TWI821079B - 壓力感測器 - Google Patents
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Abstract
一種壓力感測器，包括基板、壓力感測單元、第一訊號線、第二訊號線、彈性體以及對向基板。壓力感測單元包括串連在一起的第一以及第二電阻、串連在一起的第三以及第四電阻、第一開關元件以及第二開關元件。第一以及第二電阻並連於第三以及第四電阻。第一開關元件電性連接第一電阻以及第二電阻之間。第二開關元件電性連接至第三電阻以及第四電阻之間。第一訊號線電性連接至第一電阻以及第四電阻之間。第二訊號線電性連接至第二電阻以及第三電阻之間。彈性體包括空腔。第一電阻至第四電阻重疊於空腔。
Description
本發明是有關於一種壓力感測器。
目前，市面上有許多種不同類型的壓力感測器，舉例來說，常見的壓力感測器含有電容式（capacitive）壓力感測器、壓電式（piezoelectric）壓力感測器、壓阻式（piezoresistive）壓力感測器等。電容式感測器容易因為觸控訊號與感測器中的其他訊號耦合，而導致難以精確測試微小壓力。壓電式感測器是透過測量壓力的變化所產生的電流而感測壓力，因此壓電式感測器不能用於量測靜態力。壓阻式壓力感測器是利用材料本身的特性進行壓力感測。一般而言，透過在矽晶圓上形成積體電路來製造壓阻式壓力感測器，然而由於矽晶圓為剛性材料，因此壓阻式壓力感測器僅能量測單一方向的力量。
本發明提供一種壓力感測器，能提升感測壓力的靈敏度。
本發明的至少一實施例提供一種壓力感測器。壓力感測器包括基板、壓力感測單元、第一訊號線、第二訊號線、彈性體以及對向基板。壓力感測單元位於基板之上。壓力感測單元包括串連在一起的第一電阻以及第二電阻、串連在一起的第三電阻以及第四電阻、第一開關元件以及第二開關元件。第一電阻以及第二電阻並連於第三電阻以及第四電阻。第一開關元件電性連接第一電阻以及第二電阻之間。第二開關元件電性連接至第三電阻以及第四電阻之間。第一訊號線電性連接至第一電阻以及第四電阻之間。第二訊號線電性連接至第二電阻以及第三電阻之間。彈性體位於基板之上，且包括空腔。第一電阻、第二電阻、第三電阻以及第四電阻至少部分重疊於空腔。對向基板位於彈性體之上。
基於上述，藉由彈性體與空腔的設置，可以提升感測壓力的靈敏度。
圖1A至圖1C是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器10的製造方法的剖面示意圖。請先參考圖1A，於載板C上形成基板100。形成基板100的方法包括貼附或塗布。在一些實施例中，載板C包括硬質基板（rigid substrate），且載板C的材料例如包括玻璃、石英、壓克力、矽晶圓或其他合適於承載基板100的材料。基板100例如為可撓式基板（flexible substrate）或是可拉伸基板。舉例來說，可撓式基板以及可拉伸基板的材料包括聚醯亞胺（polyimide，PI）、聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚乙烯對苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚二甲酸乙二醇酯（polyethylene naphthalate，PEN）、聚酯（polyester， PES）、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚胺酯（polyurethane，PU）、玻璃纖維強化塑膠（fiber-reinforced plastic，FRP）或其他合適的材料。在一些實施例中，基板100的厚度為1微米至50微米。
形成電路結構200於基板100上。在本實施例中，電路結構200包括導線210、第一絕緣層220、多個電阻（包括第一電阻R1、第二電阻R2（請參考圖2）、第三電阻R3以及第四電阻R4（請參考圖2））以及第二絕緣層230。導線210形成於基板100上。第一絕緣層220形成於基板100上，並覆蓋導線210。電阻形成於第一絕緣層220上，且電性連接至導線210。舉例來說，部分電阻透過導電孔而電性連接至導線210。第二絕緣層230形成於第一絕緣層220上，並覆蓋電阻。
在本實施例中，依序形成導線210、第一絕緣層220、電阻以及第二絕緣層230，但本發明不以此為限。在其他實施例中，導線210、第一絕緣層220、電阻以及第二絕緣層230的形成順序可以依照需求而進行調整。
