WO2002046703A1

WO2002046703A1 - Vorrichtung zur feststellung und/oder weiterleitung zumindest eines umwelteinflusses, herstellungsverfahren und verwendung dazu

Info

Publication number: WO2002046703A1
Application number: PCT/DE2001/004370
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Clemens; Herbert Schewe
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2002-06-13
Also published as: DE10061299A1; EP1340046B1; EP1340046A1; US20040062294A1; JP2004514919A; US7534034B2

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

Beschreibung

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

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, Verwendungen sowie ein Herstellungsverfahren dazu.

Eine Photodiode, eine Lichtschranke, eine Solarzelle, ein Feuchtigkeits-, Druck- und/oder Temperatursensor ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, die zumindest ein empfangendes Element, das einen Umwelteinfluss aufnimmt und eine Auswerteschaltung, die ein Signal vom Empfängerelement übernimmt, auswertet, eventuell verstärkt und weiterleitet, umfasst.

Bekannt sind solche Vorrichtungen auf der Basis von herkömmlichen anorganischen Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumarsenid. Diese Vorrichtungen, wie z.B. Sensoren, werden in Herstellungsprozessen der konventionellen Halbleitertechnologie hergestellt. Sowohl die verwendeten Rohstoffe als auch die Prozessschritte führen dazu, dass die Vorrichtungen teuer sind und entsprechend nur sehr selektiv eingesetzt werden.

Da aber eine umfassende Sensorik für nahezu alle Bereiche der Industrie, der Energie, des Transports und des Lebens im allgemeinen Vorteile bringt, weil sie eine verbesserte Erfassung der momentan herrschenden Umstände und/oder eine verbesserte Energienutzung ermöglicht, besteht der Bedarf, billigere Vorrichtungen der genannten Art zu schaffen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung 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 Ansatzpunkte: Zum einen kann zumindest ein billigerer Rohstoff zur Herstellung verwendet werden und zum anderen kann das aufwendige Herstellungsverfahren der Halbleitertechnologie über Be- Schichtung, Strukturierung, Ätzung und Rückätzung etc. vereinfacht werden.

Beide Ansatzpunkte werden beim Gegenstand der Erfindung berücksichtigt, 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 Feststellung 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 empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet, umfasst. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest 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 Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses 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 Um- gebung bezeichnet. Beispiel dafür ist aus der Natur ein Sonnenstrahl, 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 leitend 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 Uru- welteinflusses bei der das Empfängerelement und ein Element der Auswerteschaltung integriert auf einem Substrat vorliegen. Dadurch entstehen sehr kompakte Vorrichtungen, die eine große Volumeneinsparung gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen der Silizium-dominierten Halbleitertechnologie zeigen. Dabei ist es möglich, dass die Si-Sensoren kleiner als die neuen Vorrichtungen sind, wichtiger ist an der Stelle vornehmlich 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 Temperatur-, Feuchtigkeits-, und/oder ein Drucksensor, eine Lichtschranke, ein optischer Sensor, eine Solarzelle und/oder etwas 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 gespeichert 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 Einsatzgebiete von Vorrichtungen zur Feststellung und/oder Weiterlei- tung zumindest eines Umwelteinflusses lassen sich durch die neue, vorwiegend auf organischen Materialien basierende Halbleitertechnologie, verwirklichen. Gleichzeitig ist die Auswahl an sensitiven chemischen Verbindungen, die im Empfängerelement eingesetzt werden können unbegrenzt und spezifisch auf das jeweilige Problem abstimmbar und/oder für die jeweilige 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 metallischen Leiter (z.B. Kupfer, Aluminium), die vorliegend nur im Rahmen von Elektroden und/oder Kontaktanschlüssen eingesetzt werden. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches 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, insbesondere 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 funktioneile Elemente auch aus Metall, Silizium oder anderem beschaffen sein können.

Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform, bei der zumindest ein organisches funktionelles Material wie z.B. der organische Leiter, der organische Isolator und/oder der organi- sehe Halbleiter in zumindest einem Empfängerelement und in zumindest einem Element der Auswerteschaltung der Vorrichtung gleich sind. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch besonders vorteilhafte Herstellungskosten aus, wenn ein organisches 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 Empfängerelements 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. Jedenfalls wird das Empfängerelement für diese Vorrichtung mit ei- ne organischen Leiter ausgestattet, in dem bei Änderung der Temperatur entweder durch Ladungstrennung Spannung oder Strom erzeugt wird oder eine sprunghafte Veränderung des Widerstands 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) ther- misch 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 organisches 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 Änderung des Löslichkeitsverhaltens vgl. PEDOT) . Hier kann es sich, je nach Material, wieder um eine reversible oder um eine irreversible Änderung des Widerstands handeln.

Für den Fall, dass der Druck gemessen werden soll sind organische piezoelektrische Kunststoffe bekannt, die eine Spannung erzeugen, wenn sie gedehnt oder gestaucht werden.

Für Lichtsensoren gibt es ebenfalls Beispiele, wo die organi- sehen funktionellen Materialien einer Diode so gewählt werden, dass sie unter Lichteinwirkung Spannung erzeugen und/oder ihre physikalischen Eigenschaften reversibel oder irreversibel ändern.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform verstärkt die Vorrichtung 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/ Einfüllen in Vertiefungen erzeugt. Dabei ist es besonders vor- teilhaft, dass strukturierte Schichten einfach durch Bedrucken/Rakeln erzeugbar sind und nicht, wie in der herkömmli- co cυ w M -> ι->

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Feststellung 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 empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet, umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest das Empfängerelement 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 einem Empfängerelement und in zumindest einem Element der Auswerteschaltung gleich ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Weiterleitung zumindest eines Umwelteinflusses, bei dem durch Beschichten mit organischem Material auf zumindest einem Substrat zumindest ein Empfängerelement, eine Auswerteschaltung und/oder eine dazugehörige Verschaltung aufge- baut wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Beschichtung zumindest 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 Industrie, der Überwachung/Sensorik, der Medizintechnik und/oder im Transport.

11. Temperatursensor, der im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und der zumindest ein Empfängerelement, das zumindest eine Temperaturänderung misst und/oder in ein elektrisches Signal wandelt und zumindest eine Auswerteschaltung, 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 empfangenes 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 zumindest 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 Material aufgebaut ist und der zumindest eine Schaltung, die ein empfangenes Signal/Information auswertet und ein druckvermittelndes Element entsprechend dem empfangenen Signal regelt, umfasst.

16. Sensor, der im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und der zumindest ein Empfängerelement, das zumindest die Konzentration und/oder den Aggregatszustand eines Stoffes in der Umgebung analysiert und/oder in ein elektrisches Signal wandelt und zumindest eine Auswerteschaltung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet, umfasst.

17. Sicherheitselement, das im wesentlichen aus organischem Material aufgebaut ist und das zumindest ein Empfängerelement, das zumindest die Konzentration und/oder den Aggregatszustand eines Stoffes in der Umgebung analysiert und/oder in ein elektrisches Signal wandelt, zumindest eine Auswerte- schaltung, die ein empfangenes Signal bearbeitet und weiterleitet und ein Steuer- und Regelsystem umfasst.