(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を含む圧力センサであって、前記圧力センサは、
２つの電極を有する下部基板であって、前記２つの電極は半導体材料で作られた半導体層で部分的に覆われて前記下部基板の上に堆積されていて、前記下部基板は前記２つの電極と直接接触している、下部基板と、
圧電材料で作られた圧電部と、を少なくとも含み、
前記圧電部が前記半導体層及び前記２つの電極と直接接触していて、
前記２つの電極は、電源又は前記２つの電極間の前記半導体層における電荷の移動によって生じる電流強度を測定するための装置に接続されることができ、前記電荷は圧力が前記圧電部にかけられるときに生成される、圧力センサ。
【請求項２】
前記半導体層は、前記下部基板と反対側の面を有し、
前記圧力センサは、前記半導体層の前記面と直接接触して配置された誘電材料で作られた誘電体層をさらに含む、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記圧力センサは、前記半導体層の前記下部基板と反対側の面に堆積された誘電材料で作られた誘電体層と、前記誘電体層の前記半導体層と反対側の上部面に堆積されたゲート電極と、前記誘電体層及び前記ゲート電極の上部面に堆積された絶縁層と、を含み、前記圧電部は、圧電材料が前記半導体材料及び前記２つの電極と直接接触するように、半導体層／誘電体層／ゲート電極／絶縁層のアセンブリ上に堆積される、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記圧電部は、かけられる圧力の方向に沿って整列された双極子を含む、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記圧力センサは、前記圧電部と直接接触している第３の電極を含み、前記第３の電極は電源に接続されることができる、請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記下部基板は、ガラス、ポリカーボネート、ドープされた又はドープされていないシリコン、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）及びアクリレートを含む群から選択された材料で作られる、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記半導体層は、テトラセン、ペンタセン、フタロシアニン、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン又は誘導体、ポリ（３−オクチル）、チオフェン、ポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−］、フェニレン、ビニレン、あるいはα−セキシチオフェンを含む群から選択された材料で作られる、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記圧電部は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ若しくはＰＶＤＦ−ＴＦＥ、及びＬＺＴ（鉛−亜鉛−チタン酸化物）を含む群から選択された材料で作られる、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記誘電体層は、二酸化ケイ素、硝酸ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、ポリイミド、ポリビニル、ピロリドン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、パリレン、ポリスチレン、及びフルオロポリマーを含む群から選択された材料で作られる、請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記絶縁層は、二酸化ケイ素、硝酸ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、ポリイミド、ポリビニル、ピロリドン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、パリレン、ポリスチレン、及びフルオロポリマーを含む群から選択された材料で作られる、請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記２つの電極は、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、クロム、金属粒子、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレン、スルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）若しくはポリアニリン、又はドープされたシリコン材料を含む群から選択された材料で作られる、請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関し、より具体的には圧電材料を含む圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力、つまり表面に加えられる力を測定するために、様々なタイプの圧力センサを使用することがよく知られている。
