TWI396835B - Piezoelectric tactile sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本發明係提供一種壓電式觸覺感測器及其製造方法,尤指一種可辨認多軸力的觸覺感測器及一種可製造該觸覺感測器的方法。
觸覺感測器的應用相當普遍,包含機器人、資訊電腦領域、工業生產自動化、生醫領域、無線生理監控及遊戲機之搖桿或手把等方面都可見觸覺感測器的利用。
習用觸覺感測器大部分係限於正向力的量測,對於可做側向力或多軸力感測的感測器研發不多。其中,在側向力的應用方面,美國專利第5,871,248號揭示一種機器人握爪,該握爪的表面設有一包含可撓曲薄膜的感測器,該可撓曲的薄膜包覆不可壓縮流體;當該握爪的表面接觸要舉起的物體時,介於握爪表面與物體之間的摩擦力會產生剪力而使薄膜扭曲變形,當變形量開始下降時,就可安全地夾取物體,因而操作上可無須事先瞭解所要抓取的物體重量。美國專利第4,745,812號揭示一種靈敏度高的小型觸覺感測器,其係利用微機電製程製作矽質結構,且以高分子保護該矽質結構,並利用壓阻式換能器感測器矽質結構的變形量,而反推其所受的外力大小與方向。此外,部分習用觸覺感測器係利用壓力計或超音波換能器來感測多軸力,或有的係採用壓阻式觸覺感測器構成。
由於,可辨認多軸力的觸覺感測器在應用上相當廣泛,而且有需要更
多不同之觸覺感測器的設計及技術來提供大眾作有利的選擇。因而,本發明人在悉心研究之後有本發明產生。緣此,本發明之主要目的在於提供一種壓電式觸覺感測器,該壓電式觸覺感測器不僅具有簡單的結構,而且可利用電壓訊號的差異來推導外力所造成的彎矩,進而得知外力作用的方向與大小以提供多軸力之感測使用,進而可應用於手機觸控用以辨認大小力量與方向,以及機器人之手部觸覺防滑感測器等方面。
依據本發明構成的壓電式觸覺感測器,係包含一壓電薄膜、一傳力構件及複數微電極;該壓電薄膜具有一上表面及一下表面,該傳力構件係為彈性柱體,且該傳力構件之一底端面結合於該壓電薄膜之上表面,而該複數微電極係分散地配置在該壓電薄膜之上表面與該傳力構件之底端面之間;當多軸作用力施於該傳力構件上時,該壓電薄膜會產生不均勻的應力分佈,並由該分散式微電極輸出對應的電壓訊號。
在一較佳實施例中,該壓電式觸覺感測器的壓電薄膜係由聚偏氟乙烯(PVDF)高分子材料構成,且該傳力構件係由矽橡膠材料構成。
在另一實施例中,該壓電式觸覺感測器係擴充為陣列型式而能用以感測物體的接觸狀態。
本發明並揭示一種利用半導體製程來製造壓電式觸覺感測器的方法,該包含:提供一壓電薄膜,該壓電薄膜具有一上表面及一下表面;在該壓電薄膜的上表面上形成一金屬層;對該金屬層蝕刻以形成分散式微電極在該壓電薄膜的上表面;及將一彈性柱體的一底端面結合在該壓電薄膜的上表面,且使該分散式微電極位在該彈性柱體之底端面與該壓電薄膜之上表面之間。
在一實施例中,對該金屬層蝕刻以形成分散式微電極在該壓電薄膜上表面的步驟之前,係進一步包含在該金屬層塗覆一光阻層及使用一遮罩以
圖案化該光阻層並顯影的步驟。
關於本發明之其他目的、優點及特徵,將可由以下較佳實施例的詳細說明並參照所附圖式來了解。
(1)‧‧‧壓電薄膜
(10)‧‧‧觸覺感測器
(11)‧‧‧上表面
(12)‧‧‧下表面
(2)‧‧‧傳力構件
(21)‧‧‧底端面
(22)‧‧‧頂端面
(3)‧‧‧微電極
(4)‧‧‧金屬層
(5)‧‧‧光阻層
(6)‧‧‧遮罩
(7)‧‧‧金屬薄膜
第一圖:係依據本發明一較佳實施例構成的壓電式觸覺感測器之立體示意圖。
第二圖:係第一圖之一剖面圖,並顯示該感測器受有正向力與剪力的示意圖。
第三a圖及第三b圖:係顯示第二圖之正向力與剪力作用於該感測器所造成的應力分佈型態。
第四及第五圖:係個別顯示對依據本發明一實施例構成的感測器施以1牛頓之水平剪力後,擷取其壓電薄膜之電壓與應力分佈的趨勢圖。
第六a圖至第六g圖:係顯示本發明製造該壓電式觸覺感測器之一較佳實施例的流程圖。
第七圖:係依據本發明另一較佳實施例構成的壓電式觸覺感測器之立體示意圖。
第八圖:係顯示本發明的壓電式觸覺感測器擴充為陣列型式之立體示意圖。
