TWI444873B - 觸覺感測陣列及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種觸覺感測陣列及其製作方法，尤指一種利用介電泳技術以規則排列奈米碳管者。
奈米碳管的發現自1991年被發現後，由於其具有許多特殊之特性，例如高熱傳導率、高抗拉強度以及高承受電流強度等，尤其是他在結構尺度上之電子傳遞特性，使其成為新興之奈米材料。
所謂感測器是將所偵測到一物理量或化學量之變化，轉換為電訊號之裝置，亦可稱為轉換器。感測器如同人之五官，其為電子與機械產品自動化之關鍵。隨著感測器技術之進步，與微機電系統技術之快速發展，漸漸發展出體積更小、準確率越高之感測器。傳統之觸覺感測器係採用微機電製程，製作出一邊懸空之奈米碳管(carbon nanowire)結構，當懸空之奈米碳管受到一壓力時，懸臂係受到壓折而感測到壓力。目前感測器已被使用於許多電腦相關產品之中，其中用以偵測壓力之觸覺感測器，其在電腦產品中之使用更是廣泛，例如，觸控面板、滑鼠、搖桿等，即為一種觸覺感測器。然，傳統由微機電系統技術所製作之觸覺感測器，其製作方法上較複雜，且良率亦不佳，間接提高其成本。
又，奈米碳管具有非等向性(anisotropic)之特性，因此通常以隨機排列之方式分散混合於高分子材料中，無法充分運用奈米碳管所具有之非等項性材料特性。
因此，如何發展出一種觸覺感測陣列及其製作方法，以利用介電泳使奈米碳管規則排列於兩電極間，藉由量測奈米碳管電阻改變率，以感測其壓力值，將是本發明所欲積極揭露之處。
本發明之一目的在於提供一種觸覺感測陣列及其製作方法，其係藉由施加一交流電於兩電極，利用介電泳使奈米碳管規則排列，當該奈米碳管材料受一壓力時，其規則排列係被破壞，進而改變電阻率使得以感測其壓力值。
為達上述目的，本發明之一目的在於提供一種觸覺感測陣列，具有至少一感測元件，該感測元件包含：一覆蓋層；一基板，係由一金屬材質所製成，該基板係設置於該覆蓋層上；一聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層，係設置於該基板上；一第一電極以及一第二電極，係形成於該聚醯亞胺膜層，該第一電極與該第二電極係相間隔一距離；一奈米碳管層，係覆蓋該第一電極與該第二電極上，並曝露部份之該第一電極與該第二電極，該奈米碳管層具有複數個奈米碳管，其中該奈米碳管層係完全填滿該第一電極與該第二電極間，且該些奈米碳管係有規則的排列；以及一聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層，係覆蓋於該等奈米碳管層、該第一電極以及該第二電極上，且該聚二甲基矽氧烷層覆蓋該聚醯亞胺膜層之部分表面。
本發明之另一目的在於提供一種觸覺感測陣列之製作方法，其包含以下步驟：提供一基板，係由一金屬材質所製成；形成一聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層於該基板上；形成一第一電極以及一第二電極於該聚醯亞胺膜層上，該第一電極與該第二電極係相間隔一距離；提供一框架於該基板，使該框架與該基板緊密黏接，並填充一導電高分子溶液於該框架內；施加交流電於該第一電極與該第二電極以形成一奈米碳管層於該第一電極與該第二電極上，並曝露部份之該第一電極與該第二電極，其中，該奈米碳管層具有複數個奈米碳管，且該奈米碳管層係完全填滿該第一電極與該第二電極間，該些奈米碳管係有規則的排列；以及加熱固化該導電高分子溶液，以形成一聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層，其中該聚二甲基矽氧烷層係覆蓋於該等奈米碳管層、該第一電極以及該第二電極上，且該聚二甲基矽氧烷層覆蓋該聚醯亞胺膜層之部分表面。
藉此，本發明之觸覺感測陣列及其製作方法可藉由介電泳有效地吸引奈米碳管，使其規則地堆積排列於正、負電極之間，構成有效之奈米碳管導電網路，因而使用低濃度之奈米碳管含量，即可大幅增加材料之導電特性，並可藉由再次進行介電泳，使被破壞之奈米碳管導電網路重新構成，並回復感測材料初始之電阻率，達到重複使用與減少元件成本之目的。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：
請參考第1A圖及第1B圖，其中第1A圖係本發明一較佳實施例之觸覺感測陣列示意圖。第1B圖係根據第1A圖觸覺感測陣列其中之一感測元件放大示意圖。如圖所示，本發明之觸覺感測陣列100包含至少一感測元件110，觸覺感測陣列100由導電高分子層102與軟性印刷電路板104所組成。
請參考第2A圖及第2B圖，係分別為本發明一較佳實施例受介電泳之感測元件示意圖，以及施加一壓力之感測元件示意圖。如第2A圖所示，感測元件200之電極202、204間係設置一導電高分子材料208。該導電高分子材料208係為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS) 2082、排列規則之奈米碳管(carbon nanotube,CNT)2084、聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film) 2086以及奈米銀粉(silver nano-particles) 2088之混合物。電極202、204係以軟性印刷電路板技術製作之於基板上圖案化一平面叉指式電極對(Planar interdigital electrode pairs)，如第1B圖所示。本實施例中，奈米碳管係為多壁奈米碳管。
如第2A圖所示，感測元件200之電極202、204係施加一交流電，使導電高分子材料208中之奈米碳管2084受到介電泳(dielectrophoresis)作用而規則排列於電極202、204之間，並構成奈米碳管導電網路。
