TWI407561B - 一種壓力感測元件及其陣列 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種感測元件，更詳而言之，係有關於一種壓力感測元件。
現今之電子元件，例如，積體電路，電晶體，二極體，液晶顯示器驅動電路之薄膜電晶體，太陽電池等等，於製作上，絕大部份都是使用非有機材料矽來予以完成。由於此些電子元件之基板、以及元件中之主動區係由矽所組成，因而，此些電子元件之基板為硬質而無法彎折，無法在彎曲、捲曲狀態下仍可正常運作。
由於有機材料之沉積可於接近室溫下來予以進行，是以，若能以有機半導體材料來取代電子元件中元件之主動區(通道層)的無機材料矽，則電子元件的基板便可採用可撓曲的塑膠基板、金屬薄板等等，此即所謂之軟性電子(flexible electronics)。
軟性電子的定義為製作於軟性基板(例如，塑膠基板、金屬薄板等等)上的電子元件產品，特性為可撓曲、低溫製作、重量輕、可沉積在塑膠基板上，且在彎曲、捲曲狀態下仍可正常運作，其優點為能製作出可捲曲、便於攜帶、大面積、以及可拋棄式的產品。
然而，就目前軟性電子而言，於有機電子元件、以及軟性壓力感測器及/或陣列及/或觸控面板的應用、發展上，仍有瓶頸與問題。
於第200532854號中華民國專利「有機垂直型電晶體及其製造方法」中，所揭露的是如何製作出一種具有源極/汲極/閘極的有機垂直型電晶體，其由柵極所控制之有機半導體活性層的運作方式，仍類似於一般有機場效應電晶體，必須使用高操作電壓，且不具有壓力感測之功能。
於第7,002,176號美國專利“VERTICAL ORGANIC TRANSISTOR”中，雖揭露一垂直式有機電晶體，然而，其技術領域僅限於有機電子元件，而無法具有壓力感測之功能。
於第5,191,237號美國專利“FIELD-EFFECT TRANSISTOR TYPE SEMICONDUCTOR SENSOR”中，揭露一場效半導體感測器，雖其具有感測器之功能，隨外加壓力而可改變可變電阻值，且電壓可傳送至場效應電晶體之閘極而調變汲極之電流，因此，可藉由汲極之電流大小去推估外界壓力之大小。然，由於使用一般無機場效應電晶體，因而，難以將其製作於軟性基板上，而無法成為軟性電子之壓力感測器，其仍為一般傳統之場效應電晶體，並非為軟性電子之有機電子元件、以及軟性壓力感測器之技術領域。
於第7,112,755號美國專利“PRESSURE-SENSITIVE SENSOR”中，揭露一壓力感測器，雖其利用塑膠或橡膠與導電顆粒混合而成的薄膜做為壓力感應層，然，其電極仍介於上下基板之間，具有多個上層電極、以及一片下層電極，而使得壓力感測器之尺寸大小無法予以縮小，且由於下基板並非為電極，因而限制了其應用範圍，而無法與有機電子元件予以結合應用。
於第7,260,999號美國專利“FORCE SENSING MEMBRANE”中，揭露一壓力感測薄膜，使用兩個電極互相交叉的被動式方式來予以製作。然，於各個小壓力單元之間常有漏電流產生，因而限制了其應用範圍，而無法與有機電子元件予以結合應用。
於第7,141,839號美國專利“ORGANIC SEMICONDUCTOR SENSOR DEVICE”中，揭露一有機感測裝置，使用一般有機場效應電晶體做為壓力感測元件，其中，有機層為感測層，然，有機材料易受外界水氣與氧氣之影響，而使元件特性改變，另，由於使用有機場效應電晶體，而其操作電壓過高，將不利於實際應用之續航時間。
於非專利之文獻，Pressure sensing by flexible,organic,field effect transistors,Applied Physics Letter 89,143502(2006)，揭露一彈性有機場效應電晶體，然，其仍屬於使用一般有機場效應電晶體做為壓力感測器的技術領域，且，有機材料易受外界水氣與氧氣之影響，而使元件特性改變，另，由於使用有機場效應電晶體，而其操作電壓過高，將不利於實際應用之續航時間。
