印刷压电式压力传感箔的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]近些年来，触摸式传感装置已变得越来越重要。触摸式传感装置可分为三种不同的类型:光学式跟踪装置、电阻式跟踪装置和电容式跟踪装置。
[0002]光学触摸方法高度依赖于环境照明和跟踪物体的材质，并且，很难实现“触摸”输入和“笔”输入的分开。
[0003]电阻式阵列传感器通常包含两层导电材料，一层具有水平的线，另一层具有垂直的线。当用户触摸其表面时，交替连接的水平线和垂直线产生电流流动。虽然该方法便宜且节能，但其跟踪仅限于传感线之间的空间。或者，使用具有定义明确的电阻率的平面型导体作为顶层及底层的电极，通过对其中一个电极施加电压并检测与此电极相对的另一个电极的电阻来测量触摸信号，其类似于将这些电极作为一分压器来处理。此方法主要受读出电子器件的灵敏度、电极间间隔(间隔区)和电极导电率的均匀性影响。然而，标准电阻式触控面板概念不适用于压力传感。
[0004]从US 20090256817 Al可知晓一种基于内插式力感应电阻(IFSR)的电阻式压敏触摸输入装置，用于跟踪触摸和笔。在此设置中，传感材料安装于极薄的柔性/可弯曲材料上，且能够检测压力输入。
[0005]电容式触摸传感器包含置于一绝缘体(如玻璃)上的薄导电层，该层作为一电容器的电极，作用于其表面上的一触摸将导致此面板静电场的变形，且此触摸可测量作为电容的变化。然而，电容式传感仅能够测量触摸的位置(其分辨率受限于触摸面积)，其不适用于压力传感。该技术的另一个主要缺点是它依赖于人体的介电性能；因此，不能跟踪触控笔或者物体。
[0006]最尖端的压电式传感装置借由置于装置拐角处的压电换能器，仅间接通过探测触摸感应表面(声)波来利用压电效应。由于所需无机压电材料的费用及所涉及的高成本的装配工艺，此类装置昂贵。此类装置仅提供有限的用户交互，例如不能探测到静止不动的手指O
[0007]WO 2012/025412 Al描述了一种生产压电和热电涂层的方法。
[0008]US 8，138，882 B2描述了一传感装置在“智能地板”中的应用。
[0009]虽然一些上述的传感器概念提供了多点触控检测能力，但往往不可能高效且精确跟踪输入的压力。而且分别跟踪笔和触摸操作是人们期望的，另外，用压力跟踪来结合笔和触摸操作的跟踪更是满足人们需要的。
[0010]本发明的目的在于克服这些及其他问题。
【发明内容】
[0011]本发明被限定于权利要求中。
【附图说明】
[0012]图1显示压电压力传感效应。左侧显示正、负电荷的分布及中心；右侧显示在压力/力状态下电荷中心的转移。
[0013]图2显示当用户触摸表面(左)和提起手指(右)时的一压电输出电压。
[0014]图3显示来自一结合的压电、热电传感器的输出信号，该信号为无热电效应的压电响应(左)和结合的压电、热电响应(右)。
[0015]图4显示一典型传感器的结构。
[0016]图5显示根据本发明一实施例的以方块图表示的传感电子器件。
[0017]图6显示根据本发明一实施例的一传感器矩阵的电极。
[0018]图7显示根据本发明一实施例的通过一传感器矩阵插入一阶跃响应。
[0019]图8显示在响应触摸操作时探测到的数据的处理，包括一外加压力曲线(顶部)；产生的压电传感器信号(第二个)；估计与测量信号值之间的偏差(第三个)；及通过整合偏差曲线得到的一估计压力信号(第四个)。
[0020]图9为借由坚固平坦的印模的印刷工艺(左手侧)、位于结构化的基底上的传感器(中部)及一组圆顶状袖珍键盘(右手侧)的图解说明。
