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TW201621585A - 壓電膜結構與感測器以及使用該壓電膜結構與感測器的顯 示組件 - Google Patents

壓電膜結構與感測器以及使用該壓電膜結構與感測器的顯 示組件 Download PDF

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TW201621585A
TW201621585A TW104133744A TW104133744A TW201621585A TW 201621585 A TW201621585 A TW 201621585A TW 104133744 A TW104133744 A TW 104133744A TW 104133744 A TW104133744 A TW 104133744A TW 201621585 A TW201621585 A TW 201621585A
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piezoelectric
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transparent
touch
film structure
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艾敏傑明
哈特尙登笛
科赫三世卡爾威廉
波森查爾斯安德魯
米勒威廉詹姆斯
羅瑟夫羅素帝提拉夫瓦契夫
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康寧公司
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Abstract

本揭示內容係關於壓電膜結構與感測器，以及使用此種壓電膜結構與感測器的顯示組件。壓電膜結構為通透的並包含：基板；放置在基板上或基板上方的底光學層；放置在底光學層上或底光學層上方的底傳導層；放置在底傳導層上或底傳導層上方的至少一個壓電層；放置在至少一個壓電層上或至少一個壓電層上方的頂傳導層；以及放置在頂傳導層上或頂傳導層上方的頂光學層。感測器包含電性連接至訊號處理系統的壓電膜結構。顯示組件包含可操作地相對於顯示裝置而設置的感測器。壓電膜結構與感測器可經配置以決定相關聯於觸控事件的一或更多個觸控感測特徵。

Description

壓電膜結構與感測器以及使用該壓電膜結構與感測器的顯 示組件
對於相關申請案的交互參照：本申請案根據專利法第28條，主張對於申請於2015年6月29日的美國臨時專利申請案第62/185,892號以及申請於2014年10月14日的美國臨時專利申請案第62/063,441號的優先權，在此將此等專利申請案全文併入本文以作為參考。
本揭示內容相關於膜結構，且特定而言，相關於壓電膜結構與感測器，以及使用此壓電膜結構與感測器的顯示組件。
智慧型手機與類似的顯示式裝置，通常具有與裝置的顯示器或顯示外蓋整合的觸控感測器。觸控感測器藉由感測使用者觸摸位置(且在一些情況中感測動作)，並使用此資訊以執行一或更多個裝置功能，來提供觸控感測器功能性。
對於顯示式裝置，除了僅僅的觸控位置感測以外，也期望具有額外的功能性。其他的功能性包含壓力感測、聲學感測、加速度感測以及震動能量採集。對於顯示式裝置，也可期望具有多重觸控感測功能。
除了觸控感測特徵以外，顯示式裝置的外蓋需要為耐用的(亦即抗刮與抗裂)，同時亦具有強光學效能特性(例如高光學穿透度、低反射度、低失真、良好色彩等等)。
本揭示內容之一態樣為一種對可見光為實質上通透的壓電膜結構，壓電膜結構包含：通透基板；通透底光學層，通透底光學層放置在通透基板上(或在通透基板上方)，且通透底光學層包含一或更多個底介電層；通透底傳導層，通透底傳導層放置在通透底光學層上(或在通透底光學層上方)；至少一個通透壓電層，至少一個通透壓電層放置在通透底傳導層上(或在通透底傳導層上方)；通透頂傳導層，通透頂傳導層放置在至少一個通透壓電層上(或在至少一個通透壓電層上方)；以及通透頂光學層，通透頂光學層放置在通透頂傳導層上(或在通透頂傳導層上方)，且通透頂光學層包含一或更多個頂介電層。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜結構，其中：通透頂傳導層與通透底傳導層之每一者包含下列之一者：氧化銦錫(ITO)、氧化鋅鋁(AZO)或一薄金屬；且通透壓電層包含至少一個壓電材料，此至少一個壓電材料係選自包含下列壓電材料之群組：硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鋅(ZnTe)、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、氧摻雜 氮化鋁(oxygen-doped AlN)、鈦酸鋇(BaTiO3)、無鉛鈮酸(lead-free niobate)、鉛鋯鈦酸鉛(PZT)、鉛-鑭鋯鈦酸(PLZT)、和無鉛鈦酸(lead-free titanate)。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜結構，其中通透壓電層由具有上至20原子百分比的氧的氧摻雜氮化鋁所組成。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜結構，其中至少一個壓電層可選地具有厚度TH50，厚度TH50的範圍為50nmTH50 5000nm。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜結構，其中通透頂光學層包含至少一個材料，此至少一個材料係選自包含下列材料之群組：SiNx、SiOxNy、AlNx、AlOxNy、SiAlxOyNz、SiO2、SiOx、Al2O3、及AlOx。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜結構，且此壓電膜結構具有下列性質之至少一者：(i)經Berkovich壓痕測試測量之大於8GPa的硬度；以及(ii)小於2%的晝視平均反射度，以及在0°至60°光投射範圍中在a*與b*座標兩者中均小於5的角色彩偏移。
本揭示內容之另一態樣為一種壓電感測器系統，壓電感測器系統包含：如前述之壓電膜結構，其中壓電膜結構回應於通透頂光學層上的至少一個觸控事件而 產生輸出訊號；以及訊號處理系統，訊號處理系統電性連接至底通透傳導層與頂通透傳導層，且訊號處理系統接收並處理輸出訊號以決定相關聯於至少一個觸控事件的至少一個觸控感測特徵。
本揭示內容之另一態樣為一種壓電感測器系統，其中至少一個觸控感測特徵對於每一觸控事件包含：觸控事件的觸控位置、壓力量、力量、持續期間、尺寸、形狀、加速度、聲學感測、以及震動能量採集。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電感測器系統，其中通透底傳導層、至少一個通透壓電層以及通透頂傳導層之至少一者被型樣化，以提供對於至少一個觸控事件的觸控位置感測。
