(57)【要約】  本発明は、基板（１、１１）に設けられた有機電界効果トランジスタ（１０）を備える力センサに関するものである。本発明によれば、該トランジスタへの機械的な作用力は、ソース−ドレイン電圧またはソース−ドレイン電流（ＩＤ）の対応する変化を引き起こす。これにより、該変化は、印加される力に対する測定変数（Ｖ測定、Ｉ測定）として、それぞれ検出される。また、本発明は、このタイプの力センサを用いる膜ベースの圧力センサ、このタイプの力センサを複数用いる一次元または二次元の位置センサ、並びにこのタイプの力センサを複数用いる指紋センサに関する。
2007530957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１;１１）上に設けられた有機電界効果トランジスタ（１０）を備える力センサであって、
上記有機電界効果トランジスタへの機械的な作用力は、該作用力に対応して、上記有機電界効果トランジスタのソース−ドレイン電圧またはソース−ドレイン電流（ＩＤ）を変化させ、
上記ソース−ドレイン電圧またはソース−ドレイン電流の変化は、それぞれ、上記作用力に対する測定量（Ｖ測定、Ｉ測定）として検出される力センサ。
【請求項２】
上記有機電界効果トランジスタ（１０）は、ソース電極（７）とドレイン電極（４）との間に、ペンタセンからなる活性層（５）を備えるペンタセントランジスタである請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
上記基板（１）は、ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマー膜、金属膜、または紙を含む請求項１または２に記載の力センサ。
【請求項４】
上記基板（１）のポリマー膜は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート、および／またはポリエテンエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を有する請求項３に記載の力センサ。
【請求項５】
検出される上記測定量（Ｖ測定）は、上記有機電界効果トランジスタ（１０）のドレイン−ソース電圧、並びに、測定の瞬間に該有機電界効果トランジスタに印加されている一定のゲート−ソース電圧（Ｖ制御）および一定のドレイン電流（Ｉ制御）である請求項１〜４のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項６】
検出される上記測定量は、上記有機電界効果トランジスタ（１０）のドレイン電流（Ｉ測定）、並びに、測定の瞬間に該有機電界効果トランジスタに印加されている一定のゲートソース電圧（Ｖ制御１）および一定のドレイン−ソース電圧（Ｖ制御２）である請求項１〜４のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の力センサを少なくとも１つ用いた圧力センサであって、
上記基板は、変形可能な振動板（１１）として配置され、
上記測定量は、該振動板の湾曲状態に対応する圧力センサ。
【請求項８】
直線に沿って、または一領域内に作用する機械的力の位置を測定するための一次元または二次元の位置センサであって、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の力センサ（１０１、１０２、・・・、１０ｎ）を複数用い、
一次元または二次元のマトリクスを形成するように、該複数の力センサは、一般的な基板上に、互いに一定の距離で配置される、一次元または二次元の位置センサ。
【請求項９】
駆動し、上記作用力の位置を検出するために、駆動測定部（２０）が全ての上記有機電界効果トランジスタのドレイン端子またはソース端子に接続されている、もしくは接続可能である請求項９に記載の一次元の位置センサ。
【請求項１０】
上記有機電界効果トランジスタは、行および列に配置され、
駆動し、上記作用力の列位置を検出するために、駆動測定部（２０）が、全ての列のドレイン端子またはソース端子に接続されている、もしくは接続可能であり、
上記有機電界効果トランジスタを行ごとに選択し、駆動するために、行デコーダ（２１）が、該有機電界効果トランジスタのゲート端子に接続されている、もしくは接続可能である請求項９に記載の二次元の位置センサ。
