TWI442035B - 壓力感測器及感測陣列 - Google Patents

Description

壓力感測器及感測陣列

本發明係關於一種壓力感測器及感測陣列，更特別的是關於一種可調變感測範圍之壓力感測器及感測陣列。

一般壓力感測器係將作用於感測元件上之壓力源轉為電壓信號，該電壓信號再經由一類比/數位轉換放大器放大信號並轉換成數位信號，使該數位信號再經由一處理器作判斷以感測出壓力值。

傳統的壓力感測器由於僅適用於單一感測範圍，當所欲量測的壓力值超出壓力感測器可承受的範圍時，就必須再換另一個可承受較大壓力範圍的壓力感測器，這使得目前的壓力感測器之使用範圍受到侷限。

本發明之一目的在於提出一種可控制或調整壓力感測器之壓力感測範圍。

本發明之另一目的在於提出一種可被應用於各種不同場合的壓力感測器或壓力感測陣列。

為達上述目的及其他目的，本發明之壓力感測器包含：一感測範圍調變結構，其係包含由一上控制電極、一奈米碳管-液晶複合材料層、及一下控制電極所組成的夾擠結構，以根據該上控制電極及該下控制電極的電性控制，調整該奈米碳管-液晶複合材料的方向角度；一保護膜層，係覆蓋該感測範圍調變結構並接觸該上控制電極；一基底，係位於該感測範圍調變結構下方，以將該感測範圍調變結構夾擠於該保護膜層與該基底間，該基底並接觸該下控制電極，其中，藉由該下控制電極之電性量測結果以供一壓力感測值的取得；及一間隔物層，係夾擠於該保護膜層與該基底間，以間隔出該感測範圍調變結構於該保護膜層與該基底間的容置空間。

為達上述目的及其他目的，本發明提出之壓力感測陣列包含：複數個感測範圍調變結構，其每一者係包含由一上控制電極、一奈米碳管-液晶複合材料層、及一下控制電極所組成的夾擠結構，以根據該上控制電極及該下控制電極的電性控制，調整該奈米碳管-液晶複合材料的方向角度；一保護膜層，係覆蓋該等感測範圍調變結構並接觸該等上控制電極；一基底，係位於該等感測範圍調變結構下方，以將該等感測範圍調變結構夾擠於該保護膜層與該基底間，該基底並接觸該等下控制電極，其中，藉由每一下控制電極之電性量測結果供一壓力感測結果的取得；及一間隔物層，係夾擠於該保護膜層與該基底間，以間隔出該等感測範圍調變結構於該保護膜層與該基底間的複數容置空間。

於一實施例中，該間隔物層係可由高分子材料所製成，例如：聚二甲基矽氧烷。

於一實施例中，該保護膜層係可為軟性的一導電塑膠薄膜，而該導電塑膠薄膜更可為一聚酯薄膜。

於一實施例中，該保護膜層之厚度係可為90~110微米，該基底之厚度係可為630~770微米，該間隔物層之厚度係可為450~550微米，每一該上控制電極及每一該下控制電極之厚度各別係可為108~132奈米。

於一實施例中，該保護膜層之厚度係為100微米，該基底之厚度係為700微米，該間隔物層之厚度係為500微米，每一該上控制電極及每一該下控制電極之厚度各別係為120奈米。

藉此，本發明之壓力感測器及壓力感測陣列利用奈米碳管與液晶分子混合之複合材料作為感測材料，進而透過進一步地角度旋轉控制達成各種阻值的調變，使得本發明之感測器可藉由電性上的控制來調變壓力感測器的感測範圍，而不同於習知技術之固定感測範圍的壓力感測器，本發明可廣泛地被應用於各種壓力感測場合。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：本發明各圖中所繪示之結構的各層厚度僅為一種示例，於圖式上，各層間的厚度比例並非為實際比例。

首先請參閱第1圖，係本發明實施例中之壓力感測器的剖面示圖。壓力感測器包含：感測範圍調變結構200、保護膜層110、基底120、及間隔物層130。

感測範圍調變結構200包含一夾擠結構，該夾擠結構係由上控制電極210、奈米碳管-液晶複合材料層220、及下控制電極230所組成的，該夾擠結構可根據上控制電極210及下控制電極230的電性控制，例如：於該夾擠結構間產生電場或磁場，即能控制液晶分子的轉向角度進而可調整該奈米碳管-液晶複合材料的方向角度。隨著該奈米碳管-液晶複合材料方向角度的不同將可對應地產生不同的電阻值，於後將有更詳細的描述。

