201135203 六、 [0001] [0002] [0003] [0004] 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種觸覺感測器，特別係有關於— 種軟性壓電式觸覺感測器。其技術應用範圍，在機器人 方面：觸覺感測器是控制機器人動作（例如：抓取物體 )與運動時不可或缺的感測器，亦可用於娛樂用機器寵 物（如SONY的A I BOTM機器寵物狗）上作為人與機 器寵物溝通的介面。 在資訊電腦領域方面：觸覺感測器結合顯示器可用 來作為觸控輸入的裝置，目前已廣泛地用於平板電腦（ Tablet P C )、個人數位助理（p e r s 〇 n a 1 Digital Assistant; P D A)上的觸控面板、指紋辨識與虛擬實境（Vi r t u a 1 Reality)等用途。 工業生產自動化方面：可作為儀器設備校正與產品 设計之檢測裝置，例如：轉_觸聲感測器可測得輪胎紋 路與地面接觸時的受力分佈情形，藉此可用來設計抓地 力更好的輪胎。 生醫領域方面：當今熱門之智慧型皮膚（sma r 1 s k 1 n )就是軟性觸覺感測器典型的應用。而哈 佛大學的R. Η〇we教授的研究團隊亦發展出可以 替代醫生觸診（pa 1 pa t i 0n)的觸覺感測器， 可以用來協助醫生用來更精確地診斷乳房以及前列腺腫 瘤等疾病。 099111590 表單編號A0101 第4頁/共22頁 0992020522-0 '««'I生理監控方面：未來亦可能發展成腕帶式或是 、占片式/可拖棄式的呼吸心跳、脈搏的生理監測器， 軟性觸覺感測器的應用相當廣泛亦極具產品化的潛力， 故非常值得投入進行研發。 【先前技術】 習知壓電式觸覺感測器大都採用具雙面銀電極層之 水偏氟乙烯（PVDF)壓電薄膜且其結構上必須對 銀電極層進行圖案化彡成結構化電極ϋ，由於具 雙面銀電極層之聚偏氟乙烯（PVDF)壓電薄膜之價 格係相當昂貴’因此’若使用具雙面銀電極層之聚偏氣 乙稀（PVDF)壓電薄膜將導致感測器製作成本大幅 增加，此外，習知銀電極層之圖案化亦非傳統印刷電路 板製程可以達成，其所使用之製程設備係相當昂貴。除 此之外傳統觸覺感測器多限於正向力的量測，而侧向力 或是多軸力的感測則較少相關的研究，以下針對多軸力 、側向力、滑動等的觸覺感測器進行前案分析。如臺灣 發明第I 2 8 3 2 9 5號傳統的碰觸^測器，如果要測 出細微的應力，其對外部施加的應力的敏度仍有不足的 問題。因此，本專利於該下基板、該壓電材料層與該上 基板之至少其一做為一增壓作用層。讓增壓作用層與該 下電極層或該上電極層之間設置有室少一個凸狀結構， 以減少受力面積，而增加應施加在該壓電材料層的一外 部應力。當施以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。u s 5 8 7 1 2 4 8:此專利主要目的在於機器人無須事先瞭解所抓取的 物體重量，即可利用此裝置辨認施加的夾取力量不致產 表單編號 Α0101 第 5 頁/共 22 S 0992020522-0 201135203 生滑動的現象，«置利料撓曲的_包覆不可職 流體，所組成如左圖所示，藉由摩擦力來舉起物體〆 抓取物體時產變形量產生最大值而開始下㈣，將是辨 認可以安全夾取的時候’變形量乃式利用電容式的剪力 感測器感測。U S R E 2 7 η β c ΐ? . β 八n J广Ο 6 5 Ε ·感測器於軟性物 質表面別《個半球狀之圓盾，並於底部埋入壓電式的 超音波換旎器（transducer),此換能器可 發出超音波訊號，經由半球狀之圓盾反射回壓電薄膜得 到訊號，進而判別此半球狀元盾受力後之變形量，來推 算出此時表面所受的多軸力eUS4745812:一 個靈敏度兩的小型觸覺感測器，利用微機電製程製作矽 質結構，並以高分子保護其矽質結構，並利用壓阻式換 月匕益感測器石夕質結構的變形量反推其所..