TWI787068B - 感測結構 - Google Patents

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Abstract

感測結構包括：基板、濕度感測層、第一電極、第二電極及氣體感測層。濕度感測層設置在基板上。第一電極設置在濕度感測層上。第二電極設置在濕度感測層上。第一電極與第二電極彼此分離。氣體感測層設置在第一電極及第二電極上。氣體感測層電性連接第一電極及第二電極。

Description

感測結構
本揭露係關於一種感測結構，特別是關於一種具有濕度感測及氣體感測功能的整合式感測結構。
諸如揮發性有機氣體(VOC)感測器的氣體感測器可包括氣體感測層。在感測期間，將待測氣體通入氣體感測器，並藉由氣體感測層來進行感測。然而，在通入待測氣體時，待測氣體除了包括揮發性有機氣體之外，通常還包括環境中的水。這導致使用氣體感測器來感測待測氣體的電訊號時，會同時獲得來自有機氣體的電訊號及來自環境中的水的電訊號。更甚者，因為來自有機氣體的電訊號呈線性變化，但是來自環境中的水的電訊號呈指數型變化，所以來自環境中的水的電訊號會大幅度降低有機氣體的感測準確度。
換句話說，如何移除環境中的水造成的感測雜訊極為重要。然而目前僅能以額外設置加熱元件來移除待測氣體中的環境中的水；直接通入無水的待測氣體；或是額外設置濕度感測器來校正環境中的水產生的電訊號，來降低環境中的水造成的感測雜訊。但是，上述方法都會造成感測裝置難以縮小化的問題。
因此，雖然現存的感測結構已逐步滿足它們既定的用途，但它們仍未在各方面皆徹底的符合要求，所以關於感測結構仍有一些問題需要克服。
鑒於上述問題，本揭露的一些實施例藉由設置濕度感測層；包括第一電極與第二電極的電極層；以及氣體感測層的堆疊結構，來獲得能夠同時感測濕度及氣體的感測結構。詳細而言，藉由彼此電性連接的第一電極、第二電極及氣體感測層的電性變化來感測氣體，同時藉由第一電極及/或第二電極的形變產生的電性變化來感測水氣，進而形成整合式感測結構。
根據一些實施例，提供感測結構。前述感測結構包括：基板、濕度感測層、第一電極、第二電極及氣體感測層。濕度感測層設置在基板上。第一電極設置在濕度感測層上。第二電極設置在濕度感測層上。第一電極與第二電極彼此分離。氣體感測層設置在第一電極及第二電極上。氣體感測層電性連接第一電極及第二電極。
本揭露的一些實施例的感測結構可應用於多種類型的感測裝置及/或半導體裝置中，為讓本揭露之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下揭露提供了很多不同的實施例或範例，用於實施所提供的感測結構之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下，以簡化本揭露實施例。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本揭露。舉例而言，敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上，可能包括第一和第二元件直接接觸的實施例，也可能包括額外的元件形成在第一和第二元件之間，使得它們不直接接觸的實施例。
此外，在不同圖式及說明的實施例中，相同或相似的元件符號被用來標明相同或相似的元件。再者，本文中的用語「第一」、「第二」僅用於區分一部件與另一部件。
另外，本揭露實施例可能在不同的範例中重複參考數字及/或字母。如此重複是為了簡明和清楚，而非用以表示所討論的不同實施例及/或形態之間的關係。可以理解的是，在方法的前、中、後可以提供額外的操作，且一些敘述的操作可為了該方法的其他實施例被取代或刪除。
參照第1A圖，感測結構1可包括基板100、濕度感測層200、第一電極310、第二電極320及氣體感測層400。
在一些實施例中，基板100可包括玻璃纖維、環氧樹脂、氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、印刷電路(PCB，printed circuit board)基板、其組合或其他適合的基板，但本揭露不限制於此。在一些實施例中，可形成諸如墨水或刻痕的實際點或是虛擬點在基板100上作為定位點，以提升後續形成在基板100上的各部件的設置準確度，來提升感測結構的可靠性。
