(57)【要約】【課題】感度が数百ｋＰａ-1以上であり、駆動電圧が数Ｖ以下である圧力センサ及び圧力センサアレイを提供する。【解決手段】圧力センサ１００は、ソース電極層１３と、ドレイン電極層１２と、ソース電極層１３及びドレイン電極層１２に電気的に接続された半導体層１１と、固体電解質で形成され、半導体層１１と対向し、１又は複数の隣接する層との間に空隙が残るように設けられた電解質層１５と、電解質層１５に隣接して設けられたゲート電極層１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極層と、
ドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層に電気的に接続された半導体層と、
固体電解質で形成され、前記半導体層と対向し、１又は複数の隣接する層との間に空隙が残るように設けられた電解質層と、
前記電解質層に隣接して設けられたゲート電極層と、
を備えた圧力センサ。
【請求項２】
前記固体電解質は、イオン液体と、１又は複数種類のモノマーから生成されるポリマーを含むイオンゲルである、
請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記電解質層は、少なくとも１つの面に複数の凸部を有し、
前記複数の凸部は、前記１又は複数の隣接する層と接触する、
請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記固体電解質で形成され、前記半導体層に隣接するように設けられた中間層をさらに備え、
前記電解質層は、前記中間層に隣接し、
前記空隙は、前記電解質層と前記中間層の間に形成される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記電解質層は、前記半導体層に隣接し、前記半導体層と前記ゲート電極層に挟まれるように設けられる、
請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記空隙は、前記電解質層と前記ゲート電極層の間に形成される、
請求項５に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記空隙は、前記電解質層と前記半導体層の間に形成される、
請求項５又は６に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記電解質層は、前記半導体層と前記ゲート電極層を覆うように設けられる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記空隙は、前記電解質層と前記ゲート電極層の間に形成される、
請求項８に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記電解質層は、前記半導体層に隣接するように設けられ、
前記空隙は、前記電解質層と前記半導体層の間に形成される、
請求項８又は９に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、前記ゲート電極層、前記半導体層及び前記電解質層のうち少なくとも１つは、透明材料で形成される、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、前記ゲート電極層、前記半導体層及び前記電解質層のうち少なくとも１つは、可撓性を有する材料で形成される、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の圧力センサがマトリクス状に複数並んだ圧力センサアレイであって、
第１方向に並んだ複数の圧力センサが備える前記ゲート電極層は、互いに電気的に接続され、
前記第１方向と交わる第２方向に並んだ複数の圧力センサが備える前記ソース電極層又は前記ドレイン電極層は、互いに電気的に接続される、
圧力センサアレイ。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の圧力センサがマトリクス状に複数並んだ圧力センサアレイであって、
第１方向に並んだ複数の圧力センサが備える前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層のいずれか一方は、互いに電気的に接続され、
前記第１方向と交わる第２方向に並んだ複数の圧力センサが備える前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の他方は、互いに電気的に接続され、
マトリクス状に並んだ複数の圧力センサが備える前記ゲート電極層は、複数の圧力センサにわたって共通する、
圧力センサアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサ及び圧力センサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサとして、圧力が加わった際の電気抵抗の変化を利用する抵抗型圧力センサや、圧力が加わった際の静電容量の変化を利用する容量型圧力センサが知られている。また、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のゲート電極層とチャネルの間の静電容量が圧力に応じて変化することを利用するＭＯＳＦＥＴ型圧力センサも知られている。
【０００３】
ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁層に用いることができる材料に関して、特許文献１には、常温で液相であるイオン液体をポリマーと混合して固体化したイオンゲルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９９９０２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサは、抵抗型圧力センサや容量型圧力センサよりも１００倍程度感度が良く、人が指で物を押下した際に生じる圧力変化等の比較的小さな圧力変化であっても検出することができる。ここで、圧力センサの感度は、ＭＯＳＦＥＴのソース‐ドレイン間電流の変化率と圧力変化の比で表される量である。従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサの場合、典型的な感度は数百ｋＰａ-1程度であり、抵抗型圧力センサや容量型圧力センサの典型的な感度は数ｋＰａ-1程度である。
【０００６】
しかしながら、従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサは、駆動電圧が数十〜数百Ｖであり、動作させるために昇圧回路等の周辺回路が必要となるうえ、消費電力が大きかった。また、従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサは、駆動電圧が大きいため、ウェアラブルセンサとして用いる場合等、人の体と近接した状況で用いる場合に感電を防止する措置が必要だった。一方、抵抗型圧力センサや容量型圧力センサは、駆動電圧が数Ｖ程度と小さいが、ＭＯＳＦＥＴ型圧力センサより感度が低かった。
【０００７】
