TWI420086B - 軟性電子壓力感測裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

軟性電子壓力感測裝置及其製造方法

本發明是有關於一種軟性電子壓力感測裝置及其製造方法，且特別是有關於一種可應用於大面積感測與低成本製作之軟性電子壓力感測裝置及其製造方法。

軟性電子泛指將功能性之感測材料製作於軟性或可彎曲基板上的技術與應用，目前有塑膠電子(Plastic electronics)、印刷電子(Printed Electronics)、有機電子(Organic Electronics)與聚合物電子(Polymer electronics)等新穎技術之探討，而這些技術已被應用於軟性感測器設計與製作，其優勢在此技術是採用印製製程及可適合於大面積感測和低成本製作。

一般壓力感測元件大多數為採用半導體或微機電製程方式製作而成，其製程的成本高、元件大多數屬於塊體剛性結構與不易折彎，故不適合於大面積軟性陣列壓力感測偵測。再者，現有軟性電子壓力感測器採用實心堆疊式方式製作而成，因此難於在動態感測模式使用，因為當軟性感測器受到彎曲時，容易因感測單元受到自身形變基板薄膜的擠壓而產生誤作動感測訊號外，元件結構的可靠度亦不佳。故現今軟性壓力感測裝置大多僅可在準靜態的環境下操作，而難以用於動態模式下操作。

美國專利編號US6032542提出一種軟性電子壓力感 測裝置，主要是於上、下兩片軟性薄膜上分別製作行與列的感測電極走線，再將電阻感測材料印製於行與列的電極走線上，然後使兩片軟性薄膜上面的行和列，以正交的交錯方式相對應組裝一起，交錯點即為電阻材料受力時感測區塊，故感測區受到膜自身形變的受力擠壓，易產生感測誤作動訊號。

再者，美國專利編號US7258026提出一種以螺旋狀結構(spiral-like)組合而成的軟性陣列感測元件，即於上、下軟性薄膜設計螺旋狀結構後，再經組合成為感測裝置，然而於實際應用時，此螺旋狀彈簧外面仍然需要封裝一層保護薄膜，故經過保護膜封裝後的螺旋狀彈簧機構，即損失個體元素的自由度與彈性效果，而又造成元素與元素之間有較高的相互耦合作用。雖然採用彈簧式軟性感測元素，增加感測時靈敏度，然而，其並不適合於軟性陣列感測裝置同時有形變與有外力觸碰之情況下使用，因基板上的薄膜感測單元無法有效辨識是基板自身形變或外力接觸作用，而造成感測單元的感測。

現今於靜態與動態之大面積壓力感測裝置，較為成熟之應用實例為武術護具與電子寵物，傳統護具的主要目的是避免運動員受傷與減輕打擊過程中所造成的嚴重衝擊，特別是運動員間有肢體劇烈接觸的運動項目。因此，為了提高運動競賽之裁判的正確性，現今已有護具結合電子壓力感測裝置於競賽過程中同時感測所受壓力。現有較為成熟之電子護具是以慣性質量搭配電感之感應方式，進行動 態模式之感測，如美國專利編號US7012187。

然而，於感測過程中其手或腳護具需搭配特殊感測裝置，使之與身體或頭護具達成感測功能，因此會造成穿載上不便，且易受到外在之干擾。至於常見電子寵物的感知裝置，多數整合單一或數個壓力感測單元於電子寵物表面內，此方式顯然既無效益亦不經濟，再者整合形式通常難有較高的空間解析度。

鑑於多數電子壓力感測裝置僅合適於准靜態模式下之感測，本創作提出一具可應用於大面積靜動態用之軟性電子壓力感測裝置，此裝置是以軟性基板為主體，且配合聚合物材料及簡易印製的製程技術，實現大面積感測與低成本製作的軟性電子感測器裝置，以克服現有壓力感測單元需大面積感測元件之高單價問題，及提供一具可應用於靜動態使用的感測裝置。