本揭示內容之另一態樣為一種顯示組件，包含：裝置，裝置具有使用者介面；以及如前述之壓電感測器系統，壓電感測器系統可操作地相對於裝置放置，使得可透過壓電感測器系統的壓電膜結構觀看使用者介面。
本揭示內容之另一態樣為如前述之顯示組件，其中裝置為顯示系統，顯示系統發出光，其中光界定使用者介面並行進通過壓電膜結構。
本揭示內容之另一態樣為一種壓電膜感測器，壓電膜感測器具有回應於在觸控位置處的觸控事件的觸控感測能力。壓電膜感測器包含：第一與第二通透傳導層，第一與該第二通透傳導層界定第一與第二電極；至少一個通透壓電層，至少一個通透壓電層插入在第一與第二 電極之間；其中第一電極、第二電極與至少一個通透壓電層經配置以提供觸控位置功能性，並回應於觸控事件而產生輸出訊號；第一與第二通透光學層，第一與第二通透光學層分別放置為鄰接第一與第二電極並相對於壓電層，而第一通透光學層界定最上表面；基板，基板放置為鄰接第二光學層；以及訊號處理系統，訊號處理系統電性連接至底通透傳導層與頂通透傳導層，且訊號處理系統經配置以處理輸出訊號以決定相關聯於至少一個觸控事件的至少一個觸控感測特徵。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜感測器，其中至少一個觸控感測特徵包含下列之一或更多者：觸控事件的觸控位置、壓力量、力量、持續期間、尺寸、形狀、加速度、聲學感測、以及震動能量採集。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜感測器，其中通透壓電層由具有上至20原子百分比的氧的氧摻雜氮化鋁所組成。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜感測器，其中輸出訊號包含壓電成分與熱釋電成分，且其中訊號處理系統包含一或更多個濾波器，一或更多個濾波器設置為對輸出訊號濾波，以實質分離壓電成分與熱釋電成分。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜感測器，其中至少一個壓電層包含多個垂直堆疊的壓電層或多個水平堆疊的壓電層。
本揭示內容之另一態樣為如前述之壓電膜感測器，其中至少一個壓電層由單一連續壓電層構成，其中第一電極比第二電極還接近最上表面，且其中第一電極包含間隔開且電性隔絕的區域，此等區域可經由對訊號處理系統的電性連結被獨立地電性定址。
本揭示內容之另一態樣為一種顯示組件，包含裝置，裝置具有使用者介面；以及如前述之壓電感測器系統，壓電感測器系統可操作地相對於裝置放置，使得可透過壓電感測器系統的壓電膜結構觀看使用者介面。
本揭示內容之另一態樣為如前述之顯示組件，其中裝置為顯示系統，顯示系統透過表面發出光，其中光界定使用者介面並行進通過壓電膜結構。
本揭示內容之另一態樣為一種對具有使用者介面之裝置提供壓電觸控感測的方法。方法包含：使具有觸控感測能力之壓電膜感測器與裝置介面連接，使得可透過壓電膜感測器的通透壓電觸控感測(PETS)壓電膜結構觀看使用者介面；藉由在觸控位置觸摸壓電膜感測器表面而產生觸控事件，此觸控位置對應於使用者介面的位置，從而使得PETS壓電膜結構產生輸出訊號；以及處理輸出訊號以決定相關聯於觸控事件的至少一個觸控感測特徵。
本揭示內容之另一態樣為如前述之方法，其中至少一個觸控感測特徵包含下列之一或更多者：觸控位置、施加於觸控位置處的壓力量、施加於觸控位置處的力 量、觸控事件的持續期間、觸控事件的尺寸、觸控位置的形狀、加速度、聲學感測、以及震動能量採集。
本揭示內容之另一態樣為一種顯示組件，包含：成像顯示器，成像顯示器產生可見光以形成顯示影像；通透壓電膜結構，通透壓電膜結構可操作地相對於成像顯示器設置，使得可透過通透壓電膜結構觀看顯示影像；且其中壓電膜結構具有大於20%的可見光光學穿透度、經Berkovich壓痕測試測量之大於8GPa的硬度、以及在0°至60°光投射範圍中在a*與b*座標兩者中均小於5的角色彩偏移。
下面的實施方式闡明額外的特徵與優點，且其部分將為在本發明技術領域中具有通常知識者根據說明書或藉由實作說明書及其申請專利範圍(以及附加圖式)所說明之具體實施例而輕易明瞭。應瞭解到，上面的概要說明與下面的實施方式皆僅為示例性，並意為提供概觀或框架，以瞭解申請專利範圍的本質與特質。
10‧‧‧壓電(PE)膜結構
10S‧‧‧PE觸控感測(PETS)膜結構
20‧‧‧基板
22‧‧‧上表面
26‧‧‧結晶層
30B‧‧‧底光學層
30T‧‧‧頂光學層
32T‧‧‧最上層
34‧‧‧上表面
40B‧‧‧底傳導層
40T‧‧‧頂傳導層
40M‧‧‧中介或中間傳導層
40L‧‧‧傳導電極
40R‧‧‧傳導電極
41B‧‧‧開口
41T‧‧‧開口
42B‧‧‧底傳導層條帶列
42T‧‧‧頂傳導層條帶行
43‧‧‧電性隔絕傳導區域
44‧‧‧間隙
47‧‧‧隔絕層
48‧‧‧均等電路
50‧‧‧壓電層
51‧‧‧空間
52‧‧‧壓電結構
53‧‧‧密封層
54‧‧‧「水平堆疊」區域
THT‧‧‧頂傳導層厚度
THB‧‧‧底傳導層厚度
THS‧‧‧基板厚度
TH50‧‧‧壓電層厚度
TH26‧‧‧結晶層厚度
P‧‧‧極化
F‧‧‧力
TL‧‧‧觸控位置
TE‧‧‧觸控事件
VT‧‧‧頂電壓
VB‧‧‧底電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
SA‧‧‧類比輸出訊號
SD‧‧‧數位輸出訊號
80‧‧‧PE感測器系統
81‧‧‧手指
82B‧‧‧電性連結
82T‧‧‧電性連結
83‧‧‧訊號處理系統
84‧‧‧類比電路
86‧‧‧類比濾波器
88‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
90‧‧‧數位濾波器
92‧‧‧中央處理單元(CPU)
110B‧‧‧底通透電磁(EM)屏蔽層
110T‧‧‧頂通透電磁(EM)屏蔽層
120‧‧‧投射式電容觸控感測器層(「P-CAP層」)
122‧‧‧型樣化TCO
124‧‧‧隔絕膜層
200‧‧‧顯示組件
210‧‧‧裝置
212‧‧‧上表面
213‧‧‧使用者介面
214‧‧‧可見光
215‧‧‧符號表示