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の力センサを複数用いた指紋センサであって、
該複数の力センサは、行と列とに細分化された二次元のマトリクスとなるように、一般的な基板上に、一定間隔に配置され、
駆動し、上記作用力の列位置を検出するために、駆動測定部（７０）が、全ての列の有機電界効果トランジスタのドレイン端子またはソース端子に接続されている、もしくは接続可能であり、
行方向の上記作用力の位置を、行ごとに選択し、検出するために、行デコーダ（２１）が、全ての行の有機電界効果トランジスタのゲート端子に接続されている、もしくは接続可能である指紋センサ。
【請求項１２】
水および有機汚染物の侵入を防ぐために、少なくとも１つの耐汗性の保護層（３０、３１、３２）が、上記有機電界効果トランジスタの活性層（５）の上に設けられる請求項１１に記載の指紋センサ。
【請求項１３】
上記耐汗性の保護層は、ペルフルオロ化された材料、特に、ペルフルオロヘキサデカンを含む請求項１１に記載の指紋センサ。
【請求項１４】
第１の保護層（３０）は、疎水性の材料を含み、
第２の保護層（３１）は、親油性の汚染物に対する拡散障壁として作用する親水性ポリマーを含む請求項１２に記載の指紋センサ。
【請求項１５】
上記第１の保護層（３０）は、上記第２の保護層（３１）を覆う請求項１４に記載の指紋センサ。
【請求項１６】
上記第２の保護層（３１）は、上記第１の保護層（３０）を覆う請求項１４に記載の指紋センサ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、有機電界効果トランジスタを備える力センサ、並びに有機電界効果トランジスタを用いた圧力センサ、位置センサ、および指紋センサに関するものである。
【０００２】
ヒトの接触または固体物との接触等によって生じる機械的力を質的に検出したり、量的に測定したりすることは、実際は、通常、圧電性、抵抗性、または、容量性の動作原理（operative principle）に基づく力センサを用いることによって行われる。
【０００３】
圧電性の力センサでは、石英または特定の圧電セラミックからなる結晶を機械的に変形させることによって、該結晶の外面に、作用力に比例した電荷が生じる。このプロセスにおいて生じる電気エネルギーは非常に低いので、その数値を測定するには、高い入力抵抗をもつ電荷増幅器が必要である。
【０００４】
抵抗性の力センサでは、導電性ポリマーによって被覆された膜が、作用力によって金属接触構造（metal contact structure）に対して押圧される。その結果、金属接触部間で測定される電気抵抗は測定できる程度に低下する。上記ポリマーの層の特性のため、抵抗は、比較的幅広い範囲にわたり、作用している機械的力に比例して変化する。膜力センサは、例えば、キーボードに用いられたり、電子署名を検出するために用いられたりする。
【０００５】
容量性の力センサでは、２つの導電性領域間に位置する絶縁体層が、作用力によって圧縮される。この構造の静電容量は、上記作用力が印加される位置では増加する。しかし、その静電容量の変化は比較的小さい。
【０００６】
ＷＯ０３/０７９、４４９  Ａ１（参照：特に、図５および上記明細書の１０、１１ページ）には、指紋センサおよび二次元の位置センサとしても用いられる力センサが記載されている。図５に示される構造は、複数のＬＥＤを備えた画素アレイ上にセンサアレイを備えている。該センサアレイは、誘電体または抵抗が非常に高い材料からなる圧縮可能な層を含んでいる。該圧縮可能な層は、例えばＩＴＯを含んだ透過性の上部電極層と、その下に位置する導電性の障壁材料（barrier material）と、さらには、該上部電極と絶縁性の平坦層（levelling layer）との間に挿入されている。この積層された材料に圧力が加えられるとすぐに、上記上部電極層と導電性の障壁材料との間隔が変化する。これによって、誘電体の静電容量が測定できるほどに変化したり、あるいは、抵抗の非常に高い材料にかかる抵抗が低下したりする。
【０００７】