本發明提供一種軟性電子壓力感測裝置，在動態感測過程中可盡可能地降低感測器因自身之形變而產生誤感測訊號的機率。

本發明更提供一種軟性電子壓力感測裝置之製造方法，其具有低技術需求及低成本的特性。

本發明提出一種軟性電子壓力感測裝置，其包括一第一軟性薄膜、一第二軟性薄膜、多個第一電極、多個第二電極、多個第一感測塊、一第三軟性薄膜及多個第一凸塊。 第二軟性薄膜有間隔地設置在第一軟性薄膜的下方，並與第一軟性薄膜構成一第一空間。這些第一電極陣列地配置在第一軟性薄膜上，且位於第一軟性薄膜及第二軟性薄膜之間。這些第二電極陣列地配置在第二軟性薄膜上，且位於第一軟性薄膜及第二軟性薄膜之間。這些第一感測塊分別配置在這些第一電極上，並分別與對應的第二電極相隔離。第三軟性薄膜有間隔地設置在第一軟性薄膜的上方，並較第一軟性薄膜遠離第二軟性薄膜，且與第一軟性薄膜構成一第二空間，其中第一空間內與第二空間內的空氣維持第一軟性薄膜相對於第二軟性薄膜的距離。這些第一凸塊分別對應於這些第一感測塊而配置在第一軟性薄膜上，且位於第一軟性薄膜及第三軟性薄膜之間。

基於上述，本發明利用填充於軟性電子壓力感測裝置中的空氣維持其薄膜的相對距離。當軟性電子壓力感測裝置自身產生形變時，可防止配置於不同薄膜上的感測塊與電極或兩感測塊相互接觸，而凸塊可使其所配置的薄膜在受到外力的作用下，藉由應力集中的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。此外，本發明藉由簡易的印製與點膠技術，使軟性電子壓力感測裝置的製造方法具有低技術需求及低成本的特性。

為讓本發明之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為本發明一實施例之軟性電子壓力感測裝置的剖面示意圖，圖1B為圖1A之軟性電子壓力感測裝置的立體圖，圖1C為圖1A之軟性電子壓力感測裝置的立體分解圖。請同時參考圖1A、圖1B及圖1C，本實施例之軟性電子壓力感測裝置100包括一第一軟性薄膜110、一第二軟性薄膜120、多個第一電極130、多個第二電極140、多個第一感測塊150、一第三軟性薄膜160及多個第一凸塊B1。

第二軟性薄膜120有間隔地設置在第一軟性薄膜110的下方，並與第一軟性薄膜110構成一第一空間S1。這些第一電極130陣列地配置在第一軟性薄膜110上，且位於第一軟性薄膜110及第二軟性薄膜120之間。這些第二電極140陣列地配置在第二軟性薄膜120上，且位於第一軟性薄膜110及第二軟性薄膜120之間。這些第一感測塊150分別配置在這些第一電極130上，並分別與對應的第二電極140相隔離。

第三軟性薄膜160有間隔地設置在第一軟性薄膜110的上方，並較第一軟性薄膜110遠離第二軟性薄膜120，且與第一軟性薄膜110構成一第二空間S2，其中第一空間S1內與第二空間S2內的空氣維持第一軟性薄膜110相對於第二軟性薄膜120的距離。這些第一凸塊B1分別對應於這些第一感測塊150而配置在第一軟性薄膜110上，且位於第一軟性薄膜110及第三軟性薄膜160之間。

當外力作用於軟性電子壓力感測裝置100時，配置於 這些第一電極130上的這些第一感測塊150與配置於第二軟性薄膜的這些第二電極140因受到壓迫而相互接觸，並因此產生感測訊號以達到感測壓力之目的。值得注意的是，第一空間S1內的空氣可維持這些第一感測塊150與這些第二電極140的相對距離。因此，當軟性電子壓力感測裝置100自身產生形變時，可盡可能地防止這些第一感測塊150與這些第二電極140相互接觸而產生誤感測訊號。

另外，配置於第一軟性薄膜110的這些凸塊B1可使第一軟性薄膜110在受到外力的作用下，藉由應力集中的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。在本實施例中，各第一感測塊150的材質例如是一電阻材料、一壓阻材料、一壓電材料、一電感材料、一電磁材料或一熱電材料，用以感測壓力並對應產生感測訊號。

在本實施例中，軟性電子壓力感測裝置100更包括多個牆狀物W、多條第一電極線130a及多條第二電極線140a。這些牆狀物W配置於第一軟性薄膜110與第二軟性薄膜120之間，且位於這些第一感測塊150的兩相鄰者之間，並將第一空間S1分隔成多個相互連通的子空間X。再者，第一空間S1及第二空間S2透過設置在第一軟性薄膜110的一第一通氣孔H1相互連通而組成一密閉空間，且其內部氣壓大於1大氣壓。這些第一電極130透過連接於其上的這些第一電極線130a而電性連接，且這些第二電極140透過連接於其上的這些第二電極線140a而電性連接。

