由有机材料组成的用于检测电磁辐射的装置的制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测电磁辐射、特别是光的装置和方法。

背景技术：

已经提供了基于有机导体和半导体材料形成用于检测电磁辐射特别是光的装置，包括晶体管、发光二极管和光电检测器类型的电子部件。这种材料具有比常规技术工艺中使用的无机导体和半导体材料(例如硅)更容易沉积和更耐受的优点。

有机材料的使用有利地使能在任何类型的支撑件上、并且特别是在诸如塑料、纸、纸板或织物的柔性支撑件上、在大尺寸的支撑件(例如招牌)上或在诸如方便良好包装的一次性支撑件上形成检测装置。

专利申请WO 2013/045779描述了一种包括显示屏和致动构件检测装置的用户接口系统的示例，该致动构件检测装置包括由有机材料制成的光电二极管阵列。每个光电二极管与晶体管相关联。该晶体管使能在检测装置的控制期间选择光电二极管。

图1是光检测装置10的示例的部分简化的俯视图，光检测装置10包括分布在三行14和三列15中的光电二极管12的阵列。选择元件16与每个光电二极管12相关联。每个光电二极管12可以由有机导体和半导体材料制成。选择元件16可以对应于有机薄膜晶体管(OTFT)。晶体管16的源极和漏极当中的一个端子被连接到光电二极管12的电极，并且源极和漏极当中的另一个端子被连接到导电轨道18。导电轨道18可以被连接到同一行14的所有选择元件16。轨道18可以由例如金属的不透明材料制成。每个晶体管16的栅极可以由通过沿着垂直于行14的方向延伸的透明导体材料的轨道20发送的信号来控制。轨道20可以被连接到同一列15的所有晶体管12。在图1中，每个晶体管16被示出为与相关联的光电二极管12相邻。作为变化，每个晶体管16可以在相关联的光电二极管12上方形成。

在操作中旨在暴露于要被检测的电磁辐射的光电检测器的表面被称为检测器的有用表面积。装置10的缺点在于晶体管16的存在导致光电二极管12的有用表面积减小。另一个缺点在于制造检测装置的方法包括大量步骤，特别是光电二极管制造步骤和晶体管制造步骤。

技术实现要素：

实施例的目的是克服先前描述的电磁辐射检测装置的全部或部分缺点。

实施例的另一个目的是增加旨在接收电磁辐射的检测装置的有用表面积。

实施例的另一个目的是减少检测装置制造方法的步骤数量。

因此，实施例设置了一种电磁辐射检测装置，包括至少一行光敏电阻器，每个光敏电阻器包括包含了有机半导体材料的有源部分。

根据实施例，检测装置包括以行和以列分布的光敏电阻器的阵列。

根据实施例，每个有源部分被连接到第一导电电极并且被连接到第二导电电极。

根据实施例，第一导电电极的功函数在5％的误差内等于第二导电电极的功函数。

根据实施例，检测装置包括单片层，该单片层包含有源部分并在对应于第一电极的第一导电轨道与对应于第二电极的第二导电轨道之间延伸。

根据实施例，检测装置还包括显示像素。

根据实施例，检测装置还包括电磁辐射发射器。

根据实施例，检测装置还包括波导。

根据实施例，波导包括旨在与至少一个物体接触的至少一个表面，光敏电阻器沿着所述表面的边缘分布。

实施例还设置了一种检测系统，包括先前定义的检测装置、用于选择光敏电阻器之一的电路、以及用于测量流经所选光敏电阻器的电流或表示跨所选光敏电阻器两端的电压的电压的电路。

实施例还提供了一种控制先前定义的电磁辐射检测装置的方法，包括从所述至少一行中选择光敏电阻器并且确定表示光敏电阻器的电阻的信号。

根据实施例，检测装置包括以行和以列分布的光敏电阻器的阵列、第一导电轨道和第二导电轨道，每个第一导电轨道被连接到同一行的光敏电阻器，并且每个第二导电轨道被连接到同一列的光敏电阻器。选择步骤包括以下步骤：

