用于光和电容触控双模态交互的传感集成结构

1.本发明涉及的是一种传感设备领域的技术，具体是一种用于光和电容触控双模态交互的传感集成结构。


背景技术：

2.随着智能设备的快速发展，人机交互界面已经广泛拓展到电脑，手机，智能手表能等智能终端，在未来将依托物联网技术的发展无处不在，这需要交互界面具备超薄柔性等形态优势，可以覆盖到任意物体的表面实现自由便捷的交互。此外，从功能上，需要交互界面采用简易的集成结构和驱动系统，在实现多模态的人机交互功能的同时有效地控制集成成本。在现有的技术方案中，通常需要通过多个不同的传感器件系统集成并辅以较为复杂的电路和驱动系统来实现多模态的交互界面，工艺复杂且成本较高。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术仅能对特定光进行响应，而受到其表面膜层结构的屏蔽作用，对电容触控无响应而必须通过额外增设电容敏感部件以实现多模态传感，进而导致像素分辨率的急剧下降、工艺制程的复杂和器件结构的尺寸增加等不足，提出一种用于光和电容触控双模态交互的传感集成结构，将电容触控传感和光传感利用一个开关晶体管、一个传感晶体管和一个存储电容集成实现光和电容双模态传感交互功能，不仅提高了器件的集成度，提高了分辨率，而且具有更低的制作成本和驱动成本。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，由若干传感单元构成，每个传感单元包括一个用于寻址的开关晶体管、一个用于采集电容触控及光信号的传感晶体管和一个用于存储传感电荷的三个存储电容，其中：传感晶体管的源极和开关晶体管的漏极相连，开关晶体管的底栅极和漏极部分交叠形成第一存储电容、开关晶体管的漏极和传感晶体管的栅极部分交叠形成第二存储电容、传感晶体管的栅极和源极部分交叠形成第三存储电容，位于同一行的多个开关晶体管的顶栅极均与一条控制信号线电连接，位于同一行的多个开关晶体管的源极均与一条数据信号线电连接，位于同一列的传感光电晶体管的栅极和漏极分别与两条电压线电连接，每条数据信号线与电荷读出单元电连接。
6.本发明涉及一种制备上述传感阵列的方法，采用蒸镀或溅射的方式在衬底上分别制备开关晶体管、传感晶体管及电极，并使用蒸镀掩膜板或光刻工艺实现电极的图形化；通过溶液法涂布、原子层沉积或蒸镀工艺制备开关晶体管和传感晶体管的绝缘层，通过真空蒸镀工艺或溶液法制备开关晶体管和传感晶体管的半导体层。
7.本发明涉及一种基于上述传感阵列的光和电容触控双模态交互方法，通过两次触发开关晶体管后采集三个存储电容的电荷量和后计算两次采集电荷量的差值实现传感。技术效果
8.本发明采用低界面缺陷态密度的半导体和小栅电容制造底栅底接触型晶体管作
为传感晶体管，通过采用具有低界面缺陷态密度的半导体沟道层制备传感晶体管，并且器件采用底栅底接触型结构，使得器件采用较小的底栅电容仍能正常开启和工作，借助双栅电容耦合原理，表面膜层结构引入的顶栅电容与底栅电容相当或者更大，则实现对电容触控信号的响应灵敏度；同时低缺陷态密度也提高了对光信号的响应灵敏度。
9.相比现有技术，本发明能够具备光/电容双模态响应的同时，节省了器件开销数量，结合三维堆叠结构，极大地提高了像素分辨率。同时，叠层结构降低了部件同层制作的工艺复杂度，提高了良率并节省器件开销以及制造步骤。
附图说明
10.图1为本发明剖面图；
11.图2a至图2e为本发明工艺流程图；
12.图3为实施例电路原理图；
13.图4a和图4b为实施例电路工作时序图；
14.图5为实施例阵列结构示意图；
15.图6为实施例实验结果图。
具体实施方式
16.如图1和图3所示，为本实施例涉及一种用于光和电容触控双模态交互的传感集成结构，包括：衬底100以及由下而上依次设置于衬底100上的第一封装层300、第二绝缘层402和第三封装层600，其中：衬底100上设有用于有源寻址的若干个开关晶体管200、第二绝缘层402上设有用于将光信号转化为电信号的若干个光电晶体管400、衬底100和第三封装层600之间设有若干个存储电容500，第一封装层300覆盖位于衬底100上的开关晶体管200，第三封装层600覆盖位于第二绝缘层402上的光电晶体管400。