本発明の目的は、多様に用いることができ、かつ、高い費用効果で製造することができる力センサを実現することにある。また、作用力が作用した後、元の状態に戻ることが可能である可逆性で、再生可能な測定電流、または測定電圧に変換できる力センサを実現することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、このようなタイプの力センサを少なくとも１つ用いた圧力センサを提示することにある。本発明の第３の目的は、このようなタイプの力センサを用いた一次元または二次元の位置センサを提示することにある。最後に、第４の目的は、このようなタイプの力センサを用いた指紋センサを提示することにある。
【０００９】
様々な基板上に適切なペンタセントランジスタを形成することについては、M.Halik et al.（"Polymer gate dielectrics and conducting-polymer contacts for high-performance organic thin film transistors" in Advanced Materials、vol. 14, p. 1717 (2002)）、H.Klauk et al.（“High-mobility polymer gate dielectric pentacene thin film transistors”in Journal of Applied Physics, vol. 92, p. 5259 (2002)）、およびH.Klauk et al.（“Pentacene organic transistors and ring oscillators on glass and on flexiblepolymeric substrates” in Applied Physics Letters, vol. 82, p. 4175 (2003)）に記載されている。
【００１０】
本発明の第１の形態によれば、基板上に設けられた有機電界効果トランジスタを用いた力センサによって達成される。該力センサでは、上記有機電界効果トランジスタへの機械的な作用力は、該作用力に対応して、上記有機電界効果トランジスタのソース−ドレイン電圧、またはソース−ドレイン電流を変化させる。そして、上記ソース−ドレイン電圧、またはソース−ドレイン電流の変化は、それぞれ、該作用力に対する測定量として検出されうる。
【００１１】
上記有機電界効果トランジスタは、ドレイン電極とソース電極との間に、ペンタセンからなる活性層を備えるペンタセントランジスタであることが好ましい。従って、本発明にかかる力センサは、有機電界効果トランジスタのドレイン電流が、上記トランジスタへの機械的な作用力に対して、再生可能で可逆的に依存することを用いる。有機電界効果トランジスタは、任意の基板上に、とりわけ単純に、かつ高い費用効果で集積させることができる。そのため、このタイプの有機電界効果トランジスタは、力センサの実現には、とりわけよく適している。
【００１２】
有機電界効果トランジスタ、特にペンタセントランジスタが設けられる基板には、例えば、ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマー膜、金属膜、または紙が含まれる。上記基板がポリマー膜を含む場合、特に、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート、および／またはポリエテンエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を選択することが好ましい。
【００１３】
このタイプの力センサの可能な回路例の１つでは、上記の電気的な測定量は、上記有機電界効果トランジスタのドレイン−ソース電圧である。この場合、一定のゲート−ソース電圧と、一定のドレイン電流とは、測定の瞬間に該トランジスタに印加される。そして、上記ドレイン−ソース電圧は、該作用力に対する測定量として測定される。
【００１４】
このタイプの力センサの別の回路例では、上記電気的な測定量は、上記有機電界効果トランジスタのドレイン電流である。この回路原理では、一定のゲート−ソース電圧と一定のドレイン−ソース電圧とは、測定の瞬間に、該有機電界効果トランジスタに印加される。
【００１５】
上述したように基板材料は広範囲にわたるため、基本構造は同じであるが、用途および測定範囲が異なる力センサを単純かつ費用効果が高い方法によって実現することができる。
【００１６】
