專利名稱：柔性電子壓力感測裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種柔性電子壓力感測裝置及其制造方法，更特別，本發明涉及一種
可應用于大面積感測與低成本制作的柔性電子壓力感測裝置及其制造方法。
背景技術：
柔性電子泛指將功能性的感測材料制作于柔性或可彎曲基板上的技術與應用，目前有塑膠電子(Plastic electronics)、印刷電子(Printed Electronics)、有機電子(Organic Electronics)與聚合物電子(Polymer electronics)等新技術的探討，而這些技術已被應用于柔性傳感器設計與制作，其優勢在此技術是采用印制工藝及可適合于大面積感測和低成本制作。 —般壓力感測元件大多數為采用半導體或微機電工藝方式制作而成，其工藝的成本高、元件大多數屬于塊體剛性結構與不易折彎，故不適合于大面積柔性陣列壓力感測偵測。再者，現有柔性電子壓力傳感器采用實心堆疊式方式制作而成，因此難于在動態感測模式使用，因為當柔性傳感器受到彎曲時，容易因感測單元受到自身形變基板薄膜的擠壓而產生誤作動感測信號外，元件結構的可靠度亦不佳。故現今柔性壓力感測裝置大多僅可在準靜態的環境下操作，而難以用于動態模式下操作。 美國專利編號US6032542提出一種柔性電子壓力感測裝置，主要是于上、下兩片柔性薄膜上分別制作行與列的感測電極配線，再將電阻感測材料印制于行與列的電極配線上，然后使兩片柔性薄膜上面的行和列，以正交的交錯方式相對應組裝一起，交錯點即為電阻材料受力時感測區塊，故感測區受到膜自身形變的受力擠壓，易產生感測誤作動信號。
再者，美國專利編號US7258026提出一種以螺旋狀結構(spiral-like)組合而成的柔性陣列感測元件，即于上、下柔性薄膜設計螺旋狀結構后，再經組合成為感測裝置，然而于實際應用時，此螺旋狀彈簧外面仍然需要封裝一層保護薄膜，故經過保護膜封裝后的螺旋狀彈簧機構，即損失個體元素的自由度與彈性效果，而又造成元素與元素之間有較高的相互耦合作用。雖然采用彈簧式柔性感測元素，增加感測時靈敏度，然而，其并不適合于柔性陣列感測裝置同時有形變與有外力觸碰的情況下使用，因基板上的薄膜感測單元無法有效辨識是基板自身形變或外力接觸作用，而造成感測單元的感測。 現今于靜態與動態的大面積壓力感測裝置，較為成熟的應用實例為武術護具與電子寵物，傳統護具的主要目的是避免運動員受傷與減輕打擊過程中所造成的嚴重沖擊，特別是運動員間有肢體劇烈接觸的運動項目。因此，為了提高運動競賽的裁判的正確性，現今已有護具結合電子壓力感測裝置于競賽過程中同時感測所受壓力。現有較為成熟的電子護具是以慣性質量搭配電感的感應方式，進行動態模式的感測，如美國專利編號US7012187。
然而，在感測過程中其手或腳護具需搭配特殊感測裝置，使之與身體或頭護具達成感測功能，因此會造成穿載上不便，且易受到外在的干擾。至于常見電子寵物的感知裝置，多數整合單一或數個壓力感測單元于電子寵物表面內，此方式顯然既無效益亦不經濟，再者整合形式通常難有較高的空間解析度。
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鑒于多數電子壓力感測裝置僅合適于準靜態模式下的感測，本發明提出可應用于 大面積靜動態用的柔性電子壓力感測裝置，此裝置是以柔性基板為主體，且配合聚合物材 料及簡易印制的工藝技術，實現大面積感測與低成本制作的柔性電子傳感器裝置，以克服 現有壓力感測單元需大面積感測元件的高單價問題，及提供可應用于靜動態使用的感測裝置。
發明內容
本發明提供一種柔性電子壓力感測裝置，在動態感測過程中可降低傳感器因自身 的形變而產生誤感測信號的機率。 本發明還提供一種柔性電子壓力感測裝置的制造方法，其具有低技術需求及低成 本的特性。 本發明提出一種柔性電子壓力感測裝置，其包括第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、多 個第一電極、多個第二電極、多個第一感測塊、第三柔性薄膜及多個第一凸塊。第二柔性薄 膜有間隔地設置在第一柔性薄膜的下方，并與第一柔性薄膜構成第一空間。這些第一電極 陣列地配置在第一柔性薄膜上，且位于第一柔性薄膜及第二柔性薄膜之間。這些第二電極 陣列地配置在第二柔性薄膜上，且位于第一柔性薄膜及第二柔性薄膜之間。這些第一感測 塊分別配置在這些第一電極上，并分別與對應的第二電極相隔離。第三柔性薄膜有間隔地 設置在第一柔性薄膜的上方，并較第一柔性薄膜遠離第二柔性薄膜，且與第一柔性薄膜構 成第二空間，其中第一空間內與第二空間內的空氣維持第一柔性薄膜相對于第二柔性薄膜 的距離。這些第一凸塊分別對應于這些第一感測塊而配置在第一柔性薄膜上，且位于第一 柔性薄膜及第三柔性薄膜之間。 基于上述，本發明利用填充于柔性電子壓力感測裝置中的空氣維持其薄膜的相對
