DE10061299A1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, Herstellungsverfahren und Verwendung dazu - Google Patents

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, Herstellungsverfahren und Verwendung dazu

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses sowie ein Herstellungsverfahren dazu. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Empfängerelement und eine Auswerteschaltung, die im Wesentlichen aus organischem Funktionsmaterial aufgebaut sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, Ver­ wendungen sowie ein Herstellungsverfahren dazu.
Eine Photodiode, eine Lichtschranke, eine Solarzelle, ein Feuchtigkeits-, Druck- und/oder Temperatursensor ist bei­ spielsweise eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Wei­ terleitung zumindest eines Umwelteinflusses, die zumindest ein empfangendes Element, das einen Umwelteinfluss aufnimmt und eine Auswerteschaltung, die ein Signal vom Empfängerele­ ment übernimmt, auswertet, eventuell verstärkt und weiterlei­ tet, umfasst.
Bekannt sind solche Vorrichtungen auf der Basis von herkömm­ lichen anorganischen Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumarsenid. Diese Vorrichtungen, wie z. B. Sensoren, wer­ den in Herstellungsprozessen der konventionellen Halbleiter­ technologie hergestellt. Sowohl die verwendeten Rohstoffe als auch die Prozessschritte führen dazu, dass die Vorrichtungen teuer sind und entsprechend nur sehr selektiv eingesetzt wer­ den.
Da aber eine umfassende Sensorik für nahezu alle Bereiche der Industrie, der Energie, des Transports und des Lebens im all­ gemeinen Vorteile bringt, weil sie eine verbesserte Erfassung der momentan herrschenden Umstände und/oder eine verbesserte Energienutzung ermöglicht, besteht der Bedarf, billigere Vor­ richtungen der genannten Art zu schaffen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vor­ richtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses zur Verfügung zu stellen, die von der Leistung her vergleichbar mit den herkömmlichen Vorrichtungen aus der Halbleitertechnologie und/oder im Vergleich zu diesen billiger ist.
Um diese Aufgabe zu lösen gibt es prinzipiell zwei Ansatz­ punkte: Zum einen kann zumindest ein billigerer Rohstoff zur Herstellung verwendet werden und zum anderen kann das aufwen­ dige Herstellungsverfahren der Halbleitertechnologie über Be­ schichtung, Strukturierung, Ätzung und Rückätzung etc. ver­ einfacht werden.
Beide Ansatzpunkte werden beim Gegenstand der Erfindung be­ rücksichtigt, der die neue organische Halbleitertechnologie (integrated plastic circuits (IPC) und/oder organic field ef­ fect transistors (OFET)) in diesem Gebiet einführt.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Feststel­ lung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, die im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und die zumindest ein Empfängerelement, das zumindest einen Umwelteinfluss aufnimmt und/oder in ein elektrisches Signal wandelt und zumindest eine Auswerteschaltung, die ein empfan­ genes Signal bearbeitet und weiterleitet, umfasst. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zu­ mindest eines Umwelteinflusses, bei dem durch Beschichten mit organischem Material auf zumindest einem Substrat zumindest ein Empfängerelement, eine Auswerteschaltung und/oder eine dazugehörige Verschaltung aufgebaut wird. Schließlich ist Ge­ genstand der Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelt­ einflusses in der Industrie, der Überwachung/Sensorik und/oder im Transport.
Als Umwelteinfluss wird hier jeder quantifizierbare und in einen Strom und/oder eine Spannung wandelbare Impuls der Umgebung bezeichnet. Beispiel dafür ist aus der Natur ein Son­ nenstrahl, eine Luftdruckveränderung oder im Industriellen Bereich ein Anstieg der Konzentration eines bestimmten Gases, eine Temperatur- und/oder eine Feuchtigkeitsveränderung. All diese Einflüsse können über entsprechend sensitive chemische Verbindungen (die im Empfängerelement vorliegen) dazu führen, dass ein leitender Stoff nicht oder wesentlich weniger lei­ tend wird und/oder dass in einem Stoff Spannung oder Strom erzeugt wird und/oder dass der elektrische Widerstand in ei­ nem Stoff verändert wird. Diese Auswirkungen sind messbar und über eine Auswerteschaltung in definierte Signale wandelbar oder zur Energiegewinnung speicherbar.
