JP2009031045A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】低コストの圧力センサーを提供する。
【解決手段】本発明の圧力センサー１は、基板１０とこの基板１０上に設けられた有機トランジスタ１００とを備えている。有機トランジスタ１００は、有機半導体層４０と、有機半導体層４０に接触して設けられたソース領域３０及びドレイン領域６０と、有機半導体層４０内に設けられ、かつソース領域３０とドレイン領域６０との間のチャネルとなるチャネル領域４５と、チャネル領域４５に電界を印加可能なゲート電極５０と、チャネル領域４５とゲート電極５０との間に設けられたゲート絶縁膜２０と、を有している。有機トランジスタ１００は、チャネル領域４５及び／又はゲート絶縁膜２０を感圧部とし、感圧部で感圧した際に特性変化を生じることで感圧素子として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサーに関する。

一般に、指紋センサー等に用いられる感圧式のアクティブマトリックス型の圧力センサーは、シリコン基板もしくはポリシリコン薄膜トランジスタを用いて形成したアクティブマトリックス基板と、感圧部とを組み合わせて、感圧部のデータをアクティブマトリックスで読み取るものである。このような圧力センサーとしては、アクティブマトリックス基板と、圧力に応じて抵抗が変化する感圧シートとを組み合わせたもの（例えば、特許文献１）や、圧電素子と組み合わせたもの（例えば、特許文献２）等がある。しかし、これらの圧力センサーは、シリコンを用いたアクティブマトリックス基板を形成する際に、多大なエネルギーやコストが必要となっていた。

近年、上記のシリコンに代表される無機材料を用いた薄膜トランジスタに変わって、有機材料を用いた有機トランジスタが注目されている。有機トランジスタは、低温プロセスで製造できるため、プラスチック基板やフィルムを用いることができ、フレキシブルで軽量、壊れにくい素子を形成することができる。また、有機トランジスタは、液体材料を用いて塗布法や印刷法等の簡便な方法で形成することができ、短時間で素子を形成することができる。そのため、プロセスコストや形成装置コストを非常に低く抑えることが可能であるという非常に大きなメリットもある。

このような有機トランジスタと先述の感圧シート等とを組み合わせることにより、フレキシブル、かつ大面積の圧力センサーを形成する方法が、特許文献３、特許文献４に開示されている。
特開昭６３−２０４３７４号公報 特開平５−６１９６５号公報 特開平２００５−２９４３００号公報 特開平２００５−１５０１４６号公報

先述の特許文献３、４の方法によれば、アクティブマトリックス基板を形成する際のコストを低減することができると考えられる。しかしながら、感圧シート等の感圧部を別途形成し、アクティブマトリックス基板に実装する必要がある点では、特許文献１、２のものと同様である。したがって、感圧部を形成する際の材料コストやプロセスコスト、あるいは実装する工程における歩留りの低下等を改善することは困難であった。

本発明は、前記の従来技術の課題に鑑み成されたものであって、感圧シートや圧電素子等を別途必要としないシンプルな構成の圧力センサーを提供することを目的とする。

本発明の圧力センサーは、基板と該基板上に設けられた有機トランジスタとを備え、前記有機トランジスタは、
有機半導体層と、
前記有機半導体に接触して設けられたソース領域及びドレイン領域と、
前記有機半導体層内に設けられ、かつ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルとなるチャネル領域と、
前記チャネル領域に電界を印加可能なゲート電極と、
前記チャネル領域と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有してなり、前記チャネル領域及び／又は前記ゲート絶縁膜を感圧部とし、感圧部で感圧した際に特性変化を生じることで感圧素子として機能することを特徴とする。

このように有機トランジスタ自体を感圧素子すれば、感圧シートや圧電素子等を別途設けることなく圧力センサーを構成することができる。詳しくは、チャネル領域に電界を印加した際にチャネル領域に誘起される伝導キャリア数Ｑは、真空の誘電率ε_０、ゲート電極の比誘電率ε、ゲート絶縁膜の厚さｔ_ｏｘ、ゲート電圧Ｖ_ｇ、素電荷ｑ、を用いて、［Ｑ＝（ε_０・ε）／（ｑ・ｔ_ｏｘ）・Ｖ_ｇ］で記述される。すなわち、伝導キャリア数Ｑは、ゲート絶縁膜の比誘電率に比例し、ゲート絶縁膜の厚さに反比例する。ここで、ゲート絶縁膜に圧力が加わると、ゲート絶縁膜は圧縮されて厚さが薄くなり、かつ比誘電率が大きくなる。したがって、伝導キャリアの数が増加し、チャネル電流が大きくなる。

また、チャネル領域に圧力が加わると、チャネル電流が増加する現象が実験により確認されている。この現象は、チャネル領域に圧力が加わり圧縮されることによって、チャネル領域における有機半導体層の分子が互いに接近するようになるために生じると考えられる。すなわち、接近した分子は、分子間の電子軌道の重なりが大きくなるため、電子のバンド伝導やホールのホッピング伝導に必要なエネルギーが少なくなり、有機半導体層中を伝導キャリアが移動しやすくなると考えられる。

