TWI680395B - 感測膜及其製備方法、電子裝置 - Google Patents
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Abstract
一種感測膜，其包括：基底層；形成在所述基底層上的壓電層；以及形成在所述壓電層上的梳狀的第一電極和第二電極，第一電極和第二電極彼此間隔且電性絕緣。本發明還提供上述感測膜的製備方法及應用上述感測膜的電子裝置。所述感測膜性能優良。
Description
本發明涉及一種感測膜及其製備方法及應用該感測膜的製備方法。
習知的一種感測膜的製備方法包括：將壓電陶瓷片表面塗布電極，將塗布有電極的壓電陶瓷片黏結(Bonding)於印刷電路板(PCB)上。習知Bonding製程需使用異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film，ACF)設置在壓電陶瓷片與PCB之間並對二者施加壓力使二者壓合。ACF主要透過壓力使導電粒子分佈產生壓縮並破裂，形成通路。如果陶瓷片的主要成分為具有晶粒與晶界的多晶燒結體，晶界處在壓合過程中易受到應力集中效應而使陶瓷片破裂。此外，目前業界常使用的陶瓷片多為鑄造而成，而如果要形成薄膜，需要添加大量的助形劑(Binder)，因此在後續燒結過程中，助形劑氣化跑出而在陶瓷中常形成微孔洞，進而使陶瓷片之機械強度大大降低。
鑒於此，本發明提供一種感測膜，其包括：基底層；形成在所述基底層上的壓電層；以及
形成在所述壓電層上的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極彼此間隔且電性絕緣，所述第一電極和所述第二電極均為梳狀的，所述第一電極包括第一連接部以及與所述第一連接部分別連接的多個第一梳齒部；所述第二電極包括第二連接部以及與所述第二連接部分別連接的多個第二梳齒部；所述第一連接部與所述第二連接部相對設置且彼此間隔；所述多個第一梳齒部均連接所述第一連接部靠近所述第二連接部的一側；所述多個二梳齒部均連接所述第二連接部靠近所述第一連接部的一側；所述第一梳齒部與所述第二梳齒部沿所述第一連接部與所述第二連接部的延伸方向交替排佈。
本發明還提供一種感測膜，其包括：基底層；形成在所述基底層上的第一電極層；形成在所述第一電極層遠離所述基底層一側的電子傳輸層；形成在所述電子傳輸層遠離所述基底層一側的壓電層，所述壓電層的成分為APbX3，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構；形成在所述壓電層遠離所述基底層一側的電洞傳輸層；以及形成在所述電洞傳輸層上的梳狀的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極彼此間隔且電性絕緣。
本發明還提供應用上述感測膜的電子裝置，所述感測膜包括：基底層；
形成在所述基底層上的壓電層；以及形成在所述壓電層上的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極彼此間隔且電性絕緣，所述第一電極和所述第二電極均為梳狀的。
本發明還提供一種感測膜的製備方法，其包括如下步驟：將壓電陶瓷粉末與溶劑混合形成壓電陶瓷溶膠；將壓電陶瓷溶膠塗覆於襯底上並進行乾燥；對乾燥後的壓電陶瓷溶膠進行高溫退火處理，得到壓電陶瓷層；使壓電陶瓷層與襯底相互剝離並將壓電陶瓷層轉移至基底層上；在壓電陶瓷層上形成梳狀的第一電極和第二電極；以及對第一電極和第二電極進行封裝，形成絕緣封裝層。
本發明還提供一種感測膜的製備方法，其包括如下步驟：提供APbX3粉末，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構；將APbX3粉末與溶劑混合配置成塗膜液；將塗膜液形成在基底層上並乾燥後形成壓電層；在壓電層上形成梳狀的第一電極和第二電極；以及對第一電極和第二電極進行封裝，形成絕緣封裝層。
