EP1730483A2 - Kraftsensor mit organischen feldeffekttransistoren, darauf beruhender drucksensor, positionssensor und fingerabdrucksensor - Google Patents

Kraftsensor mit organischen feldeffekttransistoren, darauf beruhender drucksensor, positionssensor und fingerabdrucksensor

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Publication number
EP1730483A2
EP1730483A2 EP05700552A EP05700552A EP1730483A2 EP 1730483 A2 EP1730483 A2 EP 1730483A2 EP 05700552 A EP05700552 A EP 05700552A EP 05700552 A EP05700552 A EP 05700552A EP 1730483 A2 EP1730483 A2 EP 1730483A2
Authority
EP
European Patent Office
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force
field effect
sensor
organic field
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05700552A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hagen Klauk
Marcus Halik
Ute Zschieschang
Günter Schmid
Grzegorz Darlinski
Rainer Waser
Ralf Brederlow
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Polaris Innovations Ltd
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1329—Protecting the fingerprint sensor against damage caused by the finger
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/167—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using piezoelectric means

Definitions

  • the invention relates to a force sensor with organic field effect transistors, a pressure sensor, a position sensor and a fingerprint sensor, all of which are based on organic field effect transistors.
  • WO 03 / 079,449 AI (compare in particular FIG. 5 with the associated description on pages 10 and 11) describes a force sensor which is also used as a fingerprint sensor and a two-dimensional position sensor.
  • the structure shown in FIG. 5 has a sensor array above a pixel array having a large number of LEDs.
  • the sensor array consists of a sensor between a transparent upper electrode layer which, for. B. consists of ITO and an underlying conductive barrier material and an insulating leveling layer inserted compressible layer made of dielectric or very high-resistance material.
  • the distance between the electrode layer and the conductive barrier material changes, so that a measurable change in capacitance over the dielectric material or a reduction in the resistance over the very high-resistance material occurs.
  • the first part of the problem is solved by a force sensor based on an organic field effect transistor applied to a substrate, in which a mechanical force acting on the transistor causes a change in its source-drain voltage or its source corresponding to this force -Drain current caused, which can be recorded as a measurement for the acting force.
  • the organic ⁇ field-effect transistor is preferably a penta-zen transistor which has an active layer of pentazene between a drain and a source electrode.
  • the force sensor according to the invention thus uses the reproducible, reversible dependence of the drain current of an organic field effect transistor on the mechanical force acting on the transistor. Since organic field effect transistors can be integrated particularly easily and inexpensively on any substrates, such organic field effect transistors are particularly well suited for the implementation of force sensors.
  • Force sensor is the electrical measurand the drain source voltage of the organic field effect transistor. At the time of measurement, a constant gate-source voltage and a constant drain current are applied to it and the drain source voltage is tapped as a measurement for the force acting.
  • resistive pressure sensors either on the evaluation of the resistance change in me based "-metallic conductor paths (resistance change due to the" change in the geometric cross section of the track) or on the piezo-zoresistiven effect in a semiconductor structural ur.
  • piezoresistive pressure sensors are only suitable for measuring pressures in gaseous and liquid media, since direct contact with a solid object would destroy the extremely thin silicon membrane.
  • the pressure sensor according to the invention uses the reproducible, reversible dependence of the threshold voltage of organic field effect transistors on the bending state of the substrate.
  • the invention thus proposes an integrated pressure sensor based on a deformable membrane, in which the pressure change is based on the measurable change in the threshold voltage of one or more, which is dependent on the bending state of the membrane is based on the membrane of integrated organic field effect transistors (the threshold voltage is defined as the input voltage of the transistor at which the output current of the transistor increases suddenly due to the accumulation of a charge carrier channel).
  • Another application according to the invention of the force sensor according to the invention is a one- or two-dimensional position sensor for measuring the position of a mechanical force along a line or within a surface using a large number of force sensors according to the invention, each based on an organic field effect transistor, which are at regular intervals from one another Form a one-dimensional or two-dimensional matrix are arranged on a common substrate.
  • a predetermined number of force sensors which are generally based either on the resistive or the capacitive principle of action, have been arranged along a line or within a two-dimensional area.
  • the force exerted forces a film coated with an electrically conductive polymer against a metal contact structure, so that the electrical resistance measured between the metal contacts is measurably reduced. Due to the properties of the polymer layer the change in resistance over a relatively wide range depends proportionally on the mechanical force acting.
  • the acting force compresses an insulator layer located between two electrically conductive surfaces, the capacity of the arrangement increasing. However, the change in capacity is quite small.
  • the measurement data are recorded line by line by selecting all organic field effect transistors within a line by applying a corresponding gate-source voltage by means of a line decoder.
  • the gate-source voltage is selected so that the transistors in this row are switched on;
  • all other rows of the matrix are deselected by applying a corresponding gate-source voltage from the row decoder, so that the transistors in these rows are blocked and make no contribution to the measurement current.
  • the de-select voltage is selected so that the transistors block.
  • the measurement voltages dependent on the mechanical force acting on them that is to say the drain-source voltages of the individual transistors within the selected row, are recorded after activation of the constant current sources by a control and measurement unit connected to the columns of the matrix.
  • a further application of the force sensor according to the invention is a fingerprint sensor according to the invention, which shows the reproducible, reversible dependence of the drain current of organic field effect transistors arranged in a matrix uses the mechanical force acting on these transistors.
  • the fingerprint is usually identified by touching the fingertip with a two-dimensional arrangement (matrix) of individual sensors, with the aid of which the microscopic topography of the group of fingers is recorded point by point.
  • each of the individual sensors converts the characteristic physical variable (mechanical pressure or electrical conductivity) into an electrical variable, voltage, current or capacity that can be detected by the system, so that the electronic detection and evaluation of the the measurement results provided by the individual sensors is made possible.
  • Capacitive, piezoelectric or resistance effects are used to convert the physical to an electrical variable.
  • an inexpensive pressure sensor which is based on organic field-effect transistors.
  • this fingerprint sensor adequate resistance to aggressive substances, in particular human sweat, can be ensured by a suitable choice of protective layers.
  • the sensor system of the fingerprint sensor according to the invention essentially consists of a two-dimensional matrix organic field effect transistors with control and measuring unit and line decoder, as has already been described for a two-dimensional position sensor.
  • the protection of the sensor field against environmental contamination which is mainly caused by human sweat and which affects the longevity of such a sensor, is carried out by applying a one or two-layer protective layer on the sensor field.
  • Fig. 1 shows schematically in cross section a pentacene transistor, which preferably serves as an organic field effect transistor used in the invention
  • FIG. 2A and 2B show two alternative circuit variants which use the reproducible, reversible dependence of the drain current of a pentazen transistor according to FIG. 1 on the mechanical force acting on the transistor to generate an electrical measurement signal;
  • FIG. 4 graphically the difference between low and high states and the percentage change in the drain current as a function of the gate-source voltage
  • FIG. 5 schematically shows an application of the force sensor according to the invention as a membrane-based pressure sensor
  • FIG. 8 schematically shows a circuit arrangement of a two-dimensional position sensor using a flat matrix of a plurality of force sensors according to the invention
  • This invention describes a force sensor in which the force conversion is based on the measurable change in the drain current of an organic field effect transistor which is dependent on the magnitude of the force acting.
