KR20190085506A - 압력센서 - Google Patents

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Abstract

압력센서(1)에 있어서 복수의 개별전극(31)은, 제2절연막(27)의 절연필름(7)측의 주면에, 공통전극(9)과 대향하여 전체 면에 깔리도록 형성되어 있다. 감압층(33)은 복수의 개별전극(31)의 위에 적층되어 있다. 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)는, 제2절연막(27)의 상면에 있어서 복수의 개별전극(31)의 사이에 배치되고, 공통전극(9)과 대향한다. 제2개별 스페이서(35B)는 제1개별 스페이서(35A)보다 높게 형성되어 있다. 복수의 개별전극(31)은, 저압용의 개별전극(31)과, 고압용의 개별전극(31)을 갖고 있다. 저압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여 저압력이 작용하는 것만으로 공통전극(9)과 도통한다. 고압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 고압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통한다.

Description

압력센서
본 발명은, 압력센서(壓力sensor) 특히 감압층(感壓層)과 전극(電極)으로서 다수의 박막 트랜지스터(薄膜 transistor)를 갖는 압력센서에 관한 것이다.
압력센서로서, 감압수지(感壓樹脂)에 다수의 박막 트랜지스터를 조합시킨 것이 알려져 있다(예를 들면 특허문헌1을 참조).
감압수지는, 도전성 입자(導電性 粒子)를 실리콘 고무 등의 절연수지 내에 분산시킨 것이다. 감압수지에서는, 압력이 가해지면 절연수지 내에서 도전성 입자 상호간이 접촉함으로써 저항값이 저하된다. 이에 따라 감압수지에 가해진 압력을 검지(檢知)할 수 있다.
다수의 박막 트랜지스터는, 매트릭스(matrix) 모양으로 배치되어 있어 전극으로서 기능한다. 이에 따라 압력검출의 고속화, 고해상도화, 저소비전력화가 가능하게 된다.
: 일본국 공개특허 특개2016-4940호 공보
감압층과 복수의 전극이 소정의 간극을 두고 대향(對向)하도록 배치된 압력센서도 알려져 있다.
일반적으로 감압층의 접촉면적의 변화를 사용한 압력센서는, 감압층의 압력측정범위가 좁다는 문제를 갖고 있다. 구체적으로는 압력―전기저항 특성에서는, 압력이 낮은 범위에서는 전기저항의 변화비율은 크지만, 압력이 높은 범위에서는 전기저항의 변화비율이 작다. 그 이유는, 압력이 높아지게 되더라도 도중(途中)으로부터 감압층과 전극의 접촉면적은 커지지 않아, 즉 접촉저항이 압력에 추종하지 않기 때문이다. 이 결과, 압력이 높은 범위에서는 감도(感度)가 부족하여 압력을 정확하게 측정할 수 없다.
또한 복수의 개별전극(個別電極)에는 압력이 집중되어 파괴되기 쉽기 때문에, 압력센서의 내구성(耐久性)이 높지 않다.
본 발명의 목적은, 서로 간극을 두고 배치된 복수의 전극을 갖는 압력센서에 있어서, 정확하게 측정할 수 있는 압력측정범위를 넓게 하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 압력센서의 내구성을 높게 하는 것에 있다.
이하에, 과제의 해결수단으로서 복수의 태양을 설명한다. 이들 태양은 필요에 따라 임의로 조합시킬 수 있다.
본 발명의 하나의 견지에 관한 압력센서는, 제1절연기재와, 공통전극과, 제2절연기재와, 복수의 개별전극과, 감압층과, 복수의 박막 트랜지스터와, 제1개별 스페이서 및 제2개별 스페이서를 구비하고 있다.
공통전극은 제1절연기재의 주면에 넓게 형성되어 있다.
제2절연기재는 제1절연기재의 주면과 대향하여 배치되어 있다.
복수의 개별전극은, 제2절연기재의 제1절연기재측의 주면에, 공통전극과 대향하여 전체 면에 깔리도록 형성되어 있다.
감압층은, 복수의 개별전극 및 공통전극의 적어도 일방의 위에 적층되어 있다.
복수의 박막 트랜지스터는, 복수의 개별전극에 대응하여 제2절연기재의 주면과 반대측에 형성되고, 1 또는 인접하는 2 이상이 1개의 개별전극에 접속된다.
제1개별 스페이서 및 제2개별 스페이서는, 제2절연기재의 주면에 있어서 복수의 개별전극의 사이에 배치되고, 공통전극과 대향한다.
제2개별 스페이서는 제1개별 스페이서보다 높게 형성되어 있다.
복수의 개별전극은, 저압용 개별전극과, 고압용 개별전극을 갖고 있다. 저압용 개별전극은, 주위의 제1개별 스페이서 및 제2개별 스페이서의 배치에 의하여, 제1절연기재와 제2절연기재가 접근하도록 저압력이 작용하는 것만으로 공통전극과 도통하도록 설정되어 있다. 고압용 개별전극은, 주위의 제1개별 스페이서 및 제2개별 스페이서의 배치에 의하여, 제1절연기재와 제2절연기재가 접근하도록 저압력이 작용할 때에 공통전극과 도통하지 않고 고압력이 작용할 때에 공통전극과 도통하도록 설정되어 있다.
