CN109099940A - 感测装置 - Google Patents
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Abstract
一种感测装置，包含基底，具有法线方向、多条扫描线、多条第一信号线、多条第二信号线、多条参考线、多个元件单元、感测层、以及辅助电极。各元件单元包含第一晶体管以及第二晶体管。第一晶体管包含：第一主栅极，电性连接扫描线；第一半导体层；第一源极，电性连接第一信号线；第一漏极，电性连接第二信号线；以及第一次栅极。第二晶体管包含：第二栅极，电性连接第一主栅极；第二半导体层；第二源极，电性连接第二信号线；以及第二漏极，电性连接至参考线。感测层位于第一晶体管及第二晶体管上。辅助电极位于感测层上且于法线方向上重叠于第一次栅极。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测装置，且特别涉及一种具有双栅式晶体管的感测装置。
背景技术
目前市面上使用压电材料的薄膜式感测器皆为小尺寸的感测器，且其通过压力产生的电荷变化量很微小，需要搭配放大器以得到有效的信号。因此，现有的薄膜式感测器具有高成本以及低分辨率的缺点。
发明内容
本发明的一实施例提供一种感测装置，其具有高分辨率及大面积的感测表面，且具有成本上的优势。
本发明的一实施例的感测装置，包含基底、多条扫描线、多条第一信号线、多条第二信号线、多条参考线、多个元件单元、感测层以及多个辅助电极。基底具有法线方向。各元件单元包含第一晶体管以及第二晶体管。第一晶体管包含：第一主栅极，电性连接扫描线的其中之一；第一半导体层；第一源极，电性连接第一信号线的其中之一；第一漏极，电性连接第二信号线的其中之一；以及第一次栅极。第二晶体管包含：第二栅极，电性连接第一主栅极；第二半导体层；第二源极，电性连接第二信号线的其中之一；以及第二漏极，电性连接至参考线的其中之一。感测层位于第一晶体管及第二晶体管上。辅助电极位于感测层上且于法线方向上重叠于第一次栅极。
在本发明的一实施例中，第一次栅极与对应的辅助电极实质上具有相同的图案及面积。
在本发明一实施例的感测装置中，由于第一晶体管串连至第二晶体管成为元件单元，且感测层夹设于第一次栅极与辅助电极之间，因此当施压在感测层上时，电容变化产生于第一次栅极处，使元件单元于感测到物理压力时的输出电压为未施加物理压力时的输出电压的1.8倍至2倍。因此，相较于现有的薄膜式压力感测器，本实施例的感测装置可以不需要搭配放大器，即可得到有效的信号，能增加感测能力，提供高分辨率的压力图式，并节省制作成本。此外，本发明一实施例的感测装置还可以通过现有的面板制造设备形成元件单元，并大范围的生长感测层，以制作具有高分辨率及大感测面积的感测装置，以提供大尺寸及高分辨率的压力感测装置，更具有进一步降低成本的优势。
本发明的目的之一为增加感测能力。
本发明的目的之一为提供大尺寸的感测装置。
本发明的目的之一为节省制作成本。
本发明的目的之一为提供高分辨率的压力感测装置。
本发明的目的之一为应用于医疗产品上，矫正站立姿势或走路姿势。
本发明的目的之一为应用于睡眠产品上，矫正睡眠姿势。
本发明的目的之一为提供高分辨率的光感测装置。
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1为本发明一实施例的感测装置的局部放大俯视图。
图2为图1的感测装置沿剖面线A-A’的局部剖面示意图。
图3为本发明另一实施例的感测装置的局部放大俯视图。
图4为图3的感测装置沿剖面线A-A’的局部剖面示意图。
图5为本发明再一实施例的感测装置的俯视图。
图6为图5的感测装置的等效电路图。
图7为图5的感测装置的时序示意图。
图8为本发明又一实施例的感测装置的局部剖面示意图。
符号说明
10、10a、10b、10c：感测装置
100：基底
120、120A、120B：扫描线
130：栅绝缘层
140：介电层
150A、150B：驱动电路
160、160a：感测层
