TWI382166B - 固定形變區域之壓力測試元件 - Google Patents

Description

固定形變區域之壓力測試元件

本技藝是一種壓力測試元件，尤其是一種固定形變區域之壓力測試元件。

圖1~6是先前技藝

圖1先前技藝_壓力測試元件

圖中顯示一個習知的壓力測試元件100的剖面圖，其包含有上層堆疊TS與下層堆疊BS，中間以支撐體(spacer)15隔開一個空間16所構成的。

上層堆疊TS包含：上層基板10、上層金屬電極11、以及上層壓阻層12。下層堆疊BS包含：下層壓阻層129、下層金屬電極119、以及下層基板109。支撐體15將上層堆疊與下層堆疊隔開一個空間16。圖中顯示支撐體15將上層壓阻層12與下層壓阻層129面對面隔開一個空間16，製成一個壓力測試元件100。上層金屬電極11以及下層金屬電極119分別電性耦合至電路系統13的第一電極以及第二電極。

圖2先前技藝_受壓初始狀態

圖中顯示圖1的壓力測試元件100受壓初始時，壓阻層12,129相接觸，壓阻層12,129總厚度為L1。其輸出電阻依據電阻定律計算，將L1帶入公式中，可以得到輸出電阻R1=ρL1/A1。開始時尚未接觸，其接觸面積A1為0，所以輸出電阻R1無窮大。

圖3先前技藝_受壓後的穩定狀態

圖中顯示圖1的壓力測試元件100受壓以後，壓阻層12,129總厚度變薄為L2。受壓以後接觸面積增大如區域P2所示。其輸出電阻依據電阻定律計算，將厚度L2以及接觸面積A2帶入公式中，可以得到輸出電阻R2=ρL2/A2。

圖4先前技藝_壓力測試

將習知的壓力測試元件100的三個不同區域P1,P2,P3施加不同壓力，測試繪製其電性特性如圖5所示。P1為中心測試點，P2是往元件周邊移動一小段距離的測試點，P3是再往元件周邊移動一小段距離的測試點。

圖5先前技藝_壓力-導電率特性

圖中顯示圖4的測試結果：三條線性特性由上到下分別為P1,P2,P3位置的「壓力-導電率」特性曲線。由P1到P3斜率觀察，可知斜率變化愈來愈小，即是測試靈敏度愈來愈低；換句話說，習知的壓力測試元件100，再不同位置測試會有不同的「壓力-導電率」特性曲線。在P1位置時最佳鑑別率較高、P2位置次佳鑑別率次高、P3位置最差鑑別率最差。這種不同區域有不同「壓力-導電率」特性曲線，導致於產品測試的不準確性，必須施壓在同一區域，才能夠得到比較正確的測試再現性。

換句話說，施加同樣的壓力於P1,P2,P3，元件系統會獲得不同的導電率，例如：施加20PSI在P1時測得導電率為6.5*10^-4 姆歐(Ω^-1 )；施加20PSI在P2時測得導電率為3.5*10^-4 姆歐(Ω^-1 )；施加20PSI在P3時測得導電率為2.8*10^-4 姆歐(Ω^-1 )。這對於壓力測試元件100並聯應用時，帶來很大的問題，如何設計修正電路以便得到線性輸出便是很大的問題。

圖6先前技藝_測試實例

圖中顯示以習知的壓力測試元件101,102,103安置在基材209上，並聯電路以後構成一個測重器。當一個物體Wt置於其上，測試重量時的狀況。當物體Wt的下表面比對於壓力測試元件101,102,103而言並非平面時，可以看出物體Wt下方三點分別壓在測試元件101,102,103的不同位置P1,P2,P3。