力センサの用途の１つは、本発明にかかる圧力センサである。該圧力センサは、振動板として配置された基板上に本発明にかかる力センサを少なくとも１つ有している。この場合、上記電気的な測定量は、上記少なくとも１つの力センサのそれぞれの位置にある振動板の湾曲状態に対応する。なお、上述したように、上記電気的な測定量は、ドレイン電流またはドレイン−ソース電圧のいずれかである。
【００１７】
液体状の媒体または気体状の媒体において、静的および／または動的圧力を測定する公知の集積された圧力センサは、通常、圧力下で変形する弾性構造（いわゆる、振動板）の原理に基づくものである。そして、１つまたは複数の圧力変換器（センサ）が上記基板上に集積されている。この場合、測定される圧力は、上記振動板のある領域に対して作用する。一方、封された容量を用いて設定される一定の基準圧力は、振動板のその他の領域に作用する。通常、抵抗性または容量性の動作原理のいずれか一方は、上記振動板での圧力変換に用いられる。すなわち、上記振動板の弾性力のある機械的な変形は、電気抵抗または電気的な静電容量のいずれかを、測定できる程度に変化させる。この場合、抵抗性の圧力センサ（歪み計）は、金属伝導体の積層の抵抗の変化（導電体積層の幾何学的断面の変化による抵抗変化）の測定、または半導体構造における圧電効果のいずれかに基づくものである。
【００１８】
金属の歪み計の根本的な欠点は、測定される相対的な抵抗変化がとても小さいため、感度が低いことである。圧電性の圧力変換器には、シリコン基板を加工する必要があるため、製造が比較的複雑で、費用がかかるという欠点がある。さらに、上記半導体における抵抗、および抵抗変化は、温度に大きく依存する。さらに、固体物との直接の接触が極薄いシリコン振動板を破損させるため、圧電性の圧力センサは、気体状の媒体および液体状の媒体中での圧力測定にしか適していないという欠点がある。
【００１９】
本発明にかかる圧力センサは、有機電界効果トランジスタの閾値電圧が基板の湾曲状態に対して、再生可能で可逆的に依存することを用いたものである。その結果として、本発明は、変形可能な振動板に基づく集積された圧力センサを提案する。また、上記圧力センサにおいて、圧力変換は、上記振動板の湾曲状態に依存して、上記振動板上に集積された１つ以上の有機電界効果トランジスタの閾値電圧が測定できる程度に変化することに基づくものである。上記閾値電圧は、電荷担体チャネルへの蓄積のため、上記トランジスタの出力電流が急激に上昇するときの上記トランジスタの入力電圧として定義される。上述したように、商業的に利用可能な安価な湾曲しやすい多くの振動板材料を用いることができるため、上記振動板の厚みおよび表面を目的に応じて最適化することによって、同じ基本構造に基づいて、用途および測定範囲の異なる圧力センサを、単純な方法で、実現することができる。特に、この圧力センサは、気体状および液体状の媒体中での圧力測定を可能にするだけではなく、固体物によって振動板に及ぼされる力および圧力を測定することもできる。これは、従来の圧電性のセンサに対して、大きな利点である。
【００２０】
本発明にかかる力センサのさらなる用途には一次元または二次元の位置センサがある。該一次元または二次元の位置センサは、本発明にかかる力センサを用いて、直線に沿った、または、ある領域内の機械的力の位置を測定するためのものである。上記力センサは、それぞれの場合において、有機電界効果トランジスタが用いられ、一般的な基板上に、一次元または二次元のマトリクスを形成するように、互いに一定の距離で配置される。
【００２１】
これまで従来の一次元または二次元の位置センサでは、通常、抵抗性または容量性のいずれかの動作原理に基づく力センサを、所定の数、直線に沿って、または二次元領域に配置されている。抵抗性の位置センサでは、導電性ポリマーで被覆された膜が、作用力によって金属接触構造に押圧される。その結果、金属接触部間で測定される電気抵抗は、測定できる程度に減少する。上記ポリマーの層の性質のゆえに、抵抗は、比較的広範囲にわたり、上記機械的な作用力に依存して変化する。容量性の位置センサでは、２つの導電性領域の間に位置する絶縁体層は、作用力により圧縮される。上記の構造では、静電容量は増加する。しかし、上記静電容量の変化は、極度に小さい。
【００２２】
それに対して、本発明にかかる位置センサは、有機電界効果トランジスタのドレイン電流が、それぞれのトランジスタへの機械的な作用力に対して、再生可能で可逆的に依存することを用いる。
【００２３】
