TWI779013B - 層狀感測裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種感測裝置包含：第一複數個層，具有一頂部層、一底部層、及至少一個中間層，該至少一個中間層具有一電導體層，該頂部層、該底部層、及該至少一個中間層其中之每一者被設置成直接接觸各自之一相鄰層。第二該等層被設置成直接接觸該第一該等層，俾使該第二該等層中之該底部層被設置成直接接觸該第一該等層中之該頂部層。該第一該等層及該第二該等層在不存在一外部電流產生器件之情況下且因應於被變形而產生一壓電電壓，並且因應於被變形而產生一電容變化。

Description

層狀感測裝置及其製造方法
本發明大體而言係關於一種感測裝置，具體而言係關於一種層狀感測器，且更具體而言係關於一種層狀發泡體感測器（layered foam sensor）。
軟的柔性感測器在愈來愈多之應用（例如，此處僅舉幾例：物聯網（internet of things；IoT）器件、可佩戴物件（例如頭盔）、服裝、及醫療器件）中係為有用的。現有的可適形感測器（conformable sensor）包含封裝式陶瓷及聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride；PVDF）系材料。在美國專利第7,301,351號中闡述了一種實例性撓性電容感測器。在美國專利第8,984,954號中闡述了一種產生壓電回應且在應變計量測應用中有用之實例性彈性體複合材料。在美國專利第9,178,446號中闡述了一種實例性摩擦起電產生器（triboelectric generator）。儘管現有的材料及由此等材料製成之感測器可適用於其預期用途，然而一種以線性感測特性（linear sensing characteristics）提供雙重感測之軟的柔性感測器將會使與軟的柔性感測器有關之技術進步。
提供此背景資訊係為了揭示申請人認為可能與本發明有關之資訊。此未必旨在、亦不應解釋成：前述資訊中之任一者相對於本發明構成先前技術。
在一實施例中，一種感測裝置包含：第一複數個層，具有一頂部層、一底部層、及至少一個中間層，該至少一個中間層具有一電導體層，該頂部層、該底部層、及該至少一個中間層其中之每一者被設置成直接接觸各自之一相鄰層。第二該等層被設置成直接接觸該第一該等層，俾使該第二該等層中之該底部層被設置成直接接觸該第一該等層中之該頂部層。該第一該等層及該第二該等層在不存在一外部電流產生器件之情況下且因應於被變形而產生一壓電電壓（piezoelectric voltage），並且該第一該等層及該第二該等層因應於被變形而產生一電容變化。
在一實施例中，一種製造前述感測裝置之方法包含：在包含一彈性體B層之一塗佈有金屬之基板之頂上施加一彈性體發泡體A層，以形成一層狀構造，其中該塗佈有金屬之基板之塗佈有金屬之部分設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層之間，該彈性體發泡體A層具有關於一摩擦起電系之一第一等級，該彈性體B層具有關於一摩擦起電系之一第二等級；在該層狀構造之頂上施加一第二該塗佈有金屬之基板並在該第二該塗佈有金屬之基板之該塗佈有金屬之部分之頂上施加一第二該彈性體發泡體A層，以形成複數個該層狀構造；以及使該等該層狀構造固化。
在一實施例中，另一種製造前述感測裝置之方法包含：在包含一彈性體B層之一塗佈有金屬之基板之頂上施加一彈性體發泡體A層，以形成一層狀構造，其中該塗佈有金屬之基板之塗佈有金屬之部分設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層之間，該彈性體發泡體A層具有關於一摩擦起電系之一第一等級，該彈性體B層具有關於一摩擦起電系之一第二等級；使該層狀構造固化，以形成一已固化層狀構造並提供一第一該已固化層狀構造；以及在該第一該已固化層狀構造之頂上附著一第二該已固化層狀構造，該第一該已固化層狀構造及該第二該已固化層狀構造具有複數個次序相同之層。
結合附圖閱讀以下對本發明之詳細說明，會易於明瞭本發明之以上特徵及優點以及其他特徵及優點。
雖然以下詳細說明出於例示目的而含有諸多細節，然而此項技術中任何具有通常知識者應瞭解，在申請專利範圍之範圍內存在對以下細節之諸多變化及變更。因此，以下實例性實施例係在不失一般性且不對所主張發明強加限制之條件下予以陳述。
藉由各圖及隨附文字所示及所述之一實施例提供一種具有以下二種感測模式之層狀發泡體感測裝置：一壓電感測模式（piezoelectric mode of sensing）及一電容感測模式（capacitive mode of sensing）。壓電感測模式（亦即，壓電感測器）係藉由相鄰之一金屬層與一彈性體層間之摩擦起電效應（triboelectric effect）來達成，且電容感測模式（亦即，電容感測器）係藉由利用該壓電感測器之相同金屬層及彈性體層的一平行板電容器來達成。儘管本文所述及所示之實施例繪示某一數目之層狀構造來作為一實例性層狀發泡體感測裝置，然而應瞭解，所揭露發明並不受此限制且涵蓋適用於本文所揭露用途之任何數目之層狀構造。
