CN110333009A - 压电感测器 - Google Patents
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Abstract
一种压电感测器，包括基底、多个主动元件、多个电极以及压电膜。主动元件设置于基底上。电极设置基底上，且与主动元件电性连接。压电膜设置于电极上，且具有朝向电极的第一表面以及设置于第一表面的对向的第二表面。压电膜的第一表面具有多个第一凹部及第一凹部所定义的多个第一凸部。压电膜的第二表面具有多个第二凹部以及第二凹部所定义的多个第二凸部。第一凸部对应于第二凸部设置，且第一凹部对应于第二凹部设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测器，且特别涉及一种压电感测器。
背景技术
目前，可将柔性压电材料(例如，商用市售的聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜)贴附在阵列化的薄膜晶体管基板上，以形成阵列化压电感测器，并应用在声波感测或扬声器中。其中，阵列化的薄膜晶体管可用来收集大面积里的特定小范围压电信息，可制作成高精细/分辨率的压电感测元件。
当压电感测器的分辨率需求提高时，阵列化的薄膜晶体管基板上的每一电极的面积势必得缩小，因而使得小面积的电极可得到的单点信号降低。于是，需要增加压电材料的厚度以产生更大的信号，以提高小面积的电极可得到的单点信号。然而，更厚的压电材料与更小更密的电极却会造成更严重的相互干扰(crosstalk)，进而降低压电感测器的分辨率。
发明内容
本发明提供一种压电感测器，可改善相互干扰的问题、具有较佳的分辨率。
本发明的压电感测器，包括基底、多个主动元件、多个电极以及压电膜。主动元件设置于基底上。电极设置基底上，且与主动元件电性连接。压电膜设置于电极上，且具有朝向电极的第一表面以及设置于第一表面的对向的第二表面。压电膜的第一表面具有多个第一凹部及第一凹部所定义的多个第一凸部。压电膜的第二表面具有多个第二凹部以及第二凹部所定义的多个第二凸部。第一凸部对应于第二凸部设置，且第一凹部对应于第二凹部设置。
在本发明的一实施例中，上述的第一凹部的一者与对应的第二凹部的一者之间具有压电膜的实体材料部。
在本发明的一实施例中，上述的第一凸部分别重叠于第二凸部，且第一凹部分别重叠于第二凹部。
在本发明的一实施例中，上述的第一凸部分别设置于电极上。
在本发明的一实施例中，上述的电极彼此隔开且阵列排列于基底上。
在本发明的一实施例中，上述的压电膜的材料包括聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯或聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯或尼龙-11。
在本发明的一实施例中，上述的电极包括透明电极、反射电极或其组合。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明一实施例的压电感测器的俯视示意图。
图1B为对应图1A的剖线A-A’的本发明一实施例的压电感测器的剖面示意图。
图2A为本发明一实施例的压电感测器于外力施加时的剖面示意图。
图2B为本发明一比较例的压电感测器于外力施加时的剖面示意图。
图2C为本发明另一比较例的压电感测器的剖面示意图。
图3为本发明另一实施例的压电感测器的剖面示意图。
图4为本发明另一实施例的压电感测器的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
100、100a、100b、100c、200、300：压电感测器
110：主动元件基板
111：基底
112：主动元件
1121：栅极
1122：闸绝缘层
1123：通道层
1124：源极
1125：漏极
113、113a1、113a2、113a3、213a1、213a2、213a3：电极
114：介电层
115：接触窗
120、120a、220、320：压电膜
121、121a、221、321：第一表面
122、122a、222、322：第二表面
123：第一凹部
124、124a、124b、124c、324：第一凸部
125：第二凹部
126、126a、126b、126c：第二凸部
127：实体材料部
130：连接元件
F：外力
