TWI607205B

TWI607205B - 壓力感測器

Info

Publication number: TWI607205B
Application number: TW105110466A
Authority: TW
Inventors: 林林; 陳煜東; 陳俊榮; 劉錦璋
Original assignee: 恆顥科技股份有限公司
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2017-12-01
Also published as: TW201736813A

Description

壓力感測器

本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種壓力感測器。

目前，常見的壓力感測器之一是採用電容結構作為感測器的基本架構，因此也可以稱為電容式壓力感測器。簡單來說，這類壓力感測器的設計是在上、下相對的兩基板上分別設置電極，並在兩上下相對的電極間填充介電材料(例如空氣)以形成一電容結構。當外部壓力施加於壓力感測器時，上下基板的間距會隨著縮減。兩電極之間的距離也會隨之縮減而改變兩電極之間的電容值，因此壓力感測器可由兩電極之間的電容值改變來回推得外部壓力的施加與否以及外部壓力的大小。

由於兩電極的間距變化量決定了量測到的電容變化。為了得到一個可供辨識的電容變化量，上下基板的間距變化必須夠大。然而，在壓力感測器的尺寸越設計越小的趨勢下，上、下基板之間的間距無法任意增加，這對壓力感測器的設計方式造成一些限制。

本發明中提供一種壓力感測器，具有較佳的感測靈敏度。

本發明提供一種電容式壓力感測器，其包括第一電極、與第一電極上下相對的第二電極以及設置在第一電極與第二電極間的介電結構。當電容式壓力感測器受一外部壓力時，第一電極與第二電極間的距離變小而壓縮介電結構，且改變介電結構的等效介電係數。

依據本發明的一實施例，上述介電結構為一多孔隙材料且多孔隙材料的孔隙體積率隨介電結構的壓縮程度而改變。

依據本發明的一實施例，上述介電結構為一非多孔隙材料，且非多孔隙材料的等效介電係數隨介電結構的體積變化而改變。

依據本發明的一實施例，介電結構在未經壓縮時的等效介電係數介於1.6法拉/公尺(F/m)至1.8F/m間。

依據本發明的一實施例，介電結構的等效介電係數在未經壓縮與經壓縮後的變化在2.0F/m至10.0F/m間。

依據本發明的一實施例，在-40℃至100℃的操作溫度下，未經壓縮的介電結構的等效介電係數的變化在2%或以下。

依據本發明的一實施例，介電結構與第一電極的接觸面積可隨所受外部壓力而改變或保持不變。在接觸面積隨所受外部壓力改變的狀況下，外部壓力越大則接觸面積越大。

依據本發明的一實施例，介電結構與第二電極的接觸面積保持一定。

依據本發明的一實施例，壓力感測器更包括一第一基板與一第二基板。第一基板與第二基板上下相對，第一電極配置於第一基板上，而第二電極配置於第二基板上。

依據本發明的一實施例，介電結構為一體成形的結構體。

依據本發明的一實施例，介電結構為多個層結構堆疊而成的結構體。

基於上述，本發明的壓力感測器在受一外部壓力時，除了第一電極與第二電極間的距離被改變，介電結構的等效介電係數或者介電結構與第一電極的接觸面積，或是上述兩者也可發生改變。因此，本發明實施例的壓力感測器中，兩電極之間的電容值變化量可以受到多種因素的影響，而有助於增加壓力感測器的靈敏度。

為讓本發明的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。

10、20‧‧‧電容式壓力感測器

100‧‧‧第一電極

102‧‧‧第二電極

104、204‧‧‧介電結構

106‧‧‧第一基板

108‧‧‧第二基板

A、A1、A1’、Ab‧‧‧接觸面積

C、C1、C1’‧‧‧電容

D、D1、D1’、D2、D2’‧‧‧距離

F‧‧‧手指

圖1A是依照本發明的第一實施例的壓力感測器未受外部壓力時的剖面示意圖。

圖1B是依照本發明的第一實施例的壓力感測器受外部壓力時的剖面示意圖。

圖2A是依照本發明的第二實施例的壓力感測器未受外部壓力時的剖面示意圖。

圖2B是依照本發明的第二實施例的壓力感測器受外部壓力時的剖面示意圖。

圖1A是依照本發明的第一實施例的壓力感測器未受外部壓力時的剖面示意圖。參照圖1A，電容式壓力感測器10包括一第一電極100、一設置與第一電極100上下相對的第二電極102及一設置在第一電極100與第二電極102間的介電結構104。具體而言，第一電極100與第二電極102可以分別配置於第一基板106與第二基板108上，且第一基板106與第二基板108上下相對。介電結構104將第一電極100與第二電極102之間彼此分隔一距離D，以避免第一電極100與第二電極102接觸而電性上直接連接。本實施中的第一電極100與第二電極102並不限定必須同時配置在第一基板106與第二基板108相對的表面，第一電極100與第二電極至少其中之一可以配置在第一基板106或第二基板108相對的另一表面上。