於非專利之文獻，Organic-transistor-based flexible pressure sensors using ink-jet-printed electrodes and gate dielectric layers,Applied Physics Letters 89,253507(2006)，揭露一基於有機電晶體之彈性壓力感測器，使用一般有機場效應電晶體作為指定位置的陣列，然，由於整個壓力感測器面積的最小單元即為一個有機場效應電晶體實際所佔之面積，因而，難以將壓力感測器面積予以縮小，且，由於使用有機場效應電晶體，而其操作電壓過高，將不利於實際應用之續航時間。
因此，如何尋求一種軟性電子元件，能製作於軟性基板上做為軟性電子之壓力感測器及/或陣列及/或觸控面板，並具備有機電子元件、以及軟性壓力感測器之特性、功能，且能解決有機感測層不受外界影響、以及解決有機場效應電晶體操作電壓過高、元件面積無法縮小的問題，乃是待解決的課題。
鑑此，本發明提供一種壓力感測元件，包括：有機電晶體、壓力感測層、以及第一電極，該有機電晶體具備：射極；形成於該射極上之有機層；形成於該有機層中之具有孔洞的柵極；以及形成於該有機層上之集極，使該有機層夾置於該射極和該集極之間；而該壓力感測層係形成於該有機電晶體上，使該集極夾置於該有機層和該壓力感測層之間；以及該第一電極係形成於該壓力感測層上，使該壓力感測層夾置於該集極和該第一電極之間。
於一具體實施例中，本發明復提供一種壓力感測元件，包括：基板、形成於該基板上之有機電晶體、以及壓力感測單元；該有機電晶體具備：射極；形成於該射極上之有機層；形成於該有機層中之具有孔洞之柵極；以及形成於該有機層上之集極，使該有機層夾置於該射極和該集極之間；該壓力感測單元包括：第二電極；形成於該第二電極上之壓力感測層；以及形成於該壓力感測層上之第一電極，使該壓力感測層夾置於該第二電極和該第一電極之間，其中，該壓力感測單元藉由第二電極與有機電晶體電性耦接。
於一具體實施例中，壓力感測元件可復包括載子輔助層，其係形成於該射極和該有機層之間，且於一實施例中，該載子輔助層為電洞注入層。
於一具體實施例中，該有機電晶體為垂直式有機電晶體，例如，聚合物空間電荷限制電晶體。
又於具有壓力感測單元之實施例中，該壓力感測單元可形成於該基板上，並使該第二電極與該基板接觸，且該第二電極係電性連接至該柵極。另外，該射極則可與該基板接觸，使得該射極夾置於該基板和該有機層之間。又於具體實施例中，該射極可選自氧化銦錫或Al/MoO3
等金屬、金屬氧化物或其合金之材質。
另一方面，由於該壓力感測層係用以承受外部壓力並提供適當的變形，是以，該壓力感測層係包含含有導電粒子之彈性聚合物，以於遭受壓力時壓縮該壓力感測層之體積，使包含於該壓力感測層中的各該導電粒子之間距縮小，進而使壓力感測層的導電率上升。當然亦可藉由調整導電粒子之分布，使得壓縮該壓力感測層之體積時，令導電粒子分開而使壓力感測層的導電率下降。而該導電粒子之材料可選自石墨、金屬、或其組成之粉末，至於該彈性聚合物可可選自如矽橡膠之彈性體。
於另一態樣中，本發明復提供一種壓力感測陣列，包括：複數位元線；複數字元線；以及複數個如本發明之壓力感測元件，係位於該位元線和該字元線之間，並與該位元線和該字元線電性耦接。於一具體實施例中，該位元線係與該壓力感測元件之柵極電性耦接；該字元線係與該壓力感測元件之第一電極耦接；或者該位元線主要係由該複數壓力感測元件之柵極所構成；該字元線主要係由該壓力感測元件之第一電極所構成。
於又一具體實施例中，該壓力感測元件之射極係彼此共電極，此將更有利於製程上的便利。
