TW201913322A - 可撓式感測器 - Google Patents

Abstract

一種可撓式感測器，其包括聚合物基板、四個聚合物感測單元、聚合物凸塊以及多個導電圖案。所述聚合物感測單元內埋於所述聚合物基板中，其中一對所述聚合物感測單元在第一方向上位於所述聚合物基板的相對兩側邊，且另一對所述聚合物感測單元在與所述第一方向垂直的所述第二方向上位於所述聚合物基板的相對兩側側邊。所述聚合物凸塊配置於所述聚合物基板上，且覆蓋所述四個聚合物感測單元。所述導電圖案配置於所述聚合物基板上，且分別與對應的聚合物感測單元連接。

Description

可撓式感測器

本發明是關於一種感測器，且特別是關於一種可撓式感測器。

近年來，各種類型的觸覺感測器（tactile sensor）已被開發，且應用於消費性電子裝置、機器裝置或義肢等領域上。針對上述應用，可撓式或可貼附於人體皮膚的壓阻式感測器也已快速發展，並應用於可折疊、可變形、可彎曲、可拉伸以及穿戴式裝置。

對於觸覺感測器來說，其感測由壓力引起的應變以及解析力量的強度與施予力量的位置，以藉由量測的結果來分析受力的分佈與情況。

目前，大面積且具有可撓性的壓阻式感測器已被快速發展，並整合應用至人工電子皮膚上以偵測其表面上所受壓力的強度與位置。因此，如何有效且精準地感測所受壓力的強度與位置為壓阻式感測器的發展上極為重要的課題。

本發明提供一種可撓式感測器，其在聚合物基板的側邊具有聚合物感測單元。

本發明的可撓式感測器包括聚合物基板、四個聚合物感測單元、聚合物凸塊以及多個導電圖案。所述聚合物感測單元內埋於所述聚合物基板中，其中一對所述聚合物感測單元在第一方向上位於所述聚合物基板的相對兩側邊，且另一對所述聚合物感測單元在與所述第一方向垂直的所述第二方向上位於所述聚合物基板的相對兩側側邊。所述聚合物凸塊配置於所述聚合物基板上，且覆蓋所述四個聚合物感測單元。所述導電圖案配置於所述聚合物基板上，且分別與對應的聚合物感測單元連接。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述聚合物基板的材料例如為橡膠、塑膠或其組合。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述聚合物感測單元的材料例如為橡膠、塑膠或其組合，且含有導電粒子。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述導電粒子的材料例如為碳黑、金屬、經摻雜的矽、石墨烯、導電高分子材料或其組合。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述導電粒子例如為球形導電粒子。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述聚合物凸塊的材料例如為橡膠、塑膠、金屬、矽或其組合。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述聚合物基板的材料、所述聚合物感測單元的材料與所述聚合物凸塊的材料例如相同。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述導電圖案的材料例如為金屬、導電高分子材料或其組合。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述聚合物感測單元例如具有彎折形狀或矩形形狀。

在本發明的可撓式感測器的一實施例中，所述聚合物基板暴露出所述聚合物感測單元的上表面。

基於上述，在本發明中，將四個感測單元各自配置於鄰近聚合物基板的四個側邊處且以含有導電粒子的聚合物材料來形成感測單元，因此可撓式感測器可簡單且準確地在三軸上（在X方向、Y方向與Z方向）對外部所施加的力進行感測，且可具有較佳的靈敏度。此外，由於本發明的可撓式感測器整體皆由聚合物材料所構成，因此具有輕巧、柔軟、彈性佳等特性。

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1為依據本發明實施例的可撓式感測器的上視示意圖。圖2為沿圖1中的I-I剖線所繪示的剖面示意圖。請同時參照圖1與圖2，可撓式感測器10包括聚合物基板100、聚合物感測單元102a、102b、102c與102d、聚合物凸塊104以及導電圖案106a、106b、106c與106d。

聚合物基板100用以承載感測單元。聚合物基板100的材料例如為橡膠、塑膠或其組合，以使得聚合物基板100具有可撓性。由於聚合物基板100具有可撓性，因此可承受來自各方向的力（例如正向力與剪力）並產生形變而不會損壞。在本實施例中，聚合物基板100為矩形基板，但本發明不限於此。在其他實施例中，可視實際應用需求而採用其他形狀的基板。

聚合物感測單元102a、102b、102c與102d內埋於聚合物基板100中。在本實施例中，聚合物基板100暴露出聚合物感測單元102a、102b、102c與102d的上表面。聚合物感測單元102a、102b、102c與102d的材料例如為橡膠、塑膠或其組合，且含有導電粒子。導電粒子均勻分散在每一個聚合物感測單元中。由於聚合物感測單元102a、102b、102c與102d具有可撓性，因此可承受來自各方向的力並產生形變而不會損壞。此外，當聚合物感測單元產生形變時，導電粒子之間的距離產生改變，導致電阻率發生變化，且藉由量測電阻率的變化狀態可分析出所承受的力的強度。上述的導電粒子例如為碳黑、金屬、經摻雜的矽、石墨烯、導電高分子材料或其組合。

