IT201900001925A1 - Matrice di sensori e procedimento per la sua fabbricazione - Google Patents
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Description
MATRICE DI SENSORI
E PROCEDIMENTO PER LA SUA FABBRICAZIONE
Campo dell’invenzione
La presente invenzione è relativa ad una matrice di sensori per la rilevazione della pressione basata su tecnologia a diodi organici, e alla sua fabbricazione che è compatibile con processi elettronici realizzabili su aree estese e su substrati flessibili. Il dispositivo oggetto dell’invenzione è utilizzabile in vari ambiti, ad es. come pelle elettronica nel campo della robotica (electronic skin), per i pannelli tattili, per realizzare strumenti di misura della distribuzione della pressione su oggetti di forma e dimensione arbitraria, e in particolare come sensore biometrico ad esempio come rilevatore di impronte digitali, integrabile in strumenti di riconoscimento in formato card o libretto, specificamente in documenti di identificazione elettronica.
Stato dell’Arte
Nei sensori a matrice attiva ad oggi noti, la misura di pressione su ampie aree avviene tramite elementi sensibili collegati a transistori di indirizzamento che convertono il segnale di pressione in un segnale elettrico. Gli elementi sensibili possono essere composti da capacitori piezoelettrici, piezoresistori, cMUT, pMUT, sensori MEMS capacitivi o piezo. Nel caso di substrati flessibili sono tipicamente utilizzati dei piezoresistori, in grado di variare la resistenza elettrica in funzione della pressione esercitata, oppure dei capacitori piezoelettrici, in grado di variare il potenziale elettrico in funzione della pressione esercitata. L’indirizzamento viene effettuato tramite dei transistori a film sottile (TFT), basati su tecnologia a semiconduttore organico o inorganico.
In letteratura sono state proposte diverse configurazioni per la lettura dell’elemento sensibile (capacitore o resistore). Molte configurazioni sono a base di transistor organici, come riportato in [1] e [2]; una interessante configurazione con l’elemento sensibile integrato all’interno del transistore stesso è descritta in [3]. Anche in [4] è proposto un sistema integrato (di tipologia POSFET: piezoelectric oxide semiconductor field effect transistor) che include sia sensori di pressione sia sensori in grado di misurare la temperatura corporea, adatto per la rilevazione delle impronte digitali. Infine, in [5] viene descritto un sensore di pressione costituito da una matrice attiva in grado di acquisire in modo combinato la posizione, la pressione, la forma e il movimento di più dita sulla sua superficie. Il dispositivo necessita di un’elettronica di indirizzamento realizzata su un substrato rigido.
Allo stato dell’arte la misura di pressione su ampie aree presenta diverse criticità di tipo tecnologico e/o produttivo: principalmente, la necessità di dover utilizzare diversi passaggi fotolitografici per realizzare la matrice di sensori, ha come conseguenza un elevato costo di produzione e una elevata complessità del processo. Inoltre, nei sensori provvisti di un transistore per l’indirizzamento del singolo elemento sensibile (pixel), si riduce l’area disponibile per la parte sensibile e, nel caso di transistori realizzati in tecnologia CMOS, non consente la realizzazione della matrice di pixel su substrati flessibili. La presenza di un transistore di indirizzamento limita anche la dimensione minima del pixel e può introdurre una capacità parassita che riduce la sensibilità del sensore.
Le configurazioni note hanno infine lo svantaggio di dover includere una elettronica di amplificazione che richiede una tecnologia costruttiva complessa, non sempre realizzabile su substrati flessibili o su ampie aree.
Sommario dell’invenzione
Alle problematiche sopra esposte risponde la matrice di sensori di pressione oggetto della presente invenzione, che integra in ogni suo singolo elemento di trasduzione (pixel) sia gli elementi sensibili sia l’amplificazione, tramite un processo di fabbricazione che prevede la deposizione del materiale attivo in un singolo strato, interposto tra due strati conduttivi che funzionano da elettrodi.