このように、チャネル領域及び／又は前記ゲート絶縁膜に圧力が加わるとチャネル電流が増加するので、加圧時のチャネル電流と非加圧時のチャネル電流との違い、すなわち有機トランジスタの特性変化を検出することで圧力を検出することができる。本発明の有機トランジスタは、通常の有機トランジスタと同様に、ドレイン領域からのデータ（チャネル電流の値）を読み出す機能を有しているので、この機能により有機トランジスタ自体の特性変化を検出することができる。したがって、有機トランジスタ自体を感圧素子として機能させることができ、感圧シートや圧電素子等が不要なシンプルな構成となる。よって、これらを設けるための材料コストやプロセスコストが不要になり、また感圧シートや圧電素子を形成するためのプロセスが不要となるので、プロセスが減ることによって歩留りを向上させることができる。

また、有機トランジスタは低温プロセスで製造できるため、プラスチック基板やフィルム等を用いることができ、大面積化に対応可能であり、フレキシブルで軽量、かつ壊れにくい等の特長を有する圧力センサーとすることができる。また、有機トランジスタは塗布法や印刷法等の簡便な方法で短時間に形成可能なことが知られており、プロセスコストや製造装置コストを格段に低減することができる。

また、前記ゲート絶縁膜は、有機材料からなることが好ましく、この場合に該ゲート絶縁膜は液相法で形成されてなることがより好ましい。
一般に、有機材料は無機材料よりも柔軟であり伸縮性が高いので、圧力が加わった際により薄く圧縮される。したがって、有機材料からなるゲート絶縁膜とすれば、加圧時におけるゲート電極とチャネル領域との間の距離がより短縮され、チャネル領域に電界が印加された際にチャネル領域に誘起される伝導キャリアの数がより多くなる。よって、有機トランジスタの特性変化が大きくなるので、これを検出しやすくなる。このようにして、高感度の圧力センサーとすることができる。

また、一般に塗布法等の液相法による成膜は、膜材料を溶媒あるいは分散媒に溶解（分散）させこれを塗布した後に、残留した溶媒（分散媒）を乾燥させることにより行う。液相法で形成されたゲート絶縁膜は、溶媒（分散媒）を乾燥させた際に溶媒（分散媒）が残留していた部分が空隙となるので、膜密度が低く柔軟なものとなる。したがって、ゲート絶縁膜の圧力に対する感度を高めることができ、これを感圧部とする圧力センサーを高感度とすることができる。なお、高感度とするためには、前記ゲート絶縁膜の膜密度が、１．５ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

また、溶媒（分散媒）を乾燥させる乾燥方法により膜密度を調整することができるので、圧力センサーの特性を調整することもできる。例えば、同じ材料からなるゲート絶縁膜であっても、真空乾燥法等により膜密度を低くすれば先述のように高感度とすることができ、また高温で乾燥させて膜密度を高くすれば許容圧力を大きくすることができる。

また、前記ゲート絶縁膜は、複数層からなる構成とすることもできる。
一般にゲート絶縁膜には、絶縁破壊電圧が高いことや、有機半導体層と良好な界面を形成すること、リーク電流が少ないこと、ゲート電極との密着性がよいこと等の特徴が必要とされている。ところが、感圧部として十分に機能させるという観点でゲート絶縁膜の材料あるいは形成方法を選択すると、先述のようなゲート絶縁膜に必要とされている特徴を十分に満たすことが困難となる場合もある。このような場合でも、例えば密着性がよい層や、絶縁破壊電圧が高い層、伸縮性が高い層等の機能層が複数積層されたゲート絶縁膜とすることにより、通常のゲート絶縁膜としての機能を損なうことなく、かつ感圧部として十分に機能させることができる。

また、前記有機トランジスタの前記基板と反対の側における前記チャネル領域と対応する部分に、突起部を有していることが好ましい。
このようにすれば、前記有機トランジスタの前記基板と反対の側から加わった圧力は、前記突起部に集中的に作用するようになるので、突起部を介してチャネル領域やこれと対応するゲート絶縁膜に圧力を集中的に作用させることができる。このように、感圧部に圧力を良好に伝えることができるようになるので、圧力センサーの感度を高めることができる。

また、前記基板と前記有機トランジスタとの間に、前記基板及び前記感圧部よりも硬質の材料からなる下地膜を有している構成とすることもできる。
このようにすれば、感圧部よりも硬質の材料からなる下地膜は、感圧部に圧力が加わった際に感圧部よりも変形量が小さいので、感圧部が下地膜側に変形して圧力が緩和されることが抑制される。したがって、チャネル領域やこれと対応するゲート絶縁膜に作用した圧力は、主としてこれら感圧部を圧縮するように作用するようになる。よって、感圧部を十分に機能させることができ、圧力センサーの感度を高めることができる。また、前記基板よりも硬質な材料からなる下地膜は、感圧部を介して圧力が加わった際に基板よりも変形量が小さいので、感圧部の基板側の変形量を小さくすることができる。したがって、感圧部の圧力が緩和されることが抑制され、圧力センサーの感度を高めることができる。

また、前記有機トランジスタの特性変化に基づいて圧力を算出する算出手段を有する構成とすることもできる。
このようにすれば、圧力の値を容易に得ることができるので、例えば多数の有機トランジスタを配置させた圧力センサーを構成した場合等に、有機トランジスタ配置面における圧力値の分布等を容易に得ることができる。

