具有集成结构的感测薄膜的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月11日提交的美国临时专利申请62/571,220以及于2018年09月29日提交的美国非临时专利申请16/147,575的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种应用于触摸屏显示器和其他电子传感设备的感测薄膜，该感测薄膜具有出色的光学和电学性能，以及该膜具有优异的柔性，可将电极的导电网络嵌入介电质或功能性基材中。

背景技术：

以下参考文献的公开内容通过引用整体并入本文：

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随着移动设备技术的进步,对于触摸显示屏的需求越来越多，这些触摸显示屏可被嵌入并取代用于输入数据的物理键盘，吸引了具有触摸显示屏的大型显示面板的应用，例如手机、便携式视频游戏设备和平板电脑。目前，如何开发更薄、更灵敏的屏幕是设备开发过程所面临的挑战。

在显示器行业中，电容式触摸感应技术由于其高透光率和广泛的温度容限优势，成为最广泛采用的技术之一。一般来说，电容式触摸感应膜由两组透明导电电极层基板组成，如涂覆ito的聚对苯二甲酸乙酯(pet)或玻璃。其中，介电质层被夹在两层透明导电电极层基板中间，並用光学透明的粘合剂(oca)进行粘合。底层的pet基板通常放置在玻璃或pmma制成的绝缘层上以进行绝缘，然后在pet基板的顶部放置一层硬涂层保护层以进行保护。

当手指或物体压在感测膜上时，会产生差分电容变化。然而，上述的结构十分复杂，当折射率不匹配时，不仅会在界面处引起光的反射损失，还会引起使用可靠性问题，并增加材料成本。

对于大型触摸屏应用来说，ito导体具有电阻相对较高的缺点，该缺点妨碍了它们在响应时间方面的性能。因此，需要寻求更好的替代方案来代替ito并修改电容式感测膜的设计。

在此背景下，排除了使用oca以获得更薄的显示屏。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供新颖且有利的用于形成感测薄膜装置的透明导电电极结构，其可应用于触摸面板显示器或其他潜在的感测系统及其制造方法，潜在地减小总厚度，并大幅简化感测薄膜的结构。

有关于此，本发明提供一种感测薄膜(电容式或电感式)，包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的透明介电质基材或功能性基材，其中由多个离散的导电电极形成的第一导电网络被部分或完全嵌入至介电质基材或功能性基材的第一表面中，而由多个离散的导电电极形成的第二导电网络被部分或全部嵌入至介电质基材或功能性基材的第二表面中。

在某些情况下，一个或多个导电网络被部分或完全嵌入至介电质基材或功能性基材的两个表面，以提高感测薄膜的灵敏度、稳定性以及性能。透明介电质基材可以是任何种类的可变形材料，例如柔性塑胶膜等。功能性基材可以是任何种类的透明或不透明的柔性膜，其会受外部因子触发而产生电信号，示例包括压电、热电、照光感应和光伏膜等。本发明的感测薄膜的设计由于嵌入式网络被牢固地结合到基材上，不仅提供出色的光学和电学性能，而且还提供优异的柔性和可靠性。此外，这种设计将免除或减少使用粘合剂进行层结合，从而显着减小总厚度和提高透光率。本发明的优点之一为无论使用单面或双面导电网络，感测薄膜的厚度都不会增加。另外，本发明的设计允许将高纵横比的导电网络嵌入膜中，这增加了导电率但不会降低光学透明度。目前，金属线/网是替代ito导体较好的替代物，也适用于简化本发明的感测薄膜的结构。

与使用传统透明导电氧化物材料的感应膜如氧化铟锡(ito)相比，本发明薄膜的设计在柔性、光学、电机和机械性能方面皆表现出优异的性能。此外，本发明不需使用昂贵的真空设备，且能在相对较低的温度下进行处理，因此总成本较低。

在本发明的一个方面，由多个离散的导电电极形成的第二导电网络被部分或完全嵌入至介电质基材或功能性基材的第一表面中，而由多个离散的导电电极形成的第二导电网络被部分或全部嵌入至介电质基材或功能性基材的第一表面中，如此一来，第一导电网络的导电电极可以与第二导电网络的导电电极交替地排列。

附图说明

以下参考附图更详细地描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了根据本发明实施方式的电容性或电感测薄膜的俯视图和侧视图；

