TWI575232B - 感測裝置 - Google Patents

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TWI575232B
TWI575232B TW104119142A TW104119142A TWI575232B TW I575232 B TWI575232 B TW I575232B TW 104119142 A TW104119142 A TW 104119142A TW 104119142 A TW104119142 A TW 104119142A TW I575232 B TWI575232 B TW I575232B
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李思儒
王榮豪
潘信宏
鄞盟松
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財團法人工業技術研究院
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/146Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors for measuring force distributions, e.g. using force arrays

Description

感測裝置

本發明係關於一種感測裝置,特別關於一種陣列式多維度感測裝置。

壓力感測裝置可以用來偵測特定位置所受到的壓力,因此被廣泛應用於各種環境。現行壓力感測裝置多是以壓電材料製作,或以微機電系統(micro electro mechanical system,MEMs)製作。前者的材料成本高昂,後者又過於精密而容易毀損。因此有提出以電容式壓力感測的技術以實現低成本的壓力感測裝置。

然而,現有電容式壓力感測裝置,具有諸多問題。舉例來說,現有的陣列電容式壓力感測裝置僅能感測壓力,也就是正向於受力表面的力量大小。從而有研究者提出多維電容感測技術,然而現有多維電容式感測技術有面積過大、無法陣列化佈局等問題,因此無法應用於中小型裝置的問題。

有鑑於以上的問題,本發明提出一種感測裝置。藉由陣列式地配置電極對,可以任意面積實現多點壓力感測 裝置。

依據本發明的感測裝置,具有第一基板、第二基板、複數組第一電極、複數個第二電極、複數條第一軸信號線、複數條第二軸信號線與複數條第二信號線。其中第二基板位於第一基板上方,且第二基板具有復位結構。複數個第二電極陣列式地位於第二基板的第一面。複數組第一電極陣列式地位於第一基板,其中的每一組第一電極對應於前述第二電極其中之一,並且每一組第一電極具有至少一個第一軸電極與至少一個第二軸電極。第一軸電極與第二軸電極均部分重疊於對應的第二電極。複數條第一軸信號線分別連接前述第一軸電極。複數條第二軸信號線分別連接前述第二軸電極。複數條第二信號線分別連接前述第二電極。

綜上所述,本發明所揭露的感測裝置,所述的各電極具有各自的信號線。並且本發明所揭露的感測裝置不需要使用浮接(未連接至處理模組或特定參考電壓)的電極作為電容的一部分。因此得以陣列式地配置並且可以更精準的感應與估計每一對電極彼此的相對位置偏移。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理,並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1000、2000、3000‧‧‧感測裝置

