TW201830657A - 多功能感測器 - Google Patents

Abstract

一種多功能感測器，包括：基板、第一感測結構、介電層以及第二感測結構。第一感測結構配置於基板上。介電層配置於第一感測結構上。第二感測結構配置於介電層上。第一感測結構與第二感測結構位於基板的同一側。

Description

多功能感測器

本發明是有關於一種多功能感測器，且特別是有關於一種具有多個位於基板的同一側的感測結構的多功能感測器。

習知的多層感測結構是以半導體製程製造，然其需要多道光罩製程，製造成本相當高。再者，由於多層感測結構包含多種材料，因此通常需要多個腔體，以進行這些材料的沉積、蝕刻等製程。否則，在單一腔體中進行多種材料製造時，易造成交叉汙染的問題。

此外，藉由半導體製程而將多層不同的感測結構形成於單一基板上，在形成上層感測結構時，有可能對已形成的下層感測結構造成破壞，因此，在技術上面臨相當多的挑戰。

本發明提供一種多功能感測器，可有效縮小感測器的體積，且在形成的過程中不會造成不同材料之間交叉汙染的問題。

本發明提供一種多功能感測器，包括：基板；第一感測結構，配置於基板上；介電層，配置於第一感測結構上；以及第二感測結構，配置於介電層上，其中第一感測結構與第二感測結構位於基板的同一側。

在本發明的一實施例中，上述的第一感測結構包括具有電阻值變化感測構形的第一電極。

在本發明的一實施例中，上述的第二感測結構包括第二電極，配置於介電層上；以及感測層，配置於第二電極上。

在本發明的一實施例中，上述的多功能感測器更包括加熱板，位於第二電極的間隙之中。

在本發明的一實施例中，上述的多功能感測器更包括光源，配置於感測層上或感測層的周邊。

在本發明的一實施例中，上述的第一電極包括蛇狀電極。

在本發明的一實施例中，上述的基板的材料包括多孔材料，且第一感測結構的一部分延伸入基板的孔洞中。

在本發明的一實施例中，上述的感測層的材料包括矽、奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯（graphene oxide）、氧化鋅、二氧化錫、氧化銦、三氧化鎢、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化二鐵、鎳、銅、金金屬團簇（Au cluster）或其組合。

在本發明的一實施例中，上述的第一感測結構、介電層、第二感測結構的形成方法包括三維列印。

在本發明的一實施例中，上述的基板的材料包括奈米纖維素材料。

在本發明的一實施例中，上述的第一感測結構包括第一電極，配置於基板上；以及第一電極感測層，配置於第一電極上。

基於上述，本發明的多功能感測器的多個感測結構位於同一基板的同一側，可有效縮小多功能感測器的體積。此外，本發明藉由三維列印的方式形成多功能感測器，可避免在形成上層的感測結構時，對已形成的下層的感測結構造成的破壞，且不會造成不同材料之間交叉汙染的問題。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是本發明一實施例的多功能感測器100的示意圖，圖2是本發明圖1A的實施例中的多功能感測器沿線I-I’的剖面示意圖。請參照圖1A、圖2，本發明一實施例的多功能感測器100包括：基板102以及由下而上設置的第一感測結構104、介電層106以及第二感測結構108。第一感測結構104配置於基板102上。介電層106配置於第一感測結構104上。第二感測結構108配置於介電層106上。第一感測結構104與第二感測結構108位於基板102的同一側。本發明的多功能感測器的多個感測結構位於同一基板的同一側，可有效縮小多功能感測器的體積。

在一實施例中，基板102的材料包括多孔材料。圖3是本發明一實施例的第一感測結構與基板的配置方式的示意圖。請參照圖3，基板102的多孔材料具有適合的孔徑，使基板102上的第一感測結構104的一部分延伸入基板102的孔洞中。因此，第一感測結構104與基板102之間的附著力可以被提升。在另一實施例中，基板102的材料亦可以是可撓性材料。基板102的材料例如是奈米纖維素材料、尼龍（Nylon）、聚醚碸（polyether sulfone）、醋酸織維素（acetate cellulose）、聚四氟乙烯（polyfluortetraethylene）、聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride）、玻璃織維（glass fiber）、環狀烯烴聚合物（cycloolefin polymer；COP）或聚乙烯（Polyethylene）或其組合。然，基板102的材料不限於此，其也可以是其他多孔洞。在基板102是奈米纖維素材料的實施例中，其孔洞的孔徑例如是0.2奈米至500奈米。