在另一實施例中，第二軟性薄膜120及第三軟性薄膜 160所組成的一外層結構具有一氣閥V。透過氣閥V可充填空氣於第一空間S1及第二空間S2所組成的一密閉空間內，以維持軟性電子壓力感測裝置100內各元件間的相對距離。氣閥V例如是單向或雙向氣閥。

在另一未繪示之實施例中，子空間X亦可為多個互不連通的密閉空間。在又一未繪示之實施例中，第一空間S1及第二空間S2分別為一密閉空間，且其內部氣壓皆大於1大氣壓。值得注意的是，若軟性電子壓力感測裝置100具有多個互不連通的密閉空間，則其具有相對應的多個氣閥V，以充填空氣於各密閉空間內。

為了更詳盡地說明本實施例之軟性電子壓力感測裝置100之結構，以下將搭配圖2A至圖2C及圖3A至圖3D來說明本實施例之軟性電子壓力感測裝置100之製造流程。

圖2A至圖2C及圖3A至圖3D為圖1A之軟性電子壓力感測裝置的製造流程剖面示意圖。首先，請參考圖2A，提供一第一軟性薄膜110，並在第一軟性薄膜110上以平板印刷的曝光顯影技術蝕刻出多個第一電極130、多條連接於各第一電極130的第一電極線130a(繪示於圖1C)及一第一通氣孔H1。

接著，請參考圖2B，以印製或點膠方式將多個膠狀之第一感測塊150分別製作於各第一電極130上。然後，請參考圖2C，待第一電極130固化後再以印製或點膠方式，在第一軟性薄膜110上形成多個分別對應各第一電極 130且與各第一電極130位於第一軟性薄膜110不同側的第一凸塊B1。

請參考圖3A，提供一第二軟性薄膜120，並在第二軟性薄膜120上以平板印刷的曝光顯影技術蝕刻出多個第二電極140及多條連接於各第二電極140的第一電極線140a(繪示於圖1C)。

接著，請參考圖3B，提供多個牆狀物W，並以薄片貼合製程或印製製程技術將這些牆狀物W固定於第二軟性薄膜120上。然後，請參考圖3C，以網印或印製方式將多個膠材A印製在這些牆狀物W上方。

接著，請參考圖3D，將圖3C繪示之結構透過這些膠材A組裝至圖2C繪示之結構，而使第一軟性薄膜110與第二軟性薄膜120定義出一第一空間S1，且這些第一電極130、這些第二電極140及這些第一感測塊150皆位於第一空間S1內，其中這些牆狀物W在第一空間S1內定義出多個子空間X。

最後，提供一第三軟性薄膜160。在第三軟性薄膜160上形成一氣閥V，並將第三軟性薄膜160組裝至第一軟性薄膜110而定義出一第二空間S2，以使這些第一凸塊B1位於第二空間S2內。

圖4為本發明另一實施例之軟性電子壓力感測裝置的剖面示意圖。請參考圖4，相較於圖1之實施例的軟性電子壓力感測裝置100，本實施例之軟性電子壓力感測裝置100’更包括多個分別配置在第二電極140上的第二感測塊 170。第二感測塊170分別與對應的第一感測塊150相隔離。各第二感測塊170的材質例如是一電阻材料、一壓阻材料、一壓電材料、一電感材料、一電磁材料或一熱電材料，用以感測壓力並對應產生感測訊號。

相較於圖1之實施例的軟性電子壓力感測裝置100，軟性電子壓力感測裝置100’更包括一第四軟性薄膜180及多個第二凸塊B2。第四軟性薄膜180有間隔地設置在第二軟性薄膜120的下方，並與第二軟性薄膜120構成一第三空間S3。其中第一空間S1內與第三空間S3內的空氣維持第二軟性薄膜120相對於第一軟性薄膜110的距離。這些第二凸塊B2分別對應於這些第一感測塊150而配置在第二軟性薄膜120上，且位於第二軟性薄膜120及第四軟性薄膜180之間。

第一空間S1、第二空間S2及第三空間S3透過分別設置於第一軟性薄膜110及第二軟性薄膜120的一第一通氣孔H1及一第二通氣孔H2相互連通而組成一密閉空間，且其內部氣壓大於1大氣壓。此外，第一軟性薄膜110例如具有多數個用以相互連通第一空間S1與第二空間S2的穿孔(未繪示)，以使第一空間S1與第二空間S2內的氣壓更具平衡性。

