12767 893twfd〇c^ 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於-種電容式壓力感測技術，且特別是 有關於-種電容式壓力感測器，增加電容變化量的靈敏 度，進而達到壓力感測的靈敏度。 【先前技術】 電容式壓力感測器有可接受的靈敏度、低消耗功率、 長時間的穩定度、以及良好溫度特性等特點。因此電容式 壓力感測已普遍應用在許多不同的領域，包括工業、醫 療、生化···料。目前，大部分的電容式壓力感測器仍是 以石夕微加工技術(Silicon Micromachining Technology)的方 式製作。但是矽基材本身的材料特性以及結構因素，其電 谷變化量一般都很小，因此傳統的矽材質電容式壓力感測 器的靈敏度在一些應用上仍有不足的缺點。 因此’電谷式I力感測裔的製造業者，仍繼續研發具 有較高靈敏度的電容式壓力感測器。 【發明内容】 本發明的目的之一就是在提供一種電容式壓力感測 器，也可以使用導電的高分子材料做為電容基材，容易製 作出使具有高靈敏的電容變化量，以有效增加壓力感測的 靈敏度。 本發明提出/種電容式壓力感測器，包括一基板。 又，一第一電極層設置於該基板之上。一第一導電結構， 位於該第一電極層的一表面。一絕緣彈性支撐結構，設置 6 127678©3twfd〇c/g 於該第一電極層上。一第二電極層，設置於該彈性支撐結 構上，使該第二電極層位於該第一電極層上方。一第二導 電結構，位於第二電極層的一表面，其中該第二導電結構 與第一導電結構是相互共形結構。當該第二電極層受一外 部壓力時，促使該彈性支撐結構收縮時，藉由該第一電極 層與該第一導電結構和該第二電極層與該第二導電結構之 間的重疊，以改變一電容值。 本發明電容式壓力感測器，可以使用導電的南分子材 料做為電容基材。 依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 該第一電極層與該第一導電結構是單一結構體或是分開結 構體。 依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 該第二電極層與該第二導電結構是單一結構體或是分開結 構體。 依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 更包括一防止短路結構，設置於該第一電極層與該第二電 極層之間，以防止當該第二電極層受該外部壓力時，該第 一電極層與該第二電極層之間的電性短路。 依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中、， 該防止短路結構是一絕緣體，設置在該第一導電結構與該 第二導電結構的至少其一的頂端，以防止該二電極層短路。 依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 該防止短路結構是一絕緣凸體設置於該二電極層之至少其 7 127678,twfd〇c/g
一，以限制該絕緣彈性支撐結構的壓縮程度。 依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 該防止短路結構是在該二電極層之至少其一的表面上，設 置一絕緣層，其中該絕緣層更可以做為產生該電容值的一 介電材料的一部分。 上一依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 该第一導電結構與第二導電結構之其一為凸出結構，另其 一為共形的凹陷結構。 二一依據本發明一實施例，在前述電容式壓力感測器中， 邊一凸出結構之—例如是由多個凸出單體，分佈成一陣列 所構成。 依據本發明一實施例，在前述電 该二凸出結構之一例如是柱狀、錐狀 或是半球狀。 容式壓力感測器中， 、直條狀、彎曲條狀、 依據本發明一實施例 你則处電容式壓力感測器中
该基板與該第二電極層為近似剛性％ ^ _ ’钱“容式壓力感測器寸 忒基板為近似剛性體，該第二電極層為軟性俨。 本發二因採用相互共形的第1電結“ 、、，。構，配合多個凸出物與凹陷結構的耦合 …的變化量。也因此，電容式壓力感 ；二的較高靈敏度。 以達到壓力I 易懂 為讓本發明之上述和其他 ，下文特舉較佳實施例， 目的特徵和優點能更明顯 亚配合所附圖式，作詳細說 12767§93twfdoc/g 明如下。 【實施方式】