  • these transistors depend the drain current also depends on the mechanical force acting on the transistor. Since organic transistors can be integrated particularly easily and inexpensively on any substrates, they are particularly well suited for the implementation of force sensors.
  • a wide range of materials can be used for the material of the substrate, such as glass, ceramic, plastic, polymer film, metal foil and paper.
  • the polymer films are polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), polycarbonate, polyethylene ether ketone (PEEK). Thanks to this wide range of substrate materials, force sensors can be easily implemented, in particular for the various applications described below and for different measuring ranges, based on the same basic structure.
  • 2A and 2B show two circuit variants for force sensor elements based on organic transistors.
  • 2A shows a circuit arrangement for controlling the sensor, in particular the pentacene transistor 10 shown in FIG. 1, via a constant current source I Tavern and the measurement of the drain-source voltage of the transistor as a measurement variable V me ⁇ S - with constant drain current I assert and more constant
  • Gate-source voltage V tax depends on the measured voltage V mess only on the mechanical force acting and allows so it is a determination of the force acting on the pentacene transistor.
  • this mechanical force can act, for example, from above on the passivation layer 6 or via deformation, for example bending of the substrate 1 carrying the pentacene transistor.
  • FIG. 3 shows graphically measured values of the drain current I D (in amperes), which corresponds to the measurement variable I mess from the gate-source voltage V G s measured in volts, namely in solid lines in the depressurized state, that is, when no force acts on the force sensor and in broken lines when a mechanical force is exerted on the force sensor by means of a pin which can be lowered in a controlled manner.
  • the drain-source voltage V DS was constantly equal to 20 V.
  • FIG. 5 shows a pressure sensor arrangement in which the substrate 1 according to FIG. 1 is designed as a flexible membrane 11 which is firmly clamped on its outer edge and can be deflected upwards and downwards in its central regions.
  • a pressure P meSs to be measured acts from below and a reference pressure P ref from above acts on the membrane 11 and thus on the pentacene transistor 10 serving as a pressure sensor.
  • FIG. 6 graphically shows measurement results for the drain current I D in picoampers as a function of the percentage transistor expansion in the case of a pentazene transistor 10 integrated on a PEN membrane according to FIG. 5.
  • the basis for such a fingerprint sensor designed as a pressure sensor is a two-dimensional sensor field, as has been described above with reference to FIG. 8.
  • the measurement data is acquired line by line by selecting all transistors within a line by applying a corresponding gate-source voltage via the line decoder 21, the selection voltage of which is selected such that the transistors in this line are switched on.
  • the row decoder switches off on other rows of the matrix by applying a corresponding gate-source voltage, that is to say it deselects these rows, so that the transistors in these rows are blocked and make no contribution to the measurement current.
  • the measurement voltages dependent on the mechanical force acting on them that is to say the drain-source voltages of the pentacene transistors within the selected line, are detected by the control and measurement unit 20 after activation of the constant current sources I tax .
  • the second (upper) protective layer 31 in the case shown in FIG. Example 100 a hydrophilic polymer layer, preferably polyvinyl alcohol (PVA).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the function of the second protective layer is to act as a diffusion barrier against fat-loving (lipophilic) ingredients, such as talc, protein residues or generally organic ingredients.
  • the second exemplary embodiment 101 of a finger pressure sensor using a pentacene transistor 10 the order of the protective layers is interchanged, since both paraffin and PVA can be deposited on the surface of the transistors without problems without damaging the sensitive organic semiconductor layer 5 becomes.
  • FIG. 11 shows a third exemplary embodiment 102 of a sweat-resistant fingerprint sensor using a pentacene transistor 10, in which a perfluorinated material is used as protective layer 32. This type of material makes it possible to use only one protective layer 32, since layers of perfluorinated compounds, such as perfluorohexadecane, are diffusion barriers for both hydrophobic and hydrophilic compounds.
  • all perfluorinated n-alkane derivatives for example perfluorotetradecane, melting point 103 to 104 ° C; perfluorohexadecane, melting point 125-126 ° C
  • perfluorinated protective layer 32 at room temperature solid, inert, non-aromatic perfluorinated hydrocarbons that can be vaporized without decomposition (for example perfluoromethyldecalin, melting point 59 ° C).
  • the separation takes place from the gas phase at reduced pressure (depending on volatility 10 "1 to 10 ⁇ 4

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor auf der Basis eines auf einem Substrat (1; 11) aufgebrachten organischen Feldeffekttransistors (10), bei dem eine auf den Transistor einwirkende mechanische Kraft eine dieser Kraft entsprechende Änderung seiner Source-Drain-Spannung oder seines Source-Drain-Stroms (ID) verursacht, die jeweils als Messgröße (Vmess, Imess) für die einwirkende Kraft erfassbar sind, einen einen derartigen Kraftsensor verwendenden membranbasierten Drucksensor, einen eine Vielzahl derartiger Kraftsensoren verwendenden ein- oder zweidimensionalen Positionssensor und einen eine Vielzahl solcher Kraftsensoren verwendenden Fingerabdrucksensor.

Description

Beschreibung
Kraftsensor mit organischen Feldeffekttransistoren, darauf beruhender Drucksensor, Positionssensor und Fingerabdrucksen- sor
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit organischen Feldeffekttransistoren, einen Drucksensor, einen Positionssensor sowie einen Fingerabdrucksensor, die alle auf organi- sehen Feldeffekttransistoren beruhen.
Die qualitative Erfassung oder quantitative Messung von mechanischen Kräften, wie sie bei Berührung durch den Menschen oder bei Kontakt mit festen Objekten auftreten, erfolgt in der Praxis meist durch den Einsatz von Kraftsensoren, die in der Regel entweder auf dem piezoelektrischen, dem resistiven oder dem kapazitiven Wirkprinzip beruhen:
Beim piezoelektrischen Kraftsensor wird durch die mechanische Deformation eines aus Quarz oder einer speziellen Piezo-Kera- mik aufgebauten Kristalls an dessen Außenflächen eine zur einwirkenden Kraft proportionale elektrische Ladung erzeugt . Die dabei erzeugte elektrische Energie ist sehr gering, so dass zur Auswertung ein Ladungsverstärker mit hochohmigem Eingangswiderstand notwendig ist. Beim resistiven Kraftsensor wird durch die einwirkende Kraft eine mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichtete Folie gegen eine Metall-Kontakt-Struktur gepresst, so dass sich der zwischen den Metallkontakten gemessene elektrische Widerstand messbar verringert. Aufgrund der Eigenschaften der Polymerschicht hängt die Änderung des Widerstands über einen relativ weiten Bereich proportional von der einwirkenden mechanischen Kraft ab. Folien-Kraftsensoren kommen zum Beispiel in Tastaturen oder zur elektronischen Erfassung von Unterschriften zum Einsatz. Beim kapazitiven Kraftsensor wird durch die einwirkende Kraft eine zwischen zwei elektrisch leitfähigen Flächen befindliche Isolatorschicht zusammengedrückt, wobei sich die Kapazität der Anordnung am Ort der einwirkenden Kraft erhöht. Die Kapazitätsänderung ist jedoch relativ klein.