第三軟性薄膜160及第四軟性薄膜180所組成的一外層結構具有一氣閥V。透過氣閥V可充填空氣於第一空間S1、第二空間S2及第三空間S3所組成的一密閉空間內，以維持軟性電子壓力感測裝置100’內各元件間的相對距 離。氣閥V例如是單向或雙向氣閥。

圖5為本發明又一實施例之軟性電子壓力感測裝置的部分結構俯視示意圖。請參考圖5，相較於上述實施例的軟性電子壓力感測裝置100或軟性電子壓力感測裝置100’，本實施例的第一軟性薄膜110包括多個中央部分112、一框緣部分114及多個分別位於這些中央部分112與框緣部分114之間的彈性部分116，而這些第一電極130與這些第一凸塊B1皆分別位在這些中央部分112上。

透過上述結構，第一軟性薄膜110在受到外力的作用下，可藉由彈性變形的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。此外，這些彈性部分116例如是長條狀或彈簧狀。

在另一未繪示之實施例中，第一空間S1、第二空間S2及第三空間S3分別為一密閉空間，且其內部氣壓皆大於1大氣壓。值得注意的是，若軟性電子壓力感測裝置100’具有多個互不連通的密閉空間，則其具有相對應的多個氣閥V以充填空氣於各密閉空間內。

綜上所述，本發明之軟性電子壓力感測裝置藉由其密閉空間內的空氣維持其各薄膜的相對距離，當軟性電子壓力感測裝置自身產生形變時，可盡可能地防止其配置於不同薄膜上的感測塊與電極或兩感測塊相互接觸而產生誤感測訊號，而凸塊可使其所配置的薄膜在受到外力的作用下，藉由應力集中的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。此外，本發明藉由簡易的製程技術，使軟性 電子壓力感測裝置的製造方法具有低技術需求及低成本的特性。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100、100’‧‧‧軟性電子壓力感測裝置

110‧‧‧第一軟性薄膜

112‧‧‧中央部分

114‧‧‧框緣部分

116‧‧‧彈性部分

120‧‧‧第二軟性薄膜

130‧‧‧第一電極

130a‧‧‧第一電極線

140‧‧‧第二電極

140a‧‧‧第二電極線

150‧‧‧第一感測塊

160‧‧‧第三軟性薄膜

170‧‧‧第二感測塊

180‧‧‧第四軟性薄膜

A‧‧‧膠材

B1‧‧‧第一凸塊

B2‧‧‧第二凸塊

H1‧‧‧第一通氣孔

H2‧‧‧第二通氣孔

S1‧‧‧第一空間

S2‧‧‧第二空間

S3‧‧‧第三空間

V‧‧‧氣閥

W‧‧‧牆狀物

X‧‧‧子空間

圖1A為本發明一實施例之軟性電子壓力感測裝置的剖面示意圖。

圖1B為圖1A之軟性電子壓力感測裝置的立體圖。

圖1C為圖1A之軟性電子壓力感測裝置的立體分解圖。

圖2A至圖2C及圖3A至圖3D為圖1A之軟性電子壓力感測裝置的製造流程剖面示意圖。

圖4為本發明另一實施例之軟性電子壓力感測裝置的剖面示意圖。

圖5為本發明又一實施例之軟性電子壓力感測裝置的部分結構俯視示意圖。

100‧‧‧軟性電子壓力感測裝置

110‧‧‧第一軟性薄膜

120‧‧‧第二軟性薄膜

130‧‧‧第一電極

140‧‧‧第二電極

150‧‧‧第一感測塊

160‧‧‧第三軟性薄膜

B1‧‧‧第一凸塊

S1‧‧‧第一空間

S2‧‧‧第二空間

V‧‧‧氣閥

W‧‧‧牆狀物

Claims (23)

