TWI678520B - 壓電感測器 - Google Patents

Abstract

一種壓電感測器，其包括基板、電極陣列、多個可撓性壓電材料層和至少一對間隔物。電極陣列設置於基板上。多個可撓性壓電材料層相互疊層於電極陣列上。間隔物分別設置於該電極陣列的相對兩側和相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間。

Description

壓電感測器

本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種壓電感測器。

近年來，隨著科技產業日益發達，便於使用者攜帶的可攜式（portable）電子裝置，例如筆記型電腦、平板電腦與智慧型手機等電子產品，甚至是可直接佩帶在使用者身上的穿戴式（wearable）電子裝置已頻繁地出現在日常生活中。

可攜式電子裝置可依據使用者需求來搭配不同裝置或感測器，以增加電子產品的功能。舉例來說，可攜式電子裝置可依據需求配置有通訊、影音播放、網路瀏覽、心跳偵測、血壓偵測等功能。然而，可攜式電子裝置在裝置體積受到限制、使用者的生理條件或使用環境不盡相同的情況下，將造成電子裝置的表現不盡理想。舉例來說，一般可攜式電子裝置所搭載的心跳感測器常會因為輸出訊號強度小而導致訊雜比（signal-to-noise，S/N）不足的問題。

本發明提供一種壓電感測器，其具有良好的訊雜比。

本發明的壓電感測器，其包括基板、電極陣列、多個可撓性壓電材料層和至少一對間隔物。電極陣列設置於基板上。可撓性壓電材料層相互疊層於電極陣列上。間隔物分別設置於該電極陣列的相對兩側和相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間。

基於上述，在本發明實施例的壓電感測器中，間隔物分別設置於電極陣列的相對兩側和相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間，使得相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間的振動數增加而造成更多的形變，藉此提升壓輸出訊號的強度。另一方面，多個可撓性壓電材料層相互疊層於電極陣列上，如此可藉由疊加可撓性壓電材料層來提升壓電材料的總厚度，藉此增強輸出訊號的強度。因此，本發明實施例的壓電感測器可具有良好的訊雜比。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在附圖中，為了清楚起見，放大了層、膜、面板、區域等的厚度。在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的元件。應當理解，當諸如層、膜、區域或基板的元件被稱為在另一元件「上」或「連接到」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者中間元件可以也存在。相反，當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。如本文所使用的，「連接」可以指物理及/或電性連接。再者，「電性連接」或「耦合」係可為二元件間存在其它元件。

本文使用的「約」、「近似」或「實質上」包括所述值和在所屬技術領域中具有通常知識者確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量（即，測量系統的限制）。例如，「約」可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30％、±20％、±10％、±5％內。再者，本文使用的「約」、「近似」或「實質上」可依光學性質、蝕刻性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。

除非另有定義，本文使用的所有術語（包括技術和科學術語）具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。

圖1是依據本發明一實施例的壓電感測器的剖面示意圖。圖2A是依據本發明一實施例的壓電感測器的俯視示意圖。圖2B是依據本發明另一實施例的壓電感測器的俯視示意圖。圖2C是依據本發明又一實施例的壓電感測器的俯視示意圖。圖2A至圖2C中省略繪示了圖1所繪示的可撓性壓電材料層和分析裝置，以清楚表示間隔物的圖案以及間隔物與電極陣列之間的相對位置。

請參照圖1，壓電感測器100包括基板S、電極陣列EA、多個可撓性壓電材料層FP以及至少一對間隔物SP。在本實施例中，壓電感測器100可作為量測脈搏訊號的感測器，以獲得使用者的脈搏心率或脈象。

電極陣列EA設置於基板S上，且可撓性壓電材料層FP相互疊層於電極陣列EA上。如此一來，當可撓性壓電材料層FP受到外力造成振動而產生形變時，電極陣列EA可偵測到可撓性壓電材料層FP因形變所產生的電壓，並藉由後續將提到的分析裝置AD來量化數據。舉例來說，當壓電感測器100作為量測脈搏訊號之感測器時，使用者的手腕可與壓電感測器100中最上層的可撓性壓電材料層FP（亦即最遠離基板S的可撓性壓電材料層FP）接觸。如此一來，電極陣列EA可偵測到可撓性壓電材料層FP因手腕脈博的起伏所造成之形變而產生的電壓，以獲得使用者的心率或脈象。

