基于大面積TFT 和PVDF 薄膜的表面形貌無損探測技術

尚 飛，胡瀟然，張 千，劉 帥，向 勇

(電子科技大學材料與能源學院 成都 611731)

為了確保產品良率和產能，產品制造材料的表面形貌測試在制造業中顯得尤為重要。而由于無損檢測具備動態探測、非破壞性等特點，其在大規模工業制造的材料測試中日益成為一種發展趨勢[1-3]，物體表面形貌的無損探測便是其中的一個研究熱點。X 射線和超聲波探測利用材料對X 射線以及超聲波的吸收、反射和散射對材料結構進行檢測，多用于金屬內部探傷。常規的物體表面形貌的檢測手段例如光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡(SEM)[4-5]，原子力顯微鏡(AFM)[6]等雖然測試精度高，但是由于測試設備較大，不具有便攜性，不利于樣品的原位測試。而機械探針式[7-8]測量裝置由于需要探針接觸被測物表面，利用探針帶動位移傳感器感知表面的起伏，容易劃傷物體表面。這些高精度測量技術多為實驗級，設備大多笨重，不便于攜帶和日常生活中的應用。因此急需開發一種小型設備化和可便攜的工業級表面形貌探測技術。基于這種需求，本文提出了一種基于大面積TFT 陣列和PVDF 薄膜的表面形貌探測技術。

TFT 是一類場效應晶體管，采用薄膜制備技術并結合半導體制備工藝實現了晶體管薄膜化和大面積化。TFT 因其薄膜化和有源性的特點，成為了如今TFT-LCD[9]及TFT-OLED[10]的核心組成器件，現已廣泛應用于大尺寸液晶顯示、便攜式移動終端屏幕顯示[11-12]等，但是鮮有將TFT 薄膜晶體管應用于傳感器等的報道。本文提出的基于PVDF 和TFT 陣列的傳感器利用了TFT 有源的特點，將PVDF 進行像素化進而提高傳感器分辨率，利用物體接觸導致物體與薄膜整體電容改變的原理來實現物體表面形貌的探測。相比于光學顯微鏡等表面形貌探測技術，該技術更有利于實現器件小型化和便攜化，具有較好的應用前景。

1 傳感器結構設計

本文采用的基于大面積TFT 和PVDF 薄膜的表面形貌探測技術的器件結構圖如圖1 所示。該器件的底部為半導體工藝制備的有源薄膜晶體管陣列以及柔性電路板FPC 綁定區域，是傳感器的核心部分，薄膜晶體管陣列上方有陣列化的氧化銦錫(ITO)電極，用于對不同像素點(Pixel)的電學信號進行單獨采集。涂布在TFT 基板上表面的PVDF薄膜為一層介電薄膜，作為物體表面形貌探測的傳感面。綁定區域通過FPC 與計算機或移動終端相連接，用于數據采集及分析處理。

傳感器探測表面形貌的原理如圖2～圖3 所示。將待測物體放置于陣列化的薄膜晶體管上方，物體下表面與PVDF 相接觸，引起TFT 上方電容發生改變，而由于物體本身缺陷導致局部未與PVDF相接觸到的區域像素點(例如像素點Pixel-1)的電容會與周圍像素點電容(例如像素點Pixel-2)呈現出明顯的差異。通過電路的C-I 轉換器將電容信號轉變為電流信號，經過積分器積分后通過ADC 模數轉換器將模擬信號轉化成數字信號，這些信號同樣會因不同像素點電容的差異而產生差異。再由計算機對800×800 個信號點的有差異的數據進行差分和歸一化處理，并對不同點的歸一化數據進行灰度圖顯示，從而得出反映物體表面形貌的圖形。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

PVDF-TrFE 粉料購于法國阿科瑪公司，甲基乙基酮購于成都科龍化工有限公司。

2.2 傳感器制備方法

本文提到的表面形貌探測技術所使用的傳感器制備流程主要包括PVDF 漿料的配制、薄膜涂布、烘干、退火以及FPC 綁定等。

1)漿料配制：

將PVDF-TrFE 粉末與甲基乙基酮按照質量分數比17∶100 的比例混合，在室溫下以400 r·m?1的速度磁力攪拌12 h，待其充分溶解后，降低攪拌速度至60 r·m?1，緩慢攪拌1 h 進行脫泡處理備用。

2) PVDF 薄膜涂布：

利用刮刀涂布的方法，在玻璃上TFT 的區域涂布一層PVDF-TrFE 溶液，并迅速置于真空干燥器中，在室溫下真空干燥5 min 使溶劑迅速揮發成膜，隨后移入鼓風干燥箱中140 ℃度進行退火處理。