WO 03/079,449 AI (vergleiche insbesondere Fig. 5 mit der zu- gehörigen Beschreibung auf den Seiten 10 und 11) beschreibt einen Kraftsensor, der auch als Fingerabdrucksensor und zwei- dimensionaler Positionssensor Verwendung findet. Die in Fig. 5 gezeigte Struktur weist oberhalb eines eine Vielzahl von LEDs aufweisenden Pixelarrays ein Sensorarray auf, das aus einer zwischen eine transparente obere Elektrondenlage, die z. B. aus ITO besteht und einem darunterliegenden leitenden Barrierematerial sowie eine isolierende einebnende Lage eingelegten komprimierbaren Schicht aus dielektrischem oder sehr hochoh igen Material besteht. Sobald auf diesem Materialsta- pel ein Druck ausgeübt wird, ändert sich der Abstand zwischen der Elektrodenlage und dem leitenden Barrierematerial, so dass sich eine messbare Kapazitätsänderung über dem dielektrischen Material oder eine Verringerung des Widerstands über dem sehr hochohmigen Material einstellt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen vielseitig verwendbaren und kostengünstig herstellbaren Kraftsensor zu ermöglichen, bei dem die einwirkende Kraft in einen reproduzierbaren und nach Beendigung der Krafteinwirkung reversiblen Messstrom oder eine Messspannung umgesetzt werden kann.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drucksensor unter Verwendung wenigstens eines derartigen Kraftsensors anzugeben. Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen ein- oder zweidimensionalen Positionssensor unter Verwendung eines derartigen Kraftsensors anzugeben. Schließlich besteht eine vierte Aufgabe darin, einen Fingerabdrucksensor unter Verwendung eines derartigen Kraftsensors anzugeben. Die Herstellung von geeigneten Pentazen-Transistoren auf verschiedenen Substraten ist in folgenden Druckschriften beschrieben:
M. Halik et al.: "Polymer gate dielectrics and conducting- polymer contacts for high-performance organic thin film tran- sistors" in Advanced Materials, vol. 14, p. 1717 (2002) ; H. Klauk et al.: "High-mobility polymer gate dielectric pen- tacene thin film transistors" in Journal of Applied Physics, vol. 92, p. 5259 (2002), und H. Klauk et al.: "Pentacene organic transistors and ring os- cillators on glass and on flexible polymeric Substrates" in Applied Physics Letters, vol. 82, p. 4175 (2003).
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die erste Teil- aufgäbe gelöst durch einen Kraftsensor auf der Basis eines auf einem Substrat aufgebrachten organischen Feldeffekttransistors, bei dem eine auf den Transistor einwirkende mechanische Kraft eine dieser Kraft entsprechende Änderung seiner Source-Drain-Spannung oder seines Source-Drain-Stroms verur- sacht, die jeweils als Messgröße für die einwirkende Kraft erfassbar sind.
Bevorzugt ist der organische^ Feldeffekttransistor ein Penta-_ zen-Transistor, der eine aktive Schicht aus Pentazen zwischen einer Drain- und einer Sourceelektrode aufweist. Somit nutzt der erfindungsgemäße Kraftsensor die reproduzierbare reversible Abhängigkeit des Drainstroms eines organischen Feldeffekttransistors von der auf den Transistor einwirkenden mechanischen Kraft. Da sich organische Feldeffekttransistoren besonders einfach und kostengünstig auf beliebigen Substraten integrieren lassen, sind derartige organische Feldeffekttransistoren besonders gut für die Realisierung von Kraftsensoren geeignet .
Das genannte Substrat, auf dem der organische Feldeffekttransistor, insbesondere der Pentazen-Transistor aufgebracht ist, kann zum Beispiel aus Glas, Keramik, Kunststoff, einer Poly- merfolie, Metallfolie oder aus Papier bestehen. Im Falle, dass das Substrat aus einer Polymerfolie besteht, sind insbesondere Polyethylen-Naphthalat (PEN) , Polyethylen-Terephtha- lat (PET), Polyimid (PI) , Polycarbonat und/oder Polyethen- etherketone (PEEK) zu bevorzugen.
Bei einem möglichen Schaltungsbeispiel eines derartigen. Kraftsensors ist die elektrische Messgröße die Drain-So urce- Spannung des organischen Feldeffekttransistors. Dabei wird diesem zum Messzeitpunkt eine konstante Gate-Source-Spannung und ein konstanter Drain-Strom angelegt und die Drain-S ource- Spannung als Messgröße für die einwirkende Kraft abgegriffen.
Bei einem anderen Schaltungsbeispiel eines derartigen Klraft- sensors ist die elektrische Messgröße der Drainstrom des organischen Feldeffekttransistors. Bei diesem Schaltungsprinzip wird zum Messzeitpunkt dem organischen Feldeffekttransistor eine konstante Gate-Source-Spannung und eine konstante Drain- Source-Spannung angelegt. Dank der oben beschriebenen breiten Palette von Substra-tmate- rialien lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise Kraftsensoren für verschiedenartige Anwendungen und fü - verschiedene Messbereiche realisieren, die alle den gleicrien prinzipiellen Aufbau haben.
Eine dieser Anwendungen ist ein erfindungsgemäßer Drucl sen- sor, der auf einem als Membran gestalteten Substrat wenigstens einen erfindungsgemäßen Kraftsensor aufweist. Dabei entspricht die elektrische Messgröße (diese ist, wie oben erläu- tert, entweder der Drainstrom oder die Drain-Source-Spannung) dem Biegezustand der Membran am jeweiligen Ort des wenigstens einen Kraftsensors.
Bekannte integrierte Drucksensoren zur Messung des statischen und/oder dynamischen Drucks in flüssigen oder gasförmigen Medien beruhen im Allgemeinen auf dem Prinzip einer elastischen, sich unter Druck verformenden Struktur (der so genann- ten Membran) , auf deren Oberfläche ein oder mehrere Druckwandler (Sensoren) integriert ist oder sind. Dabei wirkt gegen die eine Fläche der Membran der zu messende Druck, während auf die andere Membranfläche ein konstanter Referenz- druck einwirkt, der mit Hilfe eines abgeschlossenen (oder zur Atmosphäre offenen) Volumens eingestellt wird. Für die Druckwandlung an der Membran wird in der Regel eαtwe er ein re- sistives oder ein kapazitives Wirkprinzip genutzt, das heißt die elastische mechanische Deformation der Membran führt zu einer messbaren Veränderung entweder eines elektrischen Widerstands oder einer elektrischen Kapazität. Dabei beruhen resistive Drucksensoren (Dehnungsmessstreife_n) entweder auf der Auswertung der Widerstandsänderung in me "tallischen Leiterbahnen (Widerstandsänderung aufgrund der "Veränderung des geometrischen Querschnitts der Leiterbahn) oder auf dem pie- zoresistiven Effekt in einer Halbleiterstruk ur .
