TW201728902A - 電阻式感測陣列裝置 - Google Patents
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Abstract
一種電阻式感測陣列裝置,檢測一電解液的酸鹼值,包含一感測陣列單元、一控制電路,及一資料處理單元,該感測陣列單元接觸該電解液並包括多個成陣列排列的感測晶胞,每一感測晶胞依據輸入電壓而改變自身電阻態進而輸出對應的感測電流,該控制電路可被控制地施予至少一輸入電壓至該等感測晶胞、和一參考電壓至該電解液,該資料處理單元同步接收該輸入電壓、以及由每一感測晶胞對應該輸入電壓產生的感測電流,且判斷該感測電流是否變化至一預設電流值,若是,則根據該預設電流值所對應的輸入電壓值,得出該電解液的酸鹼值。
Description
本發明是有關於一種感測裝置,特別是指一種用於檢測電解液的酸鹼值的電阻式感測陣列裝置。
近年來,隨著醫療的日趨進步與生活品質之提升,全球已逐漸邁入高齡化的社會型態,醫療保健與照顧已然成為現今最重要的研究課題之一,其中,適合使用在居家生活中的生理資訊即時監控技術,最具發展潛力與市場價值,不但能掌握病患即時的生理狀況、降低就診次數以分擔高成本的醫療人力與資源,長期持續性的生理監測亦能達到例如慢性疾病預警、或是健康異常緊急通報的醫療照護目的。而常見的疾病,例如糖尿病、高血壓、腎炎等,經常能藉由監測人體訊息,例如汗水、尿液、口水中的酸鹼值成分、血液中的血糖、鈉離子、鉀離子等含量,來分析其細微變化以早期發現健康異常的徵兆,也因此,市場上迫切需要一種能夠收集人體訊息,並將這些人體訊息轉換成精確的電子訊號,來進行例如酸鹼值等的判斷並達到醫療即時監控目的之感測裝置。
因此,本發明之目的,即在提供一種能檢測出電解液的酸鹼值的電阻式感測陣列裝置。
於是,本發明電阻式感測陣列裝置,包含一感測陣列單元、一控制電路,及一資料處理單元。
該感測陣列單元接觸該電解液並包括多個成陣列排列的感測晶胞,每一感測晶胞依據輸入電壓而改變自身電阻態進而輸出對應的感測電流。
該控制電路可被控制地施予至少一輸入電壓至該等感測晶胞、和一參考電壓至該電解液。
該資料處理單元同步接收該輸入電壓、以及由每一感測晶胞對應該輸入電壓產生的感測電流,且判斷該感測電流是否變化至一預設電流值,若是,則根據該預設電流值所對應的輸入電壓值,得出該電解液的酸鹼值。
本發明之功效在於:利用該感測陣列單元的該多個感測晶胞來檢測電解液並產生感測電流,且配合該控制電路與該資料處理單元來判斷該感測電流變化至該預設電流值時,根據該預設電流值所對應的輸入電壓,來得到該電解液的酸鹼值。
參閱圖1,本發明電阻式感測陣列裝置的一實施例,適用於檢測一電解液100的酸鹼值,且包含一感測陣列單元1、一控制電路2、一資料處理單元3,及一顯示單元4。
該顯示單元4依據該電解液100酸鹼值的大小而顯示相對應的色彩變化。
配合參閱圖2,該感測陣列單元1接觸該電解液100並包括多個成陣列排列的感測晶胞10(圖2中僅示出其中四個)。在本實施例中,每一感測晶胞10為非揮發性電阻式記憶體,例如為電阻式隨機存取記憶體(resistive random access memory,RRAM),且該感測陣列單元1具有一基底層11,該等感測晶胞10成陣列排列地形成在該基底層11上,該等感測晶胞10具有一形成在該基底層11上並具有多個彼此不相接觸的電極121的第一電極層12、一形成在該第一電極層12上的阻值層13、一形成在該阻值層13上並具有多個彼此不相接觸的電極141的第二電極層14,及一形成於該第二電極層14上並具有多個供該電解液100接觸該第二電極層14的該等電極141的貫孔151的膠體罩覆層15,其中,構成該阻值層13的阻值大於該等電極,且該阻值層13具有多個依據輸入電壓而改變電阻態的阻性元件131,如圖3所示,每一阻性元件131位於該第一電極層12的電極121和第二電極層14的電極141的交會處並選自於氧化矽、氮化矽、氧化釓、氧化鉿等高介電常數材料及此等的組合。該第一電極層12的電極121與該第二電極層14的電極141的材質為選自於金屬、多晶矽及此等的組合。
