JP2009060056A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】有機電界効果トランジスタ単体からなる圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ１は、有機半導体からなるチャンネル５と、チャンネル５に接して設けられるゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３に接して設けられるゲート電極４と、チャンネル５に接して設けられるソース電極６及びドレイン電極７と、からなるトランジスタ構造を有し、チャンネルが圧力印加部５Ａとなる。有機電界効果トランジスタからなる簡単な構成にでき、有機材料から構成することができるので、大面積の圧力センサを容易に実現することができる。この圧力センサ１は、溶液法により製作することができるので低コストである。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力センサに関し、詳しくは、有機半導体薄膜からなるトランジスタによる圧力センサに関する。

圧力センサは、圧電素子、Ｓｉ基板に形成したダイヤフラムを用いた素子など種々の方式がある。

近年、柔軟性のある圧力センサとして、高配向性の窒化アルミニウム薄膜を用いた箔状センサが開発されている。高配向性窒化アルミニウム薄膜はスパッタリング法で成膜されているので、圧力センサ素子が非常に高価になる。この場合、多結晶構造材料の上に高Ｃ軸配向性窒化アルミニウム薄膜を作製するための作製条件は最適化が難しく、圧力センサ素子作製が簡単ではない。また、素子作製に長時間を要していた。

有機電界効果トランジスタを用いた圧力センサとしては、圧力センサフィルムと有機電界効果トランジスタを組み合わせた素子からなる圧力センサが知られている（非特許文献１参照）。

ところで、有機材料は、無機半導体材料を中心とする現在のエレクトロニクスを一層発展させる上で無機材料と相補的な特徴を持ち、様々な観点より活発に研究が進められている。有機材料は軽量・柔軟性・耐衝撃性に優れ、大面積に適応可能、分子の持つ豊富な機能を利用でき(多機能性)、優れた選択制や自己組織を発現、低コストプロセスに適応可能など、無機デバイスには無い特徴を多く持ち合わせているため、新たなる時代のエレクトロニクス材料として有望である。

特に、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイは有望視され、有機ＥＬ素子の研究が発展し、部分的ではあるが実用化されている。その他応用機器として、フレキシブルシートディスプレイ、電子ペーパー等のディスプレイ分野、プラスチックＩＣカード、情報タグ等の携帯・ウエアラブル電子機器、生体分子の持つ特異な機能を利用するバイオセンサ等の医療応用分野にも期待が集まっている（非特許文献２、３参照）。

π共役系高分子は優れた非線形光学および半導体特性を示し、光スイッチや有機ＦＥＴ素子の材料として応用が期待されており、近年活発に研究されている。プロセス優位性を発揮するためには、溶液プロセスが適応できる方が有利で、高価な真空装置や光リソグラフィーを用いるシリコンと比べて圧倒的なコスト削減が期待できる。有機半導体のキャリア移動度は一般にＳｉと比べて桁違いに低く実用化にはほど遠いと考えられてきたが、新規材料の開発、デバイス製造技術の向上により有機半導体材料のキャリア移動度は年々増加傾向にあり、有機半導体低分子材料であるペンタセン（Ｃ₂₂Ｈ₁₄）ではすでにアモルファス以上の移動度領域まで達成されており、その向上が著しい。

有機薄膜トランジスタの電気特性には、半導体材料のバルク物性であるキャリア密度、キャリア移動度、バルクトラップ準位だけではなく、絶縁体と有機半導体との界面や電極と有機半導体との界面などの様々な界面物性の影響が強く現れる。また界面での有機分子の配向、配列は有機分子と電極金属の相互作用に関わり、その理解による分子配向制御は素子の電荷注入効率や移動度の向上につながる（非特許文献４参照）。

ポリチオフェンなどのπ共役系高分子は有機溶媒可溶な電導性高分子材料であり、有機電界効果トランジスタ(ＯＦＥＴ)素子などへの応用が期待されており、近年活発に研究されている。

I. Manunza, A. Sulis, A. Bonfiglio "Pressure sensing by flexible, organic, field effect transistors", Applied Physics Letters, Vol.89, No.3, pp. 143502-1〜143502-3, 2006 T.Someya and T.Sakurai,"Integration of Organic Field-Effect Transistors and Rubbery Pressure Sensors for Artificial Skin Applications",2003 IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM), #8.4, Technical Digest, 203, 2003 工藤一浩 著、「有機トランジスタ材料の評価と応用」、シーエムシー出版、ｐｐ．３−８、２００５年 技術情報協会、「有機トランジスタの動作性向上技術」、ｐｐ．２５−３５、６４−６６、２００３年

従来の圧力センサフィルムと有機電界効果トランジスタとを組み合わせた圧力センサでは、圧力センサフィルムを使用しているため、圧力センサ素子の小形、軽量化ができない。さらに、素子が厚くなるため柔軟性が乏しく、有機電界効果トランジスタの作製に真空蒸着装置を用いているため素子が高価になるという課題がある。

