TWI283295B - Piezoelectric touching sensor - Google Patents

Description

I2832QSvf.d〇c/g 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種碰觸感測技術，且特別是有關於 一種壓電式碰觸感測器，除適用於模仿生物皮膚的觸覺功 此外’也可以用於其他種類的一般碰觸(touch)感應。 【先前技術】 碰觸感測器是一種感測元件或是系統，例如是觸覺感 測器。觸覺感測器的功用例如在於模仿生物皮膚上的觸 覺。藉由感測器與待測物體的直接接觸，所產生的物理效 應，可以測得接觸時的狀態與待測物體表面的物理性質， 例如接觸時的作用力或壓力的大小與在空間上的分佈。物 理性質又例如是待測物體的位置、待測物體的形狀、物體 表面的紋路質地，溫度、硬/軟度或濕度等特性。單一的碰 ，感測器可以用來做為開關。另外，若是二雉的碰觸感測 态就可以得到觸覺影像(tacti!e image)。因此，碰觸感測器 的應用領域非常地廣泛，例如在機器人上，碰觸感測器是 φ 控制機器人的動作，例如抓取物體，是運動時不可缺少的 感測器。在資訊電腦領域方面，碰觸感測器結合顯示器， 以用來做為觸控輸入裝置，目前已廣泛地應用於平板^腦 (Tablet PC)或是個人數位助理(Pers〇nal Digkal Assist_ PDA)上的觸控面板。此外，碰觸感測器也可以做為指’ 識等用途。 傳^的碰觸感測器大多是建構在不可撓曲的基材 上，但是由於待測物體可能為平面、曲面等不規則面，並 6 f.doc/g I283295v 且配合軟性電子的發展，近年來，碰觸感測器已開始 可撓曲化的方向發展。軟性碰觸感測器的應用潛力向 廣泛，例如應用在軟性顯示器，可做為軟性顯示哭的=很 輸入裝置。又例如用於生醫領域方面，智慧型皮声（1料 skin)就是軟性碰觸感測器的應用之一。 打 碰觸感測器一般是利用壓電材料做為感测的機制。“ 於軟性碰觸感測器而言，軟性壓電材料例如是聚偏二二街 烯(polyvinylidene，PVDF)，或是其他有壓電特性的聚$乙 材料。PVDF對於外部施加的應力反應，具有高輸出H物 線性度佳、以及低遲滯效應(hysteresis)的特性，是报、高八 的壓電材料。 合 然而，在傳統的碰觸感測器，如果想要測出細微的 力’其對外部施加的應力的敏感度仍有不足的問題。因此々 製造者或設計者仍積極研發碰觸感測器，以增加對外部a 加的應力的敏感度。換句話說，如何提升壓電式軟性碰/ 感測器的敏感度，是目前製造者的一項挑戰。 > 萄 【發明内容】 本發明的目的就是在提供一種碰觸感測器，可以有致 增加外部施加的應力的敏感度，以使碰觸感測器有更多有 效的應用。 本發明提出一種碰觸感測器，包括一下基板、一下電 極層、一壓電材料層、至少一個電極層以及一上基板。卞 電極層係位於該下基板上方。壓電材料層係位於該下電杻 層上方。至少一個電極層係位於該壓電材料層上方，足分 I28329Sv f.doc/g 別位於一預定位置。上基板係位於該上電極層上方。該下 基板、該壓電材料層與該上基板之至少其一做為一增壓作 用層。該增壓作用層與該下電極層或該上電極層之間設置 有至少一凸狀結構，以減少受力面積，而增加感應施加在 該壓電材料層的一外部應力。當施加該外部應力於該上電 極層時，藉由該壓電材料層感應出個別的一感應信號。 依照本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 為，其中該增壓作用層的該凸狀結構，是依該上電極層的 位置而分佈。 依照本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 器，其中該增壓作用層的該凸狀結構，是依該上電極層的 位置而分佈，且沿著該上電極層的周緣設置一凹陷結構， 以減少該上電極層的該感應信號的互相干擾。 依以本赉明的較佳貫施例所述之壓電式碰觸感測 裔，其中該增壓作用層是該壓電材料層，且該凸狀結構是 设置在該壓電材料層與該上電極層接觸。 _依照本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 裔，其中该增壓作用層是該上基板，且該凸狀結構是設置 在該上基板與該上電極層接觸。 依舨本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 ^其中该增壓作用層是該下基板，且該凸狀結構是設置 在該下基板與該下電極層接觸。 ^依…、本务明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 其中该增壓作用層是該壓電材料層，且該凸狀結構是 8 .doc/g 設置在該壓電材料層的二個面，分別接觸於該上電極層以 及該下電極層。 依照本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 器，其中該增壓作用層包括該上基板與該下基板，二個該 凸狀結構分別是設置在該上基板與該下基板，分別與該上 電極層與該下電極層接觸。

依照本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 為，其中該增壓作用層包括該壓電材料層以及該下基板， 二個該凸狀結構分別是設置在壓電材料層與該下基板，分 別該上電極層與該下電極層。 依照本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測 器，其中該增壓個層包括該壓電材料層以及該上基板， 二個該凸狀結構分別是設置在壓電材料層與該上基板，分 別接觸於該下電極層與該上電極層。 ^ 本發明的較佳實施例所述之壓電式碰觸感測

二巾辦壓作用層包括該上基板以及該下基板，二個 構相是設置摘上基板與該下基板，分別接觸 於"亥上電極層與該下電極層。 為，本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 ^文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 【實施方式】 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 別考慮壓電材料的特性，其受外部應力時 f.doc/g 所產生的信號大小，是與外部應力成一函數關係，實質上 (substantially)例如是正比關係。但是，外部應力一般是使 用者所施加的。然而，如果壓電材料無法靈敏地感應出細 祕的外部應力，則就是敏感度不足的現象。 在了解到造成敏感度不足的主要原因之一後，本發明 在不改變外部應力的前提下，提出-凸狀結構，以感 文外部應力，在藉由凸狀結構將壓力傳達給壓電材料，以 提升對外部應力的敏感度。本發明的設計理論基礎是根據 (1) P (壓力）=F (外部應力)/A(受力面積） 的關係。當F (外部應力）是固定時，如果a(受力面積)減 小，則壓電材料感受到的P (壓力）就會增加，也因此增加 碰觸感測的敏感度。於此要注意的是，本發明是用於任 何有娅觸(touch)現象的感測，而不僅限於模仿生物皮膚的 觸覺功能。 本叙明在和:出解決敏感度的構想後，於是提出實際的 設計結構。以下舉一些實施例做為說明，但是本發明不僅 限於所舉的實施例。 圖1繪示依據本發明一實施例，碰觸感測器的剖面結 構與細部透視結構示意圖。參閱圖i，碰觸感測器包括一 下基板100、一下電極層1〇2、一壓電材料層1〇4、至少一 個上電極層106以及-上基板應。下電極層搬係位於 該下基板1GG上方。下基板丨⑻—般與_基礎表面接觸。 I283295vf.d〇c/g 如果石亚觸感測器是採用可撓曲的軟性材料所設計 板100可设置在一曲面上，例如做為機器人的人： 壓電材料層104係位於下電極層1〇2上方。二夕 個上電極層106，係位於壓電材料層104上。於此， 上電極層106之針對一個位置而感測，而多個上電極芦 對多個位置而感測，以達成—維或是二維“測。 換句話說，-個上電極層1〇6就代表一感測區域(或又 測點）。圖1是以多個上電極層1〇6為例做說明。接著，二 上基板108係位於上電極層1〇6的上方。一般設計上，上 基板108例如會與待測物體接觸。換句話說，外部應力會 施加於上基板108上。根據對應上電極層1〇6的位^^ ^的“唬大小，可以感應出全面的觸覺效應。