TWI653438B - 壓力感測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供壓力感測器及其製造方法。壓力感測器包括一第一電極、覆蓋第一電極的一感壓層以及覆蓋感壓層的一第二電極。所述感壓層中包括支撐材料，所述支撐材料為長徑比在100至5000的奈米級材料。藉由奈米級材料的特性，能提升壓力感測器中感壓層的機械性質。

Description

壓力感測器及其製造方法

本發明是有關於一種壓力感測技術，且特別是有關於一種壓力感測器及其製造方法。

隨著科技的進步，各式各樣的電子產品都朝向輕、薄、短、小的尺寸發展，其中在觸控裝置中，壓力感測器的尺寸是其朝向輕、薄、短、小發展的關鍵。然而，在現有技術中，當壓力感測器縮小到一定尺寸後，壓力感測器中的感壓變形層會因機械強度不足，導致受壓變形後，無法完全回復原有的樣子，大幅縮減了壓力感測器的使用壽命。基於此，目前急需開發一種能解決前述問題的壓力感測器。

本發明提供一種壓力感測器，具有優異的機械強度，以提高壓力感測器的使用壽命。

本發明又提供一種壓力感測器的製造方法，能製作出具有優異的機械強度的壓力感測器，以提高壓力感測器的使用壽命。

本發明的壓力感測器，包括第一電極、覆蓋第一電極的感壓層以及位於感壓層上的第二電極，其中感壓層包括支撐材料，支撐材料包括長徑比在100至5000的奈米級材料。

本發明的壓力感測器的製造方法，包括形成第一電極，再利用3D列印形成覆蓋第一電極的感壓層，然後於感壓層上形成一第二電極，其中感壓層包括支撐材料，支撐材料包括長徑比在100至5000 的奈米級材料。

基於上述，本發明在感壓層中具有高剛性、高強度、高長徑比的奈米級材料，能大幅提升了壓力感測器的機械性質，即使在元件尺寸很小的情況下，壓力感測器受壓變形後仍能回復原來的形狀，因此可大幅提升壓力感測器的使用壽命。此外，由於本發明利用3D列印技術製作壓力感應器，因此能將原本難以混入感壓層的材料(如奈米纖維素)完美地混合在感壓層，而獲得機械強度大的壓力感測器。

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。

本發明的壓力感測器可為電阻式壓力感測器或者電容式壓力感測器，以下將藉由不同的實施例並配合圖式作詳細說明。

圖1A與圖1B分別是依照本發明的一實施例的一種電阻式壓力感測器在受壓前後的剖面圖。請同時參照圖1A~1B，在本實施例中，電阻式壓力感測器100包括第一電極110、覆蓋第一電極110的感壓層120以及位於感壓層120上的第二電極130，其中感壓層120包括導電顆粒128與支撐材料122，支撐材料122包括長徑比在100至5000的奈米級材料126。奈米級材料126的直徑例如在5奈米~20奈米之間，可列舉為5奈米、10奈米、15奈米或20奈米。奈米級材料126的長度例如在1微米以上，較佳是在1微米至10微米之間。

在本實施例中，感壓層120中的支撐材料122如包括高分子材料124與奈米級材料126，則奈米級材料126與高分子材料124的重量比例如0.005~0.3，可列舉為0.005、0.01、0.015、0.02、0.025或0.3。若感壓層120的總量為100 wt%，支撐材料122的含量例如為70wt%~90wt%，可列舉為70wt%、75wt%、80wt%、85wt%或90wt%，其餘部分則為導電顆粒128。例如，感壓層120中的導電顆粒128的含量為10wt%~30wt%。高分子材料124例如聚苯乙烯、環氧樹脂、聚乳酸、聚乙烯、低密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈聚二甲基矽氧烷或上述材料的組合。

在本實施例中，奈米級材料126為非導體或導體，例如奈米纖維素、克維拉纖維、鋼絲、奈米黏土片、碳纖維、奈米碳管、醯胺纖維、硼纖維、聚醯胺觸變膠（polyamide thixotropes）或其他有機材料或無機材料。上述奈米級材料126的例子中，以奈米纖維素為優選。由於本實施例電阻式壓力感測器100的感壓層120，是由具有高剛性、高強度、高長徑比的奈米級材料126彼此纏繞接合，故大幅提升了電阻式壓力感測器100的機械性質，因此，即使在元件尺寸很小的情況下，電阻式壓力感測器100受壓變形後能回復原來的形狀，大幅提升電阻式壓力感測器100的使用壽命。

