CN106325572A - 用于形变感测的透明导电氧化物薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及触控技术领域，提供了一种用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其具有一长度，并在一外力作用下产生一形变量以令使此透明导电氧化物之电阻值变化，其中形变量与长度间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间，其中所述电阻值的变化率范围为0.01％-3％，有利于检测感测位置及力度大小。
Description
技术领域
本发明涉及触控技术领域，特别是有关一种用于形变感测的透明导电氧化物。
背景技术
近年来，触控装置(Touch Panel)通常使用于手机、照相机、平板等电子产品的显示屏幕，以便增进操控及讯号输入的便利性。举例来说，目前常见的智能型手机以及平板计算机系使用触控装置，让使用者可直接通过屏幕面板输入信息，例如手写辨识***。
输入的原理及方法有许多种类，因应用范围不同而有不同的设计方法及考量，各种方法皆有其优缺点，目前市面上常见的触控感测，依其感测原理常见的可分为三种：电容式、电阻式与压力式。其中一种压力式传感器又称形变感测，是利用压阻材料的特性，当压阻材料收到应力变化而变形时，其电阻值也会因而改变，因此透过电路上的连接与输出，便可藉由电阻的变化来量测使用者的触碰位置和力度大小。然而，目前用于形变感测的材料通常为不透明，而大幅限制了其使用范畴。因此，业界亟需一种用于形变感测的透明材料，使其能作为手机、平板、面板等需具有高透明度产品的触控感测层。
发明内容
为了解决上述材料不透明的问题，克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，具有良好的光学特性和电阻变化效果。
本发明的一方面是提供一种用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其具有一长度，并在一外力作用下产生一形变量以令使透明导电氧化物薄膜之电阻值变化，其中形变量与长度间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间，其中电阻值的变化率范围为0.01％-3％。
根据本发明一或多个实施方式，透明导电氧化物薄膜为一铟锡氧化物薄膜。
根据本发明一或多个实施方式，氧化铟锡薄膜中存在一氧空缺浓度，在制备铟锡氧化物薄膜时更通入一气体，以调控铟锡氧化物薄膜中的氧空缺浓度。
根据本发明一或多个实施方式，通入气体令使铟锡氧化物薄膜的电阻值的变化率上升。
根据本发明一或多个实施方式，气体中具有氧气、氩气以及氢气，且氧气与气体之间的体积比值介于0.1％至10％之间。
根据本发明一或多个实施方式，氧气与所述气体之间的体积比值介于1％至2％之间。
根据本发明一或多个实施方式，铟锡氧化物薄膜的一能带间隙在一压应力作用下增加，以令使铟锡氧化物薄膜之电阻值上升。
根据本发明一或多个实施方式，铟锡氧化物薄膜之一能带间隙在一拉应力作用下减少，以令使铟锡氧化物薄膜之电阻值下降。
根据本发明一或多个实施方式，铟锡氧化物薄膜的电阻值变化率为0.01％-0.07％。
本发明的另一方面是提供一种触控装置，包含一显示面板与一透明盖板，而一触控感测层夹设于显示面板与透明盖板之间。触控感测层包含一透明基板，且上述用于形变感测的透明导电氧化物薄膜位于透明基板上。
附图说明
图1A是铟锡氧化物薄膜在未受外力时的示意图；
图1B是铟锡氧化物薄膜在未受外力时的能带间隙；
图2A是铟锡氧化物薄膜承受压应力时的示意图；
图2B是铟锡氧化物薄膜承受压应力时的能带间隙；
图3A是铟锡氧化物薄膜承受拉应力时的示意图；
图3B是铟锡氧化物薄膜承受拉应力时的能带间隙；
图4A是一种触控装置的立体示意图；
图4B是触控装置中触控感测层的立体示意图。
具体实施方式
以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。
材料在受到应力时会产生电阻变化，其变化可由下式说明：
R＝ρ(L/W)
在此式中，R为电阻值、ρ为电阻系数、L与W则分别为材料的长度与宽度。在受到外力F时，材料将产生形变，而使得其长度L增加或减少，外力与形变之间的关系式如下：
