KR20070004812A - 힘센서, 압력 센서, 위치 센서 및 지문센서 - Google Patents

힘센서, 압력 센서, 위치 센서 및 지문센서 Download PDF

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KR20070004812A
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마르쿠스 할리크
우테 제스치스창
군터 슈미트
그제고르츠 달린스키
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랄프 브래데르로우
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인피니언 테크놀로지스 아게
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Abstract

본 발명은 기판(1, 11) 상에 부착된 유기 전계 효과 트랜지스터(10)에 기초한 힘센서로서, 상기 트랜지스터에 작용하는 기계적 힘은 상기 트랜지스터의 소스-드레인 전압 또는 상기 트랜지스터의 소스-드레인 전류(ip) 내에서 상기 힘에 대응하는 변화를 일으키고, 상기 변화는 각각의 경우에서 상기 작용하는 힘에 대한 측정량(Vmeas, Imeas)으로 검출될 수 있으며, 다이아프램 기반의 압력센서는 이러한 유형의 힘센서를 사용하고, 일차원 또는 이차원 위치센서는 이러한 유형의 다수의 힘센서를 사용하고, 지문센서는 이러한 힘센서를 다수개 사용한다.

Description

힘센서, 압력 센서, 위치 센서 및 지문센서{FORCE SENSOR COMPRISING ORGANIC FIELD EFFECT TRANSISTORS AND PRESSURE SENSOR, POSITION SENSOR AND FINGERPRINT SENSOR THAT ARE BASED ON SAID FORCE SENSOR}
본 발명은 유기 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 힘센서(force sensor), 압력 센서, 위치 센서 및 또한 전적으로 유기 전계 효과 트랜지스터에 기초한 지문 센서에 관한 것이다.
실제로 인간의 접촉 또는 고체 물체와의 접촉시 발생하는 것과 같은 기계적인 힘의 질적인 검출 또는 양적인 측정은 통상적으로 압전, 저항 또는 정전 효과 원리에 기초한 힘 센서를 사용하는 것이 효과적이다.
압전 힘 센서에 있어서, 활성 힘에 비례하는 전기적인 전하는 크리스탈의 외부 영역에서 수정 또는 특별한 압전세라믹으로 구성된 크리스탈의 기계적인 변형에 의해 생성된다. 공정 동안 생성된 전기적인 에너지는 매우 낮으며, 따라서 고 입력 저항을 갖는 전하 증폭기가 평가 목적을 위해 필요하다.
저항 힘 센서에 있어서, 전기적으로 전도성인 폴리머로 코팅된 필름은 작용 하는 힘에 의해 금속 접촉 구조에 대해 눌려지며, 결과적으로 금속 접촉간에 측정된 전기적인 저항은 측정가능하게 감소한다. 폴리머 층의 속성으로 인하여, 비교적 넓은 범위에 걸쳐서 저항내 변화는 작용하는 기계적인 힘에 비례하여 좌우된다. 예를 들어, 필름 힘 센서는 키보드에 사용되거나 전자 서명 검출을 위해 사용된다.
정전 힘 센서에 있어서, 두 개의 전기적으로 전도성인 영역 사이에 위치한 절연 층은 작용하는 힘에 의해 압착되고, 장치의 커패시턴스는 작용하는 힘의 위치에서 증가한다. 그러나, 커패시턴스내 변화는 상대적으로 작다.
WO 03/079,449 A1(특히, 10페이지와 11페이지의 관련 설명과 도 5를 참조)는 지문 센서와 2차원 위치 센서로서 또한 사용되는 힘 센서를 기술한다. 도 5에 도시된 구조는 다수의 LED를 구비하는 픽셀 어레이(pixel array) 위에 센서 어레이를 구비하며, 이 센서 어레이는 예를 들어 ITO와 하부 전도성 장벽 물질을 포함하는 투명한 상부 전극 층과 절연 레벨링 층 사이에 삽입된 유전체 또는 매우 높은 저항 물질로 제조된 압축성 층을 포함한다. 이러한 물질 스택에 압력이 가해지자 마자, 전극 층과 전도성 장벽 물질간의 거리가 변화되며, 따라서 유전체 물질위의 커패시턴스에서 측정가능한 변화 또는 매우 높은 저항성 물질위의 저항의 감소를 형성한다.
본 발명의 목적은 다양하게 사용되고 저렴한 비용으로 생산될 수 있으며 힘을 가한 후 복원가능한 재생가능한 측정 전류, 또는 측정 전압으로 변환될 수 있는 힘 센서를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 형태의 적어도 하나의 힘 센서를 이용한 압력 센서를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 형태의 힘 센서를 이용한 1차원 또는 2차원 위치 센서를 제공하는 데에 있다. 최종적으로, 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 형태의 힘 센서를 이용한 지문 센서를 제공하는 데에 있다.
다양한 기판위의 적절한 펜타신(pentacene) 트랜지스터의 제품이 다음의 논문에 기술된다:
M. Halik et al.; "Polymer gate dielectrics and conducting-polymer contacts for high-performance organic thin film transistors" in Advanced Materials, vol.14, p.1717(2002); H. Klauk et al.: "High-mobility polymer gate dielectric pentacene thin film transistors" in Journal of Applied Physics, vol.92, p.5259(2002), 및
H. Klauk et al: "Pentacene organic transistors and ring oscillators on glass and on flexible polymeric substrates" in Applied Physics Letters, vol. 82, p.4175(2003).
