JP4426806B2 - 有機半導体センサー装置 - Google Patents
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Description
本発明は、大略、有機半導体物質を使用した装置及び装置の製造方法に関するものであって更に詳細には、検知機能を実施する有機半導体層を具備するセンサー装置に関するものである。
有機ポリマー物質が、可動電荷キャリアを発生する組成を有することが可能であり、有機半導体装置を製造することを可能とすることは公知である。米国特許第４，２２２，９０３号は、Ｐ型の電気的導電型を選択的に増加させるためにアクセプタードーパントでドープすることが可能なＰ型伝導型ポリアセチレン膜を開示している。半導体物質は、その多数可動電荷キャリアが「ホール」と呼ばれる正電荷キャリアである場合に「Ｐ型」の導電型であると言われる。半導体物質は、その多数可動電荷キャリアが負電荷キャリア即ち「電子」である場合に、「Ｎ型」の導電型であると言われる。
主にモノリシックの結晶シリコンである無機半導体物質は容易に製造され、従ってＮ型及びＰ型の両方の領域をシリコンチップ内に形成することが可能である。更に、無機半導体物質は有機半導体物質よりも一層高い電荷キャリアの移動度を有している。このような特性は、シリコンチップ内のＮ型及びＰ型領域から構成されるＭＯＳＦＥＴ等の種々の顕微鏡的要素を使用してシリコン半導体チップが高速で高密度の半導体アプリケーションを支配的なものとすることを可能とする。然しながら、有機半導体物質は、製造が比較的簡単であり且つ最終の装置コストがより低いという点においてシリコンと比較し利点を有している。有機半導体物質は、又、シリコンを基礎とした装置と比較してある機能的な優位点を有している。例えば、有機半導体装置はシリコン半導体装置の場合に一般的に使用されるのと同じ硬直的な密封した封止型パッケージを必要とするものではない。何故ならば、有機半導体装置は種々の汚染物に対する露呈からの損傷により影響を受けることはより少ないからである。
然しながら、米国特許第６，２５２，２４５号において観察されているように、開発されている制限された数の有機半導体物質はＮ型である。このことは、有機半導体装置の機能性を制限し且つそれらの実際的な適用例を制限していた。米国特許第６，２５２，２４５号において開示されている縮合環テトラカルボキシリックジイミド（ｆｕｓｅｄ−ｒｉｎｇ ｔｅｔｒａｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ｄｉｉｍｉｄｅ）化合物はＮチャンネル及びＰチャンネルの両方の有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）を実際的に製造することを可能とする蓋然性を有しており、それから相補的ＯＴＦＴ回路を構成することが可能である。このような又は同様の有機半導体技術を使用して製造される装置は、現在のシリコンを基礎とした半導体装置の高速スイッチング速度及び回路密度を必要とすることのない実際的な適用例を可能とする複雑な回路機能性を組込むことが可能である。
更に、有機半導体技術のある適用例は、実際的な装置を製造するためにＰ型物質を必要とするに過ぎない場合がある。例えば米国特許第４，２２２，９０３号において記載されているポリアセチレンのような物質について何十年もの古い作業が行われて以来、より高い性能のＰ型物質が当該技術において開示されている。１例として、米国特許第５，９８１，９７０号は比較的高い電界効果移動度を有するＰ型ＯＴＦＴを製造するためにペンタセンを使用することを開示している。
上述した米国特許第４，２２２，９０３号、第５，９８１，９７０号、第６，２５２，２４５号は引用によって本明細書に取込む。これらの特許は、有機半導体物質の分野において近年において表われた広範な研究成果の代表的な数例に過ぎない。以下の本発明についての説明から明らかになる理由により、センサー装置の構成において有機半導体技術を使用することが望ましいものである。
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、有機半導体物質を使用して製造したセンサー装置を提供することを主要な目的とする。
本発明に基づくセンサー装置は、有機半導体物質からなる層内に形成した単一のセンサー要素又は複数個のセンサーセルからなるアレイを有することが可能である。該層は、片側に検知表面を有し且つ反対側にコンタクトを有することが可能である。センサー要素によって検知された条件又はアレイ内の複数個のセンサーセルの各々によって検知された条件を決定するために該コンタクトと通信を行う手段が設けられている。