距離。當柔性電子壓力感測裝置自身產生形變時，可防止配置于不同薄膜上的感測塊與電
極或兩感測塊相互接觸，而凸塊可使其所配置的薄膜在受到外力的作用下，通過應力集中
的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。此外，本發明通過簡易的印制與點膠技
術，使柔性電子壓力感測裝置的制造方法具有低技術需求及低成本的特性。 為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖作
詳細說明如下。
圖1A為本發明實施例的柔性電子壓力感測裝置的剖面示意圖。 圖1B為圖1A的柔性電子壓力感測裝置的立體圖。 圖1C為圖1A的柔性電子壓力感測裝置的立體分解圖。 圖2A至圖2C及圖3A至圖3D為圖1A的柔性電子壓力感測裝置的制造流程剖面 示意圖。 圖4為本發明另一實施例的柔性電子壓力感測裝置的剖面示意圖。 圖5為本發明又一實施例的柔性電子壓力感測裝置的部分結構俯視示意圖。 附圖標記說明 100、 100':柔性電子壓力感測裝置
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110:第一柔性薄膜112 :中央部分114:框緣部分116 :彈性部分120 :第二柔性薄膜130 :第一電極130a :第一電極線140:第二電極140a:第二電極線150 :第一感測塊160 :第三柔性薄膜170 :第二感測塊180:第四柔性薄膜A :膠材Bl :第一凸塊B2 :第二凸塊HI :第一通氣孔H2 :第二通氣孔Sl :第一空間S2 :第二空間S3 :第三空間V:氣閥W :墻狀物X :子空間
具體實施例方式
圖1A為本發明實施例的柔性電子壓力感測裝置的剖面示意圖，圖1B為圖1A的柔性電子壓力感測裝置的立體圖，圖1C為圖1A的柔性電子壓力感測裝置的立體分解圖。請同時參考圖1A、圖1B及圖1C，本實施例的柔性電子壓力感測裝置IOO包括第一柔性薄膜110、第二柔性薄膜120、多個第一電極130、多個第二電極140、多個第一感測塊150、第三柔性薄膜160及多個第一凸塊B1。 第二柔性薄膜120有間隔地設置在第一柔性薄膜110的下方，并與第一柔性薄膜110構成第一空間Sl。這些第一電極130陣列地配置在第一柔性薄膜110上，且位于第一柔性薄膜110及第二柔性薄膜120之間。這些第二電極140陣列地配置在第二柔性薄膜120上，且位于第一柔性薄膜IIO及第二柔性薄膜120之間。這些第一感測塊150分別配置在這些第一電極130上，并分別與對應的第二電極140相隔離。 第三柔性薄膜160有間隔地設置在第一柔性薄膜110的上方，并較第一柔性薄膜110遠離第二柔性薄膜120，且與第一柔性薄膜110構成第二空間S2，其中第一空間S1內與第二空間S2內的空氣維持第一柔性薄膜IIO相對于第二柔性薄膜120的距離。這些第一凸塊B1分別對應于這些第一感測塊150而配置在第一柔性薄膜110上，且位于第一柔性薄 膜110及第三柔性薄膜160之間。 當外力作用于柔性電子壓力感測裝置100時，配置于這些第一電極130上的這些 第一感測塊150與配置于第二柔性薄膜的這些第二電極140因受到壓迫而相互接觸，并因 此產生感測信號以達到感測壓力的目的。值得注意的是，第一空間S1內的空氣可維持這些 第一感測塊150與這些第二電極140的相對距離。因此，當柔性電子壓力感測裝置100自 身產生形變時，可防止這些第一感測塊150與這些第二電極140相互接觸而產生誤感測信 號。 另外，配置于第一柔性薄膜110的這些凸塊B1可使第一柔性薄膜110在受到外力 的作用下，通過應力集中的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。在本實施例 中，各第一感測塊150的材料例如是電阻材料、壓阻材料、壓電材料、電感材料、電磁材料或 熱電材料，用以感測壓力并對應產生感測信號。 