Der prinzipielle Nachteil metallischer Dehnumgsmessstreifen ist die geringe Empfindlichkeit, da die zu messende relative Widerstandsänderung sehr klein ist. Piezoere sistive Druckwandler haben den Nachteil, dass ihre Herstellung aufgrund der Notwendigkeit der Prozessierung von Sili ziumsubstraten verhältnismäßig aufwändig und teuer ist. Außerdem sind der Widerstand und die Widerstandsänderung im Ha lbleiter stark temperaturabhängig. Ein weiterer Nachteil ist: die Tatsache, dass piezoresistive Drucksensoren nur für die Messung von Drücken in gasförmigen und flüssigen Medien geeignet sind, da der direkte Kontakt mit einem festen Objekt zu einer Zerstörung der extrem dünnen Siliziummembran führe würde.
Der erfindungsgemäße Drucksensor nutzt die reproduzierbare, reversible Abhängigkeit der Schwellenspannung organischer Feldeffekttransistoren vom Biegezustand des Substrats. Somit schlägt die Erfindung einen auf einer deform-ierbaren Membran basierenden integrierten Drucksensor vor, bei dem die Druckwandlung auf der messbaren, vom Biegezustand der Membran abhängigen Veränderung der Schwellspannung eines oder mehrerer auf der Membran integrierter organischer Feldeffekttransistoren beruht (als Schwellspannung ist diejenige Eingangsspannung des Transistors definiert, bei der sich der Ausgangsstrom des Transistors aufgrund der Anreicherung eines La- dungsträgerkanals sprunghaft erhöht) . Durch die oben geschilderte Verfügbarkeit einer Vielzahl kommerziell erhältlicher preiswerter flexibler Membranmaterialien kann durch eine gezielte Optimierung der Dicke und der Oberfläche der Membran auf einfache Weise ein Drucksensor für verschiedene Anwendun- gen und verschiedene Messbereiche jeweils beruhend auf dem gleichen prinzipiellen Aufbau realisiert werden. Insbesondere erlaubt dies nicht nur die Messung von Drücken in gasförmigen und flüssigen Medien sondern auch die Messung von Kräften und Drücken, die durch feste Objekte auf die Membran ausgeübt werden. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber herkömmlichen piezoresistiven Sensoren.
Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung des erfindungsgemäßen Kraftsensors ist ein ein- oder zweidimensionaler Positions- sensor zur Messung der Position einer mechanischen Krafteinwirkung entlang einer Linie oder innerhalb einer Fläche unter Verwendung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen jeweils auf einem organischen Feldeffekttransistor beruhenden Kraftsensoren, die in regelmäßigen Abständen zueinander in Form einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Matrix auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Bei bislang üblichen ein- oder zweidimensionalen Positionssensoren wurde eine vorgegebene Anzahl von Kraftsensoren, die in der Regel entweder auf dem resistiven oder dem kapazitiven Wirkprinzip beruhen, entlang einer Linie oder innerhalb einer zweidimensionalen Fläche angeordnet. Beim resistiven Positionssensor wird durch die einwirkende Kraft eine mit einem e- lektrisch leitfähigen Polymer beschichtete Folie gegen eine Metall-Kontaktstruktur gepresst, so dass sich der zwischen den Metallkontakten gemessene elektrische Widerstand messbar verringert. Aufgrund der Eigenschaften der Polymerschicht hängt die Änderung des Widerstands über einem relativ weiten Bereich proportional von der einwirkenden mechanischen Kraft ab. Beim kapazitiven Positionssensor wird durch die einwirkende Kraft eine zwischen zwei elektrisch leitfähigen Flächen befindliche Isolatorschicht zusammengedrückt, wobei sich die Kapazität der Anordnung erhöht. Allerdings ist die Kapazitätsänderung recht klein.
Dagegen wird bei dem erfindungsgemäßen Positionssensor die reproduzierbare reversible Abhängigkeit des Drainstroms organischer Feldeffekttransistoren von der auf den jeweiligen Transistor einwirkenden mechanischen Kraft genutzt.
Bei einem als Ausführungsbeispiel beschriebenen zweidimensio- nalen Positionssensor der Erfindung werden die Messdaten Zeile für Zeile erfasst, indem alle organischen Feldeffekttransistoren innerhalb einer Zeile durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung durch einen Zeilendecoder selektiert werden. Die Gate-Source-Spannung wird so gewählt, dass die Transistoren in dieser Zeile eingeschaltet sind; gleichzeitig werden alle anderen Zeilen der Matrix durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung vom Zeilendecoder deselektiert, so dass die Transistoren in diesen Zeilen gesperrt sind und keinen Beitrag zum Messstrom liefern. Die De- selekt-Spannung wird so gewählt, dass die Transistoren sperren. Die von der einwirkenden mechanischen Kraft abhängigen Messspannungen, das heißt die Drain-Source-Spannungen der einzelnen Transistoren innerhalb der selektierten Zeile werden nach Aktivierung der Konstantstromquellen durch eine mit den Spalten der Matrix verbundene Ansteuer- und Messeinheit erfasst.
Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Kraftsensors ist ein erfindungsgemäßer Fingerabdrucksensor, der die reprodu- zierbare, reversible Abhängigkeit des Drainstroms matrix- förmig angeordneter organischer Feldeffekttransistoren von der auf diese Transistoren einwirkenden mechanischen Kraft nutzt.
Die Identifikation des Fingerabdrucks erfolgt üblicherweise durch Berührung der Fingerkuppe mit einer zweidimensionalen Anordnung (Matrix) von Einzelsensoren, mit deren Hilfe die mikroskopische Topografie der Fingergruppe Punkt für Punkt erfasst wird. Zur Identifikation des Fingerabdrucks erfolgt in jedem der Einzelsensoren eine Wandlung der charakteristi- sehen physikalischen Größe (mechanischer Druck oder elektrische Leitfähigkeit) in eine durch das System erfassbare e- lektrische Größe, Spannung, Stromstärke oder Kapazität, so dass eine elektronische Erfassung und Auswertung der durch die Einzelsensoren bereitgestellten Messergebnisse ermöglicht wird. Für die Wandlung der physikalischen in eine elektrische Größe werden wahlweise kapazitive, piezoelektrische oder Widerstandseffekte genutzt.
Bedingt durch die Natur des zu untersuchenden Objekts ergeben sich in der herkömmlichen Fingerabdrucksensortechnik eine
Reihe von Problemen, die meist unabhängig von der Art des im Sensor genutzten Effekts sind. Diese Probleme werden hervorgerufen durch die chemische Zusammensetzung des menschlichen Schweißes und die dadurch verursachten Kontaminations- und Korrosionserscheinungen vornehmlich der elektrischen Verbindungen im und zwischen den Einzelsensoren aber auch des aktiven Sensormaterials.
Mit dem erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensor wird ein preis- werter Drucksensor vorgeschlagen, der auf organischen Feldeffekttransistoren beruht. Bei diesem Fingerabdrucksensor kann durch geeignete Wahl von Schutzschichten eine hinreichende Resistenz gegenüber aggressiven Substanzen, insbesondere menschlichem Schweiß gewährleistet werden.