包含附加圖式以期進一步瞭解，並將附加圖式併入此說明書且構成此說明書的部分。圖式圖示說明一或更多個具體實施例，並與實施方式一起解釋各種具體實施例的原理與作業。因此，根據下面的實施方式並連同附加圖式，將可更完整瞭解揭示內容，在附加圖式中：第1圖為根據本揭示內容的範例壓電膜結構的正視圖； 第2圖為第1圖壓電膜結構的截面視圖；第3圖為範例壓電感測器系統的示意圖，此壓電感測器系統利用第1圖與第2圖的範例壓電膜結構；第4圖類似於第3圖並圖示說明範例壓電感測器系統，此壓電感測器系統包含在壓電層與光學底層之間的結晶層；第5圖到第11圖為範例壓電觸控感測(piezoelectric touch-sensing；PETS)膜結構的前視分解圖；第12圖為相關於壓電層的底傳導層與頂傳導層的範例配置的正視分解圖，其中頂傳導層與底傳導層被形成為分別界定行與列的條帶；第13A圖為形成在壓電層頂端的範例頂傳導層的俯視圖，其中頂傳導層由複數個電性隔絕的傳導區域界定，此複數個電性隔絕的傳導區域可經由選徑(route)通過區域之間間隙的配線(wiring)來各別定址；第13B圖為由連續的底傳導層與頂傳導層層疊(sandwiched)的壓電層的示意截面圖，第13B圖並圖示了由結構所形成的等效電路的致動；第13C圖類似於第13B圖，但其中頂傳導層被形成為如第13A圖所圖示者，第13C圖並圖示說明結構的均等電路的局部致動；第14圖為設置為堆疊配置的包含多個壓電層、底傳導層與頂傳導層以及中介或中間傳導層的範例壓 電結構的截面圖，其中中間傳導層被插入鄰接的壓電層之間；第15圖為由介電材料密封層電性隔絕的第14圖壓電結構的陣列的正視圖；第16圖為範例壓電結構的正視圖，此壓電結構具有多個壓電層的堆疊配置，此多個壓電層具有位於給定層平面中的交替的極化方向；第17圖為另一範例壓電結構的正視圖，其中壓電層被水平堆疊，亦即具有並列配置。
第18圖類似於第17圖，並圖示說明水平堆疊壓電結構的範例配置，其中壓電層具有相同的極化方向；第19A圖為範例顯示組件的正視分解圖，而第19B圖為此顯示組件的正視圖，此顯示組件包含本文所揭示之可相關於顯示系統來可操作地設置的壓電感測器系統；第19C圖為第19B圖範例顯示組件的截面圖，第19C圖圖示在觸摸位置處的觸控事件以及輸出訊號的產生，此輸出訊號由訊號處理系統處理以提供至少一個觸控感測功能。
現在詳細參考本揭示內容的各種具體實施例，這些具體實施例的範例係圖示說明於附加圖式中。在全體圖式中盡可能使用相同或類似的元件編號與符號，以代表相同或類似的部分。圖式並非必須依比例繪製，且在 本發明技術領域中具有通常知識者將理解到圖式已為了圖示說明本揭示內容關鍵態樣而簡化之處。
下文闡明的申請專利範圍被併入此實施方式，並構成此實施方式的部分。
在一些圖式中圖示笛卡兒座標以做為參考，此等笛卡兒座標並非意為作為對於方向或指向的限制。下文使用用詞「底(bottom)」與「頂(top)」以做為參考並方便圖示說明與討論，而此等用詞並非意為定位或指向。
在下文的討論中，連結壓電膜結構及其中各層的用詞「通透(transparent)」，係關於可見波長範圍中的光(亦即可見光)，而並非必需表示完美的通透，並包含存在一些(且甚至大量的)光學吸收、散射等等的情況。在範例中，用詞通透表示具有充足的光學穿透度(optical transmittance)，而允許人透過壓電膜結構觀看一或多個物件(諸如使用者介面)。注意到在某些由發光顯示器構成裝置使用者介面的情況中，壓電結構(透過此壓電結構以觀看使用者介面)的光學穿透度可小於使用者介面不發出光的情況。在各種非限制性的範例中，本文揭示的壓電膜結構的光學穿透度，為至少20%、或至少50%、或至少80%、或至少90%、或至少95%、或至少98%(由畫視平均(photopic average)採取)。
壓電膜結構
第1圖為根據本揭示內容的範例壓電(piezoelectric；PE)膜結構10的正視圖，同時第2圖為第1圖PE膜結構的截面圖。PE膜結構10包含(依+z方向排序)：通透基板20；第一(或底)通透光學層(「底光學層」)30B；第一(或底)通透傳導層(「底傳導層」)40B；通透壓電層(「壓電層」)50；第二(或頂)通透傳導層(「頂傳導層」)40T；以及第二(或頂)通透光學層(「頂光學層」)30T。底光學層30B與頂光學層30T可分別包含一或更多個介電層32B與32T。一或更多個底介電層32B與頂介電層32T可具有漸變折射率，或為經配置以執行抗反射功能的高折射率/低折射率層的組合(堆疊)。
在一範例中，頂光學層30T具有界定觸控表面的上表面34。在一範例中，頂光學層30T具有數個相關於效能的性質，如(例如)在申請於2014年9月9日名為「Low-color scratch-resistant articles with a multiplayer optical film」的美國專利申請案第14/480,898號中所述者，在此將此專利申請案併入本文以做為參考。相關於效能的性質的範例，包含下列之一或更多者：高硬度；高抗刮度；高抗磨度；高光學通透度；低光學反射度；以及良好的色彩(亦即低色彩偏移)。在一範例中，使用幾何角錐壓痕測試(Berkovich indentation)測量，頂光學層30T的硬度為大於8十億 帕(GPa)、或大於10GPa、或大於12GPa、或大於14GPa。
在一範例中，頂光學層30T包含多個介電層32T，其中介電層的一些為高折射率層，這些層的反射率大於約1.6、或大於約1.7、或大於約1.8、或大於約1.9。再者，在各種範例中，高折射率介電層32T構成頂光學層30T厚度的多於35%、多於40%、多於50%、多於60%、或多於70%。在一範例中，可由SiNx、SiOxNy、AlNx、AlOxNy、SiAlxOyNz之至少一者，或具有在約1.7至2.3範圍內之折射率的其他材料，來製成高折射率層32T。可由諸如SiO2、SiOx、SiOxNy、Al2O3、AlOx、AlOxNy、SiAlOxNy的低折射率材料，或具有在約1.3至1.7範圍內之折射率的其他材料，來製成其他介電層32T。
在各種範例中，頂光學層30T的總和光穿透度為大於80%、大於90%、大於95%、或大於98%(由畫視平均在可見光範圍中採取)。
又，在各種範例中，頂光學層30T的反射度為小於20%、小於10%、小於5%、小於4%、小於3%、小於2%、小於1%、小於0.7%、小於0.5%、或小於0.4%(由畫視平均在可見光範圍中採取)。在一些具體實施例中，膜結構10的整體塗覆(coated)表面(包含所有結合的光學層、電性層以及壓電層)可展示這些低反射值。
在一範例中，頂光學層30T展示在視角下的低色彩偏移(對於5°至60°範圍中的視角)。在各種範例中，在a*與b*兩者中(使用D65或F2照明)，色彩偏移小於10.0、或小於4.0、或小於3.0、或小於2.0。在其他各種範例中，由[(a*)2+(b*)2]1/2界定的色彩偏移小於10、小於5、小於4、或小於3(使用D65或F2照明)。在一些具體實施例中，膜結構的整體塗覆表面(包含所有結合的光學層、電性層以及壓電層)可展示這些低色彩偏移值。
在另一範例中，頂光學層30T在經受泰伯磨耗(Taber Abrasion)測試時具有高抗磨度。在一範例中，頂光學層30T在使用石榴石砂紙磨耗測試(Garnet sandpaper abrasion test)來測量下具有高抗磨度。
在一範例中，頂光學層30T的方均根表面粗糙度(RMS surface roughness)小於約2奈米(nm)、小於約1nm、小於約0.5nm、或小於約0.3nm。
在各種範例中，基板20包含玻璃、離子交換玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、尖晶石(spinel)，莫來石(mullite)，氧化鋯，藍寶石或鑽石之至少一者。