好適な実現例においては、本発明は、センサー要素が空乏領域の寸法と共に変化する容量を有する有機半導体センサー装置を提供するものである。該容量は、センサー要素の検知表面上又はその近くに存在することのあるオブジェクト即ち物体に応答して変化することが可能であり、それにより空乏領域が変調される。
該センサー要素がアレイ内に配列されている多数のこのような要素又はセルのうちの１つである適用例においては、一度に該アレイのうちの１個のセンサーセルを選択し、該選択したセンサーセルの容量値を検知し、且つその容量値をシステムプロセッサへ通信する回路が設けられる。該システムプロセッサは、経時的シーケンスで該アレイのセンサーセルのうちの全てに対する容量値を受取り且つその容量値データを処理して検知すべきオブジェクト（物体）の特性を決定する。この適用例は指紋検知器において使用するのに適している。
好適な製造方法においては、柔軟性のあるポリマー基板上に有機半導体層を形成する。該有機半導体層を支持する基板の上表面上に剥離可能な膜を設ける。該有機半導体層の露出した表面上にコンタクトをパターン形成し、次いで、それを反転させて第二の永久的な基板上に装着させる。次いで、該柔軟性のあるポリマー基板を剥離し且つ廃棄して、有機半導体層の検知表面を露出させたままとする。
別の適用例によれば、有機半導体層の上に反応性界面層を形成することが可能である。該反応性界面層内に包含される化学物質を供給して、反応性界面層の露出した表面と接触するテスト媒体における物質に対して選択的に反応させる。該反応性界面層内の化学反応がその中における電荷における変化を発生し、それをその下側の有機半導体層内のセンサー要素によって検知する。本発明のこの適用例は、例えば血糖センサー等の廉価で使い捨て可能な生化学的センサーとして使用するのに適している。
図１を参照すると、本発明に基づくセンサー要素が大略参照番号１０で示されている。センサー要素１０は、検知装置における単一のこのような装置として、又はセンサー装置の一部を形成するアレイ内に組込んだこのような多数の要素のうちの１つとしての両方の有用な適用例を有することが可能である。要素１０は、負及び／又は正の可動電荷の領域で用意することが可能な例えばペンタセン等の任意の適宜の有機半導体物質を有することが可能な有機半導体層１２を包含している。その最も簡単な形態においては、有機半導体層１２は、層１２がバイアスされていない状態にある場合に、正の多数の可動の静電荷キャリアの一様な分布を与えるために化学的に構成することが可能である。センサー要素１０は、いずれかの導電型の多数可動電荷キャリアを有する有機半導体物質から構成することが可能である。図１は、Ｐ型の導電型物質の非一様な分布を有する構成を示しており、その場合に、有機半導体層１２の上部表面即ち上側表面から下方へ延在する比較的厚い上部部分１４は軽い濃度のＰ型物質を有しており、且つ層１２の下部表面即ち下側表面に沿っての比較的薄い下部部分１６は、層１２の下部表面上のコンタクトの間の導電度を向上させるために高い濃度のＰ型物質を有している。この非一様なＰ型構成の形成において、層１２は一体的に接着させた２個又はそれ以上の別々に形成した副次的な層からなる複合構造を有することが可能である。
層１２は検知表面１８を画定する上部表面を有しており、検知表面１８は、検知すべき物体又は流体と接触されるか、又は直接的な接触なしで検知されるべき物体と近接状態とされる。センサー要素１０の別の実施例においては、検知表面１８の上に薄い絶縁膜（不図示）を付加することが可能であり、その場合には、検知動作は上側に存在する薄い絶縁膜を介して行われる。層１２の底部表面２０に固定される導電性プレートＰ１及びＰ２は、夫々の端子２２及び２４において印加され且つ検知される入力及び出力信号に対するコンタクトとして作用する。ゲート電極Ｇも導電性プレートＰ１及びＰ２の間の底部表面２０に固定されている。プレートＰ１及びＰ２及びゲート電極Ｇは適宜の金属、金属合金、又はその他の導電性物質を有することが可能である。銀が適切な金属である。好適にはトランジスタとして実現されるスイッチ２６は、ゲート電極Ｇを電圧供給源２８へ選択的に接続させる手段を提供している。層１２が正の多数可動電荷キャリアを包含する実現例においては、電圧供給源２８は正の電圧供給源である。センサー要素１０の種々の適用例の以下の説明から理解されるように、より複雑な構成が本発明によってもくろみられており、その場合に、付加的な層及び導電性、半導体、又は絶縁性物質から形成されるコンポーネント部分を付加することが可能である。