Tale procedimento di fabbricazione, anch’esso oggetto dell’invenzione, è compatibile con substrati flessibili e risulta quindi atto ad essere integrato in dispositivi di riconoscimento in formato card (ID1) o libretto (ID3), specificamente in documenti di identificazione elettronica e in tutte quelle applicazioni dove è necessario rilevare pressioni su superfici flessibili e/o non planari.
Nell’annessa rivendicazione 1 sono definite le caratteristiche essenziali della matrice di sensori di pressione, mentre le caratteristiche essenziali del suo procedimento di fabbricazione sono definite nella rivendicazione indipendente 13. Altre caratteristiche vantaggiose di forme realizzative preferite sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Breve descrizione delle figure
Le caratteristiche e i vantaggi della matrice di sensori di pressione e del procedimento per la sua fabbricazione secondo l’invenzione, risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:
▪ La Figura 1 rappresenta una vista schematica in sezione di un singolo elemento sensibile di una matrice di sensori in una forma realizzativa preferita dell’invenzione; ▪ La Figura 2 mostra un diagramma che illustra le fasi di un processo di fabbricazione dell’invenzione in una forma di realizzazione preferita;
▪ La Figura 3 riporta un’immagine registrata mediante microscopia a forza atomica (AFM) in una vista dall’alto in cui è visibile la separazione di fase tra due polimeri compresi nello strato attivo di una matrice di sensori di pressione dell’invenzione;
▪ La Figura 4 mostra un disegno schematico 3D della matrice di sensori in una configurazione non planare per mostrarne la flessibilità;
▪ La Figura 5 mostra schematicamente una sezione di un elemento sensibile della matrice di sensori di figura 1 in corrispondenza di una singola colonna di polimero semiconduttore;
▪ La Figura 6 mostra una curva tensione-corrente misurata per la matrice di sensori dell’invenzione preparata come descritto nell’esempio 1 che segue;
▪ La Figura 7 mostra una curva corrente-carica per la matrice di sensori dell’invenzione preparato come descritto nell’esempio 1 che segue;
▪ La Figura 8 mostra un diagramma di flusso che illustra il metodo di funzionamento della matrice di sensori di figura 1;
▪ La Figura 9 mostra la curva di risposta pressione-corrente misurata per la matrice di sensori dell’invenzione preparata come descritto nell’esempio 1 che segue;
▪ La Figura 10 mostra una forma realizzativa della matrice di sensori di pressione in una configurazione comprendente anche uno strato protettivo, vista in sezione (a) e vista dall’alto (b).
Descrizione dettagliata dell’Invenzione
La matrice di sensori di pressione oggetto dell’invenzione è un dispositivo comprendente una matrice attiva basata su tecnologia a diodi organici, avente una struttura interna formata da colonne di almeno un polimero semiconduttore immerse in una matrice di almeno un polimero piezoelettrico, tale matrice attiva essendo compresa tra due strati conduttivi che fungono da elettrodi.
La matrice di sensori per la rilevazione di pressione secondo l’invenzione comprende: - un substrato (10) che può essere rigido o flessibile a seconda del tipo di applicazione a cui la matrice di sensori è destinata, come più avanti descritto in maggior dettaglio;
- un primo strato conduttore (20);
- uno strato attivo (30) di una miscela comprendente almeno un polimero semiconduttore (31) e almeno un polimero piezoelettrico (32); e
- un secondo strato conduttore (40),
in cui l’almeno un polimero semiconduttore forma colonne immerse nell’almeno un polimero piezoelettrico che si estendono da uno strato conduttore all’altro; e in cui il primo strato conduttore e il secondo strato conduttore comprendono motivi conduttivi preferibilmente in forma di linee parallele su ciascuno strato, dette linee essendo preferibilmente ortogonali tra loro passando da uno strato all’altro.
Il substrato (10) rappresenta un supporto di ausilio nella fabbricazione del presente sensore, e può essere rigido, realizzato ad esempio con un supporto in silicio ossidato o in vetro, oppure può essere anche flessibile, realizzato in carta o con un materiale plastico adatto, scelto ad esempio nel gruppo consistente di polietilene tereftalato (PET), poliammide, parilene, e policarbonato.