17.所述的存储电容500位于开关晶体管200一侧并位于光电晶体管400下方，从而提高单位面积电容的电荷存储能力并提升交互界面的阵列分辨率。
18.所述的衬底100为刚性衬底如硅衬底、玻璃衬底、碳化硅衬底，或者柔性衬底如pen衬底、pi衬底。
19.本实施例中衬底100采用柔性衬底，如pen衬底以满足不同交互界面的需求。
20.所述的开关晶体管200包括：依次设置于衬底100上的第一底栅极201、第一底绝缘层202、第一源极203以及第一漏极204、第一有源层205、第一顶绝缘层206和第一顶栅极207，其中：第一底栅极201和第一源极203通过设置于第一封装层300中的过孔901电连接。
21.如图3所示，位于同一行的各个开关晶体管200的第一顶栅极207之间均通过控制信号线701实现电连接，第一源极203之间均通过数据信号线702电连接。
22.所述的第一有源层205为无机半导体材料或有机半导体材料，如单晶硅半导体、多晶硅半导体、氧化锌半导体、氧化铟镓锌半导体、并五苯(pentancene)、6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)(tips-pentacene)、酞菁铜(cupc)、3-己基噻吩聚合物(p3ht)、[4,4,9,9-四(4-己基苯基)-s-苯并二茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩]-苯并噻二唑共聚物(c16-idtbt)。
[0023]
本实施例通过将开关晶体管的第一底栅极201与第一源极203短接，规避开关晶体管阈值电压随第一源极与第一漏极间电压变化漂移的问题。
[0024]
所述的光电晶体管400包括：依次设置于第一封装层300上的第二栅极401、第二绝缘层402、第二源极403及第二漏极404和第二有源层405，其中：第二源极403和开关晶体管200的第一漏极204通过在第一封装层300上过孔进行电连接，第二有源层405为光敏感材料制成，当有光照射时，第二有源层每吸收一个光子就会产生一个电子-空穴对，在横向电场的作用下，电子空穴对分离并在第一有源层内部漂移形成横向电流，从而将光信号转化为电信号进行识别成像。
[0025]
如图3所示，位于同一列的各个光电晶体管400的第二漏极404之间通过第一电压线704电连接，第二栅极401之间通过第二电压线703电连接。
[0026]
所述的光敏感材料为有机半导体材料并五苯(pentancene)、6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)(tips-pentacene)、酞菁铜(cupc)或3-己基噻吩聚合物(p3ht),[4,4,9,9-四(4-己基苯基)-s-苯并二茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩]-苯并噻二唑共聚物(c16-idtbt)。
[0027]
所述的存储电容500包括：垂直并连的第一电容510、第二电容520和第三电容530，其中：第一底栅极201、部分交叠的第一漏极204以及第一底绝缘层202构成第一电容510、第一漏极204、部分交叠的第二栅极401以及第一封装层300构成第二电容520、第二栅极401、部分交叠的第二源极403以及第二绝缘层形402构成第三电容530，当手指触控到传感集成结构表面时与第二源极403产生耦合电荷，该耦合电荷通过存储电容500存储并通过开关晶体管200读取，从而实现触控的识别。
[0028]
如图1和图3所示，所述的开关晶体管200中的第一漏极204和光电晶体管400中的第二源极403之间通过设置于第一绝缘层402和第一封装层300中的过孔903实现电连接。
[0029]
如图1和图3所示，所述的光电晶体管400的第二栅极401和第一存储电容510的的第一底栅极511之间通过设置于第一封装层300中的过孔904实现电连接。
[0030]
如图2a至图2e所示，所述的过孔可以采用激光刻蚀、干法刻蚀和/或湿法刻蚀实现，优选采用干法刻蚀形成过孔。
[0031]
所述的电连接通过向孔内填充高电导率的材料实现，如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯，金属如金、银、铜、镍、铝，金属氧化物如氧化铟锡中的一种或多种的组合；