第1圖繪示一層狀構造100之一實施例，層狀構造100具有複數個層，例如一頂部層102、一底部層104、及至少一個中間層106。在第1圖所示實施例中，該至少一個中間層106中之一層係為一電導體層。頂部層102、底部層104、及電導體層106其中之每一者被設置成直接緊密接觸各自之一相鄰層。本文所使用之片語「直接緊密接觸（in direct intimate contact）」意指在相應介面處以某種程度之實體接合進行直接實體接觸，俾使所得構造能夠以本文所述之一方式運轉。
第2圖繪示四個第1圖所示層狀構造100，該四個層狀構造100在本文中由參考編號100.1、100.2、100.3、及100.4表示且由參考編號101籠統地指代，其中各該層狀構造100.1、100.2、100.3、100.4中之層102、106及104（自上而下依序地）之次序及排列與在第1圖所示層狀構造100中相同。亦即，一第二層狀構造100.2被設置成直接緊密接觸一第一層狀構造100.1，俾使第二層狀構造100.2之底部層104.2被設置成直接緊密接觸第一層狀構造100.1之頂部層102.1。相對於第二層狀構造100.2為第三層狀構造100.3重複相同次序及排列之層102、106及104，且相對於第三層狀構造100.3為第四層狀構造100.4重複相同次序及排列之層102、106及104。儘管第1圖所示層狀構造100之數目係為一個且在第2圖中係為四個，然而應瞭解，本發明之範圍不受此限制且涵蓋適用於本文所揭露用途之任何數目之層狀構造。亦即，第2圖所示之該等層狀構造101表示以本文所揭露之一方式排列之二個、三個、四個、或更多個層狀構造100。
在第1圖及第2圖所示之實施例中，一給定層狀構造100之頂部層102係為關於一摩擦起電系具有一第一等級之一第一彈性體發泡體層，且給定層狀構造100之底部層104係為關於一摩擦起電系具有一第二等級之一第二彈性體層。藉由利用夾置一中間電導體層106之彈性體層102、104且藉由利用如第2圖所示彼此上下有序排列之至少二個層狀構造100.1、100.2，該二個層狀構造在不存在一外部電流產生器件之情況下且因應於以下文中所述之一方式被變形而產生一壓電電壓。在一實施例中，第一彈性體層102及第二彈性體層104當如本文所揭露相鄰於一適合之金屬而分層堆放時具有足以產生適用於本文所揭露用途之摩擦起電效應之一摩擦起電系等級。
在第1圖及第2圖所示之實施例中，底部層104及中間層106可係以一單側塗佈有金屬之基板之形式而提供，其中基板係為一彈性體且在一實施例中係為聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate；PET）。在此項技術中，呈組合形式之底部層104及中間層106被稱為一單側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯膜。
現在參照第3圖及第4圖，其繪示分別與第1圖及第2圖所示者類似但具有一差異之實施例，現在將對此差異進行說明。
第3圖繪示一層狀構造200之另一實施例，層狀構造200具有複數個層，例如一頂部層202、一底部層204、及至少一個中間層206。在第3圖所示實施例中，頂部層202係為關於一摩擦起電系具有一第一等級之一第一彈性體發泡體層，至少一個中間層206包含一第一電導體層207及關於一摩擦起電系具有一第二等級之一第二彈性體層208，且底部層204係為一第二電導體層。頂部第一彈性體發泡體層202、第一電導體層207、及第二彈性體層208、及底部第二電導體層204其中之每一者被設置成直接緊密接觸各自之一相鄰層。如圖所示，頂部第一彈性體發泡體層202及第一電導體層207被設置成彼此直接緊密接觸，第二彈性體層208被設置成在與頂部第一彈性體發泡體層202相對之一側上直接緊密接觸第一電導體層207，且底部第二電導體層204被設置成在與第一電導體層207相對之一側上直接緊密接觸第二彈性體層208。在一實施例中，第一彈性體層202及第二彈性體層208當如本文所揭露相鄰於一適合之金屬而分層堆放時具有足以產生適用於本文所揭露用途之摩擦起電效應之一摩擦起電系等級。
第4圖繪示四個第3圖所示層狀構造200，該四個層狀構造200在本文中由參考編號200.1、200.2、200.3、及200.4表示且由參考編號201整組地指代，其中各該層狀構造200.1、200.2、200.3、200.4中之層202、207、208、及204（自上而下依序地）之次序及排列與在第3圖所示層狀構造200中相同。亦即，一第二層狀構造200.2被設置成直接緊密接觸一第一層狀構造200.1，俾使第二層狀構造200.2之底部層204.2被設置成直接緊密接觸第一層狀構造200.1之頂部層202.1。相對於第二層狀構造200.2為第三層狀構造200.3重複相同次序及排列之層202、207、208、及204，且相對於第三層狀構造200.3為第四層狀構造200.4重複相同次序及排列之層202、207、208、及204。儘管第3圖所示層狀構造200之數目係為一個且在第4圖中係為四個，然而應瞭解，本發明之範圍不受此限制且涵蓋適用於本文所揭露用途之任何數目之層狀構造。舉例而言，第4圖所示之該等層狀構造201表示以本文所揭露之一方式排列之二個、三個、四個、或更多個層狀構造200。