這種習知技藝，在受壓階段如圖3所示，隨著壓力增加，其壓阻層12,129的厚度L逐漸變薄、且壓阻層12,129的接觸面積A也逐漸增加。換句話說，習知技藝的壓力測試過程有厚度L與面積A兩個變數在變動。此元件在應用方面，必須考慮：(1)厚度L變化是否與受壓大小呈線性關係？以及(2)面積變化是否與受壓大小呈線性關係？尤其要考慮支撐體15的反壓所造成的影響導致其電性無法達到理想的線性特性。因此，兩個變數便會有兩個誤差的發生，以此元件所製作出來得產品便需要考慮做兩次修正─(1)厚度變化修正，以及(2)面積變化修正。

本案發明人首先構想：壓力測試元件若是能夠減少一個變數，則其應用產品便可以減少一次修正，或是不必修正，因此其測試數值的誤差便可以減小，而可以提高測得數值的穩定再現性。

同一個壓力測試元件的不同區域具有不同的「壓力─導電率」線性特性，壓力測試元件受壓區域若是可以保持一個固定的受壓形變區域，則可以得到穩定的「壓力─導電率」線性特性，測試時可以獲得較佳的測試數值再現性。

本技藝開發出一種受壓面積固定的壓力測試元件，其原理係在壓力測試元件表面中央區域設置一個「壓力導引凸塊」，「壓力導引凸塊」定義出下壓時，只有一個固定區域受壓形變；換句話說，無論下壓力量大小，其受壓形變的面積不變。因此，利用此一元件製作出來的產品，只需要考慮壓感層厚度變化的誤差，不需要考慮面積誤差，而可以提高元件的測試數值的再現性。此一受壓形變區域避開元件內部的週邊有支撐體的區域，可以減少支撐體反壓的影響，讓「壓力－導電率」之特性呈現單一的線性特性，在並聯電路時仍然可以展現高度線性特性，有利於並聯元件的產品實用化。

圖7是本技藝實施例一

顯示一種壓力導引凸塊21安置於如圖1所示的傳統的壓力測試元件100的上方，構成本技藝之「固定形變區域之壓力測試元件」200。壓力導引凸塊21安置的區域係排除下方有支撐體15的位置，以便下壓時可以免除支撐體15的反壓影響。圖8的剖面圖顯示壓力導引凸塊21安置在左右兩邊支撐體15的中央。

圖8是圖7下壓時的初始狀態

圖中顯示受壓初始，壓力導引凸塊21以固定區域A1下壓。下壓區域A1與支撐體15保持一個距離A2，以便減少支撐體15的反壓。開始時，上下兩層壓阻層總厚度為L3。

圖9是圖7下壓後的穩定狀態

圖中顯示下壓後的穩定狀態，以同樣的固定區域A1下壓，穩定以後，上下兩層壓阻層總厚度變為L4。圖示顯示在下壓過程中，只有固定區域A1為主要受壓形變區域。換句話說，便是本技藝的壓力測試元件200運作時，具有一個特性：壓阻公式R=ρL/A中的面積A固定不變。

圖10是圖7的產品外觀示意圖

圖中顯示一個「平板式」壓力導引凸塊21安置在壓力測試元件表面，構成本技藝的「固定形變區域」之壓力測試元件200。此一元件，當外部施加同一壓力在不同位置時，例如施壓在P4,P5,P6時，系統獲得的輸出的導電率皆相同(如圖12所示)。P4為元件中心點、P5為向右邊移動一段小距離的位置、以及P6為再向右邊移動一段小距離的位置，三個位置所輸出的導電率皆相同。

圖11是圖10的變化設計

顯示一個「弧狀凸起式」壓力導引凸塊21B安置在壓力測試元件表面，構成本技藝的「固定形變區域」之壓力測試元件300。其效果與圖10的元件200約略相同。

圖12是圖10的元件與圖11的元件的「壓力-導電率」特性圖

圖中顯示無論是圖10或是圖11的元件，施壓相同壓力在不同區域，都可以得到均一的「壓力-導電率」特性曲線。例如：在P4,P5,P6分別施加20PSI時，測得導電率均為6.0*10^-4 姆歐(Ω^-1 )。