保護膜層110係覆蓋於感測範圍調變結構200上，該保護膜層110並接觸該上控制電極210。基底120則是位於該感測範圍調變結構200的下方，以將該感測範圍調變結構200夾擠於保護膜層110與基底120間，基底120並接觸該下控制電極230，藉由該下控制電極230進行電性量測將可利用此電性量測結果取得壓力感測值。舉例來說：隨著作用於保護膜層110上外力的增加，該感測範圍調變結構200將被壓縮進而減低其內部電阻值，藉由上控制電極210、下控制電極230及導線的配置將可取得其間變化的電阻值，進而可供壓力感測值的換算。其中，該基底120可為一導電玻璃。

間隔物層130係夾擠於保護膜層110與基底120間，以間隔出感測範圍調變結構200的容置空間，並使該奈米碳管-液晶複合材料可被保存於該容置空間內。

本發明之實施例中，間隔物層130較佳可由高分子材料所製成，例如：由聚二甲基矽氧烷所製成。保護膜層110較佳為一導電塑膠薄膜，例如為一聚酯薄膜。

接著請參閱第2A至2C圖，係本發明實施例中之感測範圍的調變示意圖。目前已知的奈米碳管-液晶複合材料係將奈米碳管分散於液晶材料中，由其間之原子引力所致，碳管與液晶分子間會具有牽引吸附力，因而造成碳管的平均指向方向將受到液晶分子方向的控制而被間接地控制著。本發明實施例中即將此特性應用於壓力感測上，而利用電場或磁場來控制奈米碳管的方向角度進而調變不同感測範圍的電阻值。

如第2A至2C圖所示，感測範圍調變結構200間被施加的驅動電壓越大，液晶分子旋轉的角度就越大，進而使得碳管的角度也越大。由於碳管方向會影響導電的路徑，因此第2A至2C圖中的導電路徑皆不相同，這將使得感測範圍調變結構200間的電阻值取決於碳管的角度。第2A圖中所施加的驅動電壓係為0，第2B圖係施加小量電壓，第2C圖中則是施加較大的電壓。因此，感測範圍調變結構200的阻值將隨著碳管角度的增大而降低。

當感測範圍調變結構200受外力F作用時，碳管會互相靠近而導致電阻值下降，因此本發明之壓力感測即是以此方式進行。此外，當感測範圍調變結構200未受外力作用時的初始電阻值越高，所能承受的壓力就越大，亦即可感測的壓力範圍即會因感測範圍調變結構200初始電阻值的不同而不同。由於電路上對量測訊號的截取具有固定的範圍，因此第2A至2C圖中的a區域係為對應之感測範圍調變結構200的驅動電壓下可感測的壓力範圍。

接著請參閱第3圖，係本發明實施例中之壓力感測器的壓力-電阻關係圖。由圖中可知，在三種不同的驅動電壓下，即：0.5V、1V、3V，電阻皆隨著外來壓力的增加而下降，並且隨著驅動電壓的不同而具有不同的初始電阻值，因此，本發明實施例之提出的壓力感測器係可藉由驅動電壓的控制來調變壓力的感測範圍。例如：當驅動電壓較低時(0.5V)，碳管的旋轉角度較小電阻較大，可量測的壓力範圍上限可達80(kPa)以上。

接著請參閱第4圖，係本發明實施例中之壓力感測陣列的立體示意圖。其係基於第1圖所示之結構所延伸擴展的壓力感測陣列300，藉由複數個感測範圍調變結構200的配置完成整個感測陣列。第4圖中係以結構相互錯開的方式來描繪整體結構，上控制電極210與下控制電極230並連接有導線，以供控制。

本發明實施例之壓力感測器或壓力感測陣列皆可由微機電技術來製作。上、下控制電極210、230係可被分別形成於保護膜層110及基底120上，接著於定義有下控制電極230及導線的基底120上形成間隔物層130，並於該間隔物層130中定義出容置空間以供奈米碳管-液晶複合材料的充填，最後覆蓋上定義有上控制電極210及導線的保護膜層110，以完成壓力感測器或壓力感測陣列的製作。

上述之製作中，保護膜層110之厚度係可為90～110微米，基底120之厚度係可為630~770微米，間隔物層130之厚度係可為450~550微米，上控制電極210及下控制電極230之厚度各別係可為108~132奈米。而於一較佳實施例中，保護膜層110之厚度係為100微米，基底120之厚度係為700微米，間隔物層130之厚度係為500微米，上控制電極210及下控制電極230之厚度各別係為120奈米。