類似於第1圖及第2圖所示實施例，在第3圖及第4圖所示實施例中，一給定層狀構造200之頂部層202係為關於一摩擦起電系具有一第一等級之一第一彈性體發泡體層，且給定層狀構造200之第二彈性體層208關於一摩擦起電系具有一第二等級。不同於第1圖及第2圖所示實施例，在第3圖及第4圖所示實施例中，底部層204係為一第二電導體層。藉由利用夾置一中間第一電導體層207之彈性體層202、208且藉由利用被設置成在與第一電導體層207相對之一側上直接緊密接觸第二彈性體層208之一第二電導體層204，一單個層狀構造200在不存在一外部電流產生器件之情況下且因應於以下文中所述之一方式被變形而產生一壓電電壓，且因應於以下文中所述之一方式被變形而產生一電容變化。藉由利用如第4圖所示彼此上下有序排列之二或更多個層狀構造200，該二或更多個層狀構造亦在不存在一外部電流產生器件之情況下並因應於被變形而產生一壓電電壓，且因應於被變形而產生一電容變化。視所採用之層狀構造200之數目而定，在變形之後將獲得不同之電壓及電容訊號值，下文將進一步對此進行論述。
在第3圖及第4圖所示之實施例中，底部電導體層204及至少一個中間層206（第二彈性體層208及第一電導體層207）可係以一雙側塗佈有金屬之基板之形式而提供，其中在一實施例中，基板（第二彈性體層208）係為聚對苯二甲酸乙二酯。在此項技術中，呈組合形式之層204、208及207被稱為一雙側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯膜。
在一實施例中，層狀構造100、200各自之頂部層102、202係為一第一彈性體發泡體層（亦即，一撓性發泡體層），其係為未填充之聚胺基甲酸酯。在一實施例中，未填充之聚胺基甲酸酯係為密度等於或大於9磅/立方英呎（pounds per cubic foot）且等於或小於25磅/立方英呎之聚胺基甲酸酯發泡體。在另一實施例中，第一彈性體發泡體層可係為聚矽氧系發泡體、乳膠系發泡體、或烯烴系發泡體。
在一實施例中，層狀構造100之底部層104、以及層狀構造200之至少一個中間層206之第二彈性體層208係為一彈性體，亦即，具有撓度之聚合物，例如聚酯（例如聚對苯二甲酸乙二酯）、聚對苯二甲酸乙二酯膜、聚丙烯、聚乙烯、聚醯胺、聚醯亞胺、或熱塑性聚胺基甲酸酯（thermoplastic polyurethane；TPU）。
在一實施例中，層狀構造100之電導體層106、以及層狀構造200之電導體層207、204係由鎳、鋁、銀、銅、或金至少其中之一製成，且可係為固體金屬薄膜或嵌入於黏結劑材料中之金屬微粒。
在第1圖及第3圖所示層狀構造100或200或者第2圖及第4圖所示層狀構造101、201之任一實施例中，因應於該等層或該等層狀構造被變形而產生之壓電電壓係為由該等層且更具體而言由各自電導體層與相關聯之相鄰彈性體層間之相對移動展現之摩擦起電效應。
在一實施例中，第2圖及第4圖所示之複數個層狀構造101或201分別具有等於或小於1.1吉帕（Giga Pascal；GPa）之一撓曲模數（flexural modulus），並且分別具有等於或大於2毫米（mm）且等於或小於40毫米之一整體厚度T1或T2。儘管第2圖及第4圖各自分別繪示四層之層狀構造100、200，然而依據本文所揭露之全部內容應瞭解，層狀構造之數目涵蓋等於或大於一個層狀構造且等於或小於二十個層狀構造之一範圍。在一實施例中，第一彈性體發泡體層102、202之厚度實質上厚於第二彈性體層104、208之厚度，其中厚度比可等於或大於3:1、等於或大於5:1、等於或大於10:1、或者甚至等於或大於25:1。藉由利用實質上厚於第二彈性體層104、208之一第一彈性體發泡體層102、202，提供具有不同感測模式之一層狀構造100、200，俾使第一彈性體發泡體層102、202對衝擊/壓力作出回應並提供一衝擊/壓力感測構件且第二彈性體層104、208形成一薄膜電容器之一部分，該薄膜電容器對力作出回應並提供一力感測構件。
如上文中所述，第2圖所示之該等層狀構造101及第4圖所示之該等層狀構造201表示以本文所揭露之一方式排列之二個、三個、四個、或更多個各自之層狀構造100、200。在一實施例中，具有二或更多個各自之層狀構造100、200之該等層狀構造101或201因應於藉由一第一衝擊力被變形而產生一第一壓電電壓及一第一電容變化、因應於藉由一第二衝擊力被變形而產生一第二壓電電壓及一第二電容變化，且因應於藉由一第三衝擊力被變形而產生一第三壓電電壓及一第三電容變化，其中第一壓電電壓、第二壓電電壓及第三壓電電壓與各自之第一衝擊力、第二衝擊力及第三衝擊力具有一線性關係，且其中第一電容變化、第二電容變化及第三電容變化與各自之第一衝擊力、第二衝擊力及第三衝擊力具有一線性關係。
