TW201728883A

TW201728883A - 定址式感測元件及其製造方法

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Publication number: TW201728883A
Application number: TW105103883A
Authority: TW
Inventors: 吳志明
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-08-16
Also published as: TWI585380B; US20170228054A1; CN107037903A; US9952692B2

Abstract

一種定址式感測元件及其製造方法。定址式感測元件包括基板、多個第一電極、多個第二電極、多個感測單元以及接觸層。多個第一電極和多個第二電極位於基板的至少其中一表面上，其中多個第一電極沿著第一方向排列且沿著第二方向延伸，多個第二電極沿著第二方向排列且沿著第一方向延伸，且多個第一電極與多個第二電極投影至基板上形成多個交會區域。多個感測單元分別與每個第一電極和每個第二電極電性連接。接觸層至少位於多個第一電極或多個第二電極上。

Description

定址式感測元件及其製造方法

本發明是有關於一種感測元件及其製造方法，且特別是有關於一種定址式感測元件及其製造方法。

科技與人類的互動在於介面的設計，如何將訊息輸入與輸出為最重要的功能。人類的感知來自於五種知覺：視覺、聽覺、味覺、嗅覺與觸覺，其中以觸覺為最直接的感知源但也較難以仿造。

感測元件是將接受到的觸覺訊號轉換為電阻或電壓的輸出以表現出觸覺的感測，而傳統的感測元件通常需接外部電源以使感測元件正常運作，故其應用範圍受限。因此，如何能夠自行發電而不需外部電源供應的感測元件將可擴大其應用範圍。

本發明提供一種定址式感測元件及其製造方法，可藉由產生感應電荷而發電，並達到可撓性、透明且薄型的優點，此外，藉由感測元件中電極的排列方式，可達到更精密的感測度。

本發明提供一種定址式感測元件。定址式感測元件包括基板、多個第一電極、多個第二電極、多個感測單元以及接觸層。多個第一電極和多個第二電極位於基板的至少其中一表面上，其中多個第一電極沿著第一方向排列且沿著第二方向延伸，多個第二電極沿著第二方向排列且沿著第一方向延伸，且多個第一電極與多個第二電極投影至基板上形成多個交會區域。多個感測單元分別與每個第一電極和每個第二電極電性連接。接觸層至少位於多個第一電極或多個第二電極上。

在本發明的一實施例中，上述接觸層的厚度小於2 mm。

在本發明的一實施例中，上述基板包括可撓性基板、硬式玻璃基板、導電基板、半導體基板、陶瓷基板、金屬氧化物基板或其組合。

在本發明的一實施例中，上述第一電極和第二電極的材料包括金屬、合金或金屬氧化物。

在本發明的一實施例中，上述第一電極和第二電極位於基板的同一表面上。

在本發明的一實施例中，更包括絕緣層位於第一電極和第二電極之間。

在本發明的一實施例中，上述第一電極和第二電極位於基板的不同表面上。

本發明又提供一種定址式感測元件的製造方法，其包括以下步驟。提供基板。形成多個第一電極和多個第二電極位於基板的至少其中一表面上，其中多個第一電極沿著第一方向排列且沿著第二方向延伸，多個第二電極沿著第二方向排列且沿著第一方向延伸，且多個第一電極與多個第二電極投影至基板上形成多個交會區域。提供多個感測單元分別與每個第一電極和每個第二電極電性連接。形成接觸層至少位於多個第一電極或多個第二電極上。

在本發明的一實施例中，上述接觸層的厚度小於2 mm。

基於上述，本發明的定址式感測元件，藉由材料的選擇，可做成具有可撓性、透明且薄型的感測元件。又由於本發明是藉由物件與定址式感測元件的接觸層之間具有相對電位差產生感應電流或電壓，不需再接外部電源，且相較於傳統的觸控裝置或觸控鍵盤，本發明之定址式感測元件的厚度更薄。此外，本發明藉由多個長條電極排列而形成的多個交會區域的排列方式，可在單位面積內設置較高密度的電極排列。因此，本發明的感測元件可達到更精密的感測度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A至圖1E為依照本發明的一實施例所繪示的定址式感測元件的製造方法的立體結構示意圖。圖2為沿圖1E之A-A’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。