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 제 1 목적은 기판위에 적용된 유기 전계 효과 트랜지스터에 기초한 힘 센서를 이용하여 달성되며, 여기서 트랜지스터에 작용하는 기계적인 힘은 트랜지스터의 소스-드레인 전압에 변화를 야기하거나 힘에 대응하고 각각의 경우에 작용하는 힘에 대한 측정 양으로서 검출될 수 있는 소스-드레인 전류에 변화를 야기한다.
유기 전계 효과 트랜지스터는 바람직하게 드레인 전극과 소스 전극간의 펜타신으로 제조된 활성층을 구비하는 펜타신 트랜지스터이다. 결론적으로, 본 발명에 따른 힘 센서는 트랜지스터에 작용하는 기계적인 힘으로 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류의 재생가능한 가역적 관계를 이용한다. 유기 전계 효과 트랜지스터는 특히 임의의 기판위에 간단하고 저렴한 비용으로 집적될 수 있기 때문에, 이러한 형태의 유기 전계 효과 트랜지스터는 특히 힘 센서의 구현에 매우 적합하다.
유기 전계 효과 트랜지스터, 특히 펜타신 트랜지스터가 적용되는 전술한 기판은 예를 들어 유리, 세라믹, 플라스틱, 폴리머 필름, 금속 필름 또는 종이를 포함할 수도 있다. 기판이 폴리머 필름을 포함하는 기판의 경우에 있어서, 특히 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN; polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate) 폴리이미드(PI; polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate) 및/또는 폴리에텐 에테르 케톤(PEEK; polyethene ether ketones)이 선호된다.
이러한 형태의 힘 센서의 하나의 가능한 회로 예에 있어서, 전기적인 측정 량은 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압이다. 이러한 경우에 있어서, 일정한 게이트-소스 전압 및 일정한 드레인 전류가 측정 순간에 트랜지스터에 인가되고 드레인-소스 전압이 작용하는 힘에 대한 측정 량으로서 탭 오프된다.
이러한 형태의 힘 센서의 또 다른 회로 예에 있어서, 전기적인 측정 량은 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류이다. 이러한 회로 원리에서, 일정한 게이트-소스 전압 및 일정한 드레인-소스 전압이 측정 순간에 유기 전계 효과 트랜지스터에 인가된다.
전술한 광범위하게 유효한 기판 물질 덕분에, 어플리케이션의 상이한 형태 및 동일한 기초적인 구성을 모두 구비하는 상이한 측정 범위를 위한 힘 센서가 간단하고 저렴한 비용의 방법으로 구현될 수 있다.
어플리케이션중 하나는 본 발명에 따른 압력 센서이며, 다이아프램(diaphragm)으로서 구성된 기판 위에 본 발명에 따른 적어도 하나의 힘 센서를 구비한다. 이러한 경우에 있어서, 전기적인 측정 량(전술한 바와 같이, 후자는 드레인 전류이거나 드레인-소스 전압이다)은 적어도 하나의 힘 센서의 각각의 위치에서 다이아프램의 벤딩 상태(bending) 상태에 대응한다.
액체 또는 기체 매체에서 정적 및/또는 동적 압력을 측정하기 위한 집적 압력 센서가 통상적으로 압력하에 변형되는 탄성 구조(소위 다이아프램)의 원리에 기초하는 것으로 알려진 바와 같이, 하나 또는 다수의 압력 트랜스듀서(센서)가 이들의 표면위에 집적된다. 이러한 경우에 있어서, 측정될 압력은 다이아프램의 한 영역에 대해 작용하며, 반면에 봉인된 체적의 도움(또는 체적의 대기로의 개방)에 의해 일정한 기준 압력 설정이 다른 다이아프램 영역에 작용한다. 통상적으로, 저항성 또는 용량성 작동 원리가 다이아프램에서 압력 변환을 위해 이용된다, 즉 다이아프램의 탄성적인 기계적 변형은 전기적인 저항 또는 전기적인 커패시턴스의 측정가능한 변화를 유도한다. 이러한 경우에 있어서, 저항성 압력 센서(스트레인 게이지)는 금속성 컨덕터 트랙내 저항의 변화의 평가(컨덕터 트랙의 기하학적인 단면의 변화로 인한 저항의 변화) 또는 반도체 구조에 있어서 압전저항 효과를 기초로 한다.
금속성 스트레인 게이지의 근본적인 단점은 저 감도인데 이는 측정될 상대적인 저항 변화가 매우 작기 때문이다. 압전저항성 압력 트랜스듀서는 비교적 복잡하고 실리콘 기판 처리를 위한 필요성으로 인해 생산 비용이 높다는 단점이 있다. 더욱이, 저항 및 반도체에서 저항의 변화는 온도에 매우 종속적이다. 또 다른 단점은 압전저항성 압력 센서가 가스 및 액체 매체에서 압력의 측정에 대해서만 적합하다는 점인데, 이는 고체 물체와의 직접적인 접촉이 극히 얇은 실리콘 다이아프램의 파괴를 유도할 것이기 때문이다.
본 발명에 따른 압력 센서는 기판의 벤딩 상태시 유기 전계 효과 트랜지스터의 임계 전압의 재생가능하고, 가역적인 관계를 이용한다. 결론적으로, 본 발명은 변형가능한 다이아프램에 기초하고 다이아프램위에 집적된 하나 이상의 유기 전계 효과 트랜지스터의 임계 전압의 -다이아프램의 벤딩 상태에 종속적인- 압력 변환이 측정가능한 변화(임계 전압은 트랜지스터의 출력 전류가 전하 캐리어 채널에 축적됨으로 인해 갑작스럽게 증가하는 트랜지스터의 입력 전압으로서 정의된다)에 기초하는 집적된 압력 센서를 제안한다. 다수의 상업적으로 이용가능한 저렴한 플렉시블 다이아프램 물질의 전술한 이용가능성으로 인해, 두께 및 다이아프램의 표면의 목표로 하는 최적화를 이용하여, 동일한 기본적인 구성을 기초로 하는 각각의 경우에 있어서 상이한 어플리케이션 및 상이한 측정 범위를 위한 압력 센서를 간단한 방법으로 구현할 수 있다. 특히, 이것은 가스 및 액체 매체에서의 압력의 측정을 허용할 뿐만이 아니라, 고체 물체에 의해 다이아프램에 작용하는 힘과 압력의 측정을 허용한다. 이것은 종래의 압전저항성 센서에 비해 중요한 장점이다.