導電粒子較佳為球形導電粒子。在聚合物感測單元中含有球形導電粒子的情況下，當聚合物感測單元產生形變時，球形導電粒子之間的空間分佈與接觸狀態可較簡單與輕易地產生改變而使得電阻值產生顯著地變化，使得聚合物感測單元可具有較高的靈敏度。

在本實施例中，聚合物感測單元102a、102b、102c與102d各自配置於鄰近聚合物基板100的四個側邊處。詳細地說，聚合物感測單元102a、102b在第一方向（X方向）上分別位於聚合物基板100的相對兩側邊（圖1中的左側與右側），且聚合物感測單元102c、102d在第二方向（Y方向）上分別位於聚合物基板100的相對兩側側邊（圖1中的上側與下側）。在本實施例中，由於聚合物感測單元102a、102b、102c與102d各自配置於鄰近聚合物基板100的四個側邊處，因此可以有效地在X-Y平面與Z平面上感測來自各方向的力。此外，聚合物感測單元102a、102b、102c與102d的形狀可對感測單元感受所承受的正向力與剪力的程度產生影響。在本實施例中，聚合物感測單元102a、102b、102c與102d各自具有彎折形狀。稍後將對彎折形狀所帶來的效果做進一步的說明。

聚合物凸塊104配置於聚合物基板100上，且覆蓋聚合物感測單元102a、102b、102c與102d。聚合物凸塊104的材料例如為橡膠、塑膠、金屬、矽或其組合。聚合物凸塊104作為可撓式感測器10接受所施加的力的接觸墊，亦即來自外部的力（正向力與剪力）皆施加於聚合物凸塊104。在本實施例中，聚合物凸塊104覆蓋每一個聚合物感測單元的一部分，但本發明不限於此。在其他實施例中，聚合物凸塊104也可以覆蓋整個聚合物感測單元。

當正向力在Z方向上施加於聚合物凸塊104時，正向力經由聚合物凸塊104而能夠傳輸至聚合物感測單元102a、102b、102c與102d，並使聚合物感測單元102a、102b、102c與102d產生形變，如圖3所示。當剪力在垂直於Z方向的方向上施加於聚合物凸塊104時，剪力經由聚合物凸塊104而能夠傳輸至聚合物感測單元102a、102b、102c與102d，並使聚合物感測單元102a、102b、102c與102d產生形變，如圖4所示。

此外，視剪力的施加方向而定，分別位於不同位置的聚合物感測單元102a、102b、102c與102d會受到不同程度的力。舉例來說，由於聚合物感測單元102a、102b、102c與102d各自配置於鄰近聚合物基板100的四個側邊處，因此當沿著X方向施加剪力時，聚合物感測單元102a、102b會受到較大程度的形變，而聚合物感測單元102c、102d則受到較小程度的形變。如此一來，藉由聚合物感測單元102a、102b、102c與102d各自的電阻值改變，可簡單且準確地分析出所施加的剪力的量值以及方向。

如圖1所示，聚合物感測單元102a、102b、102c與102d各自呈現具有5折的彎折形狀圖案，但本發明不限於此。在其他實施例中，聚合物感測單元102a、102b、102c與102d也可以各自具有矩形形狀。以在X方向上的聚合物感測單元102a、102b為例，當在X方向上施加剪力時，相較於聚合物感測單元102c、102d，聚合物感測單元102a、102b在X方向上可具有較多的大程度形變部分，且聚合物感測單元102a、102b又各自呈現出不同形變程度，因此可明確地區分X方向感測單元（聚合物感測單元102a與102b）的電阻值變化差異，以及Y方向感測單元（聚合物感測單元102c與102d）的電阻值變化差異。同樣地，當在Y方向上施加剪力時，亦具有可明確區分之感測單元之電阻值變化差異。

導電圖案106a、106b、106c與106d配置於聚合物基板100上，且分別與對應的聚合物感測單元連接。導電圖案106a、106b、106c與106d的材料例如為金屬。在本實施例中，導電圖案106a與聚合物感測單元102a連接，導電圖案106b與聚合物感測單元102b連接，導電圖案106c與聚合物感測單元102c連接，導電圖案106d與聚合物感測單元102d連接。此外，導電圖案106a、106b、106c與106d可連接至外部裝置，以對所接受的電訊號做進一步分析。對於導電圖案106a、106b、106c、106d與所對應的聚合物感測單元的連接方式，本發明並不特別限定。當聚合物感測單元102a、102b、102c與102d感測到外部所施加的力並產生形變而導致電阻值改變之後，藉由導電圖案106a、106b、106c與106d所傳出的電訊號，外部裝置可迅速得知電阻值的變化量而分析出外部力的相關訊息。