さらに、圧力センサフィルムと有機電界効果トランジスタの接続を必要とし、その配線が必要となり、多数の複雑な作製工程が必要であり、マトリクス中の圧力センサの歩留まりが悪く、しかも、圧力センサ作製に長時間を要するという課題がある。

本発明は上記課題に鑑み、有機電界効果トランジスタ単体からなる圧力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の圧力センサは、有機半導体からなるチャンネルと、チャンネルに接して設けられるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、チャンネルに接して設けられるソース電極及びドレイン電極と、からなるトランジスタ構造を有し、チャンネルが圧力印加部となることを特徴とする。

上記構成によれば、チャンネルに印加される圧力によりトランジスタの電流ドレイン電流が変化し、有機半導体からなるトランジスタを圧力センサとして使用することができる。

上記構成において、ゲート絶縁膜におけるチャンネル側には、好ましくは配向層が設けられる。有機半導体は、好ましくは、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）からなる。ゲート絶縁膜は、好ましくは、有機物からなる。有機物は、好ましくは、ポリ（４−ビニルフェニール）からなる。配向層は、ポリ（４−ビニルフェニール）が好ましく、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）により処理された層からなる。

上記構成によれば、圧力センサを有機材料からなるトランジスタにより構成することができる。

上記構成において、圧力センサは、好ましくは樹脂からなる基板上に形成されている。基板は、好ましくはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなる。

上記構成によれば、圧力センサが全て有機物から構成されているので、柔軟性がある圧力センサが得られる。

本発明によれば、圧力センサが有機電界効果トランジスタからなる簡単な構成であり、有機材料から構成することができるので、大面積の圧力センサを容易に実現することができる。本発明の圧力センサは、溶液法により製作することができるので低コストである。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は本発明の圧力センサの構成例を示す模式的な断面図である。図１に示すように、本発明の圧力センサ１は、基板２と、基板２上に形成されたゲート絶縁膜３と、このゲート絶縁膜３と基板２との間に配設されるゲート電極４と、ゲート絶縁膜３上に形成されるチャンネル５と、主電極となるソース電極６及びドレイン電極７とからなる有機半導体電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）から構成されている。

図１に示す圧力センサ１の場合には、ソース電極６及びドレイン電極７は、ゲート絶縁膜３上に形成されている。ゲート電極４はゲート絶縁膜３で覆されている。ゲート電極４は、ゲート絶縁膜３を介してチャンネル５と対向する位置に配置されている。つまり、チャンネル５は、ゲート絶縁膜３上に形成されるソース電極６とドレイン電極７との隙間を埋めると同時にソース電極６及びドレイン電極７を被覆し、断面は略Ｔ字状の形状を有している。ソース電極６及びドレイン電極７は、チャンネル５に接して設けられている。ゲート絶縁膜３がチャンネル５に接して設けられており、ゲート絶縁膜５に接してゲート電極４が設けられている。

基板２は、プラスチック樹脂からなる材料を使用することができる。基板２の材料としては、ポリエチレンナフタレート（polyethlene naphtalete：以下、ＰＥＮとも呼ぶ）やポリエチレンテレフタレート（polyethlene telephtalete：以下、ＰＥＴとも呼ぶ）のような熱可塑性樹脂を用いることができる。

チャンネル５は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）のような有機半導体薄膜からなる。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）は、以下適宜にＰ３ＨＴとも呼ぶ。この有機半導体薄膜５の導電型は、ｎ型またはｐ型とすることができる。

ゲート絶縁膜３は、架橋したポリ（４−ビニルフェニール）のような有機絶縁膜を用いることができる。

本発明の圧力センサ１の寸法は、その用途に応じて所定の印加電圧やドレイン電流が得られるようにすればよい。基板２上に積層されるチャンネル５の厚さは、例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすることができる。ソース電極６及びドレイン電極７との間隔、つまりゲート長は、例えば、１０μｍ〜１００μｍとすることができる。

本発明の圧力センサ１の動作について説明する。
図２は、本発明の圧力センサ１の動作を模式的に示す電流電圧特性である。図の横軸はドレイン電圧（任意目盛）であり、縦軸はドレイン電流（任意目盛）である。図２に示すように、本発明の圧力センサ１は、チャンネル５の上部へ圧力９が印加されることで、ソース電極６とドレイン電極７の間に流れるドレイン電流（Ｉｄｓ）が変化する。つまり、チャンネル上部が圧力印加部５Ａとなる。この際、ドレイン電流は圧力９に応じて変化するので、ドレイン電流の変化を検出することで圧力９を検出することができる。