이 압력센서에서는, 제1개별 스페이서 및 제2개별 스페이서를 형성함으로써 복수의 개별전극에는 압력이 집중되기 어렵다. 그 결과 압력센서의 내구성이 높아지게 된다.
이 압력센서에서는, 압력이 낮은 경우에는 저압용 개별전극만이 공통전극과 전기적으로 도통한다. 이에 따라 저압용 개별전극을 통하여 감압층의 저항변화(즉 압력)를 정확하게 측정할 수 있다. 이때에 제1개별 스페이서 및 제2개별 스페이서의 배치에 의하여 고압용 개별전극이 저압용 개별전극에 비하여 공통전극에 전기적으로 접촉되지 않기 때문에, 고압용 개별전극은 공통전극에 대하여 전기적으로 도통하지 않는다. 그리고 압력이 높아지게 되면, 저압용 개별전극에 부가하여 고압용 개별전극이 공통전극과 전기적으로 도통한다. 이에 따라 고압용 개별전극을 통하여 감압층의 저항변화(즉 압력)를 정확하게 측정할 수 있다. 고압용 개별전극은, 전기저항을 정확하게 측정할 수 있는 압력측정범위가 저압용 개별전극의 그것보다 고압력측으로 시프트되어 있기 때문이다.
고압용 개별전극은 제2개별 스페이서와 인접하고 있어도 좋다.
고압용 개별전극은 제2개별 스페이서의 사이에 끼워져 있어도 좋다.
본 발명에 관한 압력센서에서는, 정확하게 측정할 수 있는 압력측정범위가 넓어지게 된다.
도1은, 본 발명의 제1실시형태에 관한 압력센서의 개략적인 단면도이다.
도2는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 압력센서의 개략적인 단면도이다.
도3은, 본 발명의 제1실시형태에 관한 압력센서의 개략적인 단면도이다.
도4는, 압력센서의 부분 개략적인 단면도이다.
도5는, 압력센서의 하측 전극부재의 개략적인 평면도이다.
도6은, 압력센서의 등가회로도이다.
도7은, 개별전극과 개별 스페이서의 평면위치관계를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도8은, 압력센서의 압력과 전기저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도9는, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도10은, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도11은, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도12는, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도13은, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도14는, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도15는, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도16은, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도17은, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도18은, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도19는, 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도20은, 개별전극 및 개별 스페이서의 평면 형상을 나타내는 모식적인 평면도(제2실시형태)이다.
도21은, 개별전극과 개별 스페이서의 평면위치관계를 나타내는 개략적인 평면도(제3실시형태)이다.
도22는, 개별전극과 개별 스페이서의 평면위치관계를 나타내는 개략적인 평면도(제4실시형태)이다.
도23은, 압력센서의 부분 개략적인 단면도(제5실시형태)이다.
도24는, 압력센서의 부분 개략적인 단면도(제6실시형태)이다.
도25는, 압력센서의 부분 개략적인 단면도(제7실시형태)이다.
1.제1실시형태
(1)압력센서(壓力sensor)의 기본구성
도1∼도5를 사용하여 제1실시형태에 관한 압력센서(1)를 설명한다. 도1∼도3은 본 발명의 제1실시형태에 관한 압력센서의 개략적인 단면도이다. 도4는 압력센서의 부분 개략적인 단면도이다. 도5는 압력센서의 하측 전극부재(下側 電極部材)의 개략적인 평면도이다.
압력센서(1)는, 가압력(加壓力)이 작용하면 가압위치와 가압력을 검출하는 장치이다. 압력센서(1)는 예를 들면 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 PC의 터치패널(touch panel)에 채용된다.
압력센서(1)는 상측 전극부재(上側 電極部材)(3)를 갖고 있다. 상측 전극부재(3)는, 가압력이 작용하는 평면 모양의 부재이다. 상측 전극부재(3)는, 절연필름(絶緣film)(7)(제1절연기재(第1絶緣基材)의 일례)과, 그 하면(주면(主面)의 일례)에 전면(全面)적으로 즉 일면(一面)으로 넓어지거나 또는 패터닝(patterning)되어 형성된 공통전극(共通電極)(9)을 갖고 있다.
압력센서(1)는 하측 전극부재(5)를 갖고 있다. 하측 전극부재(5)는, 상측 전극부재(3)의 하방에 배치된 평면 모양의 부재이다. 하측 전극부재(5)는 예를 들면 직사각형의 절연필름(15)과 복수의 개별전극(31)을 갖고 있다. 개별전극은 화소전극(畵素電極)이라고도 한다.
하측 전극부재(5)는 복수의 산형 감압층(山型 感壓層)(33)을 갖고 있다. 복수의 산형 감압층(33)은, 복수의 개별전극(31)의 공통전극(9)측의 위에 각각 형성되어 있다. 개략적으로 설명하면, 산형 감압층(33)은 개별전극(31)의 전체를 덮고 있으며 외경도 약간 크다. 따라서 평면에서 볼 때에는 개별전극(31)은 산형 감압층(33)에 의하여 가려져 있다.
또 「산형」이라는 것은, 정상부(또는 중심부)와 둘레 가장자리부를 갖고 있고, 돔 형상, 뿔꼴 형상, 원뿔대 형상을 포함한다. 산형의 평면 형상은 원, 사각(四角), 그 이외의 형상을 포함한다.
