TWI612654B - 壓力陣列感測模組及其製造方法及應用其之監測系統及方法 - Google Patents

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TWI612654B
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Abstract

一種壓力陣列感測模組，包括一陣列電極板、複數個壓力感測元件、至少一第一導通結構以及至少一第二導通結構。陣列電極板包括一基板及一陣列電極。陣列電極配置於基板上，陣列電極具有一第一電極圖案以及一第二電極圖案。各壓力感測元件配置於陣列電極板的感測位置上。各個壓力感測元件包括一上電極層、一下電極層及至少一壓力感測層。上電極層具有一第一電極接腳，下電極層具有一第二電極接腳。壓力感測層配置於上電極層與下電極層之間。第一導通結構電性連接於各個第一電極接腳與相對應之第一電極圖案之間。第二導通結構電性連接於各個第二電極接腳與相對應之第二電極圖案之間。

Description

壓力陣列感測模組及其製造方法及應用其之監測系統及方 法
本申請是有關於一種感測模組及系統，且特別是有關於一種壓力陣列感測模組及其製造方法以及應用其之監測系統及方法。
壓力感測器主要是偵測使元件產生應變的壓力。壓力陣列感測技術可用於辨識元件受壓時的壓力分佈、幾何梯度等變化。例如：應用於鞋墊以偵測人體足部壓力分佈，應用於床墊以偵測人睡眠時的壓力分佈與重心軌跡。
目前常見的薄形壓力陣列感測模組所採用的網印製程大多為三道：需事先依照應用需求設計陣列電極圖案，並製作電極層、壓力感測層以及黏著層等三道製程的網板，再以三次網印流程壓印電極層、壓力感測層以及黏著層等元件於基板上，並進行元件對位及組合，以製作出壓力陣列感測模組。然而，當感測元件的密度需要客製化或異動調整時，就必須重新設計製作所 有的網板，重新完成三次網印流程。每一次設計變更時就需須花費可觀的時間與成本，故無法減少生產的時間及成本。
本申請係有關於一種壓力陣列感測模組及其製造方法，用以解決先前技術的問題。
本申請係有關於一種應用壓力陣列感測模組之監測系統及方法，例如是用於分析物件表面碰撞或接觸之監測系統及方法。
根據本申請之一方面，提出一種壓力陣列感測模組，包括一陣列電極板、複數個壓力感測元件、至少一第一導通結構以及至少一第二導通結構。陣列電極板包括一基板及一陣列電極。陣列電極配置於基板上，陣列電極具有一第一電極圖案以及一第二電極圖案。各壓力感測元件配置於陣列電極板的感測位置上。各個壓力感測元件包括一上電極層、一下電極層及至少一壓力感測層。上電極層具有一第一電極接腳，下電極層具有一第二電極接腳。壓力感測層配置於上電極層與下電極層之間。第一導通結構電性連接於各個第一電極接腳與相對應之第一電極圖案之間。第二導通結構電性連接於各個第二電極接腳與相對應之第二電極圖案之間。
根據本申請之一方面，提出一種壓力陣列感測模組的製造方法，包括下列步驟。形成一陣列電極於一基板上，陣列電極具有一第一電極圖案以及一第二電極圖案。配置複數個壓力 感測元件於基板上，各個壓力感測元件具有一上電極層、一下電極層以及位於上電極與下電極之間的至少一壓力感測層。以至少一第一導通結構電性連接各個上電極層的電極接腳與相對應的第一電極圖案之間。以至少一第二導通結構電性連接各個下電極層的電極接腳與相對應的第二電極圖案之間。
根據本申請之一方面，提出一種監測系統，包括上述之壓力陣列感測模組、一控制模組以及一電壓檢測單元。控制模組包括一第一切換電路、一第二切換電路以及一電壓檢測單元。第一切換電路包括一第一並聯開關，第一並聯開關可同時電性連接自陣列電極延伸至第一切換電路的多個第一訊號電路，以使此些第一訊號電路相互並聯。第二切換電路包括一第二並聯開關，第二並聯開關可同時電性連接自陣列電極延伸至第二切換電路的多個第二訊號電路，以使此些第二訊號電路相互並聯。電壓檢測單元，具有一輸入端以及一輸出端，輸入端經由第一切換電路電性連接此些第一訊號電路，輸出端經由第二切換電路電性連接此些第二訊號電路，輸入端具有一輸入電壓，輸出端具有一輸出電壓，電壓檢測單元根據輸入電壓與輸出電壓檢測此些壓力感測元件並聯連接於此些第一訊號電路與此些第二訊號電路之間的一等效電阻。
根據本申請之一方面，提出一種感測系統，包括上述之壓力陣列感測模組以及一控制模組。控制模組包括一第一切換電路、一第二切換電路以及一電壓檢測單元。第一切換電路具 有一第一掃描開關，第一掃描開關選擇性地電性連接自陣列電極延伸至第一切換電路的多個第一訊號電路之一。第二切換電路具有一第二掃描開關，第二掃描開關選擇性地電性連接自陣列電極延伸至第二切換電路的多個第二訊號電路之一。電壓檢測單元具有一輸入端以及一輸出端，輸入端經由第一切換電路電性連接此些第一訊號電路之一被選擇者，輸出端經由第二切換電路電性連接此些第二訊號電路之一被選擇者，輸入端具有一輸入電壓，輸出端具有一輸出電壓，電壓檢測單元根據輸入電壓與輸出電壓檢測位於被選擇的第一訊號電路與被選擇的第二訊號電路的交叉位置上的一相對應之壓力感測元件的一電阻。
根據本申請之一方面，提出一種感測系統，包括一壓力陣列感測模組以及一控制模組。壓力陣列感測模組設置於一物件表面上。控制模組用以對壓力陣列感測模組進行一碰撞檢測迴圈或進行一自我檢測迴圈。當控制模組選擇以上述之監測系統進行碰撞檢測迴圈時，碰撞檢測迴圈用以檢測此些壓力感測元件之等效電阻相對於一初始等效電阻的變化量。或者，當控制模組選擇以上述之監測系統進行自我檢測迴圈時，自我檢測迴圈用以檢測掃描後此些壓力感測元件的各個電阻相對於一電阻參考值的變化量。碰撞檢測迴圈的第一並聯開關與自我檢測迴圈的第一掃描開關共用此些第一訊號電路，但不會同時使用。碰撞檢測迴圈的第二並聯開關與自我檢測迴圈的第二掃描開關共用此些第二訊號電路，但不會同時使用。
