(57)【要約】【課題】高感度でダイナミックレンジの広い検出能力を持つと共に、センシング情報を電圧信号として取り出すことができるセンサーデバイスを提供すること。【解決手段】Ｐ型トランジスタＴｒ１とＮ型トランジスタＴｒ２とにより相補型回路を構成すると共に、前記Ｐ型もしくはＮ型トランジスタの少なくとも一方が有機ＴＦＴにより構成してセンサー素子として利用される。センサー素子として利用される有機ＴＦＴは、物理変化を受けてもしくは特定の物質の吸着により電気特性が変化する機能を果たし、相補型回路を構成する他方のトランジスタは、センサー感度を持たない構成とされる。  センサーデバイスは相補型回路を構成するので、ダイナミックレンジの広い検出能力を持たせることができ、センサー出力は電圧値としてもたらされるので、外付けの回路構成を簡素化させることにも寄与できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐチャンネル型トランジスタとＮチャンネル型トランジスタとにより相補型回路を構成すると共に、相補型回路を構成する前記Ｐチャンネル型もしくはＮチャンネル型トランジスタの少なくとも一方が有機薄膜トランジスタにより構成してセンサー素子として利用され、前記相補型回路の入力電圧に対する出力電圧の変化を、センサー出力とすることを特徴とする有機薄膜トランジスタを用いたセンサーデバイス。
【請求項２】
センサー素子として利用される有機薄膜トランジスタは、物理変化を受けてもしくは特定の物質の吸着により電気特性が変化する機能を果たし、相補型回路を構成する他方のトランジスタは、センサー感度を持たないことを特徴とする請求項１に記載された有機薄膜トランジスタを用いたセンサーデバイス。
【請求項３】
前記センサー素子として利用される有機薄膜トランジスタに、Ｐチャンネル型トランジスタを用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された有機薄膜トランジスタを用いたセンサーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機薄膜トランジスタを相補型回路として構成したセンサーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）は、例えばプラスチックフィルムなどの可撓性の素材上に、低温（室温）の雰囲気下において形成することができるため、軽量で柔軟な電子デバイスを実現できる技術として注目されている。
また、有機トランジスタに物理的な変化を加えた場合や、特定の物質を吸着させた時に起こる有機トランジスタの特性の変化を、電気信号として出力する機能を利用して、センサーデバイスなどへの応用も検討されている。
【０００３】
すなわち有機トランジスタは、圧力、温度、光、加速度、歪、磁気、湿度などの物理的変化や、ガス、イオン、ｐＨ、もしくは特定の酵素、ＤＮＡ、タンパク質などを検出するためのセンサーとして用いることができる。
特に、大面積を有するセンサーアレイや、曲面状に設置できるシート状のセンサーデバイスなど、樹脂フィルムを基板として用いたフレキシブルセンサーの検出部として用いること可能である。
【０００４】
従来の有機トランジスタを用いたセンサーは、有機トランジスタ単体をセンサー素子として機能させ、有機トランジスタを流れる電流変化（ドレイン電流）を検出するデバイス形態が一般的であり、これは特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されているように、ゲート絶縁膜や有機半導体に検出したい物質と結合や反応しやすい置換基を含有させ、検出したい物質が吸着した時に起こる有機トランジスタに流れる電流変化を指標として、物質の検出などを行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５８６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されたセンサーデバイスによると、前記したとおり有機トランジスタ単体をセンサー素子として機能させ、電気信号を計測する手法であるため、センシングした時の電流変化量が数倍程度と小さく感度が悪い。
