接該導電層之二側。
10. 根據申請專利範圍第9項之可撓性感測器之製造方法，其中，該導電層以銀、鎢或鋁作為靶材進行濺鍍時採用的功率為30~60W，濺鍍時間為10~90min，製程壓力為1.8×10-2~7.8×10^-2torr且環境溫度為20~44℃。
11. 根據申請專利範圍第9項之可撓性感測器之製造方法，其中，製備該可撓性基材時，該可撓性基材另包含一中介層，該中介層係以鈦、鋁或鉻作為靶材，經由濺鍍方式形成且結合於該基材層，該導電層則結合於該中介層。
12. 根據申請專利範圍第11項之可撓性感測器之製造方法，其中，該中介層以鈦、鋁或鉻作為靶材進行濺鍍時採用的功率為30~60W，濺鍍時間為10~90min，製程壓力為1.8×10^-2~7.8×10^-2torr且環境溫度為20~44℃。
13. 根據申請專利範圍第9、10、11或12項之可撓性感測器之製造方法，其中，該基材層由人工皮膚構成。