TWI593943B - 可調變的感測元件 - Google Patents

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Description

可調變的感測元件
本發明是有關於一種感測元件，特別是指一種可調變的感測元件。
目前許多感測元件主要可透過外力產生的機械物理量，將其機械訊號轉換成可量測的訊號，從而得知與外力的作用關係，例如：觸覺感測元件(tactile-sensor)或三軸加速度計(triaxial accelerometer)均已普遍應用於例如機器人、遊戲娛樂，及生醫等領域中。
以觸覺感測元件來說，其常見的量測訊號可分為量測壓阻、壓電、電容，或光學訊號的感測技術。以電容感測技術為例，電容式觸覺感測元件的結構通常是於兩金屬平板中設置介電材料作為調變體，而利用兩金屬平板距離與電容值成反比的物理特性，使兩金屬平板的間距因受外力按壓變短時而電容值增大，從而感測外力的大小。
現有的電容式觸覺感測元件常使用例如聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)高分子介電材料作為調變體的構成材料。然而，以前述方式進行時，因介電材已具有固定的特性，使得電容式觸覺感測元件具有固定的感測範圍。而若要使前述電容式觸覺感測元件具有不同的感測範圍，常見的作法是改變聚二甲基矽氧烷(PDMS)中的固化劑比例，利用二甲基矽氧烷的交聯度控制，讓調變體具有不同的硬度，進而改變調變體的感測範圍。也就是說，現有的該觸覺感測元件若要改變其感測範圍時，僅能藉由更換調變體而製作成新的電容式觸覺感測元件，導致使用現有的該觸覺感測元件的靈活度降低，且可感測的範圍也受限。
因此，本發明之目的，即在提供一種可調變感測範圍的感測元件。
於是，本發明可調變的感測元件，包含一基板、一介電體、一調變體，及一電極單元。
該介電體包括一形成於該基板上的介電底部、一由該介電底部的周緣朝遠離該基板方向延伸的介電側部，及一連接該介電側部而與該介電底部相間隔的介電頂部，該介電底部、該介電側部，及該介電頂部共同界定出一容置空間。
該調變體填置於該容置空間，於受到一電場及一磁場之其中一者作用時，能改變剛性。
該電極單元包括一設置於該介電底部的第一電極層，及一對應該第一電極層設置於該介電頂部的第二電極層，該第一電極層與該第二電極層不與該調變體接觸。
於該電極單元施加該電場及該磁場之其中一者，並對該介電體施加一外力時，該調變體會因為剛性的不同，對該外力產生不同的形變。
本發明之功效在於：於該介電體的容置空間中填置能受電場或磁場作用而改變剛性的該調變體，當該介電體受該外力時，該調變體會因為剛性的不同，對該外力產生不同形變，從而能提高該可調變的感測元件的感測範圍。
1‧‧‧可調變的感測元件
2‧‧‧基板
3‧‧‧介電體
41‧‧‧絕緣流液
42‧‧‧顆粒
5‧‧‧電極單元
31‧‧‧介電底部
32‧‧‧介電側部
33‧‧‧介電頂部
331‧‧‧凹槽
34‧‧‧穿孔
35‧‧‧容置空間
36‧‧‧封裝層
4‧‧‧調變體
51‧‧‧第一電極層
52‧‧‧第二電極層
6‧‧‧三軸加速度計
61‧‧‧彈簧
62‧‧‧感測質量塊
F‧‧‧外力
Fr‧‧‧阻力
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一局部剖面示意圖，說明本發明可調變的感測元件的一實施例；圖2是一局部剖面示意圖，說明對該實施例施加一外力的狀態； 圖3是一局部分剖面示意圖，說明對該實施例施加該外力及一電場的狀態；圖4是一電容值對外力的關係圖，說明該實施例於施加該電場時，該外力與電容值的相對關係；及圖5是一局部剖面示意圖，說明本發明可調變的感測元件應用於一三軸加速度計。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明可調變的感測元件的一實施例，包含一由半導體材料所構成的基板2、一設置於該基板2上且由介電質材料所構成的介電體3、一填置於該介電體3內的調變體4，及一形成於該介電體3內而不與該調變體4接觸的電極單元5。