センサー要素１０は２つの動作モードを有している。第一動作モードは導通モードであり、その場合に、ゲート電極Ｇはバイアスされることがなく、スイッチ２６はその開放即ちオフ条件にあり、従ってゲート電極Ｇを電圧供給源２８から切断している。このモードにおいては、プレートＰ１へ印加される入力信号は、層１２の底部表面２０近くのＰ型物質を介してゲート電極Ｇへ、次いで、Ｐ型物質を介してプレートＰ２へ通信させることが可能である。センサー要素１０が以下に説明するように二次元アレイにおける多数のこのような要素又はセルのうちの１つである適用例においては、端子２２及び２４は相互接続されたセルを介して導通経路を与えるために隣接するセンサーセルのプレートへ接続させることが可能である。理解されるように、プレートＰ１及びＰ２は接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）のドレインコンタクト及びソースコンタクトとしてのみならずコンデンサプレートとしても作用する。ＪＦＥＴは、図１に示したようにゲートがバイアスされていない場合に、通常完全にオンしている。
図２及び３は、２つの動作モードのうちの２番目である検知モードにおいて動作しているセンサー要素１０を示している。検知モードにおいては、スイッチ２６は閉じた状態即ちオン状態にあり、ゲート電極Ｇを正の電圧供給源２８によりバイアスされ即ち付勢される。ゲート電極Ｇ上の正の電圧バイアスは層１２内に拡大する空乏領域３０を形成し、ＪＦＥＴトランジスタをそのピンチオフ条件に向けて駆動させる。
図２及び３の例においては、検知要素１２は検知表面１８と接触する場合のあるオブジェクト即ち物体を検知すべく適合されている。検知表面１８が図２に示したようにこのような物体によって接触されていない場合には、ゲート電極Ｇ上の正の電位は層１２内へ上方向へかなりの距離にわたり延在する空乏領域を形成する。プレートＰ１へ印加される例えば方形波パルス等の入力信号はゲート電極Ｇ上方の層１２の空乏領域が形成されていない部分を介して容量結合によりプレートＰ２へ伝播する。プレートＰ２における出力信号は、センサー要素１０において小さな容量条件が存在することを決定するために量子化させることが可能であり、従って、物体が検知表面１８と接触していないことを表わす。
図３は物体３２がゲート電極Ｇ上方の検知表面１８と接触している場合の検知モードにおけるセンサー要素を示している。例えば、物体３２はバクテリアの単一のセルとすることが可能である。物体３２は該物体の下側の層１２の領域内に正の電荷を吸引させることによりセンサーセル容量を変調させ、空乏領域３０の高さ寸法をゲート電極Ｇへ向って下方向へ収縮させる。従って、入力パルスがプレートＰ１へ印加され且つ物体３２等の物体が検知表面１８と接触している場合には、比較的大きな容量が出力プレートＰ２において検知される。
図４及び５はセンサーアレイ４０の一部を示しており、その場合に、４個のセンサーセルＳが該アレイを介して走行する２個の隣接する行及び２個の隣接する列内に示されている。アレイ４０は有機半導体層４２（図５において断面で示してある）内に構成されており、それは、好適には、層４２にわたって一様に分布された軽い濃度のＰ型の導電型物質によって特性付けられている。上部平坦表面４４及び下部平坦面表面４６は平行な面として互いに離隔されており、層４２の厚さを画定している。基板（不図示）が以下に説明する態様で層１２を支持している。有機半導体層４２の下部表面即ち下側表面上に導体からなるパターンが設けられている。各センサーセル位置において、導体からなるパターンが２個のコンデンサプレートＰ１及びＰ２を画定しており、ゲートラインＧLが該プレートの間を垂直に走行している。行ラインセグメントＲLが行内のセンサーセルＳを相互接続し、従って入力信号を各行へ印加させ且つ該行に沿って通信させ（例えば、左側から右側へ）、次いでアレイ４０の右側極限部において検知される。
オプションの特徴として、セルＳの行及び列の間においてアレイ４０を介して周期的に走行させて接地した表面グリッド４８を設けることが可能であり、好適には、有機半導体層４２の上部表面４４内に選択的に導入させた高度にドープしたＰ型ラインによって実現することが可能である。指紋センサーとして使用される場合には、以下に説明するように、接地した表面グリッド４８は上部表面４４における一定の基準電圧を提供し、アレイ４０のセンサーセルＳの各々の上方の指の皮膚の近接度を量子化する能力を改善する。接地した表面グリッド４８は、オプションとして、静電放電（ＥＳＤ）保護回路（不図示）へ接続させることも可能である。
図６は４個の行及び４個の列内に配列された１６個のセンサーセルＳ11乃至Ｓ44を具備するセンサーアレイ６０を示している。列選択トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４が制御ユニット６２の制御下で一度に１個の列づつ列を選択的に付勢する。入力パルス発生器６４が行の各々へ周期的にパルス信号（例えば、方形波パルス）を送る。制御ユニット６２からパルス発生器６４へのライン６８が行へ印加されるパルスのタイミングを制御する。行選択トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が一度に１つの行を制御ユニット６２内の検知回路と選択的に相互接続させ、従って発生器６４からの入力パルスは一度に１つの行を介してのみ伝播する。従って、前述したようにセンサーアレイ上方で検知される物体を表わす容量値を決定するために単一のセンサーセルをアドレスすることが可能である。検知された容量のデジタル値を制御ユニット６２から適宜のＩ／Ｏバスを介してシステムプロセッサ（不図示）へ送信することが可能である。
