JP2022040711A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電材料を用いた圧力センサを提供する。【解決手段】絶縁基材と、前記絶縁基材上に配置されたスイッチング素子と、前記絶縁基材及び前記スイッチング素子の上に配置された圧電層と、前記圧電層と前記絶縁基材との間に位置する下地層と、を備え、前記下地層の弾性率は、前記圧電層の弾性率より大きい、圧力センサ。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、圧力センサに関する。

圧電材料を用いて形成された圧電層と、スイッチング素子とを組み合わせて構成された圧力センサが検討されている。圧電層は、デバイスの製造プロセスにおいて分極処理が行われることで所要の圧電性能を得ることができる。圧力センサは、圧力が印加された際に、圧電層に生じた電圧を読み取ることで圧力検出を行う。

国際公開第２０１４／０４５９１４号

本実施形態の目的は、有機圧電材料を用いた圧力センサを提供することにある。

本実施形態によれば、絶縁基材と、前記絶縁基材上に配置されたスイッチング素子と、前記絶縁基材及び前記スイッチング素子の上に配置された圧電層と、前記圧電層と前記絶縁基材との間に位置する下地層と、を備え、前記下地層の弾性率は、前記圧電層の弾性率より大きい、圧力センサが提供される。

図１は、本実施形態に係る圧力センサの概略的な平面図である。 図２は、圧力センサの一部を示す概略的な断面図である。 図３は、図２に示した圧力センサの単位領域を示す平面図である。 図４は、図３においてＡ－Ｂで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。 図５は、図２に示した圧力センサに圧力が印加された状態を示す断面図である。 図６は、第１実施形態の第１変形例を示す断面図である。 図７は、第１実施形態の第２変形例を示す平面図である。 図８は、図７においてＡ－Ｂで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。 図９は、第２実施形態に係る圧力センサの単位領域を示す平面図である。 図１０は、図９においてＡ－Ｃで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。 図１１は、第２実施形態の変形例を示す平面図である。 図１２は、図１１においてＡ－Ｃで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る圧力センサ１００の概略的な平面図である。
本実施形態においては、図示したように第１方向Ｄ１、第２方向Ｄ２、第３方向Ｄ３を定義する。第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は、圧力センサ１００の主面と平行であり、互いに交わる方向である。第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１、第２方向Ｄ２に対して垂直な方向であり、圧力センサ１００の厚さ方向に相当する。第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２は、本実施形態では垂直に交わるが、垂直以外の角度で交わってもよい。本明細書において、第３方向Ｄ３を示す矢印の先端に向かう方向を「上」と称し、矢印の先端から逆に向かう方向を「下」と称する。また、第３方向Ｄ３を示す矢印の先端側に圧力センサ１００を観察する観察位置があるものとし、この観察位置から、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２で規定されるＤ１－Ｄ２平面に向かって見ることを平面視という。

圧力センサ１００は、複数の走査線１、複数の信号線２、複数のスイッチング素子ＳＷ、絶縁基材１０、走査線ドライバＤＲ１、信号線ドライバＤＲ２を有している。走査線１、信号線２、スイッチング素子ＳＷ、走査線ドライバＤＲ１、信号線ドライバＤＲ２は、絶縁基材１０の上に配置されている。複数の走査線１は、それぞれ第１方向Ｄ１に延出し第２方向Ｄ２に並んでいる。複数の走査線１は、それぞれ走査線ドライバＤＲ１に接続されている。複数の信号線２は、それぞれ第２方向Ｄ２に延出し第１方向Ｄ１に並んでいる。複数の信号線２は、それぞれ信号線ドライバＤＲ２に接続されている。複数のスイッチング素子ＳＷは、それぞれ走査線１と信号線２との交差部に位置し、走査線１及び信号線２と電気的に接続されている。なお、スイッチング素子ＳＷの構成の詳細については後述する。

また、本実施形態においては、隣り合う２本の走査線１と、隣り合う２本の信号線２とによって囲まれた領域を単位領域ＡＲと定義する。単位領域ＡＲは、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２にマトリクス状に並んでいる。

図２は、圧力センサ１００の一部を示す概略的な断面図である。
圧力センサ１００は、絶縁基材１０と、信号線２やスイッチング素子ＳＷ等を含む構成層２０と、下地層ＥＴと、有機圧電層ＰＺと、第２電極ＥＬ２と、封止層３０と、を備えている。