일례로서 산형 감압층(33)의 높이(H)는, 넓은 범위에서는 5∼100μm이고, 좁은 범위에서는 10∼30μm이다. 산형 감압층(33)의 지름(L)은, 넓은 범위에서는 0.1∼1.0mm이고, 좁은 범위에서는 0.3∼0.6mm이다.
상측 전극부재(3)와 하측 전극부재(5)는, 도4에 나타내는 바와 같이 둘레 가장자리부에서 액자 스페이서(額子 spacer)(13)에 의하여 서로 접착되어 있다. 액자 스페이서(13)는 액자 모양으로 형성되어 있고, 예를 들면 점착제(粘着劑), 양면 테이프로 이루어진다.
도5에 나타내는 바와 같이 복수의 개별전극(31) 및 산형 감압층(33)은, 평면의 전체에 깔려서 배치되어 있다. 복수의 개별전극(31) 및 산형 감압층(33) 상호간의 사이에는, 후술하는 제1개별 스페이서(第1個別 spacer)(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)가 배치되어 있다. 단, 기재의 번잡을 피하기 위하여 도5에서는 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 부호는 생략되어 있다.
이 실시형태에서는, 복수의 개별전극(31) 및 산형 감압층(33), 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)는, 매트릭스 모양으로 배치되어 있다. 매트릭스 모양이라는 것은, 행렬 모양으로 이차원으로 배열되어 있는 상태 또는 그것과 유사한 상태를 말한다.
공통전극(9)의 영역이 산형 감압층(33)을 향하여 밀어내려지면, 공통전극(9)과 밀어내려지는 영역에 위치가 부여되어 있는 개별전극(31)이 전기적으로 도통(導通)한다. 밀어내리는 것은, 예를 들면 손가락, 스타일러스 펜(stylus pen), 막대, 손바닥, 발바닥으로 하면 좋다. 전극 피치(電極 pitch)는 예를 들면 0.3∼0.7mm이다.
하측 전극부재(5)는 복수의 박막 트랜지스터(30)(이하, 「TFT(30)」라고 한다)를 갖고 있다. 각 TFT(30)는, 개별전극(31)의 각각에 대응하여 형성되어 있으며, 전류값 검출용의 전극으로서 기능한다.
(2)TFT 및 개별전극의 관계
TFT(30)는, 도1∼도4에 나타내는 바와 같이 소스 전극(17)과, 드레인 전극(19)과, 게이트 전극(21)을 갖고 있다. TFT(30)는 톱 게이트형(top gate type)이다. 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 구성하는 재료는 특별하게 한정되지 않는다. 또한 TFT는 보텀 게이트형(bottom gate type)이더라도 좋다.
소스 전극(17)과 드레인 전극(19)은 절연필름(15)의 상면에 형성되어 있다. TFT(30)는, 소스 전극(17) 및 드레인 전극(19) 사이에 형성된 유기 반도체(有機 半導體)(23)를 갖고 있다. 이러한 반도체층을 구성하는 재료로서는, 공지의 재료 예를 들면 실리콘, 산화물 반도체, 유기 반도체를 사용할 수 있다.
TFT(30)는, 소스 전극(17), 드레인 전극(19) 및 유기 반도체(23)를 덮도록 형성된 제1절연막(第1絶緣膜)(25)을 갖고 있다.
드레인 전극(19)은, 후술하는 바와 같이 개별전극(31)에 접속되어 있다. 게이트 전극(21)은, 제1절연막(25)의 상면에 있어서 유기 반도체(23)의 상방에 형성되어 있다.
TFT(30)는, 제1절연막(25)의 상면에 형성되고 게이트 전극(21)을 덮는 제2절연막(27)을 갖고 있다.
복수의 개별전극(31)은 제2절연막(27)(제2절연기재의 일례)의 상면에 형성되어 있다. 개별전극은, 제1절연막(25) 및 제2절연막(27)을 관통하는 관통구멍에 형성된 도전부(導電部)(29)를 통하여 TFT(30)에 접속되어 있다.
도6을 사용하여 압력센서(1)의 동작원리를 설명한다. 도6은 압력센서의 등가회로도(等價回路圖)이다.
게이트 전압을 입력한 TFT(30)의 드레인 전극(19)에 전압을 인가하면, 산형 감압층(33)의 저항에 대응하는 드레인 전류가 흐른다. 그리고 산형 감압층(33)에 가해지는 압력이 높아지게 되면 저항이 내려가기 때문에, 드레인 전류의 증가가 검출된다. 압력센서(1) 상의 TFT(30)를 스위프(sweep)하여 게이트 전압을 가하여 드레인 전류를 측정함으로써, 시트(sheet) 표면의 압력분포를 관측할 수 있다.
압력센서(1)는 회로부(도면에 나타내지 않는다)를 갖고 있다. 회로부는 드레인 전극(19), 소스 전극(17) 및 공통전극(9)을 제어하는 것으로서, 예를 들면 공통전극(9), 소스 전극(17)에 소정 전압을 인가하는 전원전압과, 소스―드레인 사이의 전류값에 따른 신호를 발생시켜서 외부의 신호처리장치로 출력하는 전류검출회로를 갖고 있다. 외부의 신호처리장치는, 회로부로부터 보내져 온 신호에 의거하여 가압위치 및 가압력을 검출한다.
(3)개별 스페이서
도1∼도3에 나타내는 바와 같이 하측 전극부재(5)의 상면에는, 개별전극(31) 및 산형 감압층(33)의 사이에 복수의 개별 스페이서(더미 전극(dummy 電極)이라고도 한다), 구체적으로는 제1개별 스페이서(35A)와 제2개별 스페이서(35B)가 형성되어 있다.