根據本申請之一方面，提出一種監測方法，包括下列步驟。提供一控制模組以及一壓力陣列感測模組，壓力陣列感測模組設置於一物件表面上。決定控制模組對壓力陣列感測模組進行一碰撞檢測迴圈或進行一自我檢測迴圈。當控制模組選擇以上述之監測系統進行碰撞檢測迴圈時，碰撞檢測迴圈用以檢測此些壓力感測元件之等效電阻相對於一初始等效電阻的變化量。或者，當控制模組選擇以上述之監測系統進行自我檢測迴圈時，自我檢測迴圈用以檢測掃描後此些壓力感測元件的各個電阻相對於一電阻參考值的變化量。碰撞檢測迴圈的第一並聯開關與自我檢測迴圈的第一掃描開關共用此些第一訊號電路，但不會同時使用。碰撞檢測迴圈的第二並聯開關與自我檢測迴圈的第二掃描開關共用此些第二訊號電路，但不會同時使用。
為了對本申請之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100、200‧‧‧壓力陣列感測模組
110、210‧‧‧陣列電極板
111‧‧‧感測位置
112、212‧‧‧基板
113‧‧‧陣列電極
114‧‧‧第一電極圖案
115‧‧‧第二電極圖案
116‧‧‧第三電極圖案
117‧‧‧第四電極圖案
118‧‧‧第一訊號電路
119‧‧‧第二訊號電路
120、220‧‧‧壓力感測元件
121、221‧‧‧上電極層
122、222‧‧‧下電極層
123、223‧‧‧壓力感測層
124‧‧‧第一電極接腳
125‧‧‧第二電極接腳
126‧‧‧第三電極接腳
127‧‧‧第四電極接腳
128、129‧‧‧電極接腳
131‧‧‧第一導通結構
132‧‧‧第二導通結構
133‧‧‧第三導通結構
134‧‧‧第四導通結構
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧第三方向
D4‧‧‧第四方向
214~217‧‧‧電極圖案
224‧‧‧上基板
225‧‧‧下基板
226、227‧‧‧電極接腳
228‧‧‧接合部
H1‧‧‧第一貫穿孔
H2‧‧‧第二貫穿孔
H3‧‧‧第三貫穿孔
231、232‧‧‧垂直導通元件
233‧‧‧導通結構
300、400、500‧‧‧控制模組
310、410、510‧‧‧第一切換電路
320、420、520‧‧‧第二切換電路
330、430、530‧‧‧電壓檢測單元
311、321‧‧‧並聯開關
411、421‧‧‧掃描開關
511‧‧‧第一並聯開關
521‧‧‧第二並聯開關
512‧‧‧第一掃描開關
522‧‧‧第二掃描開關
Ux、Sx‧‧‧輸入端
Uy、Sy‧‧‧輸出端
V‧‧‧電力源
Rf‧‧‧參考電阻
RS‧‧‧等效電阻
Rso‧‧‧初始等效電阻
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
A‧‧‧第一分支端點
B‧‧‧第二分支端點
X1、X2、X3‧‧‧訊號線
Y1、Y2‧‧‧訊號線
第1A圖繪示依照一實施例之壓力陣列感測模組的示意圖。
第1B圖繪示一壓力感測元件的結構分解圖。
第2A圖繪示依照一實施例之陣列電極板的示意圖。
第2B圖繪示一壓力感測元件的結構分解圖。
第2C圖繪示複數個壓力感測元件配置於陣列電極板的示意圖。
第3圖繪示第2B圖之壓力感測元件組合後之上視圖。
第4A圖繪示第3圖之沿A-A線的剖面圖。
第4B圖繪示第3圖之沿B-B線的剖面圖。
第5A圖繪示第2C圖之沿C-C線的剖面圖。
第5B圖繪示第2C圖之沿D-D線的剖面圖。
第5C圖繪示另一實施例之導通結構的剖面圖。
第6A及6B圖繪示依照一實施例之控制模組的示意圖及等效電路圖。
第7A及7B圖繪示依照一實施例之控制模組的示意圖及等效電路圖。
第8圖繪示依照一實施例之控制模組的示意圖。
第9圖繪示依照一實施例之碰撞檢測迴圈與自我檢測迴圈的檢測流程示意圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本申請欲保護之範圍。
第一實施例
請參照第1A及1B圖，其中第1A圖繪示依照一實施例之壓力陣列感測模組100的示意圖，第1B圖繪示一壓力感測元件120的結構分解圖。
在一實施例中，壓力陣列感測模組100包括一陣列電極板110、複數個壓力感測元件120(僅繪示其一)、第一導通結構131以及第二導通結構132。各個壓力感測元件120可藉由 第一導通結構131與第二導通結構132電性連接陣列電極板110。
如第1A圖所示，陣列電極板110包括一基板112以及一陣列電極113。陣列電極113配置於基板112之一側或相對兩側，其電極例如以網印流程壓印在基板112上。陣列電極113具有多個電極圖案114~117，此些電極圖案的電路佈局可依照客製化需求變更設計。基板112例如是撓性絕緣薄膜或是印刷電路板，而陣列電極113配置於各感測位置111的周圍。
在一實施例中，當陣列電極113配置於基板112的相對兩側時，各側的感測位置111可根據陣列電極113的位置改變而改變，以使相對兩側的感測位置111錯開。因此，更多壓力感測元件120可配置於陣列電極板110上，以增加感測密度(即單位面積的元件數量增加)。