以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造はその寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせて示す場合がある。

図１（ａ）は、本実施形態の圧力センサー１の構成を模式的に示す平面概略図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の圧力センサー１は、マトリックス状に配置された有機トランジスタ１００を複数備えており、各有機トランジスタ１００は、ソース電極３０と、ドレイン電極６０と、ゲート電極５０と、を有している。

また、有機トランジスタ１００のソース電極３０は、マトリックスの列ごとに一括して信号線３と接続されており、この信号線３は信号線駆動回路２と接続されている。また、有機トランジスタ１００のドレイン電極６０は、マトリックスの行ごとに一括してデータ線６と接続されており、本実施形態では複数のデータ線６は図示しないデータ出力部へ接続されている。また、有機トランジスタ１００のゲート電極５０は、マトリックスの行ごとに一括して走査線５と接続されており、走査線５は走査線駆動回路４と接続されている。なお、信号線３とソース電極３０とは、本実施形態では別々の構成要素であるが、見やすくするために図中では一つ導電部として示しており、走査線５とゲート電極５０とについても同様に一つの導電部として示している。

信号線駆動回路２は、信号線３を介してマトリックスの列ごとに、有機トランジスタ１００のソース電極３０に所定のタイミングで所定の電圧を印加することができるようになっている。また、走査線駆動回路４は、走査線５を介してマトリックスの行ごとに、有機トランジスタ１００のゲート電極５０に所定のタイミングで所定の電圧を印加することができるようになっている。ソース電極３０に電圧が印加された有機トランジスタ１００において、ゲート電極５０に電圧が印加されると、ソース電極３０とドレイン電極６０との間に電流が流れるようになり、この電流はデータ線６を介してデータ出力部（図示せず）へ出力されるようになっている。すなわち、信号線駆動回路２は、データ線６の駆動回路として機能するようになっている。

図１（ｂ）は、本実施形態の圧力センサー１の側断面構成図であり、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線矢視断面図に相当する。図１（ｂ）に示すように、有機トランジスタ１００は基板１０上に設けられており、基板１０上のソース電極３０及びドレイン電極６０と、少なくともソース電極３０とドレイン電極６０との間に設けられた有機半導体層４０と、この有機半導体層４０内におけるソース電極３０とドレイン電極６０との間のチャネル領域４５と、ソース電極３０とドレイン電極６０と有機半導体層４０とを覆うゲート絶縁膜２０と、少なくともチャネル領域４５を覆ってゲート絶縁膜２０上に設けられたゲート電極５０と、を有している。

また、本実施形態では、有機トランジスタ１００の基板１０と反対の側に、チャネル領域４５と対応させて、すなわちゲート電極５０を覆って突起部７０が設けられている。突起部７０は、これを介して有機トランジスタ１００の感圧部であるゲート絶縁膜２０及びチャネル領域４５に圧力を集中的に伝えることができるようになっている。突起部７０の材料としては、突起部７０をゲート電極５０等と接して設ける場合には絶縁性のものが好ましい。また、突起部７０は、これを介して圧力を伝播させるので、圧力を緩和しないものすなわち変形しにくい硬質のものが好ましく、例えばゲート絶縁膜２０又は有機半導体層４０のいずれかよりも硬質とすることで圧力の緩和を抑制することができる。

また、本実施形態では、ゲート絶縁膜２０にコンタクトホール２５が設けられており、コンタクトホール２５内とゲート絶縁膜２０上とに、各々の有機トランジスタ１００と対応したデータ線６の枝部が設けられている。この枝部は、マトリックス状に配置された有機トランジスタ１００の行ごとにデータ線６の幹部に接続されている。このように、ドレイン電極６０はデータ線６と電気的に接続されている。また、本実施形態では、ゲート絶縁膜２０、突起部７０、データ線６を覆って保護膜８０が設けられており、ゲート電極５０等をキズ等から保護できるようになっている。

前記基板１０としては、ガラス基板、アルミやステンレス等の金属基板、プラスチック基板等いかなる基板を用いることができる。これらのうち価格が安価で軽量、柔軟性の高いプラスチック基板を用いることが好ましい。プラスチック基板としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂いずれを原料に用いてもよい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリ−（４−メチルベンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオ共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、プリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、変形ポリフェニレンオキシド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうち１種、または２種以上を積層した積層体を用いることができる。本実施形態では、基板１０として、ポリイミドからなるプラスチック基板を用いている。

前記ソース電極３０やドレイン電極６０、ゲート電極５０等の導電部の材料としては、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｎｄやこれらの金属を用いた合金等、ＩｎＯ_２、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン等の導電性高分子及びそれに塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、ＰＦ_６、ＡｓＦ_５、ＦｅＣｌ_３等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウムカリウム等の金属原子等のドーパントを添加したもの、カーボンブラックや金属粒子を分散した導電性の複合材料等の、導電性を有する材料を用いることができる。