제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)는, 산형 감압층(33)과 동일하게 산형 형상이다. 제1개별 스페이서(35A)는, 산형 감압층(33)과 동일한 높이이고, 공통전극(9)과의 사이에 간극을 갖고 있다. 단, 제1개별 스페이서(35A)는 산형 감압층(33)보다 높아도 좋다.
제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 높이, 개별전극(31)에 있어서의 간극은 넓은 범위에서부터 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들면 0∼수십μm이고, 수μm 단위나 십수μm 단위이어도 좋다.
제2개별 스페이서(35B)는 제1개별 스페이서(35A)보다 높다. 구체적으로는, 산형 감압층(33)의 높이가 20μm일 때에 제1개별 스페이서(35A)의 높이는 20∼70μm의 범위이고, 제2개별 스페이서(35B)의 높이는 25∼125μm의 범위이다. 또한 제1개별 스페이서(35A)의 높이와 제2개별 스페이서(35B)의 높이의 비는 1.07∼3.75의 범위이다. 그 때문에 제2개별 스페이서(35B)는 공통전극(9)에 접촉 또는 근접하고 있다. 이상의 구조에 의하여, 비가압(非加壓) 시에 공통전극(9)과 산형 감압층(33)의 사이에는 간극이 확실하게 확보되고, 그 때문에 산형 감압층(33)에 작용하는 압력을 제로(zero)로 할 수 있다.
또 제1개별 스페이서(35A)와 제2개별 스페이서(35B)의 형상이 산형이기 때문에 산형 감압층(33)의 주위 상측의 공간이 비교적 넓게 되어 있고, 그 때문에 공통전극(9)이 산형 감압층(33)에 추종하기 쉽다. 단, 개별 스페이서의 형상은 산형에 한정되지 않으며, 상면이 평면이더라도 좋다.
다음에 도7을 사용하여, 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A)와 제2개별 스페이서(35B)의 평면위치관계를 설명한다. 도7은 개별전극과 개별 스페이서의 평면위치관계를 나타내는 개략적인 평면도이다. 이하, 개별전극(31)의 위에는 실제로는 산형 감압층(33)이 적층되어 있지만, 설명을 간략하게 하기 위하여 산형 감압층(33)의 부호는 생략한다.
도7에서는, 도면의 상측 반의 영역 또는 하측 반의 영역에서는, 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A) 또는 제2개별 스페이서(35B)는 교대로 나란하게 배치되어 있다. 즉 각 영역에서는, 개별전극(31) 상호간은 행방향 및 열방향의 어느 쪽에도 서로 인접하지 않고 있다. 또한 각 영역에서는, 개별 스페이서 상호간은 행방향 및 열방향의 어느 쪽에도 서로 인접하지 않고 있다. 단, 도7에서는, 영역의 경계에 있어서 개별전극(31) 상호간이 도면의 상하방향으로 인접하고 있고, 제1개별 스페이서(35A)와 제2개별 스페이서(35B)가 도면의 상하방향으로 인접하고 있다.
또 개별전극(31)에 산형 감압층(33)이 형성되어 있음으로써 산(山)의 정점(頂點)으로 압력이 집중되는 것이 상정되지만, 복수의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)를 형성함으로써 복수의 정점으로 압력을 분산시킬 수 있다. 그 결과 압력센서(1)의 내구성(耐久性)이 향상된다.
도7의 선(A) 위에 있어서의 2개의 개별전극(31)(「저(低)」라고 기재된 글자)을 설명한다. 또 도1은 도7의 선(A)에 있어서의 단면도로 되어 있다.
이 개별전극(31)은, 4개의 제1개별 스페이서(35A)에 의하여 사방(四方)이 둘러싸여 있다. 이 개별전극(31)의 경사방향 4군데에는 개별전극(31)이 배치되어 있다. 즉 이 개별전극(31)의 주위 8군데는 모두 동일한 높이의 구조로 되어 있다. 이상의 결과, 이 개별전극(31)은 저압력(低壓力) 측정용의 개별전극(31)(저압용 개별전극의 일례)으로 되어 있다.
도7의 선(B) 위에 있어서 위에서부터 첫번째의 개별전극(31)(「중(中)」이라고 기재된 글자)을 설명한다. 또 도2는 도7의 선(B)에 있어서의 단면도로 되어 있다. 이 개별전극(31)은, 3개의 제1개별 스페이서(35A)와 1개의 개별전극(31)(「고(高)」라고 기재된 글자)에 의하여 사방이 둘러싸여 있다. 이 개별전극(31)의 경사방향 2군데에는 개별전극(31)이 배치되어 있고, 나머지 경사방향 2군데에는 제2개별 스페이서(35B)가 배치되어 있다. 즉 이 개별전극(31)의 주위 8군데 중 2군데가 그것보다 높은 구조가 형성되어 있다. 이상의 결과, 이 개별전극(31)은 중압력(中壓力) 측정용의 개별전극(31)으로 되어 있다.