Almeno un primo strato conduttore (20) e un secondo strato conduttore (40) sono conduttori elettrici, operativamente in contatto con lo strato attivo del sensore (30) collocato in mezzo tra di essi.
Nello strato attivo (30) l’almeno un polimero semiconduttore è in forma di colonne che, immerse in una matrice di polimero piezoelettrico, si estendono da uno strato conduttore all’altro. Ciascuno strato conduttore comprende inoltre linee, preferibilmente parallele, di conduttori, ad esempio metallici, che sono disposte preferibilmente ortogonalmente in uno strato conduttivo rispetto all’altro, così da formare delle aree di intersezione che definiscono i singoli elementi (pixel) sensibili della matrice di sensori.
Secondo l’invenzione gli strati conduttori di contatto (20, 40) possono essere ad esempio realizzati in metalli scelti ad esempio tra oro, alluminio, titanio, rame, cromo, tungsteno e loro leghe, oppure possono consistere di polimeri conduttori come ad esempio poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirensolfonato) (PEDOT:PSS), o ancora possono essere combinazioni di metalli e polimeri conduttori.
Lo strato attivo (30) nella presente matrice di sensori è una miscela comprendente almeno un polimero semiconduttore e almeno un polimero piezoelettrico.
Polimeri semiconduttori esemplificativi ma non limitativi dell’invenzione sono scelti ad esempio nel gruppo consistente di poli[bis(4-fenil)(2,4,6-trimetilfenil)ammina] (PTAA), poli(3-esiltiofene-2,5-diile) (P3HT), polidiottilfluorene (PFO), e loro miscele.
Polimeri piezoelettrici esemplificativi ma non limitativi dell’invenzione sono ad esempio polimeri ferroelettrici, preferibilmente polimeri scelti nel gruppo consistente di copolimero [poli(vinilidenfluoruro-trifluoroetilene)] (P(VDF-TrFE)), terpolimero [poli(vinilidenfluoruro-trifluoroetilene-clorofluoroetilene)] (P(VDF-TrFE-CFE)), terpolimero [poli(vinilidenfluoruro-trifluoroetilene-clorotrifluoroetilene)] P(VDF-TrFE-CTFE), e loro miscele, opzionalmente in combinazione con nanoparticelle inorganiche scelte ad esempio tra nanoparticelle di gallio ortofosfato (GaPO4), langasite (La3Ga5SiO14), bario titanato (BaTiO3), piombo titanato (PbTiO3), piombo titanato zirconato (Pb[ZrxTi1-x]O3, potassio niobato (KNbO3), litio niobato (LiNbO3), litio tantalato (LiTaO3), sodio tungstato (Na2WO3), zinco ossido (Zn2O3), Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, sodio potassio niobato ([K,Na]NbO3), bismuto ferrite (BiFeO3), sodio niobato (NaNbO3), bismuto titanato (Bi4Ti3O12) e sodio bismuto titanato (NaBiTi2O6) e loro miscele.
Il procedimento base di fabbricazione della presente matrice di sensori di pressione comprende le seguenti fasi:
i) fornire un supporto (10) e depositarvi un primo strato conduttore (20) con un primo motivo conduttivo;
ii) depositare uno strato attivo (30) comprendente almeno un polimero semiconduttore (31) e almeno un polimero piezoelettrico (32) su detto primo strato conduttore (20);
iii) eseguire un trattamento termico degli strati deposti ad una temperatura compresa tra la temperatura di cristallizzazione e la temperatura di fusione di detti polimeri; e
iv) depositare su detto strato attivo (30) un secondo strato conduttore (40) con un secondo motivo conduttivo la cui proiezione sul primo motivo conduttivo individui almeno un’area di intersezione.
Il trattamento termico al passaggio iii) consente la cristallizzazione del polimero piezoelettrico attivando la funzionalità della matrice di sensori.