例えば、これらの導電性の材料からなる導電膜にフォトリソグラフィ法及びエッチング法等を用いたパターニングを行うことにより、ソース電極３０やドレイン電極６０、ゲート電極５０を形成することができる。また、所定の形状に穴のあいたメタルスルーマスクを通して基板上に金属膜の蒸着処理を行うことにより、エッチングを行うことなく、金属膜のパターンを形成するようにすることも可能である。また、金属微粒子およびグラファイトのような導電性粒子を含むポリマー混合物を電極層材料に用いてもよい。このような溶液から電極を形成する場合は、インクジェット法のような溶液パターニングを行うことにより、先述の電極を簡易かつ低コストで形成することができる。

本実施形態では、ソース電極３０及びドレイン電極６０は、いずれもＡｕを材料としメタルスルーマスクを用いた蒸着法で形成されたものである。また、ゲート電極５０は、銀微粒子の水分散液を材料とし塗布法を用いて形成されたものである。なお、本実施形態では、ソース電極３０がソース領域として機能するようになっており、ドレイン電極６０がドレイン領域として機能するようになっている。

前記有機半導体層４０は、ソース電極３０とドレイン電極６０との間がチャネル領域４５とされたものである。前記ゲート電極５０によりチャネル領域４５に電圧（電界）が印加されると、チャネル領域４５に電流が流れることが可能となりチャネルとして機能するようになっている。また、詳しくは後述するが本発明ではチャネル領域４５が、感圧部としても機能するようになっている。

このような有機半導体層４０の材料とてしては、例えば、ポリ（ ３ − アルキルチオフェン） 、ポリ（３ − ヘキシルチオフェン） （ Ｐ ３ Ｈ Ｔ ） 、ポリ（ ３ − オクチルチオフェン） 、ポリ（ ２ ，５ − チエニレンビニレン） （ Ｐ Ｔ Ｖ ） 、ポリ（ パラ− フェニレンビニレン） （ Ｐ Ｐ Ｖ ） 、ポリ（ ９ ， ９ − ジオクチルフルオレン） （ Ｐ Ｆ Ｏ ） 、ポリ（ ９ ， ９ − ジオクチルフルオレン− コ− ビス− Ｎ ， Ｎ ’ − （ ４ − メトキシフェニル） − ビス− Ｎ ， Ｎ ’ − フェニル− １ ，４ − フェニレンジアミン） （ Ｐ Ｆ Ｍ Ｏ ） 、ポリ（ ９ ， ９ − ジオクチルフルオレン− コ− ベンゾチアジアゾール） （ Ｂ Ｔ ） 、フルオレン− トリアリルアミン共重合体、トリアリルアミン系ポリマー、ポリ（ ９ ， ９ − ジオクチルフルオレン− コ− ジチオフェン） （ Ｆ ８ Ｔ ２） のようなフルオレン− ビチオフェン共重合体等のポリマー有機半導体材料、またＣ ６ ０ 、あるいは、金属フタロシアニンあるいはそれらの置換誘導体、あるいは、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン等のアセン分子材料、あるいは、α − オリゴチオフェン類、具体的にはクォーターチオフェン（ ４ Ｔ ） 、セキシチオフェン（ ６ Ｔ ） 、オクタチオフェンのような低分子系有機半導体のうち１種または２種以上を混合して用いることができる。

これら有機半導体材料を成膜して有機半導体層４０を形成する方法としては、蒸着法、ＣＶＤ法、キャスト法、引き上げ法、ラングミュアブロジェット法、スプレー法、インクジェット法、シルクスクリーン法等の一般的な成膜方法を用いることができる。
本実施形態では、ポリ（３ − ヘキシルチオフェン） （ Ｐ ３ Ｈ Ｔ ）を材料とし、塗布法で形成された有機半導体層４０を用いている。

前記ゲート絶縁膜２０は、通常のゲート絶縁膜と同様に、前記ゲート電極５０によって前記チャネル領域４５に電界を印加する際の絶縁膜として機能するようになっている。また、本発明では前記チャネル領域４５と同様に、ゲート絶縁膜２０が感圧部としても機能するようになっている。このようなゲート絶縁層２０の材料としては、圧力によって膜厚の変化と誘電率の変化がおき、かつ絶縁性を有する素材で形成されていれば、種類は特に限定されるものではなく、有機材料、無機材料のいずれも使用可能である。
無機材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミ、酸化タンタル等の金属酸化物、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウムチタン酸鉛等の金属複合酸化物が挙げられる。
また、有機材料としてはポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニールアルコール、ポリアセタール、ポリパラキシリレン、ポリアリレート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリオレフィン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリカルボジイミド、ポリシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ニトリルゴム、アクリルゴム、ポリエチレンテトラフルオライド、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂、ポリブテン、ポリペンテン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ポリスチレンおよびこれらの共重合体が代表として挙げることができる。ただし、一般に、有機材料からなる膜の方が無機材料からなる膜よりも硬度が低いので、ゲート絶縁膜２０の圧力に対する感度を高くするという観点から、後者に挙げたような有機材料を用いることが好ましい。