Die Sensorik des erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors besteht im Wesentlichen aus einer zweidimensionalen Matrix aus organischen Feldeffekttransistoren mit Ansteuer- und Messeinheit und Zeilendecoder, wie sie zuvor für einen zweidimensionalen Positionssensor bereits beschrieben worden ist.
Der Schutz des Sensorfeldes gegen Umweltkontamination, die hauptsächlich durch menschlichen Schweiß verursacht ist und die die Langlebigkeit eines solchen Sensors beeinträchtigt, erfolgt durch Aufbringen einer ein- oder zweilagigen Schutzschicht auf das Sensorfeld.
Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale eines erfindungsgemäßen Kraftsensors, eines unter Verwendung eines derartigen Kraftsensors realisierten erfindungsgemäßen Drucksensors, eines ein- oder zweidimensionalen Positionssensors un- ter Verwendung von erfindungsgemäßen Kraftsensoren sowie eines Fingerabdrucksensors gemäß der Erfindung werden nachstehend in mehreren Ausführungs- und Anwendungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 schematisch im Querschnitt einen Pentazen- Transistor, der bevorzugt als bei der Erfindung verwendeter organischer Feldeffekttransistor dient;
Fig. 2A und 2B zwei alternative Schaltungsvarianten, die die reproduzierbare reversible Abhängigkeit des Drainstroms eines Pentazen-Transistors gemäß Fig. 1 von der auf den Transistor einwirkenden mecha- nischen Kraft zur Erzeugung eines elektrischen Messsignals nutzen;
Fig. 3 graphisch die gemessene Abhängigkeit des Drainstroms eines auf einem Glassubstrat integ- rierten Pentazen-Transistors von der Gate-Source- Spannung jeweils wenn keine Kraft auf den Penta- zen-Transistor ausgeübt wird und wenn mittels ei- nes kontrolliert absenkbaren Stifts auf den Transistor eine mechanische Kraft einwirkt;
Fig. 4 auf der Basis der Messergebnisse von Fig. 3 gra- phisch die Differenz zwischen Tief- und Hochzuständen sowie die prozentuale Änderung des Drainstroms in Abhängigkeit von der Gate-Source- Spannung;
Fig. 5 schematisch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Kraftsensors als membranbasierter Drucksensor;
Fig. 6 graphisch die gemessene Abhängigkeit des Drainstroms eines gemäß Fig. 5 auf einer PEN- Membran integrierten Pentazen-Transistors von der Biegung der PEN-Membran;
Fig. 7 schematisch eine Schaltungsanordnung eines eindimensionalen Positionssensors unter Verwendung von mehreren erfindungsgemäßen Kraftsensoren;
Fig. 8 schematisch eine Schaltungsanordnung eines zweidimensionalen Positionssensors unter Verwendung einer flächigen Matrix einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Kraftsensoren;
Fig. 9 bis 11 schematische Querschnitte von drei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Fingerabdrucksensoren, die den erfindungsgemäßen Kraftsensor verwenden.
Diese Erfindung beschreibt einen Kraftsensor, bei dem die Kraftwandlung auf der messbaren, von der Größe der einwirkenden Kraft abhängigen Veränderung des Drain-Stroms eines organischen Feldeffekttransistors beruht. Neben der Abhängigkeit des Drainstroms von den an der Drainelektrode und an der Gateelektrode eines organischen Feldeffekttransistors anliegenden elektrischen Potenzialen hängt bei diesen Transistoren der Drainstrom außerdem von der auf den Transistor einwirkenden mechanischen Kraft ab. Da sich organische Transistoren besonders einfach und kostengünstig auf beliebigen Substraten integrieren lassen, sind sie besonders gut für die Realisie- rung von Kraftsensoren geeignet.
Die Erfindung bevorzugt für den organischen Feldeffekttransistor einen im Querschnitt in Fig. 1 gezeigten Pentazen- Transistor. Statt Pentazen für die aktive Schicht 5 zu ver- wenden, kann zum Beispiel auch Thiopen, Oligothiopen als auch Polythiopen als auch Fluoren für das Material der aktiven Schicht 5 verwendet werden. Der in Fig. 1 gezeigte Pentazen- Transistor 10 ist auf ein Substrat 1 aufgebracht und weist eine Gateelektrode 2, ein PVP-Gatedielektrikum 3, eine Drai- nelektrode 4, eine aktive Pentazenschicht 5, eine Passivier- lage 6 und eine Sourceelektrode 7 auf.
Für das Material des Substrats kommt eine breite Materialpalette in Frage, wie zum Beispiel Glas, Keramik, Kunststoff, Polymerfolie, Metallfolie und Papier. Unter den Polymerfolien kommen Polyethylen-Naphthalat (PEN) , Polyethylen-Terephthalat (PET) , Polyimid (PI) , Polycarbonat, Polyethen-Etherketone (PEEK) in Frage. Dank dieser breiten Palette von Substratmaterialien lassen sich auf einfache Weise Kraftsensoren insbe- sondere für die weiter unten beschriebenen verschiedenen Anwendungen und für verschiedene Messbereiche, beruhend auf dem gleichen prinzipiellen Aufbau realisieren.
Die Fig. 2A und 2B zeigen zwei Schaltungsvarianten für Kraft- sensorelemente auf der Grundlage organischer Transistoren. Fig. 2A zeigt eine Schaltungsanordnung für die Ansteuerung des Sensors, insbesondere des in Fig. 1 gezeigten Pentazen- Transistors 10 über eine konstante Stromquelle Isteuer und die Messung der Drain-Source-Spannung des Transistors als Mess- große VmeΞS - Bei konstantem Drainstrom Isteuer und konstanter
Gate-Source-Spannung Vsteuer hängt die gemessene Spannung Vmess nur von der einwirkenden mechanischen Kraft ab und erlaubt so it eine Ermittlung der auf den Pentazen-Transistor einwirkenden Kraft. Dabei kann diese mechanische Kraft abhängig von der jeweiligen Applikation (siehe weiter unten) zum Beispiel von oben auf die Passivierschicht 6 oder über eine Verfor- mung, z.B. Biegung des den Pentazen-Transistor tragenden Substrats 1 einwirken.
Fig. 2B zeigt die Ansteuerung des Kraftsensors 10 über eine konstante Gate-Source-Spannung Vsteueri und eine konstante Drain-Source-Spannung VΞteuer2 und die Messung des Drainstroms des Pentazen-Transistors 10 als Messgröße ImeSs • Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung erlaubt der gemessene Strom Imess einen Rückschluss auf die auf den Transistor einwirkende Kraft.
Hinsichtlich der elektrischen Wirkungsweise sind die beiden in den Fig. 2A und 2B gezeigten Schaltungsvarianten äquivalent .
