TWI484675B - 具有複合式奈米結構的壓電薄膜及具有其的觸控感測裝置 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種壓電薄膜及具有其的觸控感測裝置，特別是指一種具有複合式奈米結構的壓電薄膜及具有其的觸控感測裝置。
觸控感測技術主要有電阻式觸控感測、電容式觸控感測、音波式觸控感測，及壓電式觸控感測等數種觸控感測技術。
而目前應用於觸控感測裝置之感測技術的主流為電容式觸控感測技術。其主要技術原理是先提供該觸控感測裝置一電能，而使其具有一初始電容值，再量測一被感測物接近及觸碰時的電容值，並透過前後電容值間的差異計算得到何處被觸碰。
又，當該觸控感測裝置是應用電阻式觸控感測技術與音波式觸控感測技術時，其二者的技術原理也是類似該電容式觸控感測技術，先提供一電能而具該觸控感測裝置具有一初始電阻值或超音波值，再於該被感測物觸碰時量測當時的電阻值或超音波值，並透過觸碰前後間的電阻值或超音波值的差異，計算出觸控位置。
然而，當該觸控感測裝置使用的壓電式觸控感測技術時，該觸控感測裝置包括一平坦的壓電薄膜，及以蒸鍍或濺鍍法分別形成於該壓電薄膜上表面及下表面的一上電極及一下電極；其中，該壓電薄膜通常是以具有壓電性的聚
合物為主要材料。該觸控感測裝置是透過壓電材料被觸壓而將壓力轉變為電能的技術原理，量測在觸壓的狀態時所產生的一電訊號值，再偵測該電訊號值的來源，而可得知觸控位置，除此之外，還能藉由該電訊號值的強弱計算得知觸壓當時的力道強弱。
由上述說明可知，無論是應用電容式觸控感測技術、電阻式觸控感測技術，或音波式觸控感測技術，皆需提供該觸控感測裝置一電能；相較而言，壓電式觸控感測技術不需額外提供電能，即可自主地將機械能轉換為電訊號，除了可應用於一般常用的觸控螢幕外，還可應用作為人造皮膚等更廣泛的範圍。
然而，對厚度較大的壓電薄膜(大於10微米)，目前通常是以施加高達數千伏特大電壓之電場極化的方式極化壓電薄膜之壓電性，但此方式遇上不平坦的表面或是有過多孔隙的壓電薄膜時，都易造成電流直接貫穿導致短路，或經電極夾夾持區域之薄膜嚴重變形。故經電場極化而提升壓電性的壓電薄膜僅能實施於厚度達2微米以下之平坦且少孔隙的薄膜，而難以製作較大厚度或具奈米結構之壓電薄膜。
因此，如何在不限制壓電薄膜厚度的前提下提升其壓電性，並利用該壓電薄膜進一步地提升觸控感測裝置的靈敏度，既而成為研究學者們致力研究與發展的目標。
所以，發明人針對壓電薄膜的結構及材料的特性作為
優化壓電特性的研究方向。
因此，本發明之目的，即在提供一種高壓電性的具有複合式奈米結構的壓電薄膜。
該基材以壓電聚合物為主的材料所構成，且成一β晶相，該基材包括一具有相反設置之一第一基面及及第二基面的底部，及一形成於該第一基面的複合式奈米結構，該複合式奈米結構具有多數凸部，及多數支奈米柱，該等凸部由該第一基面往遠離該第二基面的方向凸伸，該第一基面與該等凸部的一頂面共同構成一表面，該等奈米柱自該表面往遠離該第二基面的方向凸伸。
再者，該具有壓電薄膜的觸控感測裝置，包含一壓電薄膜，及一電極單元。
該壓電薄膜包括一基材，該基材以壓電聚合物為主的材料所構成，且成一β晶相，該基材包括一具有相反設置之一第一基面及一第二基面的底部，及一形成於該第一基面的複合式奈米結構，該複合式奈米結構具有多數凸部及多數支奈米柱，該等凸部由該第一基面往遠離該第二基面的方向凸伸，該第一基面與該等凸部的一頂面共同構成一表面，該等奈米柱自該表面往遠離該第二基面的方向凸伸。