第5圖繪示將與第4圖所示者類似但利用以下之複數個層狀構造201之受測試實施例之壓電輸出電壓訊號進行比較之圖：二層之層狀構造200（參見第4圖所示之200.1及200.2與第5圖所示之201.2）、三層之層狀構造200（參見第4圖所示之200.1、200.2及200.3與第5圖所示之201.3）、及四層之層狀構造200（參見第4圖所示之200.1、200.2、200.3及200.4與第5圖所示之201.4），其中第5圖中由201.2、201.3、201.4表示之構造之每一實施例受到藉由使1千克之重量自三個不同之高度（1英呎、1.5英呎及2英呎）進行自由落體而得到之一衝擊力。在受測試之每一實施例中，各該層狀構造200之第一彈性體層202係為密度為20磅/立方英呎且厚度為2毫米的未填充之聚胺基甲酸酯發泡體。用於本測試樣品之特定聚胺基甲酸酯發泡體調配物係為由美國康涅狄格州之羅傑斯公司（Rogers Corporation, Connecticut, U.S.A.）製造之PORON XRD*（其中*表示羅傑斯公司所擁有之一商標）。在受測試之各該實施例中，各該層狀構造200之底部三個層207、208及204係為由美國康涅狄格州戴維爾之ROL-VAC, LP公司製造之厚度為75微米（μm）之一雙側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯膜。在受測試之實施例中，第一彈性體發泡體層202對雙側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯膜之厚度比係為26:1。如藉由將三個構造201.2、201.3、201.4其中之每一者針對三個下落高度其中之每一者得到之輸出電壓訊號進行比較可看出，針對三個構造201.2、201.3、201.4其中之每一者，各自之第一壓電電壓、第二壓電電壓及第三壓電電壓與各自之第一下落高度、第二下落高度及第三下落高度且因此相關聯之第一衝擊力、第二衝擊力及第三衝擊力具有一統計上顯著之線性關係。此種感測裝置之優勢係提供一種組合地具有藉由電容感測器達成之線性力感測以及藉由壓電感測器達成之線性衝擊感測之混合式感測器（hybrid sensor）。
現在參照第6圖及第7圖，其分別以立體圖繪示具有二個層及三個層之複數個層狀構造601、701之代表性實施例。該等層狀構造601、701可係藉由以上文中所述之分層堆放方式重複性地分層堆放層狀構造100或重複性地分層堆放層狀構造200而形成。
在第6圖中，雙層式排列在採用層狀構造100之情形下表示第2圖所示層狀構造100.1及100.2，或者在採用層狀構造200之情形下表示第4圖所示層狀構造200.1及200.2。
在第7圖中，三層式排列在採用層狀構造100之情形下表示第2圖所示層狀構造100.1、100.2及100.3，或者在採用層狀構造200之情形下表示第4圖所示層狀構造200.1、200.2及200.3。
在第6圖所示雙層式排列中，視採用層狀構造100還是200而定，複數個部分602（分別表示為602.1及602.2）表示第1圖所示彈性體層102、或第3圖所示彈性體層202，且複數個部分604（分別表示為604.1及604.2）表示第1圖所示之其餘複數個層104、106、或第3圖所示之其餘複數個層204、206。在採用層狀構造100之情形下，電訊號線610及612電性連接至電導體層106.1及106.2（第2圖中所示）其中之相應者，並且在採用層狀構造200之情形下，電訊號線610並聯電性連接至電導體層204.1及207.1（第4圖中所示），且電訊號線612並聯電性連接至電導體層204.2及207.2（第4圖中所示）。
類似地，在第7圖所示之三層式排列中，視採用層狀構造100還是200而定，複數個部分702（分別表示為702.1、702.2及702.3）表示第1圖所示之彈性體層102、或第3圖所示之彈性體層202，且複數個部分704（分別表示為704.1、704.2及704.3）表示第1圖所示之其餘複數個層104、106、或第3圖所示之其餘複數個層204、206。在採用層狀構造100之情形下，電訊號線710電性連接至電導體層106.1（第2圖中所示），且電訊號線712並聯電性連接至電導體層106.2及106.3（第2圖中所示）。在採用層狀構造200之情形下，電訊號線710並聯電性連接至電導體層204.1及207.1（第4圖中所示），且電訊號線712並聯電性連接至電導體層204.2、207.2、204.3、及207.3（第4圖中所示）。
在第6圖及第7圖所示之實施例中，該等層狀構造601、701被繪示成係相對於z軸線具有一圓形橫截面「A」之圓柱形狀，且各該第一彈性體層602或702（或者在第1圖至第4圖所示實施例中為102、202）具有一高度「d」。然而，本發明之範圍並不受此限制且涵蓋適用於本文所揭露用途之任何三維形狀及尺寸。