Auch ist ein Tast- bzw. Drucksensor denkbar, bei dem ein elektrisches Signal durch Druck, z. B. wie bei einer Tastatur, erzeugt wird.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform der Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Um­ welteinflusses bei der das Empfängerelement und ein Element der Auswerteschaltung integriert auf einem Substrat vorlie­ gen. Dadurch entstehen sehr kompakte Vorrichtungen, die eine große Volumeneinsparung gegenüber den herkömmlichen Vorrich­ tungen der Silizium-dominierten Halbleitertechnologie zeigen. Dabei ist es möglich, dass die Si-Sensoren kleiner als die neuen Vorrichtungen sind, wichtiger ist an der Stelle vor­ nehmlich die einfache Aufbringung z. B. auf flexible Substrate und/oder auf Substrate (Gehäuse, Verpackung) die sowieso schon da sind. Damit werden auch völlig neue Verwendungen der Vorrichtungen eröffnet, weil die Vorrichtungen gemäß dieser Ausführungsform dank ihrer Billigkeit als Einmal-Produkte einsetzbar sind und dank ihres geringen Volumens z. B. als Etiketten etc. brauchbar sind. Denkbar ist dadurch z. B. eine Arzneimittelverpackung, die über eine entsprechende Vorrich­ tung verfügend, Auskunft geben kann wie lange das Präparat bei welchen Temperaturen gelagert wurde.
Je nach Ausführungsform der Vorrichtung ist sie ein Tempera­ tur-, Feuchtigkeits-, und/oder ein Drucksensor, eine Licht­ schranke, ein optischer Sensor, eine Solarzelle und/oder et­ was Vergleichbares.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung parallel mehrere Umwelteinflüsse empfangen, bearbeiten und weiterleiten (senden). Dabei kann z. B. die Temperatur, der Druck und die Zusammensetzung eines Gas- und/oder Flüssig­ keitsgemisches erkannt, zusammen mit der Zeitdauer gespei­ chert und/oder an ein Regel- und Steuersystem weitergegeben werden. Es kann ein bestimmter Schwellenwert an Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Lichtstärke gemessen und dargestellt werden. Dieser Vorgang kann entweder reversibel sein und den aktuellen Wert erfassen oder irreversibel, beispielsweise zur Klärung ob ein Tiefkühlgut kurzfristig einmal aufgetaut ist oder ein Paket/Medikament einmal einer hohen Temperatur oder Feuchtigkeit ausgesetzt war. Alle bisher bekannten Einsatzge­ biete von Vorrichtungen zur Feststellung und/oder Weiterlei­ tung zumindest eines Umwelteinflusses lassen sich durch die neue, vorwiegend auf organischen Materialien basierende Halb­ leitertechnologie, verwirklichen. Gleichzeitig ist die Aus­ wahl an sensitiven chemischen Verbindungen, die im Empfänger­ element eingesetzt werden können unbegrenzt und spezifisch auf das jeweilige Problem abstimmbar und/oder für die jewei­ lige Aufgabenstellung entwickelbar.
Der Begriff "organisches Material/Funktionsmaterial" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder anorganischen Kunststoffen, die im Englischen z. B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metal­ lischen Leiter (z. B. Kupfer, Aluminium), die vorliegend nur im Rahmen von Elektroden und/oder Kontaktanschlüssen einge­ setzt werden. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf or­ ganisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbe­ sondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterlie­ gen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small mo­ lecules" möglich.