본 발명에 따른 힘 센서의 또 다른 어플리케이션은 라인을 따라서 기계적인 힘의 인가의 위치를 측정하거나 유기 전계 효과 트랜지스터에 기초한 각각의 경우에 있어서와 공통 기판위에 1차원 또는 2차원 매트릭스의 형태로 서로로부터 일정한 거리로 정렬되는 본 발명에 따른 다수의 힘 센서를 이용하는 영역 내에서 기계적인 힘의 인가의 위치를 측정하기 위한 1차원 또는 2차원 위치 센서이다.
종래의 1차원 또는 2차원 위치 센서에 있어서, 통상적으로 저항성 또는 용량성 작동 원리에 기초한 사전결정된 수의 힘 센서가 라인을 따라서 정렬되거나 또는 2차원 영역 내에 정렬되었다. 저항성 위치 센서에 있어서, 전기적으로 전도성인 폴리머로 코팅된 필름은 작용하는 힘에 의해 금속 접촉 구조에 대해 눌려지며, 따라서 금속 접촉간에 측정된 전기적인 저항은 측정가능하게 감소한다. 폴리머 층의 속성으로 인해, 비교적 넓은 범위에 걸쳐서, 저항의 변화는 작용하는 기계적인 힘에 비례적으로 종속된다. 용량성 위치 센서에 있어서, 두 전기적으로 전도성인 영역 사이에 위치된 절연 층은 작용하는 힘에 의해 압착되며, 장치의 커패시턴스는 증가한다. 그러나, 커패시턴스의 변화는 극히 작다.
대조적으로, 본 발명에 따른 위치 센서는 각각의 트랜지스터에 기계적인 힘을 가함으로써 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류의 재생가능하고 가역적인 관계를 이용한다.
예시적인 실시예로서 기술된 본 발명의 2차원 위치 센서에 있어서, 측정 데이타는 로우 디코더에 의해 대응하는 게이트-소스 전압의 인가(application)에 의해 열내의 모든 유기 전계 효과 트랜지스터를 선택함으로써 열 대 열로 검출된다. 게이트-소스 전압은 열내 트랜지스터가 스위치 온 되도록 선택되며, 동시에, 매트릭스의 모든 다른 열이 로우 디코더에 의해 대응하는 게이트-소스 전압의 인가(application)에 의해 선택해제되며, 따라서 이들 열내 트랜지스터가 턴오프되고 측정 전류에 아무런 기여를 하지 못한다. 트랜지스터가 턴 오프되도록 선택해제 전압이 선택된다. 측정 전압은 작용하는 기계적인 힘에 종속되며, 즉 선택된 열내 개별적인 트랜지스터의 드레인-소스 전압은 매트릭스의 행에 연결된 구동 및 측정 유닛에 의한 일정한 전류원의 활성화 후에 검출된다.
본 발명에 따른 힘 센서의 또 다른 어플리케이션은 본 발명에 따른 지문 센서이며, 이것은 트랜지스터위에 작용하는 기계적인 힘으로 매트릭스 형태로 정렬된 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류의 재생가능하고, 가역적인 관계를 이용한다.
지문은 통상적으로 손가락끝의 미세한 지형이 점대 점으로 검출됨으로써 개별적인 센서의 2차원적인 정렬(매트릭스)을 접촉함으로써 손가락 끝에 의해 식별된다. 지문의 인식을 위해, 각각의 개별적인 센서에 있어서 특징적인 물리적인 양(기계적인 압력 또는 전기적인 전도성)은 전기적인 양, 전압, 전류 세기 또는 커패시턴스로 변환되어, 시스템에 의해 검출될 수 있어서, 개별적인 센서에 의해 제공되는 측정 결과의 전자적인 검출 및 평가를 가능하게 한다. 용량성, 압전성 또는 저항 효과는 물리적 양을 전기적 양으로 변환하기 위해 선택적으로 이용된다.
검사될 물체의 성질로 인해, 센서에서 이용되는 효과의 형태에 통상적으로 독립적인 일련의 문제가 종래의 지문 센서 기술에서 발생한다. 이들 문제는 인간의 땀과 결과적인 오염의 화학적 합성 및 개별적인 센서내 및 센서들간의 전기적인 결합에 의한 주요한 부식 현상뿐만 아니라 활성 센서 물질의 부식에 의해 야기된다.
유기 전계 효과 트랜지스터에 기초한 저렴한 압력 센서가 본 발명에 따른 지문 센서와 더불어 제안된다. 이러한 지문 센서의 경우에 있어서, 침습성 물질(aggressive substance), 특히 인간의 땀에 대한 충분한 저항은 보호층의 적절한 선택에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 지문 센서의 센서 시스템은 본질적으로 2차원 위치 센서에 대해 이미 전술한 종류의 구동과 측정 유닛 및 로우 디코더를 구비한 유기 전계 효과 트랜지스터의 2차원 매트릭스를 포함한다.