在本實施例中，可藉由相互疊層於電極陣列EA上的多個可撓性壓電材料層FP來增加壓電感測器100中的壓電材料的總厚度，如此可減少壓電電容產生之電阻，藉此提高輸出訊號（例如電壓）的強度。如此一來，壓電感測器100可具有良好的訊雜比。在本實施例中，在可撓性壓電材料層FP未受到外力的情況下，可撓性壓電材料層FP可未與電極陣列EA接觸。在本實施例中，是以在電極陣列EA之上堆疊4層可撓性壓電材料層FP為例進行說明，但本發明不以此為限。

電極陣列EA的材料可為導電材料，例如金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物或其組合。基板S可為可撓性基板。舉例來說，基板S的材料可包括如聚亞醯胺（polyimide，PI）等的可撓性材料。可撓性壓電材料層FP的材料可包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚偏二氟乙烯的共聚物或其組合。聚偏二氟乙烯的共聚物可例如是偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物（poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene，PVDF-TrFE）、偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物（poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)）或偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物（Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)，PVDF-HFP）。

請同時參照圖1和圖2A，在本實施例中，電極陣列EA可包括多個第一電極E1，且第一電極E1彼此未電性連接。如此一來，可藉由陣列化的多個第一電極E1來有效量測出手腕不同位置（例如中醫所提及的寸、關、尺）的脈搏訊號，以作出位置與脈搏訊號強度的三維示意圖（例如x-y平面表示量測的位置，而z軸表示訊號的強度），如此可量化數據來判斷脈搏訊號所對應的中醫脈象。第一電極E1的材料可為導電材料，例如金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物或其組合。在本實施例中，第一電極E1的材料可為氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）。圖2A中的電極陣列EA是以包括9個方形的第一電極E1為例進行說明，但本發明不以此為限。在其他實施例中，電極陣列EA也可包括不同形狀或是數量的第一電極E1。

壓電感測器100可包括分析裝置AD。分析裝置AD可耦接至電極陣列EA，藉此可量化可撓性壓電材料層FP的輸出訊號。在一些實施例中，壓電感測器100可包括多個分析裝置AD，如此可藉由將第一電極E1分別耦接至相對應的分析裝置AD來得到可撓性壓電材料層FP於不同位置的輸出訊號。換句話說，分析裝置AD的數量可對應第一電極E1的數量，但本發明不以此為限。在另一些實施例中，壓電感測器100可選擇性地包括多工器（未繪示），如此電極陣列EA中的第一電極E1可分別藉由多工器來分別耦接至分析裝置AD，使得分析裝置AD的數量不需對應第一電極E1的數量。在本實施例中，分析裝置AD可包括放大電路，以增強輸出訊號的強度。

請同時參見圖1和圖2A，間隔物SP分別設置於電極陣列EA的相對兩側和相鄰的兩個可撓性壓電材料層FP之間，如此可使得相鄰的兩個可撓性壓電材料層FP之間具有足夠的空間來進行更多的振動（例如d ₃₁壓電振動模式和d ₃₃壓電振動模式），進而造成更多的形變，藉此提升輸出訊號的強度。上文中所提到的d ₃₃壓電振動模式表示電場方向與應變方向平行；而d ₃₁壓電振動模式表示電場方向與應變方向垂直。

間隔物SP的材料可包括介電材料，例如有機介電材料、無機介電材料或其組合。有機介電材料可以是光阻、聚醯亞胺系樹脂、環氧系樹脂、壓克力系樹脂、其它合適的有機介電材料或前述至少二種之組合。聚醯亞胺系樹脂、環氧系樹脂或壓克力系樹脂等高分子材料。無機介電材料可以是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、其它合適的無機介電材料或前述至少二種之組合。

在本實施例中，至少一對間隔物SP可彼此間隔開來且分別設置於電極陣列EA的相對兩側，如此可使得可撓性壓電材料層FP在d ₃₁壓電振動模式和d ₃₃壓電振動模式下具有良好的振動幅度。在本實施例中，間隔物SP可與相鄰的兩個可撓性壓電材料層FP接觸。在本實施例中，間隔物SP可分別設置於電極陣列EA的相對兩側而未與相鄰的第一電極E1重疊，但本發明不以此為限。在其他實施例中，間隔物SP可分別設置於電極陣列EA的相對兩側而部分重疊於相鄰的第一電極E1。