該電極單元包括一第一電極及一第二電極，該第一電極形成於該基材之第二基面，該第二電極直接疊置於該壓電薄膜以該複合式奈米結構接觸，且該第二電極與該壓電薄膜間藉由該複合式奈米結構共同界定出多數個空隙。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明較佳實施例具有壓電薄膜的觸控感測裝置1包含一壓電薄膜11，及一電極單元12。
該壓電薄膜11包括一基材110，該基材110以壓電聚合物為主的材料所構成，並成一β晶相。較佳地，該基材110為二氟乙烯與三氟乙烯的共聚物，且是經由加熱至一預定溫度及加熱一預定時間而由半結晶性再結晶成該β晶相(在此之半結晶性指的是混合有非晶性與結晶性共存之狀態)。在該較佳實施例中，該基材110為成該β晶相的氟化三氟聚乙烯(PVDF-TrFE)。較佳地，該基材110是以大於120℃且小於145℃的加熱溫度，不小於2小時且小於5小時的加熱時間，而加熱再結晶成該β晶相。
該基材110具有一底部111，及一複合式奈米結構112。該底部111具有一第一基面113，及一與該第一基面113相反設置的一第二基面114，該複合式奈米結構112形成於該第一基面113，並具有多數成條狀的凸部115，及多數支奈米柱117。
該等凸部115自該第一基面113往遠離該第二基面114的方向凸伸，且該等凸部115沿著實質平行該底部111的方
向延伸而成條狀，則該第一基面113未被該等凸部115覆蓋的區域，及該等凸部115的一頂面116共同構成一表面118。較佳地，該等凸部115的最大寬度範圍為300nm至500nm。
該等奈米柱117自該表面118往遠離該第二基面114的方向凸伸；且其中每一奈米柱117之平行該第一基面114的橫向截面積往遠離該第二基面114的方向漸減。更精確地說，該等奈米柱117平均地自該表面118凸伸，此意即其中一部分之該等奈米柱117自該未被該等凸部115覆蓋的第一基面113凸伸，其中之另一部分該等奈米柱117自該等凸部115的頂面116凸伸。且較佳地，該等奈米柱117之最大寬度的範圍為10nm至50nm，且高寬比大於8；再者，任一奈米柱117的最大寬度小於任一凸部115的最大寬度。最佳地，該等奈米柱117實質成圓柱狀。
該電極單元12包括一第一電極121及一第二電極122，該第一電極121形成於該壓電薄膜11之底部111的第二基面114，該第二電極122直接疊置於該壓電薄膜11上方(也就是遠離該底部111之第二基面114的位置)，而與基材110的複合式奈米結構112接觸。由於該複合式奈米結構112具有該等凸部115及該等奈米柱117，且該第二電極122相對該壓電薄膜1的表面較為平坦，則該第二電極122與該壓電薄膜11間藉由該複合式奈米結構112共同界定出多數個空隙123。
當觸壓該第二電極122遠離該壓電薄膜11的表面118
時，該壓電薄膜1產生形變，且由於該壓電薄膜11是經由加熱再結晶而成該β晶相的壓電聚合物，特別是二氟乙烯與三氟乙烯的共聚物，故該壓電薄膜11形變時將觸壓時的機械能轉換為電能，而於該第一電極121與該第二電極122間形成一電位差，並以該電位差表示為觸壓時所產生的電訊號。除此之外，由於該第二電極122受向下之壓力時，該第二電極122向下位移之幅度將使該等奈米柱117都會產生形變而壓縮及/或彎曲，從而轉換為電能。故當該壓電薄膜1之該等奈米柱117未受壓力之態樣可視情況而如圖1所示地皆等長度，且僅有最高處的奈米柱117接觸該第二電極121；或是所有奈米柱117皆等高度，且接觸該第二電極121。