将连接到要被选择的光敏电阻器的第一导电轨道连接到第一电位的源极；

将其他第一导电轨道连接到不同于所述第一电位的第二电位的源极；

将连接到要被选择的光敏电阻器的第二导电轨道连接到第二电位的源极；并且

将其他第二导电轨道连接到所述第一电位的源极。

附图说明

前述和其他特征和优点将在以下结合附图的具体实施例的非限制性描述中详细讨论，其中：

图1为先前描述的，是包括光电二极管阵列的辐射检测装置的示例的部分简化的俯视图；

图2是辐射检测装置的实施例的部分简化俯视图；

图3是图2沿着线III-III的部分简化横截面视图；

图4A至图4C是以制造图2的辐射检测装置的方法的实施例的连续步骤而获得的结构的部分简化横截面视图；

图5是辐射检测装置的另一实施例的横截面视图；

图6是包括图2中示出的检测装置的光检测系统的实施例的电气图；

图7和图8是检测装置的其他实施例的横截面视图；并且

图9是检测装置的另一实施例的部分简化立体图。

具体实施方式

为了清楚起见，在各个附图中相同的元件使用相同的附图标记来指定，并且此外，各种附图不是按比例的。此外，仅示出并且将描述对于理解描述的实施例有用的那些元件。特别地，用于处理由下文描述的检测装置供应的信号的装置在本领域技术人员的能力范围内并且不进行描述。在以下描述中，除非另有说明，否则术语“基本上”、“约”和“大约”是指“在10％以内”。

实施例设置了一种用于检测电磁辐射、特别是在400nm和1000nm之间的波长范围内的电磁辐射的装置，包括由有机材料制成的光电检测器的阵列，其中每个光电检测器包括光敏电阻器。该阵列包括至少一行的多个光敏电阻器。每个光敏电阻器包括夹在两个导电电极之间的包括一种或多种有机半导体材料的有源部分。检测装置不包括用于每个光电检测器的一个选择晶体管。相对于包括有机光电二极管和选择晶体管的阵列的检测装置的情况，可以增加每个光电检测器的有用表面积。特别地，光电检测器可以是连续的，并且光电检测器的有用表面积可以在整个检测装置上延伸。此外，检测装置的结构比包括有机光电二极管阵列的检测装置的结构更简单，每个光电二极管与选择晶体管相关联。简化了检测装置制造方法。实际上，它仅包括制造光敏电阻器阵列的步骤。

图2和图3示出了用于检测电磁辐射特别是光的装置30的实施例。

装置30在图3中从下至上依次包括：

支撑件32，其包括两个相对表面34、36；

第一电极38，其对应于例如基本上平行于第一方向的跨衬底32的表面34延伸的导电轨道38；

有源层40，其覆盖导电轨道38以及导电轨道38之间的衬底32的暴露部分；

第二电极42，其对应于例如基本上平行于相对于第一方向倾斜(优选地基本上垂直于第一方向)的第二方向的在有源层40上延伸的导电轨道42；以及

保护层44，其覆盖导电轨道42以及导电轨道42之间的层40的暴露部分。

支撑件32可以由介电材料制成。支撑件32是例如特别地由玻璃制成的刚性支撑件或例如由聚合物或金属材料制成的柔性支撑件。聚合物的示例是聚乙烯萘(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、卡普顿(kapton)和聚醚醚酮(PEEK)。支撑件32的厚度例如处于从20μm至1cm的范围内，例如约125μm。支撑件32可以由透明或半透明材料制成，例如由玻璃或塑料制成，特别是在装置30旨在在表面36的侧面上接收光照的情况下。

导电轨道38或42可以由导电及透明材料制成，例如由透明导电氧化物或TCO、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属、或这些化合物中的至少两种的混合物或合金制成。导电轨道38或42可以具有多层结构。