图2a和图2b分别示出了基材上具不同排列的导电网络；

图3示出了根据本发明实施方式，制造电容性或电感测薄膜的方法；

图4示出了根据本发明另一个实施方式，制造本发明感测薄膜的方法；

图5示出了如图2a和图2b所示具不同排列的电容式或电感测薄膜进行弯曲测试結果；

图6示出了如图2a和图2b所示的不同排列的电容式或电感测薄膜，进行湿热试验結果。

具体实施方式

在下面的描述中，本不同参数下的电容式或电感测薄膜被列为优选实施方式。对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行修改，包括添加和/或替换。可以省略具体细节，以免使本发明模糊不清；然而，本公开是为了使本领域技术人员能够在不进行过度实验的情况下实践本文的教导。

根据本发明的一个实施方式，一种电容式或电感测薄膜10包括：一透明电介质或功能性基材100，其具有第一表面102和与第一表面102相对的第二表面104；由多个离散的导电电极形成的第一导电网络120被嵌入至所述电介质或功能性基材的第一表面102中，而由多个离散的导电电极形成的第二导电网络140被嵌入至所述电介质或功能性基材的第二表面中。第一导电网络120与第二导电网络140与电介质或功能性基材100的边缘对齐，從而与外部接触。这类在电容式或电感测薄膜具较少堆叠层的简单结构降低了由于折射率不匹配而出现条纹的界面处的光反射损耗。

如图1所示，该实施例的基本结构将多个离散的导电电极形成的两个导电网络嵌入电介质或功能性基材的两侧。为了便于说明，第一导电网络120的电极被拉长并沿水平方向布置，而第二导电网络140的电极被拉长并沿垂直方向排列，形成俯瞰呈正方形的网格。应当理解，也可以进行其他类型的排列布置，例如，梯形或矩形单元的网格。在这种配置中，电容式或电感测薄膜利用一个以上的感测薄膜来确定触摸的协调性，因此具有更高的精度。电介质或功能性基材可以由以下材料制成，包括pet、coc、cop、pmma、pc、pi及pvdf等，其中电介质基材的介电常数优选为1.1至10，而功能性基材能够在外部触发下产生电信号，包含光、力、压力、温度、电和磁场的变化。

如图2a所示根据本发明的另一个实施方式，第一导电网络220和第二导电网络240均被嵌入至透明电介质或功能性基材200的第一表面202中，使两个导电网络的离散细长导电电极沿着表面以间隔和平行的关系排列设置。从侧面观察此配置，第一导电网络220的金属迹线260与第二导电网络240的金属迹线262重叠，從而减小了边缘厚度。相反地，也可选择将第一导电网络220设置在第一表面202上，而将第二导电网络240设置在不同的表面上。例如，图2b所示之第二表面204。每个导电网络的金属迹线260和262趋于彼此重叠，具有较厚的边缘。

参照图3所示的流程图，本发明提供一种制备电容式或电感测薄膜的方法，包括以下步骤:首先，准备及清洁电介质或功能性基材340。接着，在第一载体基材300上制备可移除抗蚀剂层，其中通过光刻方法(光刻、纳米压印光刻和电子束光刻中的一种)将导电网络图形印刷在抗蚀剂层上。随后形成一沟槽网络302，并通过沟槽暴露出导电基材，导电材料被沉积并通过沟槽填充暴露的间隙，形成第一导电网络304。制备方法可包括湿处理方法如电化学法(电镀、电沉积、化学沉积)，或干处理方法包含溅射、电子束蒸发和热蒸发。当第一导电网络304达到优选厚度时，停止电沉积，然后冲洗样品以去除第一载体基材300上的抗蚀剂层。重复上述制备沟槽网络322的流程以制备第二导电网络324。第一导电网络304依序沉积在基材340上方的第一载体基材300上，以通过按压该网络而在其上转移第一个导电网络304，其中可能需要在可变形层或导电网络上进行加热。最后，从基材340上去除第一载体基材300和第二载体基材320，并形成电容式或电感测薄膜。

除了图3所示的方法之外，本发明的感测薄膜也可以基于图4所示的流程图，通过替代方法来制造，即使用模板方法来制造。模板方法采用了一些相对坚固的绝缘材料而不使用传统的可移除的光致抗蚀剂作为掩膜层，例如使用聚酰亚胺或二氧化硅作为图案掩膜。模板方法的主要优点是允许模板掩膜在形成和转移导电网络时有多种用途，并在使用电镀或化学镀时使导电网络具有较高的沉积速率，从而免除复杂的光刻方法、提高每次运行的沉积均匀性并节省时间和金钱。通过使用模板掩膜可形成线宽低至1至2微米的精细图案化导电网络，且因为这种方法允许使用热压机形成嵌入式tcf结构以完成转移，所以无需使用粘合剂材料即可将该图案化导电网络转移到许多不同的聚合物基材上。

