CN1871675A - 具有电压控制的电容的有机电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电压控制的电容的有机电容器。本发明的电容器至少包括至少一个第一电极、第二电极和位于其之间的绝缘层。本发明的电容器的特征在于具有至少一个位于第一电极和第二电极之间的第一半导体层。将电压施加在第一和第二电极之间且作用在半导体层上，使得在该至少一个第一半导体层中的自由电荷载流子的至少一种浓度由施加的电压可控地变化。电荷载流子的浓度定义了电容器的电容。

Description

具有电压控制的电容的有机电容器
技术领域
本发明涉及有机电容器的领域，具体而言涉及基于有机材料且其电容是电压控制的电容器。
背景技术
电容器是常规的电路部件。例如包括线圈和电容器的谐振电路，比如振荡电路是由将部件的特性调整为一个或更多的谐振频率来调谐的。如果可以通过电的方法，即以电压控制的方式进行谐振频率的调谐，则对于调谐这样的电路即谐振电路是有利的。有机电路，具体而言那些基于聚合物的电路特别适于比如无线电应答器(RFID应答器、RFID标签)或基于无线电的防盗装置，因为所述电路极为简单且可以便宜地制造。通过将电容器与天线并联连接，将这样的应答器系统的感应天线调谐为它们的谐振频率。一旦完成，在部件的标称值的波动的情况下则不能重新调整或改变调谐，其一般是制造相关的，且只有以相当的费用才可以避免或者根本不能避免。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种其电容是电压控制的有机电容器。这样的电压控制的电容器使得可以连续即可矫正的精细调谐，使得例如在振荡电路中可以保持期望的谐振频率。
本发明的目的通过具有至少一种半导体层的有机电容器来实现，所述有机电容器如主权利要求1中界定。在从属权利要求中界定了有利的实施例和发展。
根据本发明的第一方面，提供了一种具有电压控制的电容器的有机电容器。本发明的电容器包括：至少一个第一电极，一个第二电极，和一个夹置于其间的绝缘层，且其进一步特征在于设置于第一和第二电极之间的至少一个第一半导体层。将电压施加述第一和第二电极之间，这影响了半导体层，使得该第一半导体层中的自由电荷载流子的浓度基于施加的电压可控地变化。电荷载流子的浓度决定了电容器的电容。
有利的是不仅施加的电压，而且交流电压的频率也决定至少第一半导体层中自由电荷载流子的浓度。于是，该频率使得可以可控地变化浓度且因此可控地变化本发明的电容器的电容。该效应通常随着频率增加而减小电荷载流子浓度。于是半导体在非常高的频率(在MHz或GHz范围)表现为绝缘体。因此，在非常高的频率下，可以设想仅包含在电极之间的有机半导体而没有附加的绝缘体的电容器。然而，在该情形，在低频下，漏电流流动。可以通过根据功函数来适当地选择电极材料，从而减小该漏电流。
有利的是自由电荷载流子的浓度的变化实现作为电容器板的第一和第二电极之间的有效空间的变化。有效空间的变化根据功能关系决定了本发明的电容器的电容的变化。
另外，自由电荷载流子的浓度的变化导致有效板表面面积的变化。就功能而言，有效板表面面积也决定本发明的电容器的电容。
优选地，第一和第二电极的至少之一是第一和/或第二结构化的电极，或第一和第二电极的两者可以为第一和第二结构化的电极。第一和第二结构化的电极的至少一个优选地被嵌入所述至少一个半导体层中。
根据本发明的一个实施例，本发明的有机电容器包括第二半导体层，所述第二半导体层夹置于第一和第二电极之间。第一半导体层和第二半导体层设置于绝缘层的相对侧。第二半导体层中的自由电荷载流子的浓度基于在第一和第二电极之间施加的电压以相似的方式来可控地变化。