具體地說，該介電體3包括一形成於該基板2上的介電底部31、一由該介電底部31的周緣朝遠離該基板2方向延伸的介電側部32、一連接該介電側部32而與該介電底部31相間隔的介電頂部33、二貫穿該介電頂部33的穿孔34，及一設置於該介電頂部33且封閉該等穿孔34的封裝層36，而該介電底部31、該介電側部32，及該介電頂部33共同界定出一容置空間35。
該調變體4設置於該容置空間35，具有一絕緣流液41，及多個分散於該絕緣流液41中的顆粒42。詳細的說，當該調變體4是經由該等穿孔34填於該容置空間35，之後便藉由該封裝層36封閉開等穿孔34，將該調變體4封置於該容置空間35。要說明的是，該等穿孔34的設置也可以是僅為單一個設置於該介電體3其它處的小穿孔，甚至可讓該介電體3不具有該介電頂部33，而讓該調變體4直接位於該容置空間35中，再由該封裝層36直接封裝即可，也就是說，該等穿孔34的位置、結構或設置的有無均不影響整體可調變的感測元件的特性，只要讓該調變體4能填入該容置空間35中即可。
該電極單元5包括一設置於該介電底部31的第一電極層51，及一對應該第一電極層51設置於該介電頂部33的第二電極層52，且該第一電極層51與該第二電極層52不與該調變體4接觸。
要說明的是，該第一電極層51與該第二電極層52的設置並無特別限制，只要分別位於該調變體4的相對兩側即可。較佳地，於本實施例中，該第一電極層51包覆於該介電底部31中，而該介電頂部33具有一位於該等穿孔34之間的凹槽331，該第二電極層52即設置於該凹槽331中，而該封裝層36設置於該介電頂部33而封閉該等穿孔34的同時，亦覆蓋該第二電極層52。
該基板2與該介電體3的材料選用並無特別限制，該介電體3可選用二氧化矽(silicon dioxide，SiO2)、氮化矽(silicon nitride，Si3N4)，或聚二甲基矽氧烷(PDMS)等介電材料，本發明該實施例之該基板2是由矽所構成，而該介電體3則是選用二氧化矽材料所構成。此外，適用於本發明該實施例之該調變體4的材料則可選用如電流變液(electrorheological fluid，ER-fluid)或磁流變液(magnetorheological fluid，MR-fluid)等智能流體(smart fluids)材料，只要透過電場或磁場而改變剛性的材料即可；該封裝層36則可選用聚一氯對二甲苯(parylene-C)、聚醯亞胺(polyimide)、二氧化矽、聚二甲基矽氧烷，或金屬等材料。於本實施例中，該調變體4是使用電流變液(ER-fluid)，而該封裝層36是使用聚一氯對二甲苯為例作說明。要說明的是，該調變體4的絕緣流液41主要是使用如矽油或礦物油等抗腐蝕性佳、穩定高，及非電性與非磁性的絕緣液體，而當該調變體4的材料是由電流變液所構成時，該等顆粒42是使用如二氧化矽可被電場極化的介電顆粒；若當該調變體4的材料是由磁流變液所構成時，該等顆粒42則是使用如鐵粉等而可被磁場極化的磁性顆粒。
本發明是透過微機電製程製作該可調變的感測元件，主要是經由蝕刻、穿孔等技術形成該介電體3與該電極單元5，再於該容置空間35中填入該調變體4，最後藉由該封裝層36進行封裝。由於該感測元件的細部製作方法為所屬技術領域者所周知，且非為本發明之技術重點，因此不再多加贅述。