在各種範例中，底傳導層40B與頂傳導層40T可包含氧化銦錫(ITO)、氧化鋅鋁(AZO)、薄金屬等等，且在一範例中個別的厚度THB與THT在2nm至500nm的範圍中。
在一範例中，通透基板20包含上表面22且在一範例中為結晶，通透基板20並具有實質上高於玻璃的熱傳導度κ，較佳地，κ>5W/m．K。在一個範例中，基板20由藍寶石晶體製成。在另一範例中，基板20由玻璃製成，諸如化學強化玻璃。化學強化玻璃基板20的一範例，為由離子交換所形成者。用於基板20的其他範例材料，包含鑽石、聚合物、彈性玻璃、藍寶石或其他能夠支撐上述層的通透材料。在一範例中，基板上表面22具有低粗糙度。基板20具有厚度THS。
底傳導層40B與頂傳導層40T的片電阻值(sheet resistance)，可小於約100歐姆/單位面積(ohms/square)、50ohms/square、20ohms/square、或10ohms/square。底傳導層40B與頂傳導層40T之每一者的形式，可為與薄金屬線、配線或跡線接觸的膜。底傳導層40B與頂傳導層40T之每一者可包含兩個材料，諸如具有高基板表面覆蓋率的連續的或型樣化的ITO層，而ITO層與細金屬線或配線網格電性接觸(或由細金屬線或配線網格增強傳導度)(例如參見第11A圖與配線82T)。細金屬線網格亦可幫助創造具有局部感測功能的感測器網格，例如偵測壓力以及觸控位置。
壓電層
壓電層50具有厚度TH50，厚度TH50在一範例中位於由50nmTH50 5000nm界定的範圍中。PE膜結構10的壓電層50可由數種不同類型的壓電材料 之一或更多者製成。範例壓電材料包含硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鋅(ZnTe)、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、鈦酸鋇(BaTiO3)、無鉛鈮酸(諸如Na0.5K0.5NbO3)、鉛鋯鈦酸鉛(PZT)、鉛-鑭鋯鈦酸(PLZT)、和無鉛鈦酸(諸如Na0.5Bi0.5TiO3和K0.5Bi0.5TiO3)。用於壓電層50的範例壓電材料，亦可包含聚合壓電材料，包含聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亞胺聚(polyimide)、對二甲苯基(parylene)材料以及「壓電複合材料(piezocomposites)」，諸如併入鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(PMN-PT)顆粒於聚合物基質中者。壓電材料與複合物的額外範例，可見於Ramadan等人的文章“A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers,”Smart Mater.Struct.Vol.23,No.3(2014)，在此將此文章併入本文以做為參考。
在考量沉積容易度的情況中，氮化鋁與氧化鋅材料可用於壓電層50，因為這些材料特別適用於使用已知技術的薄膜沉積。材料氮化鋁具有相對高的硬度，而氧摻雜氮化鋁相較於其他壓電材料而言具有所期望的相對高硬度與相對低光學吸收度的結合。用於壓電層50的氮化鋁、氧摻雜氮化鋁、或氧氮化鋁(AlON)膜，可具有晶纖鋅礦結構。已知包含上至約20原子百分比的氧的氧摻雜氮化鋁，仍可展示大量的壓電效應。
發明人已對氮化鋁的氧摻雜執行了實驗，並發現可有效地使用氧摻雜以提升氮化鋁層的光學穿透度或降低氮化鋁層的光學吸收度。然而，過多的氧摻雜可毀損氮化鋁膜的壓電品質。因此，可期望將經摻雜氮化鋁膜中的氧含量限制為，在一個範例中小於約40%、在另一範例中小於約20%、在另一範例中小於約10%、或在另一範例中小於約5%、或在其他範例中將氧濃度目標訂為在約0.1至20%或0.1至10%的範圍內，其中所有值皆為原子百分比。
在一範例中，壓電層50可包含非中心對稱晶體、單晶層、多晶結構、或c軸指向大致垂直於基板表面22界定之平面的結晶材料。
在另一範例中，壓電層50可包含一或更多個鐵電材料，其中在處理期間內施加外部場以對齊微結構。在其他範例中，可使用一或更多個非鐵電材料，而在薄膜沉積製程期間內完成實質晶粒對齊。
在一範例中，壓電層50實質上為結晶或多晶，而c軸晶體指向大致垂直或正交於基板表面22的平面，亦即與z軸實質對齊。在為多晶時，晶粒的大部分(多於50%、60%、70%、80%或90%的晶粒)的c軸指向大致垂直於基板表面平面，此可使用x射線繞射來測量。材料可展示對應的顯著或主導的x射線繞射峰值接近2θ=36度繞射角，指示接近正交於基板表面22的良好c軸指向，表示(0002)晶體平面接近平行於基板表面。在一 些情況中，結晶壓電材料可展示高品質的結晶指向一致性，如由x射線搖擺曲線寬度(氮化鋁(0002)的FWHM峰值)指示，小於約20度、小於約10度、小於約5度、小於約3度、或小於約2度。
壓電層50的壓電係數d(或沿著任何軸的dij，或沿著特定軸的d33)大於0.1、大於1、大於2、大於4、或大於5pm/V，或在0.1至15pm/V範圍中(單位為每伏特微微米數)。壓電係數d的單位亦可表示為微微庫倫/牛頓，使得上述範圍均等於0.1至15pC/N。
壓電層50中的材料的壓電電壓係數g(或沿著任何軸的gij，或沿著特定軸的g33)可大於約1、大於10、大於20、大於40、大於50、或在1至150mV-m/N(每牛頓毫伏特-公尺數)的範圍中。壓電層50的相對介電係數ε/ε0可大於1、大於5、或大於10。壓電層50及(或)通透電極層的折射率可位於約1.7至約2.3的範圍中。此外，壓電層50可展示低膜應力，此膜應力的絕對值(拉伸或壓縮)可小於約1000百萬帕(MPa)、小於500MPa、或小於200MPa。
在一範例中，壓電層50的結晶結構可被大致分類為屬於分類32，或屬於分類3m。在更特定的範例中，壓電層50的結晶結構可由閃鋅礦結構表示為石英晶體或硫化鋅晶體。在一範例具體實施例中，c晶體軸可非正交於分類表面。在一相關範例中，底傳導電極40B與頂傳導 電極40T可放置在蝕刻在壓電層50內部的長形溝槽中，而非放置在壓電層的兩個大型底表面與頂表面上。
在一範例中，結晶壓電層50可由以下來獲得：(i)所需壓電材料的結晶晶圓的離子佈植；(ii)隨後，將離子佈植表面接合至要做為觸控感測玻璃外蓋的玻璃基板；以及(iii)隨後，將離子佈植側上的結晶晶圓的層，與結晶晶圓的其他層分離。溝槽的蝕刻以及傳導電極的拋棄，可在將壓電層50附接至玻璃基板及分離自結晶晶圓的之前或之後完成。
在另一具體實施例中，壓電層50展示壓電效應與熱釋電(pyroelectric)效應兩者。在一些具體實施例中，熱釋電性產生的電性訊號不用於壓力感測。相對的，將由壓電效應產生的訊號成分，與由熱釋電效應產生的訊號成分實質隔絕(分離)。在一範例中，使用機械性手段與熱性手段的結合者，及(或)在時域及(或)頻域中的電性或軟體技術(例如濾波)，來完成此訊號分離，此將於下文討論。
可使用已知於技術領域中的薄膜技術構成PE膜結構10的不同層，例如濺鍍(sputtering)、反應式濺鍍、電子束蒸鍍、化學氣相沈積(CVD)、電漿化學氣相沈積(PECVD)或脈衝雷射沈積(PLD)。其他氣相沉積方法諸如亦可被利用於一些情況中。