Il passo di cui al passaggio ii), preferibilmente realizzato a condizioni di temperatura controllate, ad esempio compresa tra circa 20 °C e circa 120 °C, coadiuva la separazione spontanea di fase dei due polimeri con creazione di colonne dell’almeno un polimero semiconduttore immerse in una matrice di polimero piezoelettrico. Contrariamente ai processi tradizionali di microelettronica, non vi è con il presente processo la necessità di definire le aree dei due differenti polimeri mediante fotolitografia, ma essi si separano spontaneamente durante la deposizione (passaggio ii), a una temperatura in un intervallo di valori come sopra definito. Il presente procedimento di fabbricazione della matrice di sensori è inoltre compatibile con processi di fabbricazione realizzati su ampie aree e substrati flessibili.
In Figura 4 è rappresentata la composizione della matrice attiva, composta dalle colonne di polimero semiconduttore (31) immerse in una matrice di polimero piezoelettrico (32). La Fig.4 evidenzia anche l’elevata flessibilità del dispositivo.
In Figura 2 è illustrato uno schema semplificato dei passaggi del presente procedimento: la prima fase (70) consiste nella realizzazione del primo strato conduttore inferiore (o bottom contact). La deposizione di tale primo strato conduttore così come del secondo strato conduttore, può avvenire tramite stampa, evaporazione o sputtering, quindi nel primo caso sullo strato viene stampato con un inchiostro conduttivo, un motivo conduttivo, preferibilmente in forma di linee tra loro parallele, ciascuna di larghezza compresa tipicamente tra 1 �m e 500�m. Nel caso di deposizione del materiale metallico mediante evaporazione o sputtering, il motivo conduttivo deve essere successivamente definito mediante processi di fabbricazione litografica o similari, ad esempio mediante shadow masking. Sempre con riferimento alla figura 2, una seconda fase (80) consiste nella deposizione della miscela di polimeri semiconduttore e piezoelettrico; tale deposizione di polimeri sul primo strato conduttore può essere effettuata tramite una tecnologia scelta tra spin-coating, dipcoating, drop-casting o stampa inkjet, aerosol-jet, etc.
La deposizione della miscela di polimeri semiconduttore e piezoelettrico comporta la decomposizione spinodale della miscela polimerica e consente la formazione di colonne di semiconduttore, di forma sostanzialmente cilindrica, aventi tipicamente diametro compreso nell’intervallo 50-500 nanometri.
La fase di trattamento termico (90) della miscela di polimeri consente la cristallizzazione del polimero piezoelettrico e, pertanto, l’attivazione della funzionalità della matrice.
L’ultima fase (100) del presente procedimento consiste nella realizzazione del secondo strato conduttore superiore (o top contact). La deposizione di questo strato conduttivo top contact è preferibilmente condotta con procedimento analogo a quello descritto qui per lo strato conduttivo bottom contact.
In Figura 5 è schematizzata la sezione semplificata di una colonna di polimero semiconduttore (31) compresa in una matrice di polimero piezoelettrico (32), che verrà utilizzata di seguito per la spiegazione del funzionamento del dispositivo.
Gli strati conduttori che funzionano da elettrodi (20) e (40) sono tipicamente scelti in modo tale da formare una barriera energetica per l’iniezione di carica nel polimero semiconduttore (31) dello strato attivo (30); tale barriera energetica è preferibilmente compresa tra gli 0,3 eV e gli 1,3 eV.
Il secondo strato conduttore (top contact) è connesso a massa, mentre la tensione del primo strato conduttore (bottom contact) viene portata da 0 V a 30 V e poi di nuovo a 0 V durante il ciclo di misura. Quando il valore di tensione è uguale a zero, il diodo si trova nello stato “non polarizzato”, ovvero il polimero piezoelettrico non è ancora stato polarizzato. Aumentando la tensione applicata la corrente rimane ad un valore inferiore ai 10 pA per un intervallo di valori di tensione di circa 10 V. In questo intervallo, la corrente è limitata dalla iniezione al contatto: il contatto che inietta la carica (in questo caso cariche di segno positivo denominate “lacune”) è il primo strato conduttore. Quando la tensione applicata raggiunge il cosiddetto coercive voltage (qui circa 10 V), la corrente cresce esponenzialmente fino a raggiungere una saturazione con valori dell’ordine di 100 nA: il diodo piezoelettrico è nello stato “polarizzato”. Una volta raggiunto lo stato “polarizzato”, diminuendo la tensione, la corrente rimane elevata, dato che permane la polarizzazione del polimero piezoelettrico. Nel caso di contatti simmetrici, la situazione è analoga nel caso vengano applicate tensioni negative. In questo caso il contatto che inietta la carica è il secondo strato conduttore superiore. Quando il diodo piezoelettrico è nello stato “polarizzato” e viene applicata una pressione la carica di polarizzazione aumenta, in quanto il polimero piezoelettrico risponde ad una pressione generando carica. Nello stato polarizzato, la correlazione esistente tra pressione esercitata e corrente consente di utilizzare il diodo come sensore di pressione.