そこで、本発明は、感度が数百ｋＰａ-1以上であり、駆動電圧が数Ｖ以下である圧力センサ及び圧力センサアレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る圧力センサは、ソース電極層と、ドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層に電気的に接続された半導体層と、固体電解質で形成され、半導体層と対向し、１又は複数の隣接する層との間に空隙が残るように設けられた電解質層と、電解質層に隣接して設けられたゲート電極層と、を備える。
【０００９】
この態様によれば、隣接する１又は複数の層との間に空隙が残るように電解質層が設けられていることで、圧力センサに圧力が加えられた状態におけるゲート電極層と半導体層の間の静電容量が、圧力センサに圧力が加えられない状態におけるゲート電極層と半導体層の間の静電容量よりも１０5倍程度大きな値となる。ソース‐ドレイン間電流は、ゲート電極層と半導体層の間の静電容量に比例するため、圧力センサに圧力を加えることで、ソース‐ドレイン間電流が静電容量の増大に応じて大きくなる。また、ゲート‐ソース間の閾値電圧は、ゲート電極層と半導体層の間の静電容量に反比例し、圧力を加えた状態における閾値電圧は、数Ｖ程度となる。よって、駆動電圧が数Ｖ程度であり、圧力変化が数ｋＰａの場合に感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる圧力センサが得られる。
【００１０】
上記態様において、固体電解質は、イオン液体と、１又は複数種類のモノマーから生成されるポリマーを含むイオンゲルであってよい。
【００１１】
この態様によれば、電解質層と、電解質層に隣接する１又は複数の層との間で電気二重層が形成され、ゲート電極層と半導体層の間の静電容量がより大きくなるため、圧力センサの駆動電圧が低減されるとともに、圧力を加えた場合の電流変化が大きくなり、圧力センサの感度が向上する。
【００１２】
上記態様において、電解質層は、少なくとも１つの面に複数の凸部を有し、複数の凸部は、１又は複数の隣接する層と接触してもよい。
【００１３】
この態様によれば、複数の凸部と１又は複数の隣接する層が接触することで、電解質層と１又は複数の隣接する層との間に複数の空隙が残ることとなり、圧力を加えない場合のゲート電極層と半導体層の間の静電容量がより小さくなり、圧力を加えた場合のソース‐ドレイン間電流の変化率がより大きくなって、圧力センサの感度が向上する。
【００１４】
上記態様において、固体電解質で形成され、半導体層に隣接するように設けられた中間層をさらに備え、電解質層は、中間層に隣接し、空隙は、電解質層と中間層の間に形成されてもよい。
【００１５】
この態様によれば、電解質層と中間層の間に空隙を形成し、中間層と半導体層の間に空隙を形成しないことで、半導体層を中間層によって保護することができ、圧力センサの耐久性を向上させ、故障を防止することができる。
【００１６】
上記態様において、電解質層は、半導体層に隣接し、半導体層とゲート電極層に挟まれるように設けられてもよい。
【００１７】
この態様によれば、圧力センサに圧力が加えられた場合に、電解質層とゲート電極層の間及び電解質層と半導体層の間の両方で電気二重層が形成され、圧力を加えた場合のゲート電極層と半導体層の間の静電容量がより大きくなって、圧力センサの感度が向上する。
【００１８】
上記態様において、空隙は、電解質層とゲート電極層の間に形成されてもよい。
【００１９】
この態様によれば、電解質層とゲート電極層の間に空隙を形成し、電解質層と半導体層の間に空隙を形成しないことで、半導体層を電解質層によって保護することができ、圧力センサの耐久性を向上させ、故障を防止することができる。
【００２０】
上記態様において、空隙は、電解質層と半導体層の間に形成されてもよい。
【００２１】
上記態様において、電解質層は、半導体層とゲート電極層を覆うように設けられてもよい。
【００２２】
この態様によれば、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層を一枚の基板上に形成することができ、電極層の蒸着をまとめて行うことができる。また、ゲート電極層と半導体層の位置を精密に調整することができる。
【００２３】
上記態様において、空隙は、電解質層とゲート電極層の間に形成されてもよい。
【００２４】
上記態様において、電解質層は、半導体層に隣接するように設けられ、空隙は、電解質層と半導体層の間に形成されてもよい。
【００２５】
上記態様において、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート電極層、半導体層及び電解質層のうち少なくとも１つは、透明材料で形成されてもよい。
【００２６】
上記態様において、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート電極層、半導体層及び電解質層のうち少なくとも１つは、可撓性を有する材料で形成されてもよい。
【００２７】
この態様によれば、人が身に着けた場合の装着感が向上し、ウェアラブルセンサとして用いるのに適した圧力センサが得られる。
【００２８】
本発明の一態様に係る圧力センサアレイは、本発明の一態様に係る圧力センサがマトリクス状に複数並んだ圧力センサアレイであって、第１方向に並んだ複数の圧力センサが備えるゲート電極層は、互いに電気的に接続され、第１方向と交わる第２方向に並んだ複数の圧力センサが備えるソース電極層又はドレイン電極層は、互いに電気的に接続される。
【００２９】
この態様によれば、圧力センサをマトリクス状に複数並べて配置することで、面上の圧力分布を検出することができる。個々の圧力センサの駆動電圧が比較的小さいため、圧力センサアレイ全体の消費電力を小さくすることができる。また、個々の圧力センサの感度が比較的良いため、圧力分布を精度良く検出できる圧力センサアレイが得られる。
【００３０】
本発明の一態様に係る圧力センサアレイは、本発明の一態様に係る圧力センサがマトリクス状に複数並んだ圧力センサアレイであって、第１方向に並んだ複数の圧力センサが備えるソース電極層及びドレイン電極層のいずれか一方は、互いに電気的に接続され、第１方向と交わる第２方向に並んだ複数の圧力センサが備えるソース電極層及びドレイン電極層の他方は、互いに電気的に接続され、マトリクス状に並んだ複数の圧力センサが備えるゲート電極層は、複数の圧力センサにわたって共通する。
【００３１】
この態様によれば、マトリクス状に並んだ複数の圧力センサが備えるゲート電極層が、複数の圧力センサにわたって共通することで、ゲート電極層の精密な位置合わせが不要となる。