圖13A是本技藝的壓力測試元件並聯示意圖

圖中顯示第一壓力測試元件301與第二壓力測試元件302，以並聯方式接線，構成一個測重裝置。

圖13B是圖13A的等校電路示意圖

圖中顯示第一壓力測試元件301等同於第一可變電阻R1、第二壓力測試元件302等同於第二可變電阻R2；當壓力測試元件301,302的生產製程穩定時，第一可變電阻R1與第二可變電阻R2的「壓力─導電率」關係為理想線性(如圖12所示)。壓力測試元件301,302並聯接線以後，總電阻R仍然可以得到理想的線性輸出，可以方便於壓力測試元件並聯接線之產品之設計應用。並聯電阻R為個別電阻R1,R2的倒數相加的倒數，換句話說：並聯電阻R與R1,R2的關係為：1/R=1/R1+1/R2。假設一物體Wt同時施壓於上面的壓力測試元件301與下面的壓力測試元件302，則該物體Wt的重量WG的計算為：

WG=F1+F2=α/R1+α/R2=α(1/R1+1/R2)=α/(R1∥R2)=α/R

當元件電壓為V伏特時，因為V=IR，所以R=V/I。以R=V/I帶入上式，可以得到：

重量WG=α*I/V

其中：WG物體重、F1為第一元件受壓壓力、F2為第二元件受壓壓力、α為...常數。

此一範例必須是R1,R2都為線性輸出，才能得到理想重量測試結果。使用本技藝之固定形變區域之壓力測試元件200或是300，便可以充分滿足這個需求。

圖14是本技藝測試實例

圖中顯示以本技藝的固定形變區域之壓力測試元件301,302,303安置在基材上，電路308安置在基材上以將壓力測試元件301,302,303電路並聯並且電性耦合至控制電路(圖中未表示)構成一個測重器。當一個物體Wt置於其上，測試重量時的狀況。當物體Wt的下表面比對於「固定形變區域」之壓力測試元件301,302,303而言並非平面時，可以看出物體Wt下方三點分別壓在測試元件301,302,303的不同位置P4,P5,P6。由於本技藝之「固定形變區域」之壓力測試元件301,302,303具有單一線性輸出(參考圖12)，所以本技藝可以得到理想的測試數值再現性。

圖15是本技藝實施例三

圖中顯示本技藝「固定形變區域」之壓力測試元件400上面的壓力導引凸塊21C的數量有兩個，只要這兩個壓力導引凸塊21C的設置位置適當避開元件邊緣的支撐體15的反壓區域，仍然可以得到與圖11所示的具有單一壓力導引凸塊21B之「固定形變區域」之壓力測試元件300相同的優點。

圖16是本技藝的應用範例一

圖中顯示一個硬質基材309B下方四個角落各安置一個「固定形變區域」之壓力測試元件300構成一個測重計30。這四個固定形變區域之壓力測試元件300以並連接線，經過計算電路(圖中未表示)計算之後，便可以顯示重量於顯示器31上。

圖17是本技藝的應用範例二

圖中顯示一個軟性基材40表面安置「固定形變區域」之壓力測試元件300，「固定形變區域」之壓力測試元件300以矩陣分布或是以其他形狀(如腳的形狀)之分佈，便可以構成一個秤重計。此一軟性基材秤重計，不始用時可以捲曲收藏。

圖18是本技藝的應用範例三

軟性上層堆疊TS、支撐體52、以及軟性下層堆疊BS，以三明治方式堆疊構成軟性壓阻帶狀單元。軟性上層堆疊TS依序包含上層基材、上層電極、以及上層壓阻材料層；軟性下層堆疊BS依序包含下層壓阻材料層、下層電極、以及下層基材。壓力導引凸塊51安置在軟性壓阻帶狀單元上表面，且安置的位置係位於下方沒有支撐體的地方。。