參閱圖3,圖3例示該感測陣列單元1其中2x2個感測晶胞10的製造過程。首先,該感測陣列單元1是例如利用矽基板作為該基底層11,並在該基底層11上長出二個彼此不相接觸的電極121,而且沉積二氧化矽(silicon oxide)作為緩衝層(passivation layer),以形成該第一電極層12。接著,定義四個阻性元件131分別位於該二電極121所在的位置,並沉積於該第一電極層12上以作為該阻值層13。接著,於該阻值層13上再形成二個彼此不相接觸的電極141,並沉積二氧化矽作為緩衝來形成該第二電極層14,該第二電極層14的電極141與該第一電極層12的電極121兩兩垂直交錯,且每一阻性元件131位於該第一電極層12的電極121和第二電極層14的電極141的交會處,成為金屬電極/電阻層/金屬電極(MIM)的結構,以形成2x2個感測晶胞10。最後,在該第二電極層14上形成該膠體罩覆層15作為光阻,且該膠體罩覆層15具有四個位置分別對應於該四個阻性元件131的貫孔151,以供該電解液100流入並接觸對應的感測晶胞10。在此須說明的是,雖然圖3僅繪示2x2個感測晶胞10的製造過程,但本實施例也可以擴充至NxN個感測晶胞10所形成的陣列,而不以所例示者為限。
參閱圖4及圖5並配合圖2,該控制電路2可被控制地施予至少一輸入電壓至每一個感測晶胞10,和一參考電壓至該電解液100。為方便說明,圖4繪示其中一個感測晶胞10的阻性元件131處於一阻態轉換模式的操作:當該控制電路2未產生該輸入電壓時,圖2中的所有感測晶胞10的阻性元件131操作於一高電阻態(High Resistive State),此時該等感測晶胞10對於所接觸的該電解液100尚未具有感測能力,而當藉由該控制電路2產生的高電位的該輸入電壓至該第二電極層14的其中一個電極141,及產生低電位的該輸入電壓至該第一電極層12的其中一個電極121時,位在該第一電極層12的該一電極121與該第二電極層14的該一電極141之交會處的該一感測晶胞10,亦即圖4所繪示的該一感測晶胞10,其阻性元件131即從該高電阻態轉換成一低電阻態(Low Resistive State),此時該一感測晶胞10便對於該電解液100具有感測能力。圖5繪示該一感測晶胞10的阻性元件131處於一記憶模式的操作:在移除該一感測晶胞10的該第二電極層14之該一電極141的輸入電壓、以及該第一電極層12之該一電極121的輸入電壓時,因為每一感測晶胞10皆具有非揮發性,故該一感測晶胞10仍然操作於該低電阻態並具有感測能力,此時,該控制電路2產生高電位的該輸入電壓至該第一電極層12的該一電極121,且產生低電位的該參考電壓至該電解液100,該一感測晶胞10依據該第一電極層12的電極121所接收的該輸入電壓,而能輸出對應的感測電流。
參閱圖6、圖7與圖8,該資料處理單元3具有一資料庫31,且該資料庫31儲存多個相異酸鹼值分別對應的多個索引電壓值。如圖4及圖5所示,該資料處理單元3電連接該感測陣列單元1和該控制電路2而同步接收該輸入電壓、以及由每一感測晶胞10對應該輸入電壓產生的感測電流,並判斷該感測電流是否變化至一預設電流值,若是,則根據該預設電流值所對應的輸入電壓值,比對該資料庫31中的該等索引電壓值,來得到該電解液100的酸鹼值。圖6是說明本發明電阻式感測陣列裝置建立該資料庫31並藉以應用來檢測電解液100之酸鹼值的詳細執行流程。圖7顯示每一感測晶胞10操作於該高電阻態與該低電阻態時的輸入電壓─感測電流值的實驗結果圖。圖8顯示該資料處理單元3的資料庫31所儲存的索引電壓值與對應索引電壓值的酸鹼值。
以下利用圖6至圖8進一步說明該資料庫31中該等索引電壓值的建立方式。首先該電阻式感測陣列裝置操作一訓練階段A,且該訓練階段A包括以下步驟。
在步驟A1,準備多個酸鹼值各異的樣本電解液(圖未示出),且針對每一樣本電解液分別進行量測,該控制電路2分別產生一參考電壓,每一樣本電解液接收該參考電壓。