本發明還提供一種感測膜的製備方法，其包括如下步驟：提供基底層，在基底層上形成第一電極層；在第一電極層表面形成電子傳輸層；在電子傳輸層上形成壓電層，所述壓電層的成分為APbX3粉末，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構；在壓電層上形成電洞傳輸層；在電洞傳輸層上形成梳狀的第一電極和第二電極；以及
對第一電極和第二電極進行封裝，形成絕緣封裝層。
本發明藉由對感測膜的結構和材料進行設計，得到了性能優良的感測膜，克服了現有技術的缺陷，且所述感測膜的製備方法簡單。
10、20‧‧‧感測膜
11‧‧‧基底層
13‧‧‧壓電層
152‧‧‧第一電極
154‧‧‧第二電極
151‧‧‧第一連接部
153‧‧‧第一梳齒部
155‧‧‧第二連接部
157‧‧‧第二梳齒部
17‧‧‧絕緣封裝層
12‧‧‧第一電極層
14‧‧‧電子傳輸層
16‧‧‧電洞傳輸層
200‧‧‧電子裝置
210‧‧‧充電電路
220‧‧‧蓄電池
230‧‧‧控制電路
240‧‧‧驅動電路
250‧‧‧壓力判斷電路
21‧‧‧放大器
圖1為本發明第一實施方式感測膜的剖面示意圖。
圖2為本發明第二實施方式感測膜的兩個電極的平面示意圖。
圖3為圖1所示感測膜的製備流程圖。
圖4為圖1所示感測膜的另一種製備流程圖。
圖5為本發明第二實施方式的感測膜的剖面示意圖。
圖6為電子裝置的示意圖。
圖7為圖6中的壓力判斷電路的示意圖。
圖8為圖5所示感測膜的製備流程圖。
附圖中示出了本發明的實施例，本發明可以藉由多種不同形式實現，而並不應解釋為僅局限於這裡所闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本發明更為全面和完整的公開，並使本領域的技術人員更充分地瞭解本發明的範圍。
請一併參閱圖1和圖2，本發明第一實施方式的感測膜10包括基底層11、形成在基底層11上的壓電層13、以及形成在壓電層13上的第一電極152和第二電極154。壓電層13上還形成有一絕緣封裝層17，第一電極152和第二電極154設置在絕緣封裝層17中且第一電極152和第二電極154遠離基底層11的端面未被絕緣封裝層17覆蓋。
如圖2所示，第一電極152和第二電極154均為梳狀結構且彼此電性絕緣。第一電極152包括第一連接部151以及與第一連接部151分別連接的多個第一梳齒部153。第二電極154包括第二連接部155以及與第二連接部155分別連接的多個第二梳齒部157。多個第一梳齒部153相互平行且間隔，多個第二梳齒部157相互平行且間隔。第一連接部151與第二連接部155均沿第一方向(如圖2所示D1方向)延伸成矩形長條狀且二者間隔設置。多個第一梳齒部153均連接第一連接部151的同一側(靠近第二連接部155的一側)且沿與第一方向交叉的第二方向(如圖2所示D2方向)延伸成矩形長條狀。多個第二梳齒部157均連接第二連接部155的同一側(靠近第一連接部151的一側)且沿第二方向延伸成矩形長條狀。
本實施例中，第一方向與第二方向正交，第一連接部151與第一梳齒部153垂直連接，第二連接部155與第二梳齒部157垂直連接。第一電極152的第一梳齒部153與第二電極154的第二梳齒部157沿第一方向依次交替排佈。
基底層11的材料為絕緣材料，一實施例中為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
壓電層13的材料為壓電陶瓷，一實施例中為鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷。
感測膜10可結合於印刷電路板上。感測膜10具有正壓電與逆壓電之特性，可應用於傳感領域。以壓電層13的材料為PZT為例，PZT的逸出功(在固體物理中被定義為：把一個電子從固體內部剛剛移到此物體表面所需的最少的能量)為4.6eV，可使用Ag/Al(逸出功約為4.26eV)搭配上Mo(逸出功約為4.6eV)薄層作為歐姆接觸改善層對PZT進行極化，使PZE具有壓電效應。當感測膜10受到壓力發生形變時，電子聚集通過電極(如第一電
極152)形成電流，形成壓電驅動之壓差，輸出正壓電特性，進而可利用感測膜10作為壓力感測器。或者感測膜10利用逆壓電效應，形成一超聲波器件。或者，透過改變基底層11厚度形成類似振動膜之特性，可利用感測膜10進行超聲波感測。