該第一較佳實施例透過成特定形態的奈米結構112增加壓電性，且配合以加熱再結晶而成β晶相的PVDF-TrFE構成的基材110，使該基材110具有複合式奈米結構112，即該等凸部111，及形成於該表面118的奈米柱117，而具有優良的壓電特性；再配合組合成該觸控感測裝置1時，該第二電極122與該複合式奈米結構112間的空隙123供該等奈米柱117於觸壓時不被侷限而有較大的空間形變，進而具備較靈敏的壓電特性，進而更進一步地可於觸壓時量測到強度較大的電訊號。除此之外，加熱再結晶而成β晶相PVDF-TrFE構成的基材110，是於非接觸該奈米結構112之表面下完成極化而成β晶相。
參閱圖2，當應用該觸控感測裝置1成為一觸控感測陣
列時，是於一可撓曲性塑膠製或玻璃製的基板2上成陣列排列地設置多數個觸控感測裝置1。則觸壓其中一觸控感測裝置1時，透過偵測到該等觸控感測裝置1的何者產生電訊號，而得知哪一個位置被觸控。
參閱圖3、圖4，為了使該具有複合式奈米結構的壓電薄膜11，及具有其的觸控感測裝置1的形成過程更為清楚明白，以下將詳細敘述該較佳實施例的製作方法。
首先，進行一準備步驟41，於一基板2上圖案化(patterned)該第一電極121作為下電極，再於該下電極表面塗佈一層成半結晶性的PVDF-TrFE構成的平坦薄膜。
接著，進行一加熱再結晶步驟42，以大於居禮溫度且不大於熔點的溫度範圍加熱該平坦薄膜，且不小於2小時，且小於5小時，使該平坦薄膜再結晶而成β晶相。特別地是，以140℃加熱2小時為最佳的加熱再結晶範圍。
繼續，進行一熱壓印步驟43，準備一形成有預定型態之對應該壓電薄膜之奈米柱而凹陷的模具(圖未示出)，再將該平坦薄膜放置於該模具上，一起進入一熱壓機中，並使該平坦薄膜均勻受熱；之後，當該平坦薄膜的溫度達90-100℃時，再施加一個預定壓力於該平坦薄膜上，讓微熔融態的PVDF-TrFE材料填入該模具的空隙，並維持一預定時間，使該平坦薄膜經熱壓，而製得該具有複合式奈米結構的壓電薄膜11。
配合參閱圖1，其中，該複合式奈米結構112的凸部115及奈米柱117非單由該模具而成形，是先進行該加熱再
結晶步驟42，再配合進行該熱壓印步驟43，既而形成該複合式奈米結構112。更詳細地說，該複合式奈米結構112之凸部115的形成主要是由於在該加熱再結晶步驟42的過程中，當該平坦薄膜以本發明上述之製程條件加熱再結晶而成β晶相時，也同時形成該等凸部115；其次，該等奈米柱117的形成主要是經由該加熱再結晶步驟42後進行之該熱壓印步驟43，而於該等凸部115上形成該等奈米柱117，且該等奈米柱117的最大寬度的範圍為10nm至50nm，且高寬比大於8；最佳地，該等奈米柱最大寬度為20nm，且實質成圓柱狀。
最後，進行一電極單元設置步驟44，將設置於一基板3的平坦的第二電極122疊置於該複合式奈米結構112的上方，使該第二電極122直接接觸該複合式奈米結構112，並於其間共同界定出該等空隙123，而製得該觸控感測裝置1。
上述具有壓電薄膜的觸控感測裝置由於是經再結晶，及熱壓形成特定型態的奈米結構，而可形成具高壓電性的壓電薄膜，再配合直接疊置於該奈米結構112上方的第二電極122，而供該觸控感測裝置的靈敏度高。並可避免目前使用大電壓之電場極化方式，而易導致燒穿短路，或薄膜嚴重變形的問題。
以透明高分子可撓性基材作為一基板，於該基板上設置出多數個彼此間隔且成4×4陣列排列的第一電極作為下電極，再以縱向導線將同一排的下電極電連接，則該導線共分別將4排下電極分別電連接而使其等電位。
參閱圖5，接著，再於每個下電極上塗佈一層半結晶性PVDF-TrFE構成之平坦薄膜，以140℃加熱而再結晶2小時，而使該薄膜成β晶相後，再配合一將形成奈米柱的針狀模具，以熱壓印的方式，透過壓力3~5Kgf/cm2
熱壓30分鐘而成形，而於該下電極上製得該具有複合式奈米結構的壓電薄膜。