在本實施例中，柔性電子壓力感測裝置100還包括多個墻狀物W、多條第一電極線 130a及多條第二電極線140a。這些墻狀物W配置于第一柔性薄膜110與第二柔性薄膜120 之間，且位于這些第一感測塊150的兩相鄰者之間，并將第一空間Sl分隔成多個相互連通 的子空間X。再者，第一空間Sl及第二空間S2透過設置在第一柔性薄膜110的第一通氣孔 Hl相互連通而組成密閉空間，且其內部氣壓大于1大氣壓。這些第一電極130透過連接于 其上的這些第一電極線130a而電性連接，且這些第二電極140透過連接于其上的這些第二 電極線140a而電性連接。 在另一實施例中，第二柔性薄膜120及第三柔性薄膜160所組成的外層結構具有 氣閥V。透過氣閥V可充填空氣于第一空間S1及第二空間S2所組成的密閉空間內，以維持 柔性電子壓力感測裝置IOO內各元件間的相對距離。氣閥V例如是單向或雙向氣閥。
在另一未繪示的實施例中，子空間X亦可為多個互不連通的密閉空間。在又一未 繪示的實施例中，第一空間Sl及第二空間S2分別為密閉空間，且其內部氣壓皆大于1大氣
壓。值得注意的是，若柔性電子壓力感測裝置ioo具有多個互不連通的密閉空間，則其具有
相對應的多個氣閥V，以充填空氣于各密閉空間內。 為了更詳盡地說明本實施例的柔性電子壓力感測裝置100的結構，以下將搭配圖 2A至圖2C及圖3A至圖3D來說明本實施例的柔性電子壓力感測裝置100的制造流程。
圖2A至圖2C及圖3A至圖3D為圖1A的柔性電子壓力感測裝置的制造流程剖面示 意圖。首先，請參考圖2A，提供第一柔性薄膜IIO，并在第一柔性薄膜110上以平板印刷的 曝光顯影技術蝕刻出多個第一電極130、多條連接于各第一電極130的第一電極線130a(繪 示于圖1C)及第一通氣孔H1。 接著，請參考圖2B，以印制或點膠方式將多個膠狀的第一感測塊150分別制作于 各第一電極130上。然后，請參考圖2C，待第一電極130固化后再以印制或點膠方式，在第 一柔性薄膜110上形成多個分別對應各第一電極130且與各第一電極130位于第一柔性薄 膜110不同側的第一凸塊B1。 請參考圖3A，提供第二柔性薄膜120，并在第二柔性薄膜120上以平板印刷的曝光 顯影技術蝕刻出多個第二電極140及多條連接于各第二電極140的第一電極線140a(繪示 于圖1C)。
接著，請參考圖3B，提供多個墻狀物W，并以薄片貼合工藝或印制工藝技術將這些 墻狀物W固定于第二柔性薄膜120上。然后，請參考圖3C，以網印或印制方式將多個膠材A 印制在這些墻狀物W上方。 接著，請參考圖3D，將圖3C繪示的結構透過這些膠材A組裝至圖2C繪示的結構， 而使第一柔性薄膜110與第二柔性薄膜120定義出第一空間Sl，且這些第一電極130、這些 第二電極140及這些第一感測塊150皆位于第一空間Sl內，其中這些墻狀物W在第一空間 Sl內定義出多個子空間X。 最后，提供第三柔性薄膜160。在第三柔性薄膜160上形成氣閥V，并將第三柔性 薄膜160組裝至第一柔性薄膜110而定義出第二空間S2，以使這些第一凸塊B1位于第二空 間S2內。 圖4為本發明另一實施例的柔性電子壓力感測裝置的剖面示意圖。請參考圖4，相 較于圖1的實施例的柔性電子壓力感測裝置IOO，本實施例的柔性電子壓力感測裝置100' 還包括多個分別配置在第二電極140上的第二感測塊170。第二感測塊170分別與對應的 第一感測塊150相隔離。各第二感測塊170的材料例如是電阻材料、壓阻材料、壓電材料、 電感材料、電磁材料或熱電材料，用以感測壓力并對應產生感測信號。 相較于圖1的實施例的柔性電子壓力感測裝置IOO，柔性電子壓力感測裝置100' 還包括第四柔性薄膜180及多個第二凸塊B2。第四柔性薄膜180有間隔地設置在第二柔性 薄膜120的下方，并與第二柔性薄膜120構成第三空間S3。其中第一空間Sl內與第三空間 S3內的空氣維持第二柔性薄膜120相對于第一柔性薄膜110的距離。這些第二凸塊B2分 別對應于這些第一感測塊150而配置在第二柔性薄膜120上，且位于第二柔性薄膜120及 第四柔性薄膜180之間。 第一空間Sl、第二空間S2及第三空間S3透過分別設置于第一柔性薄膜110及第 二柔性薄膜120的第一通氣孔H1及第二通氣孔H2相互連通而組成密閉空間，且其內部氣 壓大于1大氣壓。此外，第一柔性薄膜IIO例如具有多數個用以相互連通第一空間Sl與第 二空間S2的穿孔(未繪示)，以使第一空間Sl與第二空間S2內的氣壓更具平衡性。