[0032]
所述的第一封装层300和第二封装层600分别采用有机封装层如派瑞林(parylene)、cytop，无机封装层氮化硅(sin
x
)、二氧化硅(sio2)或有机/无机混合封装材料；
[0033]
所述的第一底绝缘层202、第一顶绝缘层206、第二绝缘层402分别采用无机绝缘层材料如氮化硅(sinx)、二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)，或有机介电层材料如派瑞林(parylene)、cytop、pvcn中的一种或多种。
[0034]
所述的第一底栅极201、第一源极203、第一漏极204、第一顶栅极207、第二栅极401、第二源极403、第二漏极404分别采用金属电极如金、银、铜、镍、铝，金属氧化物如氧化铟锡中的一种或多种的组合。
[0035]
本实施例涉及一种基于上述传感集成结构的光和电容触控双模态交互方法，包括：光传感模式下的初始阶段、暗态信号读取阶段、光信号感知阶段、光信号读取阶段和数据处理阶段以及电容触控传感模式下的初始阶段、静态信号读取阶段、触控信号感知阶段、触控信号读取阶段和数据处理阶段。
[0036]
所述的光传感模式中：
[0037]
①
初始阶段是指：开关晶体管200和传感晶体管400均处于关闭模式，传感晶体管
400处于暗态下，传感晶体管400的暗态电流使得存储电容500充电并积累少量初始电荷。
[0038]
②
暗态信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极207的电压，开关晶体管200处于打开模式，开关晶体管200的第一源极203和第一漏极204之间导通，存储电容500积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极203读取暗态信号对应的电荷量q0，然后关闭开关晶体管200。
[0039]
如图4a所示，为该模式下信号时序图。
[0040]
③
光信号感知阶段是指：当传感晶体管400接收外界光照后，第二有源层405内部产生光生载流子，传感晶体管400的第二源极403和第二漏极404之间的电流随光照时间延长持续增加，从而存储电容500充电积累的电荷量增加，超过暗态时的电荷量q0。
[0041]
④
光信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极207的电压，开关晶体管200处于打开模式，开关晶体管200的第一源极203和第一漏极204之间再次导通，存储电容500积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极203读取光信号对应的电荷量q1。
[0042]
如图4b所示，为该模式下信号时序图。
[0043]
⑤
将步骤
②
得到的暗态信号对应的电荷量q0和步骤
④
得到的光信号对应的电荷量q1经数据处理运算得到单个像素的灰度值信息，进而通过收集阵列中多个传感单元的信号，在用户端生成完整的光交互信息。
[0044]
所述的电容触控传感模式中：
[0045]
i初始阶段是指：开关晶体管200和传感晶体管400均处于关闭模式，传感晶体管未接受手指触碰，传感晶体管400的漏电流使得存储电容500充电并积累少量初始电荷。
[0046]
ii静态信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极207的电压，开关晶体管200处于打开模式，开关晶体管200的第一源极203和第一漏极204之间导通，存储电容500积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极203读取暗态信号对应的电荷量q0，然后关闭开关晶体管200。
[0047]
iii触控信号感知阶段是指：当手指触碰传感晶体管400后，电容耦合效应改变传感晶体管400的内部电场分布，从而改变第二有源层405内部的载流子浓度，传感晶体管400的第二源极403和第二漏极404之间的电流增加，从而存储电容500充电积累的电荷量增加，超过静态时的电荷量q0。