代表的な実施形態として記載した本発明にかかる二次元の位置センサでは、行デコーダによって、対応するゲート−ソース電圧を印加することにより、行内の全ての有機電界効果トランジスタを選択する。これにより、上記測定データは、行ごとに測定される。該行のトランジスタがＯＮ状態になるように、該ゲート−ソース電圧は選択される。同時に、行デコーダによる対応するゲート−ソース電圧の印加によって、上記マトリクスのその他の全ての行は非選択状態となる。これにより、その他の行のトランジスタはＯＦＦ状態になり、測定電流に影響を与えない。上記非選択状態の電圧は、上記トランジスタがＯＦＦ状態となるように選択される。上記機械的な作用力に依存する測定電圧、いわゆる上記選択された行内の個々のトランジスタのドレイン−ソース電圧は、上記マトリクスの列に接続された駆動測定部によって一定電流源が起動された後、測定される。
【００２４】
本発明にかかる力センサのさらなる用途は、本発明にかかる指紋センサである。該指紋センサは、マトリクスを形成するように配置された有機電界効果トランジスタのドレイン電流が、該トランジスタへの機械的な作用力に対して、再生可能で可逆的に依存することを用いる。
【００２５】
指紋は、通常、個々のセンサの二次元構造（マトリクス）に触れている指先によって認識される。上記個々のセンサにより、上記指先の微細なトポグラフィーが点ごとに測定される。上記指紋の認識では、個々のセンサのそれぞれにおいて、特徴的な物理量が電気的な量、電圧、電流強度、または静電容量に変換される。それらは、上記システムによって測定される。その結果、上記個々のセンサによってもたらされた測定結果を電気的に検出し、評価することができる。容量効果、圧電効果、または抵抗効果は、物理量を電気的な量に変換するために、選択的に用いられる。
【００２６】
調べられるべき目的の本質のために、従来の指紋センサ技術では、通常、上記センサに用いられる効果のタイプに非依存的な一連の問題が生じる。これらの問題は、ヒトの汗およびその発汗の結果生じる汚染物の化学組成、並びに、腐食現象、特に、上記個々のセンサ内およびセンサ間の電気的接続および活性センサ材料の腐食現象によって引き起こされる。
【００２７】
有機電界効果トランジスタを用いた安価な圧力センサが、本発明にかかる指紋センサと共に提案される。この指紋センサの場合、適切に保護層を選択することによって、侵食性の強い物質、特にヒトの汗に対する十分な抵抗性を保証することができる。
【００２８】
本発明にかかる指紋センサのセンサシステムは、基本的に、有機電界効果トランジスタの二次元のマトリクスを備えている。該有機電界効果トランジスタの二次元のマトリクスは、二次元の位置センサの説明で上述した種類の駆動測定部および行デコーダを備えている。
【００２９】
センサアレイに、１層または２層からなる保護層を設けることによって、ヒトの汗により主に引き起こされ、このようなセンサの寿命に悪影響を与える環境汚染から、該センサアレイを保護する。
【００３０】
以下では、本発明にかかる力センサ、このタイプの力センサを用いて実現される本発明にかかる圧力センサ、本発明にかかる力センサを用いた一次元または二次元の位置センサ、および本発明にかかる指紋センサの上記の有利な特徴、および他の有効な特徴について、図面を参照しながら複数の代表的な実施形態および用途を用いて詳述する。
【００３１】
図面に関し、具体的には、図１は、本発明に好適に用いられる有機電界効果トランジスタとなるペンタセントランジスタの断面を概略的に示している。図２Ａおよび２Ｂは、図１のペンタセントランジスタのドレイン電流が、該トランジスタに作用し、電気的な測定信号を生成するために用いられる機械的力に対して、再生可能で可逆的に依存することを用いる、２つの別の回路変形例を示す。図３は、ペンタセントランジスタに力を加えないとき、および、制御することによって低減することができるピンを用いて機械的力をトランジスタに作用させるときのそれぞれにおいて、ガラス基板に集積されたペンタセントランジスタのドレイン電流のゲート−ソース電圧に対する依存性を測定した結果を示すグラフである。図４は、図３の測定結果に基づいて、低い状態と高い状態との差、および、ドレイン電流の変化率（百分率）をゲート−ソース電圧の関数として示すグラフである。図５は、振動板上に設けられる圧力センサとしての本発明にかかる力センサの使用を概略的に示している。図６は、図５に示すようにＰＥＮ振動板上に集積されたペンタセントランジスタのドレイン電流のＰＥＮ振動板の湾曲に対する依存性を測定した結果を示すグラフである。図７は、本発明にかかる力センサを複数用いた一次元の位置センサの回路配置を概略的に示している。図８は、複数の本発明にかかる力センサの二次元のマトリクスを用いた二次元の位置センサの回路配置を概略的に示している。図９〜図１１は、本発明にかかる力センサを用いた本発明の指紋センサの３つの代表的な実施形態の断面を概略的に示している。