有關本發明的構造設計,將經由僅為例子但非用以限制的實施例並參照所附圖式作進一步說明。
第一及二圖顯示依據本發明一較佳實施例構成的壓電式觸覺感測器10,該壓電式觸覺感測器10包含一壓電薄膜1、一傳力構件2及複數微電極3;在本實施例中,該壓電薄膜1係由聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)高分子材料構成,具有質輕、壓電常數高、柔性好及機械強度高等
優點;又該壓電薄膜1具有一上表面11及一與該上表面11相對之下表面12,該下表面12可連接導線以利訊號讀取(未圖示)。在本實施例中,該傳力構件2係由矽橡膠材料構成之彈性柱體,其具有一底端面21及一頂端面22,該底端面21結合於該壓電薄膜1之上表面11;在本實施例中,該複數微電極3係分散地配置在該壓電薄膜1之上表面11與該傳力構件2之底端面21之間。
第三a圖與第三b圖中顯示該壓電式觸覺感測器10之傳力構件2之頂端面22受一多軸外力作用時的應力分佈型態;如第二圖之二維圖面所示,其中,正向力標示為P,水平剪力標示為Q;依據基本材料力學理論,正向力P與剪力Q所造成的應力型態,基本上可以分為兩種,若正向力P的力量較小,而剪力Q所造成的彎矩較大時,則應力分佈可能為第三a圖中狀況,亦即,柱體結構下區分拉應力區與壓應力區,但中性軸(neutral axis)因正向力的影響而偏離斷面中央。若正向力P增加,中性軸將外移至斷面外,亦即整個結構陷入壓應力區,而為第三b圖中的狀況。不過剪力Q所造成的彎矩效應仍使得左右兩端的壓應力大小不一,若將結構下左右兩端的應力值定義為σ L 與σ R ,則可解析出彎矩所造成的拉、壓應力大小為,而正向力所造成的均佈壓力為。當結構受多軸力作用時,不論正向力的大小均會於彈性柱體2結構底部產生左、右兩端應力值不相等的現象,而此應力傳遞至接合於彈性柱體2底部的壓電薄膜1時,將產生左、右兩端對應的不同的感應電壓(VR,VL)。
根據表示式V0=g 22 σ2 t可推導出感應電壓。其中,係假設該壓電薄膜1僅受厚度方向的力量,無任何摩擦力存在且平面方向(寬度與長度方向)為無限域;V0為壓電薄膜之開路輸出電壓(open-circuit output
voltage),g 22為壓電應力係數(piezoelectric stress coefficient),σ2為在壓電薄膜在厚度方向的應力,t為壓電薄膜的厚度。
由該表示式V0=g 22 σ2 t可得到當多軸力作用於結構時,左右兩端的感應電壓會有差異,以第三a圖之狀況為例,VR與VL將具有正、負號的差異,而第三b圖之狀況,因於彈性柱體結構底部均為壓應力,雖左右端之感應電壓無第三a圖狀況之正負號的差異,但左右端之感應電壓值仍有大小之差別,故以左右兩端的感應電壓可反推外力作用的方向與大小。因此,依據本發明構成之壓電式觸覺感測器10在實施上,當外力作用於該感測器之傳力構件2時,該壓電薄膜1將會產生不均勻的應力分佈,而該分散式微電極3係可讀取壓電薄膜1所產生的電訊號,並依照所解析的電訊號就可辨別多軸作用力的方向、大小。
參閱第四及五圖,顯示利用有限元素分析法(Finite Element Analysis)模擬本發明彈性柱體結構在受水平作用力時,彈性柱體結構底部之應力分佈與壓電薄膜之輸出電壓。在該模擬的感測器實施例中,壓電薄膜的元素形式為Piezoelectric以及元素形狀為(六面體Hex、20個節點),壓電薄膜的厚度為52μm,壓電薄膜底下設為固定端並設定為電氣接地,彈性柱體之高度為30mm,寬度為17 mm,並在彈性結構頂部施以1牛頓(N)之水平剪力。在第四圖中顯示擷取壓電薄膜表面一路徑的電壓變化,從該第四圖中可明顯看出電壓有正負之區別,其中,壓力區為正電壓,拉力區為負電壓;且在第五圖中顯示擷取壓電薄膜表面一路徑的應力分佈變化,由該應力狀態可以判斷出施予彈性柱體結構頂部的外力方向為由左向右,故可從壓電薄膜左右兩端輸出的感應電壓來解析出外力的方向與大小。
參閱第六a圖至第六g圖,本發明並揭示一種製造壓電式觸覺感測器的方法,該方法包含以下步驟:
a.提供一壓電薄膜1,該壓電薄膜1具有一上表面11及一下表面12(如第六a圖);b.在該壓電薄膜1的上表面11上形成一金屬層4(如第六b圖);在一實施例中,係可利用電子束蒸鍍機(E-beam Evaporator)將含鉻(cr)的合金或是混合物鍍在該上表面11以形成該金屬層4;c.在該金屬層4上塗覆一光阻層5及使用一遮罩6圖案化該光阻層5並顯影(如第六c圖);d.在對該金屬層4蝕刻,(如第六d圖),接著移除該光阻層5以形成分散式微電極3在該壓電薄膜1的上表面11(如第六e圖);e.在該壓電薄膜1的下表面12上形成一金屬薄膜7(如第六f圖);在一實施例中,可利用電子束蒸鍍機(E-beam Evaporator)將該金屬薄膜7鍍在該下表面12用以作為接地電極;f.將一彈性柱體2的底端面21結合在該壓電薄膜1的上表面11,且使該分散式微電極3位在該彈性柱體2的底端面21與該壓電薄膜1的上表面11之間(如第六g圖)。
依據本發明構成的壓電式觸覺感測器10,利用壓電材料與分散式電極來截取彈性結構體之應力分佈係屬首創設計;即當感測多軸力作用時,係以彈性結構作為傳力構件,並造成壓電薄膜產生不均勻應力區(可分為拉應力區與壓應力區),再以分散式電極輸出對應之電壓訊號(分別為正電壓與負電壓),而利用電壓訊號的差異即可反推外力所造成的彎矩,進而得知外力作用的方向與大小。
第七圖顯示依據本發明另一較佳實施例構成的壓電式觸覺感測器10;該觸覺感測器10的複數微電極3係概呈環狀地配置在該壓電薄膜1之上表面11與該傳力構件2之底端面21之間,當作用力施於該傳力構件2時,該環狀分布的微電極3係可輸出高解析度的電壓訊號以利解析出外力的方向與大小
。再者,該感測器10係可擴充為陣列型式用以感測物體的接觸狀態,如第八圖所示,排成陣列的複數傳力構件2結合於該壓電薄膜1之上表面11,且複數微電極3係概呈環狀地配置在各傳力構件2之底端面,有利解析滑動、運動、位置、接觸面積與形狀的力量方向角度)。此外,本發明在構造及製程上都簡單,也無需額外電源,故本發明已能達成預期的設計目的及使用效果。
再者,依據本發明構成的壓電式觸覺感測器10可應用之技術範圍包含:
1.機器人方面:可用於控制機器人動作(例如:抓取物體),亦可用於娛樂用機器寵物(如SONY的AIBOTM機器寵物狗)上作為人與機器寵物溝通的介面。
2.在資訊電腦領域方面:可結合顯示器用來作為觸控輸入的裝置,例如用於平板電腦(Tablet PC)、個人數位助理(Personal Digital Assistant;PDA)上的觸控面板、指紋辨識與虛擬實境(Virtual Reality)等用途。
3.工業生產自動化方面:可作為儀器設備校正與產品設計之檢測裝置,例如:利用壓電式觸覺感測器可測得輪胎紋路與地面接觸時的受力分佈情形,藉此可用來設計抓地力更好的輪胎。
4.生醫領域方面:當今熱門之智慧型皮膚(smart skin)就是軟性壓電式觸覺感測器典型的應用;並可用來協助醫生更精確地診斷乳房以及前列腺腫瘤等疾病。
5.無線生理監控方面:可能發展成腕帶式或是貼片式/可拋棄式的呼吸、心跳、脈搏的生理監測器。
前述是對本發明之構造作較佳實施例的說明,而依本發明的設計精神是可作多種變化或修改的實施例。是以,對於熟悉此項技藝人士可作之明
顯替換與修飾,仍將併入於本發明所主張的專利範圍之內。
(1)‧‧‧壓電薄膜
(10)‧‧‧觸覺感測器
(11)‧‧‧上表面
(12)‧‧‧下表面
(2)‧‧‧傳力構件
(21)‧‧‧底端面
(22)‧‧‧頂端面
(3)‧‧‧微電極
Claims (7)
- 一種壓電式觸覺感測器,包含:一壓電薄膜,該壓電薄膜具有一上表面及一下表面;一傳力構件,該傳力構件係為彈性柱體,且感測器受外力作用時該彈性柱體於係具有中性軸一彈性柱體內應力為零處一的均勻柱體,彈性柱體之一底端面結合於該壓電薄膜之上表面;複數微電極,其係分散地配置在該壓電薄膜之上表面與該彈性柱體之底端面之間;當作用力施於該傳力構件時,該壓電薄膜會產生不均勻的應力分佈,且該分散式微電極會輸出對應的電壓訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸覺感測器,其中,該壓電薄膜係由聚偏氟乙烯(PVDF)高分子材料構成,且該傳力構件係由矽橡膠材料構成,且該複數微電極係概呈環狀地配置在該壓電薄膜之上表面與該傳力構件之底端面之間。