在第1A圖中，各個壓力感測元件120配置於陣列電極板110的感測位置111(例如有6個感測位置111)上，也就是在此些電極圖案所定義的空格位置上。由於壓力感測元件120為獨立的元件，即使電極圖案依照客製化需求變更設計，但壓力感測元件120可於獨立製作完成之後，才配置於電極圖案所定義的感測位置111上，因此可輕易地依照客製化需求改變各壓力感測元件120的位置或密度分佈，不需重新製作網版，也不需重新進行感測元件的網印流程，以節省生產的時間及成本。
在第1A圖中，陣列電極113可包括一第一電極圖案114、一第二電極圖案115、一第三電極圖案116以及一第四電 極圖案117。第一電極圖案114延伸於二感測位置111之間，以做為相對應位置上之二壓力感測元件120之間相互導通的線路。此外，第二電極圖案115延伸於二感測位置111之間，以做為相對應位置上之二壓力感測元件120之間相互導通的線路。第一電極圖案114與第二電極圖案115的延伸方向例如正交、非垂直相交或相互平行。第1A圖僅繪示第一電極圖案114與第二電極圖案115正交，但本申請對此不加以限制。
在第1A圖中，第一電極圖案114與第三電極圖案116的延伸方向相互平行，而第二電極圖案115與第四電極圖案117的延伸方向相互平行。在另一實施例，第一電極圖案114與第三電極圖案116的延伸方向不平行，例如第1B圖所示，第一電極圖案114的延伸方向平行於第一方向D1，當第三電極圖案116的延伸方向由原先平行於第一方向D1改為平行於第三方向D3時，第一電極圖案114與第三電極圖案116不在同一延伸方向上。此外，例如第1B圖所示，第二電極圖案115的延伸方向平行於第二方向D2，當第四電極圖案117的延伸方向由原先平行於第二方向D2改為平行於第四方向D4時，第二電極圖案115與第四電極圖案117不在同一延伸方向上。由於可知，上述電極圖案114~117的方位可調整。
請參照第1B圖，壓力感測元件120包括一上電極層121、一下電極層122以及至少一壓力感測層123。上電極層121具有一第一電極接腳124，第一電極接腳124與第一電極圖 案114的位置相對應，以使第一電極接腳124與第一電極圖案114在垂直方向(基板112的法線方向)上彼此重疊。此外，下電極層122具有一第二電極接腳125，第二電極接腳125與第二電極圖案115的位置相對應，以使第二電極接腳125與第二電極圖案115在垂直方向(基板112的法線方向)上彼此重疊。壓力感測層123配置於上電極層121與下電極層122之間，以使上電極層121、壓力感測層123與下電極層122在垂直方向(基板112的法線方向)上彼此重疊。
在第1B圖中，各個壓力感測元件120的第一電極接腳124與第一電極圖案114之間藉由第一導通結構131電性連接，而第二電極接腳125與第二電極圖案115之間藉由第二導通結構132電性連接。因此，相鄰二個壓力感測元件120之間可藉由第一電極圖案114以及位於第一電極圖案114兩端的二個第一導通結構131電性連接並串接在一起，以達到模組化的要求。此外，相鄰二個壓力感測元件120之間可藉由第二電極圖案115以及位於第二電極圖案115兩端的二個第二導通結構132電性連接並串接在一起，以達到模組化的要求。
在第1B圖中，上電極層121還可具有一第三電極接腳126，第三電極接腳126與第三電極圖案116的位置相對應，以使第三電極接腳126與第三電極圖案116在垂直方向(基板112的法線方向)上彼此重疊。此外，下電極層122還可具有一第四電極接腳127，第四電極接腳127與第四電極圖案117的位置相 對應，以使第四電極接腳127與第四電極圖案117在垂直方向(基板112的法線方向)上彼此重疊。
在第1B圖中，各個壓力感測元件120的第三電極接腳126與第三電極圖案116之間還可藉由第三導通結構133電性連接，而第四電極接腳127與第四電極圖案117之間藉由第四導通結構134電性連接。因此，各個壓力感測元件120的上電極層121可分別藉由第一導通結構131與第三導通結構133串接於第一電極圖案114與第三電極圖案116之間，以達到模組化的要求。此外，各個壓力感測元件120的下電極層122可分別藉由第二導通結構132與第四導通結構134串接於第二電極圖案115與第四電極圖案117之間，以達到模組化的要求。
在第1B圖中，除了利用上述的第一電極接腳124與第三電極接腳126，上電極層121可利用另外的電極接腳128來取代上述的第一電極接腳124及/或第三電極接腳126，以電性連接位於不同方位上的第一電極圖案114及/或第三電極圖案116。也就是說，當第一電極圖案114及/或第三電極圖案116的方位改變時，可藉由相對應的電極接腳128(成對或其中一個)來連接方位改變後的第一電極圖案114及/或第三電極圖案116。因此，不需重新製作新的壓力感測元件120，以節省生產成本。在另一實施例中，上述的第一電極接腳124與第三電極接腳126亦可與另二電極接腳128同時使用、交互使用或從上述的四個電極接腳當中選擇其中一個、二個或三個來使用，本申請對此不加 以限制。
同樣，在第1B圖中，除了利用上述的第二電極接腳125與第四電極接腳127，下電極層122可利用另外的電極接腳129來取代上述的第二電極接腳125及/或第四電極接腳127，以電性連接位於不同方位上的第二電極圖案115及/或第四電極圖案117。也就是說，當第二電極圖案115及/或第四電極圖案117的方位改變時，可藉由相對應的電極接腳129(成對或其中一個)來連接方位改變後的第二電極圖案115及/或第四電極圖案117。因此，不需重新製作新的壓力感測元件120，以節省生產成本。在另一實施例中，上述的第二電極接腳125與第四電極接腳127亦可與另二電極接腳129同時使用、交互使用或從上述的四個電極接腳當中選擇其中一個、二個或三個來使用，本申請對此不加以限制。