170、170a：辅助电极
180：保护层
200、200A、200B：元件单元
A-A’：切线
CH1：第一半导体层
CH2：第二半导体层
CL：参考线
D1：第一漏极
D2：第二漏极
G1A：第一主栅极
G1B：第一次栅极
G2：第二栅极
H、H’：厚度
L1：第一距离
L2：第二距离
S1：第一源极
S2：第二源极
SC：感测电路
SL1：第一信号线
SL2：第二信号线
T1：第一晶体管
T2：第二晶体管
TR：区域
VA：输入电压
VCL：参考电压
VG：驱动电压
VOUT：输出电压
Z：法线方向
具体实施方式
图1为本发明一实施例的感测装置的局部放大俯视图。图2为图1的感测装置沿剖面线A-A’的剖面示意图。必须说明的是，为求清楚表示与便于说明，对图2的各分层或元件的厚度或比例做适度地放大或缩小，并不代表各分层或元件的实际厚度或比例。请参考图1及图2，在本实施例中，感测装置10包含基底100、多条扫描线120、多条第一信号线SL1、多条第二信号线SL2、多条参考线CL、多个元件单元200、感测层160以及辅助电极170。为了清楚表达起见，图1仅示意性地示出一个元件单元200以及与其对应电性连接的扫描线120、第一信号线SL1、第二信号线SL2、参考线CL，而省略示出若干其他元件，但本发明不以此为限。
举例而言，基底100可为透光基板，透光基板的材质例如为玻璃、石英、有机聚合物、柔性基板或其他可适用材料，然而，本发明不限于此，在其他实施例中，基底100也可为不透光/反射基板。不透光/反射基板的材质可为导电材料、晶圆、陶瓷或其他可适用的材料，但本发明不以此为限。基底100具有法线方向Z。图1所示的感测装置10的俯视图是指由图2的辅助电极170沿法线方向Z往基底100方向所观看的图面。
在本实施例中，多条扫描线120、多条第一信号线SL1、多条第二信号线SL2以及多条参考线CL位于基底100上。扫描线120、第一信号线SL1、第二信号线SL2以及参考线CL可属于不同膜层。举例而言，扫描线120的膜层不同于第一信号线SL1、第二信号线SL2以及参考线CL的膜层，扫描线120交错于第一信号线SL1、第二信号线SL2以及参考线CL，但本发明不以此为限。
在本实施例中，基于导电性的考量，扫描线120、第一信号线SL1、第二信号线SL2以及参考线CL一般是使用金属材料，但本发明不限于此。在其他实施例中，扫描线120、第一信号线SL1、第二信号线SL2以及参考线CL也可以使用其他导电材料，例如：合金、金属材料的氮化物、金属材料的氧化物、金属材料的氮氧化物、或是金属材料与其他导电材料的堆叠层。
在本实施例中，元件单元200设置于基底100上，包含第一晶体管T1以及第二晶体管T2。举例而言，第一晶体管T1包含：第一主栅极G1A，电性连接其中一条扫描线120；第一半导体层CH1；第一源极S1，电性连接其中一条第一信号线SL1；第一漏极D1，电性连接其中一条第二信号线SL2；以及第一次栅极G1B。在本实施例中，扫描线120及第一主栅极G1A属于同一膜层。类似地，第一源极S1与第一信号线SL1也属于同一膜层，但本发明不以此为限。
在本实施例中，第一半导体层CH1位于第一主栅极G1A的上方。第一源极S1以及第一漏极D1位于第一半导体层CH1的上方，且第一源极S1以及第一漏极D1与第一半导体层CH1电性连接。第一次栅极G1B位于第一半导体层CH1的上方，第一次栅极G1B举例为浮置。举例而言，第一次栅极G1B在法线方向Z上遮蔽第一半导体层CH1以及部分的第一源极S1及第一漏极D1。换句话说，上述第一晶体管T1是以双栅极型薄膜晶体管(dual gateTFT)为例。
在本实施例中，第二晶体管T2包含：第二栅极G2，电性连接第一主栅极G1A，第二半导体层CH2，第二源极S2，电性连接其中一条第二信号线SL2；以及第二漏极D2，电性连接其中一条参考线CL。在本实施例中，第一主栅极G1A与第二栅极G2属于同一膜层，且同样地电性连接扫描线120。类似地，第二源极S2与第二信号线SL2属于同一膜层，且第二漏极D2与参考线CL也属于同一膜层，但本发明不以此为限。