また、この計測手法においては、桁で変わるような変化を検出することは難しく、信号のダイナミックレンジが狭いことが課題となる。すなわち前記センサーが、目的の物質を検出したかどうかについては識別できるものの、その量や程度などを定量的に検出することは難しい。
【０００７】
したがって、センサーとしての感度を向上させると共に、検出される信号のダイナミックレンジが広くなれば、前記課題を解決することができる。
また、実用的な回路を考えた場合、センシングしたときの電気信号を電圧信号として検出した方が信号処理がし易く、Ｓ／Ｎを大きく高めることができる。さらにセンシング情報を電圧信号として検出できれば、情報を容易にデジタル処理することも可能となる。
【０００８】
この発明は、前記した技術的な観点に基づいてなされたものであり、高感度でダイナミックレンジの広い検出能力を持つと共に、センシング情報を直接電圧信号として取り出すことができる有機薄膜トランジスタを用いたセンサーデバイスを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を達成するためになされたこの発明に係るセンサーデバイスは、Ｐチャンネル型トランジスタとＮチャンネル型トランジスタとにより相補型回路を構成すると共に、相補型回路を構成する前記Ｐチャンネル型もしくはＮチャンネル型トランジスタの少なくとも一方が有機薄膜トランジスタにより構成してセンサー素子として利用され、前記相補型回路の入力電圧に対する出力電圧の変化を、センサー出力とすることを特徴とする。
【００１０】
この場合、センサー素子として利用される有機薄膜トランジスタは、物理変化を受けてもしくは特定の物質の吸着により電気特性が変化する機能を果たし、相補型回路を構成する他方のトランジスタは、センサー感度を持たない構成にされる。
【００１１】
加えて、この発明にかかるセンサーデバイスにおいては、センサー素子として利用される前記有機薄膜トランジスタとして、望ましくはＰチャンネル型トランジスタが用いられる。
【発明の効果】
【００１２】
前記したこの発明にかかるセンサーデバイスによると、Ｐチャンネル型トランジスタとＮチャンネル型トランジスタとにより相補型回路（ＣＭＯＳ）が構成され、少なくともその一方のトランジスタが有機薄膜トランジスタ（以下、有機ＴＦＴとも言う。）により構成されてセンサー素子として利用される。
前記センサー素子として利用される有機ＴＦＴは、目的の物理変化や特定の物質の吸着などにより電気特性が変化することでセンサーとしての機能を果たし、相補型回路の出力端子より電圧情報としてセンサー出力をもたらすことができる。
【００１３】
この場合、相補型回路の出力端子には、当該相補型回路に加える動作電圧（後述するＶｄｄ）に応じて、ダイナミックレンジの広い検出出力（センサー出力）を電圧値として出力することができる。これにより、センサー素子として利用される有機ＴＦＴにより目的の物理変化や特定の物質などを定量的に検出することが可能なセンサーデバイスを提供することができる。
しかも、センサー出力情報は電圧値としてもたらされるので、センサー出力情報を即座にデジタル処理することも可能になるなど、外付けの回路構成を簡素化させることにも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明に係るセンサーデバイスに利用される相補型回路の基本構成を説明する結線図である。
【図２】Ｐチャンネル型有機ＴＦＴの積層構成例を示した模式図である。
【図３】Ｎチャンネル型有機ＴＦＴの積層構成例を示した模式図である。
【図４】相補型回路によりセンサーデバイスを構成した場合の出力電圧特性の例を示した線図である。
【図５】有機トランジスタ単体をセンサーデバイスとして機能させた場合の電流変化特性の例を示した線図である。
【図６】有機ＴＦＴの基板の曲げ度合いに対応した相補型回路により得られる反転特性を示した線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明に係るセンサーデバイスについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