在一些實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2（請參考圖2）、第三電阻R3以及第四電阻R4（請參考圖2）各自的材料可為金屬材料、半導體材料或其他合適的材料。半導體材料例如包括多晶矽、金屬氧化物半導體或其他材料，多晶矽例如包括微晶矽（micro-crystalline silicon）或奈米晶矽（nano-crystalline silicon）。在一些實施例中，第一絕緣層220以及第二絕緣層230各自的材料可為有機材料或無機材料。在一些實施例中，導線210的材料可為金屬材料、半導體材料或其他合適的材料。
在一些實施例中，電路結構200中還可以包括更多的絕緣層、更多的導線、多個主動元件（未繪出）及/或多個被動元件（未繪出），主動元件（未繪出）可以是開關元件或其他類型的主動元件。開關元件例如為薄膜電晶體。
在本實施例中，電路結構200中包括多個壓力感測單元RU。壓力感測單元RU位於基板100之上，且各壓力感測單元RU包括第一電阻R1、第二電阻R2（請參考圖2）、第三電阻R3以及第四電阻R4（請參考圖2）。
接著請參考圖1B，形成彈性體300於基板100之上。在本實施例中，形成彈性體300於電路結構200之上。在一些實施例中，彈性體300的材料可為有機材料或無機材料。
彈性體300包括多個空腔310。在一些實施例中，彈性體300包括感光材料，且形成彈性體300的方法包括塗佈製程、曝光顯影製程以及其他合適的製程，但本發明不以此為限。在其他實施例中，彈性體300包括無機材料，且形成彈性體300的方法包括鍍膜製程、蝕刻製程以及其他合適的製程。換句話說，可以透過曝光顯影製程及/或蝕刻製程來形成彈性體300的空腔310。
在本實施例中，空腔310的側壁為斜坡型，但本發明不以此為限。在其他實施例中，空腔310的側壁包括階梯型或垂直型（側壁垂直於電路結構200）。
圖2是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器10的上視示意圖，其中圖1C是沿著圖2的線A-A’的剖面示意圖。接續圖1B的步驟，請參考圖1C以及圖2，將對向基板400以黏膠、真空貼附或大氣接/貼合的方式貼於彈性體300上。在一些實施例中，在將對向基板400貼於彈性體300上之前或之後，移除載板C。在一些實施例中，在移除載板C之前或之後，切割整個疊層結構，以獲得適當尺寸之壓力感測器10。在一些實施例中，對向基板400的至少一面上具有黏著層（未繪出）。
在一些實施例中，對向基板400可以為剛性基板，例如玻璃纖維、金屬、陶瓷、有機材料或其他硬質的材料，但本發明不以此為限。在其他實施例中，對向基板400例如為可撓式基板或是可拉伸基板。舉例來說，可撓式基板以及可拉伸基板的材料包括聚醯亞胺、聚二甲基矽氧烷、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚胺酯、玻璃纖維強化塑膠或其他合適的材料。在一些實施例中，對向基板400的硬度大於基板100的硬度；或基板400的硬度與基板100的硬度相同，但基板400之厚度皆大於等於基板100的厚度。在一些實施例中，除了將對向基板400貼在彈性體300上以外，可以將其他軟性貼膜（未繪出）以黏膠、真空貼附或接合的方式貼於基板100的背面。
在提供對向基板400於彈性體300上之後，將軟性印刷電路板（未繪出）接合至壓力感測器10上，並透過軟性印刷電路板使系統電路板（未繪出）或晶片（未繪出）電性連接至壓力感測器10的壓力感測單元RU，接著即可進行壓力偵測。
壓力感測單元RU包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4。在本實施例中，多個壓力感測單元RU沿著第一方向E1以及垂直於第一方向E1的第二方向E2排成陣列，藉此獲得高解析度的壓力感測器10。
在本實施例中，在基板100的表面的法線方向ND上，各空腔310重疊於對應的一個壓力感測單元RU，其中各壓力感測單元RU的第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4各自皆至少部分重疊於對應的空腔310。在本實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4各自皆部分不重疊於對應的空腔310。換句話說，在上視圖中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4各自皆從對應的空腔310外延伸進對應的空腔310內，並部分重疊於對應的空腔310的邊緣。