在本实施例中，第二半导体层CH2位于第二栅极G2的上方。第二源极S2以及第二漏极D2位于第二半导体层CH2的上方，且第二源极S2以及第二漏极D2与第二半导体层CH2电性连接。换句话说，上述第二晶体管T2是以底栅极型薄膜晶体管(bottom gate TFT)为例，但本发明不限于此。根据其他实施例，上述第二晶体管T2也可为顶部栅极型薄膜晶体管(topgateTFT)或其它适当形式的薄膜晶体管。在本实施例中，第一半导体层CH1与第二半导体层CH2的材料可以相同，但本发明不以此为限。举例而言，第一半导体层CH1及第二半导体层CH2的材料包含无机半导体材料或有机半导体材料，无机半导体材料可为非晶硅(a-si)、氧化铟镓锌(IGZO)或多晶硅的其中之一，但本发明不以此为限。
在本实施例中，第二信号线SL2位于元件单元200的第一晶体管T1及第二晶体管T2之间，且上述的第一晶体管T1与第二晶体管T2分别电性连接至对应的第二信号线SL2，例如为电性连接至相同的第二信号线SL2。换句话说，第一晶体管T1与第二晶体管T2串连在一起作为元件单元200。
此外，感测装置10还包含栅绝缘层130以及介电层140。在本实施例中，栅绝缘层130覆盖扫描线120并位于第一半导体层CH1及第二半导体层CH2的下方。介电层140可覆盖第一晶体管T1以及第二晶体管T2，且位于第一次栅极G1B及第一半导体层CH1之间。栅绝缘层130及介电层140的材料可为无机材料或有机材料或上述组合。无机材料例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或上述至少二种材料的堆叠层。
在本实施例中，感测层160位于第一晶体管T1及第二晶体管T2上。举例而言，感测层160整层地覆盖介电层140以及第一次栅极G1B。感测层160的材料可为压电(piezoelectricity)材料或钙钛矿晶体结构(perovskite structure)的材料，但本发明不以此为限。在上述的配置下，由于感测层160可通过大范围的生长在介电层140上，因此可以简单地制作大面积的感测表面，以提供大尺寸的感测装置。
在本实施例中，辅助电极170位于感测层160上，且于法线方向Z上重叠于并完全遮蔽第一次栅极G1B，辅助电极170举例是于法线方向Z上不重叠于第二晶体管T2的第二栅极G2。举例而言，如图1所示，于法线方向Z上由辅助电极170往基底100观看，辅助电极170与第一次栅极G1B具有相似的图案，且辅助电极170的面积大于第一次栅极G1B的面积，但本发明不以此为限。辅助电极170可作为感测电容的一电极，第一晶体管T1的第一次栅极G1B可作为感测电容的另一电极，辅助电极170、感测层160与第一晶体管T1的第一次栅极G1B可构成感测电容。
此外，在本实施例中，感测装置10还包含保护层180，位于感测层160上。保护层180整层地覆盖感测层160以及辅助电极170。保护层180可以避免感测层160或辅助电极170因水气或其它环境因子的影响而降低感测装置10的分辨率。
以下将以一优选的实施例举例说明并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，而不重复赘述。
图3为本发明另一实施例的感测装置的局部放大俯视图。图4为图3的感测装置沿剖面线A-A’的局部剖面示意图。必须说明的是，为求清楚表示与便于说明，对图4的各分层或元件的厚度或比例做适度地放大或缩小，并不代表各分层或元件的实际厚度或比例。本实施例的感测装置10a与图1的感测装置10相似，主要的差异在于：第一次栅极G1B与辅助电极170a实质上具有相同的图案及面积。也就是说，辅助电极170a与第一次栅极G1B彼此完全重叠。如此，可以使用相同的掩模(未示出)制作第一次栅极G1B以及辅助电极170a，以简化工艺并节省制作成本。
图5为本发明再一实施例的感测装置的俯视图。图6为图5的感测装置的等效电路图。
