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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

微形變壓阻感測技術 點點手指,讓觸控生活更美好

文/魏茂國

觸控技術的應用,已逐漸成為生活中不可忽視的一大主流;但在觸控技術的背後,壓力感測技術更可說是不可或缺的要角。運用「微形變壓阻感測技術」,除了能夠讓觸控介面更具深度,帶領發展更多元的應用外,還可結合許多現有產品或使用情境,發揮輕薄柔軟的特性,為人類生活帶來更多便利與效益。

觸控螢幕在現今電子產品上受到廣泛的運用,在各式手機、電腦、螢幕等互動介面上,只需要點移手指,就可以快速簡易地操控,也為生活帶來無數便利。然而,也一定有很多人在使用這些電子產品時,無意間有過這樣的經驗,就是當手指點按移動不夠確實,就得重新再操作一次,或者是不小心點選到圖示,卻已經進入程式畫面;雖然都不是太大的麻煩,但也顯示出觸控螢幕的操作,其實還有不少奧妙。

以一般電阻式的觸控面板,即是透過對螢幕的施力,使上下兩層電極間經過按壓導電後,藉此偵測觸控位置並控制各項運作,常見的跳舞機就是一例;而且依照通電與否的特性,這種觸控面板通常僅具備開(on)與關(off)的功能,也就是只要達到通電效果後就會開始執行工作,否則就不會有任何反應。不過這也說明了,使用者必須達到該電子設備或觸控面板所設定的通電數值,如果力道不足或施力位置不夠清楚,就會產生前述需重新操作的狀況。

導入壓力感測技術,讓使用者在觸控操作各種電子用品時,可以更方便、更簡單、更具直覺性。但事實上,壓力感測技術的應用,還不僅只於消費或資訊類別的電子產品;特別是在降低厚度與體積的需求,以及軟性電子技術的開發趨勢下,所需要的是能夠更容易與各類型產品結合的觸控媒介。工研院的「微形變壓阻感測技術」,即是能提高應用與互動的層次及深度,讓生活環境達到觸控無所不在的創新突破。

精確與靈敏表現更佳

工研院電子與光電研究所軟性電子系統組組長胡紀平指出,「微形變壓阻感測技術」在整體結構概念上並無特殊之處,同樣是採用電阻式的觸控原理,並因應「軟性」電子的需求,將上下兩層電極改為導電塑膠,中間的壓阻材料,則是以具導體功能的碳黑為主;當感測器受到壓力時,其中的碳黑導體間距離便會縮短,使電阻減少,導電度也就隨之增加,進而達到變壓阻感測的目的。

但在「微形變壓阻感測技術」中較為特殊的,是當製作成感測器時,可以量測到不同「深度」的外來重量,意即能夠透過電阻大小的反應狀況,來了解施力的不同與變化,迥異於只有「開」與「關」的兩極功能,而是擁有灰階、無段的特性;因此在同一個施力點上,若給予不同的力量,就可設計各種相對應的操控或呈現,產品的樣貌與應用的可能也就更多元。

要能夠明白反應電阻的灰階變化,在於感測器的在線性表現需要具有更高的水準,即是當重複給予相同的壓力時,得到的反應曲線要夠直、落差愈小愈好,能在不同壓力之間清楚辨別,也代表著精確度和靈敏度愈高。透過材料配方與結構體的設計,使得「微形變壓阻感測技術」能具有良好的在線性,感應誤差可低於2.5%,遠優於國外近似技術的3%至7%,也是與一般僅有開關功能或其他軟性壓力感測器更具優勢的地方。

在「軟性」的特色上,微形變壓阻感測技術可使感測器更為輕薄、抗摔,還可撓曲,而且經由成本較低、類似報紙的網版印刷製程,還能以大面積、卷對卷(Roll to Roll)連續式生產,並可設計成不規則的形狀及尺寸,與非平面的產品或物體貼合,同時感測器因受壓時才會通電,使得耗電量也相當低。

胡紀平表示,在研究過程中,研發團隊希望能以互動性的應用來表現出技術的特性。例如研發團隊利用「微形變壓阻感測技術」製作了數位電子鼓,每個鼓面就有約15公分見方;當以鼓棒敲擊時,就可透過壓力感測和計算,準確演奏出多段音準,包括聲音的大小,而且整組鼓只有薄薄一片,不再像過去那麼笨重。

軟性特質提升應用層面

不論在成本、結構、應用等方面都具有許多優勢的軟性電子,是近年來發展極為快速的技術領域,估計2017年軟性電子市場將高達300億美元。胡紀平認為,軟性電子的運用其實很貼近人類的感官,像是觸控的部份,就如同人類的皮膚;如果將「微形變壓阻感測技術」應用在機器人的手上,就能有不同的壓力感測,並控制機器人的施力,帶出更精細的動作,以抓取或操控更軟性、易碎的物品。