在本實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4皆與空腔310之間隔有絕緣層（第二絕緣層230）。換句話說，在本實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4皆設置於空腔310外。在其他實施例中，省略第二絕緣層230或第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4中的至少一者形成於第二絕緣層230上，以使第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4中的至少部分位於空腔310內。在一些實施例中，彈性體300直接形成於第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4以及第一絕緣層220上。
在一些實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4各自的尺寸S為1微米至250微米。在一些實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4各自與空腔310的邊緣重疊的長度為0至30微米。在其他實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4形成於空腔310的外側，且與空腔310的邊緣之間的水平距離為3微米至100微米。
在一些實施例中，每個空腔310的寬度W1為300微米至1000微米。在一些實施例中，空腔310彼此間的距離DT為50微米至300微米。在一些實施例中，空腔310的中心彼此間的間距為10微米至2000微米。在一些實施例中，每個空腔310的深度D1為2微米至50微米。
在一些實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4分別對應於空腔310的四個邊設置。由於在壓力感測器10受力時，空腔310的邊緣容易產生較大的應力，因此，將第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4設置於重疊空腔310的邊緣的位置可以提升壓力感測器10的靈敏度。在本實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4分別設置於空腔310的四邊的內側，且與空腔310的邊緣有部分重疊區域。在一些實施例中，壓力感測器10為可撓的或可拉伸的，且可適用於量測施加於壓力感測器10上的正向力、側向力及/或彎曲力。此外，在一些實施例中，壓力感測器10的正面以及背面都可以用於測量壓力。另外，相較於透過偵測電容的變化量來測量壓力，本實施例透過偵測電阻的變化量來測量壓力比較不會因為裝置衰退或訊號耦合而產生的測量結果失準的問題。
圖3是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的剖面示意圖。在此必須說明的是，圖3的實施例沿用圖1A至圖2的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
圖3的壓力感測器20與圖1C的壓力感測器10的主要差異在於：壓力感測器20更包括軟性貼膜500。軟性貼膜500位於基板100的背面。基板100位於壓力感測單元RU與軟性貼膜500之間。
將軟性貼膜500以黏膠、真空貼附或接合的方式貼於基板100上。在一些實施例中，軟性貼膜500的材料包括聚醯亞胺、聚二甲基矽氧烷、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚胺酯、玻璃纖維強化塑膠或其他合適的材料。透過在基板100的背面貼上軟性貼膜500，可以調整壓力感測器20的靈敏度以及精度。在一些實施例中，軟性貼膜500的至少一面上具有黏著層（未繪出）。
表1提供了不同材料的軟性貼膜500的硬度以及包含不同材料的軟性貼膜500的壓力感測器20的靈敏度與精度。在表1中，壓力感測器20的基板100的材料為聚醯亞胺，且對向基板400的材料為聚乙烯對苯二甲酸酯。
表1
| 軟性貼膜的 材料 | 軟性貼膜的 硬度 | 靈敏度(mV/V/kPa) | 精度 (mg/cm 2) |
| 無軟性貼膜 | NA | 7.5 × 10 2 | 0.3 |
| PU | ＜肖氏硬度30 A | 7.6 × 10 2 | 0.3 |
| PDMS | 肖氏硬度30 A | 7.0 × 10 2 | 0.4 |
| PET | ＞肖氏硬度70A | 2.6 × 10 2 | 1.0 |
由表1可以得知，當軟性貼膜500的材料為PU時，壓力感測器20的靈敏度較高，當軟性貼膜500的材料為PET時，壓力感測器20的精度較高。因此，可以藉由更換不同的軟性貼膜500來獲取具有不同靈敏度的壓力感測器20。