列選択トランジスタＱ1，Ｑ2，Ｑ3，又はＱ4のうちの１つがターンオンされると、電圧供給源Ｖ＋からの電圧がその選択された列へ印加される。抵抗とすることが可能な負荷要素Ｒがその選択された列を電圧供給源Ｖ＋の正の電位近くの電圧に維持させる。該負荷要素は共通接地接続６６を有しており、選択されなかった列を接地へ放電させる。従って、図６のアレイ６０における図４のセンサーセル実現例を使用して、選択された列の各セルにおけるＪＦＥＴは印加された電圧Ｖ＋によってピンチオフに向かって駆動され、一方選択されなかった列の各セルにおけるＪＦＥＴはその通常完全にオンしている状態に維持される。
図７は図６のアレイの拡大したものを示している。図７において、Ｍ個の行とＮ個の列とが設けられており、センサーセルＳ11乃至ＳMNからなる矩形状のアレイ７０を与えている。Ｍ＝Ｎである場合には、そのアレイは正方形である。例えば、指紋検知器において、矩形状又は正方形の配置において非常に多数のセンサーセルを使用する場合がある。典型的な指紋センサーアレイは、例えば、２５６×２５６個のセルを有する場合がある。各セルは各側部が２０ミクロンと１００ミクロンとの間の大きさの正方形の面積を占有する場合がある。
制御ユニット７２はアレイ７０の動作及び入力パルス信号をアレイ７０の行へ周期的に印加されるパルス発生器７４を制御する。列選択回路７６は電圧供給源Ｖ＋からの高電圧電位を一度にアレイ７０の１つの選択した列へ印加し、制御ユニット７２の制御下において列を介してシーケンス動作する。行選択回路７８は選択した行及び列に対応するセンサーセルの容量を検知するために一度に１つの行を選択する。負荷要素８０がアレイ７０の底部に設けられており、図６に関連して上述したように、一度に１つの選択した列のみが高電圧電位Ｖ＋へ充電されることを確保する。
図７に基づいて実現された２５６×２５６のセル指紋センサー検知器において、制御ユニット７２を夫々の選択回路７６，７８へ接続させるバス８２及びバス８４におけるライン数を減少させるために、列選択回路７６及び行選択回路７８内にアドレスデコーダー回路（不図示）を包含させることが望ましい。特に、各バス８２及び８４における８本のアドレスラインは、２５６×２５６個のセルからなるアレイ内の６５，５３６個のセルのうちの特定のセルの列及び行のアドレスをエンコードすることが可能である。アレイ７０の選択したセルからの可変容量信号がライン８６上を行選択回路７８を介して制御ユニット７２へ通信される。制御ユニット７２はライン８６上の信号を受取る検知及び増幅回路（不図示）を包含することが可能である。選択されたセルの検知された可変容量に対応する増幅された出力は、アナログ・デジタル変換器（不図示）によってデジタル出力へ変換させることが可能であり、次いで、更なる処理及び画像発生のために入力／出力バス８８を介してシステムプロセッサ（不図示）ヘ送信することが可能である。このような増幅、Ａ／Ｄ変換、及び信号送信技術は指紋検知器技術において公知である。
図８及び９はアレイ内の多数のセルを有する指紋検知器における単一のセンサー要素又はセル９０の動作を示している。センサーセル９０は上述した図１−３のセンサー要素１０に対応することが可能であり、且つ図４及び７のアレイ４０及び７０と同様のアレイにおいて動作することが可能である。指９２の一部がセル９０の上方に示されている。図８及び９の両方において、ゲートＧは正の電圧で付勢されて、下部表面２０からゲートＧの上方へ延在する有機半導体層１２内に空乏領域３０を発生させる。図８において、指紋の他に９４はセンサーセル９０の上方に表われており、従って空乏領域３０の上方に画定されるＪＦＥＴチャンネル９８は比較的に幅狭である。図９において、指紋の山９６がセンサーセル９０の上方で検知表面１８と接触しており、空乏領域３０を変調させて空乏領域と上部表面１８との間に比較的幅広のＪＦＥＴチャンネル９８を与えている。この空乏領域の変調の程度は、プレートＰ１へパルスを印加させ且つプレートＰ２において該パルスの送信を検知することによって検知することが可能であり、ＪＦＥＴチャンネルの容量を決定することが可能である。比較的幅広の高い寸法を有するチャンネルは比較的幅狭の高さの寸法を有するチャンネルよりもより大きな容量を示すものである。図７に示したセンサーアレイの単一の列のみが一度に付勢されるので、１つの行に沿っての入力パルスの通信は単一の選択したセンサーセルにおける容量条件の関数である出力を与える。