La modulazione della corrente è dipendente dallo stato di polarizzazione del polimero piezoelettrico. In particolare, con riferimento alla Figura 5, la modulazione della corrente è dominata da due meccanismi fisici, entrambi dipendenti dallo stato di polarizzazione, ovvero il meccanismo di tunnelling quantistico di carica all’interfaccia conduttore (20) / semiconduttore (31) / piezoelettrico (32) e dalla accumulazione di carica all’interfaccia semiconduttore (31) / piezoelettrico (32) [6]. In particolare, il meccanismo di tunnelling quantistico è abilitato e dipendente dal campo elettrico che si viene a creare tra le cariche di polarizzazione nel polimero piezoelettrico (32) e le contro-cariche che lo schermano all’interno degli strati conduttori che funzionano da elettrodi (20) e (40). Il campo elettrico risulta quindi dipendente dalla carica di polarizzazione.
Il meccanismo di funzionamento del presente sensore è rappresentato nel flussogramma di Fig. 8. Per poter operare come sensore di pressione il diodo deve essere innanzitutto polarizzato (110), ovvero deve essere applicata una tensione molto maggiore del coercive voltage. Per effettuare una misura, si applica una tensione opportuna e si misura la corrente che fluisce nel diodo. Quando il diodo si trova nello stato “polarizzato” il dispositivo permette una amplificazione del segnale, poiché il polimero piezoelettrico trasduce la pressione in carica tramite una relazione lineare (120), mentre il meccanismo di tunnelling quantistico permette una amplificazione di tipo esponenziale della carica in corrente (130).
In una forma realizzativa particolare della presente invenzione, la matrice di sensore di pressione è un dispositivo per la rilevazione di sensore di pressione e temperatura, in particolare per la rilevazione in modo combinato delle due grandezze, comprendente inoltre nello strato attivo (30) una miscela di almeno un polimero dielettrico e di almeno un polimero semiconduttore, depositata in zone predefinite della matrice di polimero piezoelettrico. Il polimero dielettrico può essere scelto ad esempio tra poli(vinil alcol) (PVA), poli(metil metacrilato) (PMMA), poliacrilonitrile (PAN), e loro miscele, mentre il polimero semiconduttore può essere scelto come descritto sopra nel gruppo consistente di poli[bis(4-fenil)(2,4,6-trimetilfenil)ammina] (PTAA), poli(3-esiltiofene-2,5-diile) (P3HT), polidiottilfluorene (PFO), e loro miscele.
Le zone dove è depositata la miscela polimerica espletano la funzionalità di misura locale della temperatura di un oggetto apposto sul dispositivo. La risposta in corrente del singolo elemento sensibile sarà indipendente dalla pressione esercitata e proporzionale alla temperatura, in quanto la conducibilità nei polimeri semiconduttori cresce all’aumentare della temperatura [7,8].
In una ulteriore forma realizzativa particolare della presente invenzione, schematicamente illustrata in Figura 10, la matrice di sensori di pressione è un dispositivo per la rilevazione di pressione e impedenza elettrica della pelle, utile in particolare per la rilevazione in modo combinato delle due grandezze, comprendente almeno uno strato dielettrico (50) deposto sul secondo strato conduttore e, sopra di esso, almeno uno strato di conduttori elettrici (61, 62) che permette la misura dell’impedenza di un oggetto posto sul sensore, la cui capacità e conducibilità possono essere misurate tramite un opportuno sistema di lettura elettronico. Ad esempio, nel caso della rilevazione di impronte digitali, tale dispositivo comprendente la matrice di sensori secondo l’invenzione consente di misurare simultaneamente la conducibilità e la capacità elettrica della pelle di un dito.