在一實施例中，第一感測結構104例如是具有電阻值變化感測構形的第一電極。電阻值變化感測構形例如是規律性曲折的蜿蜒構形。具有電阻值變化感測構形的第一電極可藉由形變所造成的電阻值變化來感測施加的應變值，為一壓力感測結構，可作為應變計。在另一實施例中，具有電阻值變化感測構形的第一電極可藉由溫度所造成的電阻值變化來感測溫度值，為一溫度感測結構，具有溫度感測功能。在一實施例中，具有電阻值變化感測構形的第一電極例如是蛇狀電極(strain gauge)，其材料例如是金、鉑、鈀、銀、銅、鎳、鋁、碳。

圖1B至圖1E是本發明其他實施例的多功能感測器的局部示意圖。在圖1B至圖1E的實施例中，第一感測結構104例如是熱敏電阻(thermistor)。第一感測結構104具有第一電極104a及第一電極感測層104b，其中第一電極感測層104b位於第一電極104a上。在圖1B的實施例中，第一電極104a例如是叉指式電極（interdigital electrode），叉指式電極的端點在基板102的同一側，由基板102的同一側進行電性連接。在圖1C的實施例中，第一電極104a例如是叉指式電極（interdigital electrode），且叉指式電極的端點在基板102的兩側，由基板102的兩側進行電性連接。在圖1D的實施例中，第一電極104a例如是位於基板102的角落處，具有平行排列的構形。在圖1E的實施例中，第一電極104a例如是位於基板102的中央附近，具有平行排列的構形。在圖1B至圖1E的實施例中，第一電極104a的材料例如是金、鉑、鈀、銀、銅、鎳、鋁、碳或其組合。第一電極感測層104b例如是NiO、CuO、CoO、Fe₂ O₃ 、ZnO、TiO₂ 、ZrO₂ 、HfO₂ 、WO₃ 、V₂ O₅ 、MoO₃ 、CaTiO₃ 、SrTiO₃ 或BaTiO₃ 的陶瓷材料。

在一實施例中，介電層106覆蓋第一感測結構104，對第一感測結構104提供保護的作用。介電層106亦可作為另一基板，使其餘的材料層形成於其上。藉由垂直堆疊的基板的設計，本發明的多功能感測器的體積可以被有效的縮小。介電層106的材料例如是二氧化矽、環氧樹脂（epoxy）、聚醯亞胺（polyimide）、奈米纖維素或其組合。在一些實施例中，介電層106的厚度例如是0.5微米(micrometer)至150微米。若介電層106的厚度過厚，則第一感測結構104的靈敏度下降。若介電層106的厚度過薄，則介電層106無法提供第一感測結構104適當的保護。介電層106具有適當的厚度，使多功能感測器具有較佳的功能表現。

第二感測結構108可提供例如是氣體感測、紫外光感測、濕度感測或溫度感測的功能。第二感測結構108包括第二電極110以及感測層112。第二電極110配置於介電層106上。感測層112配置於所述第二電極110上。在一實施例中，第二電極110具有間隙，感測層112配置於第二電極110上及第二電極110的間隙之中。感測層112的感測材料例如IV族元素或其氧化物，例如是矽或碳。碳可以是奈米碳管或石墨烯，碳的氧化物可以是氧化石墨烯（graphene oxide）。感測層112的感測材料亦可以是金屬氧化物，例如是氧化鋅、二氧化錫、氧化銦、三氧化鎢、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化二鐵或其組合。在另一些實施例中，感測層112的感測材料亦可以是金屬，例如是鎳、銅、金金屬團簇（Au cluster）或其組合。如表1所示，依據選擇的感測材料的不同，感測層112可對不同種類的氣體分子、紫外光、濕度或溫度進行感測。 表1