第三柔性薄膜160及第四柔性薄膜180所組成的外層結構具有氣閥V。透過氣閥 V可充填空氣于第一空間Sl、第二空間S2及第三空間S3所組成的密閉空間內，以維持柔性 電子壓力感測裝置100'內各元件間的相對距離。氣閥V例如是單向或雙向氣閥。
圖5為本發明又一實施例的柔性電子壓力感測裝置的部分結構俯視示意圖。請參 考圖5 ，相較于上述實施例的柔性電子壓力感測裝置100或柔性電子壓力感測裝置100'，本 實施例的第一柔性薄膜IIO包括多個中央部分112、框緣部分114及多個分別位于這些中央 部分112與框緣部分114之間的彈性部分116，而這些第一電極130與這些第一凸塊B1皆 分別位在這些中央部分112上。 透過上述結構，第一柔性薄膜IIO在受到外力的作用下，可通過彈性變形的效果 而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。此外，這些彈性部分116例如是長條狀或彈簧 狀。 在另一未繪示的實施例中，第一空間S1、第二空間S2及第三空間S3分別為密閉空 間，且其內部氣壓皆大于1大氣壓。值得注意的是，若柔性電子壓力感測裝置100'具有多 個互不連通的密閉空間，則其具有相對應的多個氣閥V以充填空氣于各密閉空間內。
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綜上所述，本發明的柔性電子壓力感測裝置通過其密閉空間內的空氣維持其各薄 膜的相對距離，當柔性電子壓力感測裝置自身產生形變時，可防止其配置于不同薄膜上的 感測塊與電極或兩感測塊相互接觸而產生誤感測信號，而凸塊可使其所配置的薄膜在受到 外力的作用下，通過應力集中的效果而產生較大的形變量，以提高感測的靈敏度。此外，本 發明通過簡易的工藝技術，使柔性電子壓力感測裝置的制造方法具有低技術需求及低成本 的特性。 雖然本發明已以實施例披露如上，然其并非用以限定本發明，任何所屬技術領域 中普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的 保護范圍當視權利要求所界定者為準。
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權利要求
一種柔性電子壓力感測裝置，包括第一柔性薄膜；第二柔性薄膜，有間隔地設置在該第一柔性薄膜的下方，并與該第一柔性薄膜構成第一空間；多個第一電極，陣列地配置在該第一柔性薄膜上，且位于該第一柔性薄膜及該第二柔性薄膜之間；多個第二電極，陣列地配置在該第二柔性薄膜上，且位于該第一柔性薄膜及該第二柔性薄膜之間；多個第一感測塊，分別配置在這些第一電極上，并分別與該對應的第二電極相隔離；第三柔性薄膜，有間隔地設置在該第一柔性薄膜的上方，并較該第一柔性薄膜遠離該第二柔性薄膜，且與該第一柔性薄膜構成第二空間，其中該第一空間內與該第二空間內的空氣維持該第一柔性薄膜相對于該第二柔性薄膜的距離；以及多個第一凸塊，分別對應于這些第一感測塊而配置在該第一柔性薄膜上，且位于該第一柔性薄膜及該第三柔性薄膜之間。
2. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一感測塊的材料為電阻材料、壓阻材料、壓電材料、電感材料、電磁材料或熱電材料。
3. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，還包括第二感測塊，分別配置在這些第二電極上，并分別與該對應的第一感測塊相隔離。
4. 如權利要求3所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第二感測塊的材料為電阻材料、壓阻材料、壓電材料、電感材料、電磁材料或熱電材料。
5. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，還包括墻狀物，配置于該第一柔性薄膜與該第二柔性薄膜之間，且位于這些第一感測塊的兩相鄰者之間。
6. 如權利要求5所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該墻狀物將該第一空間分隔成多個子空間。
7. 如權利要求6所述的柔性電子壓力感測裝置，其中這些子空間為多個密閉空間。
8. 如權利要求6所述的柔性電子壓力感測裝置，其中這些子空間相互連通。
9. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一空間與該第二空間相互連通。
10. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第二柔性薄膜及該第三柔性薄膜所組成的外層結構包含單向氣閥或雙向氣閥。
11. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一空間為密閉空間，其內部氣壓大于1大氣壓。
12. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第二空間為密閉空間，其內部氣壓大于1大氣壓。
13. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一空間及該第二空間組成密閉空間，其內部氣壓大于1大氣壓。
14. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，還包括第四柔性薄膜，有間隔地設置在該第二柔性薄膜的下方，并與該第二柔性薄膜構成第三空間，其中該第一空間內與該第三空間內的空氣維持該第二柔性薄膜相對于該第一柔性薄膜的距離；以及多個第二凸塊，分別對應于這些第一感測塊而配置在該第二柔性薄膜上，且位于該第二柔性薄膜及該第四柔性薄膜之間。
15. 如權利要求14所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一空間與該第三空間相互連通。
16. 如權利要求14所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第三柔性薄膜及該第四柔性薄膜所組成的外層結構包含單向氣閥或雙向氣閥。
17. 如權利要求14所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第三空間為一密閉空間，其內部氣壓大于l大氣壓。
18. 如權利要求14所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一空間、該第二空間及該第三空間組成密閉空間，其內部氣壓大于1大氣壓。
19. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一柔性薄膜具有至少一個穿孔，用以相互連通該第一空間與該第二空間。
20. 如權利要求1所述的柔性電子壓力感測裝置，其中該第一柔性薄膜形成框緣部分、多個中央部分及多個分別位于這些中央部分與該框緣部分之間的彈性部分，而這些第一電極分別位在這些中央部分上。
21. —種柔性電子壓力感測裝置的制作方法，包括形成多個第一電極、多個第一感測塊及多個第一凸塊在第一柔性薄膜上，其中這些第一電極在該第一柔性薄膜的一側，這些第一感測塊分別位在這些第一電極上，而這些第一凸塊分別對應于這些第一感測塊而位在該第一柔性薄膜的另一側上；形成多個第二電極及多個墻狀物在第二柔性薄膜上；結合這些墻狀物至該第一柔性薄膜，以使該第一柔性薄膜與該第二柔性薄膜定義出第一空間，且這些第一電極、這些第二電極及這些第一感測塊皆位于該第一空間內；將第三柔性薄膜組裝至該第一柔性薄膜，以使該第一柔性薄膜與該第三柔性薄膜定義出第二空間，且這些第一凸塊位于該第二空間內。
22. 如權利要求21所述的柔性電子壓力感測裝置的制作方法，其中該第三柔性薄膜包含氣閥。
23. 如權利要求21所述的柔性電子壓力感測裝置的制作方法，其中結合這些墻狀物至該第一柔性薄膜是通過涂布在這些墻狀物上的膠材。
全文摘要
一種可大面積感測與低成本制作的柔性電子壓力感測裝置及其制作方法，該裝置包括多層柔性薄膜、多個電極、多個感測塊及多個凸塊。這些柔性薄膜有間隔地設置而定義出二個空間。這些電極及這些感測塊配置在這些柔性薄膜上而位于空間內，且這些凸塊配置在這些柔性薄膜上而位于另一空間內。這些空間內的空氣維持配置有這些電極及這些感測塊的二個柔性薄膜之間的相對距離。當柔性電子壓力感測裝置產生形變時，可避免因分別配置于不同柔性薄膜上的感測塊與電極或兩感測塊的相互接觸而產生的誤感測信號。此外，一種柔性電子壓力感測裝置的制作方法亦被提出。
文檔編號G01L1/16GK101776496SQ20091000164
公開日2010年7月14日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者張文陽, 林恒如, 沈煜棠 申請人:財團法人工業技術研究院