そのため、製造が容易であり、各圧力センサの性能のばらつきが低減された圧力センサアレイが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの概要を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る圧力センサに圧力が加えられた場合の電荷分布を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る圧力センサに圧力が加えられた場合におけるソース‐ドレイン間電流と、ソース‐ドレイン間電圧の関係を複数のゲート‐ソース間電圧について示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る圧力センサに圧力が加えられた場合におけるソース‐ドレイン間電流と、ゲート‐ソース間電圧の関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る圧力センサのソース‐ドレイン間電流の変化率と、加えられる圧力の関係を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る圧力センサのソース‐ドレイン間電流と、加えられる圧力の関係の時間変化を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを生産する工程のうち第１工程を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを生産する工程のうち第２工程を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを生産する工程のうち第３工程を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを生産する工程のうち第４工程を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを生産する工程のうち第５工程を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態の第１変形例に係る圧力センサの断面図である。
【図１４】本発明の第１実施形態の第２変形例に係る圧力センサの断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係るボトムゲート型圧力センサの断面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係るサイドゲート型圧力センサの断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態に係るサイドゲート型圧力センサに圧力が加えられた場合の電荷分布を模式的に示す断面図である。
【図１８】本発明の第３実施形態の変形例に係るサイドゲート型圧力センサの断面図である。
【図１９】本発明の第４実施形態に係る圧力センサアレイの上面図である。
【図２０】本発明の第４実施形態の変形例に係る圧力センサアレイの上面図である。
【図２１】本発明の第４実施形態の変形例に係る圧力センサアレイの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【００３４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００の概要を示す図である。圧力センサ１００は、絶縁材料で形成された第１基板１０と、第１基板１０の上に導電材料で形成されたドレイン電極層１２及びソース電極層１３を含む。また、圧力センサ１００は、ソース電極層１３及びドレイン電極層１２に電気的に接続された半導体層１１を含む。本実施形態に係る圧力センサ１００では、半導体層１１をｎ型半導体であるアンドープのＺｎＯで形成している。もっとも、半導体層１１は、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体や任意の半導体材料で形成してよい。同図に示す例の場合、半導体層１１は、ソース電極層１３及びドレイン電極層１２の一部を覆うように形成され、ソース電極層１３及びドレイン電極層１２と物理的に接触するように形成される。
【００３５】
圧力センサ１００は、固体電解質で形成され、半導体層１１と対向し、１又は複数の隣接する層との間に空隙が残るように設けられた電解質層１５を含む。本実施形態に係る圧力センサ１００では、電解質層１５は、イオン液体と、１又は複数種類のモノマーから生成されるポリマーを含むイオンゲルで形成される。ここで、イオン液体とは、室温（５℃〜３５℃程度）かつ常圧（１気圧程度）で液相である、イオン結合による化合物である。イオン液体として、例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド（1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide）を用いることができる。当該化合物は、カチオンとしてＥＭＩＭを含み、アニオンとしてＴＦＳＩを含むイオン液体である。また、ポリマーとしては、例えばフッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重（Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)）を用いることができる。イオンゲルは、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドと、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重を生成するモノマーと、溶媒となるアセトンと、を１：４：７の割合で混合し、７０℃で２０分程度加熱して、熱重合によって形成することができる。これにより、可撓性を有し、透明な電解質層１５が形成できる。なお、イオンゲルは、イオン液体と、１又は複数種類のモノマーを混合して、紫外線等を照射する光重合によって形成してもよい。また、イオンゲルに含まれるイオン液体及びポリマーの種類は任意である。
【００３６】
圧力センサ１００は、電解質層１５に隣接して設けられ、導電材料で形成されたゲート電極層１６を含む。また、圧力センサ１００は、ゲート電極層１６の上に絶縁材料で形成された第２基板１７を含む。なお、同図は、圧力センサ１００の内部構造を示すための模式図であり、電解質層１５、ゲート電極層１６及び第２基板１７は、実際には第１基板１０に沿って設けられる。
【００３７】
図２は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００の断面図である。圧力センサ１００は、第１基板１０と、第１基板１０の上に形成されたドレイン電極層１２及びソース電極層１３と、第１基板１０の上に形成され、ドレイン電極層１２及びソース電極層１３と電気的に接続された半導体層１１と、を含む。また、圧力センサ１００は、半導体層１１の上に形成された電解質層１５と、電解質層１５の上に形成されたゲート電極層１６と、ゲート電極層１６の上に形成された第２基板１７と、を含む。電解質層１５は、半導体層１１に隣接し、半導体層１１とゲート電極層１６に挟まれるように設けられる。
【００３８】
本例では、ドレイン電極層１２は電源電位に接続され、ソース電極層１３は接地電位に接続される。本明細書では、ドレイン電極層１２とソース電極層１３の間の電位差を、ソース‐ドレイン間電圧Ｖdsと称する。なお、ドレイン電極層１２とソース電極層１３に与える電位は任意であり、同図に示す例は一例に過ぎない。
【００３９】
ゲート電極層１６は電源電位に接続される。本明細書では、ゲート電極層１６とソース電極層１３の間の電位差を、ゲート‐ソース間電圧Ｖgsと称する。なお、ゲート電極層１６とソース電極層１３に与える電位は任意であり、同図に示す例は一例に過ぎない。
【００４０】
電解質層１５は、ゲート電極層１６と対向する面に複数の凸部１５ａを有する。複数の凸部１５ａは、電解質層１５と隣接する層であるゲート電極層１６と接触する。複数の凸部１５ａとゲート電極層１６が接触することで、電解質層１５とゲート電極層１６との間に複数の空隙Ｇが残る。本実施形態に係る圧力センサ１００は、電解質層１５に隣接する層との間に空隙Ｇが残るように電解質層１５を設けることで、圧力センサ１００に圧力が加えられた場合におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量の変化を大きくしている。