第一電極100與第二電極102可以是由導電材料所構成的片狀電極且第一電極100與第二電極102在第一基板106或第二基板108上的正投影面積彼此重疊。因此，第一電極100與第二電極102被施加電壓後，可在第一電極100與第二電極102之間形成一電容C。在一實施例中，第一電極100與第二電極102的材質可以為透明導電材料，或是非透明的導電材料。第一電極100與第二電極102可以藉由塗佈、沉積、印刷或是其他可以將導電材料形成於第一基板106與第二基板108上的方法來製作。

第一基板106與第二基板108可以為相同材料或是不同材料，且第一基板106與第二基板108至少一者可選擇性的具有可撓性。在一實施例中，用來製作第一基板106與第二基板108的材料包括塑膠材料、陶瓷材料、玻璃材料，或是由上述材料中的多種所構成的複合材料。

在本實施例中，介電結構104具備彈性。舉例而言，介電結構104的楊氏模數可以為6.35×10^-3MPa到3.2×10^-1MPa。當壓力感測器10受手指F或是其他物體按壓而造成的一外部壓力時，具有彈性的介電結構104會受到壓縮，使得第一電極100與第二電極102的距離D由原本的距離D1變小為圖1B所示的距離D1’。也就是說，第一電極100與第二電極102之間的距離D可以隨著外部壓力的增大而減小。另外，介電結構104被壓縮後，具有足夠的支撐性，可讓第一電極100與第二電極102維持彼此分離而不接觸。

在本實施例中，介電結構104可以是一體成形的結構體也可為多個層結構堆疊而成的結構體。同時，介電結構104的面積由第二電極102朝向第一電極100逐漸減小。壓力感測器10未被施加外部壓力下，介電結構104接觸於第一電極100的接觸面積A為接觸面積A1。壓力感測器10受到外部壓力之後，介電結構104接觸於第一電極100的接觸面積A將由接觸面積A1改變為接觸面積A1’。也就是說，接觸面積A可以隨著外部壓力的增大而增加。另外，介電結構104接觸於第二電極102的接觸面積Ab則可以保持一定。

本實施例的介電結構104的等效介電係數(ε)在未經壓縮時為1.6F/m至1.8F/m。同時，介電結構104的等效介電係數會隨著外部壓力的施加而改變。在一實施例中，介電結構104的等效介電係數在未經壓縮與經壓縮後的變化範圍在2.0F/m至10.0F/m。另外，為了使壓力感測器10在操作過程中保持穩定而不因溫度因素產生誤差，在-40℃至100℃的操作溫度下，未經壓縮的介電結構104的等效介電係數的變化在2%或以下。

在一實施例中，壓力感測器10的介電結構104的材料可以包括多孔隙材料，且多孔隙材料的孔隙可與外界連通。因此，多孔隙材料的孔隙體積率可隨介電結構104的壓縮程度越大而減少，這使得介電結構104的等效介電係數也會隨著外部壓力的增大而增加。舉例來說，可以用來製作介電結構104的多孔性材料包括矽膠(silicone rubber or polydimethylsiloxane)、或其他聚脂類高分子。在其他實施例中，壓力感測器10的介電結構104的材料可以是非多孔隙材料，且非多孔隙材料的等效介電係數可以隨介電結構104的體積變化而改變。舉例來說，可以用來製作介電結構104的非多孔性材料包括液晶。

由介電結構104、第一電極100與第二電極102所形成的電容C的大小可經由以下等式一獲得。

[等式一]電容(C)=ε(等效介電常數)×A(接觸面積)/D(距離)

其中，ε(等效介電常數)意指介電結構104的等效介電常數；A(接觸面積)意指第一電極100與介電結構104的接觸面積；並且D(距離)意指第一電極100與第二電極102間的距離。

由等式一可知，在外部壓力施加之下，介電結構104、第一電極100與第二電極102之間的電容C將因為距離D、接觸面積A以及介電結構104的等效介電係數(ε)發生改變而由電容C1改變為圖1B所示的電容C1’。壓力感測器10便可以依據電容C1’與電容C1之間的差值來判斷外部壓力是否有施加以及估計外部壓力的大小。