能够形成导电轨道38或42的TCO的示例是氧化铟锡(ITO)、氧化铝锌(AZO)和氧化镓锌(GZO)。能够形成导电轨道38或42的导电聚合物的示例是被称为PEDOT:PSS的聚合物(其是聚(3,4)-亚乙基二氧噻吩和聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物)以及聚苯胺(也称为PAni)。能够形成导电轨道38或42的金属的示例是银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)和铬(Cr)。能够形成电极的多层结构的示例是AZO/Ag/AZO型的多层AZO和银结构。

导电轨道38或42的厚度E可以处于从10nm至5μm的范围内，例如大约30nm。这些层可以通过真空沉积方法特别是通过蒸发或溅射、通过液体沉积方法特别是溶胶-凝胶方法、使用分散体或纳米颗粒的方法、或通过任何其他类型的沉积方法来沉积。在导电轨道38和/或导电轨道42是金属的并且应当是至少部分透明的情况下，导电轨道38和/或42的厚度小于或等于20nm，优选地小于或等于10nm。根据实施例，每个轨道38或42的宽度W可以处于从5μm到150μm的范围内，优选地从7μm到100μm，例如约20μm。两个相邻轨道38之间或两个相邻轨道42之间的间隔D可以处于从15μm到100μm的范围内，优选地从20μm到50μm，例如约25μm。

根据实施例，导电轨道38的材料的功函数在5％误差内等于导电轨道42的材料的功函数。优选地，导电轨道38、42由同一材料或相同多个材料制成。

有源层40的电阻率可以局部变化。其局部地取决于在400nm和1000nm之间、优选地在480nm和680nm之间的波长范围中由有源层40接收到的电磁辐射的强度。

有源层40可以包括小分子、低聚物或聚合物。这些可以是有机或无机材料。有源层40可以包括双极半导体材料或N型半导体材料和P型半导体材料的混合物，例如以纳米级的堆叠层或紧密混合物的形式，以形成体异质结。有源层40的厚度可以处于从50nm至500nm的范围内，例如大约200nm。

能够形成有源层40的P型半导体聚合物的示例是聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚[N-9'-十七烷基-2,7-咔唑-交替-5,5-(4,7-二-2-噻吩基-2',1',3'-苯并噻二唑](PCDTBT)、聚[(4,8-双-(2-乙基己氧基)-苯并[1,2-b；4,5-b']二噻吩)-2,6-二基-交替-(4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩))-2,6-二基]；4,5-b']二噻吩)-2,6-二基-交替-(5,5'-双(2-噻吩基)-4,4,-二壬基-2,2'-二噻唑)-5',5”-二基](PBDTTT-C)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基-亚乙烯基](MEH-PPV)或聚[2,6-(4,4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-交替-4,7(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)。

能够形成活性层40的N型半导体材料的示例是富勒烯，特别是C60、[6,6]-苯基-C61-甲基丁酸酯([60]PCBM)、[6,6]-苯基-C71-甲基丁酸酯([70]PCBM)、苝二酰亚胺、氧化锌(ZnO)或使能形成量子点的纳米晶体。

保护层44可以由介电材料制成，例如树脂。保护层44可以具有从1μm至100μm的范围内的厚度，例如约50μm。在支撑件32由透明材料制成的情况下，保护层44可以与支撑件32相同。保护层44可以具有单层结构或多层结构。

在装置30旨在在表面36的一侧上接收光照的情况下，支撑件32和导电轨道38由至少部分透明的材料制成。在装置30旨在在保护层44的一侧上接收光照的情况下，保护层44和导电轨道42由至少部分透明的材料制成。在装置30旨在无差别地在表面36的一侧上或在保护层44的一侧上接收光照的情况下，支撑件32、导电轨道38和42以及保护层44由至少部分透明的材料制成。