図１０はセンサー装置１００の１つの実現例を示しており、その場合に、有機半導体層１０２が基板１０４の上に設けられており、コンパニオンのシリコンチップ１０６が有機半導体層１０２から横方向に離隔して設けられている。有機半導体層１０２の周辺端部を基板１０４へ固定するために支持フレーム１０８が使用されており、それは図４及び５を参照して上述したオプションとしての接地した表面グリッドに対する接続を包含することが可能である。基板１０４は有機半導体層１０２をコンパニオンシリコンチップ１０６と、及びシステムプロセッサ（不図示）へＩ／Ｏ信号を通信するために基板１０４の周辺部におけるコンタクト１１０と相互接続するための相互接続回路（不図示）を包含している。このような相互接続技術はパッケージング及びＰＳボード技術において公知である。コンパニオンシリコンチップ１０６は複雑な制御機能を実施し且つ例えば図７の２５６×２５６のセルアレイ等の複数個のセンサーセルからなるアレイを包含する有機半導体層１０２と通信を行う。図１０の構成は保護ハウジング（不図示）内にパッケージさせることが可能であり、該保護ハウジングは、有機半導体層１０２の上部表面即ち上側表面がその検知機能を実施しながらシリコンチップ１０６を損傷から保護する。
図１１乃至１５は上述したように有機半導体層内に形成した複数個のセンサーセルからなるアレイを具備するセンサー装置を製造するステップからなるシーケンスを示している。図１１において、使い捨て可能で柔軟性のあるポリマー基板１２０に剥離可能な上部表面膜１２２を設ける。次に、図１２に示したように、該剥離可能な膜１２２の上に有機半導体層１２４を形成し、該層１２４は該剥離可能な膜と接触する主表面及び該剥離可能な膜と反対側の露出された主表面を具備している。層１２４は、好適には、２０乃至２５ミクロンの厚さである。剥離可能な膜１２２は有機半導体層１２４に対するよりも使い捨て可能な基板１２０に対してより強く接着する。次に、図１３に示したように、有機半導体層１２４の上に金属導体１２６からなるパターンを形成する。このことは、従来のホトリソグラフィ技術又はその他の適宜のコーティング及び印刷技術を使用して達成することが可能である。次に、図１４に示したように、相互接続回路を具備する永久基板１２８を設け、それは有機半導体層導体１２６と接触するための上部表面コンタクト１３０、及びコンパニオンシリコンチップ又は外部システムプロセッサ（不図示）と相互接続させるために使用することが可能な金属相互接続ライン１３２を包含している。図１４において、図１３の構成を反転させ且つ永久基板１２８の上に装着させ、従って有機半導体層１２４の金属パターン１２６の導体が永久基板１２８の上部表面上のコンタクト１３０によって接触される。図１５に示したように、図１３の構成を反転させ且つ永久基板１２８の上に装着させた後に、接着させた剥離可能な膜１２２を具備する使い捨て可能な基板１２０を有機半導体層１２４から剥離させてその検知表面１３４を露出させる。次いで、この構成を封止させるか又はパッケージ化させて最終的なセンサー装置を形成し、検知表面１３４を露出させたままとする。
図１６は図１０の装置１００の変形例における装置１４０を示しており、その場合に、シリコンチップは有機半導体層の下側に収納されている。図１６において、有機半導体層１４２は上部基板１４４上に装着されており、該上部基板はコンパニオンシリコンチップ１４８を包含する内部凹所を包含する環状支持体１４６上に装着されている。これらの要素は例えばＰＣボード等の下部基板１５０上に装着される。上部及び下部基板１４４及び１５０は従来の相互接続回路（不図示）を包含している。導体１５２は上部基板１４４を下部基板１５０と相互接続させるために環状支持体１４６の内側側壁に沿って配設させることが可能である。システムプロセッサ（不図示）との通信は、下部基板１５０の周辺部におけるコンタクト１５４を介して行うことが可能である。
図１０の実施例におけるように、図１６の実施例のコンパニオンシリコンチップ１４８は有機半導体層１４２内に設けられているセンサーアレイへ及びそれから信号を通信させるためのアドレス用、制御及び検知用の回路の全てを包含することが可能である。例えば、図７に示した列選択回路、行選択回路、負荷要素、入力パルス発生器、制御ユニットを図１０又は１６のいずれかの実施例におけるシリコンチップ内に包含させることが可能である。このことは上述した機能を実施することが可能なコンパニオンシリコンチップに対して必要な面積よりも面積がより大きな有機半導体層を製造する製造プロセスを簡単化させる。センサーアレイ全体がシリコン内において製造される従来のシリコンを基礎とした指紋検知器と比較して、センサーアレイを包含する比較的大きな有機半導体層を具備するコンパニオンチップとして小型のシリコンチップを使用することはかなりのコストの節約を達成する。更に、有機半導体層は、従来の指紋検知器において使用される比較的脆性のシリコンチップよりもより耐久性がある。理解されるように、図１０及び１６の装置は、損傷された場合に有機半導体層１０２及び１４２を置換することによって修復することが可能であり、より高価なコンパニオンシリコンチップを継続して使用することを可能とする。