繼續，類似該下電極地，準備另一透明高分子可撓性基材作為一基板，於該基板上設置出多數個彼此間隔且成4×4陣列排列的上電極，再以橫向導線將同一列電極電連接，則該導線共分別將4列上電極分別電連接而使其等電位。
最後，將該設置有上電極的基板，以上電極與該壓電薄膜之複合式奈米結構相向的方式，將該等上電極疊置於該等壓電薄膜上方，則該等下電極、分別位於該等下電極上方的上電極，及夾置於其間的壓電薄膜形成多數個觸控感測裝置，且該等觸控感測裝置透過形成於該等基板的導線相配合成如圖2所示之觸控感測陣列。
該比較例1-1與該具體例的結構及製作方法相似，其不同處在於：在每個下電極上塗佈一層半結晶性PVDF-TrFE
構成之平坦薄膜後，該比較例1的壓電薄膜僅經過140℃加熱再結晶2小時，即形成該比較例1-1之成β晶相而不具複合式奈米結構的壓電薄膜。
該比較例1-2與該具體例的結構相似，其不同處在於：在每個下電極上塗佈一層半結晶性PVDF-TrFE構成之平坦薄膜後，即形成該比較例1-2之非成β晶相且不具複合式奈米結構的壓電薄膜。
該比較例1-3與該具體例的結構相似，其不同處在於：在每個下電極上設置一層平坦的市售PVDF薄膜後，即形成該比較例1-3之壓電薄膜。
「壓電訊號測試」主要利用的原理是藉由一懸臂樑結構施予一預定外力於該觸控感測陣列的其中一個觸控感測裝置；當一預定外力施予該觸控感測裝置時該壓電薄膜形變，既而透過偶極短形成的表面電荷而產生電壓。
進行該壓電訊號測試時，需先將該懸臂樑設置一預定高度，再放開該懸臂樑，則該懸臂樑會將該預定高度的位能轉換為動能而對該觸控感測裝置的壓電薄膜施予該固定的預定外力。在該壓電訊號測試中，該固定力分別為98微牛頓(mN)、49微牛頓、24.5微牛頓、12.25微牛頓，及6.125微牛頓。
參閱圖6，為壓電訊號測試的測試結果。由圖6可以瞭
解，當施加的外力皆為98牛頓時，具體例1-1的電壓超過0.9V，相對該具體例，僅經過加熱再結晶而成β晶相的比較例1-1的電壓不到具體例的一半，而僅有0.3V左右，類似地，利用市售的PVDF薄膜製得的比較例1-3也僅約有0.3V；而未經加熱再結晶而非成β晶相的比較例1-2則不到0.2V。
更進一步地，若將同一觸控感測裝置施予不同外力所測得的電壓以線性直線表示時，電壓皆會隨著外力而增加，這是由於電壓會隨著機械力所造成的形變愈明顯而提升的緣故。且具體例1的電壓對外力的靈敏度高達0.0095V/mN(也就是直線的斜率)，遠大於比較例1-1的0.0032 V/mN、比較例1-2的0.00358 V/mN，及比較例1-3的0.00256。V/mN。
因此，本發明具有複合式奈米結構的壓電薄膜所製得之觸控感測裝置確實具備較佳之壓電特性，及壓電靈敏程度。
以110℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以120℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以130℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以140℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以145℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以150℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以160℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜2小時。