【００４１】
図３は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００に圧力が加えられた場合の電荷分布を模式的に示す断面図である。同図では、圧力センサ１００の第２基板１７を指Ｆによって押下して、圧力センサ１００に圧力を加えた場合を図示している。圧力センサ１００に圧力が加えられると、電解質層１５とゲート電極層１６との間に形成されていた複数の空隙Ｇが潰されて、空隙Ｇが無くなり、電解質層１５とゲート電極層１６が密着するようになる。なお、圧力を取り除くと、電解質層１５の形状はただちに元に戻り、複数の凸部１５ａが復元される。
【００４２】
ゲート電極層１６には、正のゲート‐ソース間電圧Ｖgsが印加されているため、正電荷が蓄積されている。そのため、電解質層１５に含まれるアニオンがゲート電極層１６側に引き寄せられて、ゲート電極層１６と電解質層１５の界面で電気二重層が形成される。また、電解質層１５に含まれるアニオンがゲート電極層１６側に偏ることで、電解質層１５に含まれるカチオンの濃度が、ゲート電極層１６の反対側で濃くなり、ｎ型半導体で形成された半導体層１１に含まれる負電荷のキャリアが電解質層１５側に引き寄せられて、電解質層１５と半導体層１１の界面で電気二重層が形成される。このようにして、半導体層１１にチャネルが形成されて、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsが流れる。
【００４３】
図２に示すように、圧力センサ１００に圧力が加えられていない状態では、電解質層１５とゲート電極層１６の間に複数の空隙Ｇが存在するため、電解質層１５とゲート電極層１６の間に空気の層が存在していると考えられる。電解質層１５の静電容量をＣELと表し、空気層の静電容量をＣairと表すと、電解質層１５と空気層を直列に接続した場合の静電容量は、ＣELＣair／（ＣEL＋Ｃair）である。ここで、電解質層１５の静電容量ＣELは、数μＦ／ｃｍ2程度であり、空気層の静電容量Ｃairは、数十ｐＦ／ｃｍ2程度である。Ｃair／ＣELが１０-5程度と１より十分に小さいことを考慮すると、電解質層１５と空気層を直列に接続した場合の静電容量は、Ｃairで近似でき、数十ｐＦ／ｃｍ2程度である。従って、圧力センサ１００に圧力が加えられていない状態では、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、Ｃairで近似でき、数十ｐＦ／ｃｍ2程度である。なお、このことは圧力センサ１００に圧力を加えない状態で、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量を実測することによっても確かめられている。
【００４４】
一方、圧力センサ１００に圧力が加えられた状態では、電解質層１５とゲート電極層１６の間に空隙Ｇが存在しないため、電解質層１５とゲート電極層１６の間に空気の層が存在せず、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、電解質層１５の静電容量ＣELであり、数μＦ／ｃｍ2程度である。なお、このことは圧力センサ１００に圧力を加えた状態で、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量を実測することによっても確かめられている。
【００４５】
このように、隣接する１又は複数の層との間に空隙が残るように電解質層１５が設けられていることで、圧力センサ１００に圧力が加えられた状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、圧力センサ１００に圧力が加えられない状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量よりも１０5倍程度大きな値となる。ソース‐ドレイン間電流は、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量に比例するため、圧力センサ１００に圧力を加えることで、ソース‐ドレイン間電流が静電容量の増大に応じて大きくなる。また、ゲート‐ソース間の閾値電圧は、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量に反比例し、圧力を加えた状態における閾値電圧は、数Ｖ程度となる。よって、駆動電圧が数Ｖ程度であり、圧力変化が数ｋＰａの場合に感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる圧力センサ１００が得られる。
【００４６】
図３を用いて説明したように、電解質層１５をイオンゲルで形成することで、電解質層１５と、電解質層１５に隣接する１又は複数の層との間で電気二重層が形成され、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量がより大きくなるため、圧力センサ１００の駆動電圧が低減されるとともに、圧力を加えた場合の電流変化が大きくなり、圧力センサの感度が向上する。また、圧力センサ１００に圧力が加えられた場合に、電解質層１５とゲート電極層１６の間及び電解質層１５と半導体層１１の間の両方で電気二重層が形成され、圧力を加えた場合のゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量がより大きくなって、圧力センサの感度が向上する。
【００４７】
また、図２を用いて説明したように、複数の凸部１５ａと、電解質層１５に隣接する層であるゲート電極層１６が接触することで、電解質層１５とゲート電極層１６との間に複数の空隙Ｇが残ることとなり、圧力を加えない場合のゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量がより小さくなり、圧力を加えた場合のソース‐ドレイン間電流の変化率がより大きくなって、圧力センサ１００の感度が向上する。さらに、電解質層１５とゲート電極層１６の間に空隙Ｇを形成し、電解質層１５と半導体層１１の間に空隙を形成しないことで、半導体層１１を電解質層１５によって保護することができ、圧力センサ１００の耐久性を向上させ、故障を防止することができる。
【００４８】
図４は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００に圧力が加えられた場合におけるソース‐ドレイン間電流Ｉdsと、ソース‐ドレイン間電圧Ｖdsの関係を複数のゲート‐ソース間電圧Ｖgsについて示す図である。同図では、圧力センサ１００に１．７ｋＰａの圧力を加えた状態で、ゲート‐ソース間電圧ＶgsをＶgs＝１Ｖ、Ｖgs＝２Ｖ、Ｖgs＝３Ｖ、Ｖgs＝４Ｖ、Ｖgs＝５Ｖ、Ｖgs＝６Ｖ、Ｖgs＝７Ｖ、Ｖgs＝８Ｖ及びＶgs＝９Ｖと変化させた場合について、それぞれ、μＡの単位で表したソース‐ドレイン間電流Ｉdsと、Ｖの単位で表したソース‐ドレイン間電圧Ｖdsの関係を示している。なお、圧力センサ１００に圧力を加えない場合、ゲート‐ソース間電圧Ｖgsを１Ｖから９Ｖ程度とし、ソース‐ドレイン間電圧Ｖdsを１Ｖから３Ｖ程度としても、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsは最大でも数百ｎＡ程度しか流れないことが実測により確かめられている。