請參考第2B圖，當施加一壓力於感測元件200時，導電高分子材料208係承受壓力，則奈米碳管導電網路系因受壓力而破壞，使得導電高分子材料208之電阻率上升，而可得知所測得之壓力值。當壓力移除後，導電高分子材料208之電阻率不會因壓力去除而回復，再次施加一交流電後，再次進行介電泳，被破壞之奈米碳管導電網路則可重新構成，使得感測材料恢復至初始電阻率。需說明的是，本導電高分子材料208之奈米碳管2084對溫度上升亦會相對產生電阻之變化，即其亦可用作感測一溫度之變化。
請參考第3A至3F圖，係為本發明一較佳實施例之觸覺感測陣列製作方法流程圖，觸覺感測陣列之製作方法包含：如第3A圖所示提供一感測電極300，其製作步驟如下：提供覆蓋層302；提供基板304，係設置於覆蓋層302上，基板304係由金屬材質所製成，材料可為銅、銀、金或其合金，基板304可為一軟性電路基板，其內部具有內連線路與感測電極對，其中內連線路可設置於基板304之兩面上，其中基板304之厚度為100微米(μm)，於本實施例中，覆蓋層302為一防焊印刷層(cover layer)，用以防止軟性電路基板(Flexible Printed Circuit Board,FPCB)內部之銅線路氧化，以及保護線路受到環境溫溼度之影響；形成聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層306於302基板上；形成第一電極308與第二電極310於聚醯亞胺膜層306上，如圖所示，第一電極308係與第二電極310係相間隔一距離。本發明之第一電極308以及第二電極310的材料可為銅、銀、金或其合金，第一電極308與第二電極310係分別可為一正電極與一負電極。
請參考第3B圖，提供一框架322覆蓋於感測電極300，使框架322緊密黏接於感測電極300上；填充導電高分子332於框架322內，以使導電高分子332黏合於感測電極300上，如第3C圖所示，導電高分子332係為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、固化劑、奈米碳管以及奈米銀粉之混合物，且本實施例中，聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)：固化劑：奈米碳管：奈米銀粉之比例為1：0.1：0.0025：0.00125，需說明的是，本發明之奈米碳管係為多壁奈米碳管，本實施例中，奈米碳管之大小為直徑30奈米(nm)，長30微米(μm)，此外，奈米銀粉為平均30微米(μm)之大小。上述導電高分子332混合比例、奈米碳管與奈米銀粉之大小僅為例示，並非用以限制本發明，其他材料之混合比例與材料之選擇亦可適用於本發明。
由於導電高分子332中聚二甲基矽氧烷(PDMS)之黏滯性較高，無法直接進行介電泳操作奈米碳管，因此，使用正己烷為溶劑，以稀釋導電高分子332溶液，增加其流動性，並再以超音波震動方式，將奈米碳管均勻地分散於溶液，最後再以注射器336，將導電高分子332溶液注入框架322，如第3C圖所示。本實施例中，正己烷之質量係為聚二甲基矽氧烷之四倍。
本實施例中，框架322之材質為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate；PMMA)，又稱做壓克力或有機玻璃。框架322之尺寸為20 x 20 x 8毫米立方(mm3)，厚度1毫米(mm)。本發明並不以此為限，其他大小之框架亦可適用。
填入導電高分子332溶液後，框架322以膠帶334封口，以減緩稍後介電泳過程中減緩溶劑揮發速度率。
請參考第3D圖及第3E圖，係施加一交流電342於第一電極308與第二電極310以進行介電泳，奈米碳管受介電泳例之影響排列於第一電極308與第二電極310之間，而形成奈米碳管導電網路。在介電泳過程中正己烷會逐漸揮發，而奈米碳管則會受到介電泳力吸引，以沉積奈米碳管層352於第一電極308與第二電極310之間。奈米碳管層352係完全填滿第一電極308與第二電極310間，以及奈米碳管層352並曝露出部份之第一電極308與第二電極310。需說明的是，本實施例之奈米碳管係沿同一方向擇優取向排列。
本發明中之奈米碳管層352具有複數個奈米碳管，且該些奈米碳管係有規則的排列於奈米碳管層352上。
請參考第3F圖，係加熱固化導電高分子332溶液，以形成一聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層362，即完成觸覺感測陣列之製作。聚二甲基矽氧烷層362係覆蓋於奈米碳管層352、第一電極308以及第二電極310上，其中聚二甲基矽氧烷層362覆蓋聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層306之部分表面上。