【０００３】
最新の圧力センサは、歪みゲージセンサである。このようなセンサは、ピエゾ抵抗効果、つまり歪みゲージと呼ばれるレジスタの特性への圧力の効果を実現することによって作動する。歪みゲージの幾何学的変化は、その抵抗の変化と解釈される。このようなセンサは、例えば変形可能検査体上のホイートストンブリッジとして組み立てられた、ワイヤゲージ、ホイル歪みゲージ、又は半導体ゲージなどの４つの歪みゲージを含む。ゲージ抵抗の変化はそして、検査体にかかる圧力を決定することを可能にする。
【０００４】
しかしながら、このような圧力センサはロバストかつ信頼性は高いが、それらの感度は低い。
【０００５】
ダイヤフラム、固定金属板、絶縁材料、及び誘電体から形成された可変容量の圧力センサもまた知られている。２つの金属板、つまりダイヤフラムと固定板との間の容量は、それらを分離する距離が変化するとき、つまり圧力がダイヤフラムにかけられるときに変更される。
【０００６】
このタイプの可変容量圧力センサでは、金属ダイヤフラムと固定金属板との間の容量変化を測定することができ、通常非常に安定で線形である；しかしながら、このような容量は高温に敏感であり、大部分の圧力センサよりも導入がより複雑である。
【０００７】
最後に、圧電原理に応じて作動する圧電圧力センサもまた知られている。従って、石英などの圧電材料は例えば、前記材料が圧力などの機械的歪みにさらされるときに帯電される。帯電は、圧電材料にかかる力に比例し、ピコファラッドで測定される。
【０００８】
従って、圧電圧力センサを用いて圧力を測定するために、圧電材料を横切って出現する電圧が測定される必要がある。
【０００９】
しかしながら、小さな電圧の変化を測定することは特に困難であり、故にこのような圧電圧力センサは、低い感度を有するとみなされ、つまり低い圧力又は低い圧力変化を測定することができないとみなされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的の１つは、単純かつ安価な設計の圧電材料を含む圧力センサを提供し、かつ高い測定感度を提供することで、このような圧電圧力センサの欠点を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的のために、本発明によると、圧電材料を含む圧力センサが提供される。このセンサは、その上に堆積される半導体層で部分的に覆われる２つの電極を有する下部基板と、半導体材料が圧電材料及び２つの電極と接触するように半導体層と接触して配置される圧電層と、を含む。圧電層は、電極と組織的に（ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ）接触する。前記電極は、電源又は電極間の半導体層にある電荷の移動によって生じる電流強度を測定するための装置に接続されるように意図され、前記電荷は圧力が圧電層にかけられるときに生成される。
【００１２】
本発明による圧力センサが、圧力が圧電層にかけられるときに生成された電荷を、それと電気的に接触する半導体内に移動させることができることは、当然である。
【００１３】
２つの前述の電極間の電圧の印加により、電荷を半導体内に移動させ、かつ印加圧力に比例して電流を回復させる（ｒｅｃｏｖｅｒ）ことができ、その電流測定は従来技術の圧電センサで使用される電圧測定よりもさらに信頼性が高い。
【００１４】
本発明の一実施形態によると、センサはさらに、圧電層と半導体層との間に局所的に挿入された、誘電材料で作られた誘電体層を含む。
【００１５】
本発明による圧力センサの有利な特徴によると、圧電層は、かけられる圧力の方向に沿って整列した双極子を含み、それは集結する電荷の数を増加させることができ、故にセンサ感度を増大させることができる。このような整列は、センサを使用する前に一度のみ実施され得る。圧電層の双極子は、有利には、賢明に選択された（ｊｕｄｉｃｉｏｕｓｌｙ−ｓｅｌｅｃｔｅｄ）電極間に電場を印加することによって整列される。
【００１６】
好ましくは、電極間に印加される電場は、２０分から８時間の間の時間にわたって、４０から６０℃の温度範囲において、０．３から０．７ボルト／マイクロメートルの範囲である。実際に、その温度は電荷移動を向上させ、故により速い及び／又はより完璧な整列が得られる。
【００１７】
さらに、下部基板は有利には、ガラス、ドープされた又はドープされていないシリコン、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート、アクリレートなどのポリマーを含む群から選択された材料で作られる。
【００１８】
好ましくは、半導体層は、
−テトラセン、ペンタセン、フタロシアニンなどの半導体有機分子
−ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレンなどの半導体ポリマー、又はポリ（３−オクチル）、チオフェン、ポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−］、フェニレン、ビニレンなどのその誘導体、あるいはα−セキシチオフェンなどのオリゴマー
を含む群から選択された材料で作られる。