[0021]图10显示根据本发明一实施例实触摸点与鬼点的识别。
【具体实施方式】
[0022]现参考附图对本发明的典型实施例进行描述。
[0023]
[0024]在本发明的一实施例中，提供一基于铁电材料的压力传感输入装置，该铁电材料支持热电和压电效应。铁电材料用于检测大、平且/或弯曲表面上的压力变化。该输入装置具有四层的夹层结构，其能被轻易地印刷在任何材料上，该材料可用于结合一高分辨率的光学基传感箔，如US 2011/0310066 Al所述，或结合一如US 2012/0127110 Al所述的光针。
[0025]该输入装置支持手和笔输入跟踪，实现该装置的箔可弯曲、节能，且容易在印刷工艺中制成。
[0026]该输入装置还支持基于热电效应的悬停模式。
[0027]压电效应
[0028]压电材料就像湿海绵，当对其进行挤压时，水就会涌出。信号的振幅和频率正比于压电材料的机械形变，压电元件的感应形变引起材料表面电荷密度的变化，导致在电极间产生一电压(图1)。压电系数表示每单位外加力产生的电荷数量。
[0029]像所有压电材料一样，PVDF膜是一种动态材料，使电荷与机械压力的变化成比例。因此，由于压电材料的内电阻，其本身不适于静态测量。在该聚合物薄膜中产生的电荷会随着一时间常数衰减，该时间常数受介电常数、该膜的内电阻和与该膜连接的界面电子器件的输入阻抗影响(图2)。
[0030]热电效应
[0031]热电传感器材料通常是具有随温度而变的分子偶极矩的介电材料。随着这些材料吸收热能，它们会扩张(或收缩)，由于扩张，会产生一间接的压电信号。加热，偶极的随机运动引起膜的平均极化度(分子偶极矩的总和)减小；这将在该膜表面上产生电荷。类似于压电和压力，热电输出电流与温度变化速率成比例。热电电荷系数表示每度温度变化产生的电荷的数量。
[0032]根据本发明的一实施例，基于前述材料的性能，使用压电和热电聚合物薄膜测定大面积上的压力和温度变化。特别地，通过使用一种可印刷的压电和热电聚合物油墨制剂，并结合传感器的合理布局，使通过丝网印刷工艺制造低成本、大面积的传感器变为可能。这些传感器能够实现压力检测和跟踪(触摸和/或笔输入)、及探测红外发射体(如人手)的接近或靠近(悬停交互)。
[0033]图3中比较了压电和热电效应，其显示一持续约500ms触摸。如图3右侧所示，从触摸信号来区分变暖和变冷效应是相对复杂的。在一些情况下，这些效应会变得更加混杂。一般来说，压电箔对任何外部光(热)源都是极其敏感的。
[0034]这些问题可通过增加一红外光线发射层/叠片(其也可以作为一散热部件，由此减少热电响应)、或者通过提供一如下所述的箔设计来得到解决。
[0035]箱设计
[0036]在一实施例中，传感箔是基于一 16X8阵列的丝网印刷的、柔性的、电容式的、具有一 1mm直径的圆形传感器点。该触摸箔的底部是一透明的塑料基底，其作为印刷材料的载体。下一步，将128个圆形点(电极)印刷至该载体材料上，该些圆形点于水平方向连接。之后，用一铁电材料涂布该塑料基底的全部。其后，印刷第二层于垂直方向连接的电极。这两层电极形成一电容。该铁电传感器层上的电荷变化产生电极间的可测量的电压。
[0037]图4显示包含以下材料的箔结构的夹层设计:
[0038]〇由透明聚对苯二甲酸乙二酯基底(PET)形成的第一层；
[0039]O由半透明导电聚合物材料形成的第二层中的电极；
[0040]〇由聚偏氟乙烯(PVDF)和三氟乙烯(TrFE)形成的压电和热电传感器材料，其具有约85%的透明度；及
[0041]O由不透明的碳或导电聚合物形成的顶层电极。
[0042]对于分开使用尖笔和触摸的应用(