舉例而言，若選擇的感測材料可對氣體進行感測，感測層112為一氣體感測結構。若選擇的感測材料可對紫外光進行感測，感測層112為一紫外光感測結構。若選擇的感測材料可對溼度進行感測，感測層112為一濕度感測結構。若選擇的感測材料可對溫度進行感測，感測層112為一溫度感測結構。

舉例而言，若選擇二氧化鈦作為感測材料，感測層112便可對NO₂ 、NH₃ 、CO、H₂ O、SO₂ 、O₂ 等氣體分子以及紫外光、濕度進行感測，同時為氣體感測結構、紫外光感測結構及濕度感測結構。

在一實施例中，第二電極110具有間隙。第二電極110的間隙具有適當的大小，使功能性結構可以被配置於其中。在另一實施例中，本發明的多功能感測器可具有多個第二電極110，且多個第二電極110之間具有間隙。多個第二電極110之間的間隙具有適當的大小，使功能性結構可以被配置於其中。在一實施例中，第二電極110例如是叉指式電極（interdigital electrode）或薄膜電晶體。

在一實施例中，多功能感測器100a更包括加熱板114。圖4是本發明另一實施例的多功能感測器100a的示意圖。請參照圖4，加熱板114配置於第二電極110的間隙之中。藉由此，本發明的多功能感測器100a可具有更多元化的功能。舉例而言，可透過加熱板114對氣體進行加溫，以加速氣體的脫離。或者，可透過加熱板114來控制反應程度。又或者，可透過加熱板114來控制溫度以調節濕氣之影響。加熱板114的材料可以是金、鉑、鈀、銀、銅、鎳、鋁、碳或其組合。

在一實施例中，本發明的多功能感測器更包括光源，提供光線至感測層。圖5是本發明另一實施例的多功能感測器100b的示意圖。請參照圖5，光源116配置於感測層112上。光源116將光線提供至感測層112，以光致激發感測層112中的感測材料。藉由此，多功能感測器100b能於室溫下得到更佳的選擇性、靈敏性。或者，藉由光致激發感測層112中的感測材料的方式，分解感測材料表面之氣體分子來活化多功能感測器100b，為多功能感測器100b提供更佳的穩定性與重複性。本發明並不特別限定光源116的位置。光源116可位於感測層112的上方、周邊處或其他適當的位置，只要光源116可將光線提供至感測層112，均涵蓋於本發明的範疇之中。在一實施例中，光源116例如是發光二極體。

圖6是本發明一實施例的多功能感測器的製造方法的流程圖。請參照圖6與圖2至圖5，在步驟S100中，形成第一感測結構104於基板102上，第一感測結構104具有電阻值變化感測構形。在步驟S102中，形成介電層106於第一感測結構104上。在步驟S104中，形成至少一第二電極110於介電層106上。在步驟S106中，形成感測層112於至少一第二電極110上。各構件的詳細構形及功能如前述段落中所述，於此不再贅述。

在一實施例中，在形成第二電極110之後，形成感測層112之前，更包括於第二電極110的間隙之中形成加熱板114。加熱板114的詳細構形及功能如前述段落中所述，於此不再贅述。