【００３２】
本発明は、有機電界効果トランジスタのドレイン電流が測定できる程度に変化することを用いて力を変換する力センサを記述するものである。該有機電界効果トランジスタのドレイン電流は、作用力の大きさに応じて変化する。上記ドレイン電流は、有機電界効果トランジスタのドレイン電極およびゲート電極に存在する電位に依存していることに加えて、これらのトランジスタでは、該ドレイン電流は、さらに、上記トランジスタへの機械的な作用力にも依存している。有機トランジスタは、任意の基板上に非常に簡単に、かつ高い費用効果で集積させることができるので、有機トランジスタは、力センサの実現に非常によく適している。
【００３３】
有機電界効果トランジスタとして、本発明では、図１に断面が示されているペンタセントランジスタが好ましい。また、活性層５にペンタセンを用いる代わりに、例えば、チオフェン、オリゴチオフェン、およびポリチオフェン、並びにフルオレンを活性層５の材料に用いることができる。図１に示されるペンタセントランジスタ１０は、基板１に設けられている。そして、ゲート電極２、ＰＶＰゲート誘電体３、ドレイン電極４、活性ペンタセン層５、保護皮膜層６、およびソース電極７を備えている。
【００３４】
基板の材料には、幅広い材料が適している。例えば、ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマー膜、金属膜、および紙を挙げることができる。ポリマー膜の中では、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート、ポリエテンエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が適している。基板の材料はこのように幅広いので、同じ基本構造に基づいて、特に、以下にさらに記載する異なる用途、および異なる測定範囲をもつ力センサを、簡単に実現することができる。
【００３５】
図２Ａおよび図２Ｂは、有機トランジスタ上に設けられた力センサ素子の２つの回路の変形例を示す。図２Ａは、センサ、特に、図１に示されるペンタセントランジスタ１０を、一定電流源Ｉ制御によって駆動し、該トランジスタのドレイン−ソース電圧を測定量Ｖ測定として測定するための回路配置を示している。ドレイン電流Ｉ制御およびゲート−ソース電圧Ｖ制御が一定である場合、測定電圧Ｖ測定は、機械的な作用力にのみ依存する。したがって、ペンタセントランジスタへの作用力を算出することができる。この場合、各用途（以下を参照）に応じて該機械的な作用力は、例えば、保護皮膜層６に対して上から作用してもよく、または、該ペンタセントランジスタを支持する基板１に対して湾曲のような変形を生じさせるために作用してもよい。
【００３６】
図２Ｂは、一定のゲート−ソース電圧Ｖ制御１および一定のドレイン−ソース電圧Ｖ制御２によって力センサ１０を駆動し、該ペンタセントランジスタ１０のドレイン電流を測定量Ｉ測定として測定することを示している。図２に示される回路配置の場合には、測定電流Ｉ測定から、該トランジスタへの作用力について、推論することができる。
【００３７】
図２Ａおよび図２Ｂに示されるこれら２つの回路の変形例は、動作の電気的モードに関しては同じである。
【００３８】