參閱圖2，本發明可調變的感測元件可應用於如機器人、攜帶裝置、觸碰螢幕，或生醫技術等領域，而當該可調變的感測元件應用於一裝置(圖未示)中時，是將該介電頂部33朝一可供一外力F按壓的方向設置。因此，於應用時，當該第二電極層52與該介電頂部33受該外力F按壓，會擠壓該調變體4而產生形變，此時，透過量測該電極單元5的該第一電極層51與該第二電極層52之間的訊號改變，而能得到一隨該外力F的大小而改變的第一訊號範圍。
詳細地說，於該實施例中，該第一電極層51與該第二電極層52夾置著該調變體4而可視為一電容，因此，當該調變體4受該外力F擠壓而產生形變時，該第一電極層51與該第二電極層52的間距亦隨之改變，從而可藉由量測第一電極層51與該第二電極層52之間的一電容值，也就是說，該第一訊號範圍即為隨該外力F大小而改變的電容訊號。要說明的是，量測該可調變的感測元件之訊號的方式並不限於此，也可藉由例如壓阻感測，或光訊號等其他感測機制進行量測，本實施例是以量測電容訊號為例作說明，此量測機制為所屬技術領域者所周知，且非為本發明之技術重點，因此不再多加贅述。
由電容原理可知，當兩金屬板(即該第一電極層51與該第二電極層52)之間的距離越小時，其電容值越大。也就是說，當該外力F越大時，該調變體4的形變量越大，使該第二電極層52越 靠近該第一電極層51而縮小其之間的距離，而具有越大的電容值。但要說明的是，該可調變的感測元件所能量測到的電容值範圍(即，感測範圍)是取決於該調變體4的材料特性。當該調變體4的材料或狀態未做任何改變時，其感測範圍亦為固定範圍，也就是說，當該外力F大至超過一定值，該調變體4已無法再形變，即無法再偵測電容值的改變量。因此，如先前技術所述，現有的感測元件若要提升感測範圍時，是須置換整個調變體。
參閱圖3，由於本發明該調變體4是由電流變液(ER-fluid)所構成，因此，若欲改變該可調變的感測元件的感測範圍時，僅須於該第一電極層51與該第二電極層52之間施加一電場，使該調變體4中的該等顆粒42受極化而沿該電場方向位移而改變其剛性，而能於施加該外力F時，於該電極單元5間量測得到一訊號範圍不同於該第一訊號範圍的第二訊號範圍，而無須置換整個調變體4即能改變感測範圍。
詳細地說，當分別於該第一電極層51與該第二電極層52施加負、正電荷時，該調變體4的該等顆粒42會受到極化，產生一由該第一電極層51往該第二電極層52方向抵抗該外力F(形變)的阻力Fr；由此可知，經施加電場的該調變體4因存在該阻力Fr改變了本身的剛性，而能承受更大的該外力F，所以該外力F持續增大時，亦能量測出電容值的變化，從而可改變或增加該可調變的感測 元件的感測範圍。要說明的是，當該調變體4是由磁流變液(MR-fluid)所構成時，則僅須對該調變體4施加磁場，亦能改變整體的感測範圍。
參閱圖4，圖4是對該可調變的感測元件分別不施加電場與施加電場(1V及10V)並同時施加不同的外力F時的電容值變化結果。由圖4的量測結果可得知，在不加電場或施加較小的電場(1V)時，隨著該外力F增加至大於50mN時，其電容值已飽和而不會再產生變化，也就是說，其所能感測到的感測範圍約在該外力F施加50mN以下，然而，當施加的電場增大至10V時，該外力F增加至約90mN才使其電容值趨近飽和，明顯的改變了感測範圍。因此，本發明該可調變的感測元件之該調變體4使用電流變液(ER-fluid)僅須透過施加電場即能改變感測範圍而增加其應用價值。