在一些實施例中，濕度感測層20可包括吸水膨脹材料。在一些實施例中，前述吸水膨脹材料的膨脹程度會隨著吸水的程度而改變，例如：呈線性變化。在一些實施例中，吸水膨脹材料可包括：光阻類材料、聚醯亞胺(polyimide)、聚苯乙烯磺酸鈉(sodium polystyrenesulfonate)、苯環丁烯(benzocyclobutene)、醋酸丁酸纖維素(cellulose acetate-butyrate)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))、其類似物、其組合或其他合適的材料，但本揭露不限於此。在一些實施例中，可藉由旋轉塗佈、沉積法來形成濕度感測層200於基板100上。
在一些實施例中，濕度感測層200可具有在大於0%~小於或等於20%之間(＞0%且≤20%)的吸水膨脹率。在一些實施例中，濕度感測層200的吸水膨脹率可為小於或等於5%、10%、15%、20%或介於其間的任意數值，以降低或避免設置於濕度感測層200上的第一電極310及第二電極320產生不可逆的形變的機率。在一些實施例中，濕度感測層200的吸水膨脹方向可為三維方向，然而主要影響第一電極310及/或第二電極320的形變的吸水膨脹率為厚度方向上的膨脹率。因此，濕度感測層200的吸水膨脹率可為吸水厚度膨脹率。須說明的是，在一些實施例中，吸水膨脹率是指吸水前後的體積變化。舉例而言，吸水膨脹率是藉由量測濕度感測層200的材料在吸水前後的質量的差值(例如：吸水前後的重量差值)，並藉由水的密度計算濕度感測層200的材料所增加的體積而獲得。進一步地，藉由上述濕度感測層200的材料所增加的體積，再經材料的面積推算而得的厚度變化而能獲得吸水厚度膨脹率。
在一些實施例中，濕度感測層200具有向上凸出的凸狀頂表面。舉例而言，濕度感測層200的頂表面沿著遠離基板100的方向凸出。由於濕度感測層200具有凸狀頂表面，因此可增加於厚度方向上的吸水膨脹程度。進而提升感測結構的準確性。
在一些實施例中，第一電極310及/或第二電極320可包括導電材料。前述導電材料可為諸如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)、鉑(Pt)或其類似物的金屬、金屬合金、導電金屬氧化物、或其他合適的材料，但本揭露不限制於此。在一些實施例中，第一電極310及第二電極320可為金屬電極。在一些實施例中，第一電極310及第二電極320可藉由沉積製程來設置於濕度感測層200上。
在一些實施例中，前述沉積製程可為化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)製程。前述CVD製程可為低壓化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition，LPCVD)、低溫化學氣相沉積法(low temperature chemical vapor deposition，LTCVD)、快速升溫化學氣相沉積法(rapid thermal chemical vapor deposition，RTCVD)、PECVD、原子層化學氣相沉積法之原子層沉積法(atomic layer deposition，ALD)或其它合適的CVD製程，但本揭露不限制於此。
在一些實施例中，氣體感測層400可包括碳黑(carbon black)、二氧化錫(SnO 2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO 2)、氧化鎳(NiO)、氧化鐵(Fe 2O 3)、氧化鎢(WO 3)、氧化銅(CuO)、諸如釔安定氧化鋯(yttria-stabilized zirconia，YSZ)之固態電解質材料、或其他合適的感測材料，但本揭露不限制於此。在一些實施例中，可根據待測氣體的種類來選擇合適的氣體感測層400。在一些實施例中，待測氣體可包括一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO 2)、或其他氣體，但本揭露不限制於此。舉例而言，若使用者期望感測結構能夠辨別待測氣體是否包括一氧化碳，則能夠使得氣體感測層400包括二氧化錫。在一些實施例中，氣體感測層400可藉由3D列印、單點塗佈、多點塗佈或是沉積製程來形成。