本發明係藉由壓力感測層將其電極電壓導至有機電晶體之集極電極及/或柵極(grid)電極。垂直式有機電晶體僅需4V之操作電壓即具有極佳的運作效能，甚至於低至2至3V的操作電壓時亦可正常工作，因此，本發明之壓力感測元件亦可以低電壓操作，無須如一般有機場效應電晶體須使用高操作電壓。
另一方面，本發明使用之垂直式有機電晶體之主動區面積係由各電極所互相重疊的面積決定，因此，可藉由縮小各個電極之線寬，而將壓力感測元件之面積予以縮小。由於壓力感測元件中之電子元件為垂直式有機電晶體，因而，可有效解決有機場效應電晶體元件面積無法縮小的問題，可將本發明之壓力感測元件製作於軟性基板上，以做為軟性電子之壓力感測器及/或陣列及/或觸控面板。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如後。
第1圖係本發明之壓力感測元件的一具體實施例。如第1圖中所示者，本發明之壓力感測元件1包括壓力感測單元2、以及如垂直式有機電晶體之有機電晶體3，其中，於垂直方向上，將壓力感測單元2與該有機電晶體3予以結合。有機電晶體3可為，例如，聚合物空間電荷限制電晶體；而該壓力感測單元2包含壓力感測層21、以及第一電極22。在此，第一電極22可由鋁Al所構成，而壓力感測層21則可由如矽膠之彈性聚合物213與如石墨顆粒之導電粒子214均勻混合所製備；如圖所示者，有機電晶體3之集極電極31、與壓力感測單元2之第一電極22之間夾置有壓力感測層21。
如第1圖中所示，於製備時，有機電晶體3係形成於基板4上，該有機電晶體包括集極電極31、有機層32、柵極電極33以及射極電極35。集極電極31可由，例如，鋁所構成；有機層32則可由有機高分子材料，例如P3HT所構成，其係用以做為有機電晶體3之主動區；柵極電極33亦可由金屬鋁所構成，係用以調控集極電極31與射極電極35之間的電位分佈、以及主動區之運作。此外，壓力感測元件可復包括載子輔助層34，例如，該載子輔助層34可為電洞注入層，該電洞注入層之材料可包括聚合物型之導電材料，例如PEDOT：PSS，其係用以幫助電洞注入有機層32；而射極電極35則由透明電極ITO或Al/MoO3
所製備。
復參閱第1圖，當壓力P1由上方施加於第一電極22時，則第一電極22會將壓力P2加諸於壓力感測層21，此時，壓力感測層21體積受壓縮而使如矽膠之彈性聚合物213會有形變，因此，在一態樣中，各該導電粒子214之間距更為靠近，致使壓力感測層21之導電率增加。當然亦可藉由調整導電粒子214之分布，使得壓縮該壓力感測層21之體積時，令導電粒子214分開而使壓力感測層21的導電率下降。壓力感測單元2之第一電極22之電壓將導通至有機電晶體3之集極電極31，且，當適當之偏壓施加在柵極電極33時，可使位於壓力感測單元2下方之有機電晶體3處於開或關的狀態。換言之，可藉由壓力感測層21之體積壓縮所產生之導電率變化，使電壓導通至集極電極31、以及施加於柵極電極33之適當偏壓，而使有機電晶體3處於開或關的狀態。本發明使用之垂直式有機電晶體僅需4V之操作電壓即具有極佳的運作效能，甚至於低至2至3V的操作電壓時亦可正常運作，如此，本發明之壓力感測元件1可於低電壓操作，無須如一般有機場效應電晶體須使用高操作電壓。
由於有機電晶體3之有機層32所構成之主動區面積係由各電極之互相重疊面積決定，因此，可藉由縮小各個電極，例如，集極電極31及/或柵極電極33及/或射極電極35之線寬，而將垂直式有機電晶體3予以縮小，進而將壓力感測元件1之面積予以縮小。
此外，可將本發明之包含壓力感測單元2、以及有機電晶體3的壓力感測元件製作於軟性基板上，以做為軟性電子裝置之壓力感測器及/或陣列及/或觸控面板。
第2圖為係本發明之壓力感測元件的另一實施例。如第2圖中所示之，本發明之壓力感測元件包含壓力感測單元2、以及有機電晶體3，其中，於垂直方向上，將壓力感測單元2與垂直式有機電晶體3予以結合，而壓力感測單元2包含壓力感測層21、第一電極22、以及壓力緩衝層23。