第二實施例
請同時參照第2A~2C圖，其中第2A圖繪示依照一實施例之陣列電極板210的示意圖，第2B圖繪示壓力感測元件220的結構剖面圖，而第2C圖繪示複數個壓力感測元件220配置於陣列電極板210的示意圖。在第2B圖中，壓力感測元件220包括一上基板224、一上電極層221、至少一壓力感測層223、一下電極層222、一下基板225以及複數個接合部228，其中接合部228彼此間隔並圍成一圓弧形，用以接合上基板224與下基板225，以使上電極層221、壓力感測層223以及下電極層222堆疊 於上基板224與下基板225之間。此外，上電極層221及下電極層222的電極接腳226、227可通過相鄰二接合部228之間的間隙，如第3圖所示。
請參照第3圖以及第4A及4B圖，其中第3圖繪示第2B圖之壓力感測元件220組合後之上視圖，而第4A圖繪示第3圖之沿A-A線的剖面圖，第4B圖繪示第3圖之沿B-B線的剖面圖。為了清楚表示各組件的結構關係，上基板224與下基板225以虛線表示。
在第2A圖中，多個第一貫穿孔H1形成於陣列電極板210上，並同時貫穿各個電極圖案214~217及基板212。此外，在第2B、3及4A-4B圖中，多個第二貫穿孔H2以及第三貫穿孔H3形成於壓力感測元件220上，其中第二貫穿孔H2同時貫穿上基板224、上電極層221以及下基板225，而第三貫穿孔H3同時貫穿上基板224、下電極層222以及下基板225。第二貫穿孔H2與第三貫穿孔H3的位置與陣列電極板210的第一貫穿孔H1的位置相對應。
也就是說，如第3圖所示，第二貫穿孔H2對應貫穿上電極層221的電極接腳226，而第三貫穿孔H3對應貫穿下電極層222的電極接腳227。其中，上電極層221的電極接腳226可為上述的第一電極接腳124與第三電極接腳126或另二電極接腳128，而下電極層222的電極接腳227可為上述的第二電極接腳125與第四電極接腳127或另二電極接腳129。
請參照第5A圖，其繪示第2C圖之沿C-C線的剖面圖。在第2C圖中，多個垂直導通元件231貫穿壓力感測元件220的第二貫穿孔H2(參見第4A圖)與相對應的陣列電極板210的第一貫穿孔H1(參見第2A圖)，以組成一壓力陣列感測模組200。在第5A圖中，各個垂直導通元件231依序由上而下貫穿上基板224、上電極層221、下基板225、電極圖案214以及基板212，並使上電極層221與電極圖案214垂直導通。因此，相鄰二壓力感測元件220可藉由一電極圖案214以及位於電極圖案214兩端的二個垂直導通元件231電性連接並串接在一起，以達到模組化的要求。同樣的做法亦可用在電極圖案216上，在此不再贅述。
電極圖案214可為上述的第一電極圖案114或第三電極圖案116，而垂直導通元件231可為上述的第一導通結構131或第三導通結構133。
請參照第5B圖，其繪示第2C圖之沿D-D線的剖面圖。在第2C圖中，多個垂直導通元件232貫穿壓力感測元件220的第三貫穿孔H3(參見第4B圖)與相對應的陣列電極板210的第一貫穿孔H1(參見第2A圖)，以組成一壓力陣列感測模組200。在第5B圖中，各個垂直導通元件232依序由上而下貫穿上基板224、下電極層222、下基板225、電極圖案217以及基板212，並使下電極層222與電極圖案217垂直導通。因此，相鄰二壓力感測元件220可藉由一電極圖案217以及位於電極圖案217兩端的二個垂直導通元件232電性連接並串接在一起，以達到模組化 的要求。同樣的做法亦可用在電極圖案215上，在此不再贅述。
電極圖案217可為上述的第二電極圖案115或第四電極圖案117，而垂直導通元件232可做為上述的第二導通結構132或第四導通結構134。垂直導通元件231、232的材質可為金屬、合金、錫膏或異方性導電材料等。當垂直導通元件231、232為導電膠或錫膏時，導電膠或錫膏穿過貫穿孔並固化成柱狀體，以使壓力感測元件220與陣列電極板210緊密接合為一體。
接著，請參照第5C圖，其繪示另一實施例之導通結構233的剖面示意圖。導通結構233可為錫膏、導電膠之類的導電材料或導電片，以做為電極圖案214與上電極層221之間或電極圖案217與下電極層222電性傳輸的媒介。導通結構233可做為上述的第一導通結構131、第二導通結構132、第三導通結構133或第四導通結構134。
在一未繪示的實施例中，當導通結構233為導電片時，利用電極接腳延伸至基板212邊緣處的電極圖案，再以導電片夾持或固定電極接腳及相對應的電極圖案，亦可達到電性連接的功效。
請參照第6A及6B圖，其繪示依照一實施例之控制模組300的示意圖及等效電路圖。此控制模組300可用於利用壓力陣列感測模組100對物件表面進行偵測之監測系統中，例如監測物件表面是否發生碰撞或接觸。控制模組300用以電性連接壓力陣列感測模組100。有關壓力陣列感測模組100的細部結構， 請參照第1A及1B圖，在此不再詳述。
請參照第6A圖，在本實施例中，控制模組300包括一第一切換電路310、一第二切換電路320以及一電壓檢測單元330。第一切換電路310的並聯開關311可同時電性連接自陣列電極113向外延伸到第一切換電路310的多個第一訊號電路118(以三條訊號線為例)，以使第一訊號電路118相互並聯，且電性連接第一訊號電路118的各壓力感測元件120之上電極層也能相互導通。第二切換電路320的並聯開關321可同時電性連接自陣列電極113向外延伸到第二切換電路320的多個第二訊號電路119(以二條訊號線為例)，以使第二訊號電路119相互並聯，且電性連接第二訊號電路119之各壓力感測元件120之下電極層也能相互導通。因此，當第一切換電路310的並聯開關311導通此些第一訊號電路118，且第二切換電路320的並聯開關321導通此些第二訊號電路119時，各個壓力感測元件120將可並聯連接於此些第一訊號電路118與此些第二訊號電路119之間，並產生一等效電阻。