Mit dem Ausdruck "im wesentlichen aus organischem Material" wird angezeigt, dass durchaus funktionelle Elemente auch aus Metall, Silizium oder anderem beschaffen sein können.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform, bei der zumin­ dest ein organisches funktionelles Material wie z. B. der or­ ganische Leiter, der organische Isolator und/oder der organi­ sche Halbleiter in zumindest einem Empfängerelement und in zumindest einem Element der Auswerteschaltung der Vorrichtung gleich sind. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch beson­ ders vorteilhafte Herstellungskosten aus, wenn ein organi­ sches Material z. B. durch Drucken oder Rakeln an mehreren Stellen des Substrats in einem Arbeitsgang aufgebracht wird.
Für den Fall, dass als Umwelteinfluss die Temperaturänderung empfangen wird, kann z. B. die Leiterbahn des Empfängerele­ ments aus organischem Material wie Polyanilin und/oder einem organischen Leiter sein, der ab einer bestimmten Temperatur seinen Widerstand derart verändert, dass er ein Isolator oder nahezu ein Isolator wird. Dies kann ein reversibler oder ein irreversibler Prozess innerhalb des Materials sein. Jeden­ falls wird das Empfängerelement für diese Vorrichtung mit ei­ nem organischen Leiter ausgestattet, in dem bei Änderung der Temperatur entweder durch Ladungstrennung Spannung oder Strom erzeugt wird oder eine sprunghafte Veränderung des Wider­ stands eintritt. So wird das Empfängerelement nicht nur in die Lage versetzt den Umwelteinfluss "Temperaturänderung" aufzunehmen und zu messen, sondern auch ein Signal an die Auswerteschaltung weiterzugeben. Beispiele für ein solches Material sind PTC (positive temperature coefficient) thermisch sensitive Widerstände, die aus dotiertem polycrystalli­ nen keramischem Werkstoff auf der Basis von Barium Titanat herstellbar sind.
Für den Fall, dass die Zusammensetzung eines Gasgemisches wie z. B. die Luftfeuchtigkeit gemessen werden soll, kann ein or­ ganisches leitendes Material eingesetzt werden, bei dem je nach Konzentration des zu messenden Stoffes, z. B. Wasser in Luft, in der Leiterbahn ein Strom erzeugt wird oder eine Än­ derung des Widerstands erfolgt (beispielsweise über eine Än­ derung des Löslichkeitsverhaltens vgl. PEDOT). Hier kann es sich, je nach Material, wieder um eine reversible oder um ei­ ne irreversible Änderung des Widerstands handeln.
Für den Fall, dass der Druck gemessen werden soll sind orga­ nische piezoelektrische Kunststoffe bekannt, die eine Span­ nung erzeugen, wenn sie gedehnt oder gestaucht werden.
Für Lichtsensoren gibt es ebenfalls Beispiele, wo die organi­ schen funktionellen Materialien einer Diode so gewählt wer­ den, dass sie unter Lichteinwirkung Spannung erzeugen und/oder ihre physikalischen Eigenschaften reversibel oder irreversibel ändern.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform verstärkt die Vor­ richtung aufgenommene Umwelteinflüsse oder -signale und gibt sie entweder linear (analog) oder digital weiter.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest eine Schicht aus organischem Funktionsmaterial auf dem Substrat durch Bedrucken (z. B. Tampondruck, Offset-Druck) oder Rakeln, d. h. durch strukturiertes Aufbringen auf einer unteren Schicht oder dem Substrat oder durch Einrakeln/Ein­ füllen in Vertiefungen erzeugt. Dabei ist es besonders vor­ teilhaft, dass strukturierte Schichten einfach durch Bedru­ cken/Rakeln erzeugbar sind und nicht, wie in der herkömmlichen Halbleitertechnologie, durch Photomasken und Ätzschritte hergestellt werden müssen.
Die bevorzugte Verwendung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses ist in der Industrie, der Überwachung/Sensorik und/oder im Trans­ port. In der Medizintechnik sind sie als Einmal-Sensoren von Interesse.