P1、P2：位置
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1A为本发明一实施例的压电感测器的俯视示意图。图1B为对应图1A的剖线A-A’的本发明一实施例的压电感测器的剖面示意图。
请参照图1A与图1B，本实施例的压电感测器100包括主动元件基板110以及设置于主动元件基板110上的压电膜120。主动元件基板110包括基底111、多个主动元件112、多个电极113、介电层114以及多个接触窗115。其中，主动元件112设置于基底111上。介电层114设置于基底111上，且覆盖主动元件112。接触窗115贯穿介电层114。电极113设置于介电层114上，且通过接触窗115与主动元件112电性连接。基底111可为硬板或软板。举例而言，硬板可例如是玻璃或硅晶圆，软板可例如是聚酰亚胺或其他材质的塑胶软板，但本发明不以此为限。
详细来说，在本实施例中，主动元件112包括薄膜晶体管，具有栅极1121、闸绝缘层1122、通道层1123、源极1124以及漏极1125。通道层1122设置于栅极1121上，通道层1122与栅极1121重叠，且通道层1123与栅极1121之间夹有闸绝缘层1122。源极1124以及漏极1125设置于闸绝缘层1122上，且源极1124以及漏极分别电性连接至通道层1120。
在本实施例中，通道层1122设置于栅极1121上，也就是说，主动元件112可选择性地为底部栅极型薄膜晶体管。然而，本发明不以此为限，在其他实施例中，主动元件112也可以包括其它任何形式的薄膜晶体管，例如：顶部栅极型薄膜晶体管、蚀刻终止(Islandstop；IS)薄膜晶体管等。此外，在本实施例中，薄膜晶体管的通道层1122的材质可以选择性地是非晶硅。然而，本发明不限于此，在其他实施例中，通道层1122的材质也可以是其它任何种类的半导体，例如：低温多晶硅(low temperature poly-silicon，LTPS)、多晶硅、微晶硅、单晶硅、有机半导体材料、氧化物半导体材料、或其它合适的材料、或含有掺杂物(dopant)于上述材料中、或上述的组合。
在本实施例中，电极113与主动元件112可选择性地分别位于介电层114的相对两侧。电极113可通过接触窗115与主动元件112电性连接。此外，在本实施例中，多个电极113可彼此隔开且阵列排列于基底111上。也就是说，多个电极113可形成一个图案化的电极层，但本发明不以此为限。虽然图1A示出30个电极113，且多个电极113以5×6的阵列方式排列于基底111上，但本发明并不对电极113的数量及排列方式加以限制。在一些实施例中，电极113可包括透明电极、反射电极或其组合。
在本实施例中，压电膜120设置于多个电极113上，且压电膜120与介电层114分别位于多个电极113的相对两侧。举例而言，压电膜120的材料包括聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚偏氟乙烯及其共聚物(例如：偏二氟乙烯-三氟乙烯的共聚物或偏二氟乙烯-四氟乙烯的共聚物等)、聚氟乙烯、聚氯乙烯或聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯或尼龙-11。需要注意的是，压电膜120须与电极113紧密连接，使具有较佳的压电感应效果。此外，在本实施例中，压电膜120与电极113的连接方式可例如是将压电膜120直接连接或贴附在电极113上，或以真空封装的方式使压电膜120须与电极113紧密连接，但本发明不以此为限。在其他实施例中，也可用利用具有导电性的粘着材料，将压电膜120紧密连接在电极113上。
详细来说，压电膜120具有朝向电极113的第一表面121以及设置于第一表面121的对向的第二表面122。其中，压电膜120的第一表面121具有多个第一凹部123及由第一凹部123所定义的多个第一凸部124。压电膜120的第二表面122具有多个第二凹部125以及由第二凹部125所定义的多个第二凸部126。其中，第一凸部124对应于第二凸部126设置，且第一凹部123对应于第二凹部125设置。在一些实施例中，第一凸部124可分别重叠于第二凸部126，且第一凹部123分别重叠于第二凹部125。在一些实施例中，第一凹部123的垂直投影位于多个电极113的垂直投影外且位于多个电极113的垂直投影之间，第二凹部125的垂直投影位于多个电极113的垂直投影外且位于多个电极113的垂直投影之间，但本发明不以此为限。