도7의 선(C) 위에 있어서의 우측의 1개의 개별전극(31)(「고」라고 기재된 글자)을 설명한다. 또 도3은 도8의 선(C)에 있어서의 단면도로 되어 있다. 이 개별전극(31)은, 4개의 제2개별 스페이서(35B)에 의하여 사방이 둘러싸여 있다. 이 개별전극(31)의 경사방향 4군데에는 개별전극(31)이 배치되어 있다. 즉 이 개별전극(31)의 주위 8군데 중 4군데에 그것보다 높은 구조가 형성되어 있다. 이상의 결과, 이 개별전극(31)은 고압력(高壓力) 측정용의 개별전극(31)(고압용 개별전극의 일례)으로 되어 있다.
이상의 결과, 복수의 고압용의 개별전극(31)이 도면의 하측영역에 배치되어 고압 에어리어(高壓 area)를 형성하고 있고, 1개의 중압용의 개별전극(31)이 도면의 상하 전체에 배치되고 1쌍의 저압용의 개별전극(31)이 도면의 상측부분 영역에 배치되어 저압 에어리어(低壓 area)를 형성하고 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 저압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용하는 것만으로 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다. 고압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력 또는 중압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 고압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다. 중압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 중압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다.
더 상세하게 설명하면, 각 개별전극(31)은, 주위에 있는 제2개별 스페이서(35B)의 밀도, 거리, 높이에 의하여 어떤 쪽의 압력범위에 대응할지가 결정된다. 즉 각 개별전극(31)은, 주위에 있는 제2개별 스페이서(35B)의 수가 적은 등의 이유에 의하여 「저압에서의 접촉의 용이함」이 높으면, 저압력이더라도 공통전극(9)과 도통한다. 또한 예를 들면 각 개별전극(31)은, 주위에 있는 제2개별 스페이서(35B)의 수가 많은 등의 이유에 의하여 「저압에서의 접촉의 용이함」이 낮으면, 저압력에서는 공통전극(9)에 도통하지 않고 고압력이 된 후에 공통전극(9)과 도통한다.
(4)가압동작 및 압력측정동작
도8을 사용하여 가압동작 및 압력측정동작을 설명한다. 도8은 압력센서의 압력과 전기저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도8에 나타내는 바와 같이 압력이 가해지면, 산형 감압층(33)의 저항이 저하된다. 전압전원에 의하여 일정한 전압을 가하였을 때의 소스―드레인 사이의 전위차는, 드레인 전극(19)과 직렬로 접속된 산형 감압층(33)의 저항값에 의존한다. 그 결과 소스―드레인 사이의 전위차가 커지게 되어, 흐르는 전류량이 증가한다. 따라서 산형 감압층(33)에 부여되는 가압력과 전류량을 미리 취득하여 두면, 신호처리장치(도면에 나타내지 않는다)는 전류량에 따른 신호의 변화를 판독함으로써, 압력센서(1)에 인가되는 압력량(가압력)을 검지할 수 있다.
상측 전극부재(3)에 작은 힘이 작용하여 공통전극(9)이 저압용의 개별전극(31)(구체적으로는 산형 감압층(33))에만 접촉하고 있다. 그 때문에, 도8에 나타내는 바와 같이 당해 개별전극(31)에 대응하는 TFT(30)로부터의 출력에 의하여 저압력을 정확하게 측정할 수 있다. 상측 전극부재(3)에 중 정도의 힘이 작용하여 공통전극(9)이 중압용의 개별전극(31)(구체적으로는 산형 감압층(33))에도 접촉하고 있다. 그 때문에, 도8에 나타내는 바와 같이 당해 개별전극(31)에 대응하는 TFT(30)로부터의 출력에 의하여 중압력을 정확하게 측정할 수 있다.
상측 전극부재(3)에 큰 힘이 작용하여 공통전극(9)이 고압용의 개별전극(31)(구체적으로는 산형 감압층(33))에도 접촉하고 있다. 그 때문에, 도8에 나타내는 바와 같이 당해 개별전극(31)에 대응하는 TFT(30)로부터의 출력에 의하여 고압력을 정확하게 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 각 전극의 저항변화의 비율이 충분히 높은 영역이 하중에 따라 어긋나 있기 때문에, 저압력, 중압력, 고압력의 어느 것이더라도 정확하게 측정할 수 있다.
압력센서(1)는 가압영역을 갖고 있다. 가압영역은 압력센서(1)의 전체이더라도 좋고, 일부이더라도 좋다.
가압영역에서는, 어느 쪽의 가압 장소이더라도 저압용의 개별전극(31)과, 중압용의 개별전극(31)과, 고압용의 개별전극(31)이 최저가압면적 내에 포함되도록 배열되어 있다.
「최저가압면적」이라는 것은, 예정되는 가압물(예를 들면 손가락, 펜)이 압력센서를 눌렀을 때에 반드시 눌려지는 것으로 상정되는 최저한의 면적이다.
(5)재료
절연필름(7), 절연필름(15)으로서는 폴리카보네이트계, 폴리아미드계 혹은 폴리에테르케톤계 등의 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic), 또는 아크릴계, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 혹은 폴리부틸렌테레프탈레이트계 등의 수지필름(樹脂film)을 사용할 수 있다.
절연필름(7)에 신축성을 요구하는 경우는 예를 들면 우레탄 필름, 실리콘, 고무이다. 절연필름(7) 및 절연필름(15)은, 전극을 인쇄하여 건조시키기 때문에 내열성(耐熱性)을 갖는 재료가 바람직하다.