在本实施例中，感测装置10b相似于前述感测装置10a，感测装置10b还包含各级驱动电路150A、150B，形成于基底100上，且各级驱动电路150A、150B分别电性连接各级扫描线120A、120B。在本实施例中，各级驱动电路150A、150B可为栅极驱动电路(Gate Driver onArray,GOA)，以不同时序下分别提供驱动电压VG至各级扫描线120A、120B，但本发明不以此为限。各级驱动电路150A、150B可以简化基底100上的走线，增加布线的裕度以及增加感测功能的面积。在此需注意的是，图5示意性地示出以阵列的方式排列的四个元件单元，且相同列(column)中相邻的两个元件单元200A、200B分别电性连接相同的第一信号线SL1、第二信号线SL2以及参考线CL，但本发明不以此为限。
在本实施例中，请参考图5，相同行(row)中相邻的元件单元200A电性连接至相同的扫描线120A，且分别对应的第一信号线SL1之间具有第一距离L1，第一距离L1例如为2000微米(μm)至20000μm，但本发明不以此为限。此外，在本实施例中，两相邻的扫描线120A、120B之间具有第二距离L2，第二距离L2例如为2000μm至20000μm，但本发明不以此为限。所属技术领域中技术人员亦可考量不同使用目的，调整第一距离L1以及第二距离L2的范围。如此，各元件单元200A、200B之间可以保持适当的间距，以避免产生串扰(crosstalk)现象导致压力检测精度的减少，进一步防止检测准确度的降低。
值得注意的是，请参考图2、图4及图5，本发明的实施例的感测装置10、10a、10b的感测层160的材料包含压电材料，例如为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFe))或锆钛酸铅(PZT)。另外，压电材料也可以例如为铋铁氧(BiFeOX)。此外，感测层160的厚度H优选为10μm至50μm，但本发明不以此为限。压电材料会因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料具有应力场与电场耦合的效应，而产生压电效应。其原理在于当压电材料受物理压力时，材料体内的电偶极矩会因压缩而变短。因此，感测层160为了抵抗电偶极矩的变化，会于感测层160相对的两个表面，即第一次栅极G1B与辅助电极170或170a上产生等量的正负电荷，以维持原状。举例来说，受到物理压力后的感测层160可以在第一次栅极G1B以及辅助电极170或170a之间产生电容变化，进而影响元件单元200、200A或200B对应的第二信号线SL2的输出电压值。
请参考图5以及图6，在本实施例中，各级驱动电路150A、150B会分别电性连接扫描线120A、120B，在不同的时段以各级扫描的方式提供驱动电压VG。因驱动各级扫描线120A、120B的时间不同，可以降低感测到错误信号的几率，并增加感测能力。在本实施例中，驱动电压VG例如为+70V，但本发明不以此为限。请参考图5以及图6，元件单元200A与200B的第二晶体管T2皆电性连接至参考线CL，且参考线CL具有参考电压VCL。在本实施例中，参考电压VCL例如为0V，但本发明不以此为限。
如图3、图5及图6所示，第二信号线SL2位于第一晶体管T1及第二晶体管T2之间。在本实施例中，元件单元200A、200B皆电性连接于第二信号线SL2，以将输出电压VOUT的信号输出至感测电路SC，但本发明不以此为限。一般来说，元件单元200经由第二信号线SL2的输出电压VOUT可由(式1)表示：
R1为元件单元200的第一晶体管T1的电阻，R2为元件单元200的第二晶体管T2的电阻，VA为第一信号线SL1提供的输入电压。