[0048]
iv触控信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极207的电压，开关晶体管200处于打开模式，开关晶体管200的第一源极203和第一漏极204之间再次导通，存储电容500积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极203读取光信号对应的电荷量q1。
[0049]
v将步骤ii得到的静态信号对应的电荷量q0和步骤iv得到的触控信号对应的电荷量q1传输给外部数据处理模块，经数据处理运算得到单个像素的触控信息，进而通过收集阵列中多个传感单元的信号，在用户端生成完整的触控交互信息。
[0050]
优选地，通过对光信号的光强及集成结构的保护层的厚度或介电常数进行调控，可以使得光信号或触控信号的相关数据间差超过一个数量级，通过对信号变化幅度的检测，可以实现对两种模式数据的区分。
[0051]
如图3所示，经过具体实际实验，将多个兼具光与电容传感功能的传感单元801构成传感阵列，阵列规模根据人机交互场景的分辨率需求进行改变。每个传感单元801至少包括一个开关晶体管200和一个传感晶体管400，位于同一行的多个开关晶体管200的第一顶
栅极均与一条控制信号线701电连接，位于同一行的多个开关晶体管200的第一源极均与一条数据信号线702电连接，位于同一列的传感光电晶体管400的第二栅极与一条第二电压线703电连接，第二漏极均与一条第一电压线704电连接，每条数据信号线与电荷读出单元电连接。
[0052]
在双模态交互感知过程中：在光传感模式下，初始阶段，控制信号线701向开关晶体管200提供关闭电平信号，控制开关晶体管200处于关态，第二电压线703向传感晶体管400提供关闭电平信号，控制传感晶体管400处于关态。由于传感晶体管400存在暗态电流，存储电容500开始充电积累少量的电荷，记为暗态电荷量q0；在暗态信号读取阶段，控制信号线701向开关晶体管200提供开启电平信号，控制开关晶体管200打开，存储电容500放电，第一电压线704为第二漏极提供偏置电压，数据信号线702通过第一源极203读出暗态电荷量q0，然后控制信号线701提供关闭电平信号，控制开关晶体管200关闭；在光信号感知阶段，第二电压线703向传感晶体管的第二栅极提供电压，控制传感晶体管400处于亚阈值区，传感晶体管400接收外界光照后电流增大，从而使得存储电容500充电积累的电荷量增加，记为光信号对应的电荷量q1；在光信号读取阶段，控制信号线701提供开启电平信号控制开关晶体管200打开，使得存储电容500放电，第一电压线704为第二漏极提供偏置电压，数据信号线702通过第一源极203读取电荷量q1。需要说明的是，传感晶体管400的光响应存在一定的迟滞效应，若要使交互界面的响应快速恢复初始状态，可控制第二电压线703向传感晶体管400提供复位电压。
[0053]
在电容触控传感模式下，初始阶段，控制信号线701向开关晶体管200提供关闭电平信号，控制开关晶体管200处于关态，第二电压线703向传感晶体管400提供关闭电平信号，控制传感晶体管400处于关态。由于传感晶体管400存在漏电流，存储电容500开始充电积累少量的电荷，记为静态电荷量q0；在静态信号读取阶段，控制信号线701向开关晶体管200提供开启电平信号，控制开关晶体管200打开，存储电容500放电，第一电压线704为第二漏极提供偏置电压，数据信号线702通过第一源极203读出暗态电荷量q0，然后控制信号线701提供关闭电平信号，控制开关晶体管200关闭；在触控信号感知阶段，第二电压线703向传感晶体管的第二栅极提供电压，控制传感晶体管400处于亚阈值区，传感晶体管400接受手指触碰后电流增大，从而使得存储电容500充电积累的电荷量增加，记为触控信号对应的电荷量q1；在触控信号读取阶段，控制信号线701提供开启电平信号控制开关晶体管200打开，使得存储电容500放电，第一电压线704为第二漏极提供偏置电压，数据信号线702通过第一源极203读取电荷量q1。
[0054]
如图6所示，经过具体实际实验，在手指触控且激光笔照射的具体环境设置下，基于上述传感集成结构和双模态交互方法，能够同时呈现电容触控和光交互的结果。