在第1圖所示層狀構造100或第3圖所示層狀構造200之任一實施例係如第6圖或第7圖所示而排列及結構化之情況下，藉由C=ε*A/d所給出之電容C之一變化而提供電容感測器，其中C係為該等相應層狀構造601、701之電容（以法拉為單位），ε係為相應第一彈性體層602、702之電容率（permittivity），A係為相應第一彈性體層602、702之橫截面積（出於論述目的，假設此橫截面積A界定與相應之相鄰電導體層之交疊面積），且d係為相應第一彈性體層602、702之高度（出於論述目的，假設此高度h界定相應之相鄰電導體層間之距離）。不論該等層狀構造601、701是在x-y平面中經歷應變還是沿z軸線經歷變形，皆將發生可由相應電訊號線610、612或710、712感測之一可量測電容變化。如上文中所論述，所得裝置（亦即，該等層狀構造601、701）提供一種組合地具有藉由電容感測器達成之線性力感測及藉由壓電感測器達成之線性衝擊感測之混合式感測器，其中電容感測器及壓電感測器二者所感測之訊號係藉由相應之訊號線601、612或710、712而感測。
儘管本文中已闡述及例示了具有如第2圖、第4圖、第6圖、及第7圖所示而成形及排列的利用相同的單獨之層狀構造100的複數個層狀構造101、或者利用相同的單獨之層狀構造200的複數個層狀構造201的本發明實施例，然而應瞭解，本發明之範圍並不受此限制且亦涵蓋利用層狀構造100（亦即，例如單金屬層式聚對苯二甲酸乙二酯）及層狀構造200（亦即，例如雙金屬層式聚對苯二甲酸乙二酯）二者的由複數個層狀構造形成之一排列，現在將參照第8圖所示對此進行說明。
第8圖繪示與第2圖、第4圖、第6圖、及第7圖所示者類似但具有以下之複數個層狀構造801：在底部處之一第一層狀構造100.1（第1圖所示層狀構造100）、直接且緊密地設置於第一層狀構造100.1之頂上之一第二層狀構造200.1（第3圖所示層狀構造200）、直接且緊密地設置於第二層狀構造200.1之頂上之一第三層狀構造100.2（第1圖所示層狀構造100）、及直接且緊密地設置於第三層狀構造100.2之頂上之一第四層狀構造200.2（第3圖所示層狀構造200）。本文中設想出藉由以任何排列次序分層堆放層狀構造100及200所得之任何及所有組合，且該等組合被視為處於本文所揭露之本發明範圍內。
考量上述內容，應瞭解，可藉由多種方法來製造根據上述結構其中之任一者而成之一感測裝置。現在將闡述幾種此類方法。
在一實施例中，一種製造如本文所述之一感測裝置之方法包含：在包含一彈性體B層之一塗佈有金屬之基板之頂上施加一彈性體發泡體A層，以形成一層狀構造，其中該塗佈有金屬之基板之塗佈有金屬之部分設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層之間，該彈性體發泡體A層關於一摩擦起電系具有一第一等級，該彈性體B層關於一摩擦起電系具有一第二等級；在該層狀構造之頂上施加一第二該塗佈有金屬之基板並在該第二該塗佈有金屬之基板之該塗佈有金屬之部分之頂上施加一第二該彈性體發泡體A層，以形成複數個該層狀構造；以及使該等該層狀構造固化。
在該方法之一實施例中，所施加之該彈性體發泡體A層係為一未固化聚胺基甲酸酯發泡體，且在一實施例中係為一未填充之未固化聚胺基甲酸酯發泡體，該等發泡體其中之每一者皆係在施加之後隨後進行固化。
在該方法之一實施例中，該彈性體B層係為一聚對苯二甲酸乙二酯膜。
在該方法之一實施例中，該塗佈有金屬之基板係為一單側塗佈有金屬之基板，例如一單側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯薄膜。
在該方法之一實施例中，該塗佈有金屬之基板係為一雙側塗佈有金屬之基板，該雙側塗佈有金屬之基板在該彈性體B層之一側上具有一第一塗佈有金屬之部分且在該彈性體B層之一對置側上具有一第二塗佈有金屬之部分，該第一塗佈有金屬之部分係為設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層間之塗佈有金屬之部分；該施加一第二該塗佈有金屬之基板之步驟包含在該層狀構造之頂上施加一第二該雙側塗佈有金屬之基板；且該施加一第二該彈性體發泡體A層之步驟包含在該第二該雙側塗佈有金屬之基板之該第一塗佈有金屬之部分之頂上施加一第二該彈性體發泡體A層。
在該方法之一實施例中，該塗佈有金屬之基板係為一雙側塗佈有金屬之基板，例如一雙側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯薄膜。
在該方法之一實施例中，該施加一彈性體發泡體A層之步驟包含一輥塗製程，例如但不限於一輥襯刮刀塗佈製程（knife-over-roll coating process）、一輥襯板塗佈製程（plate-over-roll coating process）、一凹版塗佈製程（gravure coating process）、一逆向輥塗製程（reverse roll coating process）、一計量桿塗佈製程（metering rod coating process）、一狹縫式模頭塗佈製程（slot die coating process）、一浸沒塗佈製程（immersion coating process）、一幕式塗佈製程（curtain coating process）、一氣刀塗佈製程（air knife coating process）、或適用於本文所揭露用途之任何其他輥塗製程。