在各種範例中，將壓電層50離散化或「像素化」以形成電性隔絕區域，或可形成為網格。在一範例中， 壓電層50不同區域中的空間或間隙，可被由介電材料或具有低傳導度或低壓電功能的類似材料填充。在一範例中，介電材料的折射率類似於壓電層50的壓電材料，使得型樣大致上為不可見的。
壓電感測器系統
第3圖為範例壓電(PE)感測器系統80的示意圖，系統80利用第1圖與第2圖的範例膜結構10，膜結構10在一範例中可為說明於下文的範例PE觸控感測器(PETS)膜結構10S之一者。PE感測器系統80經配置以在力F施加至PE膜結構10時，經由壓電層50中的壓電效應產生訊號(電壓或電流)。第3圖圖示由手指81施加的力F，其中力F使得壓電層50中產生機械應力，而經由壓電效應引出訊號。手指81施加至PE膜結構10的上表面(觸控表面)34，在本文中稱為「觸控事件(TE)」，而觸控事件的(x,y)位置被稱為「觸控位置(TL)」。
PE感測器系統80包含電性連結82B與82T，電性連結82B與82T分別連接至作為底電極與頂電極的底傳導層40B與頂傳導層40T。電性連結82B與82T可例如包含前述的薄金屬線、配線或跡線。
電性連結82B與82T亦可電性連接至訊號處理系統83，訊號處理系統83經配置以處理由PE膜結構10輸出的電性訊號。在一範例中，訊號處理系統83包含類比電路84。在一範例中，類比電路84包含差動放大器、積分器或微分器。類比電路84可用於在來自PE膜結構的 訊號(輸出電壓或輸出電流)為低時，將來自PE膜結構10的訊號放大。類比電路84亦可用於在將總和電荷作為測量施加至PE膜結構10應力的手段時，將電流訊號積分。類比電路84可替代性地在將電流導數作為測量脈衝應力峰值的手段時，將訊號微分。
第3圖圖示產生於底與頂通透傳導層40B與40T的底電壓VB與頂電壓VT，並圖示類比電路84產生作為範例類比輸出訊號SA的輸出電壓VOUT。類比輸出訊號SA亦可為電流訊號，例如iOUT。
PE感測器系統80的訊號處理系統83可可選地包含一或更多個類比濾波器86，類比濾波器86可藉由透過高通濾波隔絕輸出訊號的初始斜率，而執行均等於前述訊號微分的工作。可使用微分及(或)高通濾波萃取壓電訊號，同時實質上去除伴隨的熱釋電訊號(在不想要熱釋電訊號時)。此外，可使用由類比濾波器86執行的帶通或低通濾波，以消除類比輸出訊號SA中的高頻雜訊。
PE感測器系統80的訊號處理系統83亦包含類比至數位轉換器(analog-to-digital converter；ADC)，ADC接收類比輸出訊號SA並將類比輸出訊號SA轉換成數位輸出訊號SD。訊號處理系統83進一步可選地包含電性連接至ADC 88的數位濾波器90，如同類比濾波器86對於類比輸出訊號SA般，數位濾波器90作為對於數位訊號SD的對比的濾波功能。因此在一範例中， 僅利用濾波器86(類比)或濾波器90(數位)的一種類型。
PE感測器系統80的訊號處理系統83亦包含中央處理單元(CPU)92，CPU 92電性連接至ADC 88(例如透過可選的數位濾波器90)。CPU 92可包含體現於非暫態性電腦可讀取件中的指令(例如邏輯、軟體、韌體等等)，指令可處理所接收的數位輸出訊號SD(例如)以決定訊號SD是否符合一或更多個訊號要求。
在一範例中，CPU 92決定對於一或更多個觸控事件TE之每一者的至少一個觸控感測特徵，諸如：觸控位置TL的位置；施加於觸控位置處的壓力量；施加於觸控位置處的力量；觸控事件的持續期間；觸控位置的尺寸；觸控位置的形狀(例如諸如由滑動距離或形狀所形成)；加速度；以及聲學感測(諸如對於語音指令)。
在一些具體實施例中，PE感測器系統80亦可用於採集震動能量，以提供有用的能量給其系統的其他部件，或產生可儲存於電池(未圖示)的能量。在此種PE感測器系統80的能量採集具體實施例中，訊號處理系統83可不要求太多的訊號處理或計算能力。
如前述，在範例PE感測器系統80中，熱釋電效應與壓電效應的結合者發生於壓電層50中，並產生來自PE膜結構10的類比輸出訊號(電壓或電流)SA。輸出訊號SA隨後經處理，以推導出相關聯於觸控事件TE的一或更多個特徵。在其中由經濺鍍氮化鋁膜形成壓電層 50的範例中，由熱釋電效應產生的電性輸出(電壓或電流)可相當於或大於壓電效應。
在另一範例PE感測器80中，大量減少或排除熱釋電效應，使熱釋電效應不貢獻至類比輸出訊號SA。此係由確保壓電層50結晶結構的對稱性質抑制或防止熱釋電效應，而同時支持壓電效應來完成。
發明人已認知到，若在最早感測到觸控事件TE之後隨即大約40毫秒(ms)、60ms、80ms、100ms或120ms的週期內收集類比輸出訊號，則可增強PE層50對於類比輸出訊號SA的壓電貢獻(壓電成分)，相對於對於類比輸出訊號的熱釋電貢獻(熱釋電成分)。
此外，已發現提升基板20的厚度THS，在訊號收集週期內(在收集週期選為120ms或更少的等級時)，增強類比輸出訊號SA的壓電訊號貢獻(壓電成分)，並減少熱釋電訊號貢獻(熱釋電成分)。
在一範例中，基板20的厚度THS較佳地大於或等於0.4、0.5、0.6、0.7毫米(mm)，且特別大於或等於0.8、0.9與1.0mm。接觸手指81的表皮的角膜層的熱傳導度，通常小於玻璃熱傳導度幾倍，且厚度為0.5mm等級。將基板厚度THS提升至0.5mm以上，並對基板20選擇具有較高熱傳導度的材料(特定而言高於1W/m．K，且特別高於1.2W/m．K)，可用於提升壓電訊號部件的隔絕(分離)。
此外，使用對於來自PE感測器80的類比輸出訊號SA的頻域濾波，以進一步隔絕壓電訊號成分與熱釋電訊號成分，並亦提升訊號對雜訊比。特定而言，訊號處理系統83可經配置以執行截止頻率f 1在約7赫茲(Hz)與約30Hz之間、或在約8Hz與25Hz、或在約10Hz與20Hz之間的高通濾波。此外，訊號處理系統83可經配置以執行低通濾波，以去除類比或數位輸出訊號SA或SD的雜訊，此低通濾波的截止頻率f 2在約10Hz與約10kHz、或在約15Hz與5kHz之間、或在約20Hz與1kHz之間。
在另一具體實施例中，產生來自壓電效應與熱釋電效應的電性訊號(脈衝)以形成類比輸出訊號SA，而訊號處理系統82經配置以分析此輸出訊號的導數。特定而言，熱釋電效應對於脈衝開端處導數的貢獻部分較低(相較於脈衝較後處)。因此，用於估算相關聯於觸控位置TL處的觸控事件TE的特徵或功能性的訊號，可被選擇為與在脈衝開端處收集的電性類比輸出訊號部分的導數成比例，或與來自脈衝前1ms、2ms、5ms、10ms或20ms的平均導數成比例。
在一範例中，訊號處理系統83可經配置以將類比輸出訊號SA整體脈衝波形數位化為數位輸出訊號SD，數位輸出訊號SD隨後被暫時儲存並分析。或者，訊號處理系統83可經配置以由已知於發明技術領域中的方法萃取類比輸出訊號SA的導數，此方法可涉及將脈衝延 遲，產生脈衝的放大版本，以及在電壓、電荷或電流變得高於某些正值或低於某些負值時觸發。此觸發被用於指示抵達了前緣需要被找到並測量的脈衝。