參閱圖5，圖5是將本發明可調變的感測元件1應用於一三軸加速度計6的示意圖，可藉由將該可調變的感測元件1直接作為三軸加速度計6的一彈簧61，而連接該三軸加速度計6的一感測質量塊62。也就是說，當三軸加速度計6應用於裝置中而進行動態操作時，該感測質量塊62產生的位移量可藉由該彈簧61的剛性進行調整。由此可知，該彈簧61使用本發明該可調變的感測元件1時，可透過對彈簧61施加電場從而改變彈簧61的剛性，而進一步改變該三軸加速度計6的感測範圍。
此處值得一提的是，本發明該可調變感測元件1除了可作為觸覺感測元件與應用在三軸加速度計中之外，還可應用於其它微機電元件，只要是藉由調整元件剛性，而能進一步的改變微機電元件整體的感測範圍均可使用本發明該可調變感測元件1。
綜上所述，本發明可調變的感測元件，使用電流變液(ER-fluid)材料作為該調變體4，而於該電極單元5間施加電場，使該調變體4中的該等顆粒42極化而沿該電場方向位移，以產生該阻力Fr而改變了該調變體4的剛性，從而能承受更大的該外力F並提高了該可調變的感測元件的感測範圍，且當該調變體4是由磁流變液(MR-fluid)材料所構成時，則於該電極單元5施加磁場，亦能達到改變感測範圍的效果，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧基板
3‧‧‧介電體
31‧‧‧介電底部
32‧‧‧介電側部
33‧‧‧介電頂部
34‧‧‧穿孔
35‧‧‧容置空間
36‧‧‧封裝層
4‧‧‧調變體
41‧‧‧絕緣流液
42‧‧‧顆粒
5‧‧‧電極單元
51‧‧‧第一電極層
52‧‧‧第二電極層
F‧‧‧外力
Fr‧‧‧阻力

Claims (8)

  1. 一種可調變的感測元件，包含：一基板；一介電體，包括一形成於該基板上的介電底部、一由該介電底部的周緣朝遠離該基板方向延伸的介電側部，及一連接該介電側部而與該介電底部相間隔的介電頂部，該介電底部、該介電側部，及該介電頂部共同界定出一容置空間；一調變體，設置於該容置空間，於受到一電場及一磁場之其中一者作用時，能改變剛性；及一電極單元，包括一設置於該介電底部的第一電極層，及一對應該第一電極層設置於該介電頂部的第二電極層，該第一電極層與該第二電極層不與該調變體接觸；其中，於該電極單元施加該電場及該磁場之其中一者，並對該介電體施加一外力時，該調變體會因為剛性的不同，對該外力產生不同的形變。
  2. 如請求項1所述的可調變的感測元件，其中，該調變體包括一填置於該容置空間中的絕緣流液，及多個分散於該絕緣流液中的顆粒。
  3. 如請求項2所述的可調變的感測元件，其中，該調變體的該等顆粒為介電顆粒，於該電極單元施加該電場時，能使該等顆粒極化而沿該電場方向位移並產生一抵抗該外力的阻力。
  4. 如請求項2所述的可調變的感測元件，其中，該調變體的該等顆粒為磁性顆粒，於該電極單元施加該磁場時，能使該等顆粒磁化而沿該磁場方向位移並產生一抵抗該外力的阻力。
  5. 如請求項1所述的可調變的感測元件，其中，施加該外力時，於該電極單元量測得到一隨該外力的大小而改變的第一訊號範圍，施加該外力且同時施加該電場或該磁場時，於該電極單元量測得到一訊號範圍大於該第一訊號範圍的第二訊號範圍。
  6. 如請求項1所述的可調變的感測元件，其中，該介電體還包括二貫穿該介電頂部的穿孔，及一設置於該介電頂部且封閉該等穿孔的封裝層。
  7. 如請求項6所述的可調變的感測元件，其中，該介電頂部具有一位於該等穿孔之間的凹槽，該第二電極層設置於該凹槽中，該封裝層與該第二電極層相接觸並覆蓋該第二電極層。
  8. 如請求項6所述的可調變的感測元件，其中，該封裝層是由一選自下列構成之群組的材料所製成：聚一氯對二甲苯、二氧化矽、氮化矽、聚醯亞胺，及金屬材料。
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