如图4所示，制备并清洗第一基材(401)。第一基材的示例包括玻璃或抛光的金属板。完成清洁之后，可选地在第一基材(401)上形成第二导电层(402)以增加整体电导率，从而可以通过湿处理法(例如电镀或其他一些电化学处理)来实现高导电网络沉积率。上述结构的高电导率将允许在导电网络的沉积过程中流过高电流，从而大幅提高生产速度，并降低了制造成本。第二导电层(402)可以由一种或多种材料制成，包括但不限于金、银、铜、铝、镍、铬、钼、钛、铂、任何导电聚合物或半导电材料及任何组合。第二导电层(402)可以通过湿处理法沉积形成，如电化学法、无电沉积法和印刷法，或干处理法包含溅射、化学气相沉积、电子束蒸发和热蒸发。第二导电层(402)的沉积可被调谐，使其在第一基材上的生长是各向异性的。当使用电镀法或无电沉积法在第一基材(401)上沉积第二导电层(402)时，可以再加入添加剂以防止第二导电层(402)在正在生长的第一导电层(403)的侧壁上过度沉积。在该示例中，于第一基材(401)上沉积第二导电层(402)之后，在第二导电层(402)上形成第一导电层(403)。用于形成第一导电层(403)的材料包括但不限于基于氧化铟锡(ito)的材料、基于氧化锌(zno)的材料、基于氧化锡(sno)的材料以及其他基于导电金属氧化物的材料。本领域技术人员应当理解，图4所示的第二导电层的沉积是可选的，并且可以省略。

接着在第一导电层上形成绝缘材料层。可使用至少两种方法来形成绝缘层，第一种方法(410)是选择光敏材料如光敏聚酰亚胺(pspi)作为形成绝缘层(411)的材料。以这种方式，由于绝缘材料是光敏的，所以绝缘层(411)也可被用作可移除抗蚀剂层，而不需使用蚀刻方法。當一些带有光罩的光致抗蚀剂(412)通过光刻曝光之后，图案可以直接显影。网络图案(413)也可以通过诸如光刻、纳米压印光刻、电子束光刻和增材印刷等替代方法在绝缘层中形成。

第二种方法(420)是选择非光敏无机材料，如sio2或sin作为形成绝缘层(421)的材料，然后将光敏材料层(422)作为可移除抗蚀剂层沉积在绝缘层(421)上。通过用掩膜版光刻方法曝光光致抗蚀剂(423)来显影图案(424)。一些未掩蔽的区域暴露出绝缘层(421)，并且图案(424)被显影到绝缘层(421)中，随后进行蚀刻(425)。蚀刻(425)包括但不限于湿蚀刻或干蚀刻。通过剥离和充分洗涤除去剩余的光致抗蚀剂(426)。接着，沉积导电材料直到达到足够的厚度为止，以形成网络，然后通过热压将第一基材上已准备好的导电网络线转移到第二基材上的可变形层中，其中可能需要在可变形层或导电网络上进行加热。最后，将第二基材与第一基材分离，同时将导电网络图案嵌入第二基材中以形成本发明的感测薄膜。

在一实施例中，绝缘层的厚度不大于5,000纳米。

在另一个实施例中，第二导电层的厚度为10至1,000纳米。

在另一个实施例中，第二导电层的薄层电阻为每平方5欧姆或更低。

在另一实施例中，经过光固化后的可移除抗蚀剂的工作温度大于80℃。

在又一个实施例中，可以在绝缘层上添加一个非粘性界面层，以便于在转移过程中去除基材。

通过使用图4所示的方法，可以在单次运行中将导电网络从第一基材分別转移到第二基材的上表面和下表面，这样就可制造出本发明具有导电网络嵌入至上下表面的可变形层中的感测薄膜，示例如图2b所示。

可选地，取决于所用材料的性质，也可以通过其他电化学法、真空沉积法、印刷法或其他溶液沉积法来形成导电网络。

优选地，所述电介质基材的介电常数介于1.1至10之间，提供所需的触摸灵敏度设置。灵敏度可以用信噪比(snr)表示，而不同的工厂/实验室在snr计算中具有不同的度量标准。根据经验法则，触摸期间较高的电容变化会导致较高的增益和更好的snr。电容公式如下所述：

