壓電供電的傳感器卡及用于其的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種由壓電源供電并包括電子元件的電子傳感器器件。所述器件可用于測試諸如氣體、液體、化學物質或生物物質等的物質的存在。當所述器件暴露于所述物質時，所述電子元件(如晶體管)的電子狀態(tài)(電阻／電容)改變(例如影響連接的顯示元件的顏色)，以允許使用者目測檢測所述物質。
【專利說明】壓電供電的傳感器卡及用于其的方法
【背景技術】
[0001 ] 印刷電子學能夠以潛在超低成本將電子、光學和其他功能集成至產品中。為了為電子電路提供供電，通常討論印刷電池，但印刷電池具有數(shù)個缺點。電池使用電解質，所述電解質使得制造(特別是關于密封或封裝)相對復雜，此外，電池隨時間而損失電荷。壓電電源可以以更小的形狀系數(shù)更容易地制造，且很少存在由于損失電荷而變得不起作用的問題。

【發(fā)明內容】

[0002]在目前描述的實施例的一個方面，器件包括:基材；在所述基材上的壓電電源；連接至所述壓電電源的在所述基材上的多個感測元件，所述感測元件在檢測物質時能夠操作以改變電子狀態(tài)；以及對應于在所述基材上的所述多個感測元件的在所述基材上的多個顯示元件，當所述壓電電源被激活時，所述顯示元件基于對應的感測元件的電子狀態(tài)而能夠操作以顯示。
[0003]在目前描述的實施例的另一方面，所述感測元件為電阻元件，且所述電子狀態(tài)為電阻。
[0004]在目前描述的實施例的另一方面，所述感測元件為電容元件，且所述電子狀態(tài)為電容。
[0005]在目前描述的實施例的另一方面，所述感測元件包括薄膜晶體管。
[0006]在目前描述的實施例的另一方面，所述感測元件包括化學場效應晶體管。
[0007]在目前描述的實施例的另一方面，所述感測元件具有不同厚度的擴散阻擋層。
[0008]在目前描述的實施例的另一方面，所述顯示元件包括如下中的至少一種:反射性顯示元件、發(fā)射性顯示元件、電泳顯示元件、電致變色顯示元件、MEMS顯示元件、Gyricon顯示元件、粉末顯示元件、液晶顯示元件、電潤濕顯示元件、電化學顯示元件、電致發(fā)光顯示元件或OLED顯示元件。
[0009]在目前描述的實施例的另一方面，所述顯示元件為電壓驅動的顯示元件。
[0010]在目前描述的實施例的另一方面，所述顯示元件為電流驅動的顯示元件。
[0011]在目前描述的實施例的另一方面，所述基材由如下中的至少一種形成:塑料或聚合物材料、紙、薄的柔性金屬、薄的柔性玻璃或陶瓷材料。
[0012]在目前描述的實施例的另一方面，所述壓電電源由聚合物壓電材料、壓電復合材料、鐵電材料或無機壓電材料形成。
[0013]在目前描述的實施例的另一方面，所述方法包括從傳感器器件上去除保護片材；將所述傳感器器件的傳感器區(qū)域暴露于物質，以引發(fā)所述傳感器區(qū)域中的感測元件與所述物質之間的反應，從而改變所述感測元件的狀態(tài)；攪動所述傳感器器件上的壓電電源；以及基于所述感測元件的狀態(tài)改變而改變所述器件上的顯示器，所述顯示器由所述壓電電源供電。
[0014]在目前描述的實施例的另一方面，所述感測元件包括電阻元件。[0015]在目前描述的實施例的另一方面,所述感測元件包括電容元件。
[0016]在目前描述的實施例的另一方面，所述顯示器包括顯示元件。
[0017]在目前描述的實施例的另一方面，所述攪動包括彎折、推動或搖動所述壓電電源中的至少一種。
[0018]在目前描述的實施例的另一方面，顯示器的改變包括改變顯示元件的顏色。
[0019]在目前描述的實施例的另一方面，顯示器的改變包括改變傳感器器件上的時間軸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1 (a)和(b)顯示了根據(jù)目前描述的實施例的示例器件的代表性視圖；
[0021]圖2為示出了根據(jù)目前描述的實施例的方法的流程圖；且
[0022]圖3為根據(jù)目前描述的實施例的另一示例器件的代表性視圖。
【具體實施方式】
[0023]在一個形式中，目前描述的實施例涉及一種電子傳感器器件或卡，其由壓電源(如帶或箔)供電，并包括電子感測元件和顯示元件。在至少一些形式中，所述卡的元件印刷于所述器件或卡上。所述卡或器件可用于測試諸如氣體、液體、化學物質或生物物質等的物質的存在。例如，如關于圖1(a)在下文所述，所述器件可檢測氧氣、硫化氫或氯氣的存在。就此而言，在一個形式中，當所述器件暴露于物質時，電子感測元件(如晶體管)的電子狀態(tài)(例如電阻或電容)改變(例如影響連接的顯示元件的顏色)，以允許使用者目測檢測所述物質。