1. 一種軟性電子壓力感測裝置，包括：一第一軟性薄膜；一第二軟性薄膜，有間隔地設置在該第一軟性薄膜的下方，並與該第一軟性薄膜構成一第一空間；多個第一電極，陣列地配置在該第一軟性薄膜上，且位於該第一軟性薄膜及該第二軟性薄膜之間；多個第二電極，陣列地配置在該第二軟性薄膜上，且位於該第一軟性薄膜及該第二軟性薄膜之間；多個第一感測塊，分別配置在該些第一電極上，並分別與該對應的第二電極相隔離；一第三軟性薄膜，有間隔地設置在該第一軟性薄膜的上方，並較該第一軟性薄膜遠離該第二軟性薄膜，且與該第一軟性薄膜構成一第二空間，其中該第一空間內與該第二空間內的空氣維持該第一軟性薄膜相對於該第二軟性薄膜的距離；以及多個第一凸塊，分別對應於該些第一感測塊而配置在該第一軟性薄膜上，且位於該第一軟性薄膜及該第三軟性薄膜之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一感測塊的材質為一電阻材料、一壓阻材料、一壓電材料、一電感材料、一電磁材料或一熱電材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，更包括： 一第二感測塊，分別配置在該些第二電極上，並分別與該對應的第一感測塊相隔離。
4. 如申請專利範圍第3項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第二感測塊的材質為一電阻材料、一壓阻材料、一壓電材料、一電感材料、一電磁材料或一熱電材料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，更包括：一牆狀物，配置於該第一軟性薄膜與該第二軟性薄膜之間，且位於該些第一感測塊的兩相鄰者之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該牆狀物將該第一空間分隔成多個子空間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該些子空間為多個密閉空間。
8. 如申請專利範圍第6項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該些子空間相互連通。
9. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一空間與該第二空間相互連通。
10. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第二軟性薄膜及該第三軟性薄膜所組成的一外層結構具包含一單向氣閥或一雙向氣閥。
11. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一空間為一密閉空間，其內部氣壓大於1大氣壓。
12. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第二空間為一密閉空間，其內部氣壓大於1 大氣壓。
13. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一空間及該第二空間組成一密閉空間，其內部氣壓大於1大氣壓。
14. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，更包括：一第四軟性薄膜，有間隔地設置在該第二軟性薄膜的下方，並與該第二軟性薄膜構成一第三空間，其中該第一空間內與該第三空間內的空氣維持該第二軟性薄膜相對於該第一軟性薄膜的距離；以及多個第二凸塊，分別對應於該些第一感測塊而配置在該第二軟性薄膜上，且位於該第二軟性薄膜及該第四軟性薄膜之間。
15. 如申請專利範圍第14項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一空間與該第三空間相互連通。
16. 如申請專利範圍第14項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第三軟性薄膜及該第四軟性薄膜所組成的一外層結構包含一單向氣閥或一雙向氣閥。
17. 如申請專利範圍第14項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第三空間為一密閉空間，其內部氣壓大於1大氣壓。
18. 如申請專利範圍第14項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一空間、該第二空間及該第三空間組成一密閉空間，其內部氣壓大於1大氣壓。
19. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測 裝置，其中該第一軟性薄膜具有至少一個穿孔，用以相互連通該第一空間與該第二空間。
20. 如申請專利範圍第1項所述之軟性電子壓力感測裝置，其中該第一軟性薄膜形成一框緣部分、多個中央部分及多個分別位於該些中央部分與該框緣部分之間的彈性部分，而該些第一電極分別位在該些中央部分上。
21. 一種軟性電子壓力感測裝置之製作方法，包括：形成多個第一電極、多個第一感測塊及多個第一凸塊在一第一軟性薄膜上，其中該些第一電極在該第一軟性薄膜的一側，該些第一感測塊分別位在該些第一電極上，而該些第一凸塊分別對應於該些第一感測塊而位在該第一軟性薄膜的另一側上；形成多個第二電極及多個牆狀物在一第二軟性薄膜上；結合該些牆狀物至該第一軟性薄膜，以使該第一軟性薄膜與該第二軟性薄膜定義出一第一空間，且該些第一電極、該些第二電極及該些第一感測塊皆位於該第一空間內；將第三軟性薄膜組裝至該第一軟性薄膜，以使該第一軟性薄膜與該第三軟性薄膜定義出一第二空間，且該些第一凸塊位於該第二空間內。
22. 如申請專利範圍第21項所述之軟性電子壓力感測裝置之製作方法，其中該第三軟性薄膜包含一氣閥。
23. 如申請專利範圍第21項所述之軟性電子壓力感測裝置之製作方法，其中結合該些牆狀物至該第一軟性薄膜是藉由塗佈在該些牆狀物上的膠材。