TWI383130B - 電容式壓力感測器裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

電容式壓力感測器裝置及其製造方法

本發明有關於一種壓力感測器，且特別是有關於一種電容式壓力感測器裝置及其製造方法。

隨著機器人感測系統的日益複雜化，機器人身上負責與週遭環境接觸的人造皮膚，目前則朝向多項感測功能、高解析度及靈敏度等方向發展。且當人造皮膚除了能夠感測正向應力，亦可以感測側向應力時，對於機器人手掌在抓取物品時，可避免動作中物品產生破壞和脫落的情形，其用於感測壓力之人工皮膚，在未來勢必扮演更重要的角色。

電容式壓力感測器裝置有可接受的靈敏度、低消耗功率、長時間穩定度、以及良好的溫度特性等特點。其已經普遍應用在許多不同的領域，包括工業、醫療、生化等個種領域。目前，大部分的電容式壓力感測器裝置仍是以矽微加工技術(Silicon Micromachining Technology)的方式製造。

由於矽基材本身的材料特性以及結構因素，其製程皆非常複雜，該材料易脆將不適合應用於大面積之曲面披覆等，且感測電容變化量都相當微小。因此傳統的矽材質電容式壓力感測器裝置的靈敏度在應用上仍有不足的缺點。

故爲因應未來人造皮膚之工業化需求，尚需發展相關的電容感測技術，藉以節省與時間等成本，以達到提升人造皮膚技術之目的。

本發明的目的在於提供一種電容式壓力感測器裝置及其形成的方法，以改善現有技術的缺失。

依據本發明之一特色，本發明提出的電容式壓力感測器裝置包括覆蓋體、複數個第一金屬電極、基底以及複數個第二金屬電極。上述覆蓋體具有上層與複數個側壁。上述複數個第一金屬電極設置於覆蓋體的上層的內側。上述基底連接覆蓋體的該複數個側壁，形成一容置空間。上述複數個第二金屬電極設置於基底，該複數個第一金屬電極與該複數個第二金屬電極位於容置空間，且該複數個第一金屬電極至少對應該複數個第二金屬電極的其中一個，以形成複數個感應電容。上述覆蓋體、該複數個第一金屬電極以及基底的材質為高分子可撓性材料。

依據本發明之另一特色，本發明提出的電容式壓力感測器裝置的製造方法，包括：提供具有上層與複數個側壁的覆蓋體；設置複數個第一金屬電極於覆蓋體的上層的內側；設置複數個第二金屬電極於一基底；以及連接覆蓋體的該複數個側壁與基底，使得該複數個第一金屬電極至少對應該複數個第二金屬電極的其中一個，以形成複數個感應電容，其中覆蓋體以及基底的材質為高分子可撓性材料。

本發明有益效果為，提供一種電容式壓力感測器裝置，其使用高分子材質聚二甲基矽氧烷和聚亞醯胺做為結構基材，其容易製造出具有較大的電容變化量、有效增加壓力感測的靈敏度之壓力感測器。並且，在本發明之中，由於結構上的設計，感測器不僅可以感測到正向壓應力，也可以感測到側向剪應力。

故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

有關本發明較佳實施例之說明，敬請一併參照第1圖、第2圖、第3圖以及第4圖。

如第1圖繪示為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置的結構示意圖。本實施例所提供的電容式壓力感測器裝置1包括受力層11、覆蓋體12、複數個第一金屬電極13、基底21以及複數個第二金屬電極22，其中受力層11具有凸部111，覆蓋體12具有上層121與複數個側壁122。

在本實施例中，覆蓋體12的上層121的外側連接受力層11，以形成連接結構，在其他實施例中，受力層11與覆蓋體12亦可一體成形，本發明並不對此加以限制。覆蓋體12的側壁122連接基底21。在本實施例中，前述連接方式可利用黏貼方式或其他在微機電技術中常用的連接方式，本發明並不對此加以限制。前述受力層11的凸部111可以輔助整個電容式壓力感測器裝置1的受力狀況。

如第2圖繪示為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置受正向應力之示意圖，受力層11的凸部111能使得電容式壓力感測器裝置1能接受正向壓應力。