此外，在本实施例中，多个第一凸部124分别设置于多个电极113上，且多个第二凸部126分别设置于多个电极113上。也就是说，毎个第一凸部124可对应于一个电极113，且毎个第二凸部126也可对应于一个电极113，但本发明不以此为限。在其他实施例中，毎一个第一凸部124也可对应于多个电极113，且毎个第二凸部126也可对应于多个电极113。
特别要说明的是，在本实施例中，一个第一凹部123与对应的一个第二凹部125之间具有压电膜120的实体材料部127。也就是说，虽然压电膜120具有第一凹部123及第二凹部125，但压电膜120未被第一凹部123及/或第二凹部125断开，如图1B所示。
在本实施例中，形成压电膜120的第一凹部123、第二凹部125、第一凸部124以及第二凸部126的方式包括刀膜制具冲压或激光切割等。详细来说，刀膜制具是配合电极113的排列所设计出的刀膜制具，使得刀膜制具可在压电膜120的第一表面121上切割出刻痕(即第一凹部123)，并可在压电膜120的第二表面122切割出刻痕(即第二凹部125)，但不切断压电膜120。其中，由第一凹部123所定义的第一凸部124的大小可对应于电极113的大小，且由第二凹部125所定义的第二凸部126的大小也可对应于电极113的大小。
此外，也可利用激光切割的方式在压电膜120的第一表面121上切割出刻痕(即第一凹部123)，并在压电膜120的第二表面122切割出刻痕(即第二凹部125)，但不切断压电膜120。其中，由第一凹部123所定义的第一凸部124的大小可对应于电极113的大小，且由第二凹部125所定义的第二凸部126的大小也可对应于电极113的大小。但需要注意的是，在利用激光进行切割时，需选用适当的激光波长与功率，以避免使激光切割压电膜120所产生的热影响区过大而造成第一凸部124处或第二凸部126处的压电特性失效。举例来说，当以PVDF作为压电膜的材料时，对PVDF进行的加工以及将PVDF与主动元件基板110连接的制程温度皆需小于70℃，以避免PVDF的压电特性失效。
图2A为本发明一实施例的压电感测器于外力施加时的剖面示意图。图2B为本发明一比较例的压电感测器于外力施加时的剖面示意图。图2C为本发明另一比较例的压电感测器的剖面示意图。
请参照图2A，在本实施例的压电感测器100a中，压电膜120a的第一表面121a具有多个第一凸部124a、124b、124c，且第二表面122a具有多个第二凸部126a、126b、126c。其中，第二凸部126a对应于第一凸部124a以及电极113a1，第二凸部126b对应于第一凸部124b以及电极113a2，且第二凸部126c对应于第一凸部124c以及电极113a3。当对压电膜120a上的位置P1施加一外力F时，只会使位置P1所对应的第二凸部126b产生形变，发生形变的第二凸部126b会产生电荷，以使其下方的电极113a2而接收到压电信号。由于压电膜120具有多个第一凹部123及多个第二凹部125，因此，第二凸部126b本身的形变不容易造成周围的其他第二凸部126a、126c随之产生形变，进而可避免有相互干扰(crosstalk)的情形。
然而，请参照图2B，在作为比较例的压电感测器200中，其压电膜220具有平整的第一表面221与第二表面222。也就是说，压电膜220不具有如图2A中的多个第一凸部124a、124b、124c以及多个第二凸部126a、126b、126c。于是，当对压电膜220上的位置P2施加一外力F时，会使位置P2及其周围所对应的压电膜220皆产生形变，形变的压电膜220会产生电荷，并使其下方的多个电极213a1、213a2、213a3接收到压电信号。因此，外力F除了与位置P2所对应的电极213a2会接收到压电信号之外，也会使位置P2周围所对应的压电膜220产生形变，并使电极213a2周围的其他电极213a1、213a3也接收到压电信号，进而造成有相互干扰的情形。
接着，请参照图2C，在作为比较例的压电感测器300中，其压电膜320的第一表面321具有多个第一凸部324，但第二表面322则是平整的表面。也就是说，压电膜320只有单面(第一表面321)具有切割痕而另一面(第二表面322)是为平整时，由于第一表面321与第二表面322的应力不平衡会导致压电膜320有翘曲的情形发生，不利于压电感测器300的感测效果。