Beispielsweise dient die Vorrichtung als Etikett oder Teil eines Etiketts um transparent zu machen, welchen Umweltein­ flüssen der etikettierte Gegenstand ausgesetzt war. Außerdem kann sie als RFID-Tag, als Briefmarke, auf einer Transport­ verpackung, in einem Pharmazieprodukt, einem Tiefkühlprodukt, an feuchteempfindlichen Teilen, als Teil einer Photozelle, und im Spielzeug sinnvoll angebracht sein. Nicht zuletzt kann die Vorrichtung als Temperatursensor (kann umgekehrt auch ei­ ne Miniheizung sein, die sich durch die Elektronik regeln lässt), als Drucksensor (kann umgekehrt auch Minilautsprecher sein), als Gassensor, und/oder als Sicherheitselement (War­ nung vor CO-Vergiftung) dienen.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand von 4 Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Fest­ stellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umweltein­ flusses 1. Zumindest ein Umwelteinfluss 4 bewirkt im Empfän­ gerelement oder Sensor 2 eine Änderung eines Widerstands und/oder eine Erzeugung von Spannung, die einen Stromfluss zu einem Element 3 der Auswerteschaltung entweder verändert und/oder initiiert. Das Element 3 der Auswerteschaltung ist an eine Versorgungsspannung 5 und eine Masse 6 angeschlossen. Die Auswerteschaltung verfügt über eine Auswerteelektronik auf der Basis von organischen Feld-Effekt-Transistoren, mit deren Hilfe das empfangene Signal entweder digital oder ana­ log zu Signalausgang 7 weitergeleitet wird.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelt­ einflusses 1. Zu erkennen ist ganz links auf dem Substrat o­ der Träger 9, der z. B. flexibel also eine Folie sein kann, die Verkapselung 8, die je nach Umwelteinfluss, verschieden, also z. B. transparent oder unter Aussparung des Empfängerele­ ments 2 (z. B. wenn der Druck oder die Gaszusammensetzung ge­ messen werden soll) aufgebracht sein kann. Unter der Verkap­ selung 8 befindet sich im gezeigten Fall das Empfängerelement 2, auf das durch die Verkapselung 8 hindurch der Umweltein­ fluss 4, z. B. Licht, Wärme und/oder Feuchtigkeit (je nach Art der Verkapselung. etc. einwirkt. Je nachdem, welcher Umwelt­ einfluss empfangen werden soll, ist die Verkapselung dafür durchlässig oder an der empfangenden Stelle offen.
Unter der Verkapselung 8 befindet sich auch das Element 3, das die organische Auswerteelektronik umfasst. Außerhalb der Verkapselung 8 sind das Ausgangssignal und/oder die An­ schlusskontakte 7. Je nach Sensortyp kann das eigentliche Sensorelement sich auch außerhalb einer Verkapselung befin­ den, z. B. Feuchtesensor.
Fig. 3 zeigt den einfachsten prinzipiellen Aufbau eines Emp­ fängerelements 2, das einen Umwelteinfluss, z. B. Licht emp­ fangen kann. Zu erkennen ist das Gerät zur Messung der Photo­ spannung oder des Photostromes 10, das über eine erste Zulei­ tung 11 mit einem ersten organischen Leitermaterial 12 ver­ bunden ist. Auf dieses erste organische Leitermaterial 12 trifft das Licht 4 auf und erzeugt z. B. durch Ladungstrennung in dem Material Strom oder Spannung. Dieser Strom geht durch das organische halbleitende Material 13 und fließt zum zwei­ ten Leitermaterial 14, das wiederum über die zweite Zuleitung 15 mit dem Gerät zur Messung der Photospannung oder des Pho­ tostroms verbunden ist.