図１７は本発明の更に別の変形実施例を示しており、その場合には、センサー装置は大略参照番号１６０で示してある。図１７において、２個の有機半導体層１６２及び１６４が互いに積層して設けられており、それらの間に電気的通信状態を与えている。前述したようなセンサーセルアレイが上部層１６２内に設けられている。該上部層のすぐ下側に下部層１６４が設けられており、それは前述したコンパニオンシリコンチップのタイミング、制御、検知及びプロセッサ論理の全てを実施している。従って、より複雑な有機半導体層の製造が図１７の実施例の場合に必要とされ、且つ有機半導体層１６４内に負（Ｎ型）及び正（Ｐ型）の両方の電荷キャリアの領域を選択的に形成することが可能である進化した処理技術を必要とする。更に、金属相互接続導体を上部層１６２の下部表面上及び下部層１６４の上部表面及び下部表面の両方の上に設けることが可能である。下部層１６４の金属相互接続導体は基板１６６の表面上のコンタクトと相互接続させることが可能であり、基板１６６は、更に、その周辺部においてシステムＩ／Ｏコンタクト１６８を提供している。フレーム１７０は有機半導体層１６２及び１６４を基板１６６へ固定させる。
図１８は本発明の更に別の実施例１８０を示しており、その場合に、図１７の実施例１６０を修正して上部有機半導体層１８４の上部表面上に反応性界面層１８２が設けられている。この場合には、例えば図６の１６個のセルからなるセンサーアレイ等の複数個のセンサーを上部有機半導体層１８４内に形成し且つ図６に示したものと同様の制御ユニット及び選択トランジスタによって選択的にアクセスすることが可能である。一方、上部層１８４内に単一センサーセルを設けることが可能である。層１８４内のセンサーセル又はセンサーアレイと相互作用を行う制御ユニット及び関連する機能は、下部有機半導体層１８６内に設けることが可能である。下部有機半導体層１８６の底部上の導体は基板１８８上のコンタクトと通信を行う。反応性界面層１８２はそれと接触してテスト媒体（気体又は液体）に対して露出させることが可能な上部表面１９０を有している。基板１８８は基板１８８の周辺部におけるコンタクト１９２を介して外部システムプロセッサ（不図示）と通信を行う。
反応性界面層１８２は複数個の領域を包含することが可能なポリマーを有しており、各領域は上部有機半導体層１８４におけるアレイ内の対応するセンサーセルの上方に位置されている。反応性界面層１８２における各領域は層１８２のポリマー内に包含される特定の化学物質を包含しており、その特定の化学物質は反応性界面層１８２の上部表面１９０と接触するテスト媒体内の物質に対して選択的に反応性を有している。例えば、反応性界面層１８２の選択した領域内に異なる酵素を設けることが可能である。動作において、各酵素はテスト媒体内の特定の物質との反応に対して触媒作用を行う。この反応が発生すると、反応性界面層１８２の孤立された領域における電荷電位における変化が発生し、それは反応性界面層のその特定の領域のすぐ下側のセンサーセルによって容量的に検知することが可能である。このように、種々の特定の物質の存在をテスト媒体において検知することが可能である。
一方、上部有機半導体層内に単一センサーセルが設けられている場合には、例えばグルコースオキシダーゼ等の単一の酵素を反応性界面層１８２内に設けることが可能である。該酵素がテスト媒体中の例えばグルコース等の特定の物質と反応すると、反応性界面層における電荷変化がセンサーセルによって検知される。この実施例は単一テスト手順の後に廃棄することが可能な例えば血糖センサー等の有用な生化学的センサー装置を提供するものである。
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
１０ センサー要素
１２ 有機半導体層
１４ 比較的厚い上部部分
１８ 検知表面
２０ 底部表面
２２，２４端子
２６ スイッチ
２８ 電圧供給源
Ｐ１，Ｐ２ 導電性プレート
Ｇ ゲート電極
１２ 有機半導体層
１４ 比較的厚い上部部分
１８ 検知表面
２０ 底部表面
２２，２４端子
２６ スイッチ
２８ 電圧供給源
Ｐ１，Ｐ２ 導電性プレート
Ｇ ゲート電極
Claims (20)
- センサーにおいて、
検知表面を具備しており、前記検知表面下側の領域にわたって分布されている第一導電型の多数可動電荷キャリアを有している物質からなる有機半導体層、