εr:面板材料的相对介电常数

ε0:每米的空气电容，定义为8.85x10^-12f/m

t:面板厚度(米)

a:触摸区域的面积，以平方米为单位

假设面板的厚度和触摸区域的面积通常保持不变，則显然相对介电常数会直接改变电容值。同样清楚的是，较高的介电常数有助于较高的电容，从而影响灵敏度。

功能性基材将外部信号(例如光线、力、压力、温度、电、磁场等任何变化)本质上转换为电信号。透过这些外部因子触发，功能性薄膜可以产生电信号，这些电信号可通过嵌入式电极收集。从不同输入信号产生的电信号通过电极收集并通过使用数字信号处理方法进行分离，因此，通过本发明的设计，能够收集和识别各种输入信号。功能性基材可以是透明或不透明的膜。形成本发明的功能性基材的良好候选者是pvdf，或者也可以使用具有类似性质的其他可能的基材。

电介质或功能性基材可以是任何种类的可变形材料，如市售的柔性塑料薄膜。但是将导电网络转移到基材上时，需要一种光或热固性材料来承受可能的热处理。

根据本发明的另一个实施例，第一导电网络和第二导电网络中的离散导电电极被拉长，其线宽为500纳米至10,000纳米、线厚为0.1微米至10微米、电极之间的距离为1微米至5,000微米。在某些情况下，两个导电网络彼此互连。

为了说明和描述的目的，提供了本发明的前述描述。它不是穷举的或将本发明限制于所公开的确切形式。对于本领域技术人员而言，许多修改和变化将是显而易见的。

选择和描述实施方式以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施方式，并且适用于预期的特定用途的各种修改。本发明的范围由所附权利要求及其等同物来定义。

实施例

实施例1–弯曲测试：

图5示出了对本发明感测薄膜上的不同构造进行弯曲测试的结果。在该示例中，cop被用作电介质基材。该测试在以下条件下进行：循环弯曲次数：100,000；频率：60个循环/分钟(1hz)；弯曲半径：20毫米。从图5所示的曲线可以看出，在20毫米弯曲半径下经过100,000次循环后，表面电阻(％)的性能变化很小。与常规薄膜相比，本发明的薄膜具有更大的柔性，其薄层电阻在100,000次弯曲循环中基本上没有变化。例如，seanm.garner等人.,flexibleglass:enablingthin,lightweight,andflexibleelectronics,2017。在garner等人(2017)的结果表明，塑料薄膜上的ito或其他tco在20毫米弯曲半径下经过50个循环弯曲后会破裂。尽管由金属纳米线制成的其他常规膜在弯曲试验后具有非常好的柔性，且有相当好的薄层电阻，但其具有以下缺点：当薄膜弯曲时薄膜电阻显着增加，而当薄膜返回其原始状态时薄膜电阻减小。

实施例2–湿热试验：

图6示出了在本发明感测薄膜上的不同结构进行湿热测试的结果。该测试在以下条件下进行：测试标准：iec60068；箱体条件：85℃及湿度85％；持续时间：1000小时。就薄层电阻的性能变化百分比而言，在1,000小时的测试时间内，薄层电阻变化仅不到5％。然而，常规的tco和金属纳米线在这种情况下会分层或腐蚀而无法承受。在这种条件下，它们的电阻也将大幅增加。

实施例3–热冲击试验：

使用以下条件对本发明不同配置的感测薄膜执行热冲击试验：温度设置：+95℃(高)和-55℃(低)；斜率：于10秒内在高温和低温之间切换；浸泡时间：每个周期的高温浸泡时间为1小时，低温浸泡时间为1小时；循环数：总测试持续时间为20个周期(40小时)。在测试前，薄层电阻为0.587欧姆/平方；经过10个循环后，薄层电阻变为0.481欧姆/平方；经过20个循环后，薄层电阻为0.479欧姆/平方。就薄层电阻的变化而言，在10个循环中的百分比变化约为18％，而在极端温度差的20个循环后，則保持大致相同。在20个测试循环后，没有观察到视觉上的缺陷，如剥离、气泡或裂缝。结果表明，该膜可以承受极端的温度变化并且是耐用的，显示本发明薄膜可以承受极端的温度变化并且耐用。