Auf der Grundlage der in Fig. 2B gezeigten Schaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Kraftsensors zeigt Fig. 3 graphisch gemessene Werte des Drainstroms ID (in Ampere) , der der Messgröße Imess entspricht von der in Volt gemessenen Gate-Source- Spannung VGs und zwar in ausgezogenen Linien im drucklosen Zustand, das heißt, wenn keine Kraft auf den Kraftsensor einwirkt und in gestrichelten Linien, wenn auf den Kraftsensor mittels eines kontrolliert absenkbaren Stifts eine mechanische Kraft ausgeübt wird. Dabei war die Drain-Source-Spannung VDS konstant gleich 20 V. Die in Fig. 3 gezeigten Unterschie- de zwischen dem Drainstrom ohne Krafteinwirkung (ausgezogene Linie) und dem Drainstrom bei auf den Pentazen-Transistor einwirkender Kraft (gestrichelte Linien) ergeben im Durchlassbereich des Pentazen-Transistors 10 Differenzwerte ΔlD des Drainstroms (gemäß der gestrichelten Kurve in Fig. 4) et- wa zwischen 0 und 27 nA, wenn der Arbeitspunkt des Pentazen- Transistors 10 durch die Wahl der Gate-Source-Spannung VGS in den Durchlassbereich des Transistors 10 gelegt wird, wird ei- ne beträchtliche prozentuale Änderung des Hoch-Zustands (Kraft wirkt auf den Pentazen-Transistor ein) zum Tiefzustand (keine Kraft wirkt auf den Pentazen-Transistor 10 ein) festgestellt, wie dies die ausgezogene Kurve in Fig. 4 darstellt.
Weiterhin wird anhand der Fig. 5 und 6 ein auf einer deformierbaren Membran 11 basierender integrierter Drucksensor beschrieben, bei dem die Druckwandlung auf einer messbaren vom Biegezustand der Membran abhängigen Veränderung der Schwell- Spannung eines oder mehrerer auf der Membran integrierter organischer Feldeffekttransistoren, insbesondere Pentazen- Transistoren 10 beruht. Dabei ist als Schwellspannung diejenige Eingangsspannung des Transistors definiert, bei der sich der Äusgangs.strom des Transistors aufgrund der Anreicherung eines Ladungsträgerkanals sprunghaft erhöht.
Fig. 5 zeigt eine Drucksensoranordnung, bei der das Substrat 1 gemäß Fig. 1 als biegsame Membran 11 gestaltet ist, die an ihrem äußeren Rand fest eingespannt und in ihren mittleren Bereichen nach oben und unten auslenkbar ist. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wirkt ein zu messender Druck PmeSs von unten und ein Referenzdruck Pref von oben auf die Membran 11 und damit auf den als Drucksensor dienenden Pentazen- Transistor 10 ein.
Für die Membran 11 kommt prinzipiell die oben bereits beschriebene breite Materialpalette in Frage.
Selbstverständlich können statt einem Pentazen-Transistor 10 in mittiger Position auch mehrere Pentazen-Transistoren 10 (nicht gezeigt) auf der Membran 11 aufgebracht sein.
Die zuvor anhand der Fig. 2A und 2B beschriebenen Schaltungsvarianten und deren anhand der Fig. 3 und Fig. 4 beschriebe- nen Wirkungsweise ist ohne weiteres auch zur Wandlung des Differenzdrucks zwischen PmeSs und Prβf in ein elektrisches Spannungs- bzw. Stromsignal verwendbar. Gemäß Fig. 2A hängt bei konstantem Drainstrom Isteuer und konstanter Gate-Source- Spannung Vsteuer die gemessene Spannung Vmess nur vom Biegezustand der Membran ab und erlaubt damit eine Ermittlung des auf die Membran wirkenden Drucks. Gemäß Fig. 2B erlaubt der gemessene Strom Imess einen Rückschluss auf den Biegezustand der Membran 11.
In Fig. 6 sind graphisch Messergebnisse für den Drainstrom ID in Picoampere abhängig von der prozentualen Transistordehnung bei einem auf einer PEN-Membran gemäß Fig. 5 integrierten Pentazen-Transistor 10 dargestellt.
Weiterhin werden anhand der Fig. 7 und 8 eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Kraftsensoren verwendende Positionssensoren beschrieben, bei denen die Wandlung der physikalischen Größe "Kraft" in eine messbare elektrische Größe auf der von der einwirkenden Kraft abhängigen Veränderung des Drain-Stroms eines organischen Feldeffekttransistors, insbesondere Pentazen-Transistors beruht.
Fig. 7 zeigt einen eindimensionalen Positionssensor, der eine Vielzahl von längs einer Linie angeordneten gleichbeabstande- ten Kraftsensoren_ 10ι, 102, 103, 104, 10 verwendet. Jeder dieser Kraftsensoren ist insbesondere durch einen Pentazen- Transistor 10 realisiert, wie er zuvor anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben worden ist. Indem alle Transistoren 10ι, 102, 103, 104, 10k innerhalb der Zeile durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung eingeschaltet werden und gleichzeitig zum Beispiel die in Fig. 2A gezeigte Konstantstrom- quelle mit dem konstanten Strom Isteuer an jeden der Pentazen- Transistoren 10ι, 102, 103, ... , 10k angelegt werden, kann die jeweilige Position der einwirkenden Kraft über die Auswertung der Drain-Source-Spannung Vmess durch eine Ansteuer- und Messeinheit 20 erfasst werden.
Fig. 8 stellt schematisch eine flächenhafte Anordnung, das heißt eine Matrix aus einer Vielzahl von gleichbeabstandeten -IS-
organischen Feldeffekttransistoren, insbesondere Pentazen- Transistoren 10χ, 102, ..., 10n gemäß Fig. 1 dar, die im Zusammenwirken mit einem Zeilendecoder 21 und einer Ansteuer- und Messeinheit 20 einen zweidimensionalen Positionssensor bildet. Jeder der organischen Feldeffekttransistoren, insbesondere Pentazen-Transistoren 10ι, 102, ..., 10n erfüllt gleichzeitig zwei Aufgaben: die eines Sensorelements und die eines Schalters zur Adressierung der einzelnen Pixel innerhalb der Matrix (Auswahl-Transistor) .
Die Erfassung der Messdaten erfolgt Zeile für Zeile, indem alle Transistoren innerhalb einer Zeile, zum Beispiel beginnend mit den Transistoren 10ι - 10k durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung über den Zeilendecoder 21 ausgewählt werden. Die Auswahlspannung wird so gewählt, dass die Transistoren in dieser Zelle eingeschaltet sind. Gleichzeitig werden alle anderen Zeilen der Matrix durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung durch den Zeilendecoder 21 deselektiert, so dass die Transistoren in diesen nicht gewählten Zeilen gesperrt sind und keinen Beitrag zum Messstrom liefern. Dabei wird die Deselektspannung vom Zeilendecoder 21 so gewählt, dass die entsprechenden Transistoren dieser Zeilen sperren. Die von der einwirkenden mechanischen Kraft abhängigen Messspannungen, das heißt gemäß Fig. 2A die Drain-Source-Spannungen der Transistoren innerhalb der ausgewählten Zeile werden nach Aktivierung der Konstantstromquellen mit dem Strom Isteuer durch die Ansteuer- und Messeinheit 20 erfasst.