有利的是第一和第二半导体层是相反的导电型；即如果第一半导体层是p导电层，则第二半导体层是n导电层，且如果第一半导体层是n导电层，则第二半导体层是p导电层。当然，或者，两个半导体层可以具有相同的导电特性。同样有利的是其中半导体层是双极性的即是n和p导电的结构，其可以通过混合不同的材料来得到。
优选地，第一和第二结构化的电极的至少一个或两者被分别嵌入第一和第二半导体层的至少一个或两者中。
同样有利的配置由颠倒绝缘层和半导体层来产生，即半导体层(4)在中间而绝缘层(3、6)在上和下，如图1e。
有利的是本发明的电容器的功能层的至少一个是有机功能层。
术语“有机材料”涵盖了所有类型的有机、有机金属、和/或无机塑料材料，除了基于锗、硅等的常规半导体材料之外。术语“有机材料”不限于含碳材料，而可以还包括比如硅酮的材料。另外，除了聚合物和寡聚物质之外，还可以使用“小分子”。为了本发明的目的，隐含的理解是有机层同样地由这些层形成材料和物质获得。另外，为了本发明的目的，由不同功能部件组成的有机结构部件的特征在于至少一个有机功能部件，具有而言有机层。
附图说明
由从属权利要求可以认识到本发明的主体的详细的优选的实施例，且为了阐明本发明的主题，现将详细描述相对于示范性实施例的附图，在附图中：
图1a是根据本发明的第一实施例的电容器的图示；
图1b是根据本发明的第二实施例的电容器的图示；
图1c是根据本发明的第二实施例的电容器的结构化的电极层的图示；
图1d是根据本发明的第三实施例的电容器的图示；
图1e是根据本发明的第十一实施例的电容器的图示；
图2是显示根据本发明的电容器的电压相关的电容的曲线图；
图3a是根据本发明的第四实施例的电容器的图示；
图3b是根据本发明的第五实施例的电容器的图示；
图3c是根据本发明的第六实施例的电容器的图示；
图3d是根据本发明的第七实施例的电容器的图示；
图3e是根据本发明的第八实施例的电容器的图示；
图3f是根据本发明的第九实施例的电容器的图示；
图3g是根据本发明的第十实施例的电容器的图示；
图4是绘制根据本发明的电容器的电压相关的电容的曲线图。
整个附图中，相同和相似的部件、元件、部件等被分配相同的参考符号。
具体实施方式
图1a是根据本发明的第一实施例的电容器的图示。本发明的电容器包括衬底1，用于电容器的支撑，即用于电容器的功能层。在衬底1上沉积的底(第一)电极2，其由半导体层3覆盖。半导体层3又支撑绝缘层4，其中叠放了顶(第二)电极。
衬底1可以是柔性的聚酯膜，例如其支撑底电极2。
可以将底(第一)电极2和顶(第二)电极5构造为有机导体，例如，PANI、PEDOT、聚吡咯、或碳黑电极。或者，底电极2或顶电极5可以包括金属导体，例如金、铜、银、铝、镍或铬、或金属或其它导体颗粒的合金(例如，石墨或碳黑)，其作为适当配方的颗粒出现，或在其中胶态地接合，且可以通过适当的方法来施加。其实例包括导电银和碳黑。
有机半导体层3可以从n型或p型变性的共轭聚合物制造，例如聚噻吩、聚芴、或从n型或p型变性的小分子制造，例如并五苯、萘并萘或C60。
绝缘层4可以设置为有机绝缘层4的形式，有机绝缘层4可以从比如聚异丁烯、聚苯乙烯、聚(4羟基苯乙烯)聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二乙烯氟化物、聚氰胺树脂。可替换地，绝缘层可以由电极的表面改性的方式生产，例如通过金属电极的氧化，如具体而言公知的铝的情形，或通过给予它们绝缘或不良导电表面特性的有机导体的表面改性。