在第6A圖中，電壓檢測單元330包括一輸入端Ux、一輸出端Uy以及一電力源V。此電力源V連接輸入端Ux，以產生一輸入電壓Vin。輸入端Ux經由第一切換電路310電性連接此些第一訊號電路118，而輸出端Uy經由第二切換電路320電性連接此些第二訊號電路119。
在第6B圖中，以RS表示壓力感測元件120並聯後 之等效電阻，Rf表示電壓檢測單元330內的參考電阻，Vin表示電壓檢測單元330的輸入電壓，Vout表示電壓檢測單元330的輸出電壓。在本實施例中，電壓檢測單元330的輸出電壓Vout與此些壓力感測元件120並聯後之等效電阻RS有關，當等效電阻增加時，輸出電壓相對減少；當等效電阻減少時，輸出電壓相對增加。因此，可藉由量測輸出電壓的大小，再以分壓的原理來計算壓力感測元件120並聯後之等效電阻RS。一旦等效電阻超過預定的參考值或有明顯的變化，即可判定發生物件表面碰撞或接觸的情形。
此外，請參照第7A及7B圖，其繪示依照一實施例之控制模組400的示意圖及等效電路圖。此控制模組400可用於對壓力陣列感測模組100進行自我偵測或診斷之監測系統中。此控制模組400用以電性連接壓力陣列感測模組100。有關壓力陣列感測模組100的細部結構，請參照第1A及1B圖，在此不再詳述。在本實施例中，控制模組400包括一第一切換電路410、一第二切換電路420以及一電壓檢測單元430。電壓檢測單元430包括一輸入端Sx、一輸出端Sy以及一電力源V。此電力源V連接輸入端Sx，以產生一輸入電壓Vin。
第一切換電路410的掃描開關411選擇性地電性連接自陣列電極113向外延伸至第一切換電路410的多個第一訊號電路118之一，也就是電性連接與該第一訊號電路118相對應連接之一壓力感測元件120之上電極層。第二切換電路420的掃描 開關421選擇性地電性連接自陣列電極113向外延伸至第二切換電路420的多個第二訊號電路119之一，也就是電性連接與該第二訊號電路119相對應連接之一壓力感測元件120之下電極層。因此，當第一切換電路410的掃描開關411導通此些第一訊號電路118之一被選擇者，且第二切換電路420的掃描開關421導通此些第二訊號電路119之一被選擇者時，位於該被選擇的第一訊號電路118與該被選擇的第二訊號電路119的交叉位置上的一相對應之壓力感測元件120將被電性導通，並產生一電阻。例如第7A圖中，X1、X2、X3表示做為第一訊號電路118的三條訊號線，Y1、Y2表示做為第二訊號電路119的二條訊號線。當訊號線X1與訊號線Y2被選擇時，位於交叉位置(X1,Y2)上的壓力感測元件120被導通；當訊號線X3與訊號線Y1被選擇時，位於交叉位置(X3,Y1)上的壓力感測元件120被導通。
在第7B圖中，以Rp表示各壓力感測元件120被檢測時之電阻，Rf表示電壓檢測單元430內的參考電阻，Vin表示電壓檢測單元430的輸入電壓，Vout表示電壓檢測單元430的輸出電壓。在本實施例中，電壓檢測單元430的輸出電壓Vout與被導通之壓力感測元件120之電阻Rp有關，當電阻增加時，則輸出電壓相對減少；當電阻減少時，則輸出電壓相對增加。因此，可藉由切換第一與第二切換電路410、420的開關位址，依序檢查每一個壓力感測元件120，並量測輸出電壓的大小，再以分壓的原理來計算被導通之各壓力感測元件120之各個電阻。一旦電阻 量測值超過預定的電阻參考值或有顯著的變化，則可判定該壓力感測元件120之電阻發生失效。
此外，請參照第8圖，其繪示依照一實施例之控制模組500的示意圖，此控制模組500可選擇性地用於利用壓力陣列感測模組100對物件表面進行偵測之監測系統中，例如監測物件表面是否發生碰撞或接觸，此控制模組500也可選擇性地用於對壓力陣列感測模組100之自我偵測或診斷之監測系統中。在本實施例中，控制模組500將上述兩個獨立的監測系統所需要的切換電路及掃描電路整合在一起，因此控制模組500只要連接同一組的訊號電路即可，不需設計兩組獨立的訊號電路，以簡化電路佈局。
控制模組500包括一第一切換電路510、一第二切換電路520以及一電壓檢測單元530，也就是將第6A圖之控制模組300與第7A圖之控制模組400合併為第8圖之控制模組500。第一切換電路510包括一第一並聯開關511以及一第一掃描開關512，第二切換電路520包括一第二並聯開關521以及一第二掃描開關522。第一並聯開關511可同時連接此些第一訊號電路118之多個第一分支端點A，以使第一訊號電路118相互並聯，而第一掃描開關512可各別導通於此些第一訊號電路118之多個第二分支端點B，但第一並聯開關511與第一掃描開關512不會同時使用。因此，第一訊號電路118中的每一訊號線皆有第一分支端點A以及第二分支端點B，以使第一並聯開關511與第一掃描開 關512共用相同的第一訊號電路118。
此外，第二並聯開關521可同時連接此些第二訊號電路119之多個第一分支端點A，以使第二訊號電路119相互並聯，而第二掃描開關522可各別導通於此些第二訊號電路119之多個第二分支端點B，但第二並聯開關521與第二掃描開關522不會同時使用。因此，第二訊號電路119中的每一訊號線皆有第一分支端點A以及第二分支端點B，以使第二並聯開關521與第二掃描開關522共用相同的第二訊號電路119。