前述對於處理類比輸出訊號SA以減少或減輕熱釋電效應的具體實施例，與具有顯著熱傳導度的結晶基板20結合之下可工作得特別良好。此種基板20藉由透過基板主體快速傳熱，防止壓電層50的溫度快速上升，而在開端處稍微延遲熱釋電響應的峰值。此些微的延遲得到數ms至數十ms，直到透過基板20主體的溫度開始在所接觸區域中明顯改變為止。
第4圖類似於第3圖，並圖示說明PE感測器80的具體實施例，此PE感測器80包含放置在壓電層50與基板20之間的具有厚度TH26的結晶層26。在一範例中，結晶層26的厚度TH26具有小值或中等值，例如位於約TH26=20微米(μm)至約300μm的範圍中，同時進一步地在一範例中，基板20的厚度THS>0.3mm。晶體層26的大熱傳導度用於延遲壓電層50的溫度上升數毫秒，使得類比輸出訊號SA前緣導數的主要部分係肇因於壓電效應。對結晶層26使用混合晶體一玻璃，可幫助減少此具體實施例的成本(相較於僅使用晶體材料)。
如上面所提及的，PE感測器80的具體實施例，利用對於在類比輸出訊號SA前導部分處導數的測量。在此情況中，可對熱釋電效應在初始訊號導數中的貢獻校正最終類比或數位輸出訊號SA或SD，此係藉由將與 脈衝較後部分期間積分電荷成比例的部分，加入初始導數或從初始導數減去。此可於類比域對類比輸出訊號SA完成，或可在將脈衝數位化而形成數位輸出訊號SD之後完成。
可基於熱釋電訊號對脈衝初始導數的貢獻的正負號，是否與壓電效應的貢獻相同，而執行加入校正部分或減去校正部分。此相應地取決於對於特定裝置尺寸，適當的熱釋電係數相對於等效壓電係數的相對正負號，並取決於觸控裝置的溫度(諸如人手指皮膚溫度)在觸控事件TE隨即之前是高於或是低於壓電層50的溫度。
範例PE膜結構
揭示內容的態樣包含基於前述PE膜結構10的範例膜結構，此範例膜結構包含額外的層及(或)特徵而加入一或更多個觸控感測功能性，以致能在使用於PE感測器80中時決定在一或更多個觸控位置TL處的一或更多個觸控感測特徵。下面將這些PE膜結構稱為PE觸控感測(PETS)膜結構10S。
第5圖為PETS膜結構10S第一範例的前視分解圖。PETS膜結構10S包含PE膜結構10的層，即基板20、底光學層30B與頂光學層30T、以及底傳導層40B與頂傳導層40T。底傳導層40B與頂傳導層40T現在被型樣化(例如於x-y網格中)，以界定各自的頂型樣化電極與底型樣化電極。在一範例中，光學層30T的最上層32T作為使用者介面層。在一或更多個具體實施例中，光學層 30T界定上表面34，並可包含具有高硬度、高抗磨度及(或)高抗刮度的材料或結構。
PETS膜結構10S亦包含底通透電磁(EM)屏蔽層110B與頂通透EM屏蔽層110T，EM屏蔽層110B與EM屏蔽層110T分別位於底傳導層40B與頂傳導層40T下方。用於EM屏蔽層110B與110T的範例材料，包含TCO、金屬、碳奈米管、石墨烯等等。EM屏蔽層110B與110T可包含用於屏蔽的傳導材料，以及用於將EM屏蔽中的傳導體與型樣化電極中的導體隔絕的隔絕材料或層。用於隔絕層的範例材料，可包含二氧化矽、SiNx、以及其他已知於顯示器與觸控感測器技術領域中的介電材料。底EM屏蔽層110B與頂EM屏蔽層110T為可選的特徵，並用於減少雜訊。
PETS膜結構10S亦包含至少一個投射式電容觸控感測器層(「P-CAP層」)120，作為範例而將P-CAP層120圖示為位於緊接基板20下方。在一範例中，P-CAP層120包含在隔絕膜層124上的型樣化TCO 122，其中相對於底型樣化傳導層40B與頂型樣化傳導層40T及(或)EM屏蔽層110B與110T，TCO型樣具有較大或錯位(misaligned)的覆蓋區域，以避免使P-CAP層完全屏蔽自傳導層或EM屏蔽層。P-CAP層120可為單面或雙面。P-CAP層120亦可位於基板20上方，例如在基板上表面22頂端，如第6圖圖示。亦可利用多個P-CAP層120。
在一範例中，基板20的形式可為隔絕膜層(或可由隔絕膜層替代)，此隔絕膜層可為硬層或光學層。在一或更多個P-CAP層120上方及(或)下方亦可存在額外的光學層。
底傳導層40B與頂傳導層40T作為電極，並用於萃取由發生在PE層50中的壓電效應所產生的類比輸出訊號SA。在一範例中，底傳導層40B與頂傳導層40T的網格結構，分別界定開口41B與41T。在各種範例中，開口41B與41T包含多於30%的層區域，較佳地包含多於50%的總和層區域，且理想地包含多於70%的總和層區域。此外，開口41B與41T的平均尺寸較佳地大於基板20厚度THS的約30%，同時在另一範例中為在基板厚度THS的層級，同時在另一範例中實質上大於基板厚度THS。這些具體實施例在P-CAP層120位於基板20下方時(如第5圖圖示者)特別有用。
第7圖類似於第5圖，並圖示範例PETS結構10S，其中壓電層50被由空間51型樣化(例如作為x-y網格)。此允許基於觸控事件TE的位置選擇性致動壓電層50，並提供觸控位置功能性。
第8圖類似於第5圖，並圖示範例PETS結構10S，其中P-CAP層120放置在壓電層50與底傳導層40B之間。此配置致能電容觸控感測以界定觸控事件TE的位置，並致能壓電觸控感測以提供一或更多個觸控感測特徵(壓力感測為一種範例特徵)。在一範例中，P-CAP 層120的電極亦可作為由底傳導層40B界定的底電極。在另一範例中，底電極40B與P-CAP層分離，雖然底電極40B亦可與P-CAP層交插。
第9圖類似於第8圖，並圖示範例PETS結構10S，其中P-CAP層120放置在壓電層50與頂傳導層40T之間。在諸如第8圖與第9圖圖示的PETS結構10S配置中，可依所需在臨接的傳導層之間加入隔絕層(未圖示於圖式中)，諸如在P-CAP層120中的鄰接傳導層之間，或在P-CAP層與底傳導層40B或頂傳導層40T之間。此種隔絕層與方法已為在觸控感測器設計技術領域中具有通常知識者所知。
第10圖類似於第9圖，並圖示說明範例PETS結構10S，其中底傳導層40B與頂傳導層40T僅有一者被型樣化(為了說明，將頂傳導層40T圖示為被型樣化)。在此情況中，P-CAP觸控層120被放置在非型樣化(或「連續的」)底傳導層40B(作為連續電極)上方，以避免底傳導層40B造成使用者輸入表面34與P-CAP層120之間的屏蔽。
第11圖類似於第10圖並圖示說明替代性具體實施例，其中可移除底傳導層40B，並可使用P-CAP層120的傳導部分122，以作為用於與壓電層50與頂傳導層40T一起工作，而電性感測P-CAP層中產生的電壓或電流的底電極。
第12圖為在壓電層50相對側上的底傳導層40B與頂傳導層40T的範例配置的正視分解圖。在範例配置中，頂傳導層40B與底傳導層40T之每一者被形成為條帶，而頂傳導層條帶運行在y方向並形成「行」42T，而底傳導層條帶運行在x方向並形成「列」42B。條帶42B與42T之每一者可構成通透傳導體的連續層或鄰近層，或可包括在稀疏網格中。此配置相似於用於電容觸控感測裝置的配置，並致能藉由處理來自列42B與行42T的訊號而決定觸控位置TL。
在一範例中，傳導層40B或40T之一者被保持在接地面，並測量來自另一傳導層的第一組類比輸出訊號SA。接著將另一傳導層保持在接地面，並測量來自非接地通透傳導層的第二組類比輸出訊號SA。隨後由CPU 92處理第一組與第二組類比輸出訊號SA(見第3圖)，以萃取觸控位置TL至行列結構的解析度之內，此部分由傳導條帶42B與42T的寬度與間隙界定。