図１はこの発明に係るセンサーデバイスおいて利用される相補型回路の基本構成を説明するものである。この例においては、第１のトランジスタＴｒ１としてＰチャンネル型有機ＴＦＴ（以下、単にＰ型有機ＴＦＴとも言う。）が用いられ、第２のトランジスタＴｒ２としてＮチャンネル型有機ＴＦＴ（以下、単にＮ型有機ＴＦＴとも言う。）が用いられている。
【００１６】
第１トランジスタＴｒ１および第２トランジスタＴｒ２のゲート電極は共通接続されて、ゲートバイアス電圧の入力端子Ｖｉｎを構成しており、第１トランジスタＴｒ１のソース電極と第２トランジスタＴｒ２のドレイン電極とは共通接続されて相補型回路の電圧出力端子Ｖｏｕｔを構成している。
また、第１トランジスタＴｒ１のドレイン電極には、動作電源＋Ｖｄｄが加えられると共に、第２トランジスタＴｒ２のソース電極は、基準電位点（グランド）に接続されている。
【００１７】
すなわち、図１に示す相補型回路は、インバータとしての論理回路を構成しており、入力端子Ｖｉｎに供給されるゲート入力電圧に応じて、出力端子Ｖｏｕｔにもたらされる出力電圧は、前記動作電源Ｖｄｄの範囲で変化が可能となる。
したがって、例えば第１トランジスタＴｒ１としてのＰ型有機ＴＦＴを、前記したセンサー素子として利用した場合、Ｐ型有機ＴＦＴの電気特性の変化を大きなダイナミックレンジをもって出力端子Ｖｏｕｔにもたらすことができる。
【００１８】
図２は、前記した第１トランジスタＴｒ１としてのＰ型有機ＴＦＴの積層構成例を示したものである。この例は電界効果型の有機トランジスタの一般的な構成であり、このトランジスタを作製するには、まずガラス板に耐熱性の両面テープを用いて１２５μｍの厚さのＰＥＮフィルムを貼り合せ、デバイスを作製するための基板１とする。
【００１９】
その基板１上にゲート電極２となるアルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、続いてその上に、ゲート絶縁膜３となる架橋性ポリビニルフェノ一ルを膜厚３００ｎｍとなるようにスピンコートにより成膜する。次に、金電極を全面に成膜した後、フォトリソグラフィを用いてソース電極４およびドレイン電極５の形状にパターン成形する。最後に、Ｐ型有機半導体層６として、ぺンタセンを５０ｎｍの膜厚で真空蒸着することで、Ｐ型有機ＴＦＴを得ることができる。
【００２０】
また図３は、前記した第２トランジスタＴｒ２としてのＮ型有機ＴＦＴの積層構成例を示したものである。この例も電界効果型の有機トランジスタを構成しており、このＮ型有機ＴＦＴの作成においても、前記したＰ型有機ＴＦＴの作成とほぼ同様の手順が採用される。
【００２１】
すなわち、ガラス板に耐熱性の両面テープを用いて１２５μｍの厚さのＰＥＮフィルムを貼り合せ、デバイスを作製するための基板１１とする。
その基板１１上にゲート電極１２となるアルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、続いてその上に、ゲート絶縁膜１３となる架橋性ポリビニルフェノ一ルを膜厚３００ｎｍとなるようにスピンコートにより成膜する。
【００２２】
次に、金電極を全面に成膜した後、フォトリソグラフィを用いてソース電極１４およびドレイン電極１５の形状にパターン成形する。最後に、Ｎ型有機半導体層１６として、ＦＰＴＢＢＴ（Chemical Communication,Vo1.46,Page 3265 ）を５０ｎｍの膜厚で真空蒸着することで、Ｎ型有機ＴＦＴを得ることができる。
【００２３】
図２および図３に示すＰ型有機ＴＦＴおよびＮ型有機ＴＦＴを用いて、図１に示す相補型回路とすることでセンサーデバイスが構成される。
この実施の形態においては、第１トランジスタＴｒ１としてのＰ型有機ＴＦＴをセンサー素子として利用し、他方の第２トランジスタＴｒ２としてのＮ型有機ＴＦＴは、センサー感度を持たない構成になされる。
【００２４】
なお、センサーとしての感度を必要としない前記第２トランジスタＴｒ２、チャネル長、チャネル幅、ゲート絶縁膜の膜厚、電極材料、有機半導体材料などのデバイス構造を最適化させることで、目的の物理変化や特定の物質の吸着などに対する電気特性の変化を小さくすることができ、センサーとしての感度を無くすことができる。
また、センサー感度を持たないトランジスタには、酸化物半導体、シリコン半導体、カーボンナノチューブを用いたトランジスタを、有機トランジスタの代わりに使用することもできる。