於第一電極22上加入壓力緩衝層23之目的為避免外界壓力P3直接加諸於第一電極22上，以避免影響第一電極22之結構或是輸入/輸出訊號。惟，壓力緩衝層23並非為壓力感測機制之必要組成，於實際施行時，可視需要包括該壓力緩衝層23。
第3(a)圖係本發明之壓力感測元件的再一實施例。如第3(a)圖中所示者，本發明之壓力感測元件包含壓力感測單元2以及有機電晶體3，其中，壓力感測單元2與有機電晶體3接形成於基板4之上。在此，有機電晶體3可為，例如，垂直式聚合物空間電荷限制電晶體，而壓力感測單元2包含壓力感測層21、第一電極22、以及第二電極24，該電極均由鋁Al所組成，且於本具體實施例中，該第二電極24係形成於設置於基板4上並與該基板4接觸。而壓力感測層21則包含含有導電粒子之彈性聚合物，且該第二電極24係電性連接至該柵極電極33。
如第3(a)圖中所示，有機電晶體3係位於基板4上，該有機電晶體包含集極電極31、有機層32、柵極電極33以及射極電極35。集極電極31可由，例如，鋁所構成；有機層32則可由有機高分子材料，例如P3HT所構成，用以做有機電晶體3之主動區；柵極電極33亦可由金屬鋁所構成，係用以調控集極電極31與射極電極35之間的電位分佈以及主動區之運作，且由於壓力感測層21藉由第二電極24電性耦接至柵極電極33，故可透過壓力感測層21可將不同之電壓(未圖示出)輸入至柵極電極33，因而，可以調變有機電晶體3之集極電極31之輸出電流，本實施例中，壓力感測元件復包括載子輔助層34，例如，該載子輔助層34可為電洞注入層，該電洞注入層之材料可包括聚合物型之導電材料，例如PEDOT：PSS，其係用以幫助電洞注入有機層32，但應注意的是，該載子輔助層34係視需要而配置於壓力感測元件中。
於一具體實施例中，當壓力P4由上方施加於第一電極22時，則第一電極22會將壓力P5加諸於壓力感測層21，此時，例如，壓力感測層21體積受壓縮而使彈性聚合物213產生形變，因此，在一態樣中，各該導電粒子214之間距更為靠近，致使壓力感測層21之導電率增加。當然亦可藉由調整導電粒子214之分布，使得壓縮該壓力感測層21之體積時，令導電粒子214分開而使壓力感測層21的導電率下降。當壓力感測單元2之第一電極22之電壓導通至第二電極24，且，由於第二電極24與有機電晶體3之柵極電極33為電性耦接，第一電極22之電壓將導通至有機電晶體3之柵極電極33，則有機電晶體3可藉由不同之柵極電極33電壓而調變集極電極31之電流。因此，當有機電晶體3中之射極電極35與集極電極31固定電壓時，則透過不同之施加於壓力感測層21之壓力P5，改變所產生之柵極電極33電壓而可調變集極電極31之電流。
於適當之偏壓施加在柵極電極33時，可使有機電晶體3處於開或關的狀態。換言之，可藉由壓力感測層21之由體積壓縮所產生之導電率變化、第二電極24與柵極電極33之電壓導通、以及調變集極電極31之電流，而使有機電晶體3為處於開或關的狀態。
又由於本發明之垂直式有機電晶體3之有機層32所構成之主動區面積係由各電極所互相重疊的面積決定，因此，可藉由縮小各個電極，例如，集極電極31及/或柵極電極33及/或射極電極35之線寬，而將有機電晶體3予以縮小，進而將壓力感測元件1之面積予以縮小。
同樣地，可將本發明之包含壓力感測單元2、以及有機電晶體3的壓力感測元件製作於軟性基板上，以做為軟性電子裝置之壓力感測器及/或陣列及/或觸控面板。
復參閱第3(b)圖，其係顯示第3(a)圖之空間電荷限制電晶體電流對電壓特性圖。如圖所示，當集極電極施加4V的電壓時，藉由壓力感測層21之體積壓縮所產生之導電率變化，調變柵極電極33的電壓，並透過該電壓大小而使有機電晶體3為處於開或關的狀態。經發現垂直式有機電晶體僅需4V之操作電壓即具有極佳的運作效能，甚至於低至2至3V的操作電壓時亦可正常工作。