図２Ｂに示される本発明の力センサの回路の変形例に基づいて、図３は、測定量Ｉ測定に対応するドレイン電流ＩＤ（Ａ）の測定量を、ゲート−ソース電圧ＶＧＳ（Ｖ）の関数としてグラフに示している。つまり、圧力のかかっていない状態、つまり、該力センサに力が作用していないときを実線で正確に描き、制御により低減させることができるピンを用いて該力センサに機械的力を印加するときを点線で正確に描いている。ここでは、ドレイン−ソース電圧ＶＤＳは一定であり、２０Ｖであった。ペンタセントランジスタに力が作用していないとき（実線）のドレイン電流と、力が作用しているとき（点線）のドレイン電流との図３に示される差により、ペンタセントランジスタ１０のＯＮ状態の範囲で、（図４の点線の曲線によれば）およそ０〜２７ｎＡのドレイン電流の差分値ΔＩＤが生じる。そして、ゲート−ソース電圧ＶＧＳを選択することによって、ペンタセントランジスタ１０の動作基点が、トランジスタ１０のＯＮ状態の範囲にある場合、図４の実線の曲線で表されるように、（力がペンタセントランジスタ１０に作用しない）低い状態に対して、（力がペンタセントランジスタに作用する）高い状態における変化率（百分率）が大きいことが確認される。
【００３９】
さらに、図５および図６を参照しながら、変形可能な振動板１１上に設けられた、集積された圧力センサについて記載する。該圧力センサでは、振動板の湾曲状態に依存して、振動板上に集積された１つまたは複数の有機電界効果トランジスタ、特にペンタセントランジスタ１０、の閾値電圧が測定できる程度に変化することを用いて、センサの圧力は変換される。この場合、閾値電圧は、電荷担体チャネルにおける蓄積のためにトランジスタの出力電流が急に増加するときのトランジスタの入力電圧として定義される。
【００４０】
図５は、圧力センサの配置を示している。図１によれば、該圧力センサにおいて、基板１は、湾曲しやすい振動板１１として配置される。この振動板は、その外部エッジで、固定されて嵌め込まれており、その中央領域は上下に湾曲することができる。図５に示される例では、測定される圧力Ｐ測定は振動板１１に対して下から作用し、基準圧力Ｐ基準は振動板１１に対して上から作用する。したがって、測定される圧力Ｐ測定は圧力センサとして機能するペンタセントランジスタ１０に対して下から作用し、基準圧力Ｐ基準は圧力センサとして機能するペンタセントランジスタ１０に対して上から作用する。
【００４１】
基本的に、上述したように、幅広い材料が、振動板１１に適している。
【００４２】
言うまでもなく、中央の位置に１つのペンタセントランジスタ１０を設ける代わりに、複数のペンタセントランジスタ１０（図示せず）を、振動板１１上に設けることもできる。
【００４３】
図２Ａおよび図２Ｂを参照しながら上述した回路の変形例、および、図３および図４を参照しながら記載した該変形例の動作様式を用いて、Ｐ測定とＰ基準との圧力差を電圧信号または電流信号に簡単に変換することができる。図２Ａによれば、ドレイン電流Ｉ制御およびゲート−ソース電圧Ｖ制御が一定である場合、測定電圧Ｖ測定は、振動板の湾曲状態にのみ依存する。したがって、振動板に作用する圧力を算出することができる。図２Ｂによれば、測定電流Ｉ測定から、振動板１１の湾曲状態について、推論することができる。
【００４４】
図６は、ＰＥＮ振動板に集積された図５のペンタセントランジスタ１０の場合に、トランジスタの拡張率（百分率）の関数として、ドレイン電流ＩＤ（ｐＡ）の測定結果を示すグラフである。
【００４５】
さらに、図７および図８を参照しながら、本発明にかかる力センサを複数用いた位置センサについて記載する。これらの位置センサでは、有機電界効果トランジスタ、特に、ペンタセントランジスタのドレイン電流の変化に基づいて、物理量「力」は、測定可能な電気量に変換される。上記ドレイン電流の変化は、作用力に依存するものである。
【００４６】
図７は、線に沿って等間隔に配置された複数の力センサ１０１、１０２、１０３、１０４、１０ｋを用いた一次元の位置センサを示している。上記力センサのそれぞれは、特に、図１〜図４を参照しながら上述したようなペンタセントランジスタ１０によって、実現される。行内の全てのトランジスタ１０１、１０２、１０３、１０４、１０ｋに対応するゲート−ソース電圧を印加することによって、該トランジスタのスイッチを入れる。また、同時に、例えば、図２Ａに示されるような一定電流Ｉ制御を有する一定電流源を各ペンタセントランジスタ１０１、１０２、１０３、・・・、１０ｋに接続する。これにより、駆動測定部２０を用いてドレイン−ソース電圧Ｖ測定を評価することにより、作用力のそれぞれの位置を検出することができる。
【００４７】