- 如申請專利範圍第2項所述之壓電式觸覺感測器,其中,進一步包含複數傳力構件,該複數傳力構件與該傳力構件係排成陣列地設在該壓電薄膜之上表面,又各傳力構件係由矽橡膠材料構成,且該複數微電極係概呈環狀地配置在該壓電薄膜上表面與各傳力構件底端面之間。
- 一種壓電式觸覺感測器之製造方法,包括以下步驟:提供一壓電薄膜,該壓電薄膜具有一上表面及一下表面;在該壓電薄膜的上表面上形成一金屬層;對該金屬層蝕刻以形成分散式微電極在該壓電薄膜的上表面;將一彈性柱體的一底端面結合在該壓電薄膜的上表面,且使該分散式微電極位在該彈性柱體之底端面與該壓電薄膜之上表面之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電式觸覺感測器之製造方法,其中,對該金屬層蝕刻以形成分散式微電極在該壓電薄膜上表面的步驟之前,係進一步包含在該金屬層塗覆一光阻層及使用一遮罩以圖案化該光阻層並顯影的步驟。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電式觸覺感測器之製造方法,其中,在該壓電薄膜的上表面所形成的金屬層是含鉻(cr)的合金或是混合物。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電式觸覺感測器之製造方法,其中,對該金屬層蝕刻以形成分散式微電極在該壓電薄膜上表面的步驟之前或之後,係進一步包含在該壓電薄膜的下表面形成一金屬薄膜的步驟。
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Applications Claiming Priority (1)
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TW97139786A TWI396835B (zh) | 2008-10-16 | 2008-10-16 | Piezoelectric tactile sensor and its manufacturing method |
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ID=44830699
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TW97139786A TWI396835B (zh) | 2008-10-16 | 2008-10-16 | Piezoelectric tactile sensor and its manufacturing method |
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- 2008-10-16 TW TW97139786A patent/TWI396835B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4982611A (en) * | 1988-05-24 | 1991-01-08 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Multiple-degree-of-freedom sensor tip for a robotic gripper |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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1. 羅文濱,新型軟性壓電式觸覺感測器結構設計與製作,南台科技大學機械工程研究所,民國96年7月。 * |
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TW201017139A (en) | 2010-05-01 |
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