、树明提出-種電容式壓力感測器，其電容結構可以 達到南電容值變化量叫&。又，電容式壓力相器的結 構’適於使用高分子材料做為電容基材，射輔助^ f 技術(Laser-assisted Direct Imprinting，LADI)S作出具^ 面電容值的結構，使具有高靈㈣電容變化量，以有效增 加壓力感測的靈敏度。以下舉一些實施例，做為本發明^ 描述，但不是用來限制本發明。 X 圖1繪不依據本發明一實施例，當電容式壓力感測器 在未受外部壓力時，其結構剖面示意圖。參閱圖丨，電容 式壓力感測器的結構包括一基板1〇〇。又，一電極層1〇2 設置於基板1〇〇之上。一導電結構104設置於電極層1〇2 的一表面。一絕緣彈性支撐結構106，設置於電極層1〇2 上。另一電極層108設置於彈性支撐結構106上。如此， 電極層108是位於電極層1〇2的上方。另一導電結構11〇 位於電極層108的一表面。導電結構1〇4與導電結構11〇 是實質上相互共形的結構。電容式壓力感測器的細部結 構，以及製造方法的一些實施例，會進一步描述於後。又， 在基板100上會有一些所需要的電路，雖然沒有描述，但 是應為一般熟此技藝者可瞭解。 圖2繪示依據本發明一實施例，當電容式壓力感測器 受外部壓力時，其結構剖面示意圖。參閱圖2，當電極層 108承受一外部壓力時，促使由絕緣材料，例如絕緣高分 12767 8933twfd〇c/g 子材料’所製作的彈性支撐結構1〇6收縮，於是電極層1〇8 往電極層102移動。此時，由電極層102與導電結^ 1〇4 所構成的導電結構體，和由電極層108與導電結構110所 構成的導電結構體會有重疊的部份。依重疊的部份的大 小，就可以改變電容值。然而，藉由導電結構104與導電 結構110的設置，使電容的有效面積的大量增加，因此2 增加電容值，也同時增加電容值變化量的靈敏度。 另外’當外部壓力太大時，會使彈性支撐結構106過 度收縮，導致電極層102與電極層108之間的短路。為^ 防止短路的發生，可以增加設置一防止短路結構，其簡單 的結構例如可以是一絕緣凸體112,設置於導電結構1〇4 與導電結構110之其一或是二者。圖2是將絕緣凸體112 設置於導電結構104為例。但是，圖2僅是防止短^結構 的其中一例。其他（未示於圖2)，例如也可以將絕緣凸體 112設置在電極層102與電極層108之其一或二者之上収 又或是，絕緣凸體112有可以是一絕緣層，其也可以做為 電谷介電材料的一部分。換句或說，任何可以防止 二 適當結構皆可以設置。 、 又’彈性支撐結構106可以使用高分子材料所製成， 但也不是唯一的選擇，也可以使用其他材料的彈性ς質。’ 如果使用金屬彈性體，則可以兩端增設絕緣的結構。二就 是說，彈性支撐結構106依實際的設計的考量，可以有= 同變化’例如其數量與支撐位置都可以適當變化。不 關於導電結構104與導電結構108的設計，電極層 12767S^3twfA〇c/^ 電結構104可以是單—結構體，例如利用ladi 亍衣^另外也可以是分開的結構體。相同地，電極層 導電結構110可以是單一結構體，例如利用ladi 显付‘作另外也可以是分開的結構體。這只是製作上差 ^而、、°構之間的相互關係特仍是一樣。以下更舉一些實 施例作說明，但不是用來限制本發明。、 對於圖2中的導電結構104與導電結構110，可以是 半面四方形的柱體。才主體的側壁互相可共形(conformal)相 鄉以構成黾谷結構。另外，導電結構丨〇4與導電結構 有可以疋一者為凸出結構，另一者為具有凹陷結構，與凸 出結構共形，以達成電容結構。電容介電物質，可以是空 氣。如果需要，可以在導電結構1〇4與導電結構11()再塗 佈一層絕緣層，除了可以做為前述防止二電極層1〇2、1〇8 的短路以外，也可以做為電容介電物質，以增加電容值。 以下更具體舉一實施例作為說明之用。圖3繪示導電 結構與導電層之間的一結構透視示意圖。參閱圖3，於此 實施例，導電結構104例如是由多個圓柱狀單體所構成。 這些圓柱狀單體分佈於電極層102上，較佳的是均勻分 布，更可以例如是規則的陣列。圖3僅繪出一部分做為說 明之用。又，圓柱狀也是適用的結構中的其中一例。