检测装置30包括光敏电阻器45的阵列。与导电轨道38和导电轨道42相关联的每个光敏电阻器45对应于当在导电轨道38和导电轨道42之间施加电压时将传导电流的有源层40的一部分。该部分在导电轨道38和导电轨道42重叠的位置处在导电轨道38和导电轨道42之间延伸，并且可以在导电轨道38、42的任一侧上横向延伸。

图4A至图4D示出了制造装置30的方法的实施例，包括以下步骤：

-在支撑件32上形成导电轨道38。根据使用的材料，形成导电轨道38的方法可以对应于所谓的添加法，例如通过在所期位置处形成导电轨道38的材料的直接沉积。该材料特别是根据溶胶-凝胶法而获得。沉积可以通过喷墨印刷、照相凹版印刷、丝网印刷、柔性版印刷、喷涂或滴铸来进行。形成导电轨道38的方法可以对应于所谓的脱除过程，其中形成导电轨道38的材料的层46被沉积在整个结构上(图4A)，并且其中未被使用的部分然后例如通过光刻或激光烧蚀而被去除(图4B)。根据考虑的材料，可以例如通过液体沉积、通过阴极溅射或通过蒸发来执行在整个结构上的沉积。可以特别地使用诸如旋涂、喷涂、照相制版法、槽模涂布、刮刀涂布、柔性版印刷或丝网印刷的方法。当导电轨道38是金属时，例如通过蒸发或通过阴极溅射在整个支撑件32上来沉积金属，并且通过蚀刻来对导电轨道38进行划界。

-形成有源层40(图4C)。根据使用的材料、根据先前针对形成导电轨道38描述的全部或部分方法而形成有源层40；

-在另一个附加支撑件44上形成导电轨道42，类似于在支撑件32上形成导电轨道38；并且

-例如通过使用导电粘接材料将导电轨道42/支撑件44组件附接到有源层44(图4D)。

根据制造检测装置30的方法的另一实施例，在形成有源层40的步骤之后，该方法包括以下步骤：

-在有源层40上形成导电轨道42；并且

-在导电轨道42上并且在导电轨道42之间的有源层40的部分上形成保护层44。

有利地，检测装置30可以通过印刷技术而形成。先前描述的层38、40、42的材料可以以液体形式沉积，例如，借由喷墨打印机以导体和半导体油墨的形式沉积。“以液体形式的材料”在这里也指能够通过印刷技术而沉积的凝胶材料。可以在不同层的沉积之间提供退火步骤，但是退火温度可以不超过150℃，并且沉积和可能的退火可以在大气压下进行。

图5示出了包括与检测装置30相同的元件的检测装置47的另一实施例，其中不同之处在于每个光敏电阻器45对应于不同的有源部分。有源部分45通过绝缘部分48而彼此分离。

图6示出了包括检测装置30的用于检测电磁辐射特别是光的系统50的实施例。检测装置30已示意性地被示出为光电检测器45的阵列。作为示例，示出了以两行和两列分布的四个光敏电阻器。每个光敏电阻器45被连接到导电轨道38之一并且被连接到导电轨道42之一。在图6中，示意性地示出了行方向上的两个导电轨道38和列方向上的两个导电轨道42。

每个导电轨道38经由开关54被连接到低参考电位的源极，例如接地GND。开关54由行选择单元56来控制。作为示例，每个开关54对应于例如具有N沟道的金属氧化物栅极场效应晶体管或MOS晶体管，其漏极被连接到导电轨道38，其源极被连接到接地GND，并且其栅极由单元56来控制。每个导电轨道38经由开关58被连接到高参考电位VDD的源极。开关58由行选择单元56来控制。作为示例，每个开关58对应于例如具有P沟道的MOS晶体管，其漏极被连接到导电轨道38，其源极被连接到电位源VDD，并且其栅极由单元56来控制。