3) FPC 綁定：

將玻璃上的綁定區域與FPC 通過各向異性導電膠膜(ACF)進行綁定連接，使得FPC 上的引腳與玻璃上的引腳相互獨立連接，以實現TFT 陣列不同點信號的獨立采集。

2.3 實驗數據采集

數據采集以及圖像處理采用差分采集。先采集未放置樣品數據作為背景數據，以排除因為薄膜厚度微小差異以及其他制程工藝導致的初始電容差異帶來的數據干擾，再將微米級鎢絲、方形橡膠塊以及橡皮泥捏成的長頸鹿狀物體作為測試樣品分別置于PVDF-TrFE 上方，利用計算機采集樣品像素點數據。最后通過matlab 程序對圖像各像素點數據進行差分處理后繪圖得到樣品差分圖像。

3 物體表面形貌測試

圖4a～4c 為微米級鎢針的光鏡圖、實物測試圖以及傳感器測試結果。實驗中為保證鎢絲與PVDF接觸，載玻片蓋在鎢絲上方。光鏡結果顯示鎢絲尖端有微小的彎曲且尖端部位的寬度在7 μm 左右。傳感器的檢測圖像中也明顯看到尖端的存在，調整對比度放大后與與光鏡和實物圖基本吻合，表明傳感器可用來探測微米級物體及缺陷。以同一塊方形物體作為待測物，分別將待測物輕壓、重壓、斜壓于傳感器表面，利用傳感器對待測物體的寬度進行測試。從圖5 可以看出不同按壓程度的測量圖存在差異，這主要由于物體本身平面不夠平整，輕壓和重壓時物體與傳感器存在虛接到接觸的轉變，從而引起測量結果存在差異，這也從側面印證了傳感器的靈敏性。圖6 為方形物體實物圖以及游標卡尺的測量圖。

圖7展示了用傳感器測試用橡皮泥捏成的長頸鹿表面的凹凸形貌。結果顯示該傳感器能夠圖像化顯示長頸鹿表面與傳感器的接觸情況，圖像能明顯區分待測物表面的凹凸起伏，起到直觀顯示的效果。用手術刀在待測物表面制造劃痕，相機拍照很難清晰地顯示劃痕的位置以及劃痕大小，而通過使用基于大面積TFT 和PVDF 薄膜的表面形貌探測技術，能夠清晰地顯示待測物表面的劃痕位置以及大小，如圖8 所示。

4 實驗數據處理以及物體形貌的精細測量

傳感器有效傳感區域為40×40 mm，包含800×800 個TFT 像素點，相鄰像素點之間的距離是50 μm。對圖5 中的方塊圖形取相鄰兩個頂點坐標，求坐標之間的間隔，乘以分辨率得到相鄰兩頂點之間的距離。3 幅圖中兩個相鄰頂點的坐標分別為(428，365)和(667，375)、(312，479)和(72，480)、(423，709)和(242，551)。從而計算得到相鄰兩點的距離分別為11 960.46 μm、12 000.10 μm、12 013.01 μm。傳感器3 次測量平均值為12 003.76 μm，與游標卡尺測量結果11 980 μm 相差23.76 μm，方差較小，為27.38 μm2，標準差為5.23 μm，相對誤差僅為0.198%，驗證了設備的可靠性和穩定性。

對圖7c 中的數據圖進行分析。取x=466(x 方向23.3 mm 處)列的數據進行歸一化處理，繪制圖形如圖9 所示，可以明顯看到曲線在待測物凸凹處有明顯的突變，能完美還原差分圖像。圖9 中A、C 區域為橡皮泥與PVDF 接觸的區域，接觸導致整體電容的減小，C-I 轉換器轉換后的電流信號也隨之增強，經過模數轉換后與底圖進行差分和歸一化處理，并對歸一化數據進行灰度顯示得到長頸鹿的灰度圖，對歸一化數據繪制成折線圖進行進一步分析，可以得到466 列長頸鹿紋路的坐標為(466,372)、(466, 422)、(466, 476)、(466, 529)，進而得出466 列花紋的寬度為2.5 mm、2.7 mm、2.65 mm。

實驗結果表明，該形貌測試利用待測物表明凸凹不平引起薄膜表面電容改變的特點，可實現表面形貌的無損測量和圖形化顯示，并對表面的凸凹進行精準定位，測量分辨率可達到50 μm。

5 結 束 語

本文針對物體的表面形貌探測，提出了一種基于大面積TFT 和PVDF 薄膜的表面形貌探測方法，利用物體接觸引起的傳感區域電容的變化從而改變電路電信號的這一特點，來判斷傳感器與待測物的接觸與否，進而探測物體表面的起伏，利用TFT 陣列對不同的信號進行精準測量和定位，通過圖形化顯示技術和數據處理對表面形貌以及凸凹區域的大小進行計算，達到形貌檢測的要求。基于此傳感技術的傳感器具備小型化和便攜化的特點，在大型器件表面形貌的原位檢測上具有較好的應用前景。