在本實施例中，對於外部所施加的力，可撓式感測器10可簡單且準確地在X方向、Y方向與Z方向對其進行感測與分析，且因感測單元由含有導電粒子的聚合物材料所構成及具有結構圖案設計而具有較佳的靈敏度。此外，由於可撓式感測器10整體皆由聚合物材料所構成，因此具有輕巧、柔軟、彈性佳等特性。也就是說，可撓式感測器10為可撓式三軸觸覺感測器，且其可有效地應用於人體皮膚貼附、機器人與義肢等需要力量感測的技術領域。

為了使可撓式感測器10在經受外部所施加的力時不易損壞，即具有較佳之機械特性，聚合物基板100、聚合物感測單元102a、102b、102c、102d以及聚合物凸塊104較佳皆使用橡膠來做為材料。如此一來，所形成的聚合物基板100、聚合物感測單元102a、102b、102c、102d以及聚合物凸塊104之間的接合具有一體性且不具有界面邊界，因此聚合物基板100、聚合物感測單元102a、102b、102c、102d以及聚合物凸塊104構成為一個整體並具有較佳的接合度而不易分離。

以下將對可撓式感測器10的製造做說明。

首先，將30 wt%的奈米碳黑球體粉末以及二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）材料分別與正己烷溶液混合2小時。然後，將奈米碳黑粉末與正己烷的混合溶液以及二甲基硅氧烷材料與正己烷的混合溶液混合1小時。接著，對所得到的混合溶液進行加熱持續整夜，以使溶劑（正己烷）完全揮發而得到奈米複合聚合物。之後，奈米複合聚合物加入固化劑（混合比例為10:1），以得到C-PDMS奈米複合材料。

然後，將抗沾黏層（全氟辛基三氯矽烷（perfluorooctyltrichlorosilane，PFOTS））沉積於矽晶圓上。接著，於抗沾黏層上形成第一罩幕層。而後，將C-PDMS奈米複合材料以網版印刷的方式形成於第一罩幕層所暴露出來的矽晶圓上。接著，移除第一罩幕層。然後，將PDMS材料形成於矽晶圓上並覆蓋C-PDMS奈米複合材料。接著，移除矽晶圓。而後，藉由第二罩幕層以蒸鍍的方式將3-硫丙基三甲氧基矽烷（3-mercaptopropyltrimethoxysilane，MPTMS）單分子層與金薄膜沉積於PDMS材料上，以定義出做為電極的導電圖案。之後，利用電漿表面處理將PDMS凸塊接合於PDMS材料上，以完成如圖1所示的可撓式感測器。

在上述製造過程中，使用相同的聚合物材料形成可撓式感測器的基板、感測單元與凸塊，因此所製造的可撓式感測器在經受外部力時不易受到損壞且具有高彈性、高變形量。此外，由上述製造方法可知，半導體晶圓級大面積製造鑄模成型可被應用至本發明的可撓式感測器的製造中。

雖然本發明已以實施例發明如上，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。

10‧‧‧可撓式感測器

100‧‧‧聚合物基板

102a、102b、102c、102d‧‧‧聚合物感測單元

104‧‧‧聚合物凸塊

106a、106b、106c、106d‧‧‧導電圖案

圖1為依據本發明實施例的可撓式感測器的上視示意圖。 圖2為沿圖1中的I-I剖線所繪示的剖面示意圖。 圖3為圖1的可撓式感測器受到正向力的剖面示意圖。 圖4為圖1的可撓式感測器受到剪力的剖面示意圖。

Claims (10)

1. 一種可撓式感測器，包括： 聚合物基板； 四個聚合物感測單元，內埋於所述聚合物基板中，其中一對所述聚合物感測單元在第一方向上位於所述聚合物基板的相對兩側邊，且另一對所述聚合物感測單元在與所述第一方向垂直的所述第二方向上位於所述聚合物基板的相對兩側側邊； 聚合物凸塊，配置於所述聚合物基板上，且覆蓋所述四個聚合物感測單元；以及 多個導電圖案，配置於所述聚合物基板上，且分別與對應的聚合物感測單元連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述聚合物基板的材料包括橡膠、塑膠或其組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述聚合物感測單元的材料包括橡膠、塑膠或其組合，且含有導電粒子。
4. 如申請專利範圍第3項所述的可撓式感測器，其中所述導電粒子的材料包括碳黑、金屬、經摻雜的矽、石墨烯、導電高分子材料或其組合。
5. 如申請專利範圍第3項所述的可撓式感測器，其中所述導電粒子為球形導電粒子。
6. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述聚合物凸塊的材料包括橡膠、塑膠、金屬、矽或其組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述聚合物基板的材料、所述聚合物感測單元的材料與所述聚合物凸塊的材料相同。
8. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述導電圖案的材料包括金屬、導電高分子材料或其組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述聚合物感測單元具有彎折形狀或矩形形狀。
10. 如申請專利範圍第1項所述的可撓式感測器，其中所述聚合物基板暴露出所述聚合物感測單元的上表面。