請參照圖1A，提供基板100。基板100的材料包括可撓性材料或硬式材料，例如是聚對苯二甲酸乙酯（polyethylene terephthalate，PET）、玻璃、矽、不鏽鋼、氧化鋁（Al₂ O₃ ）、鋁、聚醯亞胺（polyimide，PI）、聚間苯二甲酸乙二酯（polyethylene naphthalate，PEN）、聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、銅、塑膠、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene，PTFE）等或其他具有可撓性的材料，這些可撓性的材料可以是透明的或不透明的。基板100的厚度例如是介於1 µm至5 mm之間。在另一實施例中，基板100的厚度可例如是介於100 µm至1 mm之間。在一實施例中，基板100可例如是可撓性基板、硬式玻璃基板、導電基板、半導體基板、陶瓷基板、金屬氧化物基板或其組合。

請同時參照圖1B至圖1D，形成多個第一電極102和多個第二電極104位於基板100的至少其中一表面上。

在此實施例中，第一電極102和第二電極104位於基板100的同一表面上。也就是說，第一電極102和第二電極104皆位於基板100的上表面100a上。但本發明不限於此。

在此實施例中，首先，如圖1B所示，先形成多個第一電極102於基板100的上表面100a上，其中多個第一電極102沿著第一方向D1排列且沿著第二方向D2延伸。接著，如圖1C所示，形成絕緣層103覆蓋第一電極102和基板100。然後，如圖1D所示，形成多個第二電極104於絕緣層103上，其中多個第二電極104沿著第二方向D2排列且沿著第一方向D1延伸。在此實施例中，絕緣層103位於第一電極102和第二電極104之間，也就是說，第一電極102和第二電極104之間具有絕緣層103電性隔離。

在一實施例中，多個第一電極102與多個第二電極104投影至基板100上形成多個交會區域106。在一實施例中，多個第一電極102與多個第二電極104投影至基板100上可以形成網狀或格子狀的排列。第一電極102和第二電極104的形狀例如是長條狀，但本發明不限於此。第一電極102和第二電極104的寬度例如是介於10 nm至100 mm之間，相鄰電極之間的間距例如是介於10 nm至100 mm之間，第一電極102與第二電極104投影至基板100上形成的交會區域106的大小例如是介於10 nm至100 mm之間，但本發明不限於此。

第一電極102、第二電極104和絕緣層103的形成方法例如是先形成第一電極材料層（未繪示）於基板100上之後，對第一電極材料層進行圖案化製程以形成多個第一電極102沿著第一方向D1排列且沿著第二方向D2延伸。接著，形成絕緣層103覆蓋第一電極102和基板100的表面。然後，形成第二電極材料層（未繪示）於絕緣層103上之後，對第二電極材料層進行圖案化製程以形成多個第二電極104沿著第二方向D2排列且沿著第一方向D1延伸。

第一電極102和第二電極104的材料可以是金屬、合金或金屬氧化物，金屬例如是銅、鋁、銀等導電良好的金屬。金屬氧化物例如是銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物或其它合適的氧化物等透明的導電材料，但本發明不限於此。絕緣層103的材料例如是聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、二氧化矽（SiO₂ ）、聚甲基丙烯酸甲酯（Poly(methyl methacrylate)，PMMA）絕緣層103的厚度例如是介於10 nm至100 µm之間。

請繼續參照圖1D，提供多個感測單元108分別與每個第一電極102和每個第二電極104電性連接。感測單元108可用於表現經過第一電極102和第二電極104的電流或電壓，以下會有關於感應電流產生的操作原理的說明。另外，感測單元108的另一端接地，以在感應電流產生的過程中，輸入或輸出電子維持整體定址式感測元件呈電中性。