第4(a)圖至第4(c)圖係顯示本發明之壓力感測元件之垂直式有機電晶體之柵極電極的製作流程。首先，如第4(a)圖中所示，於基板4上以習知的製程依序形成射極電極35、載子輔助層34和有機層321，接著，於有機層321上放置奈米球331之後，對置有奈米球331之有機層321蒸鍍沉積金屬332，其結果如第4(b)圖中所示之，由於金屬332蒸汽為直線移動，因此，有放置奈米球331的有機層321表面位置將不會有金屬332，繼而，如第4(c)圖中所示之，將奈米球331予以移除後，於有機層321表面可形成具有如分段式及/或點狀式之孔洞，並以該金屬332作為柵極電極33。另一方面，該孔洞的尺寸，例如圓形孔洞的直徑可根據奈米球331的尺寸而定，通常，該孔洞的直徑約為100至200nm。
第5圖為係顯示說明應用複數個如第1圖中之本發明之壓力感測元件所組成的陣列。如第6圖中所示者，陣列5包括複數位元線33’(33)、複數字元線22’(22)、以及複數個以陣列型式排列在基板4上之本發明壓力感測元件6，各該壓力感測元件6主要係位於該位元線33’和該字元線22’之間，並與該位元線33’和該字元線22’電性耦接。如圖所示者，該位元線33’係與位於位元線33’方向上之該壓力感測元件6的柵極電性耦接；該字元線22’係與位於字元線22’方向上之該壓力感測元件6的第一電極耦接。
第6圖係顯示第5圖中沿著A-A虛線方向之本發明之壓力感測陣列的剖面結構。於本實施例中，該位元線33’主要係由該複數壓力感測元件6之柵極電極33所構成；該字元線22’主要係由該壓力感測元件6之第一電極22所構成，其中，在每個分開之集極電極31的垂直方向上，即可表示為單一的壓力感測元件6，於第7圖與第2圖中之壓力感測元件的特性、操作均相同，是故，第7圖中之壓力感測元件的工作原理在此不再贅述。
復參閱第7圖，於該具體實施例中，壓力感測元件8的結構大致上與第6圖所示者相同，只有該壓力感測元件8之射極電極35係彼此共電極，如此，於基板上製備壓力感測元件或陣列將更為便利。
第8圖係顯示說明應用如第3圖中之本發明之壓力感測元件所組成的陣列示意圖。如前所述，陣列9包括複數位元線33’、複數字元線22’、以及複數個以陣列型式排列在基板4上之本發明壓力感測元件，各該壓力感測元件係位於該位元線33’和該字元線22’之間，並與該位元線33’和該字元線22’電性耦接。具體而言，陣列9由多個以陣列型式排列之壓力感測器單元11、12、13、14、15、16、17、18、19所組成，在此，壓力感測器單元11至19可為於第3圖中之本發明之壓力感測元件，且該位元線33’係與位於位元線33’方向上之該壓力感測器單元(例如11、14和17)的柵極電性耦接；該字元線22’係與位於字元線22’方向上之該壓力感測器單元(例如11、12和13)的第一電極耦接。
綜合以上之實施例，本發明之壓力感測元件，係應用於壓力感測環境，當壓力感測元件中的壓力感測層受到壓力而體積被壓縮時，壓力感測層之導電率將隨之變化。由於壓力感測元件之主動區面積係由各電極所互相重疊的面積決定，因此可藉由縮小電極之線寬，而將壓力感測元件之面積予以縮小。可將本發明之壓力感測元件製作於軟性基板上，以做為軟性電子之壓力感測器及/或陣列及/或觸控面板。本發明之壓力感測元件包含以下優點：
1.能解決有機感測層不受外界影響、以及有機場效應電晶體操作電壓過高的問題。
2.降低壓力感測元件之操作電壓，另，由於壓力感測元件之主動區面積係由各電極所互相重疊的面積決定，因此可藉由縮小電極之線寬，而將壓力感測元件之面積予以縮小，解決有機場效應電晶體元件面積無法縮小的問題。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。
1、6、8．．．壓力感測元件
11、12、13、14、15、16、17、18、19．．．壓力感測器單元