受的外力大小 與方向。因此，如何從結構、材料及製程角度降低壓電 式觸覺感測器之製作成本及能兼具感測多轴力、側向力 係目前相當重要的課題。 【發明内容】 [0007] 099111590 本發明之主要目的係在於提供一種軟性壓電式觸覺 感測器，該軟性壓電式觸覺感測器係包含一壓電薄膜、 一第一軟性基板、一第二軟性基板以及至少一彈性體， 該壓電薄膜係具有一上表面及一下表面，該第一軟性基 板係設置於該壓電薄膜之該上表面，且該第一軟性基板 係具有一朝向該上表面之第一表面、一相對於該第一表 面之第二表面及複數個形成於該第一表面之第一電極， 读些第一電極係電性連接該壓電薄膜，該第二軟性基板 係設置於該壓電薄膜之該下表面，且該第二軟性基板係 表單編號A0101 第6頁/共22頁 201135203 具有—朝向該下表面之第三表面及複數 表面之第二電極，該㈣二電極係電简接該㈣= ’該彈性體係、設置㈣第—軟性基板之該第二表面且 對應該第-軟性基板之該些第—電極，本發明之該軟性 堡電式觸覺感測n係無須使用具雙面銀電極層之聚偏氣 乙婦（PVDF)壓電薄膜’因此，其感測器材料成本 可大幅降低，此外，本發明之該第一軟性基板及該第二 軟性基板係可以傳統印刷電路板製程分別製作該些第一 Ο [0008] Ο 電極及該些第二電極’因此，其功效上亦可大幅降低感 測器製作成本。 【實施方式】 清參閱第1圖，其係本發明之__較佳實施例，一種 軟性壓電式觸覺感測器係包含一壓電薄膜1〇、一第一 軟性基板2 0、一第二軟性基板3 〇、一第一接合層4 0、一第二接合層5 〇以及至少一彈性體6 〇，在本實 施例中，該壓電薄膜i 〇係為聚偏氟乙烯（pvDF) 薄膜，且該壓電薄膜10係具有一上表面1 〇 a及一下 表面1 0 b，該第一軟性基板2 〇係設置於該壓電薄膜 1 0之該上表面1 〇 a，在本實施例中，該第一軟性基 板20係採用銅箔/聚醯亞胺基板（Cu/p〇丨y 土 mide Substrate)，且該第一軟性基板 2 0係具有一朝向該上表面1 〇 a之第一表面2 〇 a、 一相對於該第一表面2 0 a之第二表面2 〇b及複數個 形成於s亥第一表面2 0 a之第一電極2 1，該些第一電 極2 1係電性連接該壓電薄膜丄〇，在本實施例中，該 099111590 些第一電極21係經由圖案化基板表面銅箱所形成 表單編號A0101 第7頁/共22頁 ，且 0992020522-0 201135203 。亥些第-電接2 i之間係具有—間距d，又，請再參閱 第1圖。亥第一軟性基板3 〇係設置於該廢電薄膜1 〇 之該下表面10 b，在本實施例中，該第二軟性基板3 0亦採用銅落//聚酿亞胺基板（c u/p。i y i m i de Substrate)’且該第二軟性基板3 〇 係具有-朝向該下表面i 〇 b之第三表面3 〇 a及複數 個形成於該第三表面30a之第二電極31，該些第二 電極3 1係電性連接·電薄…Q，在本實施例中， 該些第二電極3 1亦經由圖案化基板表面㈣所形成。 [0009] [0010]
請再參閱第1圖’該第一接合層4〇係設置於該第 一軟性基板2 〇與該壓電薄膜2 〇之間，用以接合該第 一軟性基板2〇與該壓電薄膜1 〇，而該第二接合層5 0係設置於該第二軟性基板3 〇與該壓電薄膜1 〇之間 ，用以接合該第二軟性基板3 〇與該壓電薄膜i 〇，在 本實施例中，該第一接合層4 〇及該第二接合層5 〇係 為異方性導電膠膜（A n i s 〇 t r 〇 p i c Con d u c t i v e F i 1 m， 1c F)，因此，該第