感應出來的 信號，藉由下電極層1〇2與上電極層1〇6的輸出，由外部 ，分析電路(未示於圖1)，進行感測分析，其為一般習此技 藝者可了解，不予詳述。 為了提升碰觸的敏感度，本發明特別提出例如在壓電 材料層104與上電極層1〇6接觸的表面部份，形成有凸狀 結構層112，例如在區域11〇的細部結構。為利於製造(見 圖5A〜5E)，可以直接在壓電材料層1〇4上加工製造出凸狀 結構層112。然而，凸狀結構層112也可以分開製造。如 此，當外部應力從上基板1〇8施加給壓電材料層1〇4時， 由於凸狀結構層112的接觸面積小，因此造成壓力的增 加，進而對應地增加外部應力的敏感度。 對方;麼電材料層104的總厚度一般例如是大約1 〇〇微 1283294 f.doc/g 米，而凸狀結構層112所佔的長度例如是總厚度的約l〇% 〜40%，又或是長度為1〇〜4〇微米，但是所舉長度不是唯° 了的選擇。又，凸狀結構層112的數量可以一個或是多個， 對應上電極層106而分佈。凸狀結構層112例如是柱狀， 而橫柱狀的截面形狀，例如是圓形、橢圓形，或是多邊形。 柱狀是其中較佳的方式，但不是唯一的結構。另外，凸狀 =構層112例如可以是錐狀、球狀，又更例如直條狀以及 彎曲條狀。圖4繪示幾種較佳的凸狀結構層112， 用來限制本發明。 一 換句活說，壓電材料層1〇4在圖3的實施例可以是視 為增壓作用層，其對應物不應力而言，會使施力面積所 小’也因此貫際在壓電材料層1〇4所施加的壓力增加。如 此，感測器對外部應力的敏感度就增加。 又，為進一步避免屬於相鄰不同上電極層1〇6的信 號’互相干擾造成所謂的串音(crosstalk)現象，可以例如在 上電極層106的周緣，設置一凹陷結構114，如此相鄰不 同一上電極層106之間的串音可以有效減少。 圖2依據本發明一實施例，碰觸感測器的結構分解示 意圖。參閱圖1與圖2,在多個上電極層1〇6以陣列方式 設置於上基板108的内表面。壓電材料層1〇4的凸狀結構 層112，對應上電極層1〇6的位置而設置。下電極層1〇2 則設置在下基板100的内表面。如此，下基板1〇〇、壓電 材料層104與上基板1〇8，構成碰觸感測器。 圖3依據本發明另一實施例。依照與圖1相同的壓力 12 f.doc/g I283295v 感測機制，凸狀結構層112不必一定要設置在壓電材料層 104本身的一部分。參閱圖3，碰觸感測器包括一下基板 300、一下電極層302、一壓電材料層304、至少一個上電 極層306以及一上基板3〇8。於此實施例，凸狀結構層31〇 疋6又置在上基板308，且在與上電極層306接觸的區域設 置凸狀結構層31〇。另外，為了防止串音現象，也可以設 置凹陷結構312。此時上基板308可以一增壓作用層。 又’圖1與圖3也不是用來限制本發明的可能設計變 化，但疋可以將圖丨與圖3的特徵適當組合與延伸。也就 疋，增壓作用層也可以設置在下基板3〇〇，使下基板3〇〇 具有凸狀結構層。又或是，凸狀結構層除了可以設置在下 基板300、一下電極層302、一壓電材料層304其一的單獨 一層，另外也可以同時設置在下基板3〇〇、一下電極層 302、一壓電材料層3〇4的至少二層。換句話說，增壓作用 2可以分佈到二層或三層。每一增壓作用層都設置有凸狀 結構，其皆可以由圖i與圖3的特徵組合而達成，不予詳 細描述。 圖=繪示依據本發明實施例的幾種凸狀結構。凸狀結 構，，疋圓柱狀4〇〇a、四邊形柱狀400b，直條狀400c、 或，寫、曲條狀4〇〇d。另外，相對凸狀結構的其他部份就是 = 口構。圖中所示的形狀，也可以是凹陷結構的形狀， 其變化都不脫離本發明的基本特徵。又同理，本發明不僅 限制^圖4所舉的例子，其他例如圓球狀，角錐狀等也是 可以採用’凸狀單體的數量也不受限制。根據本發明，其 13 l283294,〇c/g 基本❹十原則就是，使受力面積所縮小。 、又，，於前面所提及的製造方法，為了利於製造，可 以1接在壓電材料層1〇4上加工製造出凸狀結構層112。 圖5A〜5E繪示依據本發明實施例的製造流程，剖面示意 圖^對於要製作凸狀結構的增壓作用層層而言，例如想要 f壓電材料—層的聚合物材料層500上製作凸狀結構，先設 2好一石英模板5〇2，其凹陷的部分就是預計的凸狀結 >才。