주로 인간의 땀에 의해 야기되고 이러한 센서의 수명에 악영향을 끼치는 환경 오염에 대한 센서 어레이의 보호는 단층 또는 2층의 보호층을 센서 어레이에 적용함으로써 효과적이다.
본 발명에 따른 힘 센서, 이러한 형태의 힘 센서를 이용하여 실현되는 본 발명에 따른 압력 센서, 본 발명에 따른 힘 센서를 이용한 1차원 또는 2차원 위치 센서, 및 본 발명에 따른 지문 센서의 또 다른 장점은 도면을 참조하여 다수의 예시적인 실시예 및 어플리케이션을 이용하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 사용되는 유기 전계 효과 트랜지스터로서 바람직하게 제공되는 펜타신 트랜지스터의 개략적인 단면도,
도 2(a) 및 2(b)는 트랜지스터에 기계적인 힘이 작용하고 전기적인 측정 신호를 발생하기 위해 기계적인 힘이 제공될 때, 도 1에 따른 펜타신 트랜지스터의 드레인 전류의 재생가능하고 복원가능한 의존성을 이용하는 2개의 대안적인 회로 변형을 도시하는 도면,
도 3은 펜타신 트랜지스터에 아무런 힘이 가해지지 않을 때와 제어 방식으로 내리누를 수 있는 핀에 의해 트랜지스터에 기계적인 힘이 작용할 때의 각 경우에 있어서 게이트-소스 전압을 통해 유리 기판위에 집적된 펜타신 트랜지스터의 드레인 전류의 관계를 도시하는 그래프,
도 4는 도 3으로부터의 측정 결과에 기초하여 로우와 하이 상태간의 차를 그래픽적으로 도시하고, 또한 게이트-소스 전압의 함수로서 드레인 전류내 백분율 변화를 도시하는 도면,
도 5는 다이아프램형 압력 센서로서 본 발명에 따른 힘 센서의 어플리케이션을 개략적으로 도시하는 도면,
도 6은 PEN 다이아프램의 벤딩시 도 5에 따른 PEN 다이아프램에 집적된 펜타신 트랜지스터의 드레인 전류의 관계를 도시하는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 다수의 힘 센서를 이용한 1차원 위치 센서의 회로 배치를 개략적으로 도시하는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 다수의 힘 센서의 2차원 매트릭스를 이용한 2차원 위치 센서의 회로 배치를 개략적으로 도시하는 도면,
도 9 내지 11은 본 발명에 따른 힘 센서를 이용하는 본 발명에 따른 지문 센서의 3가지 예시적인 실시예의 개략적인 단면도를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 기판
2: 게이트 전극
3: PVP 게이트 유전체
4: 드레인 전극
5: 펜타신 층
6: 패시베이션 층
7: 소스 전극
10: 펜타신 트랜지스터
11: 다이아프램 기판
101~10n: 다수의 펜타신 트랜지스터
20: 구동 및 측정 유닛
21: 로우 디코더
30, 31, 32: 내한 보호층
100, 101, 102: 지문 센서
Icontrol: 일정한 전류
Vcontrol, Vcontrol1, Vcontrol2: 일정한 전압
Vmeas, Imeas: 측정전압, 측정전류
본 발명은 힘 변환이 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류의 측정가능한 변화에 기초한 힘 센서를 기술하고, 상기 변화는 작용하는 힘의 크기에 종속된다. 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전극과 게이트 전극에서 전위 존재시 드레인 전류의 종속 상태 이외에도, 이들 트랜지스터에서 드레인 전류는 부가적으로 트랜지스터에 작용하는 기계적인 힘에 종속된다. 특히 유기 트랜지스터가 임의의 기판위에 간단하고 저렴한 비용으로 집적될 수 있기 때문에, 이 트랜지스터들은 힘 센서의 구현에 아주 적합하다.
유기 전계 효과 트랜지스터에 대해, 본 발명은 도 1에 단면도로서 도시된 펜타신 트랜지스터를 선호한다. 활성층(5)에 대해 펜타신을 이용하는 대신에, 예를 들어, 층(5)의 물질로 티오펜(thiophene), 올리고티오펜(oligothiophene), 폴리티오펜(polythiophene) 및 플로렌(fluorene)을 이용하는 것이 또한 가능하다. 도 1에 도시된 펜타신 트랜지스터(10)가 기판(1)에 적용되며 게이트 전극(2), PVP 게이트 유전체(3), 드레인 전극(4), 활성 펜타신 층(5), 패시베이션 층(6) 및 소스 전극(7)을 구비한다.
광범위하게 유효한 물질이, 예를 들면, 유리, 세라믹, 플라스틱, 폴리머 필 름, 금속 필름 및 종이와 같은 기판의 물질을 위해 적절하다. 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리마이드(PI), 폴리카보네이트, 폴리에텐 에테르 케톤(PEEK)이 폴리머 필름중에서 바람직하다. 이러한 광범위하게 유효한 기판 물질 덕분에, 동일한 기본적인 구성에 기초하여 특히 하기에서 기술되는 상이한 어플리케이션 및 상이한 측정 범위를 위해 힘 센서를 보다 간단한 방법으로 구현하는 것이 가능하다.
도 2(a) 및 2(b)는 유기 트랜지스터에 기초한 힘 센서 소자에 대한 2개의 회로 변형을 도시한다. 도 2(a)는 일정한 전류원(Icontrol) 및 측정량(Vmeas)으로서 트랜지스터의 드레인-소스 전압의 측정에 의해 센서, 특히 도 1에 도시된 펜타신 트랜지스터(10)의 센서의 구동을 위한 회로 배치를 도시한다. 일정한 전류원(Icontrol)과 일정한 게이트-소스 전압(Vcontrol)이 제공되면, 측정된 전압(Vmeas)은 작용한 기계적인 힘에만 종속되며 따라서 펜타신 트랜지스터에 가해진 힘이 결정되도록 한다. 이러한 경우에 있어서, 각각의 어플리케이션에 종속하는(아래 더 참조) 기계적인 힘은 예를 들어 위로부터 패시베이션 층(6)에 가해지거나 변형, 예를 들어 펜타신 트랜지스터를 지니는 기판(1)의 벤딩과 같은 변형으로서 가해질 수도 있다.