[0024]更特別參照圖1 (a)，示出了器件10。器件10包括基材15和顯示元件20、22和
24。所述基材可采取多種形式，包括由塑料或聚合物材料、紙、薄的柔性金屬或薄的柔性玻璃、陶瓷或其他基材材料形成的卡或卡尺寸的器件。顯示元件20、22和24經由感測元件(如電子或電阻元件40、42和44)而連接至電源30，如壓電電源。對于這些元件，它們的電子狀態(tài)(例如電阻或電容)的至少部分在與物質反應時改變。因此，這些元件充當傳感器，并在器件上限定傳感器區(qū)域。就此而言，在一個形式中，電子或電阻元件包括構造為化學場效應晶體管(chemFet)的薄膜晶體管(TFT) 50、52和54。每個顯示元件20、22和24連接至對應的電子或電阻元件40、42和44。ChemFet具有官能化的柵電極(或對化學反應敏感的柵區(qū)域)，且與化學物質的反應將改變柵電勢。如作為僅實例所示，晶體管50、52和54分別對氧氣、硫化氫和氯氣具有反應性；然而，可使用可選擇的元件和/或使用系統(tǒng)的適當改變而檢測多種化學物質。該反應轉而改變TFT的跨導，因此改變電源被激活時施加至對應的顯示元件的電壓。在一個形式中，如果所述改變使得TFT傳導性降低，則對應的顯示元件經歷更高的電壓。在這些形式中，顯示元件為電壓驅動的顯示元件。因此，顯示器的外觀改變。在至少一個形式中，顯示元件的顏色改變，以指示物質的檢測或感測。也可使用電流驅動的顯示元件，在此情況中，晶體管和顯示元件可串聯(lián)連接。
[0025]顯示元件20、22和24通過壓電元件30的充電而供電。顯示元件20、22和24可采取多種形式。然而，顯示元件的一些例子包括反射性和發(fā)射性顯示元件，如電泳顯示元件、電致變色顯示元件、MEMS (微機電系統(tǒng))顯示元件、Gyricon顯示元件、粉末顯示元件、液晶顯示元件、電潤濕顯示元件、電化學顯示元件、電致發(fā)光顯示元件、OLED (有機發(fā)光二極管)顯示元件和使用其他合適的顯示技術的顯示元件。
[0026]如上所述，電池源對于根據(jù)目前描述的實施例中的至少一些的器件通常過于復雜，因為傳感器的讀出僅花費短時間。因此，在至少一些形式中，應用諸如壓電電源30的電源。就此而言，可使用印刷或層合方法將聚合物壓電材料施用至基材，所述聚合物壓電材料如PVDF (聚偏氟乙烯)或PVDF-TrFE (聚偏氟乙烯-三氟乙烯)共聚物或其他已知的壓電聚合物材料。壓電材料可包括當被機械加壓時產生電荷的任何其他材料。例子為壓電復合材料、鐵電材料和無機壓電材料的轉移層。
[0027]就此而言，圖1(b)顯示了具有整流二極管32、儲存電容器34、穩(wěn)壓二極管36和壓電材料38的壓電電源30的一個例子。這些元件中的全部或子集可用于壓電供電電路中。同樣，所述元件中的全部或部分可使用已知印刷技術印刷。而且，可應用各種電路構造。
[0028]再次參照圖1(a)，電子或電阻元件40、42和44可采取多種不同的形式。在至少一個形式中，如上所述，這些元件包括也可采取多種形式的chemFET50、52和54。這種chemFet可基于多種平臺，包括有機半導體材料(例如P3HT (聚-3-己基噻吩)、PQT12(聚噻吩)或碳納米管)。也可應用無機半導體，如無定形硅或透明氧化物半導體器件。
[0029]所示的電子或電阻結構僅為例子。就此而言，電阻改變可通過其他裝置(如有機半導體的簡單降解)發(fā)生。半導體可為簡單電阻結構的部分，或者其可為TFT的部分。此夕卜，預期也可應用用于電流驅動的顯示元件的電路，其中化學反應改變電子元件的電阻，這轉而調整通向顯示元件的電流。此外，可使用電容部件(其中當與化學物質反應時電容改變)而非電阻部件。
[0030]傳感器器件或卡10可以以多種方式制得。然而，在至少一個形式中，如上所述，使用便宜的制造方法(如印刷)制造該器件。就此而言，可將電子電路以及其他部件印刷至基材上。在其中所得器件或卡將同樣為低成本和一次性的許多實施中，這是一個因素。此夕卜，應了解可將保護膜或片材(未顯示)施用至卡或器件，以保護或分離元件直至使用卡或器件之時。膜或片材可覆蓋卡或器件的全部或部分。