在一實施例中，當控制模組500使用第一並聯開關511以及第二並聯開關521時，第一掃描開關512與第二掃描開關522被控制模組500禁能而不會作動。反之，當控制模組500使用第一掃描開關512與第二掃描開關522時，第一並聯開關511以及第二並聯開關521被控制模組500禁能而不會作動。因此，第一並聯開關511與第一掃描開關512不會同時使用，而第二並聯開關521與第二掃描開關522不會同時使用。
有關第一並聯開關511以及第二並聯開關521的操作方式，請參照第6A及6B圖之說明，以使壓力感測元件120並聯後之等效電阻能被監測系統的一碰撞檢測迴圈即時偵測，一旦等效電阻超過預定的參考值或有明顯的變化，即可判定發生物件表面碰撞或接觸的情形。在第8圖中，Vout_U表示電壓檢測單元530進行碰撞檢測時的輸出電壓。
有關第一掃描開關512以及第二掃描開關522的操 作方式，請參照第7A及7B圖之說明，以使定址掃描而被導通之各壓力感測元件120之電阻能被監測系統的一自我檢測迴圈偵測，一旦電阻量測值超過預定的電阻參考值或有顯著的變化，則可判定該壓力感測元件120之電阻發生失效。在第8圖中，Vout_S表示電壓檢測單元530進行自我檢測時的輸出電壓。
以下是根據一實施例之碰撞檢測迴圈與自我檢測迴圈的檢測流程示意圖，相關的元件如上所述，在此不再贅述。請參照第9圖，當控制模組500利用壓力陣列感測模組100對物件表面進行偵測時，先進行步驟S801之初始化程序，其包括：量測壓力感測元件120並聯後之初始等效電阻Rso，設定靜態臨界值Tstat，設定動態臨界值Tdyn，設定碰撞偵測週期以及設定自我診斷週期等。在步驟S802~S803中，控制模組500開始執行，並決定是否進行碰撞檢測迴圈或進行自我檢測迴圈，其中碰撞檢測迴圈可包括靜態檢測流程及/或動態檢測流程。在步驟S804~S808的碰撞檢測迴圈中，一旦等效電阻Rs相對於預定的初始等效電阻Rso的差值或比值超過一臨界值，即可判定是否發生物件表面碰撞或接觸的情形，並可發出一警告訊號。在步驟S809~S811的自我檢測迴圈中，一旦定址掃描的電阻量測值超過預定的電阻參考值或有顯著的變化，則可判定該壓力感測元件120之電阻發生失效，可進行更換或修補等，以維護系統正常運作。
在步驟S804~S805中，靜態檢測是通過對壓力感測元件120並聯後之等效電阻Rs的量測值與初始等效電阻Rso 的差值進行計算。在一實施例中，當等效電阻Rs的量測值與初始等效電阻Rso的差值相對於初始等效電阻Rso之比值(Rs-Rso)/Rso大於靜態臨界值Tstat或在一範圍內時，表示一碰撞或接觸產生，則監測系統發出一警告訊號。反之，當等效電阻Rs的量測值與初始等效電阻Rso的差值相對於初始等效電阻Rso之比值(Rs-Rso)/Rso小於靜態臨界值Tstat或在一範圍內時，表示未發生碰撞或在容許的接近範圍內，則不需發出一警告訊號或進入到步驟S806，進行動態檢測。只要靜態檢測和動態檢測其中一個滿足預定的臨界值，則發出警告訊號。
在一範例中，靜態臨界值Tstat的取值範圍可為10%~50%之間、15%~35%之間、或20%~40%之間。使用者可根據監測系統的需求設定或調整靜態臨界值Tstat。此外，靜態檢測只針對靜態接觸或按壓於壓力陣列感測模組100的作用力做定量檢測，若要得知作用力的即時變化量，則必須進行步驟S806~S807的動態檢測。
在步驟S806~S807中，動態檢測是通過對壓力感測元件120並聯後之等效電阻Rs與初始等效電阻Rso的比值對時間進行微分計算。在一實施例中，當等效電阻Rs的量測值相對於初始等效電阻Rso之比值Rs/Rso對時間進行微分，表示為d(Rs/Rso)/dt，大於動態臨界值Tdyn或在一範圍內時，表示對物件表面之一碰撞或接觸產生，則監測系統發出一警告訊號。反之，當等效電阻Rs的量測值相對於初始等效電阻Rso之比值 Rs/Rso對時間進行微分，表示為d(Rs/Rso)/dt，小於動態臨界值Tdyn或在一範圍內時，則不需發出一警告訊號。
在一範例中，動態臨界值Tdyn的取值範圍可為10%/秒~100%/秒之間、20%/秒~90%/秒之間、或30%/秒~80%/秒之間。取樣時間的範圍可為0.1~1秒或0.3~0.5秒之間。使用者可根據監測系統的需求設定或調整動態臨界值Tdyn。
在步驟S811中，當判定某壓力感測元件120之電阻失效時，即可進行系統維護，例如更換失效的壓力感測元件120或修補電路等。由於本實施例之壓力感測元件120獨立製作，因此只要更換新的壓力感測元件120即可，不需重新製作電路板，以節省生產成本。
綜上所述，雖然本申請已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請。本申請所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本申請之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本申請之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧壓力陣列感測模組
110‧‧‧陣列電極板
111‧‧‧感測位置
112‧‧‧基板
113‧‧‧陣列電極
114‧‧‧第一電極圖案
115‧‧‧第二電極圖案
116‧‧‧第三電極圖案
117‧‧‧第四電極圖案
120‧‧‧壓力感測元件
121‧‧‧上電極層
122‧‧‧下電極層
123‧‧‧壓力感測層

Claims (26)

