TWI444604B - 軟性壓電式觸覺感測器 - Google Patents

Description

軟性壓電式觸覺感測器

　　本發明係有關於一種觸覺感測器，特別係有關於一種軟性壓電式觸覺感測器。其技術應用範圍，在機器人方面：觸覺感測器是控制機器人動作（例如：抓取物體）與運動時不可或缺的感測器，亦可用於娛樂用機器寵物（如ＳＯＮＹ的ＡＩＢＯ^TM 機器寵物狗）上作為人與機器寵物溝通的介面。

　　在資訊電腦領域方面：觸覺感測器結合顯示器可用來作為觸控輸入的裝置，目前已廣泛地用於平板電腦（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。

　　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。

　　生醫領域方面：當今熱門之智慧型皮膚（ｓｍａｒｔ　ｓｋｉｎ）就是軟性觸覺感測器典型的應用。而哈佛大學的Ｒ．　Ｈｏｗｅ教授的研究團隊亦發展出可以替代醫生觸診（ｐａｌｐａｔｉｏｎ）的觸覺感測器，可以用來協助醫生用來更精確地診斷乳房以及前列腺腫瘤等疾病。

　　無線生理監控方面：未來亦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，軟性觸覺感測器的應用相當廣泛亦極具產品化的潛力，故非常值得投入進行研發。

　　習知壓電式觸覺感測器大都採用具雙面銀電極層之聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）壓電薄膜，且其結構上必須對銀電極層進行圖案化以形成結構化電極，然而，由於具雙面銀電極層之聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）壓電薄膜之價格係相當昂貴，因此，若使用具雙面銀電極層之聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）壓電薄膜將導致感測器製作成本大幅增加，此外，習知銀電極層之圖案化亦非傳統印刷電路板製程可以達成，其所使用之製程設備係相當昂貴。除此之外傳統觸覺感測器多限於正向力的量測，而側向力或是多軸力的感測則較少相關的研究，以下針對多軸力、側向力、滑動等的觸覺感測器進行前案分析。如臺灣發明第Ｉ２８３２９５號傳統的碰觸感測器，如果要測出細微的應力，其對外部施加的應力的敏度仍有不足的問題。因此，本專利於該下基板、該壓電材料層與該上基板之至少其一做為一增壓作用層。讓增壓作用層與該下電極層或該上電極層之間設置有室少一個凸狀結構，以減少受力面積，而增加應施加在該壓電材料層的一外部應力。當施以該外部應力於該上電極層時，藉由該壓電材料層感應出個別的一感應信號。ＵＳ５８７１２４８：此專利主要目的在於機器人無須事先瞭解所抓取的物體重量，即可利用此裝置辨認施加的夾取力量不致產生滑動的現象，此裝置利用可撓曲的薄膜包覆不可壓縮流體，所組成如左圖所示，藉由摩擦力來舉起物體，若抓取物體時產變形量產生最大值而開始下降時，將是辨認可以安全夾取的時候，變形量乃式利用電容式的剪力感測器感測。ＵＳＲＥ３７０６５Ｅ：感測器於軟性物質表面類似一個半球狀之圓盾，並於底部埋入壓電式的超音波換能器（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ），此換能器可發出超音波訊號，經由半球狀之圓盾反射回壓電薄膜得到訊號，進而判別此半球狀元盾受力後之變形量，來推算出此時表面所受的多軸力。ＵＳ４７４５８１２：一個靈敏度高的小型觸覺感測器，利用微機電製程製作矽質結構，並以高分子保護其矽質結構，並利用壓阻式換能器感測器矽質結構的變形量，反推其所受的外力大小與方向。因此，如何從結構、材料及製程角度降低壓電式觸覺感測器之製作成本及能兼具感測多軸力、側向力係目前相當重要的課題。