在另一實施例中，一第二種製造如本文所述之一感測裝置之方法包含：在包含一彈性體B層之一塗佈有金屬之基板之頂上施加一彈性體發泡體A層以形成一層狀構造，其中該塗佈有金屬之基板之塗佈有金屬之部分設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層之間，該彈性體發泡體A層關於一摩擦起電系具有一第一等級，該彈性體B層關於一摩擦起電系具有一第二等級；使該層狀構造固化，以形成一已固化層狀構造並提供一第一該已固化層狀構造；以及在該第一該已固化層狀構造之頂上附著一第二該已固化層狀構造，該第一該已固化層狀構造及該第二該已固化層狀構造具有複數個次序相同之層。
在該第二方法之一實施例中，所施加之該彈性體發泡體A層係為一未固化聚胺基甲酸酯發泡體，且在一實施例中係為一未填充之未固化聚胺基甲酸酯發泡體。
在該第二方法之一實施例中，該彈性體B層係為一聚對苯二甲酸乙二酯膜。
在該第二方法之一實施例中，該塗佈有金屬之基板係為一單側塗佈有金屬之基板，例如一單側塗佈有金屬之聚對苯二甲酸乙二酯薄膜。
在該第二方法之一實施例中，該塗佈有金屬之基板係為一雙側塗佈有金屬之基板，該雙側塗佈有金屬之基板在該彈性體B層之一側上具有一第一塗佈有金屬之部分且在該彈性體B層之一對置側上具有一第二塗佈有金屬之部分，該第一塗佈有金屬之部分係為設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層間之塗佈有金屬之部分。
在該第二方法之一實施例中，該附著步驟包含以下其中之一：化學接合（chemical bonding）、機械接合（mechanical bonding）、或振動接合（vibratory bonding）、或者上述接合類型之一組合。
對於本文所揭露實施例其中之任一者，適用於本文所揭露用途之一實例性未填充之聚胺基甲酸酯發泡體係為可自美國康涅狄格州之羅傑斯公司購得之PORON XRD*（其中*表示羅傑斯公司所擁有之一商標）。
對於本文所揭露實施例其中之任一者，適用於本文所揭露用途之聚對苯二甲酸乙二酯薄膜（單側塗佈有金屬或雙側塗佈有金屬）包含商業上可購得之聚對苯二甲酸乙二酯薄膜。
儘管本文已參照一第一彈性體層102、202及一第二彈性體層104、208闡述了本發明（其中用於此等層之實例性材料係為不同的，或者一者係為發泡體且另一者並非係為發泡體），然而應設想出，二個彈性體層可由相同材料製成，只要該等層其中之一用於提供一衝擊/壓力感測構件且該等層其中之另一者用於提供一力感測構件即可。
儘管已參照實例性實施例闡述了本發明，然而熟習此項技術者應理解，可作出各種變化，且可以等效內容來代替該等實例性實施例之元素，此並不背離申請專利範圍之範圍。另外，可作出諸多潤飾以使一特定情景或材料適應於本發明之教示內容，此並不背離本發明之本質範圍。因此，本發明並非旨在限於以所揭露之特定實施例作為所設想出的用於實施本發明之最佳或僅有方式，而是本發明將包含歸屬於隨附申請專利範圍之範圍內之所有實施例。此外，在圖式及說明中，已揭露複數個實例性實施例，且雖然可能已採用了具體用語及/或尺寸，然而除非另有陳述，否則該等用語及/或尺寸係僅以一般性、實例性及/或說明性意義而非出於限制目的使用，申請專利範圍之範圍因此不受此限制。此外，所使用之用語「第一」、「第二」等並不表示任何次序或重要性，而是用語「第一」、「第二」等僅用於將一個元件與另一元件區分開。此外，所使用之用語「一（a、an）」等並不表示對數量之限制，而是表示存在至少一個所提及項目。另外，本文所使用之用語「包含」並不排除包含一或多個附加特徵之可能性。
100‧‧‧層狀構造100.1‧‧‧第一層狀構造100.2‧‧‧第二層狀構造/第三層狀構造100.3‧‧‧第三層狀構造100.4‧‧‧第四層狀構造101‧‧‧層狀構造102‧‧‧第一彈性體層102.1‧‧‧頂部層102.2‧‧‧頂部層102.3‧‧‧頂部層102.4‧‧‧頂部層104‧‧‧第二彈性體層104.1‧‧‧底部層104.2‧‧‧底部層104.3‧‧‧底部層104.4‧‧‧底部層106‧‧‧中間層/電導體層106.1‧‧‧電導體層106.2‧‧‧電導體層106.3‧‧‧電導體層106.4‧‧‧電導體層200‧‧‧層狀構造200.1‧‧‧第一層狀構造/第二層狀構造200.2‧‧‧第二層狀構造/第四層狀構造200.3‧‧‧第三層狀構造200.4‧‧‧第四層狀構造201‧‧‧層狀構造201.2‧‧‧構造201.3‧‧‧構造201.4‧‧‧構造202‧‧‧第一彈性體層202.1‧‧‧頂部層202.2‧‧‧頂部層204‧‧‧底部第二電導體層204.1‧‧‧電導體層204.2‧‧‧電導體層204.3‧‧‧電導體層206