L’invenzione qui proposta trova utilizzo in diversi campi applicativi, ad esempio:
- in campo biomedicale la matrice di sensori dell’invenzione può essere utilizzata come sensore di pressione all’interno di sonde endoscopiche e per la misura del battito cardiaco;
- nel campo della robotica come sensore di pressione e di forza per il controllo retroazionato della manipolazione nella robotica industriale e nell’interfaccia uomomacchina per robot;
- nel campo della prostetica come sensore per la mappatura dei carichi per la fabbricazione di arti artificiali;
- nel campo degli smartphone e in generale dei display come sensore di tocco e pressione, singolo o multiplo; e
- nel campo dell’autenticazione biometrica come sensore di impronta digitale e di firma digitale, integrabile su documenti elettronici di riconoscimento.
I vantaggi della presente invenzione sono molteplici.
Poiché la sensibilità è una proprietà intrinseca della miscela di polimeri utilizzati come materiali attivi, l’intervallo di sensibilità della matrice di sensori può essere modificato in funzione delle necessità operative, ad esempio incorporando all’interno del polimero piezoelettrico nanoparticelle che permettono un aumento della risposta.
Un’altra proprietà della miscela di materiali scelti è il diametro delle colonne del polimero semiconduttore che si formano all’interno della matrice polimerica, che può variare in un intervallo tra 50 e 500 nanometri. Tale proprietà, unita alla possibilità di ottenere la trasduzione, l’indirizzamento e l’amplificazione del segnale in un solo elemento discreto, o elemento sensibile, che rappresenta il singolo pixel del dispositivo (definito come area di intersezione individuata dalla proiezione del secondo motivo conduttivo sul primo motivo conduttivo), consente di ottenere sensori di pressione con una risoluzione elevata, variabile nell’intervallo compreso tra circa 100 e circa 10000 dpi.
Un ulteriore vantaggio è l’economicità del dispositivo che si presta a essere fabbricato tramite semplici processi di stampa, e non necessita di complessi processi di microfabbricazione. Inoltre, la lettura della matrice è semplificata e non sono necessari transistori di indirizzamento per il singolo elemento sensibile.
Ancora un ulteriore vantaggio del presente dispositivo risiede nel fatto che esso si presta ad essere utilizzato come rilevatore di pressione su ampie aree, in particolare come rilevatore di impronte digitali. Inoltre, il presente dispositivo può essere integrato anche in substrati flessibili, quali carte e documenti elettronici, o su display di dispositivi elettronici che richiedono un riconoscimento dell’utente.
Ancora un ulteriore vantaggio del presente dispositivo è che esso si presta ad essere utilizzato per la rilevazione combinata di diverse grandezze fisiche, quali pressione, capacità e conducibilità elettrica, temperatura, ecc.
I seguenti esempi sono riportati a scopo illustrativo e non limitativo della presente invenzione.
ESEMPI
Esempio 1 – Preparazione di una matrice di sensori di pressione secondo l’invenzione Su un substrato di vetro di spessore 600�m sono depositati, tramite un evaporatore a cannone elettronico, 100 nm di oro con uno strato di adesione di 5 nm di cromo. Nello strato così ottenuto, tramite fotolitografia standard, è creato un motivo conduttivo di linee parallele di larghezza pari a 50�m spaziate tra loro di 50�m.
Il substrato in vetro con lo strato conduttivo appena depostovi, sono stati trattati per 4 minuti con plasma di ossigeno, a una temperatura di 80°C e con una potenza di 200 W. Quindi i due polimeri PVDF-TrFE (70% di VDF e 30% di TrFE) e polidiottilfluorene (PFO) sono stati disciolti in cicloesanone alla temperatura di 80°C con un rapporto PVDF-TrFE: PFO pari a 9:1 in peso e una concentrazione totale della miscela dei due pari a 45 mg/ml.
