TWI817634B

TWI817634B - 壓力感測器及其製造方法

Info

Publication number: TWI817634B
Application number: TW111128669A
Authority: TW
Inventors: 戴俊
Original assignee: 大陸商宏啟勝精密電子（秦皇島）有限公司; 大陸商鵬鼎控股（深圳）股份有限公司; 鵬鼎科技股份有限公司
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2023-10-01
Also published as: CN117516769A; TW202405395A

Abstract

本發明提供一種壓力感測器及其製造方法。壓力感測器包含支撐基板及在支撐基板上的電阻基板。支撐基板包含基材及在基材上的圖案化支撐層。電阻基板包含波浪型基材、導線部分及電阻部分。波浪型基材具有波浪面及相對於波浪面的背面，其中波浪面包含波峰區及波谷區。背面與波峰區之間的距離小於背面與波谷區之間的距離。導線部分及電阻部分交錯設置在波浪型基材的波浪面上。本發明的壓力感測器藉由電阻部分在不同壓力下產生相應的形變量，有助於提高壓力感測器的工作壓力區間。

Description

壓力感測器及其製造方法

本發明是關於一種壓力感測器及其製造方法，特別是關於一種電阻式壓力感測器及其製造方法。

壓力感測器廣泛地應用於消費電子、汽車電子、工業電子及生物醫療電子健康監測等領域中。舉例而言，在汽車電子的應用包含胎壓監測系統，即可用以監測輪胎氣壓的狀況，以減少交通事故的發生。一般而言，壓力感測器依照感測原理可分為三種：電容式(capacitive)、電阻式(piezoresistive)及壓電式(piezoelectric)。以電阻式壓力感測器為例，當外力使膜片變形時，因壓阻效應的緣故，膜片的電阻會發生變化，而感測器能從電阻的變化來感測壓力。

本發明之一態樣是提供一種壓力感測器，其包含支撐基板及包括波浪型基材的電阻基板。

本發明之另一態樣是提供一種壓力感測器的製造方法。

根據本發明之一態樣，提供一種壓力感測器，其包含支撐基板及電阻基板。支撐基板包含基材及設置於基材上的圖案化支撐層。電阻基板設置在支撐基板上。電阻基板包含波浪型基材，其具有波浪面與相對於波浪面的背面。波浪面包含多個波峰區與多個波谷區，波峰區與波谷區交錯排列。所述背面與波峰區之間的距離小於背面與波谷區之間的距離。波浪型基材的波浪面面對所述圖案化支撐層。電阻基板還包含設置在波浪型基材的波浪面上的多個導線部分及多個電阻部分，其中多個導線部分及多個電阻部分交錯設置。

根據本發明之一實施例，所述多個電阻部分包含多個第一電阻及多個第二電阻。第一電阻設置在所述波浪型基材的波谷區，且第二電阻設置在所述波浪型基材的波峰區。

根據本發明之一實施例，所述圖案化支撐層位於所述多個第一電阻下方。

根據本發明之一實施例，所述支撐層不在所述多個第二電阻下方。

根據本發明之一實施例，上述壓力感測器更包含設置於所述電阻基板與所述支撐基板之間的空氣間隙。

根據本發明之一實施例，上述壓力感測器更包含設置於所述波浪型基材的所述背面上的絕緣基材。

根據本發明之一實施例，上述壓力感測器更包含覆蓋所述基材及所述圖案化支撐層的第一保護層以及覆蓋所述多個導線部分與所述多個電阻部分的第二保護層。

根據本發明之一實施例，所述多個電阻部分的每一者具有蛇形圖案或直線形圖案。

根據本發明之一實施例，所述多個電阻部分的材料包含奈米銀、奈米銅、奈米碳管。

根據本發明之另一態樣，提供一種壓力感測器的製造方法，其包含提供支撐基板。支撐基板包含第一基材及在第一基材上的支撐層。方法包含圖案化第二基材，以使所述第二基材具有波浪面及相對於所述波浪面的背面，其中所述第二基材包含多個波峰區段及多個波谷區段，所述波峰區段與所述波谷區段交錯排列。方法包含形成導電層在所述第二基材的波浪面上；圖案化所述導電層，以形成多個導線部分；接合多個電阻部分與所述導線部分，以獲得電阻基板；以及貼合所述支撐基板與所述電阻基板。所述支撐基板與所述波峰區段之間的距離小於所述支撐基板與所述波谷區段之間的距離。

根據本發明之一實施例，在提供所述支撐基板之後，方法更包含形成光阻層在所述支撐層上；以及利用所述光阻層，圖案化所述支撐層。

根據本發明之一實施例，方法更包含形成覆蓋膜在所述支撐基板的表面上，以覆蓋所述第一基材及所述支撐層。

根據本發明之一實施例，在圖案化所述第二基材之前，方法更包含提供基材堆疊，其中所述基材堆疊包含所述第二基材及第三基材，且所述第三基材設置於所述第二基材的所述背面上。