도 2(b)는 일정한 게이트-소스 전압(Vcontrol) 및 일정한 드레인-소스 전압(Vcontrol1)에 의한 힘센서(10)의 구동 및 측정량(Imeas)으로서 펜타신 트랜지스터(10)의 드레인 전류의 측정을 도시한다. 도 2에 도시한 회로 배열의 경우에서, 측정된 전류(Imeas)는 트랜지스터에 작용된 힘에 대해 도출된 결론을 내릴 수 있 다.
도 2(a) 및 도 2(b)에 도시한 두 개의 회로의 변형은 동작의 전기적 모드에 대해서 동일하다.
도 2(b)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 힘센서의 회로 변형에 기초하여, 도 3은 전압으로 측정된 게이트-소스 전압(VGS)의 함수로 측정량(Imeas)에 대응하는 드레인 전류(Ip)의 측정된 값을 (암페어로) 압력 없는 상태, 즉 힘센서에 힘이 작용하지 않는 경우에는 실선으로 도시하고, 조절되는 방식으로 낮아질 수 있는 핀에 의하여 기계적 힘이 힘센서에 작용하는 경우에는 쇄선으로 도시한다. 드레인-소스 전압(VDS)은 일정하고 이 경우에 2OV이다. 힘작용(실선)이 없는 드레인 전류와 펜타신 트랜지스터에 작용되는 힘을 가지는 드레인 전류 사이의 도 3 내에 도시된 차이는 펜타신 트랜지스터(1)의 온-상태 범위에서 대략적으로 0 내지 27 nA 사이의 (도 4 내의 쇄선 커브에 따른) 드레인 전류의 차이값(△ID)을 초래하며, 만약 펜타신 트랜지스터(10)의 동작점이 게이트-소스 전압(VGS)의 선택에 의하여 트랜지스터(10)의 온-상태 범위로 들어가게 되면, (펜타신 트랜지스터(10) 상에 힘이 작용하지 않는) 낮은 상태에 대하여 (펜타신 트랜지스터상에 힘이 작용하는) 높은 상태에서 상당한 비율의 변화가 도 4 내의 실선 커브에 의하여 나타낸 바와 같이 확인된다.
더욱이, 변형 가능한 다이아프램(11)에 기초한 집적된 압력센서는 도 5 및 도 6을 참조로 기술되며, 센서 내에서 압력 변환은 - 다이아프램의 벤딩 상태에 의 존하는- 하나 또는 그 이상의, 특히 다이아프램 상에 집적된 펜타신 트랜지스터인 유기 전계 효과 트랜지스터의 임계 전압의 측정 가능한 변경에 기초한다. 이 경우에 임계 전압은 전하 캐리어 채널 내의 집적량에 때문에 트랜지스터의 출력 전류가 급격하게 증가하는 트랜지스터의 입력 전압으로 정의된다.
도 5는 도 1에 따라 기판이 가소성의 다이어프램(11)으로 구성된 압력센서의 배열을 도시하며, 여기서 다이어프램은 이의 외측 모서리에서 고정되게 클램핑되며 이의 중앙부에서 위 방향 및 아래 방향으로 편향될 수 있다. 도 5에 도시한 예에서, 측정될 압력(Pmeas)은 아래로부터 작용되며 기준 압력(Pref)은 다이아프램(11)상의 위로부터 작용함으로써, 펜타신 트랜지스터(10) 상에서 압력 센서로서 작용한다.
대체로, 이미 전술한 넓은 범위의 물질은 다이아프램(11)에 적합하다.
중앙 위치 내에 하나의 펜타신 트랜지스터(10)를 대신하는 것은 말할 필요도 없으며, 다이아프램(11) 상에 다수의 펜타신 트랜지스터(10)(도시하지 않음)를 적용하는 것도 물론 가능하다.
도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하여 전술한 회로 변형 및 도 3 및 도 4를 참조하여 기술한 이들의 동작 모드는 이미 Pmeas 및 Pref 사이의 차분 압력을 전기 전압 또는 전류 신호로 변환하기 위하여 역시 사용될 수 있다. 도 2(a)에 따르면, 일정한 드레인 전류(Icontrol) 및 일정한 게이트-소스 전압(Vcontrol)는 주어지며, 측정된 전압(Vmeas)은 오직 다이어프램의 벤딩 상태에 의존함으로써 다이아프램에 작용하는 압력이 결정되도록 한다. 도 2(b)에 따르면, 측정된 전류(Imeas)는 다이아 프램(11)의 벤딩 상태에 관하여 결론이 도출되도록 한다.
도 6은 펜타신 트랜지스터(10)가 도 5에 따라 PEN 다이어프램 상에 집적되는 경우에 % 트랜지스터 확장의 함수로 드레인 전류(ID)에 대한 측정 결과를 피코암페아(picoampere) 단위의 그래프로 도시한다.
더욱이, 본 발명에 따라 다수의 힘센서를 사용한 위치 센서를 도 7 및 도 8을 참조하여 기술하였으며, 물리적 양 "힘"의 측정가능한 전기적 양(quantity)으로의 변환은 특히 변화가 작용하는 힘에 의존하는 펜타신 트랜지스터인 유기 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류의 변화에 기초한다.