简言之，本实施例的压电感测器100包括基底111、多个主动元件112、多个电极113以及压电膜120。主动元件112设置于基底111上。电极113设置基底111上，且与主动元件112电性连接。压电膜120设置于电极113上，且具有朝向电极113的第一表面121以及设置于第一表面121的对向的第二表面122。压电膜120的第一表面121具有多个第一凹部123及第一凹部123所定义的多个第一凸部124。压电膜120的第二表面122具有多个第二凹部125以及第二凹部125所定义的多个第二凸部126。第一凸部124对应于第二凸部126设置，且第一凹部123对应于第二凹部125设置。借此设计，使得本实施例的压电感测器100可改善相互干扰的问题、具有较佳的分辨率。
压电感测器100用以检测压电感测器100上的受力分布状态。举例而言，在本实施例中，可将压电感测器100置于手腕上，以检测手腕的桡动脉的跳动，进而取得桡动脉的脉搏波形图。然而，本发明不限于此，压电感测器100也可做其它应用。
以下将列举其他实施例以作为说明。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
图3为本发明另一实施例的压电感测器的剖面示意图。请同时参考图1B与图3，本实施例的压电感测器100b与图1B中的压电感测器100相似，而二者主要差异之处在于：本实施例的压电感测器100b还包括连接元件130，设置于压电膜120与电极113之间。其中，连接元件130具有导电性及黏性，以使压电膜120可紧密连接在电极113上，并通过连接元件130与电极113电性连接。因此，在本实施例中，连接元件130可以是导电胶或其他具有导电性的粘着材料。
图4为本发明另一实施例的压电感测器的剖面示意图。请同时参考图1B与图4，本实施例的压电感测器100c与图1B中的压电感测器100相似，而二者主要差异之处在于：在本实施例的压电感测器100c中，压电膜120的第一凹部123的垂直投影重叠于其中一个电极113的垂直投影。也就是说，压电膜120的第一凸部124及第二凸部126可与多个电极113可以不需要极为精准的对位，而压电感测器100c仍可具有改善相互干扰的效果。
综上所述，在本发明的压电感测器中，压电膜设置于电极上，且具有朝向电极的第一表面以及设置于第一表面的对向的第二表面。其中，压电膜的第一表面具有多个第一凹部及第一凹部所定义的多个第一凸部。压电膜的第二表面具有多个第二凹部以及第二凹部所定义的多个第二凸部。第一凸部对应于第二凸部设置，且第一凹部对应于第二凹部设置。借此设计，使的本发明的压电感测器可改善相互干扰的问题、具有较佳的分辨率。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (7)
1.一种压电感测器，包括：
一基底；
多个主动元件，设置于该基底上；
多个电极，设置该基底上，且与所述主动元件电性连接；以及
一压电膜，设置于所述电极上，且具有朝向所述电极的一第一表面以及设置于该第一表面的对向的一第二表面；
其中，该压电膜的该第一表面具有多个第一凹部及所述第一凹部所定义的多个第一凸部，该压电膜的该第二表面具有多个第二凹部以及所述第二凹部所定义的多个第二凸部，所述第一凸部对应于所述第二凸部设置，且所述第一凹部对应于所述第二凹部设置。
2.如权利要求1所述的压电感测器，其中，所述第一凹部的一者与对应的所述第二凹部的一者之间具有该压电膜的一实体材料部。
3.如权利要求1所述的压电感测器，其中，所述第一凸部分别重叠于所述第二凸部，且所述第一凹部分别重叠于所述第二凹部。
4.如权利要求1所述的压电感测器，其中，所述第一凸部分别设置于所述电极上。
5.如权利要求1所述的压电感测器，其中，所述电极彼此隔开且阵列排列于该基底上。
6.如权利要求1所述的压电感测器，其中，该压电膜的材料包括聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯或聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯或尼龙-11。
7.如权利要求1所述的压电感测器，其中，所述电极包括透明电极、反射电极或其组合。
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