また、先述の有機材料を用いてゲート絶縁膜２０を形成する方法としては、キャスト法、引き上げ法、ラングミュアブロジェット法、スプレー法、インクジェット法、シルクスクリーン法等の塗布法を用いて成膜を行うことが好ましい。一般に、有機材料を溶媒もしくは分散媒に溶解（分散）させた溶液を塗布法で配すると、溶媒（分散媒）が大量に残留した状態で材料膜が形成される。そして、溶媒のみが除去されることにより溶媒が存在していた空間が空隙として膜中に残るため、空隙の大きく膜密度が非常に低く、非常に柔軟な状態に成膜することができる。したがって、圧力によって圧縮されやすく、かつ圧縮される前後で比誘電率の変化量が大きいゲート絶縁膜２０とすることができる。

また、一般に材料膜から溶媒を除去する際には、加熱することで溶媒を蒸発させる。過度に加熱した場合には、溶媒が除去されてできた空隙が加熱に伴う高分子鎖の熱振動により緩和され、膜密度が高くなってしまう。そのため、膜密度を低くするためには、真空乾燥法のようにできるだけ温度が低い状態で、溶媒を蒸発させることが好ましい。本実施形態では、ポリイミド溶液を材料とし、スピンコート法を用いて形成されたゲート絶縁膜２０を用いている。

以上のような構成の圧力センサー１は、有機トランジスタ１００の上面側から圧力が加わると、この圧力が前記突起部７０に集中的に作用するようになっている。前記突起部７０に作用した圧力はその基板１０側、すなわちゲート絶縁膜２０に集中的に作用する。そして、ゲート絶縁膜２０は、圧縮されることによりその比誘電率が上昇し、かつその膜厚が薄くなる。したがって、チャネルがオンとされた状態でゲート絶縁膜２０に圧力が作用すると、チャネル領域４５に誘起される伝導キャリア数が圧力に応じて単調増加し、チャネル電流が増加する。また、ゲート絶縁膜２０に作用した圧力は、その基板１０側すなわちチャネル領域４５にも作用し、チャネル領域４５における有機半導体層４０が圧縮される。有機半導体層４０が圧縮されることにより、チャネル領域４５を伝導キャリアが移動しやすくなり、圧力に応じてチャネル電流が単調増加する。

このように、有機トランジスタ１００に圧力が加わると、この圧力をゲート絶縁膜２０及びチャネル領域４５が感じてこれらの膜圧が変化し、圧力に応じてチャネル電流が単調増加する。このチャネル電流はドレイン電極６０側から出力され前記データ線６を介して検出することができるようになっている。したがって、有機トランジスタ１００に圧力が作用した際には、検出されたチャネル電流の値の変化に基づいて圧力を検出することができる。すなわち、有機トランジスタ１００を感圧素子として機能させることができるようになっている。

例えば、チャネル電流の変化量が所定の閾値よりも大きい場合に、圧力が作用したと判定するようにすれば、圧力が作用していることを知る（検知）することができる。また、例えばチャネル電流の値の変化量がどの程度であるかを検出するようにすれば、加わった圧力の大きさを評価することができる。また、例えば予め所定の圧力に対する有機トランジスタ１００の特性を検定しておくことにより、その検定結果に基づいて圧力の値を算出することもできる。すなわち、ソース電極３０、ゲート電極５０、ドレイン電極６０のそれぞれの電圧等を所定の条件に設定し、所定の圧力に対するチャネル電流の変化を調べておけば、先述のようにチャネル電流は圧力の大きさに対して単調に増加するので、チャネル電流に対応する圧力の値を一意に求める（算出する）ことができる。

また、先述のように圧力センサー１には複数の有機トランジスタ１００がマトリックス状に配置されており、有機トランジスタ１００が前記信号線駆動回路２及び走査線駆動回路４によって個別に駆動されることにより、それぞれチャネル電流を個別に検出することができるようになっている。

以上のような本発明の圧力センサー１にあっては、有機トランジスタ１００自体が感圧素子として機能するようにしているので、感圧シートや圧電素子等が不要なシンプルな構成となり、低コストの圧力センサー１となっている。また、感圧シートや圧電素子が不要となっているので、これらを圧力センサー１に実装する（組み込む）プロセスが不要であり、プロセスが減少することにより圧力センサー１の歩留りが改善されている。また、有機材料からなる有機トランジスタ１００は、無機材料からなる薄膜トランジスタよりも、簡易でありかつコストが低いプロセスで形成されるので、圧力センサー１は無機材料からなる薄膜トランジスタを用いた圧力センサーよりも低コストのものとなっている。また、有機トランジスタは低温プロセスで製造できるため、プラスチック基板やフィルム等を用いることができ、大面積化に対応可能であり、フレキシブルで軽量、かつ壊れにくい圧力センサーとすることができる。

このように本発明の圧力センサーは様々な特長を有するので、様々な用途に好適に用いることができる。フレキシブルな圧力センサーとすることができるので、曲面を含んで構成された物体や変形する物体等に作用する圧力を検出する手段として、例えば人工皮膚等に用いることもでき、本発明の効果により低コストの人工皮膚とすることができる。また、軽量で壊れにくいので携帯性に優れており、例えば携帯電話や電子ペーパー等の電子機器においてタッチパネルあるいはタブレット等の入力手段として用いることができ、このような電子機器を低コストのものとすることができる。また、指紋センサー等の識別手段としても用いることができ、指紋センサーを備えたデバイスを低コストとすることができる。