如第1A圖所示，在一些實施例中，濕度感測層200可設置在基板100上。第一電極310可設置在濕度感測層200上。第二電極320可設置在濕度感測層200上。在一些實施例中，第一電極310及第二電極320可設置在相同層上。在一些實施例中，第一電極310與第二電極320彼此物理上地分離。第一電極310與第二電極320之間可具有一距離。在一些實施例中，氣體感測層400設置在第一電極310及第二電極320上。氣體感測層400可直接接觸第一電極310及第二電極320。氣體感測層400可與第一電極310及第二電極320電性連接。
在一些實施例中，濕度感測層200及氣體感測層400在基板100的法線方向上重疊。換句話說，濕度感測層200及氣體感測層400在垂直方向上重疊。在一些實施例中，氣體感測層400在基板100上的投影位在濕度感測層200在基板100上的投影中。在一些實施例中，氣體感測層400在基板100上的投影面積小於或等於濕度感測層200在基板100上的投影面積。
在一些實施例中，第一電極310及第二電極320設置於濕度感測層200及氣體感測層400之間。換句話說，濕度感測層200及氣體感測層400共用第一電極310及第二電極320。
在一些實施例中，可依序形成基板100、濕度感測層200、第一電極310與第二電極320及氣體感測層400。在一些實施例中，第一電極310及第二電極320可在相同或不同道製程中形成。
在一些實施例中，由於第一電極310及第二電極320用於施加電壓來提供導電通路，因此在本文中的第一電極310及第二電極320可彼此替代。在一些實施例中，第一電極310的至少一部分可環繞第二電極320的至少一部分。在另一些實施例中，第二電極320的至少一部分可環繞第一電極310的至少一部分。在又一些實施例中，第二電極320可完全環繞第一電極310。
參照第1B圖，其為沿著在第1A圖中的線段XX’截取的剖面示意圖。在一些實施例中，氣體感測層400的一部分可介於第一電極310及第二電極320之間的間隙中。在一些實施例中，氣體感測層400可與濕度感測層200直接接觸。在一些實施例中，氣體感測層400暴露第二電極320的一部分。在一些實施例中，氣體感測層400覆蓋第二電極320的頂表面的一部分、第二電極320的側表面及第一電極310的頂表面及側表面，且氣體感測層400暴露第二電極320的頂表面的另一部分。因此，後續形成的接觸物可設置於第二電極320的經暴露的頂表面上，以提升形成接觸物時的製程裕度。
以下藉由第1C圖及第1D圖來分別說明本揭露的一些實施例的氣體感測示意圖及濕度感測示意圖。
參照第1C圖，為了簡要說明，主要顯示第一電極310、第二電極320及氣體感測層400。
如第1C圖所示，在一些實施例中，第一電極310可進一步包括線段部分及彎曲部分311。在一些實施例中，所述線段部分可包括沿著第一方向D1延伸的部分、沿著與第一方向D1垂直的第二方向D2延伸的部分、以及沿著與第一方向D1具有一夾角的方向延伸的部分。在一些實施例中，所述線段部分的邊緣可為直線、曲線、不規則形狀。在一些實施例中，所述線段部分可具有I形部分、L形部分或具有類似形狀的其他部分。
在一些實施例中，彎曲部分311可提供為複數個，以使第一電極310的形狀具有更高的可變性。在一些實施例中，第一電極310可具有C形部分、U形部分、V形部分、S形部分、Z形部分、蛇形部分、鋸齒形部分或具有類似形狀的其他部分。在一些實施例中，由於第一電極310可包括彎曲部分311，因此能夠增加第一電極310的總長度，進而降低第一電極310本身的電阻及/或電容，所以能夠提升感測時的準確度。
如第1C圖所示，在一些實施例中，第二電極320可更包括彼此連接的封閉部分321及延伸部分322。在一些實施例中，第二電極320的封閉部分321可圍繞第一電極310。舉例而言，第二電極320的封閉部分321可完全包圍第一電極310。
在一些實施例中，封閉部分321可為諸如中空圓形、中空橢圓形的環形、諸如中空矩形的框形、中空多邊形或其他類似形狀。在一些實施例中，由於第二電極320具有封閉部分321，因此可提升藉由沉積製程設置在第二電極320上的氣體感測層400的製程裕度。舉例而言，可更易於控制氣體感測層400的邊緣形狀，且可降低或避免形成氣體感測層400時產生的溢流問題，進而減少在形成氣體感測層400時產生的非必要的導電路徑，來提升可靠度。
在一些實施例中，第二電極320的延伸部分322可延伸至第一電極310的彎曲部分的開口中。在一些實施例中，由於第二電極320可包括延伸部分322，因此能夠增加第二電極320的總長度，進而降低第二電極320本身的電阻，所以能夠提升感測時的準確度。