도 7은 등간격으로 분리되며 선분을 따라 배열된 다수의 힘센서(101, 102, 103, 104, 10K)를 사용하는 일차원 위치센서를 도시한다. 상기 힘센서들의 각각은 도 1 내지 도 4를 참조하여 기술된 바와 같이, 특히 펜타신 트랜지스터(10)에 의하여 구현된다. 대응하는 게이트-소스 전압을 인가(application)함으로써 열(row) 내의 트랜지스터들(101, 102, 103, 104, 10K) 모두를 스위칭-온(switching-on)하며 동시에, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 예를 들어 일정한 전류(Icontrol)를 가지는 일정한 전류원 펜타신 트랜지스터들(101, 102, 103,..., 10K) 각각에 연결함으로써, 작용하는 힘의 각각의 위치는 구동 및 측정 유닛(20)에 의하여 드레인-소스 전압(Vmeas)의 평가에 의하여 검출될 수 있다.
도 8은 등간격으로 분리된 다수의 유기 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 특히 로우 디코더(21)와 구동 및 측정 유닛(20)과 상호 작용을 하며 도 1에 따른 펜타신 트랜지스터(101, 102, ..., 10n)가 형성하는 이차원 배열을 간략하게 도시한다. 유기 전계 효과 트랜지스터, 특히 펜타신 트랜지스터(101, 102, ..., 10n), 각각은 동시에 센서 요소의 업무와 행렬(선택 트랜지스터) 내의 개별 화소를 어드레싱하기 위한 스위치의 업무인 두 가지 업무(tasks)를 동시에 충족시킨다.
하나의 열(row) 내의 모든 트랜지스터를 선택하여, 예를 들면 트랜지스터(101-10k)로 시작하고, 로우 디코더(21)를 이용하여 대응하는 게이트-소스 전압을 인가함으로써 측정 데이터의 검출은 열-대-열(row-by-row)로 달성된다. 선택 전압은 상기 열 내의 트랜지스터가 스위치 온(switched on)되도록 선택된다. 동시에 행렬의 다른 모든 열은 로우 디코더(21)에 의하여 대응하는 게이트-소스 전압을 인가함으로써 선택되지 않게 되어, 이러한 선택되지 않은 열 내의 트랜지스터는 턴-오프되고 측정 전류에 기여하지 못하게 된다. 이러한 경우에, 선택해제(deselect) 전압은 상기 열의 대응하는 트랜지스터가 턴-오프되도록 로우 디코더(21)에 의하여 선택된다. 전류 Icontrol을 가지는 일정한 전류원(constant-current source)이 구동 및 측정 유닛(20)에 의하여 활성화된 후, 작용하는 기계적 힘에 의존하는 측정 전압, 즉 선택된 열 내의 도 2(a)에 따른 트랜지스터의 드레인-소스 전압은 검출된다.
전술한 기판 물질은 대체로 일차원 위치센서 및 도 8에 따른 이차원 위치센서에 역시 적합하다. 기판 물질의 이러한 넓은 범위 덕분에, 동일한 기본적인 구 성에 기초하여 상이한 응용분야 및 상이한 측정 범위에 사용하기 위한 위치 센서를 간단한 방법으로 구현하는 것이 가능하다.
압력센서로 구성되고 유기 전계 효과 트랜지스터, 특히 펜타신 트랜지스터를 기초한 저렴한 지문센서의 세 가지 상이한 예시적 실시예를 도 9 내지 도 11을 참조하여 하기에 설명하며, 여기서 보호층을 적절하게 선택함으로써 침습성 물질(aggressive substance), 특히 인체 발한(human perspiration)에 대한 충분한 내성을 확보할 수 있다.
압력센서로서 매립된 이러한 지문센서의 기초는 도 8을 참조하여 전술한 2차원 센서 어레이이다. 측정 데이터의 검출은 로우 디코더(21)로 대응하는 게이트-소스 전압을 인가하여 하나의 열 내의 모든 트랜지스터를 선택하여 열-대-열로 달성되며, 선택 전압은 상기 열 내의 트랜지스터가 스위치-온 되도록 선택된다. 동시에, 로우 디코더는 대응하는 게이트-소스 전압을 인가하여 행렬의 다른 열 내에서 스위칭-오프 되도록, 즉 이러한 열을 선택하지 않으므로, 이러한 열 내의 트랜지스터는 턴-오프 되고 측정 전류에 기여하지 않게 된다. 구동 및 측정 유닛(20)에 의하여 일정한 전류원(Icontrol)이 활성화된 후, 작용하는 기계적인 힘에 의존하는 측정 전압, 즉 선택된 열 내의 펜타신 트랜지스터의 드레인-소스 전압,은 검출된다.
우선 인체 발한에 의하여 야기되며 이러한 센서의 수명에 나쁜 영향을 끼치는 환경적 오염에 대하여 센서 어레이를 보호는 일층 또는 이층 보호층을 센서 어레이에 인가하여 달성된다. 인체 발한은 많은 화학적 화합물에 칩습 성(aggressive)이며 4.5의 pH를 가지는 산성의 수용성 용액이다. 발한은 이차성분 염화 나트륨(sodium chloride), 염화 칼슘(calcium chloride), 암모니아, 요소(urea), 오줌에서 얻은 산(uric acid) 및 크레아틴(creatine)을 가지는 98% 물 및 또한 단백질 성분을 포함한다.