【００４９】
また、図５は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００に圧力が加えられた場合におけるソース‐ドレイン間電流Ｉdsと、ゲート‐ソース間電圧Ｖgsの関係を示す図である。同図では、ソース‐ドレイン間電圧Ｖdsを一定として、圧力センサ１００に１．７ｋＰａの圧力を加えた場合について、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsとゲート‐ソース間電圧Ｖgsの関係を示している。同図の第１グラフＲは、ソース‐ドレイン間電流ＩdsをｍＡの単位で示し、ゲート‐ソース間電圧ＶgsをＶの単位で示すグラフであり、第２グラフＬは、ソース‐ドレイン間電流の絶対値｜Ｉds｜をＡの単位で対数表示し、ゲート‐ソース間電圧ＶgsをＶの単位で示すグラフである。同図から、圧力センサ１００に１．７ｋＰａの圧力を加えた場合の閾値電圧Ｖthは２．８Ｖであることが読み取れる。また、電界効果移動度は、３８ｃｍ2／Ｖｓと算出された。
【００５０】
図４に示されているように、ゲート‐ソース間電圧ＶgsがＶgs＝１Ｖから３Ｖである場合には、ソース‐ドレイン間電圧Ｖdsに関わらず、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsは数μＡ以下である。このことは、圧力センサ１００の閾値電圧Ｖthが２．８Ｖであることと整合している。また、ゲート‐ソース間電圧Ｖgsが４Ｖから９Ｖの場合、飽和領域におけるソース‐ドレイン間電流Ｉdsは、数十μＡから数百μＡであることが読み取れる。飽和領域におけるソース‐ドレイン間電流Ｉdsは、ゲート‐ソース間電圧Ｖgsと閾値電圧Ｖthの差の２乗に比例するが、このことは、各ゲート‐ソース間電圧Ｖgsの場合について、飽和領域におけるソース‐ドレイン間電流Ｉdsを比較することで確認できる。
【００５１】
図６は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００のソース‐ドレイン間電流の変化率ΔＩds／Ｉds（Rate of change of current）と、加えられる圧力（Pressure）の関係を示す図である。ここで、ソース‐ドレイン間電流の変化率ΔＩds／Ｉdsは、ゲート‐ソース間電圧Ｖgs及びソース‐ドレイン間電圧Ｖdsを固定して、加える圧力を変化させた場合におけるソース‐ドレイン間電流の変化率である。より具体的には、圧力を加える前のソース‐ドレイン間電流をＩ0と表し、圧力を加えた後のソース‐ドレイン間電流をＩPと表すとき、ソース‐ドレイン間電流の変化率ΔＩds／Ｉdsは、（ＩP−Ｉ0）／Ｉ0で定義される量である。同図に示すように、圧力センサ１００に加える圧力を０ｋＰａから７ｋＰａまで変化させると、圧力に比例してソース‐ドレイン間電流の変化率ΔＩds／Ｉdsが上昇する。同図に示すグラフから、圧力センサ１００の感度が２２３５ｋＰａ-1であることが読み取れる。
【００５２】
従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサの典型的な感度は、数百ｋＰａ-1程度であったが、そのような従来技術と比較して、本実施形態に係る圧力センサ１００は、十倍程度感度が良い。加えて、従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサの駆動電圧は数十〜数百Ｖであったが、本実施形態に係る圧力センサ１００は、ゲート‐ソース間電圧Ｖgs及びソース‐ドレイン間電圧Ｖdsが数Ｖ程度で駆動し、駆動電圧が十分の一〜百分の一程度であってもよい。本実施形態に係る圧力センサ１００は、従来のＭＯＳＦＥＴ型圧力センサと比較して、高感度かつ低消費電力である。
【００５３】
図７は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００のソース‐ドレイン間電流Ｉdsと、加えられる圧力の関係の時間変化を示す図である。同図では、縦軸にソース‐ドレイン間電流ＩdsをｍＡの単位で示し、横軸に時間を秒の単位で示している。同図中「Ｐｕｓｈ」と記載した下向きの矢印は、当該矢印が示す時間に圧力センサ１００を指で軽く叩いたことを表している。なお、同図に示すソース‐ドレイン間電流Ｉdsは、ゲート‐ソース間電圧Ｖgs及びソース‐ドレイン間電圧Ｖdsを固定して測定している。同図に示されるように、圧力センサ１００を指で叩くと、僅かな時間だけ圧力が加えられることに対応して、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsの鋭いピークが観察される。このように、本実施形態の圧力センサ１００によれば、ｍｓ以下の時間分解能で圧力の発生及び圧力の値を検出することができる。
【００５４】
図８は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００を生産する工程のうち第１工程を示す図である。第１工程では、人工樹脂等の可撓性を有する透明絶縁材料で形成された第１基板１０上に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の透明導電材料を蒸着して、ドレイン電極層１２及びソース電極層１３を形成する。ドレイン電極層１２及びソース電極層１３は、アルミニウム等の導電材料を蒸着することで形成してもよい。なお、ドレイン電極層１２及びソース電極層１３の間隔や形状を変えることで、圧力センサ１００の感度や閾値電圧を調整することができる。
【００５５】
図９は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００を生産する工程のうち第２工程を示す図である。第２工程では、ドレイン電極層１２及びソース電極層１３を覆うように、ＺｎＯ等の透明半導体材料をＣＶＤ（chemical vapor deposition）等により成膜することで半導体層１１を形成する。なお、半導体層１１のドープ量や材料を変えることで、圧力センサ１００の感度や閾値電圧を調整することができる。
【００５６】
図１０は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００を生産する工程のうち第３工程を示す図である。第３工程では、複数の凹部を有する金型２０にイオン液体とモノマーの混合物を塗布し、７０℃で２０分程度加熱してイオンゲルとして、電解質層１５を形成する。金型２０の複数の凹部によって、電解質層１５の複数の凸部１５ａが形成される。複数の凸部１５ａは、半径が数百μｍ〜数μｍの半球であってよく、複数の凸部１５ａの間隔は、数百μｍ〜数μｍであってよい。複数の凸部１５ａは、半径が１００μｍ〜１μｍの半球であってよく、複数の凸部１５ａの間隔は、１００μｍ〜１μｍであってよい。複数の凸部１５ａは、例えば半径１０μｍ程度の半球であってよく、複数の凸部１５ａの間隔は、１０μｍ程度でよい。もっとも、複数の凸部１５ａの形状は、半球に限られず、楕円球や錐体等任意の形状とすることができる。このように、電解質層１５が液体から形成されることを生かして、金型２０を用いて複数の凸部１５ａを有する電解質層１５を効率良く大量に生産することができる。なお、第３工程では、複数の凹部を有する金型２０にイオン液体とモノマーの混合物を塗布し、紫外線等の光を所定時間照射して、イオンゲルで形成された電解質層１５を形成してもよい。