如第1C圖所示，在一些實施例中，第一電極310可為蛇形電極，且第二電極320可包括彼此連接的框形部分及延伸部分322。第二電極320的框形部分完全環繞蛇形電極，也就是說，第二電極320的框形部分完全環繞第一電極310。第二電極320的延伸部分322延伸至蛇形電極的彎曲部分的開口中。在一些實施例中，第二電極320可為指叉電極(interdigitated electrode，IDE)。
如第1C圖所示，感測結構1可進一步包括第一接觸物C1及第二接觸物C2。在一些實施例中，第一接觸物C1設置在第一電極310上，舉例而言，可設置在第一電極310的任意點上。在一些實施例中，第二接觸物C2設置在第二電極320上，舉例而言，可設置在第二電極320的任意點上。在一些實施例中，可藉由第一接觸物C1及第二接觸物C2與外部電源電性連接。在一些實施例中，第一接觸物C1及/或第二接觸物C2包括導電材料。前述導電材料可為諸如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)、鉑(Pt)或其類似物的金屬、金屬合金、導電金屬氧化物、或其他合適的材料，但本揭露不限制於此。第一接觸物C1及/或第二接觸物C2的材料及形成製程可與第一電極310及/或第二電極320相同或不同，因此不再予以贅述。
在一些實施例中，由於氣體感測層400可暴露第二電極320的頂表面的一部分，因此第二接觸物C2可設置在第二電極320的經暴露的頂表面上，以維持第二電極320的完整性及可靠度。在另一些實施例中，氣體感測層400可完全覆蓋第二電極320的頂表面。在此實施例中，可藉由在第一電極310及/或第二電極320本體上形成導孔的方式，使得第一電極310及第二電極320分別與第一接觸物C1及第二接觸物C2連接。
在一些實施例中，第一電極310及/或第二電極320可進一步包括連接墊(pad)，以更容易地設置第一接觸物C1、第二接觸物C2及第三接觸物C3及/或更容易地進行打線。
如第1C圖所示，在一些實施例中，由於第一電極310、第二電極320及氣體感測層400彼此連接而形成導電通路，因此可藉由量測通入待測氣體至感測結構的前後的電阻差值，來獲得待測氣體的種類、濃度或其組合。
舉例而言，在通入(含有環境中的水氣的)待測氣體前，藉由施加電壓在第一電極310上的第一接觸物C1及第二電極320上的第二接觸物C2上，獲得氣體感測層400的第一電阻值。在通入待測氣體後，使得待測氣體吸附至氣體感測層400上。再次藉由施加電壓在第一接觸物C1及第二接觸物C2上，獲得氣體感測層400的第二電阻值。所以，能夠藉由計算第一電阻值及第二電阻值的電阻差值，來辨別所吸附的待測氣體的種類及/或濃度。也就是說，在感測待測氣體的種類及/或濃度時，第一電極310及第二電極320的本體的電阻值越小，越能夠精準地感測氣體感測層400的電阻變化，進而提升感測結構的準確度。
參照第1D圖，為了簡要說明，主要顯示基板100、濕度感測層200及第一電極310。
如第1D圖所示，感測結構1可進一步包括第三接觸物C3。在一些實施例中，第三接觸物C3設置在第一電極310上，舉例而言，可設置在第一電極310的任意點上。在一些實施例中，可藉由第一電極310上的第一接觸物C1及第一電極310上的第三接觸物C3與外部電源電性連接。第三接觸物C3的材料及形成製程可與第一接觸物C1及/或第二接觸物C2相同或不同。
如第1D圖所示，在一些實施例中，藉由測量第一電極310對應於濕度感測層200的吸水膨脹材料的膨脹程度所產生的形變前後的電阻差值，來獲得相對濕度。
舉例而言，在通入(含有環境中的水氣的)待測氣體前，藉由施加電壓在第一電極310上的第一接觸物C1及第三接觸物C3上，獲得第一電極310本體的第三電阻值。在通入待測氣體後，使得待測氣體中的水氣吸附至濕度感測層200中，因此濕度感測層200會在厚度方向上膨脹，進而令設置於濕度感測層200上的第一電極310受到拉伸或壓縮應力而產生形變。再次藉由施加電壓在第一接觸物C1及第三接觸物C3上，獲得第一電極310本體的第四電阻值。所以，能夠藉由計算第三電阻值及第四電阻值的電阻差值，來辨別所水氣含量及相對溼度。也就是說，在感測水氣含量及相對溼度時，使藉由感測第一電極310本體的電阻值變化來執行。