请参考图5及图6，举例说明，当在元件单元200B对应的感测层160上施加压力时，例如使用者的手指的按压或脚的踩压，感测层160所产生的电容变化可以在元件单元200B的第一晶体管T1的第一次栅极G1B施予电压而改变第一晶体管T1的电流值，以影响电阻R1、R2。举例而言，以半导体层CH1、CH2的材料为氧化铟镓锌为例，电阻R2可以为电阻R1的10倍。由(式1)的计算结果，于感测层160上施加物理压力后，感测到物理压力的输出电压VOUT为若于感测层160上不施加物理压力，电阻R2与电阻R1相同，则无施加物理压力的输出电压VOUT为也就是说，当感测层160受到物理压力时，其感测到物理压力的输出电压VOUT为无施加物理压力的输出电压VOUT的1.8倍至2倍，此倍率与晶体管T1、T2的电性特征强相关。本发明的实施例的感测装置10、10a、10b相较于现有的薄膜式压力感测器，不需要搭配放大器即可得到有效的信号，能增加感测能力，提供高分辨率的压力图式，并节省制作成本。
图7为图5的感测装置的时序示意图。请同时参考图6及图7，在此是以同一列中相邻的感测元件200A、200B并搭配信号波形示意图来说明本实施例的感测机制。举例说明，若图6中的元件单元200A上方无施加物理压力，元件单元200B对应的区域TR被施加物理压力。在时点t1，驱动电路150A开始作动，并且第一信号线SL1持续被提供输入电压VA。在时点t1至时点t2的时段，驱动电路150A输出驱动电压VG，例如+70V至扫描线120A，第二信号线SL2传输的电压信号至感测电路SC。接下来，于时点t2至时点t3的时段，因驱动电路150B输出驱动电压VG至扫描线120B，此时第二信号线SL2传输的电压信号至感测电路SC。因此，对应元件单元200B的区域TR被感测出具有外力加压的情况，依此类推，扫描线120B之后的扫描线按序接收驱动电压VG，按序执行上述的感测机制。进一步，通过将第二信号线SL2传输的输出电压VOUT传送至感测电路SC，再利用外接的显示器来显示相对应的压力变化及位置分布图。
简言之，各元件单元200、200A、200B包含：第一晶体管T1，串接至第二晶体管T2，并电性连接至第二信号线SL2，且感测层160夹设于第一次栅极G1B与辅助电极170之间。如此，当感测层160受到物理压力时，感测层160所产生的电容变化可以在第一晶体管T1的第一次栅极G1B形成电压。而元件单元200、200A、200B受到物理压力时，其感测到物理压力的输出电压VOUT为无施加物理压力的输出电压VOUT的1.8倍至2倍，且此倍率与与晶体管T1、T2的电性特征强相关。因此，不需要通过放大器，即可提供高分辨率的压力图式，并节省制作成本。
此外，本发明的实施例的感测装置10、10a、10b可以通过驱动电路150A、150B以各级扫描的方式，按序开启各级扫描线120、120A、120B上的元件单元200，以降低感测到错误信号的几率，增加感测能力。
由于本发明的实施例的感测装置10、10a、10b具有高分辨率及大面积的感测表面，因此可以应用于医疗产品上，以输出高分辨率的压力图式。通过上述的压力图式，可以分析人体重心于不同姿势的变动，用于矫正站立姿势或走路姿势。
由于本发明的实施例的感测装置10、10a、10b具有高分辨率及大面积的感测表面，因此可以应用于睡眠产品上，以输出高分辨率的压力图式。通过上述的压力图式，可以分析人体重心于不同姿势以及不同时间的变动，用以矫正睡眠姿势。
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，关于省略了相同技术内容的部分说明可参考前述实施例，下述实施例中不再重复赘述。
图8为本发明又一实施例的感测装置的局部剖面示意图。本实施例所示的感测装置10c与图4的感测装置10a相似，主要的差异在于：感测层160a的材料包含钙钛矿(perovskite)。钙钛矿材料可为通式ABX3所表示的化合物，其中A为有机或无机材料；B为无机二价金属；X为卤素。在本实施例中，钙钛矿可例如为CsPbX3，但本发明不限于此。此外，感测层160a的厚度H’优选为10μm至50μm，但本发明不以此为限。由于钙钛矿材料具有独特的光电特性，于照光后可以在感测层160a中产生电流。如此配置下，感测装置10c可获致与上述实施例的相同技术技术效果，且可应用为提供高分辨率且大面积的光感测装置。