【００１９】
さらに、圧電層は有利には、ポリフッ化ビニリデン（フッ素化ポリビニリデン）、ポリフッ化ビニリデンコポリマー、及びＬＺＴ（鉛−亜鉛−チタン酸化物）を含む群から選択された材料で作られる。
【００２０】
特に有利な方法では、本発明による圧力センサはさらに、
−半導体層上に堆積された誘電体層と、
−誘電体層の上部面に堆積されたゲート電極と、
−誘電体層及びゲート電極の上部層に堆積された絶縁層と、
を含み、圧電層は、圧電材料が半導体材料及び２つの電極と接触するように、半導体層／誘電体層／ゲート電極／絶縁層のアセンブリ上に堆積されている。
【００２１】
このような圧力センサはそして、「高ゲート」型電界効果トランジスタ構造を有し、故に、同一の部品が、圧電層に圧力がかかっていないときにトランジスタとして使用され得、前記圧電層上に圧力がかかったときに感圧センサとなる。
【００２２】
好ましくは、誘電材料は、二酸化ケイ素、硝酸ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎｉｔｒａｔｅ）、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ポリイミド、ポリビニル、ピロリドン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、パリレン、ポリスチレン、フルオロポリマーを含む群から選択された材料で作られる。
【００２３】
さらに電極は、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、クロムなどの金属、金属粒子、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物などの金属酸化物、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレン、スルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）若しくはポリアニリンなどの導電性ポリマー、又はドープされたシリコン材料を含む群から選択された材料で作られる。
【００２４】
前述及び他の特徴及び利点は、添付図面と組み合わせて、本発明による圧電材料を含む圧力センサの特定の実施形態の以下の非限定的な説明において詳細に議論される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による圧電材料を含む圧力センサの簡略的な断面図である。
【図２】図１の圧力センサの簡略的な上面図である。
【図３Ａ】本発明による圧力センサの圧電層にかけられた圧力を測定する様々なステップを簡略的に示す図面である。
【図３Ｂ】本発明による圧力センサの圧電層にかけられた圧力を測定する様々なステップを簡略的に示す図面である。
【図３Ｃ】本発明による圧力センサの圧電層にかけられた圧力を測定する様々なステップを簡略的に示す図面である。
【図４】本発明による圧力センサの電極を横切って測定された、電圧に対する電流強度を示すグラフである。
【図５】本発明による圧力センサの圧電層の代替的なバイアスの実行を簡略的に示す図面である。
【図６】本発明による圧力センサの代替的な実行を簡略的に示す断面図である。
【図７】図６の簡略的な上面図である。
【図８】本発明の代替的な実行を示す、図６に類似した図面である。
【図９】「低ゲート」トランジスタモードの圧力センサを示す、図１に類似した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
明確性のために、以下の説明において、異なる図面において同一の要素は同一の参照符号で示されている。さらに、様々な断面図は、必ずしも縮尺通りではない。
【００２７】
図１及び２を参照すると、本発明による圧力センサ１は、上に２つの電極３、４、それぞれソース電極３及びドレイン電極４が堆積された下部基板２を含む。
【００２８】
下部基板２は、以下のリスト：ガラス、ドープされた又はドープされていないシリコン基板、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート、アクリレートなどのポリマー、から選択された材料で作られる。
【００２９】
しかしながら、下部基板２が当業者によってよく知られた任意の他の材料でも得られ得ることは明らかであろう。
【００３０】
さらに、ソース及びドレイン電極３及び４は、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、クロムなどの金属、金属粒子、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物などの金属酸化物、あるいは３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレン、スルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリアニリンなどの導電性ポリマー、ドープされたシリコン材料、又は当業者によってよく知られた任意の他の適切な導電性材料で作られる。
【００３１】
前記ソース及びドレイン電極３及び４は、半導体材料で作られた半導体層５で部分的に覆われる。さらに、誘電材料で作られた誘電体層６が、半導体層５上に堆積される。