각각의 경우에서 도 9 내지 도 11은 펜타신 트랜지스터(10)를 사용한 도 8에 도시한 이차원 어레이의 개별 압력 센서를 도시한다. 도 9에 도시한 예시적 실시예(100)에서, 물 및 친수성 성분에 대한 확산 장벽(30)을 펜타신 트랜지스터(10)에제 1(최하위) 보호층으로 부착된다. 이러한 보호층(30)은 반응성 유기 반도체층(도 1의 5를 참조하라)에 손상 없이 펜타신 트랜지스터(10) 상에 증착되는 침수성 물질을 포함한다. 특히 이러한 것에 적합한 것은 긴 체인의 혼합물인 파라핀(paraffine), 상이한 체인 길이이어서 상이한 녹는 범위로 상업적으로 입수 가능한 매우 소수성인 지방성 화합물 탄화수소이다. 본 발명에 대한 선택은 실온에서고체이며 구성 성분의 최대 사용 온도(대략 80℃) 이상의 녹는 범위를 가지는 파라핀이다. 파라핀은 저가이며 또한 상대적으로 낮은 온도에서 분해 없이 기화될 수 있다. 그 결과, 파라핀 층의 부착은 저가로 실현될 수 있다. 활성층(5)의 표면상에 기상-증착되는 파라핀 필름(도 1을 참조)은 대기 습기에 대하여 사실상 100% 보호를 하지는 못할 뿐만 아니라 물과 친수성 구성 성분에 직접 접촉을 보호할 수 있다. 비록 파라핀이 (예를 들어 알콜, 아세톤, 헥산, 석유 에테르 등과 같은 유기 용매와 유사한) 유기 분자를 포함하더라도, 기상-증착된 파라핀 층들은 활성 유기 반도체층(5)의 분자 배열과 이들의 전기적 특성에 손상을 주기 않는다. 한편, 이 는 지방성 화합물 탄화수소의 크기(길이＞C17)에 기인하며, 다른 한편으로는 파라핀의 (고체에 대하여 부드럽고 연한) 물질 상태에 기인한다. 작은 유기 용매 분자에 대조하여, 층 또는 결정 격자를 통한 확산은 커다란 분자의 경우에 비하여 훨씬 어렵게 된다. 게다가, 파라핀은 고체이며, 따라서 이동성이 매우 떨어진다. 도 9에 도시한 예시적 실시예(100)에서, 바람직하게 폴리비닐 알콜(PVA; Polyvinyl alcohol)인 친수성 폴리머층은 제 2 (상부) 보호층(31)으로 작용한다. 제 2 보호층의 기능은 활석(talc), 단백질 잔유물 또는 일반적인 유기 구성물과 같은 친유성 구성물에 대한 확산 방지층으로서 효력을 가지도록 구성한다.
도 10에 도시된 바와 같이 펜타신 트랜지스터(10)를 채용한 지문 센서의 제 2 예시적 실시예(101)에 의하여 도시된 바와 같이, 반응성 유기 반도체층(5)이 손상받지 않고 트랜지스터의 표면에 어떠한 문제 없이 파라핀과 PVA가 증착될 수 있기 때문에 보호층들의 순서는 서로 교환 가능하다.
본 발명에 따른 지문 센서의 구현에 있어서, 소수성 단백질층으로 사용되는 물질은 특히 실온에서 고체, 예를 들면 녹는 점이 73 내지 78℃인 알드리치(Aldrich)이다. 예를 들어, 아다만탄(adamantane)과 같이 실온에서 고체이며 분해 없이 기화될 수 있는 불활성 비방향성 탄화수소가 역시 적합하다. 소수성 단백질층(30)은 (10-1 내지 10-4 기압인 휘발성에 의존하는) 감소된 압력과 상승된 온도로 기상으로부터 증착되며, 기판은 냉각된다.
친수성 보호층(latter)이 도 10에 따른 예시적 실시예(101) 내에서 처럼 펜 타신 층 상에 부착된 경우에, (물에서 1 내지 10%인) 폴리비닐 알콜의 수성 형태(aqueous formulation)는 친수성 보호층(31)에 특히 적합한 것으로 증명되었다. 광화학적 교차결합에 대한 개시자(initiator)는 이러한 형태에 선택적으로 부가될 수 있으며, 이러한 개시자는 UV 광의 조사하에 급속 경화(rapid cureing)를 촉진시킨다. 대응하는 개시자는 예를 들어 (중량에 있어서 0.01 내지 0.1%인) 암모늄 중크로산염(ammonium dichromate)이다. 증착은 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 스프레이 코팅에 의하여 달성된다.
도 11은 펜타신 트랜지스터(10)를 사용한 내한(perspiration-resistant) 지문센서의 제 3 예시적 실시예를 도시하며, 여기서 불소화(perfluorinated) 물질이보호층(32)으로 사용된다. 예를 들어, 퍼플루오로 헥사데칸(perfluorohexadecane)과 같은 불소화 화합물로 이루어진 층이 친수성 화합물 및 친소성 화합물 모두에 대한 확산 장벽으로 사용될 수 있기 때문에 이러한 유형의 물질은 오직 하나의 보호층(32)으로 사용될 수 있다.
도 11에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 지문 센서의 제 3 예시적 실시예의 경우에 있어서, (예를 들어, 103 내지 104℃ 녹는점의 퍼플루오로 테트라데칸(perflurorotetradecane); 및 125 내지 126℃ 녹는점의 퍼플로오로 헥사데칸인) 모든 불소화 n-알켄 유도체(derivative) 및 또한 실온에서 고체이며 분해 없이 기화될 수 없는 (예를 들어 녹는점이 59℃인 퍼플루오로 메틸데칼린(perfluoromethydecalin)) 불활성 비방향성인 불소화 탄화수소가 적합하며, 특히 불소화 단백질층(32)이 적합하다. 증착은 (10-1 내지 10-4 기압인 휘발성에 의존하는) 감소된 압력과 (200℃에 이르는) 상승된 온도에서 기상인 상태로부터 증착되며, 이 경우에 기판은 반드시 냉각된다.