在另一實施例中，壓電層13的材料為APbX3，其中A為CH3NH3 +、N(CH3)4+及CH(NH2)2+中的一種，Pb為正二價，X為鹵素，如氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)，APbX3具有鈣鈦礦結構。於一實施例中，壓電層13的成分為CH3NH3PbI3。由於APbX3材料其禁帶寬度(band gap)符合光波段能級，可藉由吸收可見光產生電子躍遷，即將光能轉換為電能(具有光電效應)，因此APbX3材料廣泛應用於太陽能電池。同時APbX3也具有壓電效應，其壓電係數d33為50-185pC/N，也可廣泛應用於各種習知的壓電裝置中。
請參閱圖3，壓電層13為壓電陶瓷的感測膜10的製備方法，所述方法包括：配置壓電陶瓷溶膠，於一實施例中為將壓電陶瓷粉末與一定溶劑混合形成壓電陶瓷溶膠；將壓電陶瓷溶膠形成於藍寶石襯底上，於一實施例中可採用塗膜方法，如旋塗、刷塗等；乾燥塗覆的壓電陶瓷溶膠使溶劑去除，於一實施例中可將其放入450攝氏度的反應爐中。為得到一定厚度的壓電陶瓷層，可參上步驟重複進行多次的塗覆和乾燥壓電陶瓷溶膠，從而得到一定厚度的壓電陶瓷溶膠層，例如可重複20次進而得到2微米厚度的壓電陶瓷溶膠層；對壓電陶瓷溶膠層進行退火處理，得到壓電陶瓷層；
將壓電陶瓷層貼附在基底層(塑膠材質，如PET)上(可依靠膠體進行黏附，如UV感光膠等)，並採用鐳射照射使壓電陶瓷層與藍寶石襯底相互剝離進而使壓電陶瓷層轉移到基底層上；在壓電陶瓷層上形成電極，於一實施例中可採用網印的方式將電極印刷於壓電陶瓷層上，再對印刷的電極進行蝕刻形成梳狀；形成絕緣封裝層用以對電極進行封裝，電極嵌設在絕緣封裝層中；對壓電陶瓷層進行極化；以及將壓電陶瓷層、電極及基底層的結合體bonding於PCB上。
請參閱圖4，壓電層13為APbX3的感測膜10的製備方法，所述方法包括：提供APbX3粉末，於一實施例中可將CH3NH2與HI混合反應，得到初級產物碘化甲基銨(MAI)，再將MAI與PbI2混合攪拌反應得到APbX3；將APbX3粉末與溶劑混合配置成塗膜液，將塗膜液形成在基底層(如塑膠材質)上並乾燥後形成壓電層，於一實施例中為：溶劑為二甲基甲醯胺(Dimethylformamide，DMF)，採用塗膜方法，如旋塗、刷塗等；重複此步驟，直到塗膜厚度達到預設值；在壓電層上形成電極，於一實施例中可採用網印的方式將電極印刷於壓電層上，再對印刷的電極進行蝕刻形成梳狀；形成絕緣封裝層，用以對電極進行封裝，電極嵌設在絕緣封裝層中；對壓電層進行極化；以及將壓電層、電極及基底層的結合體bonding於PCB上。
請參閱圖5，本發明第二實施方式的感測膜20其包括依次層疊設置的基底層11、形成在基底層11上的第一電極層12、形成在第一電極層12上的電子傳輸層14、形成在電子傳輸層14上的壓電層13、形成在壓電
層13上的電洞傳輸層16、以及形成在電洞傳輸層16上的第一電極152和第二電極154(均為如圖2所示的梳狀電極，)。電洞傳輸層16上形成有一絕緣封裝層17，第一電極152和第二電極154嵌設在絕緣封裝層17中且彼此電性絕緣。
基底層11的成分為絕緣材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。本實施例中，第一電極層12的材質為透明導電材料，如氧化銦錫；電子傳輸層14的材質為氧化鋅；壓電層13為的材質CH3NH3PbI3；電洞傳輸層16的材質為3-己基噻吩的聚合物(P3HT)。
壓電層13的材質為APbX3，其中A為CH3NH3 +、N(CH3)4+或CH(NH2)2+，Pb為正二價，X為鹵素，如氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)。參上所述，壓電層13的材質為APbX3，其能夠將光能轉換為電能(光電效應)和壓電效應，因此感測膜20可應用於太陽能電池，可依靠其壓電效應進行觸控感測(應變感知)，且依靠其光電效應作為太陽能板進行光能轉換為電能。