另一方面,在軟性壓力感測器的研究中,亦有研發單位是藉由成本較高的半導體製程,製作體積微小的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微機電系統)感測器。不過MEMS感測器不僅價格較昂貴,同時在「軟性」的表現上,不如「微形變壓阻感測技術」來得柔軟,較難以達到軟性應用的目的,在精度上的展現也不足,並尚未能解決大面積的生產需求。

像以市面上有部份頂級車款,引進了賽車筒狀座椅的概念,透過附在汽車座椅上的MEMS感測器,偵測行駛中的身體擺動及不同部位的壓力呈現,適時提供氣囊式的支撐與包覆。工研院「微形變壓阻感測技術」於研究初期,也曾與賽車座椅廠商合作開發相同的產品,當感測到的壓力愈大時,氣囊也可以膨脹得更大,以提高駕駛與乘車時的舒適及安全性;而且因為使用的是非MEMS的軟性感測器,不僅能大範圍的使用,增加感應偵測的區域,並更能與座椅貼合,減低硬度的不適感。

胡紀平表示,研發團隊進一步所思考的,是能否將感測器的結構做得更簡單一些,於是才衍生出圓形顆狀的樣式,以方便透過圖案的大小與分布設計,來因應各種用途及目的,這同時也會影響承載重量的差異。以「微形變壓阻感測技術」的研發,目前施力重量從10公克到40公斤,都可以感測得到。

以近期工研院研發團隊所投入的研究,就是投入較複雜的醫療領域,與床墊廠商、資策會等單位合作,包括健康照顧床,或是供糖尿病患者使用的健康鞋墊等開發。以結合壓力感測的健康床為例,可以經由睡眠監控的機制,來偵測睡眠者在深層睡眠時,到底身體的哪個部位承受了過大的壓力,並且適時地幫助睡眠者翻身,以達到疏解壓力的目的。

同樣地,在附有感測鞋墊的健康鞋上,也可協助了解糖尿病患者腳部的壓力分布狀況,以提早預防褥瘡,或是藉以更改鞋型,以提供足夠支撐。胡紀平表示,「微形變壓阻感測技術」在與不同產品結合時,可以顯現更多應用機會和價值;而且雖然團隊力量有限,但仍可整合各種外部資源,共同為技術尋求出路。

成為人機介面樞紐

四年前才開始投入研發的「微形變壓阻感測技術」,即在2010年獲得美國華爾街日報(The Wall Street Journal)科技創新獎(Technology Innovation Awards)半導體類優選。胡紀平提到,當時評審對於這項技術的看法,在於展示了許多令人信服的應用,而且可以成為人類與物體之間的樞紐(hub),並確實具有功能性與潛在商用價值。

「微形變壓阻感測技術」的首度授權技術移轉,也正是與國內知名的環球水泥公司合作,透過該公司新成立的電子事業部,不僅跨入多元化的轉型經營,也更能實現高科技的生活化,目前並已建置生產線,規劃量產上游感測元件。另外,與和碩聯合科技公司及旗下的PEGA DESIGN設計團隊協同開發的「超薄行李測重配件」,也是首項推出的應用產品。

近年來陸續受到911事件、能源價格上漲與景氣起伏等影響,使得許多航空公司對於載運的乘客行李有了更嚴格的限制;但搭機旅客若想要知道自己的行李是否超重,除了尋找合適的磅秤來量測外,或得使用攜帶式的秤重計,不但笨重、使用上也很不方便。然而,「超薄行李測重配件」則是直接與行李箱的手把結合,只要將行李箱提起,把手上的感測器就會受到壓力,而上頭不同顏色的燈號,即可顯示目前行李是處於超重、即將達到重量限額、或是在安全的範圍內。

「超薄行李測重配件」的應用,不僅為消費者創造更便利的使用情境,更符合了「微形變壓阻感測技術」超薄、可彎曲、可與物體貼合等重要特性。胡紀平也說,雖然在商品售價上,端看廠商的訂價策略,但就技術本身與既有產品的整合,以發揮整體系統的價值,即是持續研發的重點。

持續整合資源共同發展

胡紀平表示,未來在「微形變壓阻感測技術」的發展上,工研院希望能扮演系統整合的角色,將技術引導到各方面的應用與異業的合作上,例如與LED技術的結合,就能以按壓觸控的方式,控制LED的顏色與亮度等。尤其在人與物的介面整合上,由於有「人」的使用,雖然需要克服不少問題,但也更能顯現技術的特色與專利的契機,也才是研發的真正重心。



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