請參考第1圖與第4圖，第4圖係為本發明一較佳實施例之觸覺感測陣列剖面示意圖，觸覺感測陣列100，具有至少一感測元件110，該感測元件110包含：覆蓋層402，係為一防焊印刷層，用以防止軟性電路基板(Flexible Printed Circuit Board,FPCB)內部之銅線路氧化，以及保護線路受到環境溫溼度之影響；基板404，係由金屬材質所製成，基板404係設置於覆蓋層402上；聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層406，係設置於基板404上；第一電極408以及第二電極410，係形成於聚醯亞胺膜層406上表面，第一電極408與第二電極410係相間隔一距離，並曝露出聚醯亞胺膜層406，需說明的是，基板404係由金屬材質所製成，材料可為銅、銀、金或其合金，基板404可為一軟性電路基板，其內部具有內連線路與感測電極對，其中內連線路可設置於基板404之兩面上，基板404之厚度為100微米(μm)，第一電極408以及第二電極410的材料可為銅、銀、金或其合金；奈米碳管層412，係覆蓋第一電極408與第二電極410上，並曝露部份之第一電極408與第二電極410，奈米碳管層412具有複數個奈米碳管，且奈米碳管係為多壁奈米碳管，該奈米碳管層412係完全填滿第一電極408與該第二電極410之間，且該些奈米碳管係受到施加之一交流電之介電泳作用，規則的排列於第一電極408與第二電極410之間，而形成奈米碳管導電網路。於又一實施例，該些奈米碳管係亦可沿同一方向擇優取向排列於奈米碳管層412；聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層414，係覆蓋於412奈米碳管層、第一電極408以及第二電極410上，且聚二甲基矽氧烷層414係覆蓋聚醯亞胺膜層406之部分表面。
本發明之感測陣列100具有獨特之電阻記憶與清除功能，當此感測陣列100中之感測元件110受壓或溫度變化時，排列之奈米碳管導電網路係因此而受到破壞，使得感測材料之電阻率上升。當壓力或溫度移除後電阻率逐漸上升，而當壓力或溫度移除後，電阻率系不會因壓力或溫度去除而回復，意即感測元件110記錄變化之電阻率。藉由再次施加交流電以進行介電泳，則被破壞之奈米碳管導電網路將重新構成，重新排列奈米碳管，使感測元件恢復初始電阻率，意即清除變化之電阻率。
由於介電泳能有效吸引奈米碳管，使其堆積於電極之間，構成有效之奈米碳管導電網路，因此，使用低濃度之奈米碳管含量，即能大幅增強材料的導電特性和機械強度。本發明之奈米碳管含量約為傳統混合方式之十分之一。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
100．．．觸覺感測陣列
110．．．感測元件
102．．．導電高分子層
104．．．軟性印刷電路板
200．．．感測元件
202．．．電極
204．．．電極
208．．．導電高分子材料
2082．．．聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)
2084．．．排列規則之奈米碳管(carbon nanotube,CNT)
2086．．．聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)
2088．．．奈米銀粉(silver nano-particles)
300．．．感測電極
302．．．覆蓋層
304．．．基板
306．．．聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層
308．．．第一電極
310．．．第二電極
322．．．框架
332．．．導電高分子
334．．．膠帶
342．．．交流電
352．．．奈米碳管層
362．．．聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層
402．．．覆蓋層
404．．．基板
406．．．聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層
408．．．第一電極
410．．．第二電極
412．．．奈米碳管層
414．．．聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層
第1A圖係本發明一較佳實施例之觸覺感測陣列示意圖。
第1B圖係根據第1A圖觸覺感測陣列其中之一感測元件放大示意圖。
第2A圖係本發明一較佳實施例受介電泳之感測元件示意圖。
第2B圖係本發明一較佳實施例施加一壓力之感測元件示意圖。
第3A至3F圖係本發明一較佳實施例之觸覺感測陣列製作方法流程圖。
第4圖係本發明一較佳實施例之觸覺感測陣列剖面示意圖。
110．．．感測元件
402．．．覆蓋層
404．．．基板
406．．．聚醯亞胺膜(polyimide film,PI-film)層
408．．．第一電極
410．．．第二電極
412．．．奈米碳管層
414．．．聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層
Claims (18)
- 一種觸覺感測陣列，具有至少一感測元件，該感測元件包含：一覆蓋層；一基板，係由一金屬材質所製成，該基板係設置於該覆蓋層上；一聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層，係設置於該基板上；一第一電極以及一第二電極，係形成於該聚醯亞胺膜層，該第一電極與該第二電極係相間隔一距離；一奈米碳管層，係覆蓋該第一電極與該第二電極上，並曝露部份之該第一電極與該第二電極，該奈米碳管層具有複數個奈米碳管，其中該奈米碳管層係完全填滿該第一電極與該第二電極間，且該些奈米碳管係有規則的排列；以及一聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層，係覆蓋於該等奈米碳管層、該第一電極以及該第二電極上，且該聚二甲基矽氧烷層覆蓋該聚醯亞胺膜層之部分表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之觸覺感測陣列，其中該覆蓋層為一防焊印刷層。
- 如申請專利範圍第1項所述之觸覺感測陣列，其中該些奈米碳管係為多壁奈米碳管。