、於，5A，將石英模板502壓置放在聚合物材料層5〇〇 上的預定位置。於圖5B，例如利用雷射加熱504，以將聚 :物材料層500的上部轉化成一近似融態層5()1。接著於 囷5C將石奂模板502壓入近似融態層501。於圖5D， 進行冷部固化。於圖5E，將石英模板5〇2從聚合物材料 私開。於疋，聚合物材料5〇〇上形成預定的凸狀結構。 這個流程是傳統的熱壓成形的流程，可以簡化製作流程。 人另外，圖1中的凹陷結構114,雖然在圖5八〜5£沒有 、、、曰出，但疋可以用相同方式同時製作完成。 •圖6繪示依據本發明實施例的碰觸感測器，其一連續 的製作流程示意圖。參閱圖6，在壓電材料層1〇4上，利 用圖5A〜5E的流程，利用石英模板，以熱壓製作出壓 ，材，層1〇4。此時，上基板106與丁基板100也都分ς 衣作7L成。於是進行黏貼步驟，將上基板1〇6與下基板忉〇 組合於壓電材料層104的兩面，完成製作。 、上述的製流程，僅是描述本發明碰觸感測器的製作方 式之一。只要具有上述本發明的結構特徵，其製作方式可 14 doc/g 12832 版 以有不同流程。 根據本發_結構設計，從理 證，大致上描述於後。 土 , A的& 關係式為: 仏電㈣的材枓組成張量(t_) ⑴ Gii=D(iki£ki-elijEm (2) ❿ 其中〜為應力張量，％為電位，。為 ， 電場梯度，φ為電場，M A V摄又里，£卜一却/电為 數、為㈣_力碰“f祕度在零狀態下的彈性係 為 力係數為介電係數。其中式⑴可以寫 (3) 也就是將式⑴的㈣應力係數 此，如果採請D壓電材料，其雜係數m 向性，因此材料係數簡化成 包係數為均 εδ r 〇 (5) 壓電係數 設定 E-3GPa，ν==α35 n = nxl(rH)恤偷。 15 1283總 f-d〇c/g 1283總 f-d〇c/g 例如 ^211 =23x1 O'12 m/V〇lt = -33 … …πχ10_12 m/V〇lt，其餘的 说為V'，其中下標2代表壓電材料的厚度方向，下標1和 3為垂直於厚度方向的座標軸。 依照上述的關係，針對圖丨的方式與圖3的方式，且 f狀結構例如是圖4的四邊形柱狀4_，分別進行模擬驗 m $電材料厚度例如5微米，而凸出或凹陷結構的大小 例如疋一微米立方的形狀。另外也改變四邊形柱狀的大小 =及相鄰二餘狀的距離，做進—步的驗證。驗證結果顯 不、’對於相同的施力下，本發明的結構都有效地增加壓點 材料所感應出的電位差。較佳結果顯示可以提升5〇%以 上。當然實際增加的感應能力，會隨凸狀結構的不同形狀 與大小而改變，可依實際設計來調整，於此不一一描述。 /綜上所述，在本發明，經過研究探討碰觸感測器的原 f後’利用P (壓力)=F (外部應力)/A(受力面積)的關係， 設计出具有凸狀結構的感測器。在相同的外部應力下，可 以增加對壓電材料層的壓力作用，使得有效提升壓力敏感 度。 〜 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 和範圍内，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。 【圖式簡單說明】 圖1繪示依據本發明一實施例，碰觸感測器的剖面結 構與細部透視結構示意圖。 16 I2832sQ5wf.d〇c/g 圖2依據本發明一實施例，碰觸感測器的結構分解示 意圖。 圖3依據本發明另一實施例。 圖4繪示依據本發明實施例的幾種凸狀結構。 圖5A〜5E繪示依據本發明實施例的碰觸感測器的製 造流程，剖面示意圖。 圖6繪示依據本發明實施例的碰觸感測器，其一連續 的製流程示意圖。 【主要元件符號說明】 100、300 :下基板 102 、 302 下電極層 104 、 304 壓電材料層 106 、 306 上電極層 108 、 308 上基板 110 細部結構 112 、 310 凸狀結構 114、312 凹陷結構 400a〜400d : 凸狀結構 500 :聚合物材料層 502 、 702 : 石英模板 501 :融態層 504 : :雷射加熱 17

Claims (1)

