TWI467601B - 微形變壓阻材料及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種壓阻材料，特別是一種使用硬質塑膠作為本體且具有可微量形變之粗糙面的壓阻材料。
習知的壓阻材料具有高度可壓縮性，受壓時厚度L會顯著變薄，依據電阻定律R=ρ
L/A，當厚度L減少時，輸出電阻R降低，而可以作為壓力感測器之壓阻材料。這種習知的壓阻材料，在壓力釋放以後，彈性基材由於材料本身的黏滯性(viscoelasticity)因素，需要一段時間才能回覆原狀，因此在施壓與釋壓過程中所得到的壓力-電阻特性曲線，會產生明顯的遲滯現象(hysteresis)，短時間內重複測試壓力時會出現顯著誤差。
首先請參閱第1圖，一習知壓力感測器包含有上層結構與下層結構，其中上層結構主要包括一基板10、一第一電極11以及一第一壓阻層12。前述下層結構則主要包括一第二壓阻層129、一第二電極119以及另一基板109。如第1圖所示，一支撐體15將第一壓阻層12與第二壓阻層129隔開一個空隙16，至此可形成一壓力感測器結構。應了解的是，前述第一電極11以及第二電極119係分別電性耦合至電路系統13，如此可構成一完整的感測迴路，藉以量測壓力感測器的輸出電阻。
接著請參閱第2圖，當前述壓力感測器剛開始承受一外界壓力P時，第一、第二壓阻層12、129會相互接觸，
此時第一、第二壓阻層12、129的總厚度為L1。其輸出電阻則可依據電阻定律計算，將L1帶入公式中，可以得到輸出電阻R1=ρ
L1/A。
再請參閱第3圖，當前述壓力感測器持續受到外界壓力P作用一段時間後，第一、第二壓阻層12、129的總厚度會受到壓縮而變薄，其中L2<L1。壓力感測器的輸出電阻則可依據電阻定律計算，將L2帶入公式中，可以得到輸出電阻R2=ρ
L2/A。
第4A圖係根據第1圖之壓力感測器所量測得出之電阻-壓力特性圖，其中壓力測試範圍在0-10psi之間。如第4A圖所示，在施壓的過程中(請見曲線C1)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出電阻分別為6.69*103
、3.86*103
、2.95*103
、2.54*103
以及2.27*103
歐姆；相反地，在釋壓過程中(請見曲線C2)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出電阻則分別為4.64*103
、2.96*103
、2.53*103
、2.31*103
以及2.22*103
歐姆。應注意的是，由第4A圖可以看出習知壓力感測器的電阻-壓力特性圖呈現出明顯的遲滯現象。
第4B圖係根據於第1圖之壓力感測器所量測得出之導電率-壓力特性圖，其中壓力測試範圍在0-10psi之間，導電率則為電阻的倒數。如第4B圖所示，在施壓的過程中(請見曲線C3)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出導電率分別為1.49*102
、2.59*102
、3.39*102
、3.94*102
以及4.41*102
μ siemens；相反地，在釋壓過程中(請見曲線C4)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出導電
率分別為2.16*102
、3.38*102
、3.95*102
、4.33*102
以及4.50*102
μ siemens，其中由第4B圖同樣可看出習知壓力感測器的導電率-壓力特性圖呈現出明顯的遲滯現象。
本發明一實施例之壓阻材料採用硬質塑膠做為本體，導電粒子分散於硬質塑膠中。
本發明之一實施例更提供一種壓力感測器，包括一第一電極、一第一壓阻層、一第二電極、一第二壓阻層以及一支撐體。前述第一、第二壓阻層分別連接第一、第二電極，其中第一、第二壓阻層係由前述微形變壓阻材料所製成。前述支撐體使得該第一、第二壓阻層之間形成一空隙。
本發明之一實施例更提供一種微形變壓阻材料的製作方法，包括：提供複數個導電粒子、複數個分散體以及一硬質塑膠原料；接著，混合前述導電粒子以及分散體於硬質塑膠原料中以形成一壓阻材料，然後把前述壓阻材料印製於一目標材料上，最後再將壓阻材料固化。
為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式做詳細說明。