至於本發明實施例的運作方式，請參閱圖1A，在未施加壓力時，感壓層120中的導電顆粒128彼此間的距離較長，此時，電流難以在導電顆粒128之間傳遞，電阻式壓力感測器100處於高電阻狀態。當對電阻式壓力感測器100沿著圖1B中的箭頭方向施加壓力時，感壓層120中的導電顆粒128彼此距離縮短，此時，電流容易在導電顆粒128之間傳遞，電阻式壓力感測器100處於低電阻狀態。因此能藉由電阻的變化測得壓力的變化。當停止對電阻式壓力感測器100施加壓力後，電阻式壓力感測器100能在奈米級材料126的幫助下，回復至圖1A的狀態。

圖2A與圖2B分別是依照本發明的另一實施例的一種電容式壓力感測器在受壓前後的剖面圖。請同時參照圖2A~2B，在本實施例中，電容式壓力感測器200包括第一電極210、覆蓋第一電極210的感壓層220以及位於感壓層220上的第二電極230，其中感壓層220中包括支撐材料，支撐材料包括長徑比在100至5000 的奈米級材料226。奈米級材料226的直徑例如為在5奈米~20奈米之間，可列舉為5奈米、10奈米、15奈米或20奈米。奈米級材料226的長度例如在1微米以上，較佳是在1微米至10微米之間。

在本實施例中，感壓層220中的支撐材料還可包括高分子材料224，高分子材料224例如聚苯乙烯、環氧樹脂、聚乳酸、聚乙烯、低密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈聚二甲基矽氧烷或上述材料的組合。在本實施例中，感壓層220中的支撐材料如同時包括高分子材料224與奈米級材料226，奈米級材料226與高分子材料224的重量比例如0.001~0.3，可列舉為0.001、0.005、0.01、0.015、0.02、0.025或0.3。

在本實施例中，奈米級材料226為非導體或導體，例如奈米纖維素、克維拉纖維、鋼絲、奈米黏土片、碳纖維、奈米碳管、醯胺纖維、硼纖維、聚醯胺觸變膠(polyamide thixotropes)或其他有機材料或無機材料。上述奈米級材料226的例子中，以奈米纖維素為優選。由於本實施例電容式壓力感測器200的感壓層220中，是由具有高剛性、高強度、高長徑比的奈米級材料226彼此纏繞接合，故大幅提升了電容式壓力感測器200的機械性質，因此，即使在元件尺寸很小的情況下，電容式壓力感測器200受壓變形後能回復原來的形狀，大幅提升電容式壓力感測器200的使用壽命。

至於本發明實施例的運作方式，請參閱圖2A，在未施加壓力時，感壓層220中的第一電極210與第二電極230彼此間的距離較長，例如第一電極210與第二電極230彼此間的距離H1，此時，第一電極210與第二電極230之間的電容較低，電容式壓力感測器200處於低電容狀態。當對電容式壓力感測器200沿著圖2B中的箭頭方向施加壓力時，第一電極210與第二電極230彼此間的距離變短，例如第一電極210與第二電極230彼此間的距離H2，此時，第一電極210與第二電極230之間的電容較高，電容式壓力感測器200處於高電容狀態。因此能藉由電容的變化測得壓力的變化。當停止對電容式壓力感測器200施加壓力後，電容式壓力感測器200能在奈米級材料226的幫助下，回復至圖2A的狀態。

至於本發明實施例壓力感測器的製造流程，請參照圖3所示。形成第一電極320，形成第一電極320的方法例如3D列印。通常第一電極320例如跟基板310上的一薄膜電晶體(未繪示)中的源極電性連接，然而本發明不以此為限。

接著，請參照圖4。利用3D列印形成覆蓋第一電極320的感壓層330，其中感壓層330與上述實施例中的感壓層相同，都包括奈米級材料，因此不再贅述。此外，還可因應不同的需求而在形成感壓層330之前，先在3D列印的墨水中添加導電顆粒，或是在3D列印的墨水中添加高分子材料。至於導電顆粒的添加量與高分子材料的種類以及含量均可參照上述實施例，因此不再贅述。