表2提供了不同材料的軟性貼膜500在不同厚度的情況下受到相同的壓力所產生的變形量。在表2中，對軟性貼膜500所施的壓力為40k Pa。
表2
| 軟性貼膜的 材料 | 軟性貼膜的 厚度( 微米) | 軟性貼膜的 變形量(%) |
| PDMS | 250 | 0.035 |
| 500 | 0.025 | |
| 750 | 0.017 | |
| PET | 20 | 0.011 |
| 40 | 0.0062 |
由表2可以得知，透過軟性貼膜500的厚度與軟性貼膜500受壓後所產生的變形量有關。因此，可以藉由調整軟性貼膜500的厚度來獲取具有不同特性的壓力感測器20。
圖4是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器30的剖面示意圖。在此必須說明的是，圖4的實施例沿用圖1A至圖2的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
圖4的壓力感測器30與圖1C的壓力感測器10的主要差異在於：在壓力感測器10的電路結構200中，先形成導線210再形成壓力感測單元RU中的電阻；在壓力感測器30的電路結構200中，先形成壓力感測單元RU中的電阻再形成導線210。
請參考圖4，在本實施例中，壓力感測單元RU中的電阻形成於基板100上。
圖5是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器40的剖面示意圖。在此必須說明的是，圖5的實施例沿用圖1A至圖2的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
請參考圖5，在本實施例中，電路結構200位於基板100上，且包括緩衝層BF、多個電阻R、導線212、導線214、第一絕緣層220、第二絕緣層230、第三絕緣層240、接墊250以及開關元件T，其中開關元件T包括閘極246、半導體通道244、第一源極/汲極242、第二源極/汲極248、第一歐姆接觸層243以及第二歐姆接觸層249。
緩衝層BF位於基板100上，且包括單層或多層結構。多個電阻R位於緩衝層BF上。第一絕緣層220位於緩衝層BF以及電阻R上。閘極246以及導線212位於第一絕緣層220上。第二絕緣層230位於第一絕緣層220、閘極246以及導線212上。半導體通道244位於第二絕緣層230上，且重疊於閘極246。第一源極/汲極242、第二源極/汲極248以及導線214位於第二絕緣層230上。第一源極/汲極242以及第二源極/汲極248電性連接至半導體通道244，其中第一歐姆接觸層243位於第一源極/汲極242與半導體通道244之間，且第二歐姆接觸層249位於第二源極/汲極248與半導體通道244之間。第二源極/汲極248以及導線214透過導電孔而電性連接至電阻R，且導線214透過導電孔而電性連接至導線212。第三絕緣層240位於第一源極/汲極242、第二源極/汲極248以及導線214上。接墊250電性連接至第一源極/汲極242。在一些實施例中，外接的軟性印刷電路板透過接墊250而電性連接至開關元件T以及電阻R。
在一些實施例中，在形成第一絕緣層220之後，以離子摻雜的方式調整電阻R的阻值，但本發明不以此為限。在一些實施例中，電阻R包括金屬氧化物，且第二絕緣層230中包括氫原子；在形成第二絕緣層230後，執行熱處理以使氫原子擴散至電阻R中，藉此調整電阻R的阻值。此外，改變形成電阻R時所用的氣體種類、氣體流量、氣體比例或其他各項參數也可以調整電阻R的阻值。
在一些實施例中，半導體通道244的材料例如包括非晶矽、氧化銦鎵鋅、多晶矽或其他合適的材料。在一些實施例中，半導體通道244與電阻R可以包括相同的材料。
另外，在本實施例中，第二絕緣層230經圖案化製程而具有重疊於空腔310的凹槽232。藉由凹槽232的設計，可以增加壓力感測器40受壓時電阻R的應變量以及惠斯通電橋的靈敏度。在其他實施例中，前述圖案化製程可以連同第一絕緣層220一起進行圖案化，使凹槽232延伸進第一絕緣層220中。在其他實施例中，可以選擇不要進行前述圖案化製程，以省略凹槽232的製造程序。
在本實施例中，第二源極/汲極248以及導線214透過穿過第一絕緣層220以及第二絕緣層230的兩個導電孔而電性連接至電阻R，但本發明不以此為限。在其他實施例中，前述圖案化製程所形成的凹槽232直接延伸至電阻R的表面，且第二源極/汲極248以及導線214透過同一個凹槽232而接觸電阻R。
在本實施例中，單一個電阻R具有連續的結構，但本發明不以此為限。在其他實施例中，單一個電阻R可以由複數個電阻材料透過導線而彼此串連在一起而形成，其中複數個電阻材料各自的長度與寬度可以為1微米至200微米。在一些實施例中，當單一個電阻R由複數個電阻材料串連在一起而形成時，前述複數個電阻材料可以沿著空腔310的邊緣排列。