‧‧‧中間層207‧‧‧第一電導體層207.1‧‧‧電導體層207.2‧‧‧電導體層207.3‧‧‧電導體層208‧‧‧第二彈性體層208.1‧‧‧第二彈性體層208.2‧‧‧第二彈性體層208.3‧‧‧第二彈性體層601‧‧‧層狀構造602‧‧‧第一彈性體層/部分602.1‧‧‧部分602.2‧‧‧部分604‧‧‧部分604.1‧‧‧部分604.2‧‧‧部分610‧‧‧電訊號線612‧‧‧電訊號線701‧‧‧層狀構造702‧‧‧第一彈性體層/部分702.1‧‧‧部分702.2‧‧‧部分702.3‧‧‧部分704‧‧‧部分704.1‧‧‧部分704.2‧‧‧部分704.3‧‧‧部分710‧‧‧電訊號線712‧‧‧電訊號線801‧‧‧層狀構造A‧‧‧圓形橫截面d‧‧‧高度T1‧‧‧整體厚度T2‧‧‧整體厚度x‧‧‧軸線y‧‧‧軸線z‧‧‧軸線
參照實例性非限制性圖式，其中在附圖中，相同元件之編號相同：
第1圖以剖面側視圖繪示根據一實施例之一層狀構造；
第2圖以剖面側視圖繪示根據一實施例之複數個第1圖所示層狀構造；
第3圖以剖面側視圖繪示根據一實施例之另一層狀構造；
第4圖以剖面側視圖繪示根據一實施例之複數個第3圖所示層狀構造；
第5圖繪示根據一實施例將與第4圖所示實施例類似但具有替代數目之層狀構造之複數個層狀構造之受測試實施例之壓電輸出電壓訊號進行比較之圖；
第6圖以立體圖繪示根據一實施例表示第2圖所示層狀構造或作為另一選擇表示第4圖所示層狀構造之一雙層式排列；
第7圖以立體圖繪示根據一實施例表示第2圖所示層狀構造或作為另一選擇表示第4圖所示層狀構造之一三層式排列；以及
第8圖繪示根據一實施例與第2圖、第4圖、第6圖、及第7圖所示者類似、但具有交替排列之一如第1圖所示第一層狀構造與一如第2圖所示第二層狀構造之複數個層狀構造801。
100‧‧‧層狀構造
102‧‧‧第一彈性體層
104‧‧‧第二彈性體層
106‧‧‧中間層/電導體層

Claims (22)

  1. 一種感測裝置，包含：第一層狀構造；以及第二層狀構造；該第一層狀構造及該第二層狀構造各自包含一頂部層、一底部層、及至少一個中間層，該至少一個中間層包含一電導體層，該頂部層、該底部層、及該至少一個中間層其中之每一者被設置成直接緊密接觸各自之一相鄰層；其中，該第二層狀構造被設置成直接緊密接觸該第一層狀構造，俾使該第二層狀構造中之該底部層被設置成直接接觸該第一層狀構造中之該頂部層；其中，直接緊密接觸包含在相應介面的一實體接合；其中，該第一層狀構造及該第二層狀構造被配置成在不存在一外部電流產生器件之情況下且因應於被變形而產生一壓電電壓(piezoelectric voltage)；以及其中，該第一層狀構造及該第二層狀構造被配置成因應於被變形而產生一電容變化。
  2. 如請求項1所述之感測裝置，其中：各該頂部層係為一單層的一第一彈性體發泡體層，該第一彈性體發泡體層係具有關於一摩擦起電系(triboelectric series)之一第一等級；以及各該底部層係為一單層的一第二彈性體層，該第二彈性體層係具有關於一摩擦起電系之一第二等級。
  3. 如請求項1所述之感測裝置，其中：各該頂部層係為一單層的一第一彈性體發泡體層，該第一彈性體發泡體層具有關於一摩擦起電系之一第一等級； 各該電導體層係為被設置成直接緊密接觸對應的該頂部層之一第一電導體層；該第一層狀構造及該第二層狀構造各自的該至少一個中間層更包含一第二彈性體層，該第二彈性體層具有關於一摩擦起電系之一第二等級，該第二彈性體層被設置成在與對應的該頂部層相對之一側上直接緊密接觸對應的該第一電導體層；以及各該底部層係為一單層的一第二電導體層，該第二電導體層被設置成在與對應的該第一電導體層相對之一側上直接緊密接觸對應的該第二彈性體層。
  4. 如請求項1所述之感測裝置，其中：該第一層狀構造及該第二層狀構造被配置成因應於藉由一第一衝擊力被變形而產生一第一壓電電壓、因應於藉由一第二衝擊力被變形而產生一第二壓電電壓且因應於藉由一第三衝擊力被變形而產生一第三壓電電壓；該第一壓電電壓、該第二壓電電壓、及該第三壓電電壓與各自之該第一衝擊力、該第二衝擊力、及該第三衝擊力具有一線性關係。
  5. 如請求項2及3中任一項所述之感測裝置，其中：各該第一彈性體發泡體層係為未填充之聚胺基甲酸酯。
  6. 如請求項5所述之感測裝置，其中：該未填充之聚胺基甲酸酯係為密度等於或大於9磅/立方英呎(pounds per cubic foot)且等於或小於25磅/立方英呎之聚胺基甲酸酯發泡體。
  7. 如請求項2及3中任一項所述之感測裝置，其中：各該第二彈性體層係為一聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate；PET)膜。
  8. 如請求項1至4中任一項所述之感測裝置，其中：該等電導體層之材料包含以下至少其中之一：鎳、鋁、或銀。
  9. 如請求項3至4中任一項所述之感測裝置，其中：該等第一電導體層之材料及該等第二電導體層之材料包含以下至少其中之一：鎳、鋁、或銀。