第13A圖為形成在壓電層50頂端的範例頂傳導層40T的俯視圖。由複數個電性隔絕傳導區域43界定頂傳導層40T。鄰接的隔絕區域43被間隙44分離，並可經由配線(亦即傳導線)82T個別定址，配線82T選徑通過間隙至訊號處理系統82(未圖示；見第3圖)。頂傳導層40T的分段配置，允許局部偵測相關聯於觸控事件TE的觸控位置TL。第13A圖的配置減少了壓電層50區域產生的「負載」效應，這些區域不直接經歷任何壓力但貢獻 至類比輸出訊號SA。減少負載效應提升類比輸出訊號SA的強度。
為了說明上述要點，第13B圖為具有壓電層50的範例結構的示意截面圖，其中連續的底傳導層40B與頂傳導層40T(亦可為連續的、未隔絕的傳導線)層疊壓電層。第13B圖亦圖示結構所形成的均等電路48。在手指81在觸控位置TL施加壓力時，均等電路48的全部被啟動至變化的程度，並貢獻負載總和類比輸出訊號SA(見第3圖)。
第13C圖類似於第13B圖但圖示第13A圖的分段配置，其中頂傳導層40T被分成前述的隔絕區域43。在此情況中，在手指81在相關聯於隔絕區域43之一者的觸控位置TL處施加壓力時，僅啟動局部均等電路48，使得所產生的類比輸出訊號SA僅來自相關聯於觸控位置TL的局部區域43。
第14圖為包含多個壓電層50的範例壓電結構52的截面圖。多個壓電層50、兩個底傳導層40B與頂傳導層40T、以及兩個中介或中間傳導層40M被設置為堆疊配置，其中中間層被插入在鄰接的壓電層之間。壓電層50具有相同的極化P。底傳導層40B與頂傳導層40T用於訊號收集傳輸，同時中間層40M用於應力釋放。
在範例中，中間層40M可由傳導材料或非傳導材料製成，只要材料為通透的並執行所需的應力釋放功能。中間層40M亦可用於執行光學功能，亦即被設計以 由選定方式貢獻壓電結構52的總和反射度或色彩。在其中單一壓電層50的輸出訊號過低或訊號處理系統83具有太多雜訊的情況中，第14圖的壓電結構52的堆疊配置可用於強化類比輸出訊號SA。
第15圖為圖示第14圖壓電結構52的陣列的前視圖，其中壓電結構由以介電材料製成的密封層53電性隔絕。第15圖的配置可用以提供空間解析式觸控感測，而無需使用個別感測器以進行x-y位置感測。
第14圖的壓電結構52的堆疊配置的另一優點，為在由於應力而難以生展大厚度單晶體的情況中，此配置允許由良好排序的晶體結構形成非常厚的堆疊。對於堆疊中的所有層，應力釋放層40M允許良好的晶體品質以及共同的晶體指向，允許最大總和電性極化，且因此允許對於典型施加應力的最大電壓。對於壓電結構52中的所有壓電層50，極化P的主要指向共同為上或下。
第16圖為範例壓電結構52的前視圖，壓電結構52具有多個壓電層50的堆疊配置，其中極化方向P位於層平面中(亦即x-y平面中)，且方向交替(亦即+x方向或-x方向)。壓電結構52包含傳導電極40L與40R，傳導電極40L與40R各自位於壓電層50的左側與右側上。使用隔絕層47以電性隔絕鄰接的壓電層50。類似於第14圖的壓電結構52堆疊配置，在其中單一壓電層50的類比輸出訊號過低或具有太多雜訊的情況中，第16圖的堆疊配置亦可用於強化類比輸出訊號SA。
在第16圖的壓電結構52中，每一壓電層50具有在給定層平面中的極化方向P，此方向P垂直於應力方向。c軸的主要結晶指向在比鄰的壓電層50之間交替。
如同第14圖的壓電結構52，在形成及型樣化壓電結構之後，可由介電密封層53電性分離壓電結構52的不同堆疊。此外，可部署第16圖的壓電結構52陣列，以提供空間解析式感測(亦即觸控位置功能性)，而無需使用個別感測器以進行x-y位置感測。
第18圖為另一範例壓電結構52的前視圖，其中壓電層包含「水平堆疊」區域54，亦即具有並列配置。壓電層50的每一區域54具有在層平面中的極化方向P，極化方向P垂直於應力方向(亦即在x-y平面中)。右傳導層40L與左傳導層40R位於鄰接壓電區域54的左邊緣與右邊緣。
壓電層50由介電結構47電性隔絕，從而界定區域54。介電結構47可被使用沉積製程形成為型樣化介電質。介電結構47可被沉積於壓電層50之前與之後，用以密封並電性隔絕壓電層的不同區域54。亦可利用前述做法之結合者，以形成用於電性隔絕壓電層不同區域54的介電結構47。c軸的主要結晶指向在比鄰的共平面壓電層之間交替。可部署多個壓電結構52以提供觸控位置功能性，而無需使用個別感測器以進行x-y位置感測。
第18圖類似於第17圖並圖示說明壓電結構52的範例配置，其中壓電層50的區域54具有相同的極化 方向P。此性質需要不同的界定電極的傳導層配置。亦可利用前述作法的結合者以形成介電結構47，介電結構47用於電性隔絕壓電層50的不同區域54。可部署多個壓電結構52以提供空間解析式感測，而無需使用個別感測器以進行x-y位置感測。
顯示組件
第19A圖為範例顯示組件200的正視分解圖，而第19B圖為顯示組件200的正視圖，顯示組件200包含本文所揭示的PE感測器系統80，PE感測器系統80可相關於具有上表面212的裝置210來可操作地設置(亦即可操作地介面連接)。一種範例裝置210為顯示系統，此顯示系統可為包含顯示器的任何系統，諸如智慧型手機、平板電腦、膝上型電腦、電視、電腦監視器或顯示器等等。裝置210亦可為非顯示式裝置，諸如家電、儀器、機器等等。在一範例中，裝置210發出光214，光214在一範例中代表顯示影像。
在一範例中，裝置210包含使用者介面213，在一範例中使用者介面213包含符號表示215(例如按鈕、標籤、指標、圖標等等，諸如圖示在第19A圖封閉嵌入方塊中者)。透過PETS膜結構10S來觀看使用者介面213，PETS膜結構10S針對裝置210的非觸控感測的或觸控感測受限的使用者介面213，提供一或更多個所想要的觸控感測特徵。在一範例中，由顯示器形成使用者介面213，例如形成為顯示影像。在一範例中，PETS膜結構 10S作為對於裝置200的觸控感測顯示外蓋。在一範例中，使用者介面213包含圖形使用者介面(graphical user interface；GUI)。在一範例中，在其中裝置210為顯示系統的範例中透過上表面212發出可見光214。在另一範例中，上表面212反射可見光214。在一範例中，可見光214構成顯示影像。
在一範例中，PE感測器系統80包含本文所揭示之PETS膜結構10S之一者，此PETS膜結構10S提供至少一個觸控感測特徵，例如包含觸控位置決定與壓力感測。第19C為第19B圖顯示組件200的截面圖，第19C圖亦圖示手指81接觸觸控表面34，其中手指在觸控位置TL處在PETS膜結構10S上產生觸控事件TE。除了手指81以外的其他實施例可被用於產生觸控事件TE，諸如尖筆、筆、鉛筆等等。
回應於觸控事件TE，PETS膜結構10S產生類比輸出訊號SA，類比輸出訊號SA被訊號處理器83處理，而建立至少一個觸控感測特徵，包含：觸控位置TL的位置；施加於觸控位置的壓力量；觸控事件持續期間；觸控位置尺寸(例如滑動距離或形狀)；加速度；諸如對於語音指令的聲學感測；以及震動能量採集。