[0055]
与现有技术相比，本发明采用传感晶体管-开关晶晶体管-存储电容三维堆叠的传感像素单元结构，通过错位垂直结构和三维堆叠电容结构设计，有效微缩像素尺寸，提升单位面积的存储电容和像素开口率，有利于实现高分辨率阵列集成；同时，现有技术中，在同一传感单元内实现多模态交互感知功能需要将不同类型的传感器件进行集成，集成结构复杂，并需要不同的读出系统。本发明的传感像素单元设计中的传感晶体管同时具有光和电容触控感知功能，能够将双模态传感信号转化为器件沟道电流的变化，可由同一读出系统进行读取，有利于简化多模态交互感知的集成结构。
[0056]
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征在于，由若干传感单元构成，每个传感单元包括一个用于寻址的开关晶体管、一个用于采集电容触控及光信号的传感晶体管和一个用于存储传感电荷的三个存储电容，其中：传感晶体管的源极和开关晶体管的漏极相连，开关晶体管的底栅极和漏极部分交叠形成第一存储电容、开关晶体管的漏极和传感晶体管的栅极部分交叠形成第二存储电容、传感晶体管的栅极和源极部分交叠形成第三存储电容，位于同一行的多个开关晶体管的顶栅极均与一条控制信号线电连接，位于同一行的多个开关晶体管的源极均与一条数据信号线电连接，位于同一列的传感光电晶体管的栅极和漏极分别与两条电压线电连接，每条数据信号线与电荷读出单元电连接。2.根据权利要求1所述的用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征是，所述的传感单元包括：衬底以及由下而上依次设置于衬底上的第一封装层、第二绝缘层和第三封装层，其中：衬底上设有用于有源寻址的若干个开关晶体管、第二绝缘层上设有用于将光信号转化为电信号的若干个光电晶体管、衬底和第三封装层之间设有若干个所述存储电容，第一封装层覆盖位于衬底上的开关晶体管，第三封装层覆盖位于第二绝缘层上的光电晶体管。3.根据权利要求1或2所述的用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征是，所述的存储电容位于开关晶体管一侧并位于光电晶体管下方，从而提高单位面积电容的电荷存储能力并提升交互界面的阵列分辨率。4.根据权利要求1或2所述的用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征是，所述的开关晶体管包括：依次设置于衬底上的第一底栅极、第一底绝缘层、第一源极以及第一漏极、第一有源层、第一顶绝缘层和第一顶栅极，其中：第一底栅极和第一源极通过设置于第一封装层中的过孔电连接。5.根据权利要求4所述的用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征是，所述的光电晶体管包括：依次设置于第一封装层上的第二栅极、第二绝缘层、第二源极及第二漏极和第二有源层，其中：第二源极和开关晶体管的第一漏极通过在第一封装层上过孔进行电连接，第二有源层为光敏感材料制成，当有光照射时，第二有源层每吸收一个光子就会产生一个电子-空穴对，在横向电场的作用下，电子空穴对分离并在第一有源层内部漂移形成横向电流，从而将光信号转化为电信号进行识别成像。6.根据权利要求4所述的用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征是，所述的存储电容包括：垂直并连的第一电容、第二电容和第三电容，其中：第一底栅极、部分交叠的第一漏极以及第一底绝缘层构成第一电容、第一漏极、部分交叠的第二栅极以及第一封装层构成第二电容、第二栅极、部分交叠的第二源极以及第二绝缘层形构成第三电容，当手指触控到传感集成结构表面时与第二源极产生耦合电荷，该耦合电荷通过存储电容存储并通过开关晶体管读取，从而实现触控的识别。7.根据权利要求5或6所述的用于光和电容触控双模态交互的传感阵列，其特征是，所述的光电晶体管的第二栅极和第一存储电容的的第一底栅极之间通过设置于第一封装层中的过孔实现电连接。8.一种根据权利要求1-7中任一所述传感阵列的光和电容触控双模态交互方法，其特征在于，通过两次触发开关晶体管后采集三个存储电容的电荷量和后计算两次采集电荷量的差值实现传感。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，包括：光传感模式下的初始阶段、暗态信号读取阶段、光信号感知阶段、光信号读取阶段和数据处理阶段以及电容触控传感模式下的初始阶段、静态信号读取阶段、触控信号感知阶段、触控信号读取阶段和数据处理阶段；所述的光传感模式中：