在一些實施例中，可藉由第一電極310的一部分的形變或是第一電極310的整體的形變來獲得相對濕度。舉例而言，如第1D圖所示，第一電極310的一部分可具有一長度L及一截面積A，根據電阻與長度及截面積的公式，可知電阻與長度L呈正比且與截面積A呈反比。因此，當第一電極310下方的濕度感測層200吸水膨脹之後，第一電極310的長度L受到拉伸而變長，且第一電極310的截面積A受到拉伸而減少，因此導致第一電極310的電阻上升。進而，藉由比較第一電極310產生形變前後的電阻值來獲得相對濕度。
在另一些實施例中，可藉由壓縮第一電極310產生形變來獲得相對濕度。在一些實施例中，當第一電極310的諸如長度的尺寸越大，能夠具有更顯著的形變量，因此能夠進一步提升形變前後的電阻值的差異，進而提升濕氣感測的準確度。
接續上述，在一些實施例中，藉由前述計算第一電阻值及第二電阻值的電阻差值，能夠獲得一待測氣體總訊號，其中前述待測氣體總訊號包括VOC氣體訊號及水氣訊號。同時，藉由前述計算第三電阻值及第四電阻值的電阻差值，能夠獲得一水氣訊號。在一些實施例中，將待測氣體總訊號與水氣訊號進行校正，而獲得VOC氣體訊號。舉例而言，可將待測氣體總訊號減去水氣訊號；可將待測氣體總訊號除以水氣訊號(待測氣體總訊號/水氣訊號)；或者將待測氣體總訊號及水氣訊號代入合適的擬合曲線(fitting curve)，即可獲得VOC氣體訊號。
在一些實施例中，如第1C圖所示的氣體感測示意圖可視為化學感測器，且如第1D圖所示的濕度感測示意圖可視為力學感測器，因此本揭露能夠將化學感測器及力學感測器整合為一體，來形成整合式感測結構。在一些實施例中，本揭露無須額外設置加熱元件來移除待測氣體中的水氣，亦無需使用成本高昂的預除水系統，即能夠提供經校正後的VOC氣體訊號。
需特別說明的是，即使第1D圖以第一電極310作為獲得相對濕度的範例，然而亦可以使用第二電極320來獲得相對濕度。在使用第二電極320來獲得相對濕度的實施例中，第三接觸物C3可設置於第二電極320的任意點上。
還需特別說明的是，根據第1C圖及第1D圖，由於在感測氣體及水氣時，可至少共用一個接觸物，因此可有效地減少感測結構中設置的接觸物的數量，進而達到減少製造成本、提升可靠度及/或提升微縮化程度的效果。舉例而言，感測結構中可僅設置三個接觸物。其中，前述三個接觸物中的兩者分別設置於第一電極310及第二電極320上，且前述三個接觸物中的另一者設置於用於感測相對濕度的電極上，也就是使前述三個接觸物中的另一者設置於第一電極310或第二電極320中的一者上。
參照第2A圖至第2D圖，其分別是根據本揭露的另一些實施例繪示的感測結構2的立體示意圖、剖面示意圖、氣體感測示意圖及濕度感測示意圖。為了簡要說明，如第2A圖至第2D圖所示的結構與如第1A圖至第1D圖所示結構相同或相似處不再予以贅述。
如第2A圖所示，在一些實施例中，第一電極310可包括封閉部分。舉例而言，前述封閉部分可為諸如中空圓形、中空橢圓形的環形、諸如中空長方形、中空正方形、中空菱形的框形、中空多邊形或其他類似形狀。在一些實施例中，第一電極310可包括環形部分314。由於第一電極310可包括封閉部分，因此可提升設置氣體感測層400的製程裕度及可靠度。
在一些實施例中，第二電極320可包括一中心部分。舉例而言，前述中心部分可為諸如圓形、橢圓形、三角形、矩形、十字形、多邊形、不規則形狀或其他類似的實心形狀。在一些實施例中，第二電極320可包括圓形部分323。在一些實施例中，第一電極310的環形部分314圍繞第二電極320的圓形部分323。在一些實施例中，第二電極320的圓形部分323可位於第一電極310的環形部分314的虛擬圓心處。在一些實施例中，第二電極320的圓形部分323在基板100上的投影位於第一電極310的環形部分314在基板100上的投影的內邊界之中。
如第2A圖所示，在一些實施例中，感測結構2可更包括導電層110。在一些實施例中，導電層110設置於基板100及濕度感測層200之間。導電層110的材料及形成製程可與第一電極310及/或第二電極320相同或不同。在一些實施例中，導電層110為金屬層。
在一些實施例中，第二電極320更包括連接墊324。在一些實施例中，連接墊324可設置在濕度感測層200上。在一些實施例中，連接墊324可與圓形部分323設置在相同層上。在一些實施例中，連接墊324與圓形部分323電性連接。在一些實施例中，連接墊324的材料及形成製程可與圓形部分323相同或不同。在一些實施例中，連接墊324可包括線段部分。在一些實施例中，所述線段部分可具有I形部分、L形部分或具有類似形狀的其他部分。在一些實施例中，連接墊324可為任何適合用於打線的形狀。