F＝k x△L
在上式中，F为施加的外力、k为材料的弹性系数、而△L为材料的长度变化量。参阅上述两式，在外力F的作用下会产生长度变化量△L，此时材料的长度L改变，连带使得电阻值R产生变化。更具体的说，在压应力或拉应力的作用的作用下会产生正值的形变量，此时材料的长度L增加而其电阻值R上升。藉由上述之电阻值R的变化量，此些材料可用于触控感测层以检测使用者的资料输入讯号。
透明导电氧化物具有前述的性质，而可作为触控感测层中的感应组件。然而，透明导电氧化物通常具有较低的弹性系数k，因此在施加外力F过大下容易永久形变，甚至产生裂纹(crack)而限制了其应用。
据此，本发明提供一种透明导电氧化物薄膜，其系于非常小的形变量下产生电阻值变化，并能防止透明导电氧化物薄膜崩裂而提升产品的良率。具体而言，本发明系提供一种透明导电氧化物薄膜，其具有一长度，并在外力作用下产生一形变量令使透明导电氧化物薄膜之能带间隙(band gap)变化以改变透明导电氧化物薄膜之电阻值，其中此形变量与长度间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间，其中电阻值的范围为0.01％-3％。
在下述的实施例中，以铟锡氧化物(indium tin oxide)薄膜为例来说明本发明之具体实施方式，但需注意的是其它的透明导电氧化物薄膜亦可用于本发明，而不以铟锡氧化物薄膜为限。参阅第1A与1B图，第1A绘示铟锡氧化物薄膜未受外力时的示意图，而第1B图绘示铟锡氧化物薄膜在未受外力时的能带间隙。如第1A图所示，一铟锡氧化物薄膜110设置于一透明基板130上，且其两端分别连接至接点120。在未受外力时，铟锡氧化物薄膜110在两接点120之间具有一长度L1，且此时铟锡氧化物薄膜110的厚度为T1，。操作过程中，铟锡氧化物薄膜110将电阻值变化的讯号传递至接点120，而此些接点120更可连接至一处理器(例如：集成电路)，以计算及/或感测使用者的触控位置及力度大小。继续参阅第1B图，在未受外力时铟锡氧化物薄膜110的价电带(valenceband)112与导电带(conduction band)114相隔一能带间隙Eg1，且一施体能阶(donor level)116位于价电带112与导电带114之间。此需特别说明，铟锡氧化物薄膜110为氧化铟中掺杂锡的n型半导体薄膜，其采用比铟离子(In3+)多一价的锡离子(Sn4+)掺杂入氧化铟中取代铟离子而放出一个自由电子，以提高自由载子浓度并降低电阻。另一方面，铟锡氧化物薄膜110中的氧空缺(oxygenvacancy)系指晶格氧的位置未被填补，使得此键结之两个电子释出形成自由电子，因此氧空缺亦以n型施体(n-type donor)的方式來提高铟锡氧化物薄膜110之导电性。此些自由电子位于施体能阶116，且其易跃升至导电带114而使铟锡氧化物薄膜110具有导电性质。
继续参阅第2A与2B图，第2A绘示铟锡氧化物薄膜承受压应力时的示意图，而第2B图绘示铟锡氧化物薄膜承受压应力时的能带间隙。如第2A图所示，当施加压应力F1时，铟锡氧化物薄膜110产生形变，其厚度自T1减少至T2，且铟锡氧化物薄膜110产生凹陷使得其长度自L1增加自L2。请参阅第2B图以理解铟锡氧化物薄膜110在小形变量下的电阻值变化机制。在压应力F1的作用下铟锡氧化物薄膜110中的晶格排列产生变化，并改变其能带间隙。如第2B图所示，在压应力F1的作用下铟锡氧化物薄膜110的能带间隙自Eg1增加至Eg2，更增加施体能阶116与导电带114之间的能阶距。在此情况下位于施体能阶116的自由电子较难跃升至导电带114，因而使得铟锡氧化物薄膜110的导电率下降，而电阻值上升。以式R＝ρ(L/W)说明，施加压应力F1使得长度L1增加至L2，但铟锡氧化物薄膜110之晶格的变化亦使电阻系数ρ上升，此两项因素共同影响着铟锡氧化物薄膜110之电阻值。再者，本发明系于非常小的形变量下进行电阻值的变化感测，形变量(T1-T2)与长度L2之间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间。在如此小的形变量下，长度变化值(L2-L1)亦非常小，此时铟锡氧化物薄膜110主要系由电阻系数ρ的变化而改变其电阻值，并藉此可观察得在压应力F1的作用下，铟锡氧化物薄膜110之电阻值上升。在本发明之部分实施方式中，当在压应力F1的作用下使产生的形变量(T1-T2)与长度L2之间的比值为3.5×10-4时，铟锡氧化物薄膜110电阻值的变化率为0.01％-0.07％。