  10. 如請求項1至4中任一項所述之感測裝置，更包含：第三或更多層狀構造，其中該第三或更多層狀構造各自包含一頂部層、一底部層、及至少一個中間層，該至少一個中間層包含一電導體層，該頂部層、該底部層、及該至少一個中間層其中之每一者被設置成直接緊密接觸各自之一相鄰層，其中該第三或更多層狀構造被設置成彼此直接緊密接觸以形成一重複性有序之層狀構造(repetitive ordered layered construct)；該重複性有序之層狀構造被配置成因應於藉由一第一衝擊力被變形而產生一第一壓電電壓、因應於藉由一第二衝擊力被變形而產生一第二壓電電壓且因應於藉由一第三衝擊力被變形而產生一第三壓電電壓；該第一壓電電壓、該第二壓電電壓、及該第三壓電電壓與各自之該第一衝擊力、該第二衝擊力、及該第三衝擊力具有一線性關係。
  11. 如請求項1至4中任一項所述之感測裝置，其中：因應於該第一層狀構造及該第二層狀構造被變形而產生之該壓電電壓係為由該第一層狀構造及該第二層狀構造展現之摩擦起電效應(triboelectric effect)。
  12. 如請求項1至4中任一項所述之感測裝置，其中該第一層狀構造及該第二層狀構造各自具有等於或小於1.1吉帕(Giga Pascal；GPa)之一撓曲模數(flexural modulus)。
  13. 如請求項1至4中任一項所述之感測裝置，其中該第一層狀構造及該第二層狀構造各自具有等於或大於2毫米(mm)且等於或小於40毫米之一整體厚度。
  14. 如請求項1至4中任一項所述之感測裝置，其中： 該第一層狀構造及該第二層狀構造具有複數個次序相同之層。
  15. 一種製造如請求項1至4中任一項所述之感測裝置之方法，包含：在包含一彈性體B層之一塗佈有金屬之基板之頂上施加一彈性體發泡體A層，以形成一層狀構造，其中該塗佈有金屬之基板之塗佈有金屬之部分設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層之間，該彈性體發泡體A層具有關於一摩擦起電系之一第一等級，該彈性體B層具有關於一摩擦起電系之一第二等級；在該層狀構造之頂上施加一第二該塗佈有金屬之基板，並在該第二該塗佈有金屬之基板之該塗佈有金屬之部分之頂上施加一第二該彈性體發泡體A層，以形成複數個該層狀構造；以及使該等該層狀構造固化。
  16. 如請求項15所述之方法，其中：該塗佈有金屬之基板係為一雙側塗佈有金屬之基板(double-sided metal-coated substrate)，該雙側塗佈有金屬之基板在該彈性體B層之一側上具有一第一塗佈有金屬之部分且在該彈性體B層之一對置側上具有一第二塗佈有金屬之部分，該第一塗佈有金屬之部分係為設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層間之該塗佈有金屬之部分；該施加一第二該塗佈有金屬之基板之步驟包含在該層狀構造之頂上施加一第二該雙側塗佈有金屬之基板；以及該施加一第二該彈性體發泡體A層之步驟包含在該第二該雙側塗佈有金屬之基板之該第一塗佈有金屬之部分之頂上施加一第二該彈性體發泡體A層。
  17. 如請求項15所述之方法，其中所施加之該彈性體發泡體A層係為一未固化之聚胺基甲酸酯發泡體。
  18. 如請求項15所述之方法，其中該彈性體B層係為一聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜。
  19. 如請求項15所述之方法，其中該施加一彈性體發泡體A層之步驟包含一輥塗製程(roll coating process)。
  20. 一種製造如請求項1至4中任一項所述之感測裝置之方法，包含：在包含一彈性體B層之一塗佈有金屬之基板之頂上施加一彈性體發泡體A層，以形成一層狀構造，其中該塗佈有金屬之基板之塗佈有金屬之部分設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層之間，該彈性體發泡體A層具有關於一摩擦起電系之一第一等級，該彈性體B層具有關於一摩擦起電系之一第二等級；使該層狀構造固化，以形成一已固化層狀構造並提供一第一該已固化層狀構造；以及在該第一該已固化層狀構造之頂上附著一第二該已固化層狀構造，該第一該已固化層狀構造及該第二該已固化層狀構造具有複數個次序相同之層。
  21. 如請求項20所述之方法，其中：該塗佈有金屬之基板係為一雙側塗佈有金屬之基板，該雙側塗佈有金屬之基板在該彈性體B層之一側上具有一第一塗佈有金屬之部分、且在該彈性體B層之一對置側上具有一第二塗佈有金屬之部分，該第一塗佈有金屬之部分係為設置於該彈性體發泡體A層與該彈性體B層間之該塗佈有金屬之部分。
  22. 如請求項20所述之方法，其中：該附著步驟包含化學接合(chemical bonding)、機械接合(mechanical bonding)、或振動接合(vibratory bonding)。
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