在一實施例中，形成感測層112之後，更包括形成提供光線至感測層112的光源116。光源116的詳細位置、種類及功能如前述段落中所述，於此不再贅述。

在一實施例中，第一感測結構、介電層、第二感測結構的形成方法包括三維列印。詳細來說，形成第一電極、形成介電層、形成至少一第二電極以及形成感測層的步驟包括三維列印。再進一步來說，形成第一電極的步驟包括將第一電極的材料噴塗在基板上。形成介電層的步驟包括將介電層的材料噴塗在第一電極上。形成第二電極的步驟包括將第二電極的材料噴塗在介電層上。形成感測層的步驟包括將感測層的材料噴塗在第二電極上。形成加熱板的步驟包括將加熱板的材料噴塗在第二電極的間隙之中。形成光源的步驟包括將光源的材料噴塗在感測層上。光源可為照明燈或電子裝置之背板，例如是日光燈、鹵素燈、LED燈、OLED燈、背光模組，施作方法為將完成之感測器置於上述光源之周邊，例如是罩、框架、殼、風傘、散熱孔上，或置於光源可照達之處。藉由三維列印的方式形成本發明的多功能感測器，可省略習知的半導體製程所需的繁瑣步驟。此外，更可避免在形成上層的感測結構時，對已形成的下層的感測結構造成的破壞。再者，藉由三維列印的方式形成本發明的多功能感測器，在形成各構件時，僅需更換形成不同構件所需要的墨水。因此，不會造成不同材料之間交叉汙染的問題。

在以上的實施例中的多功能感測器是以具有兩個感測結構與一層介電層的三明治結構來說明，然而，本發明並不僅限於此，多功能感測器可以包含更多的感測結構與更多的介電層。感測結構與介電層可以相互交替層疊。在一些實施例中，這一些感測結構與介電層均可以採用三維列印的方式形成在基板的單一側上。

綜上所述，本發明的多功能感測器的多個感測結構位於同一基板的同一側，可有效縮小多功能感測器的體積。此外，本發明藉由三維列印的方式形成多功能感測器，可避免在形成上層的感測結構時，對已形成的下層的感測結構造成破壞，且不會造成不同材料之間交叉汙染的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧多功能感測器

102‧‧‧基板

104‧‧‧第一感測結構

104a‧‧‧第一電極

104b‧‧‧第一電極感測層

106‧‧‧介電層

108‧‧‧第二感測結構

110‧‧‧第二電極

112‧‧‧感測層

114‧‧‧加熱板

116‧‧‧光源

S100、S102、S104、S106‧‧‧步驟

圖1A是本發明一實施例的多功能感測器的示意圖。 圖1B至圖1E是本發明其他實施例的多功能感測器的局部示意圖。 圖2是本發明圖1A的實施例中的多功能感測器沿線I-I’的剖面示意圖。 圖3是本發明一實施例的第一感測結構與基板的配置方式的示意圖。 圖4是本發明另一實施例的多功能感測器的示意圖。 圖5是本發明另一實施例的多功能感測器的示意圖。 圖6是本發明一實施例的多功能感測器的製造方法的流程圖。

Claims (11)

1. 一種多功能感測器，包括： 基板； 第一感測結構，配置於所述基板上； 介電層，配置於所述第一感測結構上；以及 第二感測結構，配置於所述介電層上， 其中所述第一感測結構與所述第二感測結構位於所述基板的同一側。
2. 如申請專利範圍第1項所述的多功能感測器，其中所述第一感測結構包括具有電阻值變化感測構形的第一電極。
3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述的多功能感測器，其中所述第二感測結構包括： 第二電極，配置於所述介電層上；以及 感測層，配置於所述第二電極上。
4. 如申請專利範圍第3項所述的多功能感測器，更包括加熱板，位於所述第二電極的間隙之中。
5. 如申請專利範圍第3項所述的多功能感測器，更包括光源，配置於所述感測層上或所述感測層的周邊。
6. 如申請專利範圍第2項所述的多功能感測器，其中所述第一電極包括蛇狀電極。
7. 如申請專利範圍第1項所述的多功能感測器，其中所述基板的材料包括多孔材料，且所述第一感測結構的一部分延伸入所述基板的孔洞中。
8. 如申請專利範圍第3項所述的多功能感測器，其中所述感測層的材料包括矽、奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯、氧化鋅、二氧化錫、氧化銦、三氧化鎢、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化二鐵、鎳、銅、金金屬團簇或其組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述的多功能感測器，其中所述第一感測結構、所述介電層以及所述第二感測結構的形成方法包括三維列印。
10. 如申請專利範圍第1項所述的多功能感測器，其中所述基板的材料包括奈米纖維素材料。
11. 如申請專利範圍第1所述的多功能感測器，其中所述第一感測結構包括： 第一電極，配置於所述基板上；以及 第一電極感測層，配置於所述第一電極上。