为了确保产品良率和产能,产品制造材料的表面形貌测试在制造业中显得尤为重要。
而由于无损检测具备动态探测、非破坏性等特点,其在大规模工业制造的材料测试中日益
成为一种发展趋势
[1-3]
,物体表面形貌的无损探测便是其中的一个研究热点。X 射线和超声
波探测利用材料对 X 射线以及超声波的吸收、反射和散射对材料结构进行检测,多用于金
属内部探伤。常规的物体表面形貌的检测手段例如光学显微镜,扫描电子显微镜(SEM)
[4-
5]
,原子力显微镜(AFM)
[6]
等虽然测试精度高,但是由于测试设备较大,不具有便携性,不
利于样品的原位测试。而机械探针式
[7-8]
测量装置由于需要探针接触被测物表面,利用探针
带动位移传感器感知表面的起伏,容易划伤物体表面。这些高精度测量技术多为实验级,
设备大多笨重,不便于携带和日常生活中的应用。因此急需开发一种小型设备化和可便携
的工业级表面形貌探测技术。基于这种需求,本文提出了一种基于大面积 TFT 阵列和
PVDF 薄膜的表面形貌探测技术。
TFT 是一类场效应晶体管,采用薄膜制备技术并结合半导体制备工艺实现了晶体管薄
膜化和大面积化。TFT 因其薄膜化和有源性的特点,成为了如今 TFT-LCD
[9]
及 TFT-
OLED
[10]
的核心组成器件,现已广泛应用于大尺寸液晶显示、便携式移动终端屏幕显示
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等,但是鲜有将 TFT 薄膜晶体管应用于传感器等的报道。本文提出的基于 PVDF 和 TFT
阵列的传感器利用了 TFT 有源的特点,将 PVDF 进行像素化进而提高传感器分辨率,利用
物体接触导致物体与薄膜整体电容改变的原理来实现物体表面形貌的探测。相比于光学显
微镜等表面形貌探测技术,该技术更有利于实现器件小型化和便携化,具有较好的应用前
景。
1. 传感器结构设计
本文采用的基于大面积 TFT 和 PVDF 薄膜的表面形貌探测技术的器件结构图如图 1
所示。该器件的底部为半导体工艺制备的有源薄膜晶体管阵列以及柔性电路板 FPC 绑定区
域,是传感器的核心部分,薄膜晶体管阵列上方有阵列化的氧化铟锡(ITO)电极,用于对不
同像素点(Pixel)的电学信号进行单独采集。涂布在 TFT 基板上表面的 PVDF 薄膜为一层介
电薄膜,作为物体表面形貌探测的传感面。绑定区域通过 FPC 与计算机或移动终端相连
接,用于数据采集及分析处理。
图 1 器件结构图