1100、2100、3100‧‧‧第一基板

1200、2200、3200‧‧‧第二基板

1201‧‧‧第一面

1210、2210‧‧‧本體

3210‧‧‧按壓部

1220‧‧‧軟性介電質

2220‧‧‧彈性元件

3220‧‧‧剛性元件

3230‧‧‧復位結構

1300、2300、3300‧‧‧第一電極

1310、1330、2310、2330、3310、3330‧‧‧第一軸電極

1320、1340、2320、2340、3320、3340‧‧‧第二軸電極

1400、2400、3400‧‧‧第二電極

1500、1600、2500、2600、3500、3600‧‧‧軸信號線

1700、2700、3700‧‧‧信號線

1510、1610‧‧‧穿孔

4100‧‧‧處理模組

C1~C4‧‧‧電容

第1A圖係依據本發明一實施例的感測裝置俯視示意圖。

第1B圖係對應於第1A中BB’剖切線的部份剖面示意圖。

第1C圖係對應於第1A中CC’剖切線的部份剖面示意圖。

第1D圖係於另一實施例中對應於第1A中BB’剖切線的部份剖面示意圖。

第1E圖於另一實施例中係對應於第1A中CC’剖切線的部份剖面示意圖。

第1F圖於另一實施例中係對應於第1A中BB’剖切線的部份剖面示意圖。

第1G圖於另一實施例中係對應於第1A中CC’剖切線的部份剖面示意圖。

第2A圖係依據本發明一實施例的感測裝置俯視示意圖。

第2B圖係對應於第2A中bb’剖切線的部份剖面示意圖。

第2C圖係對應於第2A中cc’剖切線的部份剖面示意圖。

第2D圖係對應於第2A中cc’剖切線當感測裝置的第二基板沿X軸方向位移的部份剖面示意圖。

第3A圖係依據本發明一實施例的感測裝置俯視示意圖。

第3B圖係對應於第3A中BB”剖切線的部份剖面示意圖。

第3C圖係對應於第3A中CC”剖切線的部份剖面示意圖。

第4圖係依據本發明另一實施例的感測裝置俯視示意圖。

第5A圖係對應於第1A圖的感測裝置電路示意圖。

第5B圖係於一實施例中第二基板受到應力而沿X軸方向 偏移的示意圖。

第5C圖係對應於第5B圖中BB’剖切線的部份剖面示意圖。

第5D圖一實施例中第二基板受到應力而沿Y軸方向偏移的示意圖。

第5E圖係對應於第5D圖中CC’剖切線的部份剖面示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點,其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施,且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式,任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點,但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照第1A圖至第1C圖,其中第1A圖係依據本發明一實施例的感測裝置俯視示意圖,第1B圖係對應於第1A中BB’剖切線的部份剖面示意圖,而第1C圖係對應於第1A中CC’剖切線的部份剖面示意圖。如圖示,依據本發明一實施例的感測裝置1000具有第一基板1100、第二基板1200、複數組第一電極1300、複數個第二電極1400、複數條第一軸信號線1500、複數條第二軸信號線1600與複數條第二信號線1700。其中第二基板1200位於第一基板1100上方,且第二 基板1200具有復位結構,於本實施例中的復位結構也就是介於第二基板1200的本體1210與第一基板1100之間的軟性介電質1220。複數個第二電極1400陣列式地位於第二基板1200的第一面1201(例如為下表面)。複數組第一電極1300陣列式地位於第一基板1100,其中的每一組第一電極1300對應於前述第二電極1400其中之一,並且每一組第一電極1300具有第一軸電極1310、1330與第二軸電極1320、1340。

第一軸電極1310、1330與第二軸電極1320、1340均被對應的第二電極1400部分覆蓋,且第一軸電極1310、1330與第二軸電極1320、1340各自有部份側邊與第二電極1400的側邊重合或部分重合。複數條第一軸信號線1500分別連接前述第一軸電極1310、1330。複數條第二軸信號線1600分別連接前述第二軸電極1320、1340。複數條第二信號線1700分別連接前述第二電極1400。於某些實施例中,第二信號線1700係與第二電極1400於同一道製程中一次性地完成,因此為一體成形的圖案化電極與信號線。而於另一些實施例中,第二信號線1700與第二電極1400係於不同製程完成,因此並非一體成形,而其材料可以相同也可以不同,例如為透明導電材料、金屬或其他適合的材料。於某些實施例中,部分第一電極1300中的第一軸電極1310與第一軸電極1330連接,另一部分第一電極1300中的第二軸電極1320與第二軸電極1340連接。換句話說,於某些實施例中,部分第一電極 1300僅具有一個第一軸電極與兩個第二軸電極,另一部分第一電極1300具有兩個第一軸電極與一個第二軸電極。

於本發明另一實施例,請參照第1A圖、第1D圖與第1E圖,其中第1D圖係於另一實施例中對應於第1A中BB’剖切線的部份剖面示意圖,而第1E圖於另一實施例中係對應於第1A中CC’剖切線的部份剖面示意圖。第1D圖與第1E圖的實施例與第1B圖、第1C圖的實施例的差異在於,第二軸信號線1600係配置於第一基板1100的下表面’並透過穿孔1610與第二軸電極1320、第二軸電極1340連接。

於本發明另一實施例,請參照第1A圖、第1F圖與第1G圖,其中第1F圖係於另一實施例中對應於第1A中BB’剖切線的部份剖面示意圖,而第1G圖於另一實施例中係對應於第1A中CC’剖切線的部份剖面示意圖。第1F圖與第1G圖的實施例與第1B圖、第1C圖的實施例的差異在於,第一軸信號線1500係配置於第一基板1100的下表面,並透過穿孔1510與第一軸電極1310、第一軸電極1330連接。