공통전극(9), 개별전극(31)으로서는 산화주석, 산화인듐, 산화안티몬, 산화아연, 산화카드뮴 혹은 산화인듐주석(ITO) 등의 금속산화물막, 이들의 금속산화물을 주체로 하는 복합막, 또는 금, 은, 구리, 주석, 니켈, 알루미늄 혹은 팔라듐 등의 금속막에 의하여 형성할 수 있다. 공통전극(9)에 신축성을 요구하는 경우는 예를 들면 신축성 Ag 페이스트(伸縮性 Ag paste)이다.
산형 감압층(33)은 예를 들면 감압잉크(感壓ink)로 이루어진다. 감압잉크는, 외력에 따라 대향하는 전극과의 접촉저항이 변화됨에 따라 압력검출을 할 수 있도록 하는 재료이다. 감압잉크층은 도포(塗布)에 의하여 배치할 수 있다. 감압잉크층의 도포방법으로서는, 스크린 인쇄, 오프셋 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 플렉소 인쇄(flexo printing) 등의 인쇄법, 또는 디스펜서(dispenser)에 의한 도포를 사용할 수 있다.
제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)로서는 아크릴계 수지, 에폭시계 수지 혹은 실리콘계 수지와 같은 수지의 인쇄층(印刷層) 또는 도포층(塗布層)을 사용할 수 있다.
(6)압력센서의 제조방법
도9∼도19를 사용하여 압력센서(1)의 제조방법을 설명한다. 도9∼도19는 압력센서의 제조방법을 나타내는 모식적인 단면도이다.
최초에, 도9∼도18을 사용하여 하측 전극부재(5)의 제조방법의 각 스텝을 설명한다.
도9에 나타내는 바와 같이 절연필름(15)의 일면(一面)에, 예를 들면 스퍼터링(sputtering)에 의하여 전극재료(37)를 형성한다.
도10에 나타내는 바와 같이 예를 들면 포토리소그래피법(photolithographic method)에 의하여 전극재료(37)의 일부를 제거함으로써 필름 노출부(39)를 형성한다. 또한 이에 따라 소스 전극(17)과 드레인 전극(19)을 형성한다. 또 소스 전극(17)과 드레인 전극(19)의 형성방법은 특별하게 한정되지 않는다.
도11에 나타내는 바와 같이 필름 노출부(39)에 유기 반도체(23)를 형성한다. 유기 반도체(23)의 형성방법은 공지의 기술이다.
도12에 나타내는 바와 같이 소스 전극(17), 드레인 전극(19) 및 유기 반도체(23)가 형성된 면을 덮도록 제1절연막(25)을 형성한다.
도13에 나타내는 바와 같이 제1절연막(25)의 상면에 있어서 유기 반도체(23)의 상방에 게이트 전극(21)을 형성한다. 게이트 전극(21)의 형성방법은 공지의 기술이다.
도14에 나타내는 바와 같이 게이트 전극(21)이 형성된 제1절연막(25)의 전체를 덮도록 제2절연막(27)을 형성한다.
도15에 나타내는 바와 같이 제1절연막(25)과 제2절연막(27)에 레이저에 의하여 드레인 전극(19)에 이르는 관통구멍을 형성하고, 여기에 도전재료를 메움으로써 도전부(29)를 형성한다.
도16에 나타내는 바와 같이 개별전극(31)을 인쇄법에 의하여 형성하고, 도전부(29)를 통하여 TFT(30)와 접속한다.
도17에 나타내는 바와 같이 개별전극(31) 위에 산형 감압층(33)을 인쇄법에 의하여 형성한다.
도18에 나타내는 바와 같이 제2절연막(27) 위에 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)를 인쇄법에 의하여 더 형성한다.
다음에 도19를 사용하여 상측 전극부재(3)의 제조를 설명한다.
도19에 나타내는 바와 같이 인쇄법에 의하여 절연필름(7)의 일면에 공통전극(9)을 형성한다. 또 절연필름(7)의 일면에 예를 들면 스퍼터링에 의하여 공통전극(9)의 재료를 형성하고, 계속하여 포토리소그래피법에 의하여 공통전극(9)을 형성하여도 좋다.
최후에, 상측 전극부재(3)와 하측 전극부재(5)를 접착제로 이루어지는 액자 모양의 액자 스페이서(13)(도4)를 통하여 접합함으로써 압력센서(1)를 완성시킨다.
2.제2실시형태
상기 실시형태에서는 개별전극(31)과 산형 감압층(33)의 평면 형상은 모두 원이었지만, 특별하게 한정되지 않는다. 도20을 사용하여 그러한 실시형태를 설명한다. 도20은 개별전극 및 개별 스페이서의 평면 형상을 나타내는 모식적인 평면도이다.
도20에서는, 개별전극(31C) 및 산형 감압층(33C)의 평면 형상은 사각형이다. 이들의 평면 형상은 삼각형 그 외의 다각형이더라도 좋다.
3.제3실시형태
도21을 사용하여 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배열패턴의 변형예를 설명한다. 도21은 개별전극과 개별 스페이서의 평면위치관계를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도21에서는, 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)는 교대로 나란하게 배치되어 있다. 즉 개별전극(31) 상호간은 행방향 및 열방향의 어느 쪽에도 서로 인접하지 않고 있다. 또한 개별 스페이서 상호간은 행방향 및 열방향의 어느 쪽에도 서로 인접하지 않고 있다.