また、本実施形態のように、感圧部として機能するゲート絶縁膜２０やチャネル領域４５に対応させて突起部７０を有する構成とすれば、これら感圧部に集中的に圧力を作用させることができ、圧力センサー１の感度を向上させることができる。また、塗布法を用いて形成されたゲート絶縁膜２０を用いることにより、ゲート絶縁膜２０の圧力に対する感度を高めることができ、圧力センサー１の感度を向上させることができる。また、複数の有機トランジスタ１００を、本実施形態のようにマトリックス状に配置して圧力センサー１を構成することにより、各有機トランジスタ１００の検出結果に基づいて有機トランジスタ１００配置面における圧力の分布を検出することもできる。

また、後述する実施例のように、例えばソース電極３０、ゲート電極５０、ドレイン電極６０のそれぞれの電圧等を所定の条件に設定し、所定の圧力に対するチャネル電流の変化を調べておくことにより、圧力センサー１の特性を調べておくことができる。このように圧力センサー１の特性を既知としておくことにより、特性とチャネル電流の変化とを比較して各有機トランジスタ１００に作用した圧力の大きさを知ることもできる。また、圧力センサー１の特性に基づいて圧力を算出する算出手段、例えばＰＣや演算素子等を有する構成とすることにより、圧力の値を容易に得ることができ、様々な用途に利用可能な圧力センサーとなる。

なお、本実施形態では、ソース電極３０及びドレイン電極６０の材料として同じ材料を用いたが、互いに異なる材料を用いて構成してもよい。また、本実施形態では主として、圧力が正圧、すなわち感圧部が圧縮される例を用いて説明したが、負圧である場合にも同様にこれを検知することができる。つまり、圧力センサー１の上面側が低圧となった場合等、基板１０と圧力センサー１の上面側との間に引張応力が働く場合には、感圧部にこれを伸長させる圧力が作用し、例えばゲート絶縁膜２０が厚くなり、かつ比誘電率が低下することによりチャネル電流が小さくなる。したがって、真空度等の低圧を検出することや、圧力センサー１の上面側に接着剤等で密着させた薄膜等を引き剥がすことによりその密着力あるいは接着剤の接着力等を検出することもできる。また、本実施形態では、前記突起部７０が保護膜８０内に設けられているが、保護膜８０上に設けるようにしてもよい。

なお、本実施形態では、トップゲート・ボトムコンタクト型の構造の有機トランジスタ１００を例に用いて説明を行ったが、その他の構造の有機トランジスタを用いることもできる。図２（ａ）〜（ｄ）は、有機トランジスタの代表的な構造例を示す側断面構成図である。
図２（ａ）は、先述の実施形態の有機トランジスタ１００に採用したトップゲート・ボトムコンタクト型の構造例であり、ゲート電極５０が有機半導体層４０に対して、基板１０の反対側（トップ）に配置されている。また、ソース電極３０及びドレイン電極６０が、有機半導体層４０中又はこれに接触して、有機半導体層４０における基板１０側（ボトム）に配置されている。
図２（ｂ）は、トップゲート・トップコンタクト型の構造例であり、ゲート電極５０が有機半導体層４０に対して、基板１０の反対側（トップ）に配置され、ソース電極３０及びドレイン電極６０が、有機半導体層４０における基板１０の反対側（トップ）に配置されている。
図２（ｃ）は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の構造例であり、ゲート電極５０が有機半導体層４０に対して、基板１０側（ボトム）に配置され、ソース電極３０及びドレイン電極６０が、有機半導体層４０における基板１０側（ボトム）に配置されている。
図２（ｄ）は、ボトムゲート・トップコンタクト型の構造例であり、ゲート電極５０が有機半導体層４０に対して、基板１０側（ボトム）に配置され、ソース電極３０及びドレイン電極６０が、有機半導体層４０における基板１０の反対側（トップ）に配置されている。

このような各種構造の有機トランジスタを、圧力センサーの用途や材料等に応じて、適宜選択して採用することができる。例えば、図２（ｃ）又は図２（ｄ）に示したように、圧力センサーの上面側に有機半導体層４０を設ける場合に、ゲート絶縁膜２０を硬質のものとし、主として有機半導体層４０のみを感圧部として機能させることもできる。このようにすれば、感圧部の特性が主として有機半導体層４０の特性で定まるので、所定の特性の圧力センサーを設計する際に、設計が容易化される。

（変形例）
本発明の技術範囲は、前記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。以下、いくつかの変形例について図を参照しつつ説明する。

図３（ａ）は、変形例１を示す側断面構成図である。変形例１が、前記実施形態と異なる点は、突起部７０を有することなく圧力センサーを構成した点である。また、変形例１では、ゲート電極５０を厚くすることにより、圧力センサーの上面側から加わった圧力をゲート電極５０に集中的に作用させることにより、ゲート電極５０の基板１０側、すなわち感圧部に圧力を良好に作用させるようにしている。