　　本發明之主要目的係在於提供一種軟性壓電式觸覺感測器，該軟性壓電式觸覺感測器係包含一壓電薄膜、一第一軟性基板、一第二軟性基板以及至少一彈性體，該壓電薄膜係具有一上表面及一下表面，該第一軟性基板係設置於該壓電薄膜之該上表面，且該第一軟性基板係具有一朝向該上表面之第一表面、一相對於該第一表面之第二表面及複數個形成於該第一表面之第一電極，該些第一電極係電性連接該壓電薄膜，該第二軟性基板係設置於該壓電薄膜之該下表面，且該第二軟性基板係具有一朝向該下表面之第三表面及複數個形成於該第三表面之第二電極，該些第二電極係電性連接該壓電薄膜，該彈性體係設置於該第一軟性基板之該第二表面，且對應該第一軟性基板之該些第一電極，本發明之該軟性壓電式觸覺感測器係無須使用具雙面銀電極層之聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）壓電薄膜，因此，其感測器材料成本可大幅降低，此外，本發明之該第一軟性基板及該第二軟性基板係可以傳統印刷電路板製程分別製作該些第一電極及該些第二電極，因此，其功效上亦可大幅降低感測器製作成本。

　　請參閱第１圖，其係本發明之一較佳實施例，一種軟性壓電式觸覺感測器係包含一壓電薄膜１０、一第一軟性基板２０、一第二軟性基板３０、一第一接合層４０、一第二接合層５０以及至少一彈性體６０，在本實施例中，該壓電薄膜１０係為聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）薄膜，且該壓電薄膜１０係具有一上表面１０ａ及一下表面１０ｂ，該第一軟性基板２０係設置於該壓電薄膜１０之該上表面１０ａ，在本實施例中，該第一軟性基板２０係採用銅箔／聚醯亞胺基板（Ｃｕ／Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），且該第一軟性基板２０係具有一朝向該上表面１０ａ之第一表面２０ａ、一相對於該第一表面２０ａ之第二表面２０ｂ及複數個形成於該第一表面２０ａ之第一電極２１，該些第一電極２１係電性連接該壓電薄膜１０，在本實施例中，該些第一電極２１係經由圖案化基板表面銅箔所形成，且該些第一電極２１之間係具有一間距Ｄ，又，請再參閱第１圖，該第二軟性基板３０係設置於該壓電薄膜１０之該下表面１０ｂ，在本實施例中，該第二軟性基板３０亦採用銅箔／聚醯亞胺基板（Ｃｕ／Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），且該第二軟性基板３０係具有一朝向該下表面１０ｂ之第三表面３０ａ及複數個形成於該第三表面３０ａ之第二電極３１，該些第二電極３１係電性連接該壓電薄膜１０，在本實施例中，該些第二電極３１亦經由圖案化基板表面銅箔所形成。

　　請再參閱第１圖，該第一接合層４０係設置於該第一軟性基板２０與該壓電薄膜１０之間，用以接合該第一軟性基板２０與該壓電薄膜１０，而該第二接合層５０係設置於該第二軟性基板３０與該壓電薄膜１０之間，用以接合該第二軟性基板３０與該壓電薄膜１０，在本實施例中，該第一接合層４０及該第二接合層５０係為異方性導電膠膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｆｉｌｍ，　ＡＣＦ），因此，該第一接合層４０係可電性連接該些第一電極２１與該壓電薄膜１０，而該第二接合層５０係可電性連接該些第二電極３１與該壓電薄膜１０。