在步驟A2,該等感測晶胞10逐一操作在如圖4所示的該阻態轉換模式,且分別經由該第一電極層12的電極121接收來自該控制電路2的一低電位的輸入電壓、該第二電極層14的電極141接收來自該控制電路2的一高電位的輸入電壓,而使每一感測晶胞10的阻性元件131輪流自該高電阻態操作至該低電阻態。觀圖7可知,每一感測晶胞10的阻性元件131操作於該高電阻態時並不具有感測能力,而在每一感測晶胞10的阻性元件131自該高電阻態操作至該低電阻態時,即能回應於輸入電壓的改變,產生對應的感測電流。並且由於該等感測晶胞10為電阻式記憶體,因此其晶胞之反應速度為奈秒(ns)等級,能快速地輪流操作至該低電阻態,以針對位在其表面的樣本電解液進行檢測。
在步驟A3,每一處在該低電阻態的感測晶胞10操作在如圖5所示的該記憶模式,並經由該第一電極層12的電極121接收來自該控制電路2的一高電位的輸入電壓,並參考該等樣本電解液的參考電壓,使每一處在該低電阻態的感測晶胞1產生追隨該輸入電壓變化的感測電流,如圖7所示。
在步驟A4,該資料處理單元3同步接收該輸入電壓及判斷該感測電流是否變化至該預設電流值,當該感測電流變化至如圖7所示的該預設電流值時,該資料處理單元3記錄該預設電流值所對應的輸入電壓值作為一索引電壓值,並記錄該對應的樣本電解液的酸鹼值,而如圖8所示,該資料處理單元3記錄該多個分別相異的酸鹼值與該多個分別對應的該索引電壓值,並儲存於該資料庫31。
接著,該電阻式感測陣列裝置操作於一應用階段B,而檢測一酸鹼值未知的待測電解液,且該應用階段B包括以下步驟。
在步驟B1,每一處在低電阻態的感測晶胞10經由該第一電極層12的電極121接收來自該控制電路2的輸入電壓,並參考該待測之電解液100的參考電壓,而使每一處在低電阻態的感測晶胞10產生追隨該輸入電壓變化的感測電流。
在步驟B2,該資料處理單元3同步接收該輸入電壓及該感測電流,並判斷該感測電流值變化至該預設電流值時,根據該預設電流值所對應的輸入電壓值,從該資料庫31比對該等索引電壓值,以得出該電解液100的酸鹼值。
在步驟B3,該顯示單元4依據該資料處理單元3於每一處於低電阻態的感測晶胞10的阻性元件131所得到的酸鹼值大小,而顯示一相對應的顏色變化。因此能針對表面有該電解液100的感測晶胞10而能顯示出對應的面積區域,並且能依照酸鹼值的大小來顯示濃度的變化。
在此需再說明的是,在其他的實施態樣中,該資料處理單元3的該資料庫31亦能儲存一由多個相異酸鹼值分別所對應的多個索引電壓值的一酸鹼值線性推估函數,且該資料處理單元3將該預設電流值所對應的輸入電壓值代入該酸鹼值線性推估函數而得到該待測之電解液100的酸鹼值。而在另一個實施態樣中,該資料庫31儲存一由多個相異酸鹼值分別所對應的多個索引電壓值的一酸鹼值內插推估函數,且該資料處理單元3將該預設電流值所對應的輸入電壓值代入該酸鹼值內插推估函數而得到該待測之電解液100的酸鹼值。
由以上說明可知,本發明電阻式感測陣列裝置,藉由該感測陣列單元1的該多個感測晶胞10來形成NxN的感測陣列來檢測電解液100,能有效提升感測的解析度;並且因為該多個感測晶胞10為小面積的電阻式記憶體,能大幅縮小該感測陣列單元1的面積,且該電阻式記憶體之操作,能將感測的反應速度從現有感測技術的微秒(ms)等級有效地降低至奈秒(ns)等級。除此之外,配合該控制電路2操作於該低電阻態而具有感測能力,並進而藉由該資料處理單元3的配合來建立該資料處理單元3的該資料庫31,該資料處理單元3即能在判斷該感測電流變化至該預設電流值時,根據該預設電流值所對應的輸入電壓,來得到該待測之電解液100的酸鹼值,故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者,僅為本發明之實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧電解液
151‧‧‧貫孔
1‧‧‧感測陣列單元
2‧‧‧控制電路
10‧‧‧感測晶胞
3‧‧‧資料處理單元
11‧‧‧基底層
31‧‧‧資料庫
12‧‧‧第一電極層
4‧‧‧顯示單元
121‧‧‧電極
A‧‧‧訓練階段
13‧‧‧阻值層
A1~A4‧‧‧訓練階段的步驟
14‧‧‧第二電極層
B‧‧‧應用階段
141‧‧‧電極
B1~B3‧‧‧應用階段的步驟
15‧‧‧膠體罩覆層