도21에서는, 제2개별 스페이서(35B)가 도면의 상하방향 한가운데에서 좌우로 직선 모양으로 배치되어 있다. 그 때문에 제2개별 스페이서(35B)에 끼워진 개별전극(31)(「고」라고 기재된 글자)이 고압용으로 되고, 제2개별 스페이서(35B)에 끼워지지 않지만 제2개별 스페이서(35B)에 인접하여 배치된 개별전극(31)(「중」이라고 기재된 글자)이 중압용으로 되고, 제2개별 스페이서(35B)로부터 떨어진 개별전극(31)(「저」라고 기재된 글자)이 저압용으로 된다.
이상의 결과, 복수의 고압용의 개별전극(31)이 도면의 상하 한가운데에 배치되어 있고, 복수의 중압용의 개별전극(31)이 복수의 고압용의 개별전극(31)의 상하 외측에 배치되어 있고, 복수의 저압용의 개별전극(31)이 복수의 중압용의 개별전극(31)의 상하 외측에 배치되어 있다.
이 실시형태에 있어서도 저압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용하는 것만으로 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다. 고압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력 또는 중압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 고압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다. 중압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 중압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다.
4.제4실시형태
도22를 사용하여 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배열패턴의 변형예를 설명한다. 도22는 개별전극과 개별 스페이서의 평면위치관계를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도22에서는, 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)는 교대로 나란하게 배치되어 있다. 즉 개별전극(31) 상호간은 행방향 및 열방향의 어느 쪽에도 서로 인접하지 않고 있다. 또한 개별 스페이서 상호간은 행방향 및 열방향의 어느 쪽에도 서로 인접하지 않고 있다.
1쌍의 제2개별 스페이서(35B)는, 도면의 좌우방향으로 떨어져서 배치되어 있다. 그 때문에 제2개별 스페이서(35B)의 주위의 개별전극(31)(「고」라고 기재된 글자)이 고압용으로 되고, 제2개별 스페이서(35B)에 끼워지지 않지만 제2개별 스페이서(35B)에 인접하여 배치된 개별전극(31)(「중」이라고 기재된 글자)이 중압용으로 되고, 제2개별 스페이서(35B)로부터 떨어진 개별전극(31)(「저」라고 기재된 글자)이 저압용으로 된다.
이상의 결과, 복수의 고압용의 개별전극(31)이 도면의 좌우 양측에 배치되어 있고, 복수의 중압용의 개별전극(31)이 도면의 전체에 배치되어 있고, 1쌍의 저압용의 개별전극(31)이 도면의 상하 양측에 배치되어 있다.
이 실시형태에 있어서도 저압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용하는 것만으로 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다. 고압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력 또는 고압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 고압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다. 중압용의 개별전극(31)은, 주위의 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)의 배치에 의하여, 저압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하지 않고 중압력이 작용할 때에 공통전극(9)과 도통하도록 설정되어 있다.
5.제5실시형태
상기 실시형태에서는 개별전극은 평판 형상이었지만, 산형 형상이더라도 좋다. 도23을 사용하여 그러한 실시형태를 설명한다. 도23은 압력센서의 부분 개략적인 단면도이다.
도23에서는, 개별전극(31A)은 산형이고, 그 상면에 산형 감압층(33A)이 적층되어 있다.
6.제6실시형태
상기 실시형태에서는 감압층은 개별전극 위에 적층되어 있었지만, 상측 전극부재에 형성되어 있어도 좋다. 도24를 사용하여 그러한 실시형태를 설명한다. 도24는 압력센서의 부분 개략적인 단면도이다.
도24에서는, 상측 전극부재(3A)에 있어서 공통전극(9)의 하면에는 감압층(33B)이 형성되어 있다. 개별전극(31A)은 산형이다.
7.제7실시형태
상기 실시형태의 모든 감압층은 상측 전극부재 및 하측 전극부재의 일방에만 형성되어 있었지만, 감압층은 양 부재에 형성되어 서로 대향하여도 좋다. 도25를 사용하여 그러한 실시형태를 설명한다. 도25는 압력센서의 부분 개략적인 단면도이다.
도25에서는, 개별전극(31) 위에 산형 감압층(33)이 형성되어 있다. 상측 전극부재(3A)에 있어서 공통전극(9)의 하면에는 감압층(33B)이 더 형성되어 있다.
8.다른 실시형태
이상, 본 발명의 복수의 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다. 특히 본 명세서에 기재된 복수의 실시형태 및 변형예는 필요에 따라 임의로 조합시킬 수 있다.
(1)상기 실시형태에서는 개별전극(31)과 제1개별 스페이서(35A) 및 제2개별 스페이서(35B)는 행과 열이 완전하게 갖추어진 매트릭스 모양이었지만, 넓은 의미에서의 매트릭스 모양으로 배치되어 있으면 좋다.
(2)감압층의 측면 형상의 변형예
상기 실시형태에서는, 산형 감압층(33)은 돔 형상으로서 측면 형상은 반원 형상이었지만, 특별하게 한정되지 않는다.
(3)상기 실시형태에서는, 각 개별전극에 박막 트랜지스터를 대응시키고, 또한 각 박막 트랜지스터의 전류를 검출하고 있었다. 바꾸어 말하면, 1개의 개별전극에 1개의 박막 트랜지스터가 접속되어 있었다. 그러나 1개의 개별전극에 복수의 박막 트랜지스터를 대응시켜서, 복수의 박막 트랜지스터의 전류를 검출하도록 하여도 좋다. 구체적으로는 1개의 개별전극에 인접하는 2개 이상의 박막 트랜지스터가 접속된다. 이에 따라 검출되는 전류값이 커지게 되고, 또한 회로에 리던던시성(redundancy性)을 갖게 할 수 있다.