彈性體300位於第三絕緣層240上，且具有多個空腔310。彈性體300暴露出接墊250。在本實施例中，電阻R至少部分重疊於空腔310。在本實施例中，電阻R與空腔310之間隔有第一絕緣層220、第二絕緣層230以及第三絕緣層240，但本發明不以此為限。在其他實施例中，電阻R位於第一絕緣層220與第二絕緣層230之間、與第二絕緣層230與第三絕緣層240之間或第三絕緣層240上。
在一些實施例中，閘極246以及導線212屬於相同膜層。在一些實施例中，第一源極/汲極242、第二源極/汲極248以及導線214屬於相同膜層。
在本實施例中，開關元件T為底部閘極型薄膜電晶體，但本發明不以此為限。在其他實施例中，開關元件T為頂部閘極型薄膜電晶體、雙閘極型薄膜電晶體或其他形式的薄膜電晶體。此外，在一些實施例中，可以調整開關元件T的結構（例如將開關元件T改變為頂部閘極型薄膜電晶體），使半導體通道244與電阻R藉由同一道製程形成。
圖6是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的電路示意圖。在此必須說明的是，圖6的實施例沿用圖5的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
圖6繪示了壓力感測器40的電路結構200（請參考圖5）中的電路布局。請參考圖6，多個壓力感測單元RU沿著第一方向E1以及第二方向E2排成陣列，其中每個壓力感測單元RU包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一開關元件T1及第二開關元件T2。
多條閘極訊號線G1-1~Gn-1以及多條第一訊號線G1-2~Gn-2分別電性連接至對應的壓力感測單元RU。舉例來說，第一排壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線G1-1以及第一訊號線G1-2；第二排壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線G2-1以及第一訊號線G2-2；第n排壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線Gn-1以及第一訊號線Gn-2。
各壓力感測單元RU包括串連在一起的第一電阻R1以及第二電阻R2與串連在一起的第三電阻R3以及第四電阻R4。第一電阻R1以及第二電阻R2並連於第三電阻R3以及第四電阻R4以構成惠斯通電橋。
閘極訊號線G1-1~Gn-1電性連接至第一開關元件T1的閘極以及第二開關元件T2的閘極。第一訊號線G1-2~Gn-2電性連接至第一電阻R1與第四電阻R4之間。第二訊號線GND電性連接至第二電阻R2與第三電阻R3之間。第二訊號線GND例如連接至接地電壓。
在本實施例中，在第二方向E2上排成同一列的壓力感測單元RU的第一開關元件T1的閘極以及的第二開關元件T2的閘極電性連接至對應的一條閘極訊號線G1-1~Gn-1。在本實施例中，在第二方向E2上排成同一列的壓力感測單元RU電性連接至對應的一條第一訊號線G1-2~Gn-2。舉例來說，第一列壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線G1-1以及第一訊號線G1-2，第二列壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線G2-1以及第一訊號線G2-2，第n列壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線Gn-1以及第一訊號線Gn-2。
第一開關元件T1的第一源極/汲極電性連接至第一電阻R1與第二電阻R2之間。第二開關元件T2的第一源極/汲極電性連接至第三電阻R3與第四電阻R4之間。第一開關元件T1的第二源極/汲極電性連接至第一訊號感測線D1-1~Dn-1。第二開關元件T2的第二源極/汲極電性連接至第二訊號感測線D1-2~Dn-2。換句話說，第一訊號感測線D1-1~Dn-1透過第一開關元件T1而電性連接至對應的壓力感測單元RU的第一電阻R1以及第二電阻R2，且第二訊號感測線D1-2~Dn-2透過第二開關元件T2而電性連接至對應的壓力感測單元RU的第三電阻R3以及第四電阻R4。