与不能通过电压来变化的如上所述的现有技术的有机电容器相反，本发明的电容器包括附加的半导体层3，其导致了取决于电压的电容。由本发明产生的电压相关性的关键参数是半导体层3中的自由电荷载流子的浓度，其由在底(第一)电极2和顶(第二)电极5之间的电压U52的施加引起。随着改变电压U52，半导体层3中的自由电荷载流子的浓度变化。自由电荷载流子的变化被称为半导体层3的增强或耗尽。在增强的状态，在半导体层3中存在许多电荷载流子，即，该浓度高。另一方面，在耗尽的状态，在半导体层中需要没有更多的自由电荷载流子，即，该浓度低或最小。
两个电容器板之间的有效空间是决定电容器的电容的关键因素，且在该情形，其是底(第一)电极2和顶(第二)电极5之间的距离。考虑到如上所述通过施加的电压U52来改变自由电荷载流子，两个电极的有效空间 a在增强的状态中相应于绝缘层4的厚度dm的空间amin＝dm以及耗尽的状态中等于半导体层3的厚度dsc和绝缘层4的厚度dm的总和的空间amax＝ds+dm之间变化。
因此，基本功能上正比于有效板空间 a的部件的电容在增强的状态高而在耗尽的状态低。如图1a所示，根据本发明的第一实施例的电压相关的有机电容器的构造使得可以改变本发明的电容器的电容从2到3倍。
图1b是根据本发明的第二实施例的电容器的图示。
通过适当地构造底电极2，可以促进上述的电容的变化。图1b示出了构造底电极2的可能的方法。该结构与作为电容器板的底电极2的有效表面面积相关。
除了电容器的有效板空间 a的变化之外，还在半导体层3的耗尽状态中，产生了电容器的有效板表面面积减小到对于结构化的底电极2’的表面面积，结构化的底电极2’的表面面积小于作为第二电容器板的顶电极5的板表面面积。
当半导体层3处于增强状态，该顶电极5决定了有效板表面面积。即，绝缘层4的厚度dm相似地决定了本发明的电容器的电容。
通过优化地构造底电极2，本发明的电容器的电容可以变化附加的10倍以上，并且在基于有效空间 a的改变之上。图1c是根据本发明的第二实施例的电容器的优化的结构化的电极层2’的图示。将该电极层2的有效板表面面积减小了底电极2中的圆形槽(其由白圆圈结构表示)的总表面面积。
图2是显示本发明的电容器的电压相关的电容的典型定性曲线。绘制了任意单位的电容相对施加在底和顶电极2、5之间的电压U52。具体而言，电压相关的电容的曲线代表了电压控制的可变电容电容器的曲线，所述电容器包括具有空穴导电的本征半导体层3，比如聚噻吩。正电压U52将导致半导体层3处于耗尽的状态，即电容器将表现低电容，而负电压U52将导致其处于增强的状态，即电容器将表现高电容。在该情形，耗尽和增强状态之间的电容变化是100到275(即，变化了2.75倍)，如果施加的电压U52在±30V的范围。
在图1a和1b的实施例中，参考具有电压控制的电容的电容器的两个实施例的示例，已经在以上描述了本发明的基本原理。以下的实施例进一步呈现了本发明的电容器的有利的发展，其基本基于上述的原理。
图1e是根据本发明的第十一实施例的电容器的图示。根据该实施例，本发明的电容器的电压控制的电容的变化可以通过加入第二半导体层6来增加。其导电型必须与第一半导体层相反，即，如果半导体层3是p导电的，则半导体层5必须是n导电的，反之亦然。在增强的状态，半导体层3和6均填充有电荷载流子，即半导体层3和6显示出了高浓度的自由电荷载流子。结果，电容处于最大，因为由绝缘层的厚度dm决定的半导体层3和6之间的空间决定了有效板空间。在耗尽的状态，两个半导体层3和6被耗尽，即，它们不再包含任何自由电荷载流子。