每个导电轨道42经由开关60被连接到电位源VDD。开关60由列选择单元62来控制。作为示例，每个开关60对应于例如具有P沟道的MOS晶体管，其漏极被连接到导电轨道42，其源极被连接到电位源VDD，并且其栅极由单元62来控制。每个导电轨道42通过开关66被连接到接地GND。当每个导电轨道42被连接到接地GND时，电流测量电路64能够测量通经每个导电轨道42的电流。开关66由列选择单元62来控制。作为示例，每个开关66对应于例如具有N沟道的MOS晶体管，其漏极被连接到导电轨道42，其源极被连接到测量电路64，并且其栅极由单元62来控制。

检测系统50的实施例的操作包括选择光敏电阻器45。这可以如下被执行：

针对所选光敏电阻器45的行，通过相关联的开关58的接通、相关联的开关54保持断开，导电轨道38被连接到电位源VDD；

针对其他行，通过相关联的开关54的接通、相关联的开关58保持断开，将导电轨道38设置为接地GND；

针对所选光敏电阻器45的列，通过相关联的开关66的接通、相关联的开关60保持断开，导电轨道42被连接到测量电路64；并且

针对其他列，通过开关60的接通、开关66保持断开，将导电轨道42连接到电位源VDD。

针对所选光敏电阻器45，电流流经光敏电阻器45，其振幅根据光敏电阻器45的电阻而变化，并且因此根据由光敏电阻器45接收到的光照而变化。针对与所选光敏电阻器45同一行的其他光敏电阻器45，光敏电阻器的两个端子被连接到电位源VDD，使得没有电流流经光敏电阻器45。针对与所选光敏电阻器同一列的其他光敏电阻器，光敏电阻器的两个端子被连接到接地GND，使得没有电流流经光敏电阻器45。测量电路64能够测量流经所选光敏电阻器45的电流。所选光敏电阻器45的电阻可以从流经光敏电阻器45的电流的确定和跨所选光敏电阻器45两端的电压的了解来确定。

根据另一实施例，光检测系统可以包括在所选光敏电阻器中的恒定电流的流动和表示跨所选光敏电阻器两端的电压的电压测量。测量出的电压取决于光敏电阻器的电阻，并且因此取决于由光敏电阻器接收到的光照。

检测装置30可以被用作用户接口装置，其能够检测致动构件在光敏电阻器阵列上的阴影的变化和/或致动构件的例如红外线中的反射图像的变化并且从中推导出表示所述致动构件的位置变化的信息。致动构件可以是用户的手指、手或任何其他物体。

应当注意的是，致动构件的位置在这里是指相对于接口装置的位置。可以特别地提供使用模式，其中用户接口装置本身被移位，致动构件保持固定。

根据实施例，当致动构件被布置在光源和阵列之间时，接口装置能够检测致动构件在光敏电阻器阵列上的阴影的变化。光源优选地是环境光，例如太阳，或者建筑物中的房间的室内电气照明。根据实施例，致动构件可以与接口装置接触。根据实施例，致动构件可以与接口装置相距一定距离，并且用户接口装置可以能够检测致动构件在平行于光敏电阻器阵列的平面的平面中的位移、以及致动构件和光敏电阻器阵列之间的距离的变化。

图7是示出了用户接口装置70的另一实施例的横截面视图，该用户接口装置70包括光敏电阻器阵列45，特别是诸如先前描述的检测装置47的与显示屏相关联的光敏电阻器阵列。这特别地使能形成交互式界面。装置70包括光显示(或背光)像素74的阵列。在该示例中，像素74(例如发光二极管)被布置在与光敏电阻器阵列45平行的平面中，并且在光敏电阻器阵列和保护涂层76之间。光敏电阻器阵列45和像素阵列74以细微的偏移量堆叠，使得在俯视图中，像素74不面对光敏电阻器45，其会掩蔽光敏电阻器45并且会防止致动构件的投影的检测。