Prima della deposizione, la soluzione dei polimeri così ottenuta è stata filtrata con un filtro in PTFE con pori da 0,45�m.
La deposizione della miscela di polimeri è stata eseguita tramite spin-coating della soluzione sul substrato mantenuto a una temperatura di 65°C, a 2000 rpm per 60 secondi. Dopo la deposizione è stato effettuato un trattamento termico del dispositivo necessario alla funzionalizzazione del polimero piezoelettrico, in un forno a vuoto a 140°C per 2 ore. E’ stato infine depositato il secondo strato conduttore di oro di 100 nm tramite evaporazione con shadow mask, in cui il pattern risulta orientato ortogonalmente rispetto al pattern del primo strato conduttivo e con medesima geometria.
In Figura 3 è mostrata una vista dall’alto registrata tramite microscopia a forza atomica (AFM) del materiale così ottenuto, in cui sono chiaramente evidenti le colonne di polimero semiconduttore immerse in una matrice di lamelle di polimero piezoelettrico. La Figura 6 mostra una curva corrente tensione misurata di un diodo piezoelettrico, fabbricato con una miscela 9:1 di PVDF-TrFE:PFO come sopra descritto. La dimensione dell’elemento sensibile è pari a 50 x 50�m<2>.
Utilizzando il modello basato su simulazioni 2D presentato in [6], è stato possibile riprodurre le misure di un diodo piezoelettrico, e, in particolare, il modello ha permesso di ottenere informazioni sulla relazione tra carica e corrente. La Figura 7 mostra la corrente che fluisce attraverso il diodo piezoelettrico in funzione della carica accumulata nel polimero piezoelettrico. Si evidenzia come per bassi valori di carica (< 1 nC) la relazione corrente-carica sia di tipo legge di potenza (in particolare cubica), mentre per valori di carica elevati (> 2 nC) la relazione corrente-carica diventi esponenziale.
La Figura 9 mostra i valori della corrente misurata in funzione della pressione esercitata (tensione applicata di 5 V) per il diodo piezoelettrico fabbricato con un blend 9:1 di PVDF-TrFE:PFO come sopra descritto, e dimensione dell’elemento sensibile è pari a 50 x 50 μm<2>. Quando la pressione supera 0,1 MPa il diodo piezoelettrico presenta un repentino aumento della corrente che lo attraversa. Il range di massima sensibilità si ha per valori di pressione esercitata tra 0,3 e 0,4 MPa, in grado di indurre correnti dell’ordine dei nA. Si osserva un’amplificazione del segnale di tipo esponenziale.
La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento ad alcune forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Una matrice di sensori configurata per la rilevazione di pressione comprendente: - un substrato (10); - un primo strato conduttore (20) comprendente un primo motivo conduttivo - un secondo strato conduttore (40) comprendente un secondo motivo conduttivo; - uno strato attivo (30) di una miscela comprendente almeno un polimero semiconduttore (31) e almeno un polimero piezoelettrico (32), in cui detto strato attivo è interposto tra il primo (20) e il secondo (40) strato conduttore e a contatto con essi, in cui l’almeno un polimero semiconduttore forma una pluralità di colonne immerse nell’almeno un polimero piezoelettrico, detta pluralità di colonne estendentesi da uno strato conduttore all’altro, in cui la proiezione del secondo motivo conduttivo sul primo motivo conduttivo individua almeno un’area di intersezione in corrispondenza di almeno una colonna di detta pluralità.
- 2. Matrice di sensori della rivendicazione 1, configurata per la rilevazione combinata di pressione e temperatura comprendente inoltre una miscela di almeno un polimero dielettrico e almeno un polimero semiconduttore (31) depositata in zone predefinite di detto strato attivo (30).
- 3. Matrice di sensori di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, in cui detto polimero semiconduttore è scelto nel gruppo consistente di poli[bis(4-fenil)(2,4,6-trimetilfenil)ammina] (PTAA), poli(3-esiltiofene-2,5-diile) (P3HT), polidiottilfluorene (PFO), e loro miscele.