感測膜20可分別藉由第一電極層12和第一電極152/第二電極154進行正負極的輸出。當感測膜20未受到擠壓時，第一電極152和第二電極154的電位為相等的，當感測膜20受到擠壓產生形變時，第一電極152和第二電極154電位不相等，可藉由第一電極152和第二電極154的電壓電流差，換算得到變形量，實現自供電之壓電結構。
當感測膜20作為太陽能板進行光能轉換為電能，電能將儲存於PCB板電容內。此時第一電極152電壓(VB1)-第一電極層12電壓(VA)=第二電極154電壓(VB2)-第一電極層12電壓(VA)，但若產生形變時，此時供電/掃描電路將出現VB1-VA不等於VB2-VA，經計算和分析可確認形變量。
請參閱圖6，應用了感測膜20的電子裝置200包括：感測膜20、充電電路210、蓄電池220、控制電路230、驅動電路240、和壓力判斷電路250。如圖6所示，感測膜20電性連接充電電路210，二者配合以將光能轉換為電能；充電電路210電性連接蓄電池220，以將電能存儲於蓄電池220中；蓄電池220電性連接驅動電路240和壓力判斷電路250，以對它們進行電力供應；控制電路230電性連接充電電路210、蓄電池220、驅動電路240；感測膜20電性連接壓力判斷電路250，壓力判斷電路250根據感測膜20的電流信號變化判斷是否有觸摸形變；壓力判斷電路250電性連接控制電路230，當判斷有觸摸形變時，控制電路230控制充電電路210開啟，從而觸發充電功能。因此，應用了感測膜20的電子裝置200，其不僅可感知形變和太陽能充電，還可藉由形變觸發太陽能充電的功能。電子裝置200可做成貼覆於使用者皮膚表面使用的產品。
請參閱圖7，壓力判斷電路250包括放大器21，放大器21的正極輸入端連接第一電極152，放大器21的負極輸入端連接第二電極154，當感測膜20未被按壓，第一電極152和第二電極154的電位相等，放大器21的輸出端將輸出第一信號；當感測膜20被按壓，第一電極152和第二電極154的電位不相等時，放大器21的輸出端將輸出不同於第一信號的第二信號(提示有按壓)。放大器21的負極輸入端與輸出端之間還電性連通有一回饋電阻(圖未示)，壓力判斷電路250還包括其他的電子元件，如固定電阻(圖未示)、可變電阻(圖未示)、電容(圖未示)等，以使壓力判斷電路250正常運行。
感測膜20的製備方法，如圖8所示，所述方法包括：提供基底層(塑膠材質，如PET)，在基底層上形成第一電極層，於一實施例中第一電極層的材質為透明導電材料，如氧化銦錫；
在第一電極層表面形成電子傳輸層(例如氧化鋅材質)，於一實施例中為：採用塗膜方法，如旋塗、刷塗等，或採用物理氣相沉積法，在第一電極層表面塗覆一層氧化鋅再在120攝氏度的溫度下進行退火處理；提供APbX3粉末(具體製備步驟可參上所述)，並將APbX3粉末與溶劑混合配置成塗膜液，將塗膜液形成在電子傳輸層(例如氧化鋅材質)上並乾燥後形成壓電層，於一實施例中為：溶劑為二甲基甲醯胺(Dimethylformamide，DMF)，採用塗膜方法，如旋塗、刷塗等；重複此步驟，直到塗膜厚度達到預設值；在壓電層上形成電洞傳輸層，於一實施例中為：將P3HT採用塗膜方法，如旋塗、刷塗等形成在壓電層上；在壓電層上形成電極，於一實施例中採用網印的方式將電極印刷於壓電層上，再對印刷的電極進行蝕刻形成梳狀；形成絕緣封裝層對電極進行封裝，電極嵌設在絕緣封裝層中並相對絕緣封裝層露出；對壓電層進行極化；以及將壓電層、電極及基底層的結合體bonding於PCB上。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，圖示中出現的上、下、左及右方向僅為了方便理解，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
Claims (8)