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2‧‧‧控制電路
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12‧‧‧第一電極層
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121‧‧‧電極
A‧‧‧訓練階段
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141‧‧‧電極
B1~B3‧‧‧應用階段的步驟
15‧‧‧膠體罩覆層
本發明之其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中: 圖1是一方塊圖,說明本發明電阻式感測陣列裝置的一實施例; 圖2是一立體圖,說明該實施例的一感測陣列單元; 圖3是一製作過程圖,輔助圖2說明該感測陣列單元的感測晶胞的形成過程; 圖4是一示意圖,說明該感測陣列單元的其中一個感測晶胞操作於一阻態轉換模式; 圖5是一示意圖,說明該感測陣列單元的其中一個感測晶胞操作於一記憶模式; 圖6是一流程圖,說明本發明電阻式感測陣列裝置用於檢測電解液時的操作; 圖7是一實驗結果圖,說明每一感測晶胞操作於高電阻態與低電阻態時所接收的輸入電壓及對應輸入電壓產生的感測電流值;及 圖8是一實驗結果圖,說明本發明電阻式感測陣列裝置的一資料處理單元的資料庫所記錄的索引電壓值與對應索引電壓值的酸鹼值。
100‧‧‧電解液
1‧‧‧感測陣列單元
10‧‧‧感測晶胞
2‧‧‧控制電路
3‧‧‧資料處理單元
31‧‧‧資料庫
4‧‧‧顯示單元
Claims (7)
- 一種電阻式感測陣列裝置,檢測一電解液的酸鹼值,包含: 一感測陣列單元,接觸該電解液並包括多個成陣列排列的感測晶胞,每一感測晶胞依據輸入電壓而改變自身電阻態進而輸出對應的感測電流; 一控制電路,可被控制地施予至少一輸入電壓至該等感測晶胞,和一參考電壓至該電解液;及 一資料處理單元,電連接該感測陣列單元和該控制電路而同步接收該輸入電壓、以及由每一感測晶胞對應該輸入電壓產生的感測電流,且判斷該感測電流是否變化至一預設電流值,若是,則根據該預設電流值所對應的輸入電壓值,得出該電解液的酸鹼值。
- 如請求項1所述的電阻式感測陣列裝置,其中,該感測陣列單元具有一基底層,且該等感測晶胞成陣列排列地形成在該基底層上,該等感測晶胞具有一形成在該基底層上並具有多個彼此不相接觸的電極的第一電極層、一形成在該第一電極層上的阻值層、一形成在該阻值層上並具有多個彼此不相接觸的電極的第二電極層,及一形成於該第二電極層上並具有多個供該電解液接觸該第二電極層的該等電極的貫孔的膠體罩覆層,其中,構成該阻值層的阻值大於該等電極。
- 如請求項2所述的電阻式感測陣列裝置,其中,每一感測晶胞為非揮發性電阻式記憶體,且該阻值層具有多個依據輸入電壓而改變電阻態的阻性元件,每一阻性元件位於該第一電極層的電極和第二電極層的電極的交會處並選自於氧化矽、氮化矽、氧化釓、氧化鉿及此等的組合。
- 如請求項1所述的電阻式感測陣列裝置,其中,該資料處理單元具有一資料庫,且該資料庫儲存多個相異酸鹼值分別所對應的多個索引電壓值,該資料處理單元將該預設電流值所對應的輸入電壓值,比對該等索引電壓值而得到該電解液的酸鹼值。
- 如請求項1所述的電阻式感測陣列裝置,其中,該資料處理單元具有一資料庫,且該資料庫儲存一由多個相異酸鹼值分別所對應的多個索引電壓值的一酸鹼值線性推估函數,且該資料處理單元將該預設電流值所對應的輸入電壓值代入該酸鹼值線性推估函數而得到該待測電解液的酸鹼值。
- 如請求項1所述的電阻式感測陣列裝置,其中,該資料處理單元具有一資料庫,且該資料庫儲存一由多個相異酸鹼值分別所對應的多個索引電壓值的一酸鹼值內插推估函數,且該資料處理單元將該預設電流值所對應的輸入電壓值代入該酸鹼值內插推估函數而得到該待測電解液的酸鹼值。
- 如請求項1所述的電阻式感測陣列裝置,還包含一依據該電解液酸鹼值的大小而顯示相對應的色彩變化的顯示單元。
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