在本實施例中，如圖2A所示，至少一間隔物SP可為彼此間隔開來且分別設置於電極陣列EA的相對兩側的條狀凸塊（bump），但本發明不以此為限，間隔物SP的形狀、尺寸、數量和排列方式可依據設計進行調整。舉例來說，在一些實施例中，如圖2B所示，至少一對間隔物SP可各自包括多個凸塊BP，且至少一對間隔物SP中的該些凸塊BP可彼此間隔開來並環繞電極陣列EA。圖2B中的一對間隔物SP是以包括40個方形凸塊BP為例進行說明，但本發明不以此為限。在其他實施例中，間隔物SP也可各自包括不同形狀或是數量的凸塊BP。在另一些實施例中，如圖2C所示，至少一對間隔物SP可彼此接觸以構成環繞電極陣列EA的間隔物圖案SPP。

圖3是依據本發明再一實施例的壓電感測器的剖面示意圖。壓電感測器100與壓電感測器200相似，其不同之處在於壓電感測器200更包括了第二電極E2，故相同或相似元件使用相同或相似標號，其餘構件之連接關係、材料及其製程已於前文中進行詳盡地描述，故於下文中不再重複贅述。

請參照圖3，壓電感測器200可更包括第二電極E2，其中第二電極E2可設置於該些可撓性壓電材料層FP中最遠離基板S的可撓性壓電材料層FP上。如此一來，當手腕與最上層之可撓性壓電材料層FP接觸時，第二電極E2可降低手腕與可撓性壓電材料層FP之間的介面電阻，以進一步增強輸出訊號。第二電極E2的材料可為導電材料，例如金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物或其組合。第二電極E2可為透明導電材料或是非透明的導電材料。

綜上所述，在上述實施例的壓電感測器中，間隔物分別設置於電極陣列的相對兩側和相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間，使得相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間的振動數增加而造成更多的形變，藉此提升壓輸出訊號的強度。另一方面，多個可撓性壓電材料層相互疊層於電極陣列上，如此可藉由疊加可撓性壓電材料層來提升壓電材料的總厚度來增強輸出訊號的強度。因此，上述實施例的壓電感測器可具有良好的訊雜比。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧壓電感測器

S‧‧‧基板

EA‧‧‧電極陣列

FP‧‧‧可撓性壓電材料層

SP‧‧‧間隔物

E1‧‧‧第一電極

E2‧‧‧第二電極

AD‧‧‧分析裝置

BP‧‧‧凸塊

SPP‧‧‧間隔物圖案

圖1是依據本發明一實施例的壓電感測器的剖面示意圖。
圖2A是依據本發明一實施例的壓電感測器的俯視示意圖。
圖2B是依據本發明另一實施例的壓電感測器的俯視示意圖。
圖2C是依據本發明又一實施例的壓電感測器的俯視示意圖。
圖3是依據本發明再一實施例的壓電感測器的剖面示意圖。

Claims (11)

1. 一種壓電感測器，包括：一基板；一電極陣列，設置於該基板上；多個可撓性壓電材料層，相互疊層於該電極陣列上；以及至少一對間隔物，分別設置於該電極陣列的相對兩側和相鄰的兩個可撓性壓電材料層之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該至少一對間隔物彼此間隔開來。
3. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該至少一對間隔物各自包括多個凸塊，且該至少一對間隔物中的該些凸塊彼此間隔開來並環繞該電極陣列。
4. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該至少一對間隔物彼此接觸以構成環繞該電極陣列的間隔物圖案。
5. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該電極陣列包括多個第一電極，且該些第一電極彼此未電性連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該至少一對間隔物與相鄰的兩個可撓性壓電材料層接觸。
7. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，更包括：一分析裝置，與該電極陣列耦接，且該分析裝置包括放大電路。
8. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，更包括：一第二電極，設置於該些可撓性壓電材料層中最遠離該基板的可撓性壓電材料層上。
9. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該至少一對間隔物的材料包括介電材料。
10. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中該些可撓性壓電材料層包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯的共聚物或其組合。
11. 如申請專利範圍第1項所述的壓電感測器，其中所述多個可撓性壓電材料層中的最遠離所述基板的可撓性壓電材料層與使用者的欲量測部位接觸。