一種紙基柔性觸控傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種紙基柔性觸控傳感器，包括由紙基絕緣層和沉積于該紙基絕緣層表面的第一金屬導(dǎo)電層共同組成的第一組件，由紙基絕緣層、沉積于該紙基絕緣層表面的第二金屬導(dǎo)電層和涂覆在該第二金屬導(dǎo)電層表面上的駐極體材料層共同組成的第二組件，以及聯(lián)接在第一組件與第二組件之間，并呈現(xiàn)為具備多個(gè)孔洞的隔離層形式的第三組件。本發(fā)明還公開了相應(yīng)的制造方法。通過本發(fā)明，所獲得的觸控傳感器作為主動(dòng)式傳感器可獲得較高的功率和靈敏度，而且其整體易于折疊彎曲，便于與其他柔性電子器件進(jìn)行集成，因此可適用于與其他柔性電子裝置的集成及日常生活應(yīng)用。
【專利說明】一種紙基柔性觸控傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于觸控傳感器器件【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種紙基柔性觸控傳感器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]觸控傳感器作為一種數(shù)據(jù)輸入裝置，目前在智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和Ipad等電子設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的觸控傳感器按照工作原理主要可分為電容式觸控傳感器、電阻式觸控傳感器、表面波觸控傳感器和紅外線式觸控傳感器等。隨著對(duì)電子產(chǎn)品更輕、更薄、更快的性能要求，剛性觸控傳感器越來越多地被柔性觸控傳感器所替換，以滿足更具吸引力的觸控設(shè)計(jì)。
[0003]然而，現(xiàn)有的柔性觸控傳感器的基底主要是基于高分子聚合物的柔性材料，并根據(jù)電容感應(yīng)、壓阻或壓電效應(yīng)等制備而成。這類柔性觸控傳感器在生產(chǎn)制備過程中往往存在較多問題:第一，在高分子聚合物上制備電極是一個(gè)工業(yè)問題，其成本和造價(jià)都是制約其發(fā)展的阻力；第二，高分子聚合物不利于重復(fù)利用，對(duì)于器件回收處理，成本較大，且處理過程易對(duì)環(huán)境造成污染；第三，由于其工作原理和基本結(jié)構(gòu)的限制，在輸出功率、耐彎曲、加工便利性以及與其他柔性電子器件的集成方面仍然有待進(jìn)一步改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種紙基柔性觸控傳感器及其制造方法，其中通過對(duì)柔性觸控傳感器的工作原理及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)基底材質(zhì)、關(guān)鍵工作元件的構(gòu)造和制造工藝等方面進(jìn)行研究，相應(yīng)可獲得成本更為低廉、便于加工、具備高靈敏度，并且尤其適用于與其他柔性電子器件相集成的觸控傳感器產(chǎn)品。
[0005]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種紙基柔性觸控傳感器，其特征在于，該紙基柔性觸控傳感器包括:
[0006]第一組件，所述第一組件由紙基絕緣層和第一金屬導(dǎo)電層共同組成，其中第一金屬導(dǎo)電層包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，這些像素單元通過磁控濺射、熱蒸鍍或者噴墨打印的方式沉積于紙基絕緣層的整個(gè)下表面，并從每個(gè)像素單元的側(cè)面各自引出電極以集成形成第一電極；
[0007]第二組件，所述第二組件由紙基絕緣層、第二金屬導(dǎo)電層和駐極體材料層共同組成，其中第二金屬導(dǎo)電層同樣包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，這些像素單元通過磁控濺射、熱蒸鍍或者噴墨打印的方式沉積于紙基絕緣層的整個(gè)上表面且與第一金屬導(dǎo)電層的多個(gè)像素單元相互對(duì)置，并從每個(gè)像素單元的側(cè)面各自引出電極以集成形成第二電極；駐極體材料層的材質(zhì)選自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚二甲基硅氧烷這些材料中的一種或其組合，并通過涂覆或粘合的方式形成在第二金屬導(dǎo)電層的整個(gè)上表面；[0008]第三組件，所述第三組件聯(lián)接在第一組件與第二組件之間，并呈現(xiàn)為具備多個(gè)孔洞的隔離層形式，其中各個(gè)孔洞對(duì)應(yīng)設(shè)置在第一、第二金屬導(dǎo)電層兩者相互對(duì)置的像素單元之間，且其形狀和大小與像素單元相匹配；當(dāng)按壓及釋放該紙基柔性觸控傳感器時(shí)，所述第一金屬導(dǎo)電層與駐極體材料層之間的間隙發(fā)生變化，相互對(duì)置的像素單元之間的電容也隨著發(fā)生變化并導(dǎo)致電子經(jīng)由第一、第二電極聯(lián)通的外部電路中振蕩，從而產(chǎn)生交流電檢測信號(hào)予以輸出。