在一些實施例中，感測結構2可更包括第一接觸插塞201及第二接觸插塞202。第一接觸插塞201可貫穿濕度感測層200，且電性連接第二電極320的圓形部分323與導電層110。第二接觸插塞202可貫穿濕度感測層200，且電性連接第二電極320的連接墊324與導電層110。亦即，藉由第一接觸插塞201、第二接觸插塞202及導電層110，使得第二電極320的圓形部分323在俯視圖觀察時與第二電極320的連接墊324間隔一距離，但使得第二電極320的圓形部分323與第二電極320的連接墊324電性連接。
在一些實施例中，第一接觸插塞201及/或第二接觸插塞202可包括導電材料。前述導電材料可為諸如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)、鉑(Pt)或其類似物的金屬、金屬合金、導電金屬氧化物、或其他合適的材料，但本揭露不限制於此。第一接觸插塞201及/或第二接觸插塞202的材料及形成製程可與第一電極310及/或第二電極320相同或不同。
在一些實施例中，在提供基板100之後，形成導電層110於基板100上。接著，蝕刻導電層110以形成導孔，再形成第一接觸插塞201及第二接觸插塞202於導孔中。然後，形成圖案化的濕度感測層200於導電層110上。之後，形成第一電極310及第二電極320於濕度感測層200上，再形成氣體感測層400於第一電極310、第二電極320、第一接觸插塞201及濕度感測層200上。
在另一些實施例中，在提供基板100之後，依序形成導電層110及濕度感測層200於基板100上。接著，形成導孔在導電層110及濕度感測層200中，並形成第一接觸插塞201及第二接觸插塞202於導孔中。之後，才形成第一電極310及第二電極320於濕度感測層200上，再形成氣體感測層400於第一電極310、第二電極320、第一接觸插塞201及濕度感測層200上。
如第2B圖所示，第一接觸插塞201可貫穿濕度感測層200。第一接觸插塞201的頂表面與圓形部分323接觸，且第一接觸插塞201的底表面與導電層110接觸。在一些實施例中，濕度感測層200可同時作為第一電極310及第二電極320之間的絕緣層，以防止第一電極310及第二電極320之間的短路。如第2B圖所示，第二接觸插塞202可貫穿濕度感測層200。第二接觸插塞202頂表面與連接墊324接觸，且第二接觸插塞202的底表面與導電層110接觸。
類似於第1C圖，第2C圖為氣體感測示意圖，且類似於第1D圖，第2D圖為氣體感測示意圖，所以與前述說明相同或相似的敘述在此省略。
如第2C圖所示，在一些實施例中，第一電極310可更包括第一端部312、第二端部313及連接部分315。在一些實施例中，第一端部312位於第一電極310的一端，且第二端部313位於第一電極310的另一端。在一些實施例中，連接部分315可連接第一端部312、第二端部313及環形部分314。也就是說，連接部分315可使第一端部312、第二端部313及環形部分314彼此連接。
在一些實施例中，第一端部312及/或第二端部313可沿著第一方向D1延伸，且連接部分315可沿著垂直於第一方向D1的第二方向D2延伸。在一些實施例中，連接部分315可提供為複數個。在一些實施例中，第一端部312、連接部分315、環形部分314、連接部分315及第二端部313依序彼此連接。在一些實施例中，連接部分315可更包括彎曲部分。換句話說，連接部分315可使得第一電極310的延伸方向從沿著一方向改變為沿著另一方向。
如第2C圖所示，第一接觸物C1可設置在第一電極310的第二端部313上。第二接觸物C2可設置在第二電極320的連接墊324上。在一些實施例中，氣體感測層400的形狀可對應於第一電極310的環形部分314設置。舉例而言，氣體感測層400可具有圓形形狀。此外，氣體感測層400可暴露第一電極310的環形部分314的頂表面的一部分。在氣體感測層400的形狀係對應於第一電極310的環形部分314時，在氣體感測層400下方的濕度感測層200吸水膨脹後，氣體感測層400本身受到濕度感測層200膨脹所導致的形變程度會下降。換句話說，藉由調整氣體感測層400的形狀及面積，可以降低氣體感測層400產生形變而改變電性特徵的風險。
如第2D圖所示，第一接觸物C1及第三接觸物C3可分別設置在第一電極310的第一端部及第二端部上。換句話說，第一接觸物C1可作為氣體感測時的接觸物中的一者，亦可以作為濕度感測時的接觸物中的一者。在一些實施例中，可以藉由第一電極310的形變程度來獲得相對濕度。