在本實施例中，在第一方向E1上排成同一行的壓力感測單元RU的第一開關元件T1電性連接至對應的一條第一訊號感測線D1-1~Dn-1，且在第一方向E1上排成同一行的壓力感測單元RU的第二開關元件T2電性連接至對應的一條第二訊號感測線D1-2~Dn-2。舉例來說，第一行壓力感測單元RU的第一開關元件T1以及第二開關元件T2分別電性連接至第一訊號感測線D1-1以及第二訊號感測線D1-2，第二行壓力感測單元RU的第一開關元件T1以及第二開關元件T2分別電性連接至第一訊號感測線D2-1以及第二訊號感測線D2-2，第n行壓力感測單元RU的第一開關元件T1以及第二開關元件T2分別電性連接至第一訊號感測線Dn-1以及第二訊號感測線Dn-2。
圖7是圖6的壓力感測器的訊號波形圖。請參考圖7，在進行壓力感測時，對第一訊號線G1-2~Gn-2施加電壓，使第一訊號線G1-2~Gn-2與第二訊號線GND之間具有電壓差。在一些實施例中，對第一訊號線G1-2~Gn-2施加直流電的定電壓。
接著，依序對閘極訊號線G1-1~Gn-1進行掃描。舉例來說，總共有n條閘極訊號線G1-1~Gn-1。因此，進行掃描的每個週期包括第一掃描時間T1至第n掃描時間Tn。
在第一掃描時間T1時，開啟閘極訊號線G1-1，並關閉其他閘極訊號線；在第二掃描時間T2時，開啟閘極訊號線G2-1，並關閉其他閘極訊號線；在第三掃描時間T3時，開啟閘極訊號線G3-1，並關閉其他閘極訊號線；在第n掃描時間Tn時，開啟閘極訊號線Gn-1，並關閉其他閘極訊號線。在掃描完一個週期後，從閘極訊號線G1-1開始重新掃描。舉例來說，在第n+1掃描時間Tn+1時，重新開啟閘極訊號線G1-1，並關閉其他閘極訊號線。
在進行壓力感測時，偵測第一訊號感測線D1-1~Dn-1與第二訊號感測線D1-2~Dn-2之間的電壓差，並透過系統電路板（未繪出）或晶片（未繪出）而計算出對應的壓力感測單元RU所承受的壓力。
圖8是依照本發明的一些實施例的壓力感測器的電壓變化與壓力的折線圖。電壓變化是透過圖6與圖7所示的第一訊號感測線D1-1~Dn-1與第二訊號感測線D1-2~Dn-2來測量。在本實施例中，對第一訊號線G1-2~Gn-2施加3.36V的電壓，並將第二訊號線GND接地。
在圖8中，第一實施例至第三實施例的壓力感測器具有相似的結構，差異在於第一實施例的壓力感測器不具有軟性貼膜（第一實施例的壓力感測器的結構如圖1C所示），且第二實施例與第三實施例的壓力感測器具有不同材料的軟性貼膜（第二實施例至第三實施例的壓力感測器的結構如圖3所示）。
在第一實施例至第四實施例的壓力感測器中，基板100的材料皆為PI，且對向基板400的材料皆為PET。第一實施例不具有軟性貼膜，第二實施例的軟性貼膜的材料為PET，第三實施例與第四實施例的軟性貼膜的材料為PDMS。
另外，第三實施例的壓力感測器與第四實施例的壓力感測器具有相同材料的軟性貼膜。然而，第四實施例的壓力感測器的彈性體的空腔的寬度大於第三實施例的壓力感測器的彈性體的空腔的寬度。在圖8中，第一實施例至第三實施例的彈性體的空腔的寬度W1（請參考圖2）為500微米。第四實施例的壓力感測器的彈性體的空腔的寬度W1為800微米。
表3顯示了第一實施例至第四實施例的壓力感測器的電壓變化與壓力。
表3
| 第一實施例 | 第二實施例 | 第三實施例 | 第四實施例 | ||||
| 壓力( mmHg) | 電壓變化(mV) | 壓力( mmHg) | 電壓變化(mV) | 壓力( mmHg) | 電壓變化(mV) | 壓力( mmHg) | 電壓變化(mV) |
| 26.33 | 0.52 | 27.66 | -0.73 | 23.98 | 0.7 | 28.32 | 2.45 |
| 89.37 | 2.61 | 78.93 | 0.17 | 78.78 | 2.15 | 79.44 | 5.65 |
| 144.54 | 4.67 | 145.79 | 1.2 | 143.43 | 4 | 145.64 | 9.49 |
| 190.88 | 5.97 | 186.98 | 1.82 | 185.73 | 5.6 | 190.88 | 11.98 |
| 248.62 | 8.1 | 246.04 | 2.65 | 247.52 | 7.51 | 243.47 | 14.68 |
| 313.72 | 10.53 | 304.52 | 3.53 | 307.28 | 9.67 | 305.99 | 17.72 |
由圖8以及表3可以發現，第二實施例的壓力感測器所測得的電壓變化隨著壓力增加出現先減少後上升的情況，這是因為第二實施例的壓力感測器使用PET作為軟性貼膜，較容易導致壓力感測器產生翹曲的問題。相較之下，使用PDMS作為軟性貼膜的第三實施例以及第四實施例都沒有出現電壓變化先減少後上升的情況。
另外，基於圖8以及表3的結果，可以得知不論是改變軟性貼膜的材料或是改變彈性體的空腔的寬度，都可以改變壓力感測器所得到的電壓變化與所承受的壓力之間的相對關係。換句話說，可以因應實際需求而改變軟性貼膜的材料或是改變彈性體的空腔的寬度。