Die oben erwähnten Substratmaterialien kommen prinzipiell auch für den eindimensionalen Positionssensor 7 und den zweidimensionalen Positionssensor gemäß Fig. 8 in Betracht. Dank dieser breiten Palette von Substratmaterialien lassen sich auf einfache Weise Positionssensoren für verschiedene Anwen- düngen und für verschiedene Messbereiche beruhend auf dem gleichen prinzipiellen Aufbau realisieren. Anhand der Fig. 9 bis 11 werden nachstehend drei verschiedene Ausführungsbeispiele eines preiswerten als Drucksensor gestalteten Fingerabdrucksensors basierend auf organischen Feldeffekttransistoren, insbesondere Pentazen-Transistoren be- schrieben, bei dem durch geeignete Wahl von Schutzschichten eine hinreichende Fertigkeit gegenüber aggressiven Substanzen, insbesondere menschlichem Schweiß gewährleistet ist.
Grundlage für einen derartigen als Drucksensor ausgeführten Fingerabdrucksensor ist ein zweidimensionales Sensorfeld, wie es zuvor anhand der Fig. 8 beschrieben worden ist. Die Erfassung der Messdaten erfolgt Zeile für Zeile, indem alle Transistoren innerhalb einer Zeile durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung über den Zeilendecoder 21 ausge- wählt werden, dessen AuswahlSpannung so gewählt wird, dass die Transistoren in dieser Zeile eingeschaltet sind. Gleichzeitig schaltet der Zeilendecoder bei anderen Zeilen der Matrix durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Source-Spannung aus, das heißt er deselektiert diese Zeilen, so dass die Transistoren in diesen Zeilen gesperrt sind und keinen Beitrag zum Messstrom liefern. Die von der einwirkenden mechanischen Kraft abhängigen Messspannungen, das heißt die Drain- Source-Spannungen der Pentazen-Transistoren innerhalb der ausgewählten Zeile werden nach Aktivierung der Konstantstrom- quellen Isteuer über die Ansteuer- und Messeinheit 20 erfasst.
Der Schutz des Sensorfeldes gegen Umweltkontamination, die hauptsächlich durch menschlichen Schweiß verursacht wird, der die Langlebigkeit eines solchen Sensors beeinträchtigt, er- folgt durch Aufbringen einer ein- oder zweilagigen Schutzschicht auf das Sensorfeld. Menschlicher Schweiß ist eine für viele chemische Verbindungen aggressive saure wässrige Lösung mit dem pH-Wert 4,5. Schweiß besteht zu 98 % aus Wasser mit den Nebenbestandteilen Natriumchlorid, Kalziumchlorid, Ammo- niak, Harnstoff, Harnsäure und Creatin sowie Proteinbestandteilen. In den Fig. 9 bis 11 ist jeweils ein einzelner Drucksensor des in Fig. 8 gezeigten zweidimensionalen Feldes unter Verwendung eines Pentazen-Transistors 10 gezeigt. Bei dem in Fig. 9 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel 100 ist als erste (unterste) Schutzlage auf den Pentazen-Transistor 10 eine Diffusionsbarriere 30 für Wasser und Wasser liebende Bestandteile aufgebracht. Diese erste Schutzlage 30 besteht aus einem hydrophoben Material, welches auf der Oberfläche der Pentazen-Transistoren 10 abgeschieden wird ohne die empfind- liehe organische Halbleiterschicht (vgl. 5 in Fig. 1) zu beschädigen. Hierzu eignen sich besonders Paraffine, die ein Gemisch von langkettigen, extrem hydrophoben aliphatischen Kohlenwasserstoffen sind, die in verschiedenen Kettenlängen und damit verschiedenen Schmelzbereichen handelsüblich sind. Für diese Erfindung sind Paraffine bevorzugt, die bei Raumtemperatur fest sind und einen Schmelzbereich oberhalb der maximalen Einsatztemperatur der Bauelemente (ca. 80 °C) haben. Paraffine sind preiswert und lassen sich auch bei relativ niedrigen Temperaturen unzersetzt verdampfen. Somit ist die Applikation einer Paraffinschicht preiswert realisierbar. Der auf die Oberfläche der aktiven Schicht 5 aufgedampfte Paraffinfilm (siehe Fig. 1) bietet nicht nur einen nahezu 100 %-igen Schutz gegenüber Luftfeuchtigkeit (Diffusionsbarriere) sondern schützt auch vor direktem Kontakt mit Wasser und hydrophilen Bestandteilen. Obwohl Paraffine aus organischen Molekülen bestehen (ähnlich wie organische Lösungsmittel, zum Beispiel Alkohole, Azeton, Hexan, Petrolether) , schädigen aufgedampfte Paraffinschichten nicht die molekulare Anordnung der aktiven organischen Halbleiterschicht 5 und da- mit deren elektrische Eigenschaften. Dies liegt zum einen an der Größe (Länge > C17) der aliphatischen Kohlenwasserstoffe und zum anderen am Aggregatzustand der Paraffine (wachsartig bis fest) . Im Gegensatz zu kleinen organischen Lösungsmittelmolekülen ist bei großen Molekülen die Diffusion durch eine Schicht bzw. ein Kristallgitter deutlich erschwert. Außerdem sind die Paraffine fest und damit deutlich demobilisiert. Als zweite (obere) Schutzlage 31 dient bei dem in Fig. 9 gezeig- ten Ausführungsbeispiel 100 eine hydrophile Polymerlage, bevorzugt Polyvinylalkohol (PVA) . Die Funktion der zweiten Schutzlage besteht in der Wirkung als Diffusionsbarriere gegenüber Fett liebenden (lipophilen) Inhaltsstoffen, wie Talk, Proteinresten oder generell organischen Inhaltsstoffen.
Wie das in Fig. 10 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel 101 eines einen Pentazen-Transistoren 10 anwendende Fingerdrucksensors zeigt, ist die Reihenfolge der Schutzschichten vertauscht, da sich sowohl Paraffin als auch PVA problemlos auf der Oberfläche der Transistoren abscheiden lassen ohne dass die empfindliche organische Halbleiterschicht 5 beschädigt wird.
Bei der Realisierung eines erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors wurden als Materialien für die hydrophobe Schutzschicht besonders solche Paraffine verwendet, die bei Raumtemperatur fest sind, zum Beispiel Aldrich, Schmelzpunkt 73 bis 78 °C. Auch eignen sich bei Raumtemperatur feste, inerte nicht aromatische Kohlenwasserstoffe, die sich unzersetzt verdampfen lassen, wie zum Beispiel Adamanthan. Die Abscheidung der hydrophoben Schutzschicht 30 erfolgte aus der Gasphase bei vermindertem Druck (je nach Flüchtigkeit 10_1 bis 10"4 Torr) und erhöhten Temperaturen, wobei das Substrat ge- kühlt wurde.