以140℃加熱再結晶一成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜5小時。
一未經加熱再結晶的成半結晶性PVDF-TrFE平坦薄膜。
參閱圖7，為該壓電材料的X光繞射圖譜，以測得該壓電薄膜中β晶相的強度。其中，PVDF-TrFE的β晶相於20.8°的強度最高而形成峰值。
由圖式可以瞭解，具體例2-4於20.8°的強度最高，具體例2-5於20.8°的強度次高；代表以140℃加熱再結晶2小時可供該壓電薄膜成較完整的β晶相，145℃加熱再結晶2小時可供該壓電薄膜成次完整的β晶相；其餘加熱溫度的β晶相皆不明顯。
再者，由於PVDF-TrFE材料本身的居禮溫度為120℃，熔化溫度為140℃，故當該壓電薄膜以PVDF-TrFE為構成材料時，以居禮溫度至熔化溫度的±5%(也就是120℃至145℃間)為加熱再結晶之溫度，可成β晶相。
「負壓電效應測試」主要利用的原理是提供一待測壓電薄膜一電能，使該待測壓電薄膜利用其自身的壓電特性，將該電能轉換為一機械能，既而使該待測壓電薄膜產生形變，再藉由該壓電薄膜的形變量計算推得負壓電性。
在該負壓電效應測試所使用的量測機台是可測量壓電材料之壓電性的原子力顯微鏡(或稱為壓電力顯微鏡，Piezoelectric Force Microscopy，簡稱PFM，廠牌：SEILO，型號：SPA-300HV)。
將該待測壓電薄膜放置於一具備導電性的載台，且該原子力顯微鏡以接觸式(contact mode)量測該待測壓電薄膜時，該原子力顯微鏡的探針與該待測壓電薄膜接觸，且由於該探針、該載台皆具備導電性，而可相配合傳送一外界的預定電壓予該壓電薄膜一預定電能，進而使該壓電薄膜形變，並透過該探針的擺動以一雷射光接受器測量該壓電
薄膜的形變量，再推算該壓電薄膜的負壓電性。
其中，該預定電能是於該壓電薄膜以250奈米的間距分別使用6V、9V、12V、15V，及0V的電壓，並自外界提供該探針5KHz的交流頻率，以便觀察該壓電薄膜於各種不同電壓下的壓電性。
參閱圖8、圖9，由圖式可以瞭解，相較比較例2-1而言，具體例2-1~2-8皆有壓電性，而其中又以具體例2-4的壓電性最為敏銳，也就是以140℃加熱再結晶2小時PVDF-TrFE薄膜後的壓電性最佳；再配合《晶相量測》的結果可以推得，當該壓電薄膜的材料為PVDF-TrFE且成β晶相時，可較β晶相不明顯的壓電薄膜具備更敏銳的壓電特性。
參閱圖10，橫軸為以PVDF-TrFE所構成之壓電薄膜的加熱再結晶的溫度，縱軸為壓電性強度，由圖式可以瞭解，加熱時間為2小時的壓電性大於加熱時間為5小時的壓電性。
綜上所述，壓電聚合物的β晶相愈明顯，則壓電性愈佳；特別是PVDF-TrFE所構成之壓電薄膜的β晶相愈明顯，壓電性特別優異。且以大於120℃至不大於145℃加熱再結晶可成明顯之β晶相；再者，具有複合式奈米結構的壓電薄膜所構成的觸控感測裝置具有良好的壓電特性，再配合疊置於該壓電薄膜上方的第二電極與該壓電薄膜的複合式奈米結構間所形成的空隙，進而有效提升整體觸控感測裝置的觸控靈敏度，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不
能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧觸控感測裝置
11‧‧‧壓電薄膜
110‧‧‧基材
111‧‧‧底部
112‧‧‧複合式奈米結構
113‧‧‧第一基面
114‧‧‧第二基面
115‧‧‧凸部
116‧‧‧頂面
117‧‧‧奈米柱
118‧‧‧表面
12‧‧‧電極單元
121‧‧‧第一電極