结果，电容处于最小，因为由绝缘层4的厚度dm和半导体层3和6的厚度dsc3和dsc6所界定的电极2和5之间的空间决定了有效板空间 a。图1d是根据本发明的第三实施例的电容器的图示。在该实施例中，在耗尽的状态中，必须作出公差，因为本发明的电容器的有效板表面面积受到底(第一)结构化电极2’和顶(第二)结构化的电极5’的结构的影响。如果结构化的电极2’和5’相对于彼此偏移设置，如图1d所示，则耗尽状态中的电容可以几乎完全消失，因为几乎不存在相对导电电容器板，且因此有效板表面面积是最小的。
替换上述的本发明的电容器的构造，可以部分地颠倒功能层的构造，而不牺牲所述的效应-电压相关的电容。图3和4分别示意性地呈现了本发明的电容器的第四和第五实施例，其基本相似于图1a和1b分别所示的实施例。
参考图3a，这显示了如果通过在由衬底1支撑的底(第一)电极2上沉积绝缘层4、在绝缘层4上沉积半导体层3、以及用顶(第二)电极5覆盖半导体层3，来实现了本发明的电容器的示例。有机部件的技术人员将认识到该技术产生了具有电压控制的可变电容的电容器。
图3b所示的根据本实施例的本发明的电容器包括结构化的顶(第二)电极5’和相似于图3a所示的本发明的电容器的一般结构。明显的是该电容器具有图1b所述的电容器的相似的优点和性能。
替换上述的实施例(图1b和图3b)所示，相同地可以提供层结构，其中仅实现了该变化效应，其源于由半导体层3、5的增强和耗尽状态中所改变的板表面面积。在图3c和3d中示出了根据本发明的进一步的实施例的相应的电容器。
根据图3c，在衬底1上沉积了半导体层3，且将底(第一)结构化的电极2’嵌入半导体层3中，使得其与覆盖半导体层3和底(第一)结构化的电极2’的绝缘层4接触。在绝缘层4上沉积顶(第二)非结构化的电极5’。
根据图3d，衬底1支撑底(第一)非结构的电极2’，其由与顶(第二)结构化的电极5’和其中嵌入顶(第二)电极的半导体层3的绝缘层4覆盖。
就本发明的教导的内容和上述的其原理而言，本领域的技术人员将认识到在半导体层3的耗尽和增强状态中，图3c和3d所示的本发明的电容器的
实施例的有效空间 a等于绝缘层4的厚度dm。电容的改变由有效板表面面积来决定。
在图3c所示的本发明的电容器的实施例中，在半导体层3的增强状态中的有效板表面面积由与绝缘层4相邻的总表面面积来决定，其由与绝缘层4相邻的底(第一)结构化的电极2’的表面面积和与绝缘层4相邻的半导体层3的表面面积来界定。相反，半导体层3的耗尽状态中的有效板表面面积基本由与绝缘层4相邻的底(第一)结构化的电极2’的表面面积来决定。
相同的应用到图3c所示的本发明的电容器的实施例。这里，半导体层3的耗尽状态中的有效板表面面积由与绝缘层2相邻的顶(第二)结构化的电极5的表面面积来决定，而半导体层3的增强状态中的有效板表面面积由与绝缘层4相邻的总表面面积来决定，其由与绝缘层4相邻的顶(第二)结构化的电极5的表面面积和与绝缘层4相邻的半导体层3的表面面积来界定。
基于有效板表面面积的变化效应的本发明的电容器的进一步的实施例可以从参考图1d所述的实施例导出。这里，两个结构化的电极的至少一个，即底(第一)结构化的电极2’和顶(第二)结构化的电极5’相邻于绝缘层4提供且适当地嵌入半导体层3和/或6中。
详细地，图3e呈现了由衬底1支撑的本发明的电容器，在所述衬底上沉积有半导体层3，在半导体层3中嵌入了底(第一)结构化的电极2’，使得第一半导体层3和底(第一)结构化的电极2’相邻于覆盖的绝缘层4。在绝缘层4上还提供了第二半导体层6，其又支撑了顶(第二)结构化的电极5’。