由於電容C的大小正比於接觸面積A以及介電結構104的等效介電常數，且與距離D成反比。同時，在本實施例中，外部壓力的施加會使得距離D減小、接觸面積A增加以及介電結構104的等效介電係數(ε)增加。因此，本實施例的壓力感測器10中，電容C的變化率可由等式二來表示。

[等式二]△C/C~△ε/ε+△A/A+△D/D

其中，△C意指電容值的增加量；△ε意指等效介電常數的增加量；△A意指接觸面積的增加量；△D意指第一電極100與第二電極102間的距離D的減少量。

由等式二可知，介電結構104、第一電極100與第二電極102間的電容C的變化程度因為受到多種因素的改變而可以更為顯著。相較於傳統的電容結構中，電容值僅受到兩電極之間的距離變化影響而言，本實施例的壓力感測器10可以在相同的距離變化量下感測到更顯著的電容值變化。也就是說，本實施例的壓力感測器10具有更為靈敏的感測能力。

圖2A及圖2B為第二實施例的壓力感測器未受外部壓力以及受外部壓力時的剖面示意圖。由圖2A與圖2B可知，電容式壓力感測器20包括第一基板106、與第一基板106上下相對的第二基板108、配置於第一基板106上的第一電極100、配置於第二基板108上的第二電極102、位於第一電極100與第二電極102之間的介電結構204。在本實施例的壓力感測器20中，介電結構204與第一電極100的接觸面積A保持固定而不隨所受外部壓力而改變。另外，本實施例中其他構件的具體結構可以參照前述實施例，於此不再贅述。

參照圖2A及2B，在電容式壓力感測器20受外部壓力時，第一電極100與第二電極102間的距離D會由未受力時的距離D2縮短至受力後的距離D2’。並且，在本實施例中，介電結構204的等效介電係數也會因受壓縮而改變，例如介電結構204的等效介電係數因介電結構204被壓縮而增加。因此，由上述公式一與公式二可知當受外部壓力時壓力感測器20所感測到的電容值至少隨著距離D與介電結構204的等效介電係數而變化，而也有助於增加壓力感測器20所感測到的電容值變化。換言之，壓力感測器20具有靈敏的感測能力。

綜上所述，在本發明實施例之壓力感測器中，設置於第一電極與第二電極之間的介電結構具有可變等效介電係數。尤其是，介電結構的等效介電係數可以因為介電結構受到壓縮而改變。因此，第一電極與第二電極之間的電容值變化不只受到兩電極間的距離影響，還至少受到介電結構的等效介電係數變化而影響。如此一來，壓力感測器感測到的電容變化變得顯著，而有助於提高感測靈敏度。另外，在一些實施例的壓力感測器中，介電結構接觸於電極的面積也可以改變，而也有助於增加壓力感測器感測到的電容值變化量，以更進一步提升壓力感測器的性能。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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。

10：電容式壓力感測器 100：第一電極 102：第二電極 104：介電結構 106：第一基板 108：第二基板 A、A1、Ab：接觸面積 C、C1：電容 D、D1：距離

Claims

一種壓力感測器，包括：一第一電極；一第二電極，與該第一電極上下相對；以及一介電結構，設置於該第一電極與該第二電極之間，其中當該電容式壓力感測器受一外部壓力時，該第一電極與該第二電極的一距離變小而壓縮該介電結構，且改變該介電結構的等效介電係數，且該介電結構與該第一電極的接觸面積隨該外部壓力而改變，且該外部壓力越大則該接觸面積越大。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構為一多孔隙材料，該多孔隙材料的孔隙體積率隨該介電結構的壓縮程度而改變。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構為一非多孔隙材料，且該非多孔隙材料的該等效介電係數隨該介電結構的體積變化而改變。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構在未經壓縮時的等效介電係數介於1.6F/m至1.8F/m間。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構的等效介電係數在未經壓縮與經壓縮後的變化在2.0F/m至10.0F/m間。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中在-40℃至100℃的操作溫度下，未經壓縮的該介電結構的等效介電係數的變化率在2%或以下。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構與該第二電極的接觸面積保持一定。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，更包括一第一基板與一第二基板，該第一基板與該第二基板上下相對，該第一電極配置於該第一基板上，而該第二電極配置於該第二基板上。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構為一體成形的結構體。
如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電結構為多個層結構堆疊而成的結構體。