於本發明另一實施例中,請參照第2A圖至第2C圖,其中第2A圖係依據本發明一實施例的感測裝置俯視示意圖,第2B圖係對應於第2A中bb’剖切線的部份剖面示意圖,而第2C圖係對應於第2A中cc’剖切線的部份剖面示意圖。如圖示,依據本發明另一實施例的感測裝置2000具有第一基板2100、第二基板2200、複數組第一電極2300、複數個第二電 極2400、複數條第一軸信號線2500、複數條第二軸信號線2600與複數條第二信號線2700。其中第二基板2200位於第一基板2100上方,且第二基板2200具有復位結構。於本實施例中,與第1A圖至第1C圖的實施例相異之處在於,本實施例中的復位結構也就是連接於第二基板2200的本體2210與第一基板2100的複數個彈性元件2220。每個第二電極2400的周圍有複數個彈性元件2220,彈性元件2220例如為橡膠柱、彈簧等具有自行復位能力的元件,且於一實施例中彈性元件2220兩端分別固接第二基板2200的本體2210與第一基板2100表面的物件。此外,關於第一軸信號線2500與第二軸信號線2600的配置,可以參照前述第1A圖至第1G圖的各種變化,其重點在於第一軸信號線2500與第二軸信號線2600彼此電性隔離。

請參照第2D圖,其係對應於第2A中cc’剖切線當感測裝置的第二基板沿X軸方向位移的部份剖面示意圖。如第2D圖所示,當第二基板的本體2210沿著正X軸方向偏移時,彈性元件2220等若兩端固定於第二基板本體2210與第一基板2100的彈簧,其伸縮量會正比於施加於第二基板本體2210的應力。於一實施例中,本體2210係以軟性材料或可撓性材料製成,因此於不同的區域可有不同的壓力形變。

於本發明再一實施例中,請參照第3A圖至第3C圖,其中第3A圖係依據本發明一實施例的感測裝置俯視示意 圖,第3B圖係對應於第3A中BB”剖切線的部份剖面示意圖,而第3C圖係對應於第3A中CC”剖切線的部份剖面示意圖。如圖示,依據本發明再一實施例的感測裝置3000具有第一基板3100、第二基板3200、複數組第一電極3300、複數個第二電極3400、複數條第一軸信號線3500、複數條第二軸信號線3600與複數條第二信號線3700。其中第二基板3200位於第一基板3100上方,且第二基板3200具有按壓部3210、固定結構3220與復位結構3230。按壓部3210可為剛性材料或可撓性材料,而復位結構3230須為可撓性或彈性材料。並且復位結構3230環繞每一個按壓部3210,而第二電極3400的位置對應於按壓部3210。於本實施例中,與第1A圖至第1C圖的實施例相異之處在於,本實施例中的固定結構就是連接於第二基板3200的復位結構3230與第一基板3100之間的複數個可傾斜剛性元件。每個第二電極3400的周圍有複數個可傾斜剛性元件,剛性元件例如為塑膠柱,且於一實施例中剛性元件兩端分別固接第二基板3200的復位結構3210與第一基板3100表面的物件。當第二基板3200相對於第一基板3100有水平方向(如圖中X-Y軸所在平面)的位移時,復位結構3230可相應的傾斜。此外,關於第一軸信號線3500與第二軸信號線3600的配置,可以參照前述第1A圖至第1G圖的各種變化,其重點在於第一軸信號線3500與第二軸信號線3600彼此電性隔離。

於另一實施例中,請參照第4圖,其係依據本發明另一實施例的感測裝置俯視示意圖。如第4圖所示,相較於第1A圖的實施例,本實施例中的第二電極1400僅部分覆蓋第一軸電極1310、1330與第二軸電極1320、1340。相對地,本實施例中的第二電極1400的四個突出部,分別覆蓋部份的第一軸電極或第二軸電極。而於在一個實施例中,第二電極不需要是如圖示的十字型,而可以是矩形、菱形、圓形或其他對稱性圖樣。