(4)상기 실시형태에서는 개별전극은 저압용, 중압용, 고압용으로 나누어져 있었지만, 저압·고압의 2종류이더라도 좋고, 4종류 이상이더라도 좋다.
(5)상기 실시형태에서는 감압층은 산형이었지만, 다른 형상이더라도 좋다.
(6)상기 실시형태에서는 개별 스페이서는 개별전극 및 감압층은 다른 재료에 의하여 구성되어 있었지만, 개별 스페이서는 개별전극으로부터 전기적으로 독립되어 있으면 조건을 충족시키기 때문에, 상기 실시형태에 한정되지 않는다.
예를 들면 개별 스페이서는 개별전극과 감압층을 갖는 것이지만, 도전부(29)가 생략된 구조이더라도 좋다. 이 경우에는 개별 스페이서는, 개별전극 및 감압층을 형성하는 공정에서 그것들과 동시에 형성된다.
또한 예를 들면 개별 스페이서는 도전부(29)와 개별전극(31)을 갖는 것이지만, 산형 감압층(33)을 대신하여 절연재료가 사용된 구조이더라도 좋다. 이 경우에는, 도전부(29)와 개별전극(31)을 모든 개소에 형성하여 두고, 그 후에 산형 감압층(33) 또는 절연재료에 의하여 감압부와 개별 스페이서를 형성할 수 있다.
또한 개별 스페이서는 도전부(29)와 개별전극(31)과 산형 감압층(33)을 갖는 것이지만, 도전부(29)가 드레인 전극(19)과 도통하지 않는 구조이더라도 좋다.
(7)개별전극(31) 상호간이, 행방향 혹은 열방향 중 어느 하나 또는 양방에 서로 인접하고 있어도 좋다.
또한 개별 스페이서 상호간이, 행방향 및 열방향의 어느 하나 또는 양방에 서로 인접하고 있어도 좋다.
(8)개별 스페이서는, 절연되어 있는 경우에는 인접하는 개별 스페이서 또는 개별전극과 접촉되어 있어도 좋다.
본 발명은, 감압층과 전극으로서 다수의 박막 트랜지스터를 갖는 압력센서에 널리 적용할 수 있다. 특히 본 발명에 관한 압력센서는, 터치패널 이외에 큰 면적의 시트센서에 적합하다. 구체적으로는, 본 발명에 관한 압력센서는 보행(步行)의 측정기술(의료, 스포츠, 시큐리티의 분야), 베드의 바닥 어긋남 측정기술에 적용할 수 있다.
1 : 압력센서
3 : 상측 전극부재
5 : 하측 전극부재
7 : 절연필름
9 : 공통전극
13 : 액자 스페이서
15 : 절연필름
30 : 박막 트랜지스터
31 : 개별전극
33 : 산형 감압층
35A ： 제1개별 스페이서
35B ： 제2개별 스페이서

Claims (3)

  1. 제1절연기재(第1絶緣基材)와,
    상기 제1절연기재의 주면(主面)에 넓게 형성된 공통전극(共通電極)과,
    상기 제1절연기재의 상기 주면과 대향하여 배치된 제2절연기재와,
    상기 제2절연기재에 있어서 상기 제1절연기재측의 주면에 상기 공통전극과 대향하여 전체 면에 깔리도록 형성된 복수의 개별전극(個別電極)과,
    상기 복수의 개별전극 및 상기 공통전극의 적어도 일방(一方)의 위에 적층된 감압층(感壓層)과,
    상기 복수의 개별전극에 대응하여 상기 제2절연기재의 상기 주면과 반대측에 형성되고, 1 또는 인접하는 2 이상이 1개의 개별전극에 접속되는 복수의 박막 트랜지스터(薄膜 transistor)와,
    상기 제2절연기재의 상기 주면에 있어서 상기 복수의 개별전극의 사이에 배치되고, 상기 공통전극과 대향하는 제1개별 스페이서(第1個別 spacer) 및 제2개별 스페이서를
    구비하고,
    상기 제2개별 스페이서는, 상기 제1개별 스페이서보다 높게 형성되어 있고,
    상기 복수의 개별전극은, 주위의 상기 제1개별 스페이서 및 상기 제2개별 스페이서의 배치에 의하여 상기 제1절연기재와 상기 제2절연기재가 접근하도록 저압력(低壓力)이 작용하는 것만으로 상기 공통전극과 도통(導通)하도록 설정된 저압용 개별전극과, 주위의 상기 제1개별 스페이서 및 상기 제2개별 스페이서의 배치에 의하여 상기 제1절연기재와 상기 제2절연기재가 접근하도록 저압력이 작용할 때에 상기 공통전극과 도통하지 않고 고압력(高壓力)이 작용할 때에 상기 공통전극과 도통하도록 설정된 고압용 개별전극을 갖고 있는
    압력센서(壓力sensor).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고압용 개별전극은 상기 제2개별 스페이서와 인접하고 있는 압력센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고압용 개별전극은 상기 제2개별 스페이서의 사이에 끼워져 있는 압력센서.
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