根據本發明之一實施例，方法更包含形成保護膜在所述多個電阻部分及所述導線部分上。

根據本發明之一實施例，圖案化所述導電層包含移除導電層在所述第二基材的所述波峰區段及所述波谷區段的部分。

應用本發明之壓力感測器及其製造方法，藉由多個電阻部分可在不同壓力下產生相應的形變量，有助於提高壓力感測器的工作壓力區間，並減少對材料靈敏係數的需求。

本發明提供許多不同實施例或例示，以實施發明的不同特徵。以下敘述之組件和配置方式的特定例示是為了簡化本發明。這些當然僅是做為例示，其目的不在構成限制。舉例而言，第一特徵形成在第二特徵之上或上方的描述包含第一特徵和第二特徵有直接接觸的實施例，也包含有其他特徵形成在第一特徵和第二特徵之間，以致第一特徵和第二特徵沒有直接接觸的實施例。除此之外，本發明在各種具體例中重覆元件符號及/或字母。此重覆的目的是為了使說明簡化且清晰，並不表示各種討論的實施例及/或配置之間有關係。

再者，空間相對性用語，例如「下方(beneath)」、「在…之下(below)」、「低於(lower)」、「在…之上(above)」、「高於(upper)」等，是為了易於描述圖式中所繪示的零件或特徵和其他零件或特徵的關係。空間相對性用語除了圖式中所描繪的方向外，還包含元件在使用或操作時的不同方向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或在其他方向)，而本發明所用的空間相對性描述也可以如此解讀。

一般而言，常用的電阻式壓力感測器的原理為電阻層會隨著外力的施加產生形變，而造成電阻值的變化。根據惠斯通電橋電路，可得到電阻變化(電壓變化)與形變量的關係，再將形變量轉換成壓力值，進而得到電壓變化與壓力值的關係。換言之，可利用下式(1)及式(2)以藉由檢測電壓的變化而可得到壓力值。 (1) (2) 在式(1)中，R表示電阻，ΔR表示電阻值變化量，GF表示材料的靈敏係數(或應變係數)(gauge factor)，而ε表示形變量。可藉由式(2)獲得形變量，式(2)中的P代表壓力，而E代表彈性模量。

根據上述，習知壓力感測器的靈敏度取決於GF值，特別是當形變量或壓力較小時，則須具有較大GF值的材料，始可檢測小的壓力變化，以準確地監控電阻值的變化。再者，由於平面式的電阻設計，形變量有限，故不適合用於檢測較大的壓力。因此，本發明提供一種壓力感測器及其製造方法，藉由提高形變量，以降低材料GF值的需求，且仍能保有相似的靈敏度；並提高壓力感測器的壓力工作區間，以實現可在較大壓力範圍下檢測，亦可在較小壓力範圍下保持高靈敏度。

請參閱圖1，其繪示根據本發明一些實施例的壓力感測器100的剖面視圖。壓力感測器100包含支撐基板110及電阻基板130。支撐基板110包含第一基材115及圖案化支撐層120A。第一基材115的材料可具有透光性、拉伸性、壓縮性及絕緣等特性。在一些實施例中，第一基材115的材料為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或其他具有前述特性其中至少一種的材料。

圖案化支撐層120A設置在第一基材115上。圖案化支撐層120A是用以提高壓力感測器的局部區域內的抗彎曲性，為電阻(以下說明)的變形提供支撐性。在一些實施例中，支撐基板110可選擇性地包含第一保護層125，以覆蓋第一基材115及圖案化支撐層120A。第一保護層125主要為保護圖案化支撐層120A而設置，而第一保護層125可具有絕緣性、透光性及可伸縮性等特性。在一些實施例中，第一保護層125可為光學膠、聚乙烯(polyethylene，PE)膜或樹脂等聚合物。

電阻基板130包含第二基材140。第二基材140具有波浪面142及與波浪面142相對的背面144，其中波浪面142面對支撐基板110。換言之，第二基材140為波浪型基材，且波浪面142較靠近支撐基板110。波浪面142包含交錯排列的波峰區140A及波谷區140B。雖然圖1中僅繪示1個波峰區140A及兩個波谷區140B，本發明不限於此。波谷區140B與背面144之間的距離大於波峰區140A與背面144之間的距離。換言之，第二基材140在波谷區140B的厚度大於在波峰區140A的厚度。

在一些實施例中，電阻基板130可選擇性地包含在第二基材140上的第三基材135。相似於第一基材115的材料，第二基材140與第三基材135的材料亦可具有透光性、拉伸性、壓縮性及絕緣等特性。在一些實施例中，第二基材140與第三基材135為相同材料，例如聚二甲基矽氧烷。在另一些實施例中，第二基材140與第三基材135為不同材料。