図３は本発明の圧力センサの別の構成例を示す模式的な断面図である。図３に示す圧力センサ１０が、図１に示す圧力センサ１と異なるのは、チャンネル５と接するゲート絶縁膜３の表面に配向層８が設けられている点である。つまり、ゲート絶縁膜３におけるチャンネル５側には、配向層８が設けられている。他の構成は、圧力センサ１と同じであるので説明は省略する。

上記配向層８は、ゲート絶縁膜３上に形成される有機半導体薄膜の結晶性を高める層である。ゲート絶縁膜３が有機絶縁膜の場合の配向層８は、有機絶縁膜をヘキサメチルジシラザン（（ＣＨ₃）₃ＳｉＮＨＳｉ（ＣＨ₃）₃：以下、適宜にＨＭＤＳとも呼ぶ）により処理することで形成することができる。

配向層８上に形成された有機半導体薄膜からなるチャンネル５は、その移動度が向上する。移動度の向上により、ＦＥＴのドレイン電流も上昇する。したがって、圧力センサ１０は、図１の圧力センサ１と同じ寸法、同一バイアス条件で動作させ、かつ、同じ圧力９を印加した場合には、移動度の向上に比例したドレイン電流の変化が得られる、つまり、圧力９に対する感度を高くすることができる。

本発明の圧力センサ１，１０は、有機電界効果トランジスタそのものが圧力センサ機能を有しているので、小形化や軽量化が容易であり、しかも、柔軟性がある。さらに、圧力センサ部と有機電界効果トランジスタとの組み合わせによる従来の圧力センサと比較して、接続線を必要としない。

本発明の圧力センサ１，１０は、圧力を検出する箇所が、有機電界効果トランジスタのチャンネル５の表面における圧力印加部５Ａであり、有機電界効果トランジスタのドレイン電流変化により圧力９を検出するので、圧力応答速度が有機電界効果トランジスタのスイッチング速度と同等である。つまり、圧力９の検出を瞬時に行うことができる。したがって、加圧除去後の回復速度も瞬時に行うことができる。しかも、本発明の圧力センサ１，１０によれば、従来の圧電素子を用いた圧力センサと同等の高い感度が得られる。

次に、本発明の圧力センサ１の製造方法について説明する。
本発明の圧力センサ１は、基板２上にゲート電極４となる金属層を堆積し、フォトリソグラフィ法とエッチングによりゲート電極４のパターンを形成する。ゲート電極４のパターンが形成された基板２の表面全体に、ゲート絶縁膜３を堆積する。
次に、ゲート絶縁膜３上に金属層を堆積して、真空蒸着法とパターンマスクとによりソース電極６及びドレイン電極７のパターンを形成する。
最後に、ゲート絶縁膜３、ソース電極６及びドレイン電極７のパターン上に所定の厚さのチャンネル５となる有機半導体薄膜を堆積する。

有機半導体薄膜の薄膜堆積方法としては、基板２上に厚さを制御して薄膜が堆積できれば、どの方法を用いて製造してもよいが、好適には、キャスティング法、スピンコート法のような溶液法を用いることができる。これらの方法によれば、堆積に使用する装置が簡単であり、製造コストを低減化できる。

キャスティング法とは、有機薄膜原料を溶媒に溶かした溶液を基板２などに塗布した後、加熱などにより溶媒を蒸発し、硬化させることで有機薄膜を作製する方法である。スピンコート法は、高速回転する回転体であるスピンナーに基板２を載置した後、有機薄膜原料を溶媒に溶かした溶液を基板２に塗布した後、スピンナーにより回転し、薄膜状態とした後で加熱して硬化させる方法である。

圧力センサ１０に配向層８を設ける場合には、ゲート絶縁膜３を形成した後、その最表面を疎水性とすればよい。このような疎水性処理には、例えばＨＭＤＳを使用することができる。

上記圧力センサ１，１０を形成する基板２に、さらに、圧力センサ１，１０からの出力を増幅するトランジスタを同時に形成した集積回路も製造することができる。

本発明の圧力センサ１，１０は、有機電界効果トランジスタに使用するチャンネル５やゲート絶縁膜３を溶液法で作製できるため、大面積化が容易に行うことができる。本発明の圧力センサ１，１０に用いる有機薄膜の作製には、高価な真空蒸着装置などを必要としない。このため、真空蒸着装置等のような物理堆積法と比較して、圧力センサ１，１０の製作時間を短縮することができる。したがって、本発明の圧力センサ１，１０は低コストで製造することができる。

次に、本発明の圧力センサ１の実施例について説明する。
最初に、実施例１の圧力センサの製造方法について説明する。
基板２となるＰＥＮをエタノール、純水により超音波洗浄で各々２０分洗浄した。洗浄したＰＥＮ基板２上にゲート電極４となる金（Ａｕ）を、１５０ｎｍ蒸着した。
その後、ゲート絶縁膜３として、ＰＶＰ（１１ｗｔ％）を用い、架橋剤としてPoly(melamine-co-formaldehyde) methylated （４ｗｔ％）をPropylene glyco monomethyl ether acetate （ＰＧＭＥＡ）で溶かした溶液をスピンコート法(１５００ｒｐｍ，３５秒)により１μｍ成膜した。