【００３２】
前記半導体層５は、有利には、テトラセン、ペンタセン、フタロシアニンなどの半導体有機材料、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレンなどの半導体ポリマー、又はポリ（３−オクチル）、チオフェン、ポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−］、フェニレン、ビニレンなどのその誘導体、あるいはα−セキシチオフェンなどのオリゴマー、で作られる。
【００３３】
しかしながら、半導体層５はまた、本発明の文脈から逸脱することなく、例えばシリコン又はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの当業者によってよく知られた半導体無機材料で作られ得る。
【００３４】
前記誘電体層６は、二酸化ケイ素、硝酸ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、又は再度、ポリイミド、ポリビニル、ピロリドン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、パリレン、ポリスチレン、フルオロポリマー、又は当業者によってよく知られた任意の誘電材料で作られる。
【００３５】
センサはさらに、誘電体層６の上部面に堆積されたゲート電極７を含む。ゲート電極７及び誘電体層６は、電気的絶縁を提供する絶縁層８で覆われる。
【００３６】
圧電材料で作られた圧電層９は、半導体層５の半導体材料が一方で圧電層９の圧電材料と接触し、他方でソース、ドレイン、及びゲート電極３、４及び７と接触するように、絶縁層８、誘電体層６及び半導体層５によって形成されたアセンブリ上に堆積される。
【００３７】
圧電層９は、ゲート電極７から電気的に絶縁される。
【００３８】
ゲート電極７は、ソース及びドレイン電極３及び４を形成する材料と同一の性質の材料で作られる。
【００３９】
絶縁層８は、層６を形成する材料から選択された誘電材料を堆積することによって得られ（上記参照）、圧電層９は、以下のリスト：ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ若しくはＰＶＤＦ−ＴＦＥなどのポリフッ化ビニリデンコポリマー、又は当業者によってよく知られた圧電特性を有する任意の他の材料、から選択された材料で作られる。
【００４０】
圧電層９は好ましくは、１から４０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記厚さは特に、測定される圧力値、つまりその桁、及び圧電層９を形成する圧電材料の性質によって決まる。これらの２つの因子によって圧電層の厚さを適合させることは、当業者の能力の範囲内である。
【００４１】
さらに、圧電層９は整列された双極子を含み、前記双極子は測定される圧力の方向に整列している。圧電層９の堆積後、双極子は不規則である。圧電層９の双極子を整列させるために、電場Ｅが２つの電極間、ソース電極３とドレイン電極４との間に、例えば圧電層９の厚さのマイクロメートル毎に０．３Ｖ．ｍ−１から０．７Ｖ．ｍ−１の範囲の値で、２０分から８時間の範囲の持続時間にわたって４０から６０℃の温度で加えられる。
【００４２】
こうして規定された圧力センサ１は「高ゲート」及び「低接触」電界効果有機トランジスタ構造を有することが観察され得る。従って、圧力が前記センサにかかっていないとき、後者は有利には通常、電界効果有機トランジスタとして作動し得る。
【００４３】
本発明による圧力センサ１の作動は、図３Ａ〜図３Ｃ、図４及び図５と関連して、一実施形態に基づいて以下に説明される。
【００４４】
図３Ａを参照すると、圧力センサ１は、略１２５マイクロメートルの厚さを有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）基板上に金を３ナノメートル堆積することによって得られる。金層は次いでエッチングされ、ソース電極３及びドレイン電極４を画定する。
【００４５】
ソース及びドレイン電極３及び４を部分的に覆う、略９０ナノメートルの厚さを有するトリイソプロピルシリル（ＴＩＰＳ）ペンタセンで作られた半導体層５が次いで、グラビア印刷によって堆積される。この層は次いで、例えば略８００ナノメートルの厚さを有する商品名：ＣＹＴＯＰ（登録商標）として販売されているフルオロポリマーで作られた誘電体層６で覆われる。
【００４６】
そして、５０ナノメートルの金が前記誘電体層６上に堆積され、ゲート電極７を形成し、続いて略１マイクロメートルの厚さのＣＹＴＯＰ（登録商標）で作られた絶縁層が堆積され、その後、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、又はＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ若しくはＰＶＤＦ−ＴＦＥなどのポリフッ化ビニリデンコポリマーで作られた圧電層９が、略１マイクロメートルの厚さで堆積される。
【００４７】