接着参阅第3A与3B图，第3A绘示铟锡氧化物薄膜承受拉应力时的示意图，而第3B图绘示铟锡氧化物薄膜承受拉应力时的能带间隙。如第3A图所示，当施加拉应力F2时，铟锡氧化物薄膜110产生形变，其厚度自T1增加至T3，而铟锡氧化物薄膜110的长度同样自L1增加自L3。如前所述，当长度增加时电阻值应会对应上升，但此处却观察到铟锡氧化物薄膜110的电阻值变低。请参阅第3B图以理解铟锡氧化物薄膜110在小形变量下的电阻值变化机制。同样的，在拉应力F2的作用下铟锡氧化物薄膜110中的晶格排列产生变化，并改变其能带间隙。如第3B图所示，在拉应力F2的作用下铟锡氧化物薄膜110的能带间隙自Eg1减少至Eg3，更减少施体能阶116与导电带114之间的能阶距。在此情况下位于施体能阶116的自由电子更容易跃升至导电带114，因而使得铟锡氧化物薄膜110的导电率上升，而电阻值下降。以式R＝ρ(L/W)说明，虽然施加拉应力F2使得长度L1增加至长度L3，但铟锡氧化物薄膜110之晶格的变化亦使电阻系数ρ下降，此两项因素共同影响着铟锡氧化物薄膜110之电阻值。再者，本发明系于非常小的形变量下进行电阻值的变化感测，形变量(T3-T1)与长度L3之间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间。在如此小的形变量下，长度变化值(L3-L1)亦非常小，此时铟锡氧化物薄膜110主要系由电阻系数ρ的变化而改变其电阻值，并藉此可观察得在拉应力F2的作用下，铟锡氧化物薄膜110之电阻值下降。在本发明之部分实施方式中，当在拉应力F2的作用下使产生的形变量(T3-T1)与长度L3之间的比值为3.5×10-4时，铟锡氧化物薄膜110电阻值变化率为0.01％-0.07％。
综前所述，铟锡氧化物薄膜110在拉应力F2的作用下电阻值会变低，而在压应力F1的作用下电阻值会变高。重要的是，拉应力F2与压应力F1造成的形变量与长度之间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间，以防止铟锡氧化物薄膜110产生裂纹或永久形变。具体而言，当铟锡氧化物薄膜110的形变量与长度之间的比值超过5×10-4时，铟锡氧化物薄膜110即会开始出现裂纹而造成产品的良率下降。需注意的是，不同的透明导电氧化物的晶格排列方向亦不同，因此其能带间隙之变化机制亦不同于铟锡氧化物薄膜110。举例来说，其它的透明导电氧化物薄膜可在受压应力F1时能带间隙变小，而电阻值下降。同理，拉应力F2亦可增加其它透明导电氧化物薄膜的能带间隙而使电阻值上升。
此外，亦可于制备铟锡氧化物薄膜110后再通入气体，以调控铟锡氧化物薄膜110中的氧空缺浓度。此气体中含有氧气、氩气以及氢气，其中氧气与气体之间的体积比值介于0.1％至10％之间。当氧气不足时会大量产生氧空缺，并使晶格产生扭曲并产生点缺陷(point defect)阻碍自由电子的传导，而降低导电率并增加了其在外力作用下时的电阻值变化率。此外，当氧气过量时多余的氧气将汇集在晶格边界并造成散射，而减少自由电子的移动率并增加其在外力作用下时的电阻值变化率。在以上两种情况下，铟锡氧化物薄膜110具有较高的电阻值变化率，进而提升施加拉应力F2或压应力F1时的电阻值变化量。在另外实施例中，氧气与气体之间的体积比值优选介于1％至2％，使得铟锡氧化物薄膜在一定的外力作用下，电阻值的变化率达到最大，在部分实施例中，铟锡氧化物薄膜的电阻值变化率为0.01％-0.5％,当铟锡氧化物薄膜的电阻值变化率变大时，形变感测更加灵敏，有利于感测使用者的触碰位置及力度大小
请继续参阅第4A图，第4A图绘示本发明之部分实施方式中，一种触控装置的立体示意图。如第4A图所示，触控装置400包含一显示面板410、一触控感测层420以及一透明盖板430，其中触控感测层420夹设于显示面板410与透明盖板430之间。其中透明盖板430之材质可包含玻璃、蓝宝石及/或其它合适的透明材料，而触控感测层420可包含上述之透明导电氧化物。具体而言，使用者440可透过透明盖板430与触控感测层420观察到显示面板410所显示的图像，并且直观的碰触透明盖板430以进行程序操作与下达指令。