為了解釋本發明的感測裝置的作動原理,請一並參照第1A圖至第1C圖與第5A圖至第5E圖,其中第5A圖係對應於第1A圖的感測裝置電路示意圖,而第5B圖係於一實施例中第二基板受到應力而沿X軸方向偏移的示意圖,第5C圖係對應於第5B圖中BB’剖切線的部份剖面示意圖,第5D圖一實施例中第二基板受到應力而沿Y軸方向偏移的示意圖,第5E圖係對應於第5D圖中CC’剖切線的部份剖面示意圖。如第5A圖所示,感測裝置可以在第1A圖中的感測裝置1000以外更具有處理模組4100。並且於第二電極1400與第一軸電極1310、第一軸電極1330、第二軸電極1320與第二軸電極1340之間分別等效有四個電容C1至C4,且每個電容的電容值,以電容C1為例可以描述如下列方程式(1): 其中ε係軟性介電質1220的介電係數,Aov1係第一軸電極1310與第二電極1400重疊的面積,d1係兩者之間的距離,而Cf1係兩者之間的邊際場效應電容。因此,處理模組4100可以用C1的變化去推估第一軸電極1310與第二電極1400的重疊面積的變化與電極間距離的變化。並藉此計算或查表得到水平方向(XY平面)的應力(壓力)與鉛直(Z軸)方向的應力(壓力)。

因此如第5B圖與第5C圖所示,當第二基板1200沿著正X軸有偏移時,第一軸電極1310、第一軸電極1330與第二軸電極1320各自與第二電極1400的重疊面積變小,此外,第二軸電極1340與第二電極1400的重疊面積幾乎不變。因此,實質上電容C1、電容C3與電容C2的電容值會稍稍下降,而電容C4的電容值大致不變(甚或稍微上升)。如此,處理模組4100判斷出第二基板1200在第二電極1400處是向正X軸方向偏移。並且,進一步的,依據前述電容的電容值變化,處理模組4100推估出對應的每個第一軸電極與第二軸電極相對於第二電極的重疊面積的變化,而能計算出偏移的距離。

因此如第5D圖與第5E圖所示,當第二基板1200沿著正Y軸有偏移時,第二軸電極1320、第二軸電極1340與第一軸電極1330各自與第二電極1400的重疊面積變小,此外,第一軸電極1310與第二電極1400的重疊面積不變。 因此,實質上電容C2、電容C3與電容C4的電容值會稍稍下降,而電容C1的電容值大致不變(甚或稍微上升)。如此,處理模組4100判斷出第二基板1200在第二電極1400處是向正Y軸方向偏移。並且,進一步的,依據前述電容的電容值變化,處理模組4100推估出對應的每個第一軸電極與第二軸電極相對於第二電極的重疊面積的變化,而能計算出偏移的距離。而實際上,電容C1至電容C4的電容值,藉由現有投射電容式觸控技術中的電容感知方式,而以第二信號線1700為信號發射線(transmission port),以第一軸信號線1500與第二軸信號線1600為信號接收線(receiving port)即可實施,其技術於此不再贅述。

同樣的,參照前述方程式(1),當第二基板1200係於Z軸方向受力,而使第二電極1400與第一電極1300中各軸電極之間的距離減少。因此,處理模組4100得依據電容C1至電容C4的電容值上升程度,計算出第二基板1200在Z軸方向偏移的距離。

此外,請一並參照第4圖與第5B圖至第5C圖,如第5B圖所示,當第二基板1200沿著正X軸有偏移時,第一軸電極1310、第一軸電極1330與第二軸電極1320各自與第二電極1400的重疊面積變小,此外,第二軸電極1340與第二電極1400的重疊面積變大。因此,實質上電容C1、電容C3與電容C2的電容值會稍稍下降,而電容C4的電容值 稍微上升。如此,處理模組4100判斷出第二基板1200在第二電極1400處是向正X軸方向偏移。並且,進一步的,依據前述電容的電容值變化,處理模組4100推估出對應的每個第一軸電極與第二軸電極相對於第二電極的重疊面積的變化,而能計算出偏移的距離。

而如第5C圖所示,當第二基板1200沿著正Y軸有偏移時,第二軸電極1320、第二軸電極1340與第一軸電極1330各自與第二電極1400的重疊面積變小,此外,第一軸電極1310與第二電極1400的重疊面積變大。因此,實質上電容C2、電容C3與電容C4的電容值會稍稍下降,而電容C1的電容值稍微上升。如此,處理模組4100判斷出第二基板1200在第二電極1400處是向正Y軸方向偏移。並且,進一步的,依據前述電容的電容值變化,處理模組4100推估出對應的每個第一軸電極與第二軸電極相對於第二電極的重疊面積的變化,而能計算出偏移的距離。