图3f显示了包括第一(底)结构化的电极2’的本发明的电容器，电极2’沉积于衬底1上且嵌入与绝缘层4相邻且由绝缘层4覆盖的第一半导体层3中。另外，在绝缘层4上提供有顶(第二)结构化的电极5’，其嵌入第二半导体层6中。电极和半导体层与绝缘层相邻。
图3g代表了本发明的电容器，其如图3e所示，提供了底(第一)结构化的电极2’，其嵌入衬底1上的第一半导体层3中，从而底(第一)结构化的电极2’和第一半导体层3与覆盖后者的绝缘层4相邻。如图3f，顶(第二)结构化的电极5’和第二半导体层6均与绝缘层4相邻，顶(第二)结构化的电极5’嵌入第二半导体层6中。
在第一半导体层3和第二半导体层6的耗尽状态中图3e到3f中所示的本发明的实施例的电容器的容量的关键决定因素是底(第一)结构化的电极2’和顶(第二)结构化的电极5’之间考虑到有效板表面面积的空间，有效板表面面积受底(第一)结构化的电极2’的结构和顶(第二)结构化的电极5’的结构影响。根据底(第一)结构化的电极2’和顶(第二)结构化的电极5’的结构，有效板表面面积基本决定了电容。
如参考图1d所解释的，在上述的实施例中，如果电极2’和5’分别如图1d和图3e到3g所示的相对于彼此偏移设置或结构化，那么在耗尽状态中的容量可以基本消失，因为基本不存在相对的导电电容器板。
在第一半导体层3和第二半导体层6的增强的状态，有效板表面面积由与绝缘层4相邻的半导体层3或6的面积决定，或由与绝缘层4相邻的半导体层3或6加上嵌入的底或顶结构化的电极2或5的总面积决定。因此，容量基本由绝缘层4的厚度dm决定。
还应注意到为了使得上述的容量的性能成为可能，半导体层3或6可以为相反的导电型。这意味着如果半导体层3是p导电的，则半导体层6是n导电的，反之亦然。
对于给定的频率，已经参考图2在以上描述了相关于分别施加在底(第一)电极2或2’与顶(第二)电极5或5’之间的电压U52的本发明的电容器的电容。
分别由于半导体层3或半导体层3和6的特性，电容的变化是频率相关的，该半导体层的特性由电压U52被转换到耗尽或增强的状态，即，其中的自由电荷载流子的浓度由电压U52变化，从而半导体层表现出可变的导电性。频率相关性基本由响应施加到其的变化的电压U52的自由电荷载流子的浓度的变化速率决定。直接的结果是在给定浓度的变化的恒定速率下，随着电压频率上升，对于电压U52的同一电压范围的电容的变化减小。
图4是显示本发明的电容器的频率相关的和电压相关的电容的曲线图。明显的是随着频率上升，当电压U52在同一电压范围±30V内变化时电容的变化减小。在所示的示例中，电容变化从在大致10kHz的频率下的大致100∶145减小到在大致100kHz的频率下的大致100∶122，然后到在大致1MHz的频率下的大致100∶105。这种频率相关性行为特别地对于其中频率相关的电容器与电感并联连接的谐振电路的(精细)调整是有利的。
根据本发明的实施例的电容器的(层)的制造可以以常规的方式进行，通过比如溅射或蒸镀、旋涂或印刷的各种的方法来制造单独的层，如果被沉积的功能层的物质是可溶的。或者可以通过与光刻方法结合的如蚀刻和剥离的常规的技术，或者通过各种印刷技术，可以进行比如与使用结构化的电极2’和5’结合所需要的功能层的构造。单独的功能层通常小于2μm厚。