如第3圖繪示為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置受側向應力之示意圖，受力層11的凸部111能使得電容式壓力感測器裝置1能接受側向剪應力。另在本實施例中，受力層11與凸部111是一體成形，在其他實施例中，受力層11與凸部111亦可分別形成之後再連接，本發明對此並不加以限制。

在本實施例中，受力層11、覆蓋體12、複數個第一金屬電極13以及基底21的材質為高分子可撓性材料。受力層11與覆蓋體12的材質較佳為聚二甲基矽氧烷(PDMS)。基底21的材質較佳為聚亞醯胺(POLYIMIDE)。

在本實施例中，覆蓋體12的側壁122連接基底21可形成密閉的容置空間S，而在本實施例中，覆蓋體12還具有支撐柱123，其亦連接基底21，且分割前述容置空間S為第一容置空間與第二容置空間。另外，支撐柱123是由上層121的內側形成的，其形成的較佳位置為上層121內側的中間，藉此，如圖2與圖3所示，支撐柱123可用以支撐覆蓋體12的上層121，以協助量測正向壓應力或側向剪應力。

前述第一金屬電極13設置於覆蓋體12的上層121的內側。第二金屬電極22設置於基底21。第一金屬電極13與第二金屬電極22位於容置空間S中，且第一金屬電極13與第二金屬電極22互為平行。在本實施例中，較佳地，第一金屬電極13的數量為兩個，二金屬電極22的數量為四個，其中一個第一金屬電極13設置於第一容置空間，且這個第一金屬電極13對應兩個第二金屬電極；另一個第一金屬電極13設置於第二容置空間，且這個第一金屬電極13亦對應兩個第二金屬電極，藉此可形成複數個感應電容，例如：四個。

另外，第一金屬電極13與第二金屬電極22互為對稱性結構，用以提供正向壓應力或側向剪應力的量測。

在本實施例中，第一金屬電極13為電極層，第二金屬電極22為雙層金屬電極導線層。

藉此，本實施所提供的電容式壓力感測器裝置1可提供二維感測功能，當施加正向壓應力或是側向剪應力時，第一金屬電極13與第二金屬電極22之間的間隙會產生改變，第一金屬電極13與第二金屬電極22所形成的感應電容的電容值也會隨之改變，進而可透過量測此電容值就可得知壓力的變化。

亦即，當電容式壓力感測器裝置1被施加外力時，受力層11與覆蓋體121會受力而產生變形，使得第一金屬電極13與第二金屬電極22所形成的感應電容的電容值隨之改變，以感測施加之外力。此外，本實施例所提供的電容式壓力感測器裝置1能夠將接觸力轉換成正向壓力或剪應力，在正向應力下第一金屬電極13與第二金屬電極22所形成的各個感應電容的電容值會均一的改變其電容值，而在側向剪應力下第一金屬電極13與第二金屬電極22所形成的各個感應電容的電容值所改變的電容值並不均一，藉此便可透過比較計算來得知某方性的電容變化較大，進而計算出受力之方向和大小。

另外，為了能精準感測剪應力變化，本實施例所提供的受力層11還包括凸部111與覆蓋體12的支撐柱123，再藉由第一金屬電極13與第二金屬電極22所形成的各個感測電容成對稱性，以達成在各個方向之剪應力的感測。

第4圖繪示為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置之爆炸圖。

如第5圖顯示本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置的製造的流程圖，而有關第5圖的說明，敬請一併參照第1圖所示。

在第5圖之步驟S505中，提供具有凸部111的受力層11。而在步驟S510中，提供覆蓋體12。接著在步驟S515中，連接受力層11於覆蓋體12的上層121的外側。又在步驟S520中，設置第一金屬電極13於覆蓋體12的上層121的內側，在本實施例中，第一金屬電極13以濺鍍或是蒸鍍方式設置於覆蓋體12的上層121的內側。且在步驟S525中，設置第二金屬電極22於基底21，在本實施例中，第二金屬電極22以蝕刻方式設置於基底21。最後，在步驟S530中，連接覆蓋體12的側壁122與基底21，使得該複數個第一金屬電極13至少對應該複數個第二金屬電極22的其中一個，以形成複數個感應電容。