[0009]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述紙基絕緣層的材質(zhì)選自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等。
[0010]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第一、第二金屬導(dǎo)電層由金、銀、銅、鋁或者它們的氧化物等材料制成。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述紙基絕緣層、駐極體材料層均優(yōu)選為透明結(jié)構(gòu)。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層相對(duì)置的表面上，力口工有多個(gè)微納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)。
[0013]按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的制造方法，其特征在于，該制造方法包括下列步驟:
[0014](a)第一組件的制備步驟:
[0015]將選自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，然后通過磁控濺射、熱蒸鍍或噴墨打印的方式在其表面上沉積形成第一金屬導(dǎo)電層，其中第一金屬導(dǎo)電層包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，并且每個(gè)像素單元的側(cè)面各自引出電極以集成形成第一電極；
[0016](b)第二組件的制備步驟:
[0017]將同樣選自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，并通過磁控濺射、熱蒸鍍或噴墨打印的方式在其表面上沉積形成第二金屬導(dǎo)電層，其中第二金屬導(dǎo)電層包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，并且各個(gè)像素的側(cè)面各自引出電極以集成形成第二電極；然后通過旋涂、噴涂或者粘合的方式將駐極體材料制備到第二金屬導(dǎo)電層上，所述駐極體材料經(jīng)過極化或者摩擦處理，使之帶上電荷；
[0018](c)第三組件的制備步驟:
[0019]將選自于紙基材質(zhì)、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷這些材料中的一種或其組合的片狀材料切割成所需尺寸，并對(duì)其加工形成形狀與大小與所述第一、第二組件的像素單元相匹配的多個(gè)孔洞；
[0020](d)封裝步驟:
[0021]將所述第一、第二組件通過封裝工藝與第三組件進(jìn)行聯(lián)接，并使得第一組件和第二組件的像素單元相互對(duì)置，第三組件的孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)設(shè)置在兩者之間。
[0022]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(b)中，所述駐極體材料層的材質(zhì)選自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷這些材料中的一種或其組合。
[0023]總體而言，按照本發(fā)明的紙基柔性觸控傳感器及其制造方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、通過對(duì)紙基柔性觸控傳感器的工作原理以及關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和改進(jìn)，測試表明能夠獲得較高的輸出功率和靈敏度，而且該傳感器為主動(dòng)式傳感器陣列，而且其整體易于折疊彎曲，便于與其他柔性電子器件進(jìn)行集成，因此可適用于與其他柔性電子裝置的集成及日常生活應(yīng)用；
[0025]2、通過采用各類柔韌性較好的紙基材料直接作為觸控傳感器的基底，相應(yīng)獲得易于彎曲折疊、成本低廉，無污染且便于大批量加工制造的效果；此外，還可以通過選擇適當(dāng)?shù)募埢婉v極體材料，進(jìn)而形成透明的觸控傳感器產(chǎn)品；上述所選用的駐極體材料具備良好的吸附和保存電荷的性能，可以產(chǎn)生高輸出功率，同時(shí)具有耐磨、耐彎曲和便于加工的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是按照本發(fā)明的紙基柔性觸控傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是用于顯示按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所制得的3X3陣列紙基柔性觸控傳感器在實(shí)際測試時(shí)所產(chǎn)生的電壓輸出強(qiáng)度信號(hào)；