  1. 一種壓力陣列感測模組，包括：一陣列電極板，包括：一基板；及一陣列電極，配置於該基板上，該陣列電極具有一第一電極圖案以及一第二電極圖案；複數個壓力感測元件，配置於該陣列電極板的感測位置上，各該壓力感測元件為可分離的獨立元件且包括：一上電極層，具有一第一電極接腳；一下電極層，具有一第二電極接腳；及至少一壓力感測層，配置於該上電極層與該下電極層之間；複數個第一導通結構，垂直導通並電性連接於相互重疊的各該第一電極接腳與相對應之該第一電極圖案之間；以及複數個第二導通結構，垂直導通並電性連接於相互重疊的各該第二電極接腳與相對應之該第二電極圖案之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之壓力陣列感測模組，其中該第一電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第一電極圖案與相對應之二個第一導通結構電性連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之壓力陣列感測模組，其中該第二電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第二電極圖案與相對應之二個第二導通結構電性連接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之壓力陣列感測模組，更包括：複數個第三導通結構，以及複數個第四導通結構；其中該陣列電極更包括一第三電極圖案以及一第四電極圖案，配置於該基板上，各該上電極層更具有一第三電極接腳，而各該下電極層更具有一第四電極接腳，該些第三導通結構電性連接於各該第三電極接腳與相對應之該第三電極圖案之間，且該些第四導通結構電性連接於各該第四電極接腳與相對應之該第四電極圖案之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之壓力陣列感測模組，其中該第三電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第三電極圖案與相對應之二個第三導通結構電性連接。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之壓力陣列感測模組，其中該第四電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第四電極圖案與相對應之二個第四導通結構電性連接。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之壓力陣列感測模組，其中各該壓力感測元件的該上電極層藉由該些第一導通結構與該些第三導通結構串接於該第一電極圖案與該第三電極圖案之間。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之壓力陣列感測模組，其中各該壓力感測元件的該下電極層藉由該些第二導通結構與該些第 四導通結構串接於該第二電極圖案與該第四電極圖案之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之壓力陣列感測模組，其中各該壓力感測元件更包括一上基板、一下基板以及複數個接合部，該些接合部接合該上基板與該下基板，而該上電極層、該壓力感測層以及該下電極層堆疊於該上基板與該下基板之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之壓力陣列感測模組，其中該些第一及第二導通結構為垂直導通元件，貫穿各該壓力感測元件及該陣列電極板。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之壓力陣列感測模組，其中該陣列電極配置於該基板的一側或相對兩側。
  12. 一種壓力陣列感測模組的製造方法，包括：形成一陣列電極於一基板的一側或相對兩側，該陣列電極具有一第一電極圖案以及一第二電極圖案；配置複數個壓力感測元件於該基板上，各該壓力感測元件為可分離的獨立元件且具有一上電極層、一下電極層以及位於該上電極與該下電極之間的至少一壓力感測層；以複數個第一導通結構垂直導通並電性連接相互重疊的各該上電極層的第一電極接腳與相對應的該第一電極圖案之間；以及以複數個第二導通結構垂直導通並電性連接相互重疊的各該下電極層的第二電極接腳與相對應的該第二電極圖案之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該第一電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓 力感測元件之間藉由該第一電極圖案與相對應之二個第一導通結構電性連接。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該第二電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第二電極圖案與相對應之二個第二導通結構電性連接。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該陣列電極更包括一第三電極圖案以及一第四電極圖案，配置於該基板上，各該上電極層更具有一第三電極接腳，而各該下電極層更具有一第四電極接腳，該壓力陣列感測模組的製造方法更包括：以複數個第三導通結構電性連接各該第三電極接腳與相對應的該第三電極圖案之間；以及以複數個第四導通結構電性連接各該第四電極接腳與相對應的該第四電極圖案之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中該第三電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第三電極圖案與相對應之二個第三導通結構電性連接。