1. doc/g 1283289^ 申請專利範圍： 1·一種壓電式碰觸感測器，包括： 一下基板； 一下電極層，位於該下基板上方； 一壓電材料層，位於該下電極層上方； 於 二 =電極層，位於該壓電材料層上方，且分別位 預疋位置；以及 一上基板，位於該上電極層上方， > 他*其中該下基板、該壓電材料層與該上基板之至少其一 極層:該增壓作用層與該下電極層或該上電 層之間=置有至少—凸狀結構，以減少受力面積， 外部應力於該上電極層時，藉由該壓電 材料層感應出個別的一感應信號。 哭，申請^利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 :置:分；，壓作用層的該凸狀結構，是依該上電極層的 -I.二申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 益〜、〜增壓相層的該凸狀結構，是健上電極層的 位置而分佈，且沿著該上電極層關緣設置—凹陷結構， 的該感應信號的互相干擾。 ^ 1.二申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 :罟二二Ϊ壓作用層是該壓電材料層，且該凸狀結構是 扠置層與該上電極層接觸。 申明專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 18 益，其中έ亥增壓作用層是該上基板，且該凸狀結構是設置 在該上基板與該上電極層接觸。 加6·如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 為，其中该增壓作用層是該下基板，且該凸狀結構是設置 在該下基板與該下電極層接觸。 _ 7·如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 2 ’其中該增壓作用層是該壓t材料層，且該凸狀結構是 叹置在該壓電材料層的二個面，分別接觸於該上電極層以 及5亥下電極層。 w δ·如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 裔’其中該增屡作用層包括該上基板與該下基板，二個該 凸狀結構分別是設置在該上基板與該下基板，分別與該上 電極層與該下電極層接觸。 〃 ^ 9·如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 其中該增㈣闕包括該壓電_層以及該下基板， —個忒凸狀結構分別是設置在壓電材料層與該下基板，分 別該上電極層與該下電極層。 ⑺1〇·如申請專利範圍第1項所述之墨電式碰觸感測 ，，其中該增屡作用層包括該壓電材料層以及該上基板， 二個該凸狀結構分別是設置在壓電材料層與該上基板，分 別接觸於該下電極層與該上電極層。 ” 11·如t請專利範圍第i項所述之壓電式碰觸感測 =，其找增餅闕包括該上基板以及該下基板，二個 Λ凸紅構分別是設置在該上基板與該下基板，分別接觸 19 1283施 f.doc/g 於該上電極層與該下電極層。 12. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 器，其中該增壓作用層包括該上基板、該壓電材料層以及 該下基板之至少其一，皆設置有該凸狀結構。 13. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 器，其中該增壓作用層的該凸狀結構是柱狀、錐狀、球狀， 直條狀以及彎曲條狀之至少其一。 14. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 器，其中該增壓作用層的該凸狀結構的數量是至少一個。 15. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 器，其中該上電極層構成二維感測、一維感測、或是單一 感測。 16. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式碰觸感測 器，其中該壓電式碰觸感測器是軟性的或是硬性的。

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