在圖4中，感壓層330僅覆蓋部分第一電極320，且第一電極320暴露出部分感壓層330，然而本發明不以此為限，感壓層330亦可以完全覆蓋第一電極320。

接著，請參照圖5。於感壓層330上形成第二電極340，其中形成第二電極340的方法例如3D列印。在圖5中，第二電極340覆蓋部分感壓層330，且第二電極340延伸至未被感壓層330覆蓋的基板310上，然而本發明不以此為限，第二電極340可以只位於感壓層330上，而不延伸至基板310；或者，第二電極340可以完全覆蓋感壓層330。

在圖3~圖5中，僅繪示出一個壓力感測器300，然而本發明不限於此，本發明可以藉由3D列印技術同時形成多個壓力感測器構成的陣列。

綜上所述，本發明藉由在感壓層中具有高剛性、高強度、高長徑比的奈米級材料，故可大幅提升了壓力感測器的機械性質，因此，即使在元件尺寸很小的情況下，壓力感測器受壓變形後能回復原來的形狀，大幅提升壓力感測器的使用壽命。此外，由於本發明利用3D列印技術製作壓力感應器，因此能將原本難以混入感壓層的材料(如奈米纖維素)完美地混合在感壓層，而獲得機械強度大的壓力感測器。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電阻式壓力感測器

110、210、320‧‧‧第一電極

120、220、330‧‧‧感壓層

122‧‧‧支撐材料

124、224‧‧‧高分子材料

126、226‧‧‧奈米級材料

128‧‧‧導電顆粒

130、230、340‧‧‧第二電極

200‧‧‧電容式壓力感測器

300‧‧‧壓力感測器

310‧‧‧基板

H1、H2‧‧‧高度

圖1A是依照本發明的一實施例的一種電阻式壓力感測器，於未受壓情況下的示意圖。 圖1B是圖1A的電阻式壓力感測器受壓情況下的剖面圖。 圖2A是依照本發明的另一實施例的一種電容式壓力感測器，於未受壓情況下的示意圖。 圖2B是圖2A的電容式壓力感測器受壓情況下的剖面圖。 圖3至圖5是依照本發明之又一實施例的壓力感測器的製造流程剖面示意圖。

Claims (13)

1. 一種壓力感測器，包括：一第一電極；一感壓層，覆蓋所述第一電極，其中所述感壓層包括一支撐材料，所述支撐材料包括長徑比在100至5000的一奈米級材料；以及一第二電極，位於所述感壓層上，其中所述奈米級材料彼此纏繞接合，且所述奈米級材料包括克維拉纖維、奈米黏土片、醯胺纖維或聚醯胺觸變膠。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中所述奈米級材料的直徑為5奈米~20奈米，所述奈米級材料的長度為1微米至10微米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中所述支撐材料更包括一高分子材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之壓力感測器，其中所述高分子材料包括聚苯乙烯、環氧樹脂、聚乳酸、聚乙烯、低密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈聚二甲基矽氧烷或上述材料的組合。
5. 如申請專利範圍第3項所述之壓力感測器，其中所述支撐材料中的所述奈米級材料與所述高分子材料的重量比為0.001~0.3。
6. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中所述感壓層更包括多數個導電顆粒。
7. 如申請專利範圍第6項所述之壓力感測器，其中所述感壓層中的所述導電顆粒的含量為10wt%~30wt%。
8. 如申請專利範圍第6項所述之壓力感測器，其中所述感壓層中的所述支撐材料的含量為70wt%~90wt%。
9. 如申請專利範圍第6項所述之壓力感測器，其中所述支撐材料更包括一高分子材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之壓力感測器，其中所述支撐材料中的所述奈米級材料與所述高分子材料的重量比為0.005~0.3。
11. 一種壓力感測器的製造方法，包括：利用3D列印形成一第一電極；利用所述3D列印形成一感壓層，覆蓋所述第一電極，其中所述感壓層包括一支撐材料，所述支撐材料包括長徑比在100至5000的一奈米級材料；以及於所述感壓層上利用所述3D列印形成一第二電極，其中所述奈米級材料彼此纏繞接合，且所述奈米級材料包括克維拉纖維、奈米黏土片、醯胺纖維或聚醯胺觸變膠。
12. 如申請專利範圍第11項所述的壓力感測器的製造方法，其中形成所述感壓層的步驟之前更包括：在所述3D列印的墨水中添加多數個導電顆粒。
13. 如申請專利範圍第11項所述的壓力感測器的製造方法，其中形成所述感壓層的步驟之前更包括：在所述3D列印的墨水中添加一高分子材料。