请接着参阅第4B图，第4B图绘示本发明之部分实施方式中，触控感测层的立体示意图。如第4B图所示，触控感测层420包含一透明基板422，以及透明导电氧化物薄膜426位于透明基板上。承前所述，当使用者440碰触透明盖板430的同时也施加一压应力至触控感测层420，此压应力使得透明导电氧化物薄膜426产生形变而造成电阻值的变化。如第4B图的左侧所示，压应力使区域A中的透明导电氧化物426凹陷形变而改变其能带间隙，连带使得透明导电氧化物薄膜426之电阻值改变。透明导电氧化物薄膜426更将此区域A中的电阻变化值传递至接点428，而此接点428连接至一处理器(未绘示)，以计算及/或感测使用者440的触控位置。需注意的是，虽然示例的透明导电氧化物426在透明基板422上具有第4B图所示的图案，但不以此为限，其它合适的图案亦可适用而不影响本发明之精神。在本发明之部分实施方式中，透明基板422之材质包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)或聚碳酸酯(polycarbonate,PC)。
由上述本发明实施例可知，本发明具有下列优点。本发明提供的透明导电氧化物系于非常小的形变量下产生电阻值变化，且此电阻值变化主要系由于透明导电氧化物的能带间隙在形变下产生改变，而使得施体能阶与导电带间的距离增加/减少，进而使自由电子较易/难跃升至导电带，而减少/增加透明导电氧化物的电阻值。再者，以铟锡氧化物为例，可于制备铟锡氧化物薄膜后通入气体，以调控铟锡氧化物薄膜中的氧空缺浓度以增加其电阻值。具有较高电阻值的铟锡氧化物薄膜在施加拉应力或压应力可具有较大的电阻值变化量，其将有利于感测使用者的触碰位置及力度大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其具有一长度，并在一外力作用下产生一形变量以令使所述透明导电氧化物薄膜之一电阻值变化，其中所述形变量与所述长度间的比值介于5×10-5与3.5×10-4之间，其中所述电阻值的变化率范围为0.01％-3％。
2.如权利要求1所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于所述透明导电氧化物薄膜为一铟锡氧化物薄膜。
3.如权利要求2所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于该氧化铟锡薄膜中存在一氧空缺浓度，在制备所述铟锡氧化物薄膜时更通入一气体，以调控所述铟锡氧化物薄膜中的该氧空缺浓度。
4.如权利要求5所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于通入所述气体令使所述铟锡氧化物薄膜之所述电阻值的变化率上升。
5.如权利要求5所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于所述气体中具有氧气、氩气以及氢气，且氧气与所述气体之间的体积比值介于0.1％至10％之间。
6.如权利要求5所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于氧气与所述气体之间的体积比值介于1％至2％之间。
7.如权利要求2所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于所述铟锡氧化物薄膜之一能带间隙在一压应力作用下增加，以使所述铟锡氧化物薄膜之所述电阻值上升。
8.如权利要求2所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于所述铟锡氧化物薄膜之一能带间隙在一拉应力作用下减少，以使所述铟锡氧化物薄膜之所述电阻值下降。
9.如权利要求2所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜，其特征在于所述铟锡氧化物薄膜的电阻值变化率为0.01％-0.5％。
10.一种触控装置，包含：
一显示面板与一透明盖板；以及
一触控感测层夹设于所述显示面板与所述透明盖板之间，所述触控感测层包含：
一透明基板；以及
如权利要求1-8任一项所述的用于形变感测的透明导电氧化物薄膜位于所述透明基板上。
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