同樣的,參照前述方程式(1),當第二基板1200係於Z軸方向受力,而使第二電極1400與第一電極1300中各軸電極之間的距離減少。因此,處理模組4100得依據電容C1至電容C4的電容值上升程度,計算出第二基板1200在Z軸方向偏移的距離。

從上述可知,處理模組4100依據每對第一電極1300與第二電極1400的複數個電容值的變化,計算出陣列式 排列的複數個感應電極對分別的位置偏移。進一步來說,軟性介電質1220的楊氏係數(Young’s modulus)如果預先儲存於處理模組4100中,儲存於處理模組4100所連接的系統中,則處理模組4100得以進一步依據前述計算得到每對感應電極對所受到的應力大小及方向。其中,前述計算偏移與計算應力的方式,可以公式計算,亦可以表列儲存於處理模組4100中而讓處理模組4100以查表的方式完成。

此外,前述第一基板與第二基板、第一電極與第二電極的上下位置也可以互換。並且第二電極也可以具有如第一電極般的一個或複數個第一軸電極與一個或複數個第二軸電極。因此,處理模組可以依據第一電極中的各第一軸電極、各第二軸電極相對於第二電極中的各第一軸電極、各第二軸電極之間的電容變化,更精準的計算各對感應電極對彼此的相對位置偏移。

綜上所述,本發明所揭露的感測裝置,所述的各電極具有各自的信號線以連接至感測裝置中內嵌的處理模組或是感測裝置以外的處理模組。並且本發明所揭露的感測裝置不需要使用浮接(未連接至處理模組或特定參考電壓)的電極作為感應用的電容的一部分。因此得以陣列式地配置並且可以更精準的感應與估計每一對電極彼此的相對位置偏移。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內,所為之 更動與潤飾,均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1100、1200‧‧‧基板

1210‧‧‧本體

1220‧‧‧軟性介電質

1201‧‧‧第一面

1300‧‧‧第一電極

1310~1340‧‧‧軸電極

1400‧‧‧第二電極

1500、1600‧‧‧軸信號線

1700‧‧‧信號線

Claims (9)

  1. 一種感測裝置,其包含有:一第一基板;一第二基板,位於該第一基板上方,具有至少一復位結構;複數個第二電極,陣列式地位於該第二基板的第一面;複數組第一電極,陣列式地位於該第一基板,每一組第一電極對應於該些第二電極其中之一,並且每一組第一電極更包含有:至少一第一軸電極,與對應的該第二電極部分重疊;以及至少一第二軸電極,與對應的該第二電極部分重疊;複數條第一軸信號線,分別連接該些第一軸電極;複數條第二軸信號線,分別連接該些第二軸電極;以及複數條第二信號線,分別連接該些第二電極。
  2. 如請求項1所述的感測裝置,其中該至少一復位結構係一軟性介電質,夾設於該第二基板的本體與該第一基板之間。
  3. 如請求項1所述的感測裝置,其中該第二基板更包含有複 數個按壓部,該至少一復位結構係多個復位結構,該些復位結構環繞每一該按壓部,且該些第二電極位於該些按壓部。
  4. 如請求項1所述的感測裝置,其中該至少一復位結構係複數個復位結構,該些復位結構夾設於該第二基板的本體與該第一基板之間,並且該些復位結構鄰近於該些第二電極但不與該些第二電極重疊。
  5. 如請求項1所述的感測裝置,其中該些第一軸信號線與該些第二軸信號線不平行。
  6. 如請求項1所述的感測裝置,其中該些第二信號線與該些第一軸信號線不平行。
  7. 如請求項1所述的感測裝置,其中該些第二信號線與該些第二軸信號線不平行。
  8. 如請求項1所述的感測裝置,更包含有一處理模組,電性連接至該些第一軸信號線、該些第二軸信號線與該些第二信號線,用以依據該些第一軸信號線其中之一的信號、該些第二軸信號線其中之一的信號與該些第二信號線其中之一的信號,判斷該些第二電極其中之一的位移。
  9. 如請求項8所述的感測裝置,其中該處理模組更依據該位移計算對應的力值與力方向。
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