In Fig. 4 ist ein prinzipieller Aufbau eines einfachen orga­ nischen Feld-Effekt-Transistors, wie er als Auswerteelektro­ nik eingesetzt werden kann, gezeigt. Auf einem Substrat 9 sind im Abstand voneinander zwei Elektroden, die Source 5 und die Drain Elektrode D aufgebracht, die durch eine Schicht mit halbleitendem organischem Material 13 verbunden sind. Die Drain Elektrode D ist an die Versorgungsspannung 5 und die Source Elektrode S an die Masse 6 angeschlossen. Die obere Gate Elektrode G ist an die Zuleitung vom Empfängerelement 2 angeschlossen. Sobald über das Empfängerelement 2 Strom zur Gate Elektrode G fließt, wird durch den entstehenden Feld- Effekt, der durch die Isolatorschicht 17 durch wirkt ein leitfähiger Kanal 16 in der halbleitenden Schicht zwischen der Source und der Drain Elektrode erzeugt.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumin­ dest eines Umwelteinflusses, die im wesentlichen aus organi­ schem Material aufgebaut ist und die zumindest ein Empfänger­ element, das zumindest einen Umwelteinfluss aufnimmt und/oder in ein elektrisches Signal wandelt und zumindest eine Auswer­ teschaltung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und wei­ terleitet, umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest das Empfän­ gerelement und die Auswerteschaltung auf einem Träger oder Substrat angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die mehrere Umwelteinflüsse parallel und/oder hintereinander empfängt, verarbeitet und weiterleitet.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die die empfangenen Umweltsignale digital oder analog weiterleitet.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Substrat eine flexible Folie ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest ein organisches Funktionsmaterial in zumindest ei­ nem Empfängerelement und in zumindest einem Element der Aus­ werteschaltung gleich ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Feststel­ lung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, bei dem durch Beschichten mit organischem Material auf zumin­ dest einem Substrat zumindest ein Empfängerelement, eine Aus­ werteschaltung und/oder eine dazugehörige Verschaltung aufge­ baut wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Beschichtung zumin­ dest teilweise durch Bedrucken und/oder Rakeln erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die Beschichtung in einem kontinuierlichen Prozess erfolgt.
10. Verwendung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses in der Indust­ rie, der Überwachung/Sensorik, der Medizintechnik und/oder im Transport.
11. Temperatursensor, der im wesentlichen aus organischem Ma­ terial aufgebaut ist und der zumindest ein Empfängerelement, das zumindest eine Temperaturänderung misst und/oder in ein elektrisches Signal wandelt und zumindest eine Auswerteschal­ tung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet, umfasst.
12. Heizung, die im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und die zumindest eine Schaltung, die ein emp­ fangenes Signal/Information auswertet und ein erwärmbares Element entsprechend dem empfangenen Signal regelt, umfasst.
13. Heizung nach Anspruch 12, bei der das erwärmbare Element ein reversibel erwärmbares Element ist.
14. Drucksensor, der im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und der zumindest ein Empfängerelement, das zu­ mindest eine Druckänderung misst und/oder in ein elektrisches Signal wandelt und zumindest eine Auswerteschaltung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet, umfasst.
15. Lautsprecher, der im wesentlichen aus organischem Materi­ al aufgebaut ist und der zumindest eine Schaltung, die ein empfangenes Signal/Information auswertet und ein druckvermit­ telndes Element entsprechend dem empfangenen Signal regelt, umfasst.
16. Sensor, der im wesentlichen aus organischem Material auf­ gebaut ist und der zumindest ein Empfängerelement, das zumin­ dest die Konzentration und/oder den Aggregatszustand eines Stoffes in der Umgebung analysiert und/oder in ein elektri­ sches Signal wandelt und zumindest eine Auswerteschaltung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet, um­ fasst.
17. Sicherheitselement, das im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und das zumindest ein Empfängerele­ ment, das zumindest die Konzentration und/oder den Aggregats­ zustand eines Stoffes in der Umgebung analysiert und/oder in ein elektrisches Signal wandelt, zumindest eine Auswerte­ schaltung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und weiter­ leitet und ein Steuer- und Regelsystem umfasst.
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