【００５７】
図１１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００を生産する工程のうち第４工程を示す図である。第４工程では、人工樹脂等の可撓性を有する透明絶縁材料で形成された第２基板１７にＩＴＯやＩＺＯ等の透明導電材料を蒸着してゲート電極層１６を形成し、ゲート電極層１６の上に金型２０から剥がした電解質層１５を貼り合わせる。この際、電解質層１５の複数の凸部１５ａがゲート電極層１６と接するように、電解質層１５をゲート電極層１６に貼り合わせる。なお、図１３を用いて説明するように、電解質層１５の平滑面（複数の凸部１５ａが形成された面と反対側の面）がゲート電極層１６と接するように、電解質層１５をゲート電極層１６に貼り合わせてもよい。また、ゲート電極層１６は、アルミニウム等の導電材料を蒸着することで形成してもよい。
【００５８】
図１２は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００を生産する工程のうち第５工程を示す図である。第５工程では、ゲート電極層１６が蒸着された第２基板１７と電解質層１５が一体となった上部パーツを、第１基板１０にドレイン電極層１２、ソース電極層１３及び半導体層１１が形成された下部パーツに対して、電解質層１５が半導体層１１と接するように貼り合せる。この際、ゲート電極層１６が、ドレイン電極層１２とソース電極層１３の間に形成された半導体層１１を覆うように、上部パーツを下部パーツに貼り合せる。以上により、本実施形態に係る圧力センサ１００が生産される。
【００５９】
本実施形態に係る圧力センサ１００は、第１基板１０、第２基板１７、ソース電極層１３、ドレイン電極層１２、ゲート電極層１６、半導体層１１及び電解質層１５の全てを透明材料で形成している。このため、本実施形態に係る圧力センサ１００は、表示装置に重ねて設置することができる。また、本実施形態に係る圧力センサ１００は、第１基板１０、電解質層１５及び第２基板１７が可撓性を有する材料で形成され、ソース電極層１３、ドレイン電極層１２、ゲート電極層１６及び半導体層１１が薄膜であるため、圧力センサ１００全体が可撓性を有する。圧力センサ１００が可撓性を有することで、人が身に着けた場合の装着感が向上し、ウェアラブルセンサとして用いるのに好適となる。
【００６０】
図１３は、本発明の第１実施形態の第１変形例に係る圧力センサ１０１ａの断面図である。第１変形例に係る圧力センサ１０１ａは、電解質層１５の複数の凸部１５ａが、半導体層１１と接するように形成されている点で、圧力センサ１００と相違する。その他の構成について、第１変形例に係る圧力センサ１０１ａは、圧力センサ１００と同様の構成を有する。
【００６１】
第１変形例に係る圧力センサ１０１ａでは、空隙Ｇは、電解質層１５と半導体層１１の間に形成される。このような構成であっても、第１変形例に係る圧力センサ１０１ａに圧力が加えられた状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、第１変形例に係る圧力センサ１０１ａに圧力が加えられない状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量よりも１０5倍程度大きな値となり、駆動電圧が数Ｖ程度で、圧力変化が数ｋＰａの場合に感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる圧力センサが得られる。
【００６２】
図１４は、本発明の第１実施形態の第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂの断面図である。第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂは、固体電解質で形成され、半導体層１１に隣接するように設けられた中間層１４を備える。電解質層１５は、中間層１４に隣接し、半導体層１１の上方において中間層１４を覆うように設けられている。第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂは、中間層１４を備え、電解質層１５の複数の凸部１５ａが中間層１４と接するように形成されている点で、圧力センサ１００と相違する。その他の構成について、第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂは、圧力センサ１００と同様の構成を有する。ここで、中間層１４は、電解質層１５と同じ材料で形成される。すなわち、中間層１４は、イオン液体と、１又は複数種類のモノマーから生成されるポリマーを含むイオンゲルで形成される。
【００６３】
第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂでは、空隙Ｇは、電解質層１５と中間層１４の間に形成される。なお、同図では、電解質層１５に複数の凸部１５ａを設けた場合を示しているが、複数の凸部を中間層１４に設けてもよいし、電解質層１５及び中間層１４に凸部又は凹部を設けて、空隙Ｇを形成してもよい。このような構成であっても、第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂに圧力が加えられた状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、第２変形例に係る圧力センサ１０１ｂに圧力が加えられない状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量よりも１０5倍程度大きな値となり、駆動電圧が数Ｖ程度で、圧力変化が数ｋＰａの場合に感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる圧力センサが得られる。また、電解質層１５と中間層１４の間に空隙Ｇを形成し、中間層１４と半導体層１１の間に空隙を形成しないことで、半導体層１１を中間層１４によって保護することができ、圧力センサの耐久性を向上させ、故障を防止することができる。
【００６４】
［第２実施形態］
図１５は、本発明の第２実施形態に係るボトムゲート型圧力センサ１０２の断面図である。ボトムゲート型圧力センサ１０２は、第１実施形態に係る圧力センサ１００の天地を入れ替えた構成を有する。すなわち、第２基板１７の上にゲート電極層１６が形成され、ゲート電極層１６の上に電解質層１５が形成され、電解質層１５の上に半導体層１１が形成され、半導体層１１と電気的に接続するようにドレイン電極層１２及びソース電極層１３が形成され、全体を覆うように第１基板１０が形成される。
【００６５】
本実施形態に係るボトムゲート型圧力センサ１０２では、電解質層１５の複数の凸部１５ａは、半導体層１１と接触するように形成され、空隙Ｇは、電解質層１５と半導体層１１の間に形成される。なお、空隙Ｇは、電解質層１５とゲート電極層１６の間に形成してもよい。
【００６６】