請參照圖1E，形成接觸層110於絕緣層103與第二電極104上。詳細地說，接觸層110是毯覆式（blanketly）形成在基板100的上表面100a上，且接觸層110覆蓋第一電極102、絕緣層103以及第二電極104。接觸層110的材料例如是相對於以下所述用於與接觸層110接觸的物件之間具有相對電位差的材料皆可。例如是聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene，PTFE）、二氧化矽（SiO₂ ）、金屬薄膜、尼龍（Nylon）或其組合等，但本發明不限於此。這些接觸層110的材料可以是具有可撓性且透明的材料。接觸層110的厚度例如是小於10 nm-2 mm，其可例如是4毫米、3毫米、2毫米、1毫米或0.5毫米。

以下，將利用圖1E和圖2針對本發明的定址式感測元件的結構進行說明。

如圖1E和圖2所示，本發明的定址式感測元件包括基板100、多個第一電極102、絕緣層103、多個第二電極104、多個感測元件108以及接觸層110。多個第一電極102和多個第二電極104位於基板100的至少其中一表面100a上。多個第一電極102沿著第一方向D1排列且沿著第二方向D2延伸。多個第二電極104橫越（cross）第一電極102，且沿著第二方向D2排列並沿著第一方向D1延伸。絕緣層103位於第一電極102和基板100上。接觸層110位於絕緣層103以及第二電極104上。從另一方面來看，如圖2所示，絕緣層103位於第一電極102和第二電極104之間，以電性隔離第一電極102和第二電極104。絕緣層103亦位於基板100和第二電極104之間，以電性隔離基板100和第二電極104。多個第一電極102與多個第二電極104投影至基板100上形成多個交會區域106。多個感測單元108分別與每個第一電極102和每個第二電極104電性連接。如圖2所示，第一電極102、絕緣層103、第二電極104和接觸層110是依序沿著第三方向D3往基板100上方形成。上述各構件的材料及製造方法如上所述，於此不再贅述。

值得一提的是，在本發明各構件的材料選擇上，可選擇具有可撓性且透明的材料，以使後續的應用範圍擴大。

以下的實施例中，相同或相似的元件、構件、層以相似的元件符號來表示。舉例來說，圖1E之絕緣層103、圖3之絕緣層103a以及圖5之絕緣層103b為相同或相似的構件。於此不再逐一贅述。

圖3為依照本發明的另一實施例所繪示的定址式感測元件的立體結構示意圖。圖4為沿圖3之B-B’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。

基本上，圖3之定址式感測元件與圖1E之定址式感測元件相似。上述兩者不同之處在於：圖3的絕緣層103a僅位於第一電極102和第二電極104之間。詳細地說，在此實施例中，形成絕緣層103覆蓋第一電極102和基板100之後，在形成多個第二電極104之前，會先移除非位於第一電極102和第二電極104之間的絕緣層103，因此，剩餘的絕緣層103a僅位於第一電極102和第二電極104之間。換言之，在本實施例中，第一電極102和第二電極104的重疊處或交會處才具有絕緣層103a。絕緣層103a可電性隔離第一電極102和第二電極104。

圖5為依照本發明的又一實施例所繪示的定址式感測元件的立體結構示意圖。圖6為沿圖5之C-C’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。