絶縁基材１０は、可撓性を有し、例えば、ポリイミドで形成されている。構成層２０は、絶縁基材１０の上に位置し、信号線２、スイッチング素子ＳＷ、無機絶縁膜、有機絶縁膜などを含んでいる。

下地層ＥＴは、有機圧電層ＰＺと絶縁基材１０との間に位置している。下地層ＥＴの弾性率は、有機圧電層ＰＺの弾性率より大きい。下地層ＥＴは、例えば、後述する第１電極ＥＬ１であってもよいし、無機絶縁膜であってもよいし、金属膜であってもよい。下地層ＥＴは、厚さＴ１を有している。また、有機圧電層ＰＺは、厚さＴ２を有している。厚さＴ１は、厚さＴ２以下である。厚さＴ２は、例えば、３～５μｍである。図示した例では、下地層ＥＴは、島状の第１部分ＥＴ１、第２部分ＥＴ２、第３部分ＥＴ３を有している。それぞれの第１部分ＥＴ１、第２部分ＥＴ２、第３部分ＥＴ３の間は離間しており間隙ＧＰが形成されている。下地層ＥＴが島状に形成されているため、平面視で、下地層ＥＴの占める面積は、有機圧電層ＰＺの占める面積より小さい。
なお、１つの単位領域ＡＲに下地層ＥＴの１つの部分が配置されているが、この例に限らない。複数の単位領域ＡＲに亘って１つの下地層ＥＴが配置されていても良い。

有機圧電層ＰＺは、第１部分ＥＴ１、第２部分ＥＴ２、第３部分ＥＴ３、第１部分ＥＴ１と第２部分ＥＴ２との間の間隙ＧＰ、第２部分ＥＴ２と第３部分ＥＴ３との間の間隙ＧＰに重なっている。有機圧電層ＰＺは、有機圧電材料によって形成され伸縮性を有している。有機圧電層ＰＺは、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いて形成されている。有機圧電層ＰＺは、塗布された後、例えば熱によって硬化される。有機圧電層ＰＺは、圧力を加えると電圧が発生し、この電圧がスイッチング素子ＳＷなどで読み取られる。このように、有機圧電層ＰＺが形成されることによって、圧力センサ１００に圧力を検出する機能を付加することができる。

また、有機圧電層ＰＺは、圧力センサ１００の略全面に亘って形成されている。そのため、圧力センサ１００の全面に圧力検出の機能を付加することができる。絶縁基材１０がフレキシブルな材料で形成されているため、湾曲させた状態で圧力をセンシングすることが可能な圧力センサ１００を形成することができる。また、有機圧電層ＰＺは、パターニング時に材料が劣化する、熱に弱いなどの特性を有するため、パターニングが困難である。しかし、本構成では、有機圧電層ＰＺを圧力センサ１００の全面に塗布するため、有機圧電層ＰＺのパターニングが不要である。そのため、パターニングのプロセスが増加せず、低コストで圧力センサ１００を形成することができる。

第２電極ＥＬ２は、有機圧電層ＰＺの上に位置している。封止層３０は、第２電極ＥＬ２及び有機圧電層ＰＺの上に位置している。すなわち、図示した例では、第２電極ＥＬ２は、有機圧電層ＰＺと封止層３０との間に位置している。封止層３０は、ポリ－ｐ－キシリレン（ＰＰＸ:Ｐｏｌｙ－ｐａｒａ－ｘｙｌｙｌｅｎｅｓ）構造体、例えばパリレン（登録商標）で形成されている。

図３は、図２に示した圧力センサ１００の単位領域ＡＲを示す平面図である。図３は、第１電極ＥＬ１が下地層ＥＴに相当する場合を示している。
走査線１ａ及び１ｂは、それぞれ第１方向Ｄ１に延出し第２方向Ｄ２に並んでいる。信号線２ａ及び２ｂは、それぞれ第２方向Ｄ２に延出し第１方向Ｄ１に並んでいる。図示した例では、単位領域ＡＲは、走査線１ａ及び１ｂと、信号線２ａ及び２ｂとによって定義されている。

スイッチング素子ＳＷは、ソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥ、半導体層ＳＣ、ゲート電極ＧＥを備えている。
ソース電極ＳＥは、信号線２ａから第１方向Ｄ１に突出している。ドレイン電極ＤＥは、信号線２ａ及び２ｂと同一材料によって形成され、島状に形成されている。ドレイン電極ＤＥは、信号線２ａと信号線２ｂとの間に配置されている。なお、スイッチング素子ＳＷにおいて、ドレイン電極ＤＥはソース電極と称される場合がある。