　　請再參閱第１圖，該彈性體６０係設置於該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ，且對應該第一軟性基板２０之該些第一電極２１，在本實施例中，該彈性體６０係作為傳力元件，且該彈性體６０係呈柱狀，較佳地，該彈性體６０之材質係為矽橡膠（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ　Ｒｕｂｂｅｒ），此外，該彈性體６０係具有一寬度Ｗ，在本實施例中，該彈性體６０之該寬度Ｗ係大於該些第一電極２１之間的該間距Ｄ，以使感測器對作用於該彈性體６０之多軸力有較佳之響應。此外，為了將該彈性體６０定位於該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ，在本實施例中，係可設置至少一黏著層７０於該彈性體６０與該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ之間，藉由該黏著層７０係可將該彈性體６０穩固地接合於該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ，在本實施例中，該黏著層７０係採用壓克力膠。另外，請參閱第２圖，為了增加該軟性壓電式觸覺感測器之可靠度，在本實施例中，係另利用一封膠體８０包覆該壓電薄膜１０、該第一軟性基板２０、該第二軟性基板３０及該彈性體６０，以提高該軟性壓電式觸覺感測器之長期可靠度，在本實施例中，該封膠體８０係為彈性材料，較佳地，該封膠體８０係為聚二甲基矽氧烷（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｓｉｌｏｘａｎｅ，　ＰＤＭＳ）。

　　關於本發明之該軟性壓電式觸覺感測器之製作方法，請參閱第３Ａ至３Ｅ圖所示。首先，請參閱第３Ａ圖，提供一壓電薄膜１０，在本實施例中，該壓電薄膜１０係為聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）薄膜，且該壓電薄膜１０係具有一上表面１０ａ及一下表面１０ｂ；接著，請參閱第３Ｂ圖，設置一第一軟性基板２０於該壓電薄膜１０之該上表面１０ａ，在本實施例中，該第一軟性基板２０係採用銅箔／聚醯亞胺基板（Ｃｕ／Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），且該第一軟性基板２０係具有一朝向該上表面１０ａ之第一表面２０ａ、一相對於該第一表面２０ａ之第二表面２０ｂ及複數個形成於該第一表面２０ａ之第一電極２１，該些第一電極２１係電性連接該壓電薄膜１０，在本實施例中，該些第一電極２１係經由傳統印刷電路板製程圖案化基板表面銅箔所形成，且該些第一電極２１之間係具有一間距Ｄ，此外，在本實施例中，其另包含設置一第一接合層４０於該第一軟性基板２０與該壓電薄膜１０之間，用以接合該第一軟性基板２０與該壓電薄膜１０，較佳地，該第一接合層４０係為異方性導電膠膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｆｉｌｍ，　ＡＣＦ），因此，該第一接合層４０係可電性連接該些第一電極２１與該壓電薄膜１０；之後，請參閱第３Ｃ圖，設置一第二軟性基板３０於該壓電薄膜１０之該下表面１０ｂ，在本實施例中，該第二軟性基板３０亦採用銅箔／聚醯亞胺基板（Ｃｕ／Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），且該第二軟性基板３０係具有一朝向該下表面１０ｂ之第三表面３０ａ及複數個形成於該第三表面３０ａ之第二電極３１，該些第二電極３１係電性連接該壓電薄膜１０，在本實施例中，該些第二電極３１亦經由傳統印刷電路板製程圖案化基板表面銅箔所形成，此外，在本實施例中，其另包含設置一第二接合層５０於該第二軟性基板３０與該壓電薄膜１０之間，用以接合該第二軟性基板３０與該壓電薄膜１０，較佳地，該第二接合層５０係為異方性導電膠膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｆｉｌｍ，　ＡＣＦ），因此，該第二接合層５０係可電性連接該些第二電極３１與該壓電薄膜１０；最後，請參閱第３Ｄ圖，設置一彈性體６０於該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ，且該彈性體６０係對應該第一軟性基板２０之該些第一電極２１，在本實施例中，該彈性體６０係作為傳力元件，且該彈性體６０係呈柱狀，較佳地，該彈性體６０之材質係為矽橡膠（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ　Ｒｕｂｂｅｒ），此外，該彈性體６０係具有一寬度Ｗ，在本實施例中，該彈性體６０之該寬度Ｗ係大於該些第一電極２１之間的該間距Ｄ，以使感測器對作用於該彈性體６０之多軸力有較佳之響應。此外，為了將該彈性體６０定位於該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ，在本實施例中，係另包含設置至少一黏著層７０於該彈性體６０與該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ之間，藉由該黏著層７０係可將該彈性體６０穩固地接合於該第一軟性基板２０之該第二表面２０ｂ，在本實施例中，該黏著層７０係採用壓克力膠。