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中該第四電極圖案延伸於該些壓力感測元件中相鄰二者之間，且相鄰該二壓力感測元件之間藉由該第四電極圖案與相對應之二個第四導通結構電性連接。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中各該壓力感測元件的該上電極層藉由該些第一導通結構與該些第三導通結構串接於該第一電極圖案與該第三電極圖案之間。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中各該壓力感測元件的該下電極層藉由該些第二導通結構與該些第四導通結構串接於該第二電極圖案與該第四電極圖案之間。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該些第一及第二導通結構為垂直導通元件。
  21. 一種監測系統，包括：如申請專利範圍第1至11項其中之一所述之壓力陣列感測模組；以及一控制模組，包括：一第一切換電路，包括一第一並聯開關，該第一並聯開關可同時電性連接自該陣列電極延伸至該第一切換電路的多個第一訊號電路，以使該些第一訊號電路相互並聯；一第二切換電路，包括一第二並聯開關，該第二並聯開關可同時電性連接自該陣列電極延伸至該第二切換電路的多個第二訊號電路，以使該些第二訊號電路相互並聯；及一電壓檢測單元，具有一輸入端以及一輸出端，該輸入端經由該第一切換電路電性連接該些第一訊號電路，該輸出端經由該第二切換電路電性連接該些第二訊號電路，該輸入端具有一輸入電壓，該輸出端具有一輸出電壓，該電壓檢測 單元根據該輸入電壓與該輸出電壓檢測該些壓力感測元件並聯連接於該些第一訊號電路與該些第二訊號電路之間的一等效電阻。
  22. 一種監測系統，包括：如申請專利範圍第1至11項其中之一所述之壓力陣列感測模組；以及一控制模組，包括：一第一切換電路，具有一第一掃描開關，該第一掃描開關選擇性地電性連接自該陣列電極延伸至該第一切換電路的多個第一訊號電路之一；一第二切換電路，具有一第二掃描開關，該第二掃描開關選擇性地電性連接自該陣列電極延伸至該第二切換電路的多個第二訊號電路之一；及一電壓檢測單元，具有一輸入端以及一輸出端，該輸入端經由該第一切換電路電性連接該些第一訊號電路之一被選擇者，該輸出端經由該第二切換電路電性連接該些第二訊號電路之一被選擇者，該輸入端具有一輸入電壓，該輸出端具有一輸出電壓，該電壓檢測單元根據該輸入電壓與該輸出電壓檢測位於該被選擇的第一訊號電路與該被選擇的第二訊號電路的交叉位置上的一相對應之壓力感測元件的一電阻。
  23. 一種監測系統，包括：一壓力陣列感測模組，設置於一物件表面上；以及 一控制模組，用以對該壓力陣列感測模組進行一碰撞檢測迴圈或進行一自我檢測迴圈，當該控制模組選擇以如申請專利範圍第21項所述之監測系統進行該碰撞檢測迴圈時，該碰撞檢測迴圈用以檢測該些壓力感測元件之該等效電阻相對於一初始等效電阻的變化量；或者當該控制模組選擇以如申請專利範圍第22項所述之監測系統進行該自我檢測迴圈時，該自我檢測迴圈用以檢測掃描後該些壓力感測元件的各個電阻相對於一電阻參考值的變化量，其中，該碰撞檢測迴圈的該第一並聯開關與該自我檢測迴圈的該第一掃描開關共用該些第一訊號電路，但不會同時使用；該碰撞檢測迴圈的該第二並聯開關與該自我檢測迴圈的該第二掃描開關共用該些第二訊號電路，但不會同時使用。
  24. 一種監測方法，包括：提供一控制模組以及一壓力陣列感測模組，該壓力陣列感測模組設置於一物件表面上；以及決定該控制模組對該壓力陣列感測模組進行一碰撞檢測迴圈或進行一自我檢測迴圈；當該控制模組選擇以如申請專利範圍第21項所述之監測系統進行該碰撞檢測迴圈時，該碰撞檢測迴圈用以檢測該些壓力感測元件之該等效電阻相對於一初始等效電阻的變化量；或者當該控制模組選擇以如申請專利範圍第22項所述之監測系統進行該自我檢測迴圈時，該自我檢測迴圈用以檢測掃描後該些 壓力感測元件的各個電阻相對於一電阻參考值的變化量，其中，該碰撞檢測迴圈的該第一並聯開關與該自我檢測迴圈的該第一掃描開關共用該些第一訊號電路，但不會同時使用；該碰撞檢測迴圈的該第二並聯開關與該自我檢測迴圈的該第二掃描開關共用該些第二訊號電路，但不會同時使用。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之監測方法，其中該碰撞檢測迴圈包括一靜態檢測流程，該靜態檢測流程通過對該些壓力陣列感測元件並聯後之該等效電阻與該初始等效電阻的差值進行計算，當該差值相對於該初始等效電阻之比值大於一臨界值時，表示對該物件表面之一碰撞或接觸產生。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之監測方法，其中該碰撞檢測迴圈包括一動態檢測流程，該動態檢測流程通過對該些壓力陣列感測元件並聯後之該等效電阻與該初始等效電阻的比值對時間進行微分計算，當該比值對時間微分大於一臨界值時，表示對該物件表面之一碰撞或接觸產生。
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