【００２５】
前記したセンサーデバイスを、物理的な曲がり状態を検出する曲がりセンサーとして利用した場合の検証結果を図４に示している。
すなわち、図１に示す相補型回路の動作電圧Ｖｄｄに２０Ｖを印加した状態で、入力電圧Ｖｉｎを−１０Ｖから２０Ｖまで掃引した。そして、相補型回路のＰ型有機ＴＦＴを、曲げ半径４ｍｍで曲げる前後での出力電圧Ｖｏｕｔの変化を測定した。
【００２６】
図４は前記Ｐ型有機ＴＦＴを曲げる前後の出力電圧Ｖｏｕｔの出力特性を示している。すなわち図４は、横軸を入力電圧Ｖｉｎで示し、縦軸に出力電圧Ｖｏｕｔおよび出力電圧の電圧変化量ΔＶｏｕｔを示している。
符号Ａで示す実線は、センサー素子としてのＰ型有機ＴＦＴを曲げる前のトランジスタ特性、すなわち前記したＶｏｕｔの出力電圧値を示しており、符号Ｂで示す点線は有機ＴＦＴの基板１を内側にして、曲げ半径（Ｒ）を４ｍｍとし、有機ＴＦＴに引っ張り応力が加わるようにしたときの同じくＶｏｕｔの出力電圧値を示している。
さらに符号Ｃで示す実線は、前記ＴＦＴ基板１の曲げによる相補型回路の出力電圧の変化量を示している。
【００２７】
図４に示す結果から理解できるとおり、有機トランジスタを曲げることで、前記Ｖｉｎが８Ｖ付近で非常に大きな電圧変化が起こっており、センサー素子の曲げる前後での電圧変化量は８Ｖ以上の特性が得られる。
この原理を応用することで、前記した電圧変化量ΔＶｏｕｔから、曲げ半径を測定することができ、これを応用することで基材の曲率を検出することができる曲がりセンサーとして利用することができる。
【００２８】
なお、図４におけるＡ，Ｂ，Ｃで示す各特性は、いずれも相補型回路に加えるゲートバイアス電圧Ｖｉｎを一方向に上昇および降下させた場合のヒステリシス特性で示している。この特性からも理解できるとおり、この発明に係るセンサーデバイスによると、前記ヒステリシス特性は非常に少なく、センサーとしての精度を十分に確保することができる。
【００２９】
図５は、前記したこの発明に係るセンサーデバイスとの比較のための検証結果を示すものであり、これは図２に示したＰ型有機ＴＦＴの単体をセンサー素子として利用した場合の結果を示している。
すなわち、単体のＰ型有機ＴＦＴのソース電極を基準電位点（グランド）に接続し、ドレイン電極にＶｄｄとして２０Ｖを印加すると共に、ゲート電圧を−２０Ｖから１０Ｖまで掃引した結果を示している。
【００３０】
図５に符号Ｄで示す実線は、センサー素子を曲げる前の特性を示し、符号Ｅで示す点線は曲げ半径（Ｒ）が４ｍｍで、センサー素子に引っ張り応力がかかる方向に曲げた時の特性を示している。なおこの図５においても、Ｄ，Ｅはヒステリシス特性で示している。
図５に示されているように、センサー素子を曲げることで、ゲート電圧が−２０Ｖの時にドレイン電流が４０％低下することが認められる。
前記センサー素子の曲げ半径（Ｒ）を変えてそれぞれの場合のドレイン電流を測定すると、ドレイン電流は１／Ｒに比例して低下することが分かった。
【００３１】
したがって、ドレイン電流の変化量からセンサー素子を構成する基板１の曲率を検出できることができる。しかしながら、この方式においては電流変化をモニターせざるを得ないために、外付けの回路でアナログ／デジタル変換を行う必要があるという問題が残される。またセンサー出力としての電流変化幅が小さく、ダイナミックレンジが狭いという問題も残される。
【００３２】
これに対して、すでに説明したこの発明に係るセンサーデバイスによると、相補型回路を構成し、センサー出力は電圧値としてもたらされるので、これを即座にデジタル処理することも可能であり、外付けの回路構成を簡素化させることができる。
また、図４に示した検証結果からも理解できるように、一例として基板等の曲がりセンサーとして利用した場合において、大きな値の電圧変化量ΔＶｏｕｔを得ることができ、このダイナミックレンジの広さを生かして、基板等の曲がりの度合いを定量的に正確に検出することが可能となる。
【００３３】
図６は、センサー素子を構成する前記したＰ型有機ＴＦＴの基板１の曲げ度合いに対応した相補型回路により得られる前記Ｖｏｕｔの出力特性（反転特性）を示している。
この反転特性は、センサー素子としてのＰ型有機ＴＦＴのトランジスタ特性を最適化することで得ることができる。
【００３４】