　　又，請參閱第３Ｅ圖，為了增加該軟性壓電式觸覺感測器之可靠度，在本實施例中，係另包含以一封膠體８０包覆該壓電薄膜１０、該第一軟性基板２０、該第二軟性基板３０及該彈性體６０，以提高該軟性壓電式觸覺感測器之長期可靠度，在本實施例中，該封膠體８０係為彈性材料，較佳地，該封膠體８０係為聚二甲基矽氧烷（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｓｉｌｏｘａｎｅ，　ＰＤＭＳ）。

　　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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

１０‧‧‧壓電薄膜

１０ａ‧‧‧上表面
１０ｂ‧‧‧下表面

２０‧‧‧第一軟性基板

２０ａ‧‧‧第一表面
２０ｂ‧‧‧第二表面

２１‧‧‧第一電極

３０‧‧‧第二軟性基板

３０ａ‧‧‧第三表面
３１‧‧‧第二電極

４０‧‧‧第一接合層

５０‧‧‧第二接合層

６０‧‧‧彈性體

７０‧‧‧黏著層

８０‧‧‧封膠體

Ｄ‧‧‧間距

Ｗ‧‧‧寬度

第１圖：依據本發明之一較佳實施例，一種軟性壓電式觸覺感測器結構示意圖。

第２圖：依據本發明之一具體實施例，具封膠體之該軟性壓電式觸覺感測器結構示意圖。

第３Ａ至３Ｅ圖：該軟性壓電式觸覺感測器之製作方法流程圖。

10‧‧‧壓電薄膜

10a‧‧‧上表面

10b‧‧‧下表面

20‧‧‧第一軟性基板

20a‧‧‧第一表面

20b‧‧‧第二表面

21‧‧‧第一電極

30‧‧‧第二軟性基板

30a‧‧‧第三表面

31‧‧‧第二電極

40‧‧‧第一接合層

50‧‧‧第二接合層

60‧‧‧彈性體

70‧‧‧黏著層

80‧‧‧封膠體

D‧‧‧間距

W‧‧‧寬度

Claims (10)

1. 一種軟性壓電式觸覺感測器，其包含：
   　　一壓電薄膜，其係具有一上表面及一下表面；
   　　一第一軟性基板，係設置於該壓電薄膜之該上表面，其具有一朝向該上表面之第一表面、一相對於該第一表面之第二表面及複數個形成於該第一表面之第一電極，該些第一電極係電性連接該壓電薄膜；
   　　一第二軟性基板，係設置於該壓電薄膜之該下表面，其具有一朝向該下表面之第三表面及複數個形成於該第三表面之第二電極，該些第二電極係電性連接該壓電薄膜；以及
   　　至少一彈性體，其係設置於該第一軟性基板之該第二表面，且對應該第一軟性基板之該些第一電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其另包含有一第一接合層，該第一接合層係設置於該第一軟性基板與該壓電薄膜之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其中該第一接合層係為異方性導電膠膜(Anisotropic Conductive Film, ACF)。
4. 如申請專利範圍第3項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其中該第一接合層係電性連接該些第一電極與該壓電薄膜。
5. 如申請專利範圍第2項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其另包含有一第二接合層，該第二接合層係設置於該第二軟性基板與該壓電薄膜之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其中該第二接合層係為異方性導電膠膜(Anisotropic Conductive Film, ACF)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其中該第二接合層係電性連接該些第二電極與該壓電薄膜。
8. 如申請專利範圍第1項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其中該彈性體係具有一寬度，該些第一電極之間係具有一間距，該彈性體之該寬度係大於該間距。
9. 如申請專利範圍第1項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其另包含有至少一黏著層，該黏著層係設置於該彈性體與該第一軟性基板之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之軟性壓電式觸覺感測器，其另包含有一封膠體，該封膠體係包覆該壓電薄膜、該第一軟性基板、該第二軟性基板及該彈性體。