前記検知表面から離隔されている第一導電性プレート、
前記検知表面から離隔されており且つ前記第一導電性プレートから離隔されている第二導電性プレート、
前記第一導電性プレートと第二導電性プレートとの間に介在されているゲート電極、
を有しており、前記ゲート電極が前記ゲート電極に印加される電圧バイアスに応答して前記検知表面下側の前記有機半導体層内に空乏領域を導入し、前記空乏領域の寸法は前記検知表面に近接した物体の存在に応答して変化し、前記寸法における変化は前記検知表面下側の前記有機半導体層を介して通信される信号を検知することにより検知可能であり、且つ
前記有機半導体層がＰ型の導電型物質の非一様な分布を有しており、前記層は前記検知表面から下方へ延在する軽い濃度のＰ型物質を有する比較的厚い上部部分と、前記比較的厚い上部部分から前記検知表面と反対側の前記層の下側表面へ下方へ延在する重い濃度のＰ型物質を有する比較的薄い下部部分とを包含している、
ことを特徴とするセンサー。 - 請求項１において、前記第一導電型がバイアスされていない状態において正の多数可動電荷キャリアの一様な分布により特性付けられるＰ型であることを特徴とするセンサー。
- センサーにおいて、
検知表面を具備しており、前記検知表面下側の領域にわたって分布されている第一導電型の多数可動電荷キャリアを有している物質からなる有機半導体層、
前記検知表面とは反対側の前記有機半導体層の底部表面上に設けられている第一導電性プレート、
前記底部表面上に設けられており且つ前記第一導電性プレートから離隔されている第二導電性プレート、
前記第一導電性プレートと第二導電性プレートとの間に介在されており且つ前記底部表面上に設けられているゲート電極、
を有しており、前記ゲート電極が前記ゲート電極に印加される電圧バイアスに応答して前記検知表面下側の前記有機半導体層内に空乏領域を導入し、前記空乏領域の寸法は前記検知表面に近接した物体の存在に応答して変化し、前記寸法における変化は前記検知表面下側の前記有機半導体層を介して通信される信号を検知することにより検知可能である、
ことを特徴とするセンサー。 - 有機半導体装置において、
その層の厚さを画定する平行な面に離隔されている上部及び下部の平坦な表面を有する有機半導体層、
行及び列の形態に配列されたセンサーセルからなるアレイを画定する前記下部表面上の導体パターン、
を有しており、各セル位置における前記導体は第一及び第二プレートと前記プレート間のゲートとを包含しており、各セルのゲートは１つの選択された列の全てのゲートへ印加される電圧バイアスに応答して前記有機半導体層内に空乏領域を導入し、前記空乏領域は前記下部表面から上方へ延在し、前記平行な面に対して垂直な方向における前記空乏領域の寸法は前記上部表面に隣接する物体の存在に応答して変化し、前記寸法の変化の程度は前記層の前記上部表面下側の前記有機半導体層を介して通信される信号を検知することによって検知可能であり、前記信号は１つの選択された行のセルを介して通信され、前記選択された列及び選択された行に対応する前記アレイの１個のセルのみが一度に選択される、ことを特徴とする有機半導体装置。 - 請求項４において、前記有機半導体層が、前記層がバイアスされていない状態にある場合に、各センサーセルのプレート上方の正の多数可動電荷キャリアの一様な分布によって特性付けられるＰ型の導電型物質を有していることを特徴とする有機半導体装置。
- 請求項４において、更に、
制御ユニット、
前記選択された列のセルのゲート上方に空乏領域を導入させるために前記選択された列のセルのみを電圧供給源へ接続させるために前記制御ユニットに応答して動作する列選択回路、
前記選択された行を介して通信される信号を検知するために選択された行のみを前記制御ユニットへ接続させるために前記制御ユニットに応答して動作する行選択回路、
を有していることを特徴とする有機半導体装置。 - 請求項６において、更に、
前記行へ接続されており、選択された行を介して通信される信号を発生するために前記制御ユニットの制御下で動作するパルス発生器、
列を接地接続へ接続して選択されなかった列のセルのゲートを接地へ放電させ、一方選択された列のセルのゲートを電圧供給源によって付勢させる各列に対しての負荷要素、
を有していることを特徴とする有機半導体装置。 - 指紋検知器において、
内部にセンサーセルからなるアレイが形成されており、上部検知表面を具備すると共に下部表面上に導体を具備している有機半導体層、
前記有機半導体層がその上に設けられておりコンタクトが設けられた上部表面を具備している基板、
前記有機半導体層に近接して支持されており且つそれと電気的通信状態にあるシリコン半導体チップ、