一接合層4 0係可電性連接該些第一電極2 2與該壓電 薄膜1 0，而該第二接合層5 〇係可電性連接該些第二 電極3 1與該壓電薄膜1 〇。 請再參閱第1圖，該彈性體6 〇係設置於該第一軟 性基板2 0之該第二表面2 0b，且對應該第一軟性基 板2 0之該些第一電極2 1，在本實施例中，該彈性體 6 0係作為傳力元件，且該彈性體6 〇係呈柱狀，較佳 地’該彈性體6 0之材質係為矽橡膠（s i 1 i c 〇 n 099111590 表單編號AOlOi 第8頁/共22頁 0992020522-0 201135203 0 R 11 b b e r )，此外，該彈性體6 〇係具有一寬 度W，在本實施例令，該彈性體6 〇之該寬度w係大於 該些第一電極2 1之間的該間距D，以使感測器對作用 於該彈性體6 〇之多軸力有較佳之響應。此外，為了將 該彈性體6 0定位於該第—軟性基板2 Q之該第二表面 2 0 b，在本實施例中，係可設置至少一黏著層7 〇於 忒彈性體6 0與該第一軟性基板2 〇之該第二表面2 〇 b之間，藉由該黏著層7 〇係可將該彈性體6 〇穩固地 接合於該第一軟性基板2 0之該第二表面20b ,在本 實施例中，該黏著層7 0係採用壓克力勝。另外，請參 閱第2圖，為了增加該軟性壓電式觸覺感測器之可靠度 ，在本實施例中，係另利用一封膠體8 〇包覆該壓電薄 膜1 0、該第一軟性基板2 〇、該第二軟性基板3 〇及 該彈性體6 0 ’以提高該軟性壓電式觸覺感測器之長期 可靠度，在本實施例中，該封膠體8 〇係為彈性材料， 較佳地’該封膠體8 Q係為聚二甲基矽氧( P 〇 1 y d 1 m e t h y s i 1 o x a n e > PDMS)。 關於本發明之該軟性壓電式觸覺感測器之製作方法 ，凊參閱第3A至3 E圖所示》首先，請參閱第3A圖 ’提供一壓電薄膜1 〇，在本實施例中，該壓電薄膜1 〇係為聚偏氟乙烯（PVDF)薄膜，且該壓電薄膜1 〇係具有一上表面1〇3及一下表面1〇b;接著，請 參閱第3 B圖，設置一第一軟性基板2 0於該壓電薄膜 1 〇之該上表面1 〇 a，在本實施例中，該第一軟性基 板2 0係採用銅箔/聚醯亞胺基板（c u/P 〇 1 y i 099111590 表單編號A0101 第9頁/共22頁 0992020522-0 201135203 mide Substrate)，且該第一軟性基板 2 0係具有一朝向該上表面1 〇 a之第一表面2 〇 a、 一相對於該第一表面2 〇a之第二表面2〇 複數個 形成於該第一表面20 a之第一電極21，該些第一電 極2 1係電性連接該壓電薄膜1 〇，在本實施例中，該 些第一電極21係經由傳統印刷電路板製程圖案化基板 表面銅箔所形成，且該些第一電極2 i之間係具有一間 距D，此外，在本實施例中，其另包含設置一第一接合 層4 0於該第一軟性基板2 〇與該壓電薄膜i 〇之間， 用以接合該第一軟性基板2 〇與該壓電薄膜i 〇，較佳 地，该第一接合層4 〇係為異方性導電膠膜（a n 土 s 〇tropiC Conductive Film， A C F)，因此，該第一接合層4 〇係可電性連接該 些第一電極2 1與該壓電薄膜1 0 ;之後，請參閱第3 C圖，設置一第二軟性基板3 〇於該壓電薄膜丄〇之該 下表面1 0 b，在本實施你丨中，該第二軟性基板3 〇亦 ....... 採用銅箔/聚醯亞胺基板U / P 〇 1 y丨m丨d e s u b s t r a t e )，且該第二軟性基板3 〇係具 有一朝向該下表面1 〇b之第三表面3 ο a及複數個形 成於該第三表面3〇a之第二電極3 1，該些第二電極 3 1係電性連接該壓電薄膜1 〇，在本實施例中，該些 第二電極31亦經由傳統印刷電路板製程圖案化基板表 面銅箔所形成，此外，在本實施例中，其另包含設置一 第二接合層5 0於該第二軟性基板3 〇與該壓電薄膜工 0之間，用以接合該第二軟性基板3 〇與該壓電薄膜工 0，較佳地，該第一接合層5 0係為異方性導電膠膜（ 099111590 0992020522-0 表軍編號A0101 第1〇頁/共22頁 201135203