圖9是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的電路示意圖。在此必須說明的是，圖9的實施例沿用圖6的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
請參考圖9，在本實施例中，每個壓力感測單元RU更包括一個第三開關元件T3。第一訊號線G1-2~Gn-2透過第三開關元件T3而電性連接至第一電阻R1以及第四電阻R4之間。單個壓力感測單元RU中的第一開關元件T1的閘極、第二開關元件T2的閘極以及第三開關元件T3的閘極透過對應的一條閘極訊號線G1-1~Gn-1而彼此電性連接。
在本實施例中，多條閘極訊號線G1-1~Gn-1以及多條第一訊號線G1-2~Gn-2分別電性連接至對應的壓力感測單元RU。舉例來說，第一排壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線G1-1以及第一訊號線G1-2；第二排壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線G2-1以及第一訊號線G2-2；第n排壓力感測單元RU電性連接至閘極訊號線Gn-1以及第一訊號線Gn-2。
在本實施例中，透過第三開關元件T3的設置，可以提升壓力感測器的效能。具體地說，透過第三開關元件T3的設置，在沒有開啟第三開關元件T3時，電流不會經過壓力感測單元RU，藉此減少壓力感測器的耗電以及發熱，以提升壓力感測器應用於便攜式裝置或醫療裝置的安全性。
圖10是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的電路示意圖。在此必須說明的是，圖10的實施例沿用圖9的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
在圖9的實施例中，每個壓力感測單元RU包括一個第三開關元件T3，且每一條第一訊號線G1-2~Gn-2電性連接至多個第三開關元件T3。然而，在圖10的實施例中，每一條第一訊號線G1-2~Gn-2透過一個第三開關元件T3而電性連接至多個壓力感測單元RU。
請參考圖10，同一列的壓力感測單元RU中的第一開關元件T1的閘極以及第二開關元件T2的閘極透過對應的一條閘極訊號線G1-1~Gn-1而電性連接至對應的一個第三開關元件T3。
在本實施例中，透過第三開關元件T3的設置，可以提升壓力感測器的效能。具體地說，透過第三開關元件T3的設置，在沒有開啟第三開關元件T3時，電流不會經過壓力感測單元RU，藉此減少壓力感測器的耗電以及發熱，以提升壓力感測器應用於便攜式裝置或醫療裝置的安全性。
10, 20, 30, 40:壓力感測器
100:基板
200:電路結構
210, 212, 214:導線
220:第一絕緣層
230:第二絕緣層
232:凹槽
240:第三絕緣層
242:第一源極/汲極
243:第一歐姆接觸層
244:半導體通道
246:閘極
248:第二源極/汲極
249:第二歐姆接觸層
250:接墊
300:彈性體
310:空腔
400:對向基板
500:軟性貼膜
BF:緩衝層
C:載板
D1:深度
D1-1~Dn-1:第一訊號感測線
D1-2~Dn-2:第二訊號感測線
DT:距離
E1:第一方向
E2:第二方向
G1-1~Gn-1:閘極訊號線
G1-2~Gn-2:第一訊號線
GND:第二訊號線
ND:法線方向
R:電阻
RU:壓力感測單元
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
S:尺寸
T:開關元件
T1:第一開關元件
T2:第二開關元件
T3:第三開關元件
T1~ Tn、Tn+1:掃描時間
W1:寬度
圖1A至圖1C是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的製造方法的剖面示意圖。
圖2是圖1C的壓力感測器的上視示意圖。
圖3是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的剖面示意圖。
圖4是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的剖面示意圖。
圖5是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的剖面示意圖。
圖6是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的電路示意圖。
圖7是圖6的壓力感測器的訊號波形圖。