図８は、二次元の配置、つまり、等間隔で配置された複数の有機電界効果トランジスタ、特に、図１のペンタセントランジスタ１０１、１０２、・・・、１０ｎを備えるマトリクスを概略的に示している。該マトリクスは、行デコーダ２１および駆動測定部２０と相互作用して、二次元の位置センサを形成する。上記有機電界効果トランジスタ、特に、ペンタセントランジスタ１０１、１０２、・・・、１０ｎのそれぞれは、同時に、２つの機能を果たす。具体的には、センサ素子としての機能と、上記マトリクス内の個々の画素をアドレス指定するためのスイッチ（選択トランジスタ）としての機能の２つである。
【００４８】
１行内の全てのトランジスタ、例えば、トランジスタ１０１−１０ｋで始まる１行内の全てのトランジスタを選択することにより、測定データの検出は行ごとに行われる。なお、１行内の全てのトランジスタの選択は、上記行デコーダ２１を用いて対応するゲート−ソース電圧を印加することによってなされる。該行のトランジスタがＯＮ状態になるように、選択電圧は選択される。同時に、行デコーダ２１によって対応するゲート−ソース電圧を印加することによって、マトリクスの残りの全ての行は、選択解除される。これにより、選択されていない行のトランジスタはＯＦＦ状態になり、測定電流に影響を与えない。この場合、選択解除電圧は、該行の対応するトランジスタがＯＦＦ状態になるように、行デコーダ２１によって選択される。機械的な作用力に依存した測定電圧、つまり、図２Ａによるところの選択された行内のトランジスタのドレイン−ソース電圧は、電流Ｉ制御を有する一定電流源が駆動測定部２０によって活性化された後、検出される。
【００４９】
また、上記の基板材料は、基本的に、一次元の位置センサ７および図８にかかる二次元の位置センサに適している。基板材料は幅広いため、同じ基本構造に基づいて、異なる用途および異なる測定範囲の位置センサを簡単に実現することができる。
【００５０】
以下に、図９〜図１１を参照しながら、圧力センサとして配置された安価な指紋センサの異なる３つの代表的な実施形態について記載する。上記指紋センサは、有機電界効果トランジスタ、特に、ペンタセントランジスタ上に設けられる。また、上記指紋センサでは、保護層を適切に選択することによって、侵食性の物質、特に、人間の汗に対する十分な強度が得られる。
【００５１】
圧力センサとして実現されたこのような指紋センサの土台は、図８を参照しながら上述したような二次元のセンサアレイである。行デコーダ２１を用いて対応するゲート−ソース電圧を印加することによって、１行内の全てのトランジスタを選択することにより、行ごとに測定データを検出する。この行デコーダ２１の選択電圧は、該行のトランジスタがＯＮ状態になるように選択される。同時に、行デコーダ２１は、対応するゲート−ソース電圧を印加することにより、マトリクスの他の行をＯＦＦ状態にする。つまり、該行デコーダ２１は、これらの行を選択解除し、これにより、これらの行のトランジスタは、ＯＦＦ状態になり、測定電流に影響を与えない。機械的な作用力に依存した測定電圧、つまり、選択された行内のペンタセントランジスタのドレイン−ソース電圧は、一定電流源Ｉ制御が駆動測定部２０によって活性化された後、検出される。
【００５２】
１層または２層からなる保護層をセンサアレイに設けることによって、主に人間の汗に起因する環境汚染から、センサアレイを保護することができる。なお、主に人間の汗に起因する環境汚染は、このようなセンサの寿命に悪影響を与える。人間の汗は、ｐＨ４.５の酸性の水溶液であり、多くの化合物に対して侵食性（aggressive）を有する。汗は、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、アンモニア、尿素、尿酸、および、クレアチン、さらには、およびタンパク成分といった副成分（secondary constituents）を含む９８％の水からなる。
【００５３】
図９〜図１１は、それぞれ、ペンタセントランジスタ１０を用いた図８に示される二次元アレイの個々の圧力センサを示している。図９に図示される第１の代表的な実施形態１００では、水および親水性の構成成分のための拡散障壁３０が、第１の（最底部の）保護層として、ペンタセントランジスタ１０に設けられる。この第１の保護層３０は、感受性の高い有機半導体層（図１の５を参照）に損傷を与えずにペンタセントランジスタ１０の表面上に堆積された疎水性の材料を含んでいる。該第１の保護層３０には、特に、長鎖で、極度に疎水性の脂肪族炭化水素の混合物であるパラフィンが適している。上記脂肪族炭化水素は、異なる鎖長が異なり、