122‧‧‧第二電極
123‧‧‧空隙
2‧‧‧基板
3‧‧‧基板
41‧‧‧步驟
42‧‧‧步驟
43‧‧‧步驟
44‧‧‧步驟
圖1是一剖視示意圖，說明本發明一觸控感測裝置的較佳實施例；圖2是一俯視圖，說明應用本發明而成的一觸控感測陣列；圖3是一流程圖，說明該較佳實施例的製作方法；圖4是一剖視示意流程圖，說明該較佳實施例的製作方法；圖5是一SEM圖，說明該具體例1-1；圖6是一外力對壓電性的關係圖；圖7是一X光繞射圖譜；圖8是一電壓對壓電性的關係圖；圖9是一電壓對壓電性的關係圖；及圖10是一加熱再結晶的溫度對壓電性的關係圖。
1‧‧‧觸控感測裝置
11‧‧‧壓電薄膜
110‧‧‧基材
111‧‧‧底部
112‧‧‧複合式奈米結構
113‧‧‧第一基面
114‧‧‧第二基面
115‧‧‧凸部
116‧‧‧頂面
117‧‧‧奈米柱
118‧‧‧表面
12‧‧‧電極單元
121‧‧‧第一電極
122‧‧‧第二電極
123‧‧‧空隙
Claims (10)
- 一種具有複合式奈米結構的壓電薄膜，包含：一基材，以壓電聚合物為主的材料所構成，且成一β晶相，該基材包括一具有相反設置之一第一基面及一第二基面的底部，及一形成於該第一基面的複合式奈米結構，該複合式奈米結構具有多數凸部及多數支奈米柱，該等凸部由該第一基面往遠離該第二基面的方向凸伸，該第一基面與該等凸部的一頂面共同構成一表面，該等奈米柱自該表面往遠離該第二基面的方向凸伸。
- 依據申請專利範圍第1項所述之具有複合式奈米結構的壓電薄膜，其中，該基材為氟化三氟聚乙烯。
- 依據申請專利範圍第2項所述之具有複合式奈米結構的壓電薄膜，其中，該基材是以大於120℃且小於145℃的加熱溫度，不小於2小時且小於5小時的加熱時間，而加熱再結晶成該β晶相。
- 依據申請專利範圍第3項所述之具有複合式奈米結構的壓電薄膜，其中，每一奈米柱的一橫向截面積是往遠離該第二基面的方向漸縮。
- 依據申請專利範圍第1項所述之具有複合式奈米結構的壓電薄膜，其中，該等凸部之最大寬度的範圍為300nm至500nm，該等奈米柱之最大寬度的範圍為10nm至50nm，且高寬比大於8。
- 一種具有壓電薄膜的觸控感測裝置，包含：一壓電薄膜，包括一基材，該基材以壓電聚合物為 主的材料所構成，且成一β晶相，該基材包括一具有相反設置之一第一基面及一第二基面的底部，及一形成於該第一基面的複合式奈米結構，該複合式奈米結構具有多數凸部及多數支奈米柱，該等凸部由該第一基面往遠離該第二基面的方向凸伸，該第一基面與該等凸部的一頂面共同構成一表面，該等奈米柱自該表面往遠離該第二基面的方向凸伸；及一電極單元，包括一第一電極及一第二電極，該第一電極形成於該基材之第二基面，該第二電極直接疊置於該壓電薄膜以與該複合式奈米結構接觸，且該第二電極與該壓電薄膜間藉由該複合式奈米結構共同界定出多數個空隙。
- 依據申請專利範圍第6項所述之具有壓電薄膜的觸控感測裝置，其中，該基材為氟化三氟聚乙烯。
- 依據申請專利範圍第7項所述之具有壓電薄膜的觸控感測裝置，其中，該基材是以大於120℃且小於145℃的加熱溫度，不小於2小時且小於5小時的加熱時間，而加熱再結晶成該β晶相。
- 依據申請專利範圍第8項所述之具有壓電薄膜的觸控感測裝置，其中，每一奈米柱的一橫向截面積是往遠離該表面的方向漸縮。
- 依據申請專利範圍第6項所述之具有壓電薄膜的觸控感測裝置，其中，該等凸部之最大寬度的範圍為300nm至500nm，該等奈米柱之最大寬度的範圍為10nm至50nm ，且高寬比大於8。
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