図６は横軸を入力電圧Ｖｉｎで示し、縦軸に出力電圧Ｖｏｕｔを示しており、Ｐ型有機ＴＦＴの基板１を表側にして曲げた場合（基板が凸方向に変形した場合）、および同基板１を内側にして曲げた場合（基板が凹方向に変形した場合）について示している。
【００３５】
すなわち、符号ａ，ｂ，ｃで示す各特性は、基板１を凸方向に変形させた場合において、基板１の曲げ半径（Ｒ）が１０ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍの場合における出力電圧Ｖｏｕｔの反転特性を示している。また符号ｄ，ｅ，ｆで示す各特性は、基板１を凹方向に変形させた場合において、基板１の曲げ半径（Ｒ）が１０ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍの場合における出力電圧Ｖｏｕｔの反転特性を示している。
なお、符号ｇで示す特性は、基板１に曲げ操作を与えない場合の特性を示している。
【００３６】
図６に示されているように、前記基板１を凸方向に変形させたときには反転特性が高電圧側にシフトし、基板１を凹方向に変形させたときには反転特性が低電圧側にシフトすることが理解できる。
そして、相補型回路の入力電圧Ｖｉｎを掃引し、出力電圧Ｖｏｕｔが反転したときの前記入力電圧Ｖｉｎの値から、基板１の曲がり（変形）方向、およびその曲率を検出することが可能となる。
【００３７】
すなわち、すでに説明した図４に示す変化特性を検出に利用した場合には、電圧差（ΔＶｏｕｔ）の大小を基板１の曲率に変換するアナログ検出機能を持つのに対して、図６に示す検出手段を利用することで、基板１が特定な曲率で曲がっているか否かをデジタル検出することが可能となる。
【００３８】
この発明に係るセンサーデバイスについては、一つの例として基板等の曲がりセンサーに利用する場合について説明したが、この発明に係るセンサーデバイスは、他に圧力、温度、光、加速度、歪、磁気、湿度などの物理的変化の検出にも利用できる。この物理的変化の検出においては、センサーデバイスの全体を被測定位置もしくは雰囲気中に配置することにより、センサー出力を得ることができる。
【００３９】
また、ガス、イオン、ｐＨ、もしくは特定の酵素、ＤＮＡ、タンパク質などを検出するには、センサー素子として機能する例えば図２に示したＰ型有機ＴＦＴの有機半導体層６の表面に、さらに被検出物質を吸着できる層を形成することが望ましい。
そして、特定の物質の吸着によって生ずる有機ＴＦＴの電気特性の変化が、相補型回路のＶｏｕｔ端子よりもたらされ、これによりセンサー機能を果たすことができる。
【００４０】
なお、図２および図３に示した有機トランジスタは、ボトムゲート・トップコンタクト構造であるが、この発明に係るセンサーデバイスにおいては、これに限らず、ボトムゲート・ボトムコンタクト構造、トップゲート・ボトムコンタクト構造などを適宜採用することができる。
また、有機トランジスタに用いる絶縁材料、電極、基材の種類についても格別なものは必要とせず、有機トランジスタに適した一般的な素材を用いることができる。
【００４１】
以上説明した実施の形態においては、Ｐ型有機トランジスタをセンサー素子として利用しているが、これはＮ型有機トランジスタをセンサー素子として利用することもできる。
ただし、Ｎ型有機トランジスタはＰ型有機トランジスタに比べ、一般的にデバイスとしての安定性が悪く劣化しやすいため、センサーデバイスとしての耐久性や再現性を考慮すると、Ｐ型有機トランジスタをセンサー素子として機能させることが望ましい。
【符号の説明】
【００４２】
１      基板
２      ゲート電極
３      ゲート絶縁膜
４      ソース電極
５      ドレイン電極
６      Ｐ型有機半導体層
１１    基板
１２    ゲート電極
１３    ゲート絶縁膜
１４    ソース電極
１５    ドレイン電極
１６    Ｎ型有機半導体層
Ｔｒ１  第１トランジスタ（Ｐ型有機ＴＦＴ）
Ｔｒ２  第２トランジスタ（Ｎ型有機ＴＦＴ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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