- 4. Matrice di sensori di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto polimero piezoelettrico è scelto nel gruppo consistente di copolimero [poli(vinilidenfluoruro-trifluoroetilene)] (P(VDF-TrFE)), terpolimero [poli(vinilidenfluoruro-trifluoroetilene-clorofluoroetilene)] (P(VDF-TrFE-CFE)), terpolimero [poli(vinilidenfluoruro-trifluoroetilene-clorotrifluoroetilene)] P(VDFTrFE-CTFE), e loro miscele, opzionalmente in combinazione con nanoparticelle inorganiche.
- 5. Matrice di sensori della rivendicazione 2, in cui detto polimero dielettrico è scelto nel gruppo consistente di poli(vinil alcol) (PVA), poli(metil metacrilato) (PMMA), poliacrilonitrile (PAN), e loro miscele.
- 6. Matrice di sensori di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette colonne di polimero semiconduttore hanno forma sostanzialmente cilindrica con diametro compreso nell’intervallo tra 50 e 500 nanometri.
- 7. Matrice di sensori della rivendicazione 1, configurata per la rilevazione combinata di pressione e impedenza elettrica, comprendente inoltre uno strato di almeno un polimero dielettrico (50) deposto su detto secondo strato conduttore (40) e, sopra di esso, almeno un ulteriore strato di conduttori elettrici (61,62) per la misura dell’impedenza di un oggetto posto sul sensore.
- 8. Matrice di sensori della rivendicazione 2, configurata per la rilevazione combinata di pressione, temperatura e impedenza elettrica, comprendente inoltre uno strato di almeno un polimero dielettrico (50) deposto su detto secondo strato conduttore (40) e, sopra di esso, almeno un ulteriore strato di conduttori elettrici (61,62).
- 9. Matrice di sensori di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti strati conduttori (20,40) sono realizzati in metalli scelti tra oro, alluminio, titanio, rame, cromo, tungsteno e loro leghe, o in polimeri conduttori, quali poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirensolfonato) (PEDOT:PSS), o in combinazioni di metalli e polimeri conduttori.
- 10. Matrice di sensori della rivendicazione 9, in cui detti strati conduttori (20,40) sono scelti in modo tale da formare una barriera energetica per l’iniezione di carica in detto polimero semiconduttore dello strato attivo (30) compresa tra 0,3 eV e 1,3 eV.
- 11. Matrice di sensori di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo e detto secondo motivo conduttivo consistono ciascuno di linee sostanzialmente parallele tra loro.
- 12. Matrice di sensori di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primo e secondo motivo conduttivo sono disposti ortogonalmente tra loro.
- 13. Un procedimento per la fabbricazione di una matrice di sensori come definita nelle rivendicazioni 1-12, comprendente le seguenti fasi: i) fornire un supporto (10) e depositarvi un primo strato conduttore (20) con un primo motivo conduttivo; ii) depositare uno strato attivo (30) comprendente almeno un polimero semiconduttore (31) e almeno un polimero piezoelettrico (32) su detto primo strato conduttore (20); iii) eseguire un trattamento termico degli strati deposti ad una temperatura compresa tra la temperatura di cristallizzazione e la temperatura di fusione di detti polimeri; e iv) depositare su detto strato attivo (30) un secondo strato conduttore (40) con un secondo motivo conduttivo la cui proiezione sul primo motivo conduttivo individui almeno un’area di intersezione.
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| VISSENBERG, M. C. J. M. & MATTERS, PHYSICAL REVIEW B, vol. 57, 1998, pages 12964 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113155328A (zh) * | 2021-01-24 | 2021-07-23 | 西安电子科技大学 | 一种柔性无源压力传感器、制备方法、可穿戴触觉传感器 |
| CN113155328B (zh) * | 2021-01-24 | 2023-07-21 | 西安电子科技大学 | 一种柔性无源压力传感器、制备方法、可穿戴触觉传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3925016A1 (en) | 2021-12-22 |
| WO2020165725A1 (en) | 2020-08-20 |
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