在一範例中，PETS膜結構10S可提供壓電觸控感測與電容觸控感測的至少一者。在另一範例中，裝置210包含除了壓電觸控感測以外的至少一個類型的觸控感測功能性，使得顯示組件200包含兩或更多個不同類型 的觸控感測。在一個範例中，PE感測器系統80提供的觸控感測並不分辨觸控位置，並提供相關聯於觸控事件TE的測量功能，諸如壓力、力或持續期間。在另一範例中，PETS膜結構10S被配置以提供關於觸控事件TE的觸控位置TL的資訊，如上文所述。在一或更多個具體實施例中，顯示組件200可併入非電容性或電性觸控感測方法，諸如光學波導、光偵測、LCD單元內或單元上觸控感測器、以及類似者。
在本發明技術領域中具有通常知識者，將顯然可思及對於本文所說明的揭示內容的較佳具體實施例的各種修改，而不脫離如界定於附加申請專利範圍中的揭示內容的精神或範圍。因此，揭示內容涵蓋位於附加申請專利範圍的範圍及其均等範圍內的修改與變異。
10‧‧‧壓電(PE)膜結構
20‧‧‧基板
30B‧‧‧底光學層
30T‧‧‧頂光學層
34‧‧‧上表面
40B‧‧‧底傳導層
40T‧‧‧頂傳導層
50‧‧‧壓電層
F‧‧‧力
TL‧‧‧觸控位置
TE‧‧‧觸控事件
VT‧‧‧頂電壓
VB‧‧‧底電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
SA‧‧‧類比輸出訊號
SD‧‧‧數位輸出訊號
80‧‧‧PE感測器系統
81‧‧‧手指
82B‧‧‧電性連結
82T‧‧‧電性連結
83‧‧‧訊號處理系統
84‧‧‧類比電路
86‧‧‧類比濾波器
88‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
90‧‧‧數位濾波器
92‧‧‧中央處理單元(CPU)

Claims (10)

  1. 一種對可見光為實質上通透的壓電膜結構，該壓電膜結構包含：一通透基板；至少一個通透壓電層，該至少一個通透壓電層放置在該基板上；一通透頂傳導層，該通透頂傳導層放置在該至少一個通透壓電層上或在該通透基板與至少一個通透壓電層之間；以及一通透頂光學層，該通透頂光學層放置在該通透頂傳導層上，且該通透頂光學層包含一或更多個頂介電層。
  2. 如請求項1所述之壓電膜結構，該壓電膜結構進一步包含：一通透底光學層，該通透底光學層放置在該通透基板上(或在該通透基板上方)，且該通透底光學層包含一或更多個底介電層；以及一通透底傳導層，該通透底傳導層放置在該通透底光學層上(或在該通透底光學層上方)，其中：該通透頂傳導層與該通透底傳導層之每一者包含下列之一者：氧化銦錫(ITO)、氧化鋅鋁(AZO)或一薄金屬；以及 該通透壓電層包含至少一個壓電材料，該至少一個壓電材料係選自包含下列壓電材料之群組：硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鋅(ZnTe)、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、氧摻雜氮化鋁(oxygen-doped AlN)、鈦酸鋇(BaTiO3)、無鉛鈮酸(lead-free niobate)、鉛鋯鈦酸鉛(PZT)、鉛-鑭鋯鈦酸(PLZT)、和無鉛鈦酸(lead-free titanate)。
  3. 如請求項1或請求項2所述之壓電膜結構，其中該通透壓電層由具有上至20原子百分比的氧的氧摻雜氮化鋁所組成，且其中該至少一個壓電層可選地具有一厚度TH50，該厚度TH50的範圍為50nmTH505000nm。
  4. 如請求項1或請求項2所述之壓電膜結構，該壓電膜結構具有下列性質之至少一者：(i)經Berkovich壓痕測試測量之大於8GPa的一硬度；以及(ii)小於2%的一晝視平均反射度，以及在0°至60°光投射範圍中在a*與b*座標兩者中均小於5的一角色彩偏移。
  5. 一種壓電感測器系統，包含：如請求項1或請求項2所述之該壓電膜結構，其中 該壓電膜結構回應於該通透頂光學層上的至少一個觸控事件，而產生一輸出訊號；以及一訊號處理系統，該訊號處理系統電性連接至該底通透傳導層與該頂通透傳導層，且該訊號處理系統處理該輸出訊號以決定相關聯於該至少一個事件的至少一個感測特徵，其中該感測器包含下列之至少一者：該至少一個感測特徵包含一觸控感測特徵，且該至少一個事件包含一觸控事件，且該至少一個觸控感測特徵對於每一觸控事件包含：該觸控事件的一觸控位置、一壓力量、一力量、一持續期間、一尺寸、一形狀、一加速度、聲學感測、以及震動能量採集。 該至少一個感測特徵對於每一事件包含：超音波接近性感測、超音波成像、超音波清潔、超音波資料或能量傳輸。
  6. 一種顯示組件，包含：一裝置，該裝置具有一使用者介面；以及如請求項1或請求項2所述之該壓電感測器系統，該壓電感測器系統相對於該裝置放置，使得可透過該壓電感測器系統的該壓電膜結構觀看使用者介面，其中該裝置為一顯示系統，該顯示系統透過該表面發出 光，其中該光界定該使用者介面並行進通過該壓電膜結構。
  7. 一種壓電膜感測器，該壓電膜感測器具有回應於在一觸控位置處的一觸控事件的觸控感測能力，該壓電膜感測器包含：第一與第二通透傳導層，該第一與該第二通透傳導層界定第一與第二電極；至少一個通透壓電層，該至少一個通透壓電層插入在該等第一與第二電極之間，或放置為鄰接於該等第一與第二電極；其中該第一電極、該第二電極與該至少一個通透壓電層經配置以提供觸控位置功能性，並回應於該觸控事件而產生一輸出訊號；第一與第二通透光學層，該第一與第二通透光學層分別放置為鄰接該等第一與第二電極並相對於該壓電層，而該第一通透光學層界定一最上表面；一基板，該基板放置為鄰接該第二光學層；以及一訊號處理系統，該訊號處理系統電性連接至該底通透傳導層與該頂通透傳導層，且該訊號處理系統經配置以處理該輸出訊號以決定相關聯於該至少一個觸控事件的至少一個觸控感測特徵，其中該至少一個觸控感測特徵包含下列之一或更多 者：該觸控事件的一觸控位置、一壓力量、一力量、一持續期間、一尺寸、一形狀、一加速度、聲學感測、以及震動能量採集。
  8. 如請求項7所述之壓電膜感測器，其中該輸出訊號包含壓電成分與熱釋電成分，且其中該訊號處理系統包含一或更多個濾波器，該一或更多個濾波器設置為對該輸出訊號濾波，以實質分離該壓電成分與該熱釋電成分。
  9. 如請求項7與請求項8之任一者所述之壓電膜感測器，其中該至少一個壓電層包含下列之任一者：多個垂直堆疊的壓電層，多個水平堆疊的壓電層，以及一單一連續壓電層，其中該第一電極比該第二電極還接近該最上表面，且其中該第一電極包含間隔開且電性隔絕的區域，該等區域可經由對該訊號處理系統的電性連結被獨立地電性定址。
  10. 一種顯示組件，包含：一裝置，該裝置具有一使用者介面；以及如請求項9所述之該壓電感測器，該壓電感測器可操作地相對於該裝置放置，使得可透過該壓電感測器系統的該壓電膜結構觀看使用者介面，其中該裝置為一顯示系統，該顯示系統透過該表 面發出光，其中該光界定該使用者介面並行進通過該壓電膜結構。
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