第5圖表示本發明一實施例之壓力感測器示意圖，其中第5圖與第1圖所示之壓力感測器的主要差別在於：本實施例之壓力感測器係採用楊氏係數大於0.2GPa之硬質
塑膠材料作為第一壓阻層22以及第二壓阻層229，其中第一壓阻層22具有一粗糙面26，第二壓阻層229則具有另一粗糙面269。舉例而言，前述硬質塑膠材料可包括酚樹脂(phenol resin)、尿素樹脂(urea resin)、美耐皿樹脂(melamine resin)、不飽和聚脂樹脂(unsaturated polyester resin)、環氧樹脂(epoxy resin)、矽脂樹脂(silicone resin)、或者聚胺安基甲酸脂(polyurethane resin，PU)。
第6圖係表示第5圖中區域55的局部放大圖。如圖所示，前述第一、第二壓阻層22、229分別摻雜複數個導電粒子222與分散體223，其中分散體223可具有吸附能力，用以吸附導電粒子222，前述導電粒子222相對於該微形變壓阻材料乾膜時的重量百分比約介於10%~50%之間。
應了解的是，在本實施例中的分散體223例如為具有改質基之二氧化矽材質等材料，可和硬質塑膠相互融合以達到均勻分散之效果，由於分散體223可吸附導電粒子222，故可將導電粒子222均勻地分散到硬質塑膠內部，藉以構成本實施例中的壓阻層22、229。
如第6圖所示，前述第一壓阻層22具有粗糙面26，第二壓阻層229則具有粗糙面269，其中粗糙面26、269的粗糙度t約控制在單一壓阻層厚度T的1-10%左右。此外，粗糙面26、269的最大壓縮形變量則可控制在粗糙度t的2%左右，也就是說每一粗糙面的形變量約佔其對應壓阻層厚度的0.02~0.2%左右。由於前述壓阻層22、229的厚度變化極小(於本發明的一個實施例中，壓阻層22、229的厚度變化可小於0.2%)，因此壓阻層22、229在施壓前、
後的厚度幾乎可視為不變。
於本實施例中，前述分散體223可以是：矽(Si)氧化物或具有改質基之二氧化矽材質；或是金屬氧化物如：鈦(Ti)氧化物、鋁(Al)氧化物、銅(Cu)氧化物、鋅(Zn)氧化物、鈣(Ca)氧化物、錫(Sn)氧化物、鎢(W)氧化物、以及鉻(Cr)氧化物等。
第7圖表示前述區域55中的粗糙面26、269剛開始受壓接觸時的局部放大圖。如圖所示，當第5圖之壓力感測器剛開始受壓時，壓阻層22、229之間會產生一面積極小之接觸面A1，此時壓阻層22、229之間有較多隙縫S1，壓力感測器的輸出電阻可依據電阻定律計算，將接觸面A1的面積帶入公式中，可以得到輸出電阻R1=ρ
L/A1。
第8圖表示前述區域55中的粗糙面26、269持續受壓接觸的局部放大圖。如圖所示，當第5圖的壓力感測器持續受壓後，壓阻層22、229之間會產生一較大的接觸面A2，接觸面A2會隨著壓力的上升而增加，壓阻層22、229之間的隙縫S2則會隨著壓力的上升而減少。依據電阻定律，將接觸面A2的面積帶入公式中，可以得到輸出電阻R2=ρL/A2，由於壓阻層22、229的總厚度只有極微量的壓縮變形，故其總厚度可視為不變。
第9A圖係根據第5圖之壓力感測器所量測得出之電阻-壓力特性圖，其中壓力測試範圍在0-10psi之間。如第9A圖所示，在施壓的過程中(請見曲線C5)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出電阻分別為1.26*104
、6.68*103
、4.79*103
、3.94*103
歐姆以及3.56*103
歐姆；相
反地，在釋壓過程中(請見曲線C6)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出電阻分別為1.13*104
、6.54*103
、4.69*103
、3.87*103
以及3.51*103
歐姆。由第9A圖可以看出，本發明之壓力感測器並未產生顯著的遲滯現象。
第9B圖係根據第5圖之壓力感測器所量測得出之導電率-壓力特性圖，其中壓力測試範圍在0-10psi之間，導電率則是電阻的倒數。如第9B圖所示，在施壓的過程中(請見曲線C7)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出導電率分別為7.94*101
、1.50*102
、2.09*102
、2.54*102
以及2.81*102