基本上，圖5之定址式感測元件與圖3之定址式感測元件相似。上述兩者不同之處在於：圖5之第一電極102的高度高於圖3之第一電極102的高度；且圖5之第二電極104的高度高於圖3之第二電極104的高度。詳細地說，在形成多個第一電極102和多個第二電極104位於基板100的至少其中一表面上之前，會先進行圖案化製程以在基板100形成多個溝渠（未繪示），多個溝渠的排列例如是網狀或格子狀，接著，再形成多個第一電極102和多個第二電極104並填滿溝渠。因此，從圖5的正面方向來看，第一電極102的底面低於基板100的上表面100a。也就是說，基板100的上表面100a具有凹凸表面。相同地，從圖5的側面方向來看，第二電極104的底面亦低於基板100的上表面100a。在此實施例中，藉由在基板100蝕刻形成溝渠，可增加後續形成的第一電極102和第二電極104高度，進而提昇第一電極102和第二電極104表面積比，藉此可增加感應的電荷量。此外，在本實施例中，如圖6所示，絕緣層103b僅位於第一電極102和第二電極104的重疊處或交會處，以電性隔離第一電極102和第二電極104。但本發明不限於此，在其他實施例中，絕緣層（未繪示）亦可毯覆式形成在第一電極102與第二電極104之間以及第二電極104與基板100之間。

圖7為依照本發明的又一實施例所繪示的定址式感測元件的立體結構示意圖。圖8為沿圖7之D-D’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。

基本上，圖7之定址式感測元件與圖1E之定址式感測元件相似。上述兩者不同之處在於：圖7之第一電極102和第二電極104位於基板100的不同表面上。詳細地說，如圖7和圖8所示，第一電極102例如是位於基板100的上表面100a上，第二電極104例如是位於基板100的下表面100b上。在此實施例中，由於第一電極102和第二電極104之間有基板100間隔其間，因此不需另外形成絕緣層103位於第一電極102和第二電極104之間，但本發明不限於此。本實施例其他構件的材料及製造方法與圖1A至圖1E和圖2相同，於此不再贅述。

圖9A至圖9E為依據圖2所繪示的定址式感測元件的電荷感應原理圖。

本發明的定址式感測元件的操作原理將以圖9A至圖9E的定址式感測元件的剖面示意圖來說明。

在一實施例中，提供一相對於接觸層110帶有較高正電性的物件200。舉例來說，接觸層110例如是PDMS，物件200例如是手指，但本發明不限於此，只要相對於接觸層110帶有較高正電性的材料皆可作為物件200的材料。如圖9A所示，在物件200與定址式感測元件尚未接觸或靠近時，並不會有感應電荷的產生。接著，如圖9B所示，將物件200接觸定址式感測元件的接觸層110，物件200與接觸層110的接觸區域位於多個第一電極102與多個第二電極104投影至基板100上所形成的多個交會區域106之一。由於物件200相對於接觸層110帶有較高正電性，會誘導接觸層110與物件200接觸的表面產生負電荷。然後，如圖9C所示，當帶有正電荷的物件200離開接觸層110表面的瞬間，由於接觸層110與物件200接觸的表面仍呈現帶負電的狀態，促使第一電極102和第二電極104產生感應的正電荷。也就是說，此時第一電極102和第二電極104會有電子經過感測單元108並流向接地處，使得第一電極102和第二電極104逐漸產生正電荷。接著，如圖9D所示，當物件200完全離開接觸層110，此時電子的輸出達最大值，同時此定址式感測元件可視為電荷平衡的電中性狀態。然後，如圖9E所示，若將帶有正電荷的物件200再次靠近接觸層110，接觸層110與物件200靠近的表面將感應出負電荷，而第一電極102和第二電極104將再次感應出正電荷，此時，電子會由接地處回流至第一電極102和第二電極104抵消感應出的正電荷，以維持物件200和接觸層110達到電荷平衡的電中性狀態。

此外，如圖1E、9A-9E所示，由於本實施例之定址式感測元件具有網狀或格子狀的排列的第一電極102與第二電極104，因此，本實施例之定址式感測元件可藉由交錯排列的第一電極102（可例如是Y方向）與第二電極104（可例如是X方向），以達到定位物件200的功效。