綜上所述，本發明之實施例係提供了一種有別於單純性之固定量測範圍的壓力感測器及感測陣列，使得本發明可藉由驅動液晶分子旋轉角度的方式讓感測器具有不同範圍的感測能力，而可大幅增加壓力感測器的應用範圍。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

110．．．保護膜層

120．．．基底

130．．．間隔物層

200．．．感測範圍調變結構

210．．．上控制電極

220．．．奈米碳管-液晶複合材料層

230．．．下控制電極

300．．．壓力感測陣列

a．．．可感測範圍

F．．．外力

R．．．電阻

第1圖為本發明實施例中之壓力感測器的剖面示圖。

第2A至2C圖為本發明實施例中之感測範圍的調變示意圖。

第3圖為本發明實施例中之壓力感測器的壓力-電阻關係圖。

第4圖為本發明實施例中之壓力感測陣列的立體示意圖。

110．．．保護膜層

120．．．基底

130．．．間隔物層

200．．．感測範圍調變結構

210．．．上控制電極

220．．．奈米碳管-液晶複合材料層

230．．．下控制電極

Claims (15)

1. 一種壓力感測器，其包含：一感測範圍調變結構，其係包含由一上控制電極、一奈米碳管-液晶複合材料層、及一下控制電極所組成的夾擠結構，以根據該上控制電極及該下控制電極的電性控制，調整該奈米碳管-液晶複合材料的方向角度；一保護膜層，係覆蓋該感測範圍調變結構並接觸該上控制電極；一基底，係位於該感測範圍調變結構下方，以將該感測範圍調變結構夾擠於該保護膜層與該基底間，該基底並接觸該下控制電極，其中，藉由該下控制電極之電性量測結果以供一壓力感測值的取得；及一間隔物層，係夾擠於該保護膜層與該基底間，以間隔出該感測範圍調變結構於該保護膜層與該基底間的容置空間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該保護膜層係為一導電塑膠薄膜。
3. 如申請專利範圍第2項所述之壓力感測器，其中該導電塑膠薄膜係為一聚酯薄膜。
4. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該間隔物層係由高分子材料所製成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該間隔物層係由聚二甲基矽氧烷所製成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該上控制電極及該下控制電極之厚度各別係為108~132奈米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該保護膜層之厚度係為90~110微米，該基底之厚度係為630~770微米，該間隔物層之厚度係為450~550微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該保護膜層之厚度係為100微米，該基底之厚度係為700微米，該間隔物層之厚度係為500微米，該上控制電極及該下控制電極之厚度各別係為120奈米。
9. 一種壓力感測陣列，其包含：複數個感測範圍調變結構，其每一者係包含由一上控制電極、一奈米碳管-液晶複合材料層、及一下控制電極所組成的夾擠結構，以根據該上控制電極及該下控制電極的電性控制，調整該奈米碳管-液晶複合材料的方向角度；一保護膜層，係覆蓋該等感測範圍調變結構並接觸該等上控制電極；一基底，係位於該等感測範圍調變結構下方，以將該等感測範圍調變結構夾擠於該保護膜層與該基底間，該基底並接觸該等下控制電極，其中，藉由每一下控制電極之電性量測結果供一壓力感測結果的取得；及一間隔物層，係夾擠於該保護膜層與該基底間，以間隔出該等感測範圍調變結構於該保護膜層與該基底間的複數容置空間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之壓力感測陣列，其中該保護膜層係為一導電塑膠薄膜。
11. 如申請專利範圍第10項所述之壓力感測陣列，其中該導電塑膠薄膜係為一聚酯薄膜。
12. 如申請專利範圍第9項所述之壓力感測陣列，其中該間隔物層係由高分子材料所製成。
13. 如申請專利範圍第9項所述之壓力感測陣列，其中該間隔物層係由聚二甲基矽氧烷所製成。
14. 如申請專利範圍第9項所述之壓力感測陣列，其中該保護膜層之厚度係為90~110微米，該基底之厚度係為630~770微米，該間隔物層之厚度係為450~550微米，每一該上控制電極及每一該下控制電極之厚度各別係為108~132奈米。
15. 如申請專利範圍第9項所述之壓力感測陣列，其中該保護膜層之厚度係為100微米，該基底之厚度係為700微米，該間隔物層之厚度係為500微米，每一該上控制電極及每一該下控制電極之厚度各別係為120奈米。