如第2C圖及第2D圖所示，在此實施例中，由於第一電極310具有環形部分314，因此能夠提供量測標準差較小的量測數據，進而提升準確度。在一些實施例中，可以主要藉由第一電極310的形變程度來感測相對濕度。因此，能夠將位於氣體感測層400下方的第一電極310的環形部分314及第二電極320的圓形部分323之間的尺寸進行調整，以縮小第二電極320的圓形部分323的尺寸，以利於整體氣體感測結構的微縮化。再者，可進一步使得第二電極320的圓形部分323藉由第一接觸插塞201、導電層110及第二接觸插塞202來與第二電極320的連接墊324連接，以提升打線的製程裕度。
參照第3A圖至第3D圖，其分別是根據本揭露的另一些實施例繪示的感測結構3的立體示意圖、剖面示意圖、氣體感測示意圖及濕度感測示意圖。為了簡要說明，如第3A圖至第3D圖所示的結構與如第1A圖至第1D圖及/或第2A圖至第2D圖所示結構相同或相似處不再予以贅述。
如第3A圖所示，在一些實施例中，第一電極310可具有實質上為S形、Z形、蛇形、鋸齒形、夾鏈形的部分。在一些實施例中，由於第一電極310具有上述形狀，因此在單位面積中可提高第一電極310的總電極長度，因此能夠提升後續進行濕度感測時的形變程度，進而提升濕度感測的準確度。如第3B圖所示，在一些實施例中，第一接觸插塞201可提供為複數個。
如第3C圖所示，在一些實施例中，第一電極310的環形部分314可提供為複數個，且複數個環形部分314可以一距離彼此間隔排列。複數個環形部分314可矩陣排列。複數個環形部分314可可沿著S形排列、沿著Z形排列、沿著蛇形排列、沿著鋸齒形排列及/或沿著夾鏈形排列。複數個環形部分314彼此電性連接，例如彼此導通。在一些實施例中，第二電極320的圓形部分323亦可提供為複數個。第二電極320的複數個圓形部分323與第一電極310的複數個環形部分314對應設置。複數個環形部分314中的一個環形部分314圍繞複數個圓形部分323中的對應的一個圓形部分323。
在一些實施例中，氣體感測層400亦提供為複數個。複數個氣體感測層400中的一個氣體感測層400連接複數個環形部分314中的對應的一個環形部分314及複數個圓形部分323中的對應的一個圓形部分323。
在一些實施例中，感測結構3可視為將複數個感測結構2藉由串聯排列而形成。具體而言，可將感測結構2中的第一電極310的環形部分314及第二電極320的圓形部分323視為一個單位，並將前述單位進行串聯排列。因此，感測結構3可提升第一電極310的片電阻，以降低第一電極310本身的電容。此外，具有複數個單位的第一電極310可提供更長的電極長度，以提升第一電極310的形變程度，進而提升濕度感測的精準度。
再者，複數個氣體感測層400可提升氣體感測層400的總面積，進而提升氣體感測的精準度。更甚者，相較於具有相同總面積的單片式氣體感測層，複數個氣體感測層400能夠降低單片式氣體感測層存在受到形變而改變電性特徵的風險。具體而言，單片式氣體感測層受到其下的濕度感測層200的影響程度較劇，而具有更大的形變，因此會使得電性特徵劣化，而不利於進行氣體感測。然而，本揭露藉由設置複數個氣體感測層400來在具有相同感測面積的情況下，降低形變量，進而提升氣體感測的精準度。
綜上所述，根據本揭露的一些實施例，本揭露藉由在垂直方向上設置濕度感測層、包括第一電極與第二電極的電極層及氣體感測層，來提供一種整合式的感測結構。在本揭露中，同時應用化學感測器(例如：VOC感測器)及力學感測器(例如：濕度感測器)的原理，來達到微縮化感測結構的目的。舉例而言，藉由氣體感測層、第一電極及第二電極來感測氣體，並藉由任意選擇第一電極或第二電極並基於其的形變來感測水氣，在較小的單位面積下同時達成氣體感測及水氣感測，以提升元件的單位密度，進而提升感測裝置的效能。因此，本揭露能夠提供一種減少水氣雜訊的感測結構。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露一些實施例之揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露一些實施例使用。因此，本揭露之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。