半導体層ＳＣは、その一部分がソース電極ＳＥと重なるように配置され、他の部分が単位領域ＡＲの内側に延出している。半導体層ＳＣは、走査線１ｂと交差している。走査線１ｂにおいて、半導体層ＳＣと重畳する領域がゲート電極ＧＥとして機能する。半導体層ＳＣは、その一端部ＳＣＡにおいてソース電極ＳＥと電気的に接続され、また、その他端部ＳＣＢにおいてドレイン電極ＤＥと電気的に接続されている。

第１電極ＥＬ１は、走査線１ａ及び１ｂと、信号線２ａ及び２ｂとによって囲まれた内側に位置している。第１電極ＥＬ１は、コンタクトホールＣＨを介してドレイン電極ＤＥと接続されている。図示した例では、第１電極ＥＬ１が下地層ＥＴに相当するため、単位領域ＡＲ当たりに１つの下地層ＥＴが配置されている。

図４は、図３においてＡ－Ｂで示す圧力センサ１００の一部の概略的な断面図である。
絶縁膜１１は、絶縁基材１０を覆っている。ゲート電極ＧＥは、絶縁膜１１の上に位置している。絶縁膜１２は、ゲート電極ＧＥ及び絶縁膜１１を覆っている。半導体層ＳＣは、絶縁膜１２の上に位置している。ソース電極ＳＥ及びドレイン電極ＤＥは、絶縁膜１２の上に位置し、半導体層ＳＣに接している。絶縁膜１３は、ソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥ、半導体層ＳＣ、絶縁膜１２を覆っている。

絶縁膜１１及び１２は、いずれも、シリコン酸化物（ＳｉＯ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）などの無機絶縁材料によって形成されている。これらの絶縁膜１１及び１２は、それぞれが単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。絶縁膜１３は、有機絶縁材料によって形成されている。

第１電極ＥＬ１は、絶縁膜１３の上に位置している。第１電極ＥＬ１は、絶縁膜１３に形成されたコンタクトホールＣＨを介してスイッチング素子ＳＷに接続されている。有機圧電層ＰＺは、絶縁膜１３及び第１電極ＥＬ１を覆っている。また、有機圧電層ＰＺは、絶縁基材１０及びスイッチング素子ＳＷの上に配置されている。第２電極ＥＬ２は、有機圧電層ＰＺを介して第１電極ＥＬ１と対向している。第２電極ＥＬ２は、第１電極ＥＬ１より上に位置している。つまり、第２電極ＥＬ２は、第１電極ＥＬ１よりも封止層３０側に位置している。なお、図示した例では、第２電極ＥＬ２の下面は有機圧電層ＰＺに接しているが、第２電極ＥＬ２の下面を絶縁膜が覆っていても良い。また、図示した例では、第１電極ＥＬ１の上面は有機圧電層ＰＺに接しているが、第１電極ＥＬ１の上面を絶縁膜が覆っていても良い。

第１実施形態において、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２に電圧を印加した際には、第３方向Ｄ３に沿った縦電界ＥＦ１が発生する。有機圧電層ＰＺに電界をかけることによって、有機圧電層ＰＺに分極処理（ポーリング）を施すことができる。有機圧電層ＰＺには、縦電界ＥＦ１もしくは、図１０において後述するような横電界ＥＦ２を発生させることができる。

図５は、図２に示した圧力センサ１００に圧力Ｐが印加された状態を示す断面図である。圧力Ｐは、圧力センサ１００の上から印加されているものとする。
有機圧電層ＰＺは、下地層ＥＴと重なる位置においては、下地層ＥＴより下側まで変形していない。また、有機圧電層ＰＺは、間隙ＧＰと重なる位置において、下地層ＥＴより下側まで変形している。有機圧電層ＰＺは、間隙ＧＰと重なる位置において、第３方向Ｄ３の変形のみではなく、折り曲がる方向、及び、Ｄ１－Ｄ２平面に対してねじれる方向にも変形する。有機圧電層ＰＺは、分極方向と歪み方向が一致する変形よりも、折り曲がる方向、及び、Ｄ１－Ｄ２平面に対してねじれる方向の変形をした方が高い電圧を得ることができる。そのため、間隙ＧＰを形成することによって、有機圧電層ＰＺからの出力電圧を向上し、圧力検出の感度を向上することができる。