- 一種感測膜，其改良在於，包括：基底層；形成在所述基底層上的壓電層；以及形成在所述壓電層上的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極彼此間隔且電性絕緣，所述第一電極和所述第二電極均為梳狀的，所述第一電極包括第一連接部以及與所述第一連接部分別連接的多個第一梳齒部；所述第二電極包括第二連接部以及與所述第二連接部分別連接的多個第二梳齒部；所述第一連接部與所述第二連接部相對設置且彼此間隔；所述多個第一梳齒部均連接所述第一連接部靠近所述第二連接部的一側；所述多個二梳齒部均連接所述第二連接部靠近所述第一連接部的一側；所述第一梳齒部與所述第二梳齒部沿所述第一連接部與所述第二連接部的延伸方向交替排佈；所述感測膜還包括絕緣封裝層，所述第一電極和所述第二電極設置在所述絕緣封裝層中。
- 如請求項1所述的感測膜，其中：所述壓電層的成分為APbX3，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構。
- 一種感測膜，其改良在於，其包括：基底層；形成在所述基底層上的第一電極層；形成在所述第一電極層遠離所述基底層一側的電子傳輸層；形成在所述電子傳輸層遠離所述基底層一側的壓電層，所述壓電層的成分為APbX3，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構；形成在所述壓電層遠離所述基底層一側的電洞傳輸層；以及形成在所述電洞傳輸層上的梳狀的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極彼此間隔且電性絕緣。
- 如請求項3所述的感測膜，其中：所述第一電極包括第一連接部以及與所述第一連接部分別連接的多個第一梳齒部；所述第二電極包括第二連接部以及與所述第二連接部分別連接的多個第二梳齒部；所述第一連接部與所述第二連接部相對設置且彼此間隔；所述多個第一梳齒部均連接所述第一連接部靠近所述第二連接部的一側；所述多個二梳齒部均連接所述第二連接部靠近所述第一連接部的一側；所述第一梳齒部與所述第二梳齒部沿所述第一連接部與所述第二連接部的延伸方向交替排佈。
- 一種電子裝置，其包括感測膜，其改良在於，感測膜包括：基底層；形成在所述基底層上的壓電層；以及形成在所述壓電層上的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極彼此間隔且電性絕緣，所述第一電極和所述第二電極均為梳狀的；所述感測膜作為太陽能板；所述電子裝置還包括：充電電路，其電性連接所述感測膜，二者配合以將光能轉換為電能；蓄電池，其電性連接所述充電電路，以將電能存儲於蓄電池中；驅動電路，其電性連接所述蓄電池；控制電路，其電性連接充電電路、蓄電池、驅動電路；壓力判斷電路，其電性連接感測膜並根據感測膜的電流信號變化判斷是否有觸摸形變，當判斷有觸摸形變時，控制電路控制充電電路開啟，從而觸發充電功能。
- 一種感測膜的製備方法，其改良在於，其包括如下步驟：將壓電陶瓷粉末與溶劑混合形成壓電陶瓷溶膠；將壓電陶瓷溶膠塗覆於襯底上並進行乾燥；對乾燥後的壓電陶瓷溶膠進行高溫退火處理，得到壓電陶瓷層；使壓電陶瓷層與襯底相互剝離並將壓電陶瓷層轉移至基底層上；在壓電陶瓷層上形成梳狀的第一電極和第二電極；以及對第一電極和第二電極進行封裝，形成絕緣封裝層。
- 一種感測膜的製備方法，其改良在於，其包括如下步驟：提供APbX3粉末，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構；將APbX3粉末與溶劑混合配置成塗膜液；將塗膜液形成在基底層上並乾燥後形成壓電層；在壓電層上形成梳狀的第一電極和第二電極；以及對第一電極和第二電極進行封裝，形成絕緣封裝層。
- 一種感測膜的製備方法，其改良在於，其包括如下步驟：提供基底層，在基底層上形成第一電極層；在第一電極層表面形成電子傳輸層；在電子傳輸層上形成壓電層，所述壓電層的成分為APbX3粉末，其中A為CH3NH3 +或N(CH3)4+或CH(NH2)2+，X為鹵素，APbX3具有鈣鈦礦結構；在壓電層上形成電洞傳輸層；在電洞傳輸層上形成梳狀的第一電極和第二電極；以及對第一電極和第二電極進行封裝，形成絕緣封裝層。
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