μ siemens；相反地，在釋壓過程中(請見曲線C8)，當壓力分別在2、4、6、8以及10psi時，輸出導電率分別為8.88*101
、1.55*102
、2.13*102
、2.58*102
以及2.85*102
μ siemens，由第9B圖同樣可以看出本發明之壓力感測器並未產生顯著的遲滯現象。
第10A圖係根據第5圖之壓力感測器所量測得出之電阻-壓力特性圖。需特別說明的是，於本實施例中係採用聚酯樹脂於二甲苯溶劑中(polyester resin in xylene)，均勻混合重量百分比約為10%的碳黑(carbon black)導電粒子222以及重量百分比約為20%的分散體223，用以製作壓阻層材料；接著，可以利用例如網印印製到已帶有金屬電極層的基材上，當壓阻層材料硬化之後，其所具有的表面粗糙度約為壓阻層厚度的10%以下。透過上述方法可製成如第5圖所示之壓力感測器，其壓力測試範圍在0-200psi之間，在施壓的過程中，當壓力分別在50、100、150、200psi時，分別得到輸出電阻為1.38*103
、8.32*102
、6.28*102
以
及5.34*102
歐姆；在釋壓的過程中，當壓力分別在50、100、150、200psi時，同樣可得到相近的數值。由第10A圖中可以看出，藉由本發明之前述方法所製作的壓力感測器，無論在施壓或釋壓的過程中皆能得到近似的量測結果，不會有顯著的遲滯現象產生。
第10B圖係對應於第10A圖之導電率-壓力特性圖，其中壓力測試範圍在0-200psi之間，導電率則是電阻的倒數。如第10B圖所示，在施壓的過程中，當壓力分別在50、100、150、以及200psi時，分別得到輸出導電率為7.25*102
、1.20*103
、1.59*103
以及1.87*103
μ siemens；在釋壓的過程中，當壓力分別在50、100、150、200psi時，同樣可得到相近的數值。由第10B圖中依然可以看出，藉由前述實施例所製作的壓力感測器，無論在施壓或釋壓的過程中皆能得到近似的量測結果，不會有顯著的遲滯現象產生。
本發明之一實施例提供一種微形變壓阻材料及其製作方法，不僅可有效降低遲滯現象的產生，以提高測試實用性，藉此可讓使用者在短時間內進行重複壓力測試下仍可以得到準確的量測結果。
雖然本發明以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。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。
10、109‧‧‧基板
11‧‧‧第一電極
119‧‧‧第二電極
13‧‧‧電路系統
15‧‧‧支撐體
16‧‧‧空隙
12、22‧‧‧第一壓阻層
129、229‧‧‧第二壓阻層
26、269‧‧‧粗糙面
55‧‧‧區域
222‧‧‧導電粒子
223‧‧‧分散體
A1、A2‧‧‧接觸面
S1、S2‧‧‧隙縫
第1圖表示一習知壓力感測器之示意圖；第2圖表示第1圖之壓力感測器剛開始受壓時之示意圖；第3圖表示第2圖之壓力感測器持續受壓時之示意圖；第4A圖表示習知壓力感測器之電阻-壓力特性圖；第4B圖表示習知壓力感測器之導電率-壓力特性圖；第5圖本發明一實施例之壓力感測器示意圖；第6圖表示第5圖中區域55的局部放大圖；第7圖表示前述區域55中的粗糙面26、269受壓接觸時的局部放大圖；第8圖表示前述區域55中的粗糙面26、269持續受壓接觸時的局部放大圖；第9A圖係根據第5圖之壓力感測器所量測得出之電阻-壓力特性圖；第9B圖係根據第5圖之壓力感測器所量測得出之導電率-壓力特性圖；第10A圖係表示本發明另一實施例中根據第5圖之壓力感測器所量測得出之電阻-壓力特性圖；以及第10B圖係對應於第10A圖之導電率-壓力特性圖。
22‧‧‧第一壓阻層
229‧‧‧第二壓阻層
222‧‧‧導電粒子
223‧‧‧分散體
26、269‧‧‧粗糙面
55‧‧‧區域
Claims (21)
- 一種微形變壓阻材料，包括：硬質塑膠本體，選自於下述族群中的一種：酚樹脂、尿素樹脂、美耐皿樹脂、不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、矽脂樹脂、以及聚氨基甲酸酯；多個導電粒子，分散於該硬質塑膠本體中；以及一粗糙面，形成於該硬質塑膠本體的一個表面上，具有一個粗糙度占該硬質塑膠本體厚度的1-10%。