Für die hydrophile Schutzschicht 31, wenn diese wie bei dem Ausführungsbeispiel 101 gemäß Fig. 10 auf einer Pentazen- Schicht aufgebracht wurde, erwies sich die wässrige Formulie- rung von Polyvinylalkohol (1 bis 10 % in Wasser) als besonders geeignet. Wahlweise kann einer solchen Formulierung ein Initiator zur fotochemischen Vernetzung zugesetzt werden, der ein schnelles Aushärten unter Bestrahlung mit UV-Licht erleichtert. Ein entsprechender Initiator ist zum Beispiel Am- moniumdichromat (0,01 bis 0,1 Gew.-%). Die Abscheidung erfolgt durch Aufschleudern ("spin coating"), Tauchen ("dip co- ating") oder Aufsprühen ("spray coating") . Fig. 11 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel 102 eines schweißresistenten Fingerabdrucksensors unter Verwendung eines Pentazen-Transistors 10, bei dem ein perfluoriertes Material als Schutzschicht 32 verwendet wird. Diese Materialart macht es möglich, nur eine Schutzschicht 32 zu verwenden, da Schichten aus perfluorierten Verbindungen, wie zum Beispiel Perfluorohexadekan sowohl für hydrophobe als auch für hydrophile Verbindungen Diffusionsbarrieren sind.
Bei dem in Fig. 11 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel 102 des erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors eignen sich für die perfluorierte Schutzschicht 32 prinzipiell alle perfluorierten n-Alkanderivate (zum Beispiel Perfluorotetradekan, Schmelzpunkt 103 bis 104 °C; Perfluorohexadekan, Schmelzpunkt 125 - 126°C) sowie bei Raumtemperatur feste, inerte nicht a- romatische perfluorierte Kohlenwasserstoffe, die sich unzer- setzt verdampfen lassen (zum Beispiel Perfluoromethyldecalin, Schmelzpunkt 59°C) . Die Abscheidung erfolgt aus der Gasphase bei vermindertem Druck (je nach Flüchtigkeit 10"1 bis 10~4
Torr) und erhöhten Temperaturen (bis 200°C), wobei das Substrat gekühlt werden sollte.
Für die Substratmaterialien der in den Fig. 9 bis 11 gezeig- ten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiele 100, 101, 102 eines erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors gelten dieselben
Gesichtspunkte wie sie für den oben beschriebenen und in Fig.
1 gezeigten erfindungsgemäßen Kraftsensor hinsichtlich einer breiten Palette von Substratmaterialien genannt wurden. Bezugs zeichenliste
1 Substrat
2 Gateelektrode 3 PVP-Gatedielektrikum
4 Drainelektrode
5 Pentazenlage
6 Passivierläge
7 Sourceelektrode 10 Pentazen-Transistor
11 Membransubstrat
10ι - 10n mehrere Pentazen-Transistoren
20 Ansteuer- und Messeinheit
21 Zeilendecoder 30 , 31 , 32 schweißresistente Schutzschichten
100 , 101 , 102 Fingerabdrucksensoren
Isteuer Konstantström
"steuere Vsteuerl r vsteuer2 KonstantSpannungen
« mess / J-n Messspannung, Messstrom

Claims

Patentansprüche
1. Kraftsensor auf der Basis eines auf einem Substrat (1; 11) aufgebrachten organischen Feldeffekttransistors (10) , bei dem eine auf den Transistor einwirkende mechanische Kraft eine dieser Kraft entsprechende Änderung seiner Source-Drain- Spannung oder seines Source-Drain-Stroms (ID) verursacht, die jeweils als Messgröße (Vκss, Imess) für die einwirkende Kraft erfassbar sind.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der organische Feldeffekttransistor (10) ein Pentazen- Transistor ist, der eine aktive Schicht (5) aus Pentazen zwi- sehen seiner Source- (7) und seiner Drain-Elektrode (4) aufweist .
3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Substrat (1) zum Beispiel aus Glas, Keramik, Kunststoff, einer Polymerfolie, Metallfolie oder aus Papier besteht.
4. Kraftsensor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Polymerfolie des Substrats (1) insbesondere Poly- ethylen-Naphthalat (PEN), Polyethylen-Terephthalat (PET) , Po- lyimid (PI) , Polycarbonat und/oder Polyethenether-Ketone (PEEK) aufweist.
5. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erfasste Messgröße (Vmess) die Drain-Source-Spannung des organischen Feldeffekttransistors (10) ist, wobei diesem zum Messzeitpunkt eine konstante Gate-Source-Spannung (Vsteuer) und ein konstanter Drain-Strom (Isteuer) anliegen.
6. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erfasste Messgröße der Drainstrom (Imess) des organischen Feldeffekttransistors (10) ist, wobei diesem zum Mess- Zeitpunkt eine konstante Gate-Source-Spannung (Vsteueri) und eine konstante Drain-Source-Spannung (VΞteuer2) anliegen.
7. Drucksensor unter Verwendung wenigstens eines Kraftsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat als de- formierbare Membran (11) gestaltet ist und die Messgröße dem Biegezustand der Membran entspricht.
8. Ein- oder zweidimensionaler Positionssensor zur Messung der Position einer mechanischen Krafteinwirkung entlang einer Linie oder innerhalb einer Fläche unter Verwendung einer
Vielzahl von Kraftsensoren (10χ, 102, ..., 10n) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kraftsensoren (10ι, 102, ... , 10n) in regelmäßigen Abständen zueinander in Form einer ein- oder zweidimensionalen Matrix auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
9. Eindimensionaler Positionssensor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Ansteuer- und Messeinheit (20) mit den Drain- oder Sourceanschlüssen aller Feldeffekttransistoren zur Ansteue- rung und Erfassung der Position der Krafteinwirkung verbunden bzw. verbindbar ist.
10. Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 9, bei dem die organischen Feldeffekttransistoren in Zeilen und Spalten angeordnet sind und eine Ansteuer- und Messeinheit (20) mit den Drain- oder Sourceanschlüssen aller Spalten zur Ansteuerung und Erfassung der Spaltenposition der Krafteinwirkung und ein Zeilendecoder (21) mit den Gateanschlüssen der organischen Feldeffekttransistoren zur zeilenweisen Auswahl und Ansteuerung der organischen Feldeffekttransistoren verbunden bzw. verbindbar sind.
11. Fingerabdrucksensor unter Verwendung einer Vielzahl von in Form einer in Zeilen und Spalten untergliederten zweidimensionalen Matrix in regelmäßigen Abständen auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Kraftsensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Ansteuer- und Messeinheit (70) mit den Drain- oder Sourceanschlüssen der organischen Feldeffekttransistoren in allen Spalten zur Ansteuerung und Erfassung der Spaltenposition der Krafteinwirkung und ein Zeilendecoder (21) mit den Gateanschlüssen der organischen Feldef- fekttransistoren aller Zeilen zur zeilenweisen Auswahl und
Erfassung der Position der Krafteinwirkung in Zeilenrichtung verbunden bzw. verbindbar sind.
12. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine schweißresistente Schutzschicht (30, 31; 32) als Schutz gegen Eindringen von Wasser und organischen Kontaminationen über der aktiven Schicht (5) der organischen Feldeffekttransistoren vorgesehen ist.
13. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schutzschicht aus einem perfluorierten Material, insbesondere Perf luorohexadekan besteht.
14. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine erste Schutzschicht (30) aus einem hydrophoben Material und eine zweite Schutzschicht (31) aus einem hydrophi- len Polymer besteht, das als Diffusionsbarriere gegen li- pophile Verunreinigungsstoffe wirkt.
15. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Schutzschicht (30) die zweite Schutzschicht (31) bedeckt.
16. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Schutzschicht (31) die erste Schutzschicht (30) bedeckt.
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