を有しており、前記基板の前記上部表面上の選択したコンタクトが前記有機半導体層の前記下部表面上の導体と接続していることを特徴とする指紋検知器。 - 請求項８において、前記有機半導体層が前記検知表面において内部に配設されている接地されたグリッドを包含していることを特徴とする指紋検知器。
- 請求項９において、更に、前記有機半導体層を前記基板へ固定し且つ前記グリッドに対しての接続を与えるために前記有機半導体層の周辺端部におけるフレームを有していることを特徴とする指紋検知器。
- 請求項８において、前記シリコン半導体チップが前記基板の前記上部表面上に装着されていることを特徴とする指紋検知器。
- 請求項８において、更に、
前記有機半導体層がその上に装着されている前記基板の下側に配設されている第二基板、
前記第二基板上に装着されており且つそれら２つの基板を一体的に固定する環状支持体、
を有しており、前記環状支持体が前記シリコン半導体チップを包含する内部凹所を具備しており、前記シリコン半導体チップが前記有機半導体層の下側の前記第二基板上に装着されていることを特徴とする指紋検知器。 - センサー装置の製造方法において、
柔軟性のあるポリマー基板を用意し、
前記柔軟性のあるポリマー基板の上部表面上に剥離可能な膜を形成し、
前記剥離可能な膜の上に前記剥離可能な膜と反対側に露出された主表面を具備している有機半導体層を形成し、
前記有機半導体層の前記露出された主表面の上に導体からなるパターンを形成し、
その上部表面上にコンタクトを具備する永久基板を用意し、
前記有機半導体層上の導体からなるパターンの選択した導体が前記永久基板の上部表面上のコンタクトと接触するように配向された前記永久基板上の前記剥離可能な膜によって固定された前記柔軟性のあるポリマー基板を前記有機半導体層に装着し、
前記剥離可能な膜が接着された前記柔軟性のあるポリマー基板を前記有機半導体層から除去する、
ことを特徴とする方法。 - センサー装置において、
その上にコンタクトを具備する上部表面を具備している基板、
前記基板の前記上部表面上に装着されており且つそれと電気的に相互接続されている下部有機半導体層であって、その中に制御回路を画定するＮ型及びＰ型導電型の領域を包含している下部有機半導体層、
前記下部有機半導体層の上側に装着されており且つそれと電気的に相互接続されており、その中にセンサーセルからなるアレイを包含している上部有機半導体層、
を有していることを特徴とするセンサー装置。 - 請求項１４において、前記上部有機半導体層が前記上部有機半導体層にわたってのＰ型の導電型物質により特性付けられることを特徴とするセンサー装置。
- 請求項１４において、前記センサーセルからなるアレイは前記上部有機半導体層の検知表面と接触している人間の指の皮膚の存在を検知すべく適合されており、前記センサーセルは指紋の山と指紋の谷とを区別することが可能であることを特徴とするセンサー装置。
- 請求項１４において、各センサーセルはそこにおいて接合電界効果トランジスタを与える構成とされており、前記トランジスタはソースコンタクトとドレインコンタクトとそれらの間のゲート電極とを具備しており、前記ゲート電極は、前記ゲート電極が電源電圧へ接続されることにより付勢される場合に、前記センサーセルを検知モードで動作させるべく前記ゲート電極と前記電源電圧との間に介在するスイッチをオンさせて選択的に付勢可能であり、各センサーセルは前記検知モードにおいてＪＦＥＴチャンネルを有しており、その場合に、前記ＪＦＥＴチャンネルは各センサーセルの直上の前記上部有機半導体層の表面部分に近接した物体の存在又は不存在と共に変化する容量を有していることを特徴とするセンサー装置。
- センサー装置において、
その上にコンタクトを具備する上部表面を具備している基板、
前記基板の前記上部表面上に装着されており且つそれと電気的に相互接続されている下部有機半導体層であって、その中に制御回路を画定するＮ型及びＰ型導電型の領域を包含している下部有機半導体層、
前記下部有機半導体層の上側に装着されておりその中にセンサーセルを包含している上部有機半導体層、
前記上部有機半導体層の上に配設されており、露出された上部表面を具備しており、前記露出された上部表面と接触する特定の物質に対して選択的に反応性である化学物質を包含するポリマーを有している反応性界面層、
を有しており、前記反応性界面層内の化学物質と前記特定の物質との前記反応性界面層内における反応が前記上部有機半導体層内の前記センサーセルによって検知され、それにより前記センサー装置が前記特定の物質に対する露呈を検知することが可能であることを特徴とするセンサー装置。 - 請求項１８において、前記化学物質が酵素であることを特徴とするセンサー装置。
- 請求項１９において、前記酵素がグルコースオキシダーゼであり、且つ前記特定の物質がグルコースであることを特徴とするセンサー装置。
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