[0028]圖3是用于顯示按照本發(fā)明上述實(shí)施例所制得的3X3陣列紙基柔性觸控傳感器對(duì)一個(gè)2.2μ F的電容進(jìn)行充電時(shí)的測試曲線圖；
[0029]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0030]1-第一組件2-第二組件3-第三組件11-紙基絕緣層12-第一金屬導(dǎo)電層21-紙基絕緣層22-第二金屬導(dǎo)電層23-駐極體材料層31-隔離層
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032]圖1是按照本發(fā)明的紙基柔性觸控傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，按照本發(fā)明的紙基柔性觸控傳感器主要包括第一組件1、第二組件2和第三組件，其中第一組件I由紙基絕緣層11 (譬如，其材質(zhì)可直接取自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等這類柔韌性較好的紙張或者透明紙張)和沉積在紙基絕緣層11 一個(gè)表面(圖示為下表面)上的第一金屬導(dǎo)電層12組成，該金屬導(dǎo)電層12包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，這些像素單元優(yōu)選通過磁控濺射、熱蒸鍍或者噴墨打印的方式沉積于紙基絕緣層的表面上，并且各個(gè)像素單元的側(cè)面可各自引出電極并集成為第一電極，由此與外部電路相連通；類似地，第二組件2由紙基絕緣層21、沉積在該紙基絕緣層21表面(圖示為上表面)的第二金屬導(dǎo)電層22和粘合在該導(dǎo)電層22另一表面的駐極體材料層23共同組成,該第二金屬導(dǎo)電層22同樣包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，這些像素單元通過磁控濺射、熱蒸鍍或者噴墨打印的方式沉積于紙基絕緣層的整個(gè)表面，并且各個(gè)像素單元的側(cè)面可各自引出電極并集成為第二電極，由此與第一電極和外部電路相連通。此外，第三組件3由隔離層31組成，其聯(lián)接在第一組件與第二組件之間，并具有多個(gè)孔洞，其中各個(gè)孔洞對(duì)應(yīng)設(shè)置在第一、第二金屬導(dǎo)電層兩者相互對(duì)置的像素單元之間，且其形狀和大小與像素單元相匹配。在以下實(shí)施案例中按照以上工藝，制備了 3X3的紙基柔性觸控傳感器陣列。
[0033]當(dāng)使用該紙基柔性觸控傳感器時(shí)，通過按壓第一組件使其與第二組件駐極體材料層之間的間隙發(fā)生變化，在此彎曲和恢復(fù)的過程中，電容也會(huì)隨著發(fā)生變化，并導(dǎo)致電子在外部電路中振蕩，形成交流電檢測信號(hào)予以輸出。的測試試驗(yàn)表明，當(dāng)觸控紙基柔性觸控傳感器陣列的某一像素單元時(shí)，單元輸出的信號(hào)可具有較大的信噪比。此外，將該紙基柔性觸控傳感器陣列與液晶顯示屏相連時(shí)，輕輕觸控該傳感器陣列即可驅(qū)動(dòng)該液晶顯示屏，顯示對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。這證明其不僅能夠獲得較高的輸出功率和靈敏度，而且便于與其他電子器件進(jìn)行集成。由于該柔性觸控傳感器裝置是基于紙基，可以折疊彎曲，便于加工，成本低廉，無污染，傳感靈敏度穩(wěn)定性好，因此尤其適用于柔性電子學(xué)研究領(lǐng)域，也可廣泛應(yīng)用于日常生活。
[0034]下面將進(jìn)一步解釋按照本發(fā)明的紙基柔性觸控傳感器陣列的基本工作原理。
[0035]在不考慮邊緣效應(yīng)下，本發(fā)明紙基柔性觸控傳感器陣列的機(jī)理解釋可等效于平行平板電容的機(jī)理解釋。根據(jù)麥克斯韋方程組相關(guān)公式推導(dǎo)，上下金屬導(dǎo)電層的開路電壓有:
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種紙基柔性觸控傳感器，其特征在于，該紙基柔性觸控傳感器包括: 第一組件，所述第一組件由紙基絕緣層和第一金屬導(dǎo)電層共同組成，其中第一金屬導(dǎo)電層包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，這些像素單元通過磁控濺射、熱蒸鍍或者噴墨打印的方式沉積于紙基絕緣層的整個(gè)下表面，并從每個(gè)像素單元的側(cè)面各自引出電極以集成形成第一電極； 第二組件，所述第二組件由紙基絕緣層、第二金屬導(dǎo)電層和駐極體材料層共同組成，其中第二金屬導(dǎo)電層同樣包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，這些像素單元通過磁控濺射、熱蒸鍍或者噴墨打印的方式沉積于紙基絕緣層的整個(gè)上表面且與第一金屬導(dǎo)電層的多個(gè)像素單元相互對(duì)置，并從每個(gè)像素單元的側(cè)面各自引出電極以集成形成第二電極；駐極體材料層的材質(zhì)選自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙 烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚二甲基硅氧烷這些材料中的一種或其組合，并通過涂覆或粘合的方式形成在第二金屬導(dǎo)電層的整個(gè)上表面； 第三組件，所述第三組件聯(lián)接在第一組件與第二組件之間，并呈現(xiàn)為具備多個(gè)孔洞的隔離層形式，其中各個(gè)孔洞對(duì)應(yīng)設(shè)置在第一、第二金屬導(dǎo)電層兩者相互對(duì)置的像素單元之間，且其形狀和大小 與像素單元相匹配；當(dāng)按壓及釋放該紙基柔性觸控傳感器時(shí)，所述第一金屬導(dǎo)電層與駐極體材料層之間的間隙發(fā)生變化，相互對(duì)置的像素單元之間的電容也隨著發(fā)生變化并導(dǎo)致電子經(jīng)由第一、第二電極聯(lián)通的外部電路中振蕩，從而產(chǎn)生交流電檢測信號(hào)予以輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的紙基柔性觸控傳感器，其特征在于，所述紙基絕緣層的材質(zhì)選自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等。
3.如權(quán)利要求1或2所述的紙基柔性觸控傳感器，其特征在于，所述第一、第二金屬導(dǎo)電層由金、銀、銅、鋁或者它們的氧化物等材料制成。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的紙基柔性觸控傳感器，其特征在于，在所述駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層相對(duì)置的表面上，優(yōu)選加工有多個(gè)微納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)。
5.一種用于制造紙基柔性觸控傳感器的方法，其特征在于，該制造方法包括下列步驟: (a)第一組件的制備步驟: 將選自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，然后通過磁控濺射、熱蒸鍍或噴墨打印的方式在其表面上沉積形成第一金屬導(dǎo)電層，其中第一金屬導(dǎo)電層包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，并且每個(gè)像素單元的側(cè)面各自引出電極以集成形成第一電極； (b)第二組件的制備步驟: 將同樣選自牛皮紙、繪圖紙、書面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，并通過磁控濺射、熱蒸鍍或噴墨打印的方式在其表面上沉積形成第二金屬導(dǎo)電層，其中第二金屬導(dǎo)電層包括呈平面陣列式排布的多個(gè)像素單元，并且各個(gè)像素的側(cè)面各自引出電極以集成形成第二電極；然后通過旋涂、噴涂或者粘合的方式將駐極體材料制備到第二金屬導(dǎo)電層上，所述駐極體材料經(jīng)過極化或者摩擦處理，使之帶上電荷； (C)第三組件的制備步驟:將選自于紙基材質(zhì)、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷這些材料中的一種或其組合的片狀材料切割成所需尺寸，并對(duì)其加工形成形狀與大小與所述第一、第二組件的像素單元相匹配的多個(gè)孔洞； (d)封裝步驟: 將所述第一、第二組件通過封裝工藝與第三組件進(jìn)行聯(lián)接，并使得第一組件和第二組件的像素單元相互對(duì)置，第三組件的孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)設(shè)置在兩者之間。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，所述駐極體材料層的材質(zhì)選自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅 氧烷這些材料中的一種或其組合。
【文檔編號(hào)】G06F3/041GK103970352SQ201410168233
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】周軍, 鐘其澤, 鐘俊文, 程曉峰, 胡琦旑 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)