2．．．壓力感測單元
3．．．有機電晶體
4．．．基板
5．．．陣列
9．．．陣列
21．．．壓力感測層
22．．．第一電極
22’．．．字元線
23．．．壓力緩衝層
24．．．第二電極
31．．．集極電極
32．．．有機層
33．．．柵極電極
33’．．．位元線
34．．．載子輔助層
35．．．射極電極
213．．．彈性聚合物
214．．．導電粒子
321．．．有機層
331．．．奈米球
332．．．金屬
P1、P2、P3、P4、P5．．．壓力
A-A．．．虛線
第1圖係顯示本發明之壓力感測元件之剖示圖；
第2圖係顯示本發明之另一壓力感測元件的剖示圖；
第3(a)圖係顯示本發明之又一壓力感測元件的剖示圖；
第3(b)圖係顯示第3(a)圖之空間電荷限制電晶體之電流對電壓特性圖，其中，Jc表示集極電極電流密度、Vc表示集極電極之電壓、VG
表示柵極電極之電壓；
第4(a)至4(c)圖係顯示本發明之壓力感測元件之有機電晶體之柵極電極的製作流程示意圖；
第5圖係顯示本發明之壓力感測陣列之示意圖；
第6圖係顯示第5圖中沿A-A虛線方向之本發明之壓力感測陣列的剖示圖；
第7圖係顯示具有共電極之本發明之壓力感測陣列之示意圖；以及
第8圖為係顯示說明應用如第3圖之本發明壓力感測元件所組成的陣列示意圖。
1．．．壓力感測元件
2．．．壓力感測單元
3．．．有機電晶體
4．．．基板
21．．．壓力感測層
22．．．第一電極
31．．．集極電極
32．．．有機層
33．．．柵極電極
34．．．載子輔助層
35．．．射極電極
213．．．彈性聚合物
214．．．導電粒子
P1、P2．．．壓力
Claims (13)
- 一種壓力感測元件，包括：基板；形成於該基板上之有機電晶體，該有機電晶體具備：射極；形成於該射極上之有機層；形成於該有機層中之具有孔洞之柵極；以及形成於該有機層上之集極，使該有機層夾置於該射極和該集極之間；壓力感測單元，該壓力感測單元包括：第二電極；壓力感測層，形成於該第二電極上；以及第一電極，形成於該壓力感測層上，使該壓力感測層夾置於該第二電極和該第一電極之間，其中，該壓力感測單元係藉由第二電極與有機電晶體電性耦接，且該第二電極係電性連接至該柵極。
- 如申請專利範圍第1項之壓力感測元件，復包括載子輔助層，形成於該射極和該有機層之間。
- 如申請專利範圍第2項之壓力感測元件，其中，該載子輔助層為電洞注入層。
- 如申請專利範圍第1項之壓力感測元件，其中，該壓力感測單元係形成於該基板上，使該第二電極與該基板接觸。
- 如申請專利範圍第1項之壓力感測元件，其中，該壓力感測層包含含有導電粒子之彈性聚合物。
- 如申請專利範圍第5項之壓力感測元件，其中，該導電粒子係選自石墨、金屬、或其組成之粉末。
- 如申請專利範圍第5項之壓力感測元件，其中，該彈性聚合物為矽橡膠。
- 如申請專利範圍第1項之壓力感測元件，其中，該射極與該基板接觸，使得該射極夾置於該基板和該有機層之間。
- 如申請專利範圍第1項之壓力感測元件，其中，該射極係選自氧化銦錫或Al/MoO3 之材質。
- 一種壓力感測陣列，包括：複數位元線；複數字元線；以及複數個如申請專利範圍第1項之壓力感測元件，係位於該位元線和該字元線之間，並與該位元線和該字元線電性耦接。
- 如申請專利範圍第10項之壓力感測陣列，其中，該位元線係與該壓力感測元件之柵極電性耦接；該字元線係與該壓力感測元件之第一電極耦接。
- 如申請專利範圍第10項之壓力感測陣列，其中，該位元線主要係由該複數壓力感測元件之柵極所構成；該字元線主要係由該壓力感測元件之第一電極所構成。
- 如申請專利範圍第11或12項之壓力感測陣列，其中，該壓力感測元件之射極係彼此共電極。
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