本実施形態によれば、圧力センサ１００は、有機圧電層ＰＺより下に下地層ＥＴを備えている。下地層ＥＴの弾性率は、有機圧電層ＰＺの弾性率より大きい。そのため、有機圧電層ＰＺの変形を下地層ＥＴより下層側まで伝わり難くすることができる。したがって、圧力センサ１００をフレキシブル化するために、絶縁基材１０に可撓性を有する材料を用いたとしても、圧力によって絶縁基材１０が変形するのを抑制することができる。よって、有機圧電層ＰＺに印加された圧力が分散するのを抑制し、有機圧電層ＰＺ自体の変形量を増加させることができる。以上より、有機圧電層ＰＺからの出力電圧を向上し、圧力検出の感度を向上することができる。

なお、図示した例では、第１電極ＥＬ１が下地層ＥＴの役割を兼ねていたが、下地層ＥＴは、第１電極ＥＴ１とは別途設けられていても良い。下地層ＥＴは、図示したように、島状であっても良いし、全面に亘って形成されていても良い。また、下地層ＥＴは、有機圧電層ＰＺより下層に位置していれば良く、図示された位置に限定されない。また、第２電極ＥＬ２は、有機圧電層ＰＺの上に位置していたが、有機圧電層ＰＺの下に位置していても良い。その場合、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２によって形成される電界は、横電界となる。

図６は、第１実施形態の第１変形例を示す断面図である。図６に示す構成は、第１実施形態と比較して、下地層ＥＴが絶縁基材１０を覆っている点で相異している。
下地層ＥＴは、圧力センサ１００の略全面に亘って配置されている。下地層ＥＴは、例えば、無機絶縁膜である。下地層ＥＴの弾性率は、絶縁基材１０の弾性率より大きい。下地層ＥＴが絶縁基材１０上に位置することで、有機圧電層ＰＺの変形が絶縁基材１０に伝わるのを抑制することができる。

図７は、第１実施形態の第２変形例を示す平面図である。図８は、図７においてＡ－Ｂで示す圧力センサ１００の一部の概略的な断面図である。第２変形例は、第１実施形態と比較して、第１電極ＥＬ１がスリットＳＬを有している点で相異している。
ここでは、第１電極ＥＬ１が下地層ＥＴに相当するため、下地層ＥＴがスリットＳＬを有していると換言することができる。有機圧電層ＰＺは、スリットＳＬと重なる位置において、上記した間隙ＧＰと重なる位置での変形と同様の変形をすることができる。つまり、有機圧電層ＰＺは、スリットＳＬと重なる位置において、第３方向Ｄ３の変形のみではなく、折り曲がる方向、及び、Ｄ１－Ｄ２平面に対してねじれる方向にも変形する。そのため、スリットＳＬを形成することによって、有機圧電層ＰＺからの出力電圧を向上し、圧力検出の感度を向上することができる。なお、スリットＳＬの本数、向き、形状は、図示した例に限定されない。

弾性率の関係について、有機膜である絶縁膜１３、有機圧電層ＰＺ、絶縁基材１０の弾性率は互いに略等しく、無機膜である絶縁膜１２の弾性率は、上記有機膜の弾性率より大きく、下地層ＥＴ（第１電極ＥＬ１）の弾性率は、絶縁膜１２の弾性率以上である。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１電極ＥＬ１、第２電極ＥＬ２などの電極を有機圧電層ＰＺの下に形成することにより、電極を形成するためのプロセスにおいて生じる熱が有機圧電層ＰＺに加えられるのを抑制するものである。

図９は、第２実施形態に係る圧力センサ１００の単位領域ＡＲを示す平面図である。図１０は、図９においてＡ－Ｃで示す圧力センサ１００の一部の概略的な断面図である。
第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２は、それぞれ櫛歯状に形成されている。第１電極ＥＬ１は、第１方向Ｄ１に延出した３本の櫛歯部３を有し、第２電極ＥＬ２は、第１方向Ｄ１に延出した３本の櫛歯部４を有している。櫛歯部３及び４は、第２方向Ｄ２に沿って交互に並んでいる。なお、櫛歯部３及び４の本数は図示した例に限らない。

図１０に示すように、第２電極ＥＬ２は、絶縁基材１０と有機圧電層ＰＺとの間に位置している。第１電極ＥＬ１と第２電極Ｅ２は、同層に位置している。第２電極ＥＬ２は、第１電極ＥＬ１と第２方向Ｄ２に対向している。なお、第１実施形態においては、絶縁基材１０は、ポリイミドによって形成されていたが、第２実施形態においては、絶縁基材１０は、ガラスなど高い弾性率を有する材料によって形成されていても良い。また、図示した例では、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２の上面は、有機圧電層ＰＺに接しているが、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２の上面を絶縁膜が覆っていても良い。