- 如申請專利範圍第1項所述的微形變壓阻材料，其中該粗糙面的最大變形量占該粗糙度的比例小於2%。
- 如申請專利範圍第1項所述的微形變壓阻材料，其中該微形變壓阻材料還包括多個分散體，均勻分散於該硬質塑膠本體中。
- 如申請專利範圍第3項所述的微形變壓阻材料，其中該分散體的成分，包含選自於下述族群中的一種：具有改質基的二氧化矽，或是矽(Si)氧化物、鈦(Ti)氧化物、鋁(Al)氧化物、鈣(Ca)氧化物、錫(Sn)氧化物、鎢(W)氧化物、以及鉻(Cr)氧化物。
- 如申請專利範圍第3項所述的微形變壓阻材料，其中該些導電粒子係附著於所述之分散體，形成顆粒群；所述之顆粒群係均勻散佈於所述之硬質塑膠本體中。
- 如申請專利範圍第1項所述的微形變壓阻材料，其中該些導電粒子相對於該微形變壓阻材料乾模時的重量百分比介於10%~50%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的微形變壓阻材料，其中該硬質塑膠本體之材 料，係指：酚樹脂、尿素樹脂、美耐皿樹脂、不飽和聚脂樹脂、環氧樹脂、矽脂樹脂、或者聚安基甲酸脂(PU)。
- 如申請專利範圍第1項所述的微形變壓阻材料，其中該硬質塑膠本體的楊氏系數大於0.2GPa。
- 一種壓力感測器，包含：第一電極；以及第一壓阻層，連接該第一電極；具有微形變壓阻材料；該微形變壓阻材料具有硬質塑膠本體以及多個導電粒子均勻分散於該硬質塑膠本體中；下方具有第一粗糙面；第二電極；第二壓阻層，連接該第二電極，其中該第二壓阻層具有微形變壓阻材料；該微形變壓阻材料具有硬質塑膠本體以及多個導電粒子分散於該硬質塑膠本體中；上方具有第二粗糙面；以及支撑體，使得該第一粗糙面、第二粗糙面之間形成一空隙。
- 如申請專利範圍第9項所述的壓力感測器，其中所述之壓阻材料，更包含：多個分散體，均勻分散於該硬質塑膠本體中。
- 如申請專利範圍第10項所述的壓力感測器，其中該分散體的成分，包含選自於下述族群中的一種：具有改質基的二氧化矽，或是矽(Si)氧化物、鈦(Ti)氧化物、鋁(Al)氧化物、鈣(Ca)氧化物、錫(Sn)氧化物、鎢(W)氧化物、以及鉻(Cr)氧化物。
- 如申請專利範圍第10項所述的壓力感測器，其中該些導電粒子係附著於所述之分散體，形成顆粒群；所述之顆粒群係均勻散佈於所述之硬質塑膠本體 中。
- 如申請專利範圍第9項所述的壓力感測器，其中該些導電粒子的重量百分比介於10%~50%之間。
- 如申請專利範圍第9項所述的壓力感測器，其中該硬質塑膠本體之材料，係指：酚樹脂、尿素樹脂、美耐皿樹脂、不飽和聚脂樹脂、環氧樹脂、矽脂樹脂、或者聚安基甲酸脂(PU)。
- 一種微形變壓阻材料的製作方法，包括：提供多個導電粒子以及一硬質塑膠原料；混合該些導電粒子以及該硬質塑膠原料，製成一壓阻材料；將該壓阻材料印製於一目標材料上；形成粗糙面於該壓阻材料表面；以及固化該壓阻材料。
- 如申請專利範圍第15項所述的微形變壓阻材料的製作方法，更包括：分散體與所述的硬質塑膠原料、導電粒子均勻混合形成該壓阻材料。
- 如申請專利範圍第16項所述的微形變壓阻材料的製作方法，其中該分散體的成分，包含選自於下述族群中的一種：具有改質基的二氧化矽，或是矽(Si)氧化物、鈦(Ti)氧化物、鋁(Al)氧化物、鈣(Ca)氧化物、錫(Sn)氧化物、鎢(W)氧化物、以及鉻(Cr)氧化物。
- 如申請專利範圍第16項所述的微形變壓阻材料的製作方法，其中該些導電粒子係附著於所述之分散體，形成顆粒群；所述之顆粒群係均勻散佈於所述之硬質塑膠本體中。
- 如申請專利範圍第15項所述的微形變壓阻材料的製作方法，其中該些導電粒子的重量百分比介於10%~50%之間。
- 如申請專利範圍第15項所述的微形變壓阻材料的製作方法，其中該硬質塑膠本體之材料，係指：酚樹脂、尿素樹脂、美耐皿樹脂、不飽和聚脂樹脂、環氧樹脂、矽脂樹脂、或者聚安基甲酸脂(PU)。
- 一種壓力感測器，包含：第一電極；以及第一壓阻層，連接該第一電極；具有微形變壓阻材料；該微形變壓阻材料具有硬質塑膠本體以及多個導電粒子均勻分散於該硬質塑膠本體中；第二電極；第二壓阻層，連接該第二電極，其中該第二壓阻層具有微形變壓阻材料；該微形變壓阻材料具有硬質塑膠本體以及多個導電粒子分散於該硬質塑膠本體中；以及該第一壓阻層、第二壓阻層之間形成一空隙。
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