[0031 ] 在操作中，根據(jù)目前描述的實施例的卡或器件10可以以多種方式操縱。例如，圖2示出了根據(jù)目前描述的實施例的示例方法100。就此而言，如所述，傳感器卡或器件可帶有分開傳感器或傳感器區(qū)域(例如上述電子或電阻元件)與環(huán)境(例如空氣)的保護片材。如圖2所示，在測試開始時去除或剝離保護片材，以將傳感器或傳感器區(qū)域暴露于化學品(例如空氣中的氣體)(在102處)。如果存在氣體等，則其將與傳感器反應，并改變傳感器的電子性質電子狀態(tài)(例如電阻)(在104處)。在經過一定時間(測試時間)之后，通過攪動壓電帶讀出傳感器卡(在106處)。以此方式，可通過彎折、推動或搖動等使壓電帶偏移，這產生電荷。然后電荷通過電子或電阻元件轉移至顯示器。顯示元件隨后基于傳感器區(qū)域的狀態(tài)而提供顯示。
[0032]在另一實施例中，根據(jù)目前描述的實施例的傳感器器件或卡110也可用于測定產品暴露于化學品、氣體等的時間。就此而言，參照圖3，印刷卡或器件110的一個例子在時間軸112上顯示了卡暴露于化學品的時間長度。就此而言，所示的TFT可帶有具有不同(例如增加)厚度的保護涂層或擴散阻擋層，且化學品擴散通過保護涂層的時間確定TFT降解(Vt移動，遷移率改變)。在濕氣傳感器的例子中，保護涂層可在鈣(Ca)層的頂部上(類似于公知的Ca測試)，Ca層隨暴露時間的降解調整鈣層的電阻率。在此情況下，電阻元件無需為TFT，而是可僅為簡單的電阻元件。
[0033]在其他變體中，傳感器卡或器件可施用至(例如作為標簽)表面。在一個這種例子中，器件或卡施用至用于吸水的管。當水與圍繞管的標簽接觸時(例如通過附接標簽處的管中的多孔區(qū)域)，水中的成分與傳感器反應。
[0034]此外，盡管在一些應用中電池是不希望的，但可存在其中可使用電池而非壓電帶的本申請的實施?？墒褂瞄_關以施加用于讀出的功率。
[0035]此外，所述的卡或器件在化學/生物測試中使用。然而，可使用類似的概念來測試施加至卡表面的壓力(或其他性質)。
【權利要求】
1.一種傳感器器件，其包括: 基材； 在所述基材上的壓電電源； 連接至所述壓電電源的在所述基材上的多個感測元件，所述感測元件在檢測物質時能夠操作以改變電子狀態(tài)；以及 對應于在所述基材上的所述多個感測元件的在所述基材上的多個顯示元件，當所述壓電電源被激活時，所述顯示元件基于對應的感測元件的電子狀態(tài)而能夠操作以顯示。
2.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中所述感測元件為電阻元件，且所述電子狀態(tài)為電阻。
3.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中所述感測元件為電容元件，且所述電子狀態(tài)為電容。
4.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中所述感測元件包括薄膜晶體管。
5.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中所述感測元件包括化學場效應晶體管。
6.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中所述感測元件具有不同厚度的擴散阻擋層。
7.一種用于檢測物質的方法，所述方法包括: 從傳感器器件上去除保護片材； 將所述傳感器器件的傳感器區(qū)域暴露于所述物質，以引發(fā)所述傳感器區(qū)域中的感測元件與所述物質之間的反應，從而改變所述感測元件的狀態(tài)； 攪動所述傳感器器件上的壓電電源；以及 基于所述感測元件的狀態(tài)變化而改變所述器件上的顯示器，所述顯示器由所述壓電電源供電。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述攪動包括彎折、推動或搖動所述壓電電源中的至少一種。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述顯示器的改變包括改變顯示元件的顏色。
10.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述顯示器的改變包括改變所述傳感器器件上的時間軸。
【文檔編號】G01N27/04GK103884744SQ201310652278
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權日:2012年12月21日
【發(fā)明者】J·H·丹尼爾 申請人:帕洛阿爾托研究中心公司