以上概述數個實施例，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本揭露實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的製程和結構並無悖離本揭露的精神與範圍，且他們能在不違背本揭露之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。
1,2,3:感測結構 100:基板 110:導電層 200:濕度感測層 201:第一接觸插塞 202:第二接觸插塞 310:第一電極 311:彎曲部分 312:第一端部 313:第二端部 314:環形部分 315:連接部分 320:第二電極 321:封閉部分 322:延伸部分 323:圓形部分 324:連接墊 400:氣體感測層 A:截面積 C1:第一接觸物 C2:第二接觸物 C3:第三接觸物 D1:第一方向 D2:第二方向 L:長度
藉由以下的詳述配合所附圖式，我們能更加理解本揭露實施例的觀點。值得注意的是，根據工業上的標準慣例，一些部件(feature)可能沒有按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，不同部件的尺寸可能被增加或減少。 第1A圖至第1D圖分別是根據本揭露的一些實施例繪示的感測結構的立體示意圖、剖面示意圖、氣體感測示意圖及濕度感測示意圖。 第2A圖至第2D圖分別是根據本揭露的一些實施例繪示的感測結構的立體示意圖、剖面示意圖、氣體感測示意圖及濕度感測示意圖。 第3A圖至第3D圖分別是根據本揭露的一些實施例繪示的感測結構的立體示意圖、剖面示意圖、氣體感測示意圖及濕度感測示意圖。
1:感測結構
100:基板
200:濕度感測層
310:第一電極
320:第二電極
400:氣體感測層

Claims (12)

  1. 一種感測結構，包括： 一基板； 一濕度感測層，設置在該基板上； 一第一電極，設置在該濕度感測層上； 一第二電極，設置在該濕度感測層上，且該第一電極與該第二電極彼此分離；以及 一氣體感測層，設置在該第一電極及該第二電極上，且電性連接該第一電極及該第二電極。
  2. 如請求項1之感測結構，其中該第一電極的一部分環繞該第二電極的一部分。
  3. 如請求項1之感測結構，其中該氣體感測層暴露該第二電極的一部分，且一接觸物設置在該第二電極的該部分上。
  4. 如請求項1之感測結構，其中該第一電極為蛇形電極，且該第二電極包括彼此連接的一框形部分及一延伸部分，該框形部分環繞該蛇形電極，且該延伸部分延伸至該蛇形電極的彎曲部分的開口中。
  5. 如請求項1之感測結構，其中該第一電極包括一環形部分，該第二電極包括一圓形部分，且該環形部分環繞該圓形部分。
  6. 如請求項5之感測結構，其中該第一電極更包括： 一第一端部，位於該第一電極的一端： 一第二端部，位於該第一電極的另一端；以及 一連接部分，連接該第一端部、該第二端部及該環形部分。
  7. 如請求項5之感測結構，其中該第二電極更包括：設置在該濕度感測層上且與該圓形部分電性連接的一連接墊，且該感測結構更包括： 一導電層，設置於該基板及該濕度感測層之間； 一第一接觸插塞，貫穿該濕度感測層，且電性連接該第二電極的該圓形部分及該導電層；以及 一第二接觸插塞，貫穿該濕度感測層，且電性連接該第二電極的該連接墊及該導電層。
  8. 如請求項5之感測結構，其中該環形部分提供為複數個，且複數個該環形部分間隔排列或矩陣排列，且複數個該環形部分彼此電性連接。
  9. 如請求項8之感測結構，其中該圓形部分提供為複數個，且複數個該環形部分中的一個環形部分環繞複數個該圓形部分中的對應的一個圓形部分。
  10. 如請求項9之感測結構，其中該氣體感測層提供為複數個，且複數個該氣體感測層中的一個氣體感測層連接複數個該環形部分中的對應的一個環形部分及複數個該圓形部分中的對應的一個圓形部分。
  11. 如請求項1之感測結構，其中該濕度感測層包括一吸水膨脹材料，且該第一電極及該第二電極中的至少一者根據該吸水膨脹材料的膨脹程度產生一形變，且根據該形變前後的一電阻差值得到相對濕度。
  12. 如請求項1之感測結構，其中該氣體感測層吸附一待測氣體，且根據吸附該待測氣體前後的一電阻差值得到該待測氣體的種類、濃度或其組合。
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