另外，本實施例所提供電容式壓力感測器裝置亦可實施成複數個，例如：在感測器陣列上的製造上，以單一之電容式壓力感測器裝置為建構單元，而組成N×M的壓力感測陣列。

綜上所述，本發明較佳實施例所提供之電容式壓力感測器裝置利用到聚二甲基矽氧烷之製程與結合技術、聚亞醯胺之微蝕刻技術，大大的降低複雜度和製程難易度，並有效提升製程和組裝之良率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1．．．電容式壓力感測器裝置

11．．．受力層

111．．．凸部

12．．．覆蓋體

121．．．上層

122．．．側壁

123．．．支撐柱

13．．．第一金屬電極

21．．．基底

22．．．第二金屬電極

S．．．容置空間

S505~S530．．．步驟

第1圖為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置的結構示意圖。

第2圖為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置受正向應力之示意圖。

第3圖為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置受側向應力之示意圖。

第4圖為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置之爆炸圖。

第5圖為本發明較佳實施例之電容式壓力感測器裝置的製造的流程圖。

1．．．電容式壓力感測器裝置

11．．．受力層

111．．．凸部

12．．．覆蓋體

121．．．上層

122．．．側壁

123．．．支撐柱

13．．．第一金屬電極

21．．．基底

22．．．第二金屬電極

S．．．容置空間

Claims (19)

1. 一種電容式壓力感測器裝置，至少包含：一覆蓋體，具有一上層與複數個側壁；複數個第一金屬電極，設置於該覆蓋體的上層的內側；一基底，連接該覆蓋體的該複數個側壁，形成一容置空間；以及複數個第二金屬電極，設置於該基底，該複數個第一金屬電極與該複數個第二金屬電極位於該容置空間，且該複數個第一金屬電極至少對應該複數個第二金屬電極的其中一個，以形成複數個感應電容，其中該覆蓋體、該複數個第一金屬電極以及該基底的材質為高分子可撓性材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電容式壓力感測器裝置，更包括一受力層，該覆蓋體的上層的外側連接該受力層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該受力層具有一凸部，使得該電容式壓力感測器裝置能接受正向壓應力或接受側向剪應力。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該受力層的材質為高分子可撓性材料。
5. 如申請專利範圍第2項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該受力層的材質為聚二甲基矽氧烷。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該複數個第一金屬電極與該複數個第二金屬電極互為平行。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該複數個第一金屬電極與該複數個第二金屬電極互為對稱性結構，用以提供正向壓應力或側向剪應力的量測。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該覆蓋體具有一支撐柱，連接該基底，且分割該容置空間為一第一容置空間與一第二容置空間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該支撐柱用以支撐該覆蓋體的上層，以協助量測正向壓應力或側向剪應力。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該覆蓋體的材質為聚二甲基矽氧烷。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電容式壓力感測器裝置，其中該基底的材質為聚亞醯胺。
12. 一種形成電容式壓力感測器裝置的方法，至少包含：提供一覆蓋體，該覆蓋體具有一上層與複數個側壁；設置複數個第一金屬電極於該覆蓋體的上層的內側；設置複數個第二金屬電極於一基底；以及連接該覆蓋體的該複數個側壁與該基底，使得該複數個第一金屬電極至少對應該複數個第二金屬電極的其中一個，以形成複數個感應電容，其中該覆蓋體、該複數個第一金屬電極以及該基底的材質為高分子可撓性材料。
13. 如申請專利範圍第12項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，更包含：提供一受力層；及連接該受力層於該覆蓋體的上層的外側。
14. 如申請專利範圍第13項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，其中該受力層具有一凸部，使得該電容式壓力感測器裝置能接受正向壓應力或接受側向剪應力。
15. 如申請專利範圍第13項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，其中該受力層的材質為聚二甲基矽氧烷。
16. 如申請專利範圍第12項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，其中該複數個第一金屬電極以濺鍍或是蒸鍍方式設置於該覆蓋體的上層的內側。
17. 如申請專利範圍第12項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，其中該複數個第二金屬電極以蝕刻方式設置於該基底。
18. 如申請專利範圍第12項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，其中該覆蓋體的材質為聚二甲基矽氧烷。
19. 如申請專利範圍第12項所述之形成電容式壓力感測器裝置的方法，其中該基底的材質為聚亞醯胺。