図３（ｂ）は、変形例２を示す側断面構成図である。変形例２が、前記実施形態と異なる点は、有機トランジスタ１００と基板１０との間に、下地膜１５を有している点である。下地膜１５は、基板１０及び感圧部よりも硬質のもの、すなわち変形しにくいものが好ましい。下地膜１５の材料としては、有機材料、無機材料いずれでもよいが、一般に無機膜は硬度が高い為にこのような用途には適しており、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミ、酸化タンタル等の金属酸化物、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウムチタン酸鉛等の金属複合酸化物といった膜を１ 種または２ 種以上を組み合わせて用いることができる。

このようにすることで、基板１０が柔軟な材料からなっており変形しやすい場合でも、基板１０が変形することにより感圧部に加わった圧力が緩和されることが抑制される。したがって、基板１０の材料としては、硬さに制約されること無く耐候性や耐刷性に優れた材料、あるいは滑り防止等の機能を付与する材料等を選択することができ、幅広い使用条件に対応可能な圧力センサーとすることができる。

図３（ｃ）は、変形例３を示す側断面構成図である。変形例３が、前記実施形態と異なる点は、ゲート絶縁膜２０を複数層で構成している点である。本変形例では、ゲート電極５０との密着層として機能させる第１ゲート絶縁膜２１と、感圧部として機能させる第２ゲート絶縁膜２２と、有機半導体層４０との密着層として機能させる第３ゲート絶縁膜２３と、からなる３層構造のゲート絶縁膜２０としている。このように、複数種の機能のうち特定の機能に優れた単層を組み合わせてゲート絶縁膜２０を構成することにより、通常のゲート絶縁膜としての機能を損なうことなく感圧部として十分に機能させることができる。なお、２層または４層以上の構成としてもよく、絶縁破壊電圧が高い層を有する構成としてもよい。また、面方向に異なる機能を有するように構成してもよく、例えばチャネル領域４５上のみを柔軟な材料からなる層としてもよい。

（実施例）
次に、本発明の圧力センサーの具体的な実施例として、具体的な製造方法の例と製造された圧力センサーの特性の例を説明する。なお、本実施例は前記実施形態で説明した圧力センサー１の製造方法及び特性を例示するものである。

図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、圧力センサー１の製造方法の一例を示す断面構成図である。
まず、ポリイミドからなる厚さ２００μｍの基板１０を、イソプロピルアルコールを溶媒として５分間の超音波洗浄を行った後これを乾燥させて、基板１０表面の脱脂処理を行った。次に、基板１０を抵抗加熱式蒸着装置にセットして、成膜室を１０^−４Ｐａまで真空排気した後に金を１００ｎｍの厚さで成膜した。加熱によって上方に飛散した金はメタルスルーマスクＭに設けられた開口部を通って基板１０に蒸着される。このようにして、図４（ｂ）に示すように、ソース電極３０、ドレイン電極６０の形状に対応する電極パターンを形成した。

次に、ソース電極３０及びドレイン電極６０が形成された基板１０の表面の洗浄を行う為に酸素プラズマによる表面処理を行った。表面処理は、プラズマ処理装置としてサムコインターナショナル研究所社製ＰＸ１０００を用い、パワー２００Ｗ、処理時間５分間、酸素流量１００ｓｃｃｍ、アルゴン流量１００ｓｃｃｍ、という条件で行った。

次に、有機半導体材料であるＰ３ＨＴ（ポリ（３ − ヘキシルチオフェン））を０.５ｗｔ％の濃度でキシレンに溶解させた塗布溶液を調整した。そして、図４（ｂ）に示すように、少なくとも基板１０におけるソース電極３０とドレイン電極６０の間のチャネル領域４５となる部分に、前記塗布溶液をインクジェット塗布装置で塗布した。そして、予め１００度の温度に加熱しておいた乾燥オーブン内で１０分間乾燥させて、溶媒のキシレンを除去し、有機半導体層４０の形成を行った。

なお、有機半導体層４０を形成する前に、これを良好に形成するために基板１０の表面処理を行うことも可能である。この処理は例えばヘキサメチルジシラザン、シクロヘキセン、オクタデシルトリクロロシラン等の表面改質剤を用いた表面処理、アセトンやイソプロピルアルコール等を用いた有機洗浄処理、塩酸や硫酸、酢酸等の酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、アンモニア等のアルカリ処理、ＵＶオゾン処理、フッ素化処理、酸素やアルゴン等のプラズマ処理、ラングミュアブロジェット膜の形成処理が挙げられ、これらのうち１種、または２種以上の処理を用いることができる。これらの処理は基板１０全面に均一に行う事も可能であるし、例えば有機半導体層４０を形成する部分もしくは形成しない部分にだけ行うと言ったパターン処理を行う事も可能である。

次に、ポリイミド溶液を基板１０にスピンコート法で塗布し、これを６０度の温度に加熱しておいたホットプレート上に１時間放置して加熱し溶媒を除去した。このようにして、図４（ｃ）に示すように、厚さ１μｍのゲート絶縁膜２０を基板１０上に一様に形成した。なおＸ線反射率測定法を用いて、ゲート絶縁膜２０の膜密度を測定した所、０.９ｇ/ｃｍ^３であり、低密度で絶縁性も良好なゲート絶縁膜２０が形成されていることが確認できた。