在另一實施例中，提供一相對於接觸層110帶有較高負電性的物件。舉例來說，接觸層110例如是PDMS，物件例如是鐵氟龍（Teflon），但本發明不限於此，只要相對於接觸層110帶有較高負電性的材料皆可作為物件的材料。將此物件依照上述的方式接觸、遠離並再次靠進接觸層110以產生感應電荷。在此實施例中，由於此物件相對於接觸層110帶有較高負電性，與上述物件200相對於接觸層110帶有較高正電性產生感應電荷的方式正好相反。

需注意的是，物件與接觸層的材料並沒有特別限制，只要物件與接觸層的材料之間具有相對的電位差即可。舉例來說，以下所述材料其帶電性由正至負依序為皮膚、玻璃、尼龍（nylon）、羊毛（wool）、鉛（lead）、棉花（cotton）、鋁（aluminum）、紙（paper）、鋼（steel）、明膠（gelatin）、鎳和銅（nickel, copper）、金和鉑（gold, platinum）、天然橡膠（natural rubber）、硫（sulfur）、醋酸鹽（acetate）、聚酯（polyester）、賽璐珞（celluloid）、氨基甲酸乙酯（urethane）、聚乙烯（polyethylene）、乙烯（vinyl）、矽（silicon）、鐵氟龍（teflon）。也就是說，物件與接觸層的材料可以從中任選二種，此二種材料之間具有相對的電位差即可，但本發明不限於此。

如上述圖9A至圖9E所示，在物件與接觸層110接觸、離開至完全離開並再度靠近的過程中，本發明可藉由感測單元108來測量第一電極102和第二電極104之間輸出或輸入的電流或電壓表現。換言之，本發明之定址式感測元件僅藉由單一層的接觸層110即可達到觸控效果。相較於傳統的觸控裝置或觸控鍵盤，本發明之定址式感測元件的整體厚度更薄。

另外，本發明可藉由交錯排列的多個長條電極來形成多個交會區域。此交會區域呈一陣列排列（array），藉此達到定位物件的功效。當單位面積內的電極密度愈高（亦或交會區域密度愈高），本發明之感測元件的感測度或定位功能則愈好。

值得一提的是，物件與接觸層110接觸面積的大小會影響產生的感應電荷的大小。舉例來說，當物件200例如為手指，隨著與接觸層110接觸的手指數目增加，所產生的感應電荷將增加。也就是說，產生的感應電流可隨著手指數目增加而成等比增加。此外，施加物件與接觸層110接觸的力量的大小亦會影響產生的感應電荷的大小。舉例來說，當物件200例如為手指，隨著手指施加於與接觸層110接觸的力量增加，所產生的感應電荷將增加。因此，本發明可藉由物件200數目不同或是物件200與接觸層110接觸的力量不同，使得感測單元108所接收到的感應電荷不同，以達到多功能操作。所謂多功能操作，舉例來說，可例如是利用兩隻手指來進行放大或縮小顯示畫面的操作；又或者是藉由加大手指的壓力以達到拖曳影像的操作，但本發明不以此為限。

本發明的定址式感測元件可應用於鍵盤、脈搏感測器、力量感測器、位移監測器、速度感測器、觸控面板、應變感測器等相關應用，但本發明不限於此。

綜上所述，本發明的定址式感測元件，藉由材料的選擇，可做成具有可撓性、透明且薄型的感測元件。又由於本發明是藉由物件與定址式感測元件的接觸層之間具有相對電位差產生感應電流或電壓，不需再接外部電源，且相較於的觸控裝置或觸控鍵盤，本發明之定址式感測元件的厚度更薄。此外，本發明藉由多個長條電極排列而形成的多個交會區域的排列方式，可在單位面積內設置較高密度的電極排列。因此，本發明的感測元件可達到更精密的感測度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧基板
100a、100b‧‧‧表面
102‧‧‧第一電極
103、103a、103b‧‧‧絕緣層
104‧‧‧第二電極
106‧‧‧交會區域
108‧‧‧感測單元
110‧‧‧接觸層
200‧‧‧物件
D1、D2、D3‧‧‧方向
A-A’、B-B’、C-C’、D-D’‧‧‧線