在替代实施例中，光敏电阻器阵列45被放置在显示像素阵列74和保护涂层76之间。在这种情况下，可以设置为没有偏移地堆叠光敏电阻器45和像素76，假定光敏电阻器45由透明或半透明材料制成。

在另一替代实施例中，检测和显示阵列不堆叠，而是在导电和半导体阵列的堆叠(像素74和光敏电阻器45的交替)的同一级中制成。

应当注意的是，与接口装置70相关联的显示屏不一定是发光二极管显示器，而是还可以使用任何其他适合的技术形成。

此外，在另一个替代实施例中，显示屏不被堆叠到用户接口装置，而是偏移。

图8是示出了接口装置80的另一替代实施例的横截面视图，除了光敏电阻器45之外，接口装置80还包括红外发射器阵列82。然后，每个光敏电阻器45具有其取决于接收到的红外辐射的电阻。在操作中，每个发射器82永久地发射红外辐射。当致动构件越过发射器82时，发射出的辐射的一部分被朝向相邻的光敏电阻器反射，这使能从其推导出相对于在接口上方的物体的存在的信息。因此，与光敏电阻器45组合的红外检测器82使能装置80实施与单独用作阴影检测器的光敏电阻器45相同的致动构件的位置变化的检测功能。

红外检测优于阴影检测的优点在于其操作独立于环境照明并且因此更加鲁棒。特别地，在没有外部光源的情况下，红外检测可以在黑暗中操作。可以设置为在低消耗操作模式(基于当环境照明允许时由光敏电阻器45进行的致动构件的投影的检测)与红外操作模式(当照明条件不允许投影检测时)之间交替。例如，可以设置黑暗传感器以当环境亮度变得太低而不允许投影检测时自动从低消耗模式切换到红外模式。

图9示出了检测装置90的另一实施例，其中检测装置90包括波导92，波导92包括两个相对的表面94、96和边缘98。沿着波导92的边缘98之一，检测装置90包括光敏电阻器45、特别是诸如先前描述的检测装置47的光敏电阻器，以及光发射器100。作为示例，在图9中，示出了单行光敏电阻器45。

由发射器100发射的光通过在表面94、96和边缘98上反射而在波导92中被引导，并且该光的至少一部分返回到光敏电阻器45。当物体被放置在波导92的表面94、96之一上时，其干扰光的路径，使得由光敏电阻器接收到的光强度减小。检测装置90可以被用于检测表面94、96之一上的一个或多个物体的存在或不存在，或存在于表面94、96之一上的物体的尺寸。

根据应用的示例，检测装置90可以被布置在车间或仓库货摊中，其中物品被放置在波导92的表面94或96之一上。检测装置90可以被用于检测货摊填充率。实际上，由光敏电阻器45接收到的光强度取决于波导92上存在的物品的数量。此外，通过校准，可以区分物品没有正确地被放置在波导92上但落在波导92上的情况。

根据应用的另一个示例，检测装置90可以形成盒(例如培养皿)的底部，所述盒的底部具有在其中生长的微生物、细菌或高等生物的细胞，其沿着它们的生长形成覆盖波导92的斑点并且改变由光敏电阻器45接收到的光强度。然后，检测装置90使能测量生长的生物体的生长。

包括根据先前描述的实施例的光敏电阻器的检测装置具有比包括光电二极管的检测装置更简单的结构。实际上，在包括由有机材料制成的光电二极管阵列的光电检测装置的情况下，每个光电二极管包括有源层、在有源层和第一电极之间插入的第一接口层以及在有源层和第二电极之间插入的第二接口层。第一接口层使能第一电极的功函数与在有源层中使用的受体材料的电子亲和能对准。第二接口层使能第二电极的功函数与在有源层中使用的施体材料的电离电位对准。根据二极管偏置模式，接口层便于对来自有源层中的电极的电荷的收集、注入或阻挡。有利地，包括根据先前描述的实施例的光敏电阻器的检测装置不包括这样的接口层。