其、它 可以了解的結構，例如是不同戴面的柱狀、錐狀、直條狀、 彎曲條狀、或是半球狀等等，皆可以做為設計變化的使用， 這些也不是准/的選擇。 圖4繪示導電結構與導電層之間的另一結構透視示意 12767893^°^ 圖。對應圖3的導電結構1〇4，在電極層1〇8上的導電結 構110，則是具有凹陷結構114。凹陷結構丨η的側壁 電結構104的側壁構成電容的一部分。又，導電結構 的頂面與電極層1 〇2也構成電容的一部分。類似地，導兩 結構104的頂面與電極層1〇8也構成電容的另一部分’。二 本上而言，由導電結構104與電極層1〇2所構成的結構二 形與導電結構11〇與電極層108所構成的結構外形，實質 上是共形的，因此有效構成電容。又，藉由導電結構^二 許多側壁，產生更多電容面積，使電容值加大。又，導電 結構104的側壁長度愈大，則可以有較大的壓力感測範 圍。如此，在電容值被有效增加的情形下，當電極層1〇8 受外部壓力而下移時，會產生更多的電容值變化量，也就 提昇壓力感測器的靈敏度。 又，對於電極層108而言，較佳地是具有剛體特性的 材質，其除了可以是金屬物質外，也可以是具有剛性的導 電高分子材料。剛性的電極層108，對於外部壓力可以有 較均勻受力’使壓力與電極層108的位移量成較佳的比例。 圖5繪示軟性電極層1〇8所造成的現象。參閱圖5， 當外部壓力施加於軟性的電極層108，其中間部位會下凹 成最小距離d2，而其他地方會有（U、d3不等距離的分佈、， 而邊緣由於不受力，為維持原距離d。因此，電容變化量 與壓力沒有明確的比例關係，較難反應出壓力的大小。反 之，圖6繪示剛性電極層1〇8所造成的現象。參閱圖6， 由於導電層1〇8剛性，當導電層108受壓力時，仍實質上 (s： 12 12767893twfd〇c/g 有同的位移，因此，在每一個地方有較均相等的距離d4。 因此’壓力的大小可以由電容值的大小轉換得知。 又’如果電極層102或電極層108是高分子材料時， 可以利用LADI技術製作，使電極層1〇2與導電結構1〇4 可以疋正體的單一結構體。相同地，電極層1Q8與導電結 構丄10可以是整體的單一結構體。圖7A〜7E繪示依據本發 明貫施例的製造流程，剖面示意圖。對於要在高分子材料 运7〇〇上製作凸狀的導電結構而言，例如想要在電極層1〇2 上=作凸狀結構1〇4,則先設計好一石英模板7〇2，其凹陷 =部分就是預計的凸狀結構。於圖7A，將石英模板7〇2 壓置放在高分子材料層7〇〇上的預定位置。於圖7β，例如 f用雷射加熱704，以將高分子材料層700的上部轉化成 :近似融態層。接著於圖7C，將石英模板702壓入近似融 =。於圖7D’進行冷卻固化。於圖7E，將石英模板7〇2 =高分子材料700移開。於是，高分子材料7〇〇上形成預 =的凸狀結構。這個流程是傳統的熱壓成形的流程，可以 間化製作流程。 另外，要製作圖4的凹陷結構114，可以用相同方犬 同時製作完成。 綜上所述，在本發明之電容式壓力感測器，藉由彈性 ，結構1〇6,配合具有多個凹凸共形的結構以產生大的 電容值，在使用上容易且具有高的靈敏度。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 又疋本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 13 1276789^doc/g 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1繪示依據本發明一實施例，當電容式壓力感測器 在未受外部壓力時，其結構剖面示意圖。 圖2繪示依據本發明一實施例，當電容式壓力感測器 受外部壓力時，其結構剖面示意圖。 圖3繪示導電結構與導電層之間的一結構透視示意 圖。 圖4繪示導電結構與導電層之間的另一結構透視示意 圖。 圖5繪示軟性電極層108所造成的現象。 圖6繪示剛性電極層108所造成的現象。 圖7A〜7E繪示依據本發明實施例的製造流程，剖面示 意圖。 【主要元件符號說明】 100 : 基板 102 第一電極層 104 第一導電結構 106 絕緣彈性支撐結構 108 第二電極層 110 第二導電結構 112 防止短路結構 114 :凹陷結構 1276789331^0^ 700 ：高分子材料層 702 :石英模板 704 : 雷射加熱