圖8是依照本發明的一些實施例的壓力感測器的電壓變化與壓力的折線圖。
圖9是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的電路示意圖。
圖10是依照本發明的一實施例的一種壓力感測器的電路示意圖。
10:壓力感測器
300:彈性體
310:空腔
DT:距離
E1:第一方向
E2:第二方向
RU:壓力感測單元
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
S:尺寸
W1:寬度
Claims (14)
- 一種壓力感測器，包括： 一基板； 一壓力感測單元，位於該基板之上，其中該壓力感測單元包括： 串連在一起的一第一電阻以及一第二電阻； 串連在一起的一第三電阻以及一第四電阻，其中該第一電阻以及該第二電阻並連於該第三電阻以及該第四電阻； 一第一開關元件，電性連接至該第一電阻以及該第二電阻之間；以及 一第二開關元件，電性連接至該第三電阻以及該第四電阻之間； 一第一訊號線，電性連接至該第一電阻以及該第四電阻之間； 一第二訊號線，電性連接至該第二電阻以及該第三電阻之間； 一彈性體，位於該基板之上，且包括一空腔，其中該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻以及該第四電阻至少部分重疊於該空腔；以及 一對向基板，位於該彈性體之上。
- 如請求項1所述的壓力感測器，其中該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻以及該第四電阻的材料包括多晶矽。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 一軟性貼膜，其中該基板位於該壓力感測單元與該軟性貼膜之間。
- 如請求項1所述的壓力感測器，其中該對向基板的硬度大於該基板的硬度。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 一閘極訊號線，電性連接至該第一開關元件的閘極以及該第二開關元件的閘極。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 一第三開關元件，其中該第一訊號線透過該第三開關元件而電性連接至該第一電阻以及該第四電阻之間。
- 如請求項6所述的壓力感測器，其中該第一開關元件的閘極、該第二開關元件的閘極以及該第三開關元件的閘極彼此電性連接。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 多個壓力感測單元，位於該基板之上； 一閘極訊號線，電性連接至該些壓力感測單元中的該第一開關元件的閘極以及該第二開關元件的閘極； 一第三開關元件，其中該第一訊號線透過該第三開關元件而電性連接至該些壓力感測單元，且該第三開關元件的閘極電性連接至該閘極訊號線。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 多個壓力感測單元，位於該基板之上，其中該彈性體包括多個空腔，且各該空腔重疊於對應的一個該壓力感測單元。
- 如請求項1所述的壓力感測器，其中該空腔的側壁包括階梯型、斜坡型或垂直型。
- 如請求項1所述的壓力感測器，其中該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻以及該第四電阻部分重疊於該空腔的邊緣。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 一第一訊號感測線，透過該第一開關元件而電性連接至該第一電阻以及該第二電阻；以及 一第二訊號感測線，透過該第二開關元件而電性連接至該第三電阻以及該第四電阻。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 多條第一訊號線以及多條閘極訊號線；以及 多個壓力感測單元，沿著一第一方向以及一第二方向排成陣列，其中： 在該第二方向上排成同一列的該些壓力感測單元的該些第一開關元件的閘極以及的該些第二開關元件的閘極電性連接至對應的一條閘極訊號線，且在該第二方向上排成同一列的該些壓力感測單元電性連接至對應的一條第一訊號線。
- 如請求項1所述的壓力感測器，更包括： 多條第一訊號感測線以及多條第二訊號感測線，其中在該第一方向上排成同一行的該些壓力感測單元的該些第一開關元件電性連接至對應的一條第一訊號感測線，且在該第一方向上排成同一行的該些壓力感測單元的該些第二開關元件電性連接至對應的一條第二訊號感測線。
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