如图1a和图1b所示的具有电压控制的可变电容的本发明电容器的实施例例如可以用以下的方式制造。将例如金层的金属层形式的底(第一)电极2溅射到用作衬底1的柔性聚酯膜上。为了获得根据图1b和1c的底(第一)结构化的电极2’，通过平版印刷术或通过蚀刻，可以构造金层。接下来，通过旋涂施加了溶液中的例如聚噻吩的共轭聚合物。当溶剂被蒸发之后，形成了均匀的半导体层，即半导体层3。使用旋涂，例如由聚羟基苯乙烯溶液施加绝缘层，即绝缘层4，从而当溶液蒸发之后，形成了均匀的绝缘层4。在该层上沉积了金属层形式的顶(第二)电极5，具体而言金层，其可以再次使用平板印刷术或蚀刻方法来构造。
本发明的实施例之一的电压控制的有机电容器的结构且具体而言那些参考图1a和1b所述的由导电、半导体和绝缘功能层组成的结构基本上与用于制造集成有机电路或聚合物电路的众所周知的工艺步骤相容。结果，可以将具有电压控制的可变电容的本发明的电容器集成到这样的有机电路中。
例如，可以将具有电压控制的可变电容的本发明的电容器与作为整流器的二极管结合使用，作为RC元件、在谐振电路中作为频率相关电容器、作为滤波电容器、作为薄膜部件等。对于后者的应用，功能层的厚度可以小于2μm。以该方式，本发明的电容器适于集成到无线电应答器(RFID应答器、RFID标签)或防盗标签中。与其它应用的组合也是可以设想的，例如与晶体管、二极管、LED、光电电池或光电探测器组合，或与平电池或电铬元件，特别是如果这些元件也基于有机功能层。

Claims (10)

1、一种具有电压控制的电容器的有机电容器，包括至少以下的功能层：
第一电极(2)，第二电极(5)，和
设置于第一和第二电极(2、5)之间的绝缘层(4)，
其特征在于，
设置于第一和第二电极(2、5)之间的至少一个第一半导体层(3)；
其中通过施加在所述第一和第二电极(2、5)之间的电压(U52)以受控制的方式来改变至少所述第一半导体层(3)中自由电荷载流子的浓度，且所述电荷载流子的浓度决定电容器的电容。
2、根据权利要求1所述的有机电容器，其特征在于，通过施加的电压(U52)的频率以受控制的方式附加地改变在至少所述第一半导体层(3)中所述自由电荷载流子的浓度。
3、根据权利要求1或2所述的有机电容器，其特征在于，所述自由电荷载流子的浓度的改变造成充当电容器板的电极(2、5)的有效空间(a)的变化，其中所述有效空间(a)功能地决定电容器。
4、根据前述权利要求的任意之一所述的有机电容器，其特征在于，所述自由电荷载流子的浓度的改变造成有效板表面面积的变化，且所述有效板表面面积功能地决定电容。
5、根据前述权利要求的任意之一所述的有机电容器，其特征在于，所述第一和第二电极(2、5)的至少一个是结构化的电极(2’、5’)。
6、根据前述权利要求的任意之一所述的有机电容器，其特征在于，所述第一和第二结构化的电极(2’、5’)的至少一个被嵌入所述半导体层(3)中。
7、根据前述权利要求的任意之一所述的有机电容器，其特征在于，所述有机电容器包括第二半导体层(6)，所述第二半导体层(6)设置于所述第一和第二电极(2、5)之间且设置于相对于所述第一半导体层(3)的所述绝缘层(4)的一个侧面上，通过施加在所述第一和第二电极(2、5)之间的电压(U52)以受控制的方式来变化所述第二半导体层(6)中的所述自由电荷载流子的浓度。
8、根据权利要求6的有机电容器，其特征在于，所述第一和第二半导体层(3、5)是相反的导电型。
9、根据权利要求6或7的有机电容器，其特征在于，所述第一和第二结构化的电极(2’、5’)被嵌入所述第一和第二半导体层(3、6)的至少一个中。
10、根据前述权利要求的任意之一所述的有机电容器，其特征在于，所述功能层的至少一个是有机物质层。
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