综上所述，本发明的一实施例的感测装置，由于其第一晶体管串连至第二晶体管成为元件单元，且感测层夹设于第一次栅极与辅助电极之间，因此施压在感测层上所产生的电容变化可以在第一次栅极处形成电压。上述电压可使元件单元于感测到物理压力时的输出电压为无施加物理压力时的输出电压的1.8倍至2倍，因此，相较于现有的薄膜式压力感测器，本实施例的感测装置可以不需要搭配放大器，即可得到有效的信号，能增加感测能力，提供高分辨率的压力图式，并节省制作成本。此外，本发明的一实施例的感测装置还可以通过现有的面板制造设备形成元件单元，并大范围的生长感测层，以制作具有高分辨率及大感测面积的感测装置，以提供大尺寸及高分辨率的压力感测装置，更具有进一步降低成本的优势。另外，本发明的一实施例的感测装置可以通过驱动电路以各级扫描的方式，按序开启各级扫描线上的元件单元以降低感测到错误信号的几率，进一步地增加感测能力。
此外，本发明的一实施例的感测装置可应用于医疗产品上，通过高分辨率的压力图式，分析人体重心于不同姿势的变动，用于矫正站立姿势或走路姿势。
此外，本发明的一实施例的感测装置可应用于睡眠产品上，通过高分辨率的压力图式。分析人体重心于不同姿势以及不同时间的变动，用以矫正睡眠姿势。
另外，本发明的一实施例的感测装置可应用为提供高分辨率且大面积的光感测装置。
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，在不脱离本发明的构思构思和范围内，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 (10)
1.一种感测装置，包含：
一基底，具有一法线方向；
多条扫描线；
多条第一信号线；
多条第二信号线；
多条参考线；
多个元件单元，各该元件单元包含：
一第一晶体管，包含：
一第一主栅极，电性连接所述扫描线的其中之一；
一第一半导体层；
一第一源极，电性连接所述第一信号线的其中之一；
一第一漏极，电性连接所述第二信号线的其中之一；和
一第一次栅极；及
一第二晶体管，包含：
一第二栅极，电性连接该第一主栅极；
一第二半导体层；
一第二源极，电性连接所述第二信号线的其中之一；和
一第二漏极，电性连接至所述参考线的其中之一；
一感测层，位于该第一晶体管及该第二晶体管上；以及
多个辅助电极，位于该感测层上且于该法线方向上分别重叠于所述第一次栅极。
2.如权利要求1所述的感测装置，其中所述第二信号线分别位于各该元件单元的该第一晶体管及该第二晶体管之间。
3.如权利要求1所述的感测装置，还包含：至少一驱动电路，形成于该基底上，且该至少一驱动电路电性连接所述扫描线，其中所述辅助电极于该法线方向上不重叠于所述第二栅极。
4.如权利要求1所述的感测装置，其中该感测层的材料包含聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、锆钛酸铅或铋铁氧，且该感测层的厚度为10微米至50微米。
5.如权利要求1所述的感测装置，其中该感测层的材料包含钙钛矿，且该感测层的厚度为10微米至50微米。
6.如权利要求1所述的感测装置，其中各该第一半导体层及各该第二半导体层的材料包含无机半导体材料或有机半导体材料，无机半导体材料为非晶硅、氧化铟镓锌或多晶硅。
7.如权利要求1所述的感测装置，其中所述第一次栅极中的一者与对应的该辅助电极实质上具有相同的图案及面积。
8.如权利要求1所述的感测装置，其中各该元件单元还包含：
一栅绝缘层，位于该第一半导体层及该第二半导体层的下方；以及
一介电层，位于该第一次栅极及该第一半导体层之间。
9.如权利要求8所述的感测装置，还包含：一保护层，位于该感测层上。
10.如权利要求1所述的感测装置，其中所述元件单元中相邻两者所分别电性连接的所述第一信号线中的两者相距2000微米至20000微米，且两个相邻的所述扫描线相距2000微米至20000微米。
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