本実施形態に係るボトムゲート型圧力センサ１０２では、第１基板１０に圧力が加えられることで、電解質層１５と半導体層１１の間の空隙Ｇが無くなり、ゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量が増大する。ボトムゲート型圧力センサ１０２の場合にも、圧力が加えられた状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、圧力が加えられない状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量よりも１０5倍程度大きな値となり、駆動電圧が数Ｖ程度で、圧力変化が数ｋＰａの場合の感度は、数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる。
【００６７】
［第３実施形態］
図１６は、本発明の第３実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３の断面図である。サイドゲート型圧力センサ１０３は、第１基板１０と、第１基板１０の上に形成されたドレイン電極層１２、ソース電極層１３及び絶縁層１８と、第１基板１０の上に形成され、ドレイン電極層１２及びソース電極層１３と電気的に接続された半導体層１１と、を含む。また、圧力センサ１００は、半導体層１１の上に形成された中間層１４と、絶縁層１８の上に形成されたゲート電極層１６と、中間層１４、絶縁層１８及びゲート電極層１６の上に形成された電解質層１５と、電解質層１５の上に形成された第２基板１７と、を含む。電解質層１５は、半導体層１１とゲート電極層１６を覆うように設けられる。また、中間層１４は、固体電解質で形成され、半導体層１１に隣接するように設けられ、電解質層１５は、中間層１４を覆うように設けられて中間層１４に隣接する。本実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３では、中間層１４は、電解質層１５と同じ材料で形成される。すなわち、中間層１４は、イオン液体と、１又は複数種類のモノマーから生成されるポリマーを含むイオンゲルで形成される。
【００６８】
電解質層１５は、中間層１４、絶縁層１８及びゲート電極層１６と対向する面に複数の凸部１５ａを有する。複数の凸部１５ａは、電解質層１５と隣接する層である中間層１４、絶縁層１８及びゲート電極層１６と接触する。複数の凸部１５ａと中間層１４、絶縁層１８及びゲート電極層１６が接触することで、電解質層１５と中間層１４との間及び電解質層１５とゲート電極層１６との間に複数の空隙Ｇが残る。
【００６９】
本実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３のように、電解質層１５と中間層１４の間に空隙Ｇを形成し、中間層１４と半導体層１１の間に空隙を形成しないことで、半導体層１１を中間層１４によって保護することができ、サイドゲート型圧力センサ１０３の耐久性を向上させ、故障を防止することができる。
【００７０】
図１７は、本発明の第３実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３に圧力が加えられた場合の電荷分布を模式的に示す断面図である。同図では、サイドゲート型圧力センサ１０３の第２基板１７を指Ｆによって押下して、サイドゲート型圧力センサ１０３に圧力を加えた場合を図示している。ゲート電極層１６には、正のゲート‐ソース間電圧Ｖgsが印加されているため、正電荷が蓄積されている。そのため、電解質層１５に含まれるアニオンがゲート電極層１６側に引き寄せられて、ゲート電極層１６と電解質層１５の界面で電気二重層が形成される。また、電解質層１５に含まれるアニオンがゲート電極層１６側に偏ることで、電解質層１５に含まれるカチオンの濃度が、中間層１４との界面で濃くなり、中間層１４に含まれるアニオンが引き寄せられる。そのため、電解質層１５と中間層１４の界面で電気二重層が形成される。また、中間層１４に含まれるアニオンが電解質層１５側に偏ることで、中間層１４に含まれるカチオンの濃度が、半導体層１１との界面で濃くなり、ｎ型半導体で形成された半導体層１１に含まれる負電荷のキャリアが中間層１４側に引き寄せられ、中間層１４と半導体層１１の界面で電気二重層が形成される。このようにして、半導体層１１にチャネルが形成されて、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsが流れる。
【００７１】
本実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３によれば、ゲート電極層１６、ソース電極層１３及びドレイン電極層１２を一枚の基板上に形成することができ、電極層の蒸着をまとめて行うことができ、製造工程が簡略化できる。また、ゲート電極層１６と半導体層１１を、それぞれフォトリソグラフィを用いて形成することができるため、ゲート電極層１６と半導体層１１の位置を精密に調整することができ、サイドゲート型圧力センサ１０３の特性を精密に調整することができる。
【００７２】
本実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３は、１．７ｋＰａの圧力を加えた場合、閾値電圧Ｖthは５．４Ｖであり、電界効果移動度は２．８ｃｍ2／Ｖｓであった。また、本実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３の感度は、１５１８ｋＰａ-1であった。本実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３によっても、駆動電圧が数Ｖ程度であり、圧力変化が数ｋＰａの場合に感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる圧力センサが得られる。
【００７３】
図１８は、本発明の第３実施形態の変形例に係るサイドゲート型圧力センサ１０４の断面図である。変形例に係るサイドゲート型圧力センサ１０４は、中間層を有さず、電解質層１５が半導体層１１に隣接するように設けられ、空隙Ｇが、電解質層１５と半導体層１１の間に形成される点で、第３実施形態に係るサイドゲート型圧力センサ１０３と相違する。その他の構成について、変形例に係るサイドゲート型圧力センサ１０４は、サイドゲート型圧力センサ１０３と同様の構成を有する。
【００７４】
変形例に係るサイドゲート型圧力センサ１０４では、半導体層１１とゲート電極層１６が同じ高さになるように形成され、電解質層１５が、半導体層１１とゲート電極層１６にそれぞれ接触するように設けられる。空隙Ｇは、電解質層１５と半導体層１１との間及び電解質層１５とゲート電極層１６との間に形成される。このような構成であっても、変形例に係るサイドゲート型圧力センサ１０４に圧力が加えられた状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量は、変形例に係るサイドゲート型圧力センサ１０４に圧力が加えられない状態におけるゲート電極層１６と半導体層１１の間の静電容量よりも１０5倍程度大きな値となり、駆動電圧が数Ｖ程度で、圧力変化が数ｋＰａの場合に感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1となる圧力センサが得られる。
【００７５】
［第４実施形態］