圧電層９の双極子を整列させて横方向の圧力測定を可能にするために、つまり圧電層９の側縁にかけられた圧力を測定するために、電場Ｅがソース及びドレイン電極３及び４の間に印加される。電場Ｅは０．５−Ｖ／μｍの強度を有し、５０℃の温度で３０分間印加される。
【００４８】
図３Ｂを参照すると、圧電層９の双極子は次いで、下部基板２に平行に整列される。
【００４９】
圧力が圧電層９の側縁の一方にかけられるとき、図３Ｃを参照すると、電荷１０が圧点のレベルで前記圧電層に生成される。ドレイン電極４とソース電極３との間にＶＤＳと呼ばれる電圧を印加することによって、電荷１０が半導体層５内に移動し、ソース電極３とドレイン電極４との間に位置する伝導チャネル１１を介して流れる。
【００５０】
半導体層５の伝導チャネル１１における電荷１０の移動は、ソース及びドレイン電極３及び４を横切って測定される電流ＩＤＳの増加を誘導する。
【００５１】
図４に見られるように、ソース及びドレイン電極３及び４を横切って測定される電流ＩＤＳは、圧電層９の側縁にかけられる圧力に比例する。従って、圧電層９にかけられる横方向の圧力の増加は、半導体層５の伝導チャネル１１に作られかつその中を移動する電荷による電流ＩＤＳの比例的な増加を生じさせる。
【００５２】
垂直方向の圧力の測定を可能にするために、図５を参照すると、圧電層９の双極子を垂直に整列させることが事前に必要である。この目的のために、電極１２が圧電層９の上部面に配置され、その後に、電場Ｅが前記電極１２と電極３との間、又は電極１２と電極４との間、あるいは電極１２と電極３及び４との間に印加される。電場Ｅは０．５−Ｖ／μｍの強度を有し、５０℃の温度で３０分から数時間にわたって印加される。
【００５３】
圧電層９の双極子は次いで、垂直方向に整列される。圧電層９の上部面に圧力がかけられるとき、圧点のレベルで圧電層９に電荷１０が生成される。
【００５４】
上記と同様に、ドレイン電極４とソース電極３との間にＶＤＳと呼ばれる電圧を印加することによって、電荷１０は半導体層５内に移動し、ソース電極３とドレイン電極４との間に位置する伝導チャネル１１を介して流れる。半導体層の伝導チャネル１１における電荷１０の移動は、ソース及びドレイン電極３及び４を横切って測定される電流ＩＤＳの増加を生じさせるが、前記電流ＩＤＳの増加は、圧電層９の上部面にかけられる圧力に比例する。
【００５５】
圧電層９の双極子を垂直方向に整列させるために、電場Ｅを印加するのに電極１２の代わりにゲート電極７が使用され得ることに留意すべきである。しかしながら、そのとき双極子の整列は完全に垂直ではなく、後者がトランジスタとして作動する場合、つまり圧電層の上部面に圧力がかけられない場合、圧電層９の双極子はセンサ性能を変更する浮遊容量を作り出す可能性がある。
【００５６】
本発明による圧力センサの代替実施形態によると、図６及び７を参照して、圧電層９は、前記層９の圧電材料が一方で半導体層５の半導体材料と接触し、他方でソース及びドレイン電極３及び４と接触するように、半導体層５上に堆積される。
【００５７】
図８に示された代替的実施によると、誘電体層６が圧電層９と半導体層５との間に導入される。それによって、以下の作動モードが使用できる：
・図６に関連して示された実施形態と同等の、いわゆる「センサ」モード作動；
・圧電層９がゲートの役割を果たす場合のいわゆる「トランジスタ」作動。ここでのゲート電圧の通常の調整は、圧電層における圧力調整であり、それは容量効果によって、電極３及び４の間の電荷移動チャネルを多かれ少なかれ開放する。
【００５８】
上記の通り、圧電層９は整列された双極子を含み、前記双極子は測定される圧力の方向に整列している。圧電層９の双極子を整列させるために、電場Ｅがソース電極３とドレイン電極４との間に、例えば圧電層９の厚さのマイクロメートル毎に０．３から０．７Ｖ．ｍ−１の範囲の強度で、２０分から８時間の範囲の持続時間にわたって４０から６０℃の温度で加えられる。
【００５９】
センサ作動は、この代替的な圧力センサの実行が有機電界効果トランジスタとして作動できないことを除いて、上記センサの作動と完全に同一である。
【００６０】
最後に、提示された実施例は特定の例示のみであって、それらが決して本発明の応用分野を制限しないことは明らかである。従って、図９に示すように、「低ゲート」トランジスタ構造を有する本発明による圧力センサを形成することも可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  圧力センサ
２  下部基板
３  ソース電極
４  ドレイン電極
５  半導体層
６  誘電体層
７  ゲート電極
８  絶縁層
９  圧電層
１０  電荷
１１  伝導チャネル
１２  電極
【図１】
0006008970.tif 000002
【図２】
0006008970.tif 000003
【図３Ａ】
0006008970.tif 000004
【図３Ｂ】
0006008970.tif 000005
【図３Ｃ】
0006008970.tif 000006
【図４】
0006008970.tif 000007
【図５】
0006008970.tif 000008
【図６】
0006008970.tif 000009
【図７】
0006008970.tif 000010
【図８】
0006008970.tif 000011
【図９】
0006008970.tif 000012