圖19是本技藝的圖18的爆炸圖

支撐體52安置在軟性上層堆疊TS與軟性下層堆疊BS之間，提供一個是先設定好的間隔。圖是顯示支撐體52係安置在上層壓阻材料層與下層壓阻材料層之間。

前述描述揭示了本技藝之較佳實施例以及設計圖式，惟，較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本技藝之權利範圍於此，凡是以均等之技藝手段實施本技藝者、或是以下述之「申請專利範圍」所涵蓋之權利範圍而實施者，均不脫離本技藝之精神而為申請人之權利範圍。

100,200,300,400．．．壓力測試元件

10,109,30,40．．．基板

11,119．．．金屬電極

12,129．．．壓阻層

13．．．電路系統

15,52．．．支撐體

16．．．空間

21,21B,21C,51．．．壓力導引凸塊

308．．．導線

31．．．顯示單元

TS．．．上層堆疊

BS．．．下層堆疊

圖1先前技藝_壓力測試元件

圖2先前技藝_受壓初始狀態

圖3先前技藝_受壓後的穩定狀態

圖4先前技藝_壓力測試

圖5先前技藝_壓力-導電率特性

圖6先前技藝_測試實例

圖7是本技藝實施例一

圖8是圖7下壓時的初始狀態

圖9是圖7下壓後的穩定狀態

圖10是圖7的產品外觀示意圖

圖11是圖10的變化設計

圖12是圖10的元件與圖11的元件的「壓力-導電率」特性圖

圖13A是本技藝的壓力測試元件並聯示意圖

圖13B是圖13A的等校電路示意圖

圖14是本技藝測試實例

圖15是本技藝實施例三

圖16是本技藝的應用範例一

圖17是本技藝的應用範例二

圖18是本技藝的應用範例三

圖19是本技藝的圖18的爆炸圖

200．．．壓力測試元件

10,109．．．基板

11,119．．．金屬電極

12,129．．．壓阻層

13．．．電路系統

15．．．支撐體

16．．．空間

21．．．壓力導引凸塊

Claims (16)

1. 一種壓力測試元件，包含：上層堆疊與下層堆疊；支撐體，將前述之上層堆疊與下層堆疊隔開一個空間；以及壓力導引凸塊，安置於前述之上層堆疊上表面中央區域，致使受壓以後，提供一個固定形變區域，避開前述之支撐體的反壓影響。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種壓力測試元件，其中所述之壓力導引凸塊，具有一個平面上表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種壓力測試元件，其中所述之壓力導引凸塊，具有一個弧面上表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種壓力測試元件，其中所述之壓力導引凸塊，具有一個凸面上表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種壓力測試元件，其中所述之上層堆疊依序包含：上基板、上層金屬電極、上層壓阻層；所述之下層堆疊依序包含：下層壓阻層、下層金屬電極、下基板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種壓力測試元件，其中所述之壓力導引凸塊的數目為一個。
7. 如申請專利範圍第1項所述之一種壓力測試元件，其中所述之壓力導引凸塊的數目為一個以上。
8. 如申請專利範圍第5項所述之一種壓力測試元件，其中所述之支撐體，係位於所述之上層金屬電極與所述之下層金屬電極之間。
9. 如申請專利範圍第5項所述之一種壓力測試元件，其中所述之支撐體，係位於所述之上層壓阻層與所述之下層壓阻層之間。
10. 一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，包含：基材；以及如申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件，安置於前述之基材表面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，其中所述之基材係指硬質基材。
12. 如申請專利範圍第10項所述之一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，其中所述之基材係指軟性基材。
13. 如申請專利範圍第11項所述之一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，其中所述之硬質基材係呈矩形；其中所述之壓力測試元件，係安置於前述之硬質基材的四個角落。
14. 如申請專利範圍第10項所述之一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，其中所述之壓力測試元件的數量為一個。
15. 如申請專利範圍第10項所述之一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，其中所述之壓力測試元件的數量為一個以上。
16. 如申請專利範圍第15項所述之一種包含有申請專利範圍第1項所述之壓力測試元件的秤重裝置，其中所述之一個以上的壓力測試元件係呈並聯接線。