図１９は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサアレイ２００の上面図である。圧力センサアレイ２００は、マトリクス状に複数並んだ圧力センサ１００を含み、第１方向Ｘに並んだ複数の圧力センサ１００が備えるゲート電極層１６は、互いに電気的に接続され、第１方向Ｘと交わる第２方向Ｙに並んだ複数の圧力センサ１００が備えるソース電極層１３又はドレイン電極層１２は、互いに電気的に接続されている。同図に示す例では、第１方向Ｘに伸びる第１走査線４１、第２走査線４２及び第３走査線４３によって、それぞれ複数の圧力センサ１００のゲート電極層１６が電気的に接続されている。また、第２方向Ｙに伸びる第１データ線３１、第２データ線３２及び第３データ線３３によって、それぞれ複数の圧力センサ１００のソース電極層１３又はドレイン電極層１２が電気的に接続されている。本例では、第１方向Ｘは行方向であり、第２方向Ｙは第１方向Ｘと直交する方向であり、列方向である。第１走査線４１、第２走査線４２及び第３走査線４３は、走査線駆動回路４０に接続されて、走査線駆動回路４０から出力される走査信号を伝送する。第１データ線３１、第２データ線３２及び第３データ線３３は、データ線駆動回路３０に接続されて、データ線駆動回路３０から出力されるデータ信号を伝送する。
【００７６】
圧力センサアレイ２００は、走査線駆動回路４０によって、はじめに第１走査線４１のみにオン電圧を印加し、第１走査線４１にオン電圧を印加したまま、データ線駆動回路３０によって、第１データ線３１のみにオン電圧を印加する。これにより、第１行第１列に配置された圧力センサ１００にゲート‐ソース間電圧Ｖgs及びソース‐ドレイン間電圧Ｖdsが印加され、圧力が加えられている場合には、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsが流れて圧力の値が検出されるし、圧力が加えられていない場合には、ソース‐ドレイン間電流Ｉdsが流れず圧力が印加されていないことが検出される。同様に、第１走査線４１にオン電圧を印加したまま、データ線駆動回路３０によって、第２データ線３２のみにオン電圧を印加し、その後、第３データ線３３のみにオン電圧を印加し、というように全列のデータ線について順次オン電圧を印加していく。これにより、第１行に関する圧力検出が行われる。次に、走査線駆動回路４０によって、第２走査線４２のみにオン電圧を印加し、第２走査線４２にオン電圧を印加したまま、データ線駆動回路３０によって、第１データ線３１から順次オン電圧を印加していく。これにより、第２行に関する圧力検出が行われる。
【００７７】
このように、全ての行について、全ての列に配置された圧力センサ１００による圧力検出処理を行った後、再び第１行第１列から圧力検出処理を順次行い、全行全列の走査を繰り返す。このようにして、圧力センサアレイ２００は、複数の圧力センサ１００について測定されたソース‐ドレイン間電流Ｉdsから、面上の圧力分布を継続的に検出することができる。個々の圧力センサ１００の駆動電圧が数Ｖ程度と比較的小さいため、圧力センサアレイ２００全体の消費電力を小さくすることができる。また、個々の圧力センサ１００の感度が数百ｋＰａ-1〜数千ｋＰａ-1と比較的良いため、圧力分布を精度良く検出できる。
【００７８】
図２０は、本発明の第４実施形態の変形例に係る圧力センサアレイ２０１の上面図である。変形例に係る圧力センサアレイ２０１は、マトリクス状に複数並んだ圧力センサ１００を含み、第１方向Ｘに並んだ複数の圧力センサ１００が備えるソース電極層１３及びドレイン電極層１２のいずれか一方は、互いに電気的に接続されている。同図に示す例では、第１方向Ｘに伸びる変形例に係る第１走査線５１、変形例に係る第２走査線５２及び変形例に係る第３走査線５３によって、複数の圧力センサ１００のソース電極層１３が電気的に接続される。変形例に係る第１走査線５１、変形例に係る第２走査線５２及び変形例に係る第３走査線５３は、変形例に係る走査線駆動回路５０に接続されて、選択的に接地電位に接続される。また、第１方向Ｘと交わる第２方向Ｙに並んだ複数の圧力センサ１００が備えるソース電極層１３及びドレイン電極層１２の他方は、互いに電気的に接続されている。同図に示す例では、第２方向Ｙに伸びる第１データ線３１、第２データ線３２及び第３データ線３３によって、複数の圧力センサ１００のドレイン電極層１２が電気的に接続されている。第１データ線３１、第２データ線３２及び第３データ線３３は、データ線駆動回路３０に接続されて、選択的にソース‐ドレイン間電圧Ｖdsの電源に接続される。
【００７９】
本変形例に係る圧力センサアレイ２０１では、マトリクス状に並んだ複数の圧力センサ１００が備えるゲート電極層１６は、複数の圧力センサ１００にわたって共通する。複数の圧力センサ１００に共通するゲート電極層１６には、ゲート‐ソース間電圧Ｖgsが印加される。
【００８０】
図２１は、本発明の第４実施形態の変形例に係る圧力センサアレイ２０１の断面図である。同図では、第１方向Ｘと平行な切断方向に関する断面を示しており、第１方向Ｘについて隣接する２つの圧力センサ１００を図示している。それぞれの圧力センサ１００の構成は、第１基板１０、ゲート電極層１６及び第２基板１７が複数の圧力センサ１００にわたって連続して形成されている点以外、第１実施形態に係る圧力センサ１００の構成と同じである。
【００８１】
本変形例に係る圧力センサアレイ２０１は、第１基板１０上にドレイン電極層１２及びソース電極層１３を形成し、ドレイン電極層１２及びソース電極層１３を覆うように半導体層１１を形成し、半導体層１１上に電解質層１５を形成して、その上から、ゲート電極層１６が一様に形成された第２基板１７を重ね合わせることで製造することができる。本変形例に係る圧力センサアレイ２０１は、ゲート電極層１６を精密に位置合わせせずとも製造できるため、製造が容易であり、ゲート電極層１６が各圧力センサ１００にわたって一様に形成されるため、各圧力センサ１００の性能のばらつきが低減される。
【００８２】
なお、電解質層１５は、複数の圧力センサ１００にわたって共通に形成されてもよい。その場合、第２基板１７の上にゲート電極層１６を一様に形成して、ゲート電極層１６上に電解質層１５を貼り合わせて、ドレイン電極層１２、ソース電極層１３及び半導体層１１が形成された第１基板１０に重ね合わせることで圧力センサアレイを製造することができる。電解質層１５をも複数の圧力センサ１００にわたって共通に形成することで、さらに製造の容易な圧力センサアレイが得られる。
【００８３】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０…第１基板、１１…半導体層、１２…ドレイン電極層、１３…ソース電極層、１４…中間層、１５…電解質層、１５ａ…凸部、１６…ゲート電極層、１７…第２基板、１８…絶縁層、２０…金型、３０…データ線駆動回路、３１…第１データ線、３２…第２データ線、３３…第３データ線、４０…走査線駆動回路、４１…第１走査線、４２…第２走査線、４３…第３走査線、５０…変形例に係る走査線駆動回路、５１…変形例に係る第１走査線、５２…変形例に係る第２走査線、５３…変形例に係る第３走査線、１００…圧力センサ、１０１ａ…第１変形例に係る圧力センサ、１０１ｂ…第２変形例に係る圧力センサ、１０２…ボトムゲート型圧力センサ、１０３…サイドゲート型圧力センサ、１０４…変形例に係るサイドゲート型圧力センサ、２００…圧力センサアレイ、２０１…変形例に係る圧力センサアレイ、Ｆ…指、Ｇ…空隙、Ｘ…第１方向、Ｙ…第２方向。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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