[0012]
Anisotropic Conductive F ilm， ACF)，因此，該第二接合層5 〇係可電 性連接該些第二電極3 1與該壓電薄膜i ;最後，請 參閱第3 D圖，設置一彈性體6 〇於該第一軟性基板2 0之該第二表面2 〇 b，且該彈性體6 〇係對應該第一 軟性基板2 0之該些第一電極2 ]_，在本實施例中，該 彈性體6 0係作為傳力元件，且該彈性體6 〇係呈柱狀 ，較佳地，該彈性體6 〇之材質係為矽橡膠（s i丄土 cone Rubber)，此外，該彈性體6〇係具 有一寬度W，在本實施例中，該彈性體6 ◦之該寬度w 係大於該些第一電極2 1之間的該間距D，以使感測器 對作用於該彈性體6 〇之多軸力有較佳之響應。此外， 為了將該彈性體6 〇定位於該第一軟性基板2 〇之該第 二表面2 0 b，在本實施例中，係另包含設置至少一黏 著層7 0於該彈性體6 〇與該第一軟性基板2 〇之該第 一表面2 Ob之間，藉由該黏著層7 樣寸將該彈性體 6 0穩固地接合於該第一軟性基板2 〇之該第二表面2 〇 b，在本實施例中，該黏著層7 〇係採用壓克力膠。 又，凊參閲第3 E圖，為了增加該軟性壓電式觸覺 感測器之可靠度，在本實施例中，係另包含以一封膠體 80包覆該壓電薄膜10、該第一軟性基板2 0、該第 二軟性基板3 0及該彈性體6 0，以提高該軟性壓電式 觸覺感測器之長期可靠度，在本實施例中，該封膠體8 0係為彈性材料’較佳地，該封膠體8 0係為聚二甲基 099111590 矽氧烷（P 〇
Ydimethysilox a 表單編號A0101 第11頁/共22頁 0992020522-0 201135203 P DM S )。 [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] [0025] 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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護 範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖：依據本發明之一較佳實施例，一種軟性壓電式 觸覺感測器結構示意圖。 第2圖：依據本發明之一具體賁施例，具封膠體之該軟 性壓電式觸覺感測器結構示意圖。 第3 A至3 E圖：該軟性壓電式觸覺感測器之製作方法 流程圖。 【主要元件符號說明】 10 壓電薄膜 10a 上表面 10b 下表面 20 第一軟性基板 20a 第一表面 20b 第二表面 21 第一電極 30 第二軟性基板 30a 第三表面 31 第二電極 40 第一接合層 50 第二接合層 099111590 表單編號A0101 第12頁/共22頁 0992020522-0 201135203 [0026] 6 0 彈性體 [0027] 7 0 黏著層 [0028] 8 0 封膠體 [0029] D 間距 [0030] W 寬度 Ο 099111590 表單編號Α0101 第13頁/共22頁 0992020522-0