①
初始阶段是指：开关晶体管和传感晶体管均处于关闭模式，传感晶体管处于暗态下，传感晶体管的暗态电流使得存储电容充电并积累少量初始电荷；
②
暗态信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极的电压，开关晶体管处于打开模式，开关晶体管的第一源极和第一漏极之间导通，存储电容积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极读取暗态信号对应的电荷量q0，然后关闭开关晶体管；
③
光信号感知阶段是指：当传感晶体管接收外界光照后，第二有源层内部产生光生载流子，传感晶体管的第二源极和第二漏极之间的电流随光照时间延长持续增加，从而存储电容充电积累的电荷量增加，超过暗态时的电荷量q0；
④
光信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极的电压，开关晶体管处于打开模式，开关晶体管的第一源极和第一漏极之间再次导通，存储电容积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极读取光信号对应的电荷量q1；
⑤
将步骤
②
得到的暗态信号对应的电荷量q0和步骤
④
得到的光信号对应的电荷量q1经数据处理运算得到单个像素的灰度值信息，进而通过收集阵列中多个传感单元的信号，在用户端生成完整的光交互信息；所述的电容触控传感模式中：i初始阶段是指：开关晶体管和传感晶体管均处于关闭模式，传感晶体管未接受手指触碰，传感晶体管的漏电流使得存储电容充电并积累少量初始电荷；ii静态信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极的电压，开关晶体管处于打开模式，开关晶体管的第一源极和第一漏极之间导通，存储电容积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极读取暗态信号对应的电荷量q0，然后关闭开关晶体管；iii触控信号感知阶段是指：当手指触碰传感晶体管后，电容耦合效应改变传感晶体管的内部电场分布，从而改变第二有源层内部的载流子浓度，传感晶体管的第二源极和第二漏极之间的电流增加，从而存储电容充电积累的电荷量增加，超过静态时的电荷量q0；iv触控信号读取阶段是指：通过控制第一顶栅极的电压，开关晶体管处于打开模式，开关晶体管的第一源极和第一漏极之间再次导通，存储电容积累的初始电荷经由导通路径放电，通过第一源极读取光信号对应的电荷量q1；v将步骤ii得到的静态信号对应的电荷量q0和步骤iv得到的触控信号对应的电荷量q1传输给外部数据处理模块，经数据处理运算得到单个像素的触控信息，进而通过收集阵列中多个传感单元的信号，在用户端生成完整的触控交互信息。10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征是，通过对光信号的光强及集成结构的保护层的厚度或介电常数进行调控，使得光信号或触控信号的相关数据间差超过一个数量级，通过对信号变化幅度的检测实现对两种模式数据的区分。

技术总结
一种用于光和电容触控双模态交互的传感集成结构，由若干传感单元构成，每个传感单元包括一个用于寻址的开关晶体管、一个用于采集电容触控及光信号的传感晶体管和一个用于存储传感电荷的三个存储电容，本发明将电容触控传感和光传感利用一个开关晶体管、一个传感晶体管和一个存储电容集成实现光和电容双模态传感交互功能，不仅提高了器件的集成度，提高了分辨率，而且具有更低的制作成本和驱动成本。本。本。


技术研发人员：黄沛锦 尹晓宽 杨伟弘 李骏 郭小军
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20