기판 물질의 넓은 범위에 따른 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따라 전술한 힘센서에 대하여 전술한 바와 같은 동일한 관점은 도 9 내지 도 11에서 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 전술한 예시적 실시예(100, 101, 102)의 지문 센서의 기판 물질에 대해서도 유효하다.

Claims (16)

  1. 기판(1, 11) 상에 부착된 유기 전계 효과 트랜지스터(10)에 기초한 힘센서로서,
    상기 트랜지스터에 작용하는 기계적 힘은 상기 트랜지스터의 소스-드레인 전압 또는 상기 트랜지스터의 소스-드레인 전류(id) 내에서 상기 힘에 대응하는 변화를 일으키고, 상기 변화는 각각의 경우에서 상기 작용하는 힘에 대한 측정량(Vmeas, Imeas)으로 검출될 수 있는
    힘센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 전계 효과 트랜지스터(10)는 펜타신(Pentacene) 트랜지스터의 소스 전극(7)과 드레인 전극(4) 사이에 펜타신으로 이루어진 활성층(5)을 가지는 펜타신 트랜지스터인
    힘센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판(1)은, 유리, 세라믹, 플라스틱, 폴리머 필름, 메탈 필름 또는 종 이(paper)를 포함하는
    힘센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판(1)의 폴리머 필름은, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN; Polyethylene napthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; Polyethylene terephthalate), 폴리이미드(PI; Polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate) 및/또는 폴리에탄 에테르 케톤(PEEK; Polyethene ether ketones)을 포함하는
    힘센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출된 측정량(Vmeas)은 측정 순간에 상기 트랜지스터에 나타나는 상기 유기 전계 효과 트랜지스터(10)의 상기 드레인-소스 전압, 일정한 게이트-소스 전압(Vcontrol) 및 일정한 드레인 전류(Icontrol)인
    힘센서.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출된 측정량은 측정 순간에 상기 트랜지스터에 나타나는 상기 유기 전계 효과 트랜지스터(10)의 상기 드레인 전류(Imeas), 일정한 게이트-소스 전압(Vcontrol) 및 일정한 드레인-소스 전압(Icontrol)인
    힘센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 힘센서를 사용하는 압력센서로서,
    상기 기판은 변형 가능한 다이아프램(11)으로 구성되며, 상기 측정량은 상기 다이아프램의 벤딩 상태(bending state)에 대응하는
    압력센서.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 힘센서들(101, 102,..., 10n)을 사용하여 소정 선분을 따르는 구간이나 소정 영역 내에서 기계적 힘 작용의 위치를 측정하기 위한 일차원 또는 이차원 위치센서로서,
    상기 다수의 힘센서들(101, 102,..., 10n)은 공통 기판 상에 일차원 또는 이차원 매트릭스의 형태로 규칙적인 간격을 갖고 배열되는
    일차원 또는 이차원 위치센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 힘작용의 상기 위치를 구동 및 검출하기 위해 구동 및 측정 유닛이 상기 모든 전계 효과 트랜지스터의 상기 드레인 또는 소스 단자들에 접속되거나 연결될 수 있는
    일차원 위치 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    이차원 위치 센서로서,
    상기 유기 전계 효과 트랜지스터는 행과 열로 배열되며, 구동 및 측정 유닛(20)이 상기 힘작용의 상기 위치를 구동 및 검출하기 위해 상기 전계 효과 트랜지스터의 상기 드레인 또는 소스 단자에 접속되거나 연결될 수 있으며, 로우 디코더(21)가 상기 유기 전계 효과 트랜지스터를 단위로(row-by-row) 선택 및 구동하기 위하여 상기 유기 전계 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 접속되거나 연결될 수 있는
    이차원 위치 센서.
  11. 행과 열로 이루어진 이차원 행렬 형태로 규칙적인 간격을 갖고 공통 기판상 에 배열되어 있는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 다수의 힘센서들을 이용한 지문 센서로서,
    구동 및 측정 유닛(70)이 상기 힘작용의 상기 열을 구동하고 측정하기 위해 모든 열 내의 상기 유기 전계 효과 트랜지스터의 상기 드레인 또는 소스 단자에 접속 또는 연결될 수 있으며, 로우 디코더(21)가 상기 열방향에서 상기 힘작용의 상기 위치를 단위로 선택 및 검출하기 위하여 모든 상기 행의 상기 유기 전계 효과 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 접속되거나 연결될 수 있는
    지문 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 하나의 내한(perspiration-resistant) 보호층(30, 31, 32)이 상기 유기 전계 효과 트랜지스터의 상기 활성층(5)의 위에 물 및 유기 오염물의 침투에 대한 보호부로서 제공되는 것을 특징으로 하는
    지문 센서.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 보호층은 불소화 물질(perfluorinated material)을 포함하되, 특히 퍼플루오로 헥사데칸(perfluorohexadecane)을 포함하는
    지문 센서.
  14. 제 12 항에 있어서,
    제 1 보호층(30)은 소수성 물질(hydrophobic material)을 포함하고 제 2 보호층(31)은 친지성(lipophilic) 오염물질에 대한 확산 방지막으로 작용하는 친수성 폴리머(hydrophilic polymer)인
    지문 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 보호층(30)은 제 2 보호층(31)을 덮는
    지문 센서.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 보호층(31)은 상기 제 1 보호층(30)을 덮는
    지문 센서.
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