電阻基板130還包含多個導線部分150及多個電阻部分(例如第一電阻R1及第二電阻R2)。導線部分150、第一電阻R1及第二電阻R2皆設置在第二基材140的波浪面142上。在一些實施例中，導線部分150與電阻部分是交錯設置，如圖1所示，第一電阻R1二端分別連接導線部分150，且第二電阻R2二端亦分別連接導線部分150。在一些實施例中，第一電阻R1設置在第二基材140的波谷區140B，而第二電阻R2設置在第二基材140的波峰區140A。導線部分150的主要功能為傳輸訊號。在一些實施例中，導線部分150可為銅。在另一些實施例中，導線部分150亦可為具有透光性的奈米銀線等導電性奈米材料。

在一些實施例中，第一電阻R1及第二電阻R2為薄膜電阻。第一電阻R1及第二電阻R2可具有透光性及可拉伸性，且在發生彎曲或拉伸壓縮等形變時，第一電阻R1及第二電阻R2的電阻值會隨之變化。在一些實施例中，第一電阻R1及第二電阻R2的材料包含奈米銀、奈米銅及奈米碳管等透明導電材料。第一電阻R1及第二電阻R2的方阻值(sheet resistance)、透光度及厚度須根據壓力感測器100的靈敏度需求而調整。為了設計所需的電阻值，在一些實施例中，第一電阻R1及第二電阻R2可藉由蝕刻等方法而形成為具有蛇形圖案或直線形圖案。

在一些實施例中，電阻基板130可選擇性地包含第二保護層160，其設置在第二基材140的波浪面142上，以覆蓋多個導線部分150及多個電阻部分。換言之，第二保護層160比導線部分150及電阻部分更遠離第二基材140的波浪面142。第二保護層160主要為保護導線部分150、第一電阻R1及第二電阻R2而設置，而第二保護層160可具有絕緣性、透光性及可伸縮性等特性。在一些實施例中，第二保護層160可為光學膠、聚乙烯膜、樹脂等聚合物。

電阻基板130設置在支撐基板110上。在一些實施例中，電阻基板130與支撐基板110之間包含空氣間隙170，以使壓力感測器100在較小外力下就能產生較大的形變，故相應的電阻隨著變形，而使電阻值發生變化。在一些實施例中，在電阻基板130的波谷區140B中的第一電阻R1分別對應到支撐基板110的圖案化支撐層120A，即圖案化支撐層120A是在第一電阻R1的正下方。

當壓力感測器100受到的壓力較小時，第一保護層125與第二保護層160未接觸，則第二電阻R2的形變量較大，其電阻值的變化較明顯，且由於第一電阻R1抗彎強度大，故形變量較小，則第一電阻R1的電阻值變化較小。反之，當受到的壓力較大，而使得第一保護層125與第二保護層160接觸時，第一電阻R1會與圖案化支撐層120A擠壓作用，而發生變形(例如彎曲和壓縮)，故電阻值的變化較明顯。換言之，在圖案化支撐層120A的作用下，第一電阻R1的變形會更易控制。此外，壓力感測器100具有拉伸性，故可應用於穿戴型健康監測傳感器。

請參閱圖2A至圖2D，其繪示根據本發明一些實施例的支撐基板110的製程中間階段的剖面視圖。如圖2A所示，提供基板101，其包含第一基材115及在第一基材115上的支撐層120。在一些實施例中，基板101可為軟性銅箔基材(flexible copper clad laminate，FCCL)，則第一基材115為絕緣基材，而支撐層120為銅箔。接著，如圖2B所示，形成光阻層105在支撐層120上。

對圖2B的結構依序進行曝光、顯影、蝕刻及去除剩餘光阻層後，即可圖案化支撐層120，以獲得如圖2C所示的結構，其包含在第一基材115上的圖案化支撐層120A。然後，可在圖2C的結構上形成第一保護層125，以覆蓋圖案化支撐層120A及暴露出的第一基材115的上表面，如圖2D所示。第一保護層125是用以保護圖案化支撐層120A，且可具有絕緣性、透光性及可伸縮性等特性。在一些實施例中，第一保護層125可為光學膠、聚乙烯膜、樹脂等聚合物。

請參閱圖3A至圖3E，其繪示根據本發明一些實施例的電阻基板130的製程中間階段的剖面視圖。首先，如圖3A所示，提供基材堆疊131，其包含第二基材140及在第二基材140上的第三基材135。在一些實施例中，第二基材140和第三基材135為相同材料所組成，且為一體成型的基材。在另一些實施例中，第二基材140和第三基材135為不同材料所組成。