- 如申請專利範圍第1項所述之觸覺感測陣列，其中該金屬 材質為銅、銀、金或其合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之觸覺感測陣列，其中該第一電極以及該第二電極的材料為銅、銀、金或其合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之觸覺感測陣列，其中該些奈米碳管係沿同一方向擇優取向排列。
- 如申請專利範圍第1項所述之觸覺感測陣列，其中該第一電極以及該第二電極係分別為一正電極與一負電極。
- 一種觸覺感測陣列之製作方法，其包含：提供一基板，係由一金屬材質所製成；形成一聚醯亞胺膜(polyimide film，PI-film)層於該基板上；形成一第一電極以及一第二電極於該聚醯亞胺膜層上，該第一電極與該第二電極係相間隔一距離；提供一框架於該基板，使該框架與該基板緊密黏接，並填充一導電高分子溶液於該框架內；施加交流電於該第一電極與該第二電極以形成一奈米碳管層於該第一電極與該第二電極上，並曝露部份之該第一電極與該第二電極，其中，該奈米碳管層具有複數個奈米碳管，且該奈米碳管層係完全填滿該第一電極與該第二電極間，該些奈米碳管係有規則的排列；以及加熱固化該導電高分子溶液，以形成一聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)層，其中該聚二甲基矽氧烷層係覆蓋於該等奈米碳管層、該第一電極以及該第二電極上，且該聚二甲基矽氧烷層覆蓋該聚醯亞胺膜層之部分 表面。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該些奈米碳管係為多壁奈米碳管。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該金屬材質為銅、銀、金或其合金。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一電極以及該第二電極的材料為銅、銀、金或其合金。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該些奈米碳管係沿同一方向擇優取向排列。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一電極與該第二電極係分別為一正電極與一負電極。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中於提供該基板之前，更包含提供一覆蓋層，以使該基板設置於該覆蓋層上。
- 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該覆蓋層為一防焊印刷層。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該導電高分子溶液係為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、固化劑、奈米碳管以及奈米銀粉之混合物。
- 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中於提供該框架於該基板，使該框架與該基板緊密黏接，並填充該導電高分子溶液於該框架內之步驟之後，更包含提供一正己烷作為溶劑，以稀釋該導電高分子溶液。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該正己烷之質 量係為該聚二甲基矽氧烷之四倍。
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| TW100126046A TWI444873B (zh) | 2011-07-22 | 2011-07-22 | 觸覺感測陣列及其製作方法 |
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|---|---|
| TW201305862A TW201305862A (zh) | 2013-02-01 |
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| TW100126046A TWI444873B (zh) | 2011-07-22 | 2011-07-22 | 觸覺感測陣列及其製作方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI573063B (zh) * | 2015-04-13 | 2017-03-01 | Interface Optoelectronics (Shenzhen) Co Ltd | Tactile sensing device |
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2011
- 2011-07-22 TW TW100126046A patent/TWI444873B/zh active
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| TWI573063B (zh) * | 2015-04-13 | 2017-03-01 | Interface Optoelectronics (Shenzhen) Co Ltd | Tactile sensing device |
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| TW201305862A (zh) | 2013-02-01 |
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