次に、ゲート絶縁層２０上におけるチャネル領域４５上に対応する部分に、銀微粒子の水分散液をインクジェット塗布装置で塗布した後、８０度の温度に加熱したホットプレート上に１０分間放置して前記水分散液の分散媒を乾燥した。このようにして、図４（ｄ）に示すように、幅５０μｍ、平均厚さ２００ｎｍのゲート電極５０を形成した。

次に、ゲート電極５０に圧力が加わった際に、この圧力がゲート電極５０の基板１０側に集中的に伝わるように、図５（ａ）に示すように、ゲート電極５０上に突起部７０を形成した。突起部７０は、ゲート電極５０を含むゲート絶縁膜２０上におけるチャネル領域４５上と対応する部分のみに、熱硬化性エポキシの樹脂をインクジェット法で塗布して、１００度の温度で２０分間加熱することにより形成した。突起部７０の厚さとしては２０μｍとした。

次に、図５（ｂ）に示すように、コンタクトホール２５をレーザー照射によって形成して、コンタクトホール２５内を含むゲート絶縁膜２０上の所定位置にインクジェット銀微粒子の水分散液をインクジェット塗布装置で塗布し、ドレイン電極６０からの電流（チャネル電流）を読み出す為のデータ線６を形成した。そして、データ線６、突起部７０を覆って電極の保護層８０を形成し、走査線駆動回路４（図１（ａ参照））、信号線駆動回路２（図１（ａ参照））を取り付けることによって、図５（ｃ）に示すような圧力センサー１が得られた。

以上のようにして得られた圧力センサー１の特性について、圧力センサー１を構成するに有機トランジスタ１００の特性が、圧力によってどのように変化するかを調査した結果を以下に示す。

図６は、有機トランジスタ１００の伝達特性の圧力依存性を示すグラフである。横軸はゲート電極５０に印加されたゲート電圧［Ｖ］、縦軸はドレイン電極６０側から出力される電流であるドレイン電流（チャネル電流）［Ａ］を示している。ソース電極３０とドレイン電極６０との間の電圧であるドレイン電圧としては、−４０［Ｖ］の一定電圧を印加している。また、条件Ａは圧力を加えていない初期状態、条件Ｂは１ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を加えた状態、条件Ｃは１．５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を加えた状態、をそれぞれ示している。

図６に示すように、各ゲート電圧において、条件Ｂでは条件Ａよりもチャネル電流の値が大きくなっており、条件Ｃでは条件Ｂよりもドレイン電流の値が大きくなっている。このように、有機トランジスタ１００に加えられた圧力に応じてドレイン電流が大きくなっており、有機トランジスタ１００が感圧素子として機能していることが確認された。また、このようにドレイン電流の値と圧力との関係を調査しておくことで、所定のドレイン電圧、所定のゲート電圧を印加した時に、出力されるドレイン電流値を読み取ることにより有機トランジスタ１００に加わっている圧力を算出することができることが確認された。

（ａ）は、圧力センサーの平面概略図、（ｂ）は側断面構成図である。 （ａ）〜（ｄ）は、有機トランジスタの構造例を示す側断面構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、変形例１〜３を示す側断面構成図である。 （ａ）〜（ｄ）圧力センサーの製造方法の実施例を示す断面工程図である。 （ａ）〜（ｃ）圧力センサーの製造方法の実施例を示す断面工程図である。 有機トランジスタ１００の伝達特性の圧力依存性を示すグラフである。

符号の説明

１・・・圧力センサー、２・・・信号線駆動回路、３・・・信号線、４・・・走査線駆動回路、５・・・走査線、６・・・データ線、１０・・・基板、２０・・・ゲート絶縁膜、３０・・・ソース電極（ソース領域）、４０・・・有機半導体層、４５・・・チャネル領域、５０・・・ゲート電極、６０・・・ドレイン電極（ドレイン領域）、７０・・・突起部、８０・・・保護膜

Claims (9)

1. 基板と該基板上に設けられた有機トランジスタとを備え、前記有機トランジスタは、
   有機半導体層と、
   前記有機半導体に接触して設けられたソース領域及びドレイン領域と、
   前記有機半導体層内に設けられ、かつ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルとなるチャネル領域と、
   前記チャネル領域に電界を印加可能なゲート電極と、
   前記チャネル領域と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有してなり、前記チャネル領域及び／又は前記ゲート絶縁膜を感圧部とし、感圧部で感圧した際に特性変化を生じることで感圧素子として機能することを特徴とする圧力センサー。
2. 前記有機トランジスタは、前記感圧部が感圧した際にその膜厚が変化することで特性変化を生じることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記ゲート絶縁膜は、有機材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサー。
4. 前記ゲート絶縁膜は、液相法で形成されてなることを特徴とする請求項１〜３に記載の圧力センサー。
5. 前記ゲート絶縁膜の膜密度が、１．５ｇ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力センサー。
6. 前記ゲート絶縁膜は、複数層からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサー。
7. 前記有機トランジスタの前記基板と反対の側における前記チャネル領域と対応する部分に、突起部を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力センサー。
8. 前記基板と前記有機トランジスタとの間に、前記基板及び前記感圧部よりも硬質の材料からなる下地膜を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧力センサー。
9. 前記有機トランジスタの特性変化に基づいて圧力を算出する算出手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧力センサー。

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