例えば、第１実施形態に示したような縦電界ＥＦ１を有機圧電層ＰＺに生じさせる場合には、有機圧電層ＰＺを挟むように上下に電極を形成する。つまり、有機圧電層ＰＺを形成したプロセスの後に第２電極ＥＬ２を形成するプロセスを行う必要がある。ＰＶＤＦのような耐熱性の低い有機圧電材料を用いる場合、有機圧電層ＰＺを形成した後に高温プロセスを実施することができない。そのため、第２電極ＥＬ２が銀インクやＰＥＤＯＴなどの塗布や印刷によって形成され、プロセス負荷が増加する恐れがある。他にも、ガラス等に電極を形成したものを上から貼り付ける方法では、気泡が入るという課題が生じる場合がある。

第２実施形態によれば、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２は、ともに有機圧電層ＰＺの下に形成されている。第２実施形態において、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２に電圧を印加した際には、圧力センサ１００の面方向に沿った横電界ＥＦ２が発生する。圧力センサ１００を横電界駆動とすることで、有機圧電層ＰＺの上の電極が不要となり、プロセス負荷を軽減することができる。

なお、第２実施形態は、第１実施形態と組み合わせることが可能である。つまり、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２を下地層ＥＴとすることができる。もしくは、別途下地層ＥＴを設けても良い。

図１１は、第２実施形態の変形例を示す平面図である。図１２は、図１１においてＡ－Ｃで示す圧力センサ１００の一部の概略的な断面図である。変形例は、第２実施形態と比較して、第２電極ＥＬ２の形状が相異している。
第１電極ＥＬ１は、櫛歯状に形成されている。第１電極ＥＬ１は、第１方向Ｄ１に延出した３本の櫛歯部３を有している。なお、櫛歯部３の本数は図示した例に限らない。第２電極ＥＬ２は、単位領域ＡＲの全領域に亘って配置されている。

図１２に示すように、第２電極ＥＬ２は、絶縁膜１３の上に位置している。絶縁膜１４は、絶縁膜１３及び第２電極ＥＬ２を覆っている。第１電極ＥＬ１は、絶縁膜１４の上に位置している。第１電極ＥＬ１と第２電極ＥＬ２は、絶縁膜１４を介して第３方向Ｄ３に対向している。このような変形例においても、第２実施形態と同様に有機圧電層ＰＺより下に第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２を形成することができる。変形例において、第１電極ＥＬ１及び第２電極ＥＬ２に電圧をかけた際には、圧力センサ１００の面方向に沿った横電界ＥＦ２が発生する。なお、図示した例では、第１電極ＥＬ１の上面は、有機圧電層ＰＺに接しているが、第１電極ＥＬ１の上面を絶縁膜が覆っていても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、有機圧電材料を用いた圧力センサを得ることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…圧力センサ、１０…絶縁基材、ＳＷ…スイッチング素子、ＰＺ…有機圧電層、
ＥＴ…下地層、ＥＴ１…第１部分、ＥＴ２…第２部分、ＥＴ３…第３部分、ＧＰ…間隙、
ＥＬ１…第１電極、ＥＬ２…第２電極、ＳＬ…スリット、Ｔ１、Ｔ２…厚さ。

Claims (9)

1. 絶縁基材と、
   前記絶縁基材上に配置されたスイッチング素子と、
   前記絶縁基材及び前記スイッチング素子の上に配置された圧電層と、
   前記圧電層と前記絶縁基材との間に位置する下地層と、を備え、
   前記下地層の弾性率は、前記圧電層の弾性率より大きい、圧力センサ。
2. 前記下地層は、前記スイッチング素子に接続された第１電極である、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記下地層は、スリットを有する、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記下地層は、無機絶縁膜である、請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記下地層は、島状の第１部分及び第２部分を有し、
   前記圧電層は、前記第１部分、前記第２部分、前記第１部分と前記第２部分との間の間隙に重なっている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記下地層の厚さは、前記圧電層の厚さ以下である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の圧力センサ。
7. さらに、前記第１電極と対向する第２電極を備え、
   前記第２電極は、前記絶縁基材と前記圧電層との間に位置する、請求項２に記載の圧力センサ。
8. 前記第１電極と前記第２電極は、同層に位置する、請求項７に記載の圧力センサ。
9. 前記第１電極と前記第２電極は、絶縁膜を介して対向している、請求項７に記載の圧力センサ。

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