次に、ソース電極６及びドレイン電極７となる金（Ａｕ）を、シャドーマスクを用いてＰＶＰ薄膜上に３０ｎｍ蒸着した。
次に、チャンネル５となる有機半導体薄膜を形成した。具体的には、ＰＨ３Ｔをクロロホルムに溶解した溶液を用いで、厚さが１６０ｎｍのＰ３ＨＴをキャスティング法により成膜し、図１に示す圧力センサを作製した。実施例１の圧力センサ１は、チャネル長が５０μｍであり、チャネル幅が１ｍｍである。

ゲート絶縁膜３の成膜後のＰＶＰ薄膜表面をＨＭＤＳ処理を行い、配向層８を形成した以外は、実施例１と同様にして、実施例２の圧力センサ１０を作製した。

実施例の圧力センサの特性について説明する。
図４は、実施例１の圧力センサ１におけるＩＶ特性の一例を示す図である。図の横軸はドレイン電圧Ｖｄｓ（Ｖ）であり、縦軸はドレイン電流Ｉｄｓ（μＡ）である。ＩＶ特性は、ゲート電圧Ｖｇｓをパラメータとしている。
図４から明らかなように、良好なｐ型ＦＥＴの電流電圧特性が得られており、オンオフ比（ＯＮ／ＯＦＦ）が１００以上であることが分かった。別途測定したＶｇｓ−Ｉｄｓ特性から、閾値電圧（Ｖｔｈ）は−２Ｖであった。

図５は、実施例２の圧力センサ１０へ圧力９を印加したときのドレイン電流変化量を示す図である。図の横軸は圧力（Ｎ／ｃｍ²）であり、縦軸はドレイン電流変化（ΔＩｄ：μＡ）である。
図５から明らかなように、０〜２Ｎ／ｃｍ²程度の圧力９を順にかけていったところ、ドレイン電流（Ｉｄ）が増大側へ変化することを確認した。圧力９を０から１Ｎ／ｃｍ²まで変化させたところ、ドレインの変化量は、約０．１μＡである。これから、実施例２の圧力センサ１０が圧力９に応答することが分かる。ドレイン電流変化量は、圧力９の増大に対して、比例的に変化することが分かる。これは加圧により、Ｐ３ＨＴ／ＰＶＰ界面の密着性の向上に伴うトラップ密度の減少、ドレイン電極７とＰ３ＨＴとの界面、ソース電極６とＰ３ＨＴとの界面の接触性向上に伴う接触抵抗の低減に原因することが考えられる。また、一定値以上の圧力９を加えると、電流値が大きく変動し、圧力９を加えていない状態に戻しても電流値が元に戻らない現象が発生することを確認した。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明の圧力センサ１，１０は、小形、軽量でかつ大面積なセンサが容易に得られ、柔軟性があり、しかも低コストであるので、自動車、ヒューマノイドロボット、看護ロボット、産業用ロボット分野、医療機器、看護分野、音響や振動測定などの分野におけるセンサとして利用可能である。

本発明の圧力センサの構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の圧力センサの動作を模式的に示す電流電圧特性である。 本発明の圧力センサの別の構成例を示す模式的な断面図である。 実施例１の圧力センサにおけるＩＶ特性の一例を示す図である。 実施例２の圧力センサへ圧力を印加したときのドレイン電流変化量を示す図である。

符号の説明

１，１０：圧力センサ
２：基板
３：ゲート絶縁膜
４：ゲート電極
５：チャンネル
５Ａ：圧力印加部
６：ソース電極
７：ドレイン電極
８：配向層
９：圧力

Claims (8)

1. 有機半導体からなるチャンネルと、該チャンネルに接して設けられるゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、上記チャンネルに接して設けられるソース電極及びドレイン電極と、からなるトランジスタ構造を有し、
   上記チャンネルが圧力印加部となることを特徴とする、圧力センサ。
2. 前記ゲート絶縁膜における前記チャンネル側には、配向層が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記有機半導体がポリ（３−ヘキシルチオフェン）からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記ゲート絶縁膜が有機物からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサ。
5. 前記有機物がポリ（４−ビニルフェニール）からなることを特徴とする、請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記配向層は、ポリ（４−ビニルフェニール）が、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）により処理された層からなることを特徴とする、請求項２に記載の圧力センサ。
7. 前記圧力センサが樹脂からなる基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサ。
8. 前記基板が、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなることを特徴とする、請求項６に記載の圧力センサ。

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