接著，對基材堆疊131進行壓印或轉印製程，以使第二基材140形成波浪型基材，如圖3B所示。第二基材140具有波浪面142及在波浪面142的相對側並貼合第三基材135的背面144。第二基材140包含交錯排列的波峰區140A及波谷區140B，其中波谷區140B與背面144之間的距離大於波峰區140A與背面144之間的距離。

請參閱圖3C，形成導電層152在第二基材140的波浪面142上。在一些實施例中，導電層152可藉由旋轉塗佈(spin coating)、化學浸鍍(chemical plating)、濺鍍(sputtering)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)或物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)等方法形成。在一些實施例中，導電層152是由銅、奈米銀線或其他的導電性材料所組成，較佳為具有透光性的材料。

接著，對導電層152(參照圖3C)進行圖案化製程，以形成多個導線部分150。圖案化製程包含形成光阻層在導電層152上，並進行曝光、顯影與蝕刻。然後，將多個電阻部分(包含第一電阻R1及第二電阻R2)與導線部分150接合，並去除剩餘的光阻層，以獲得如圖3D所示的結構。在一些實施例中，第一電阻R1及第二電阻R2可由奈米銀、奈米銅及奈米碳管等透明導電材料所組成。如圖3D所示，第一電阻R1形成在第二基材140的波谷區140B，且第二電阻R2形成在第二基材140的波峰區140A。換言之，導線部分150設置於波峰區140A及波谷區140B以外的波浪面142上。

如圖3E所示，形成第二保護層160，以覆蓋導線部分150、第一電阻R1及第二電阻R2，即可製得電阻基板130。在一些實施例中，第二保護層160具有絕緣性、透光性及可伸縮性，且可為光學膠、聚乙烯膜、樹脂等聚合物。然後，將圖3E的電阻基板130與圖2D的支撐基板110對準貼合，即可獲得圖1的壓力感測器100。在一些實施例中，所述對準貼合是將電阻基板130的兩個第一電阻R1分別對準支撐基板110的兩個圖案化支撐層120A。

請參閱圖4，其繪示根據本發明一些實施例的壓力感測器200的平面投影圖。電阻基板230包含交錯設置的多個第一電阻R1及多個第二電阻R2。雖然圖4的左邊繪示的電阻基板230為6×6的電阻結構，在其他實施例中，可為其他的電阻排列結構。圖4的支撐基板210(位於圖4右邊)僅繪示圖案化支撐層220A，其對應到電阻基板230中的每一個第一電阻R1。每一個第一電阻R1及第二電阻R2均有獨立的訊號通路，並分別與訊號處理器202連接。訊號處理器202是設計在軟性電路板中的非感測器區域，而訊號處理器202的功能可包含訊號放大、濾波及邏輯控制等。

請參閱圖5，其繪示根據本發明一些實施例的壓力感測器的電阻值與壓力變化的關係圖。由圖5可看出，本發明一些實施例的壓力感測器受到較小壓力時(例如圖5所示的oa區段)，壓力感測器的電阻的變化率較大，即靈敏度較高。然而，在受到較大壓力時(例如圖5所示的ab區段)，電阻的變化率相對降低。本發明的壓力感測器的優勢在於提高壓力感測器的工作壓力區間，可在受到較大的壓力下進行檢測，也可在受到較小的壓力時保有較高的靈敏度。

如上所述，本發明提供一種壓力感測器及其製造方法，其藉由提高電阻的形變量，以降低對電阻材料靈敏係數的需求。再者，藉由在不同壓力下，電阻部分可具有相應的形變量，且電阻值有明顯變化，進而提高壓力感測器的靈敏度及具有大的工作壓力區間。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

100:壓力感測器

101:基板

105:光阻層

110:支撐基板

115:第一基材

120:支撐層

120A:圖案化支撐層

125:第一保護層

130:電阻基板

131:基材堆疊

135:第三基材

140:第二基材

140A:波峰區

140B:波谷區

142:波浪面

144:背面

150:導線部分

152:導電層

160:第二保護層

170:空氣間隙

200:壓力感測器

202:訊號處理器

210:支撐基板

220A:圖案化支撐層

230:電阻基板

R1:第一電阻

R2:第二電阻

oa,ab:區段

根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本發明的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。 [圖1]繪示根據本發明一些實施例的壓力感測器的剖面視圖。 [圖2A]至[圖2D]繪示根據本發明一些實施例支撐基板的製程中間階段的剖面視圖。 [圖3A]至[圖3E]繪示根據本發明一些實施例的電阻基板的製程中間階段的剖面視圖。 [圖4]繪示根據本發明一些實施例的壓力感測器的平面投影圖。 [圖5]繪示根據本發明一些實施例之的壓力感測器的電阻值與壓力變化的關係圖。

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