圖1A至圖1E為依照本發明的一實施例所繪示的定址式感測元件的製造方法的立體結構示意圖。圖2為沿圖1E之A-A’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。圖3為依照本發明的另一實施例所繪示的定址式感測元件的立體結構示意圖。圖4為沿圖3之B-B’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。圖5為依照本發明的又一實施例所繪示的定址式感測元件的立體結構示意圖。圖6為沿圖5之C-C’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。圖7為依照本發明的又一實施例所繪示的定址式感測元件的立體結構示意圖。圖8為沿圖7之D-D’線所繪示的定址式感測元件的剖面示意圖。圖9A至圖9E為依據圖2所繪示的定址式感測元件的電荷感應原理圖。

100‧‧‧基板

100a‧‧‧表面

102‧‧‧第一電極

103‧‧‧絕緣層

104‧‧‧第二電極

106‧‧‧交會區域

108‧‧‧感測單元

110‧‧‧接觸層

D1、D2‧‧‧方向

A-A’‧‧‧線

Claims

一種定址式感測元件，包括：基板；多個第一電極和多個第二電極位於所述基板的至少其中一表面上，其中所述多個第一電極沿著第一方向排列且沿著第二方向延伸，所述多個第二電極沿著所述第二方向排列且沿著所述第一方向延伸，且所述多個第一電極與所述多個第二電極投影至所述基板上形成多個交會區域；多個感測單元分別與每個第一電極和每個第二電極電性連接；以及接觸層至少位於所述多個第一電極或所述多個第二電極上。
如申請專利範圍第1項所述的定址式感測元件，其中所述接觸層的厚度小於2 mm。
如申請專利範圍第1項所述的定址式感測元件，其中所述基板包括可撓性基板、硬式玻璃基板、導電基板、半導體基板、陶瓷基板、金屬氧化物基板或其組合。
如申請專利範圍第1項所述的定址式感測元件，其中所述第一電極和所述第二電極的材料包括金屬、合金或金屬氧化物。
如申請專利範圍第1項所述的定址式感測元件，其中所述第一電極和所述第二電極位於所述基板的同一表面上。
如申請專利範圍第5項所述的定址式感測元件，更包括絕緣層位於所述第一電極和所述第二電極之間。
如申請專利範圍第1項所述的定址式感測元件，其中所述第一電極和所述第二電極位於所述基板的不同表面上。
一種定址式感測元件的製造方法，包括：提供基板；形成多個第一電極和多個第二電極位於所述基板的至少其中一表面上，其中所述多個第一電極沿著第一方向排列且沿著第二方向延伸，所述多個第二電極沿著所述第二方向排列且沿著所述第一方向延伸，且所述多個第一電極與所述多個第二電極投影至所述基板上形成多個交會區域；提供多個感測單元分別與每個第一電極和每個第二電極電性連接；以及形成接觸層至少位於所述多個第一電極或所述多個第二電極上。
如申請專利範圍第8項所述的定址式感測元件的製造方法，其中所述接觸層的厚度小於2 mm。
如申請專利範圍第8項所述的定址式感測元件的製造方法，其中所述基板包括可撓性基板、硬式玻璃基板、導電基板、半導體基板、陶瓷基板、金屬氧化物基板或其組合。
如申請專利範圍第8項所述的定址式感測元件的製造方法，其中所述第一電極和所述第二電極的材料包括金屬、合金或金屬氧化物。
如申請專利範圍第8項所述的定址式感測元件的製造方法，其中所述第一電極和所述第二電極位於所述基板的同一表面上。
如申請專利範圍第12項所述的定址式感測元件的製造方法，更包括形成絕緣層位於所述第一電極和所述第二電極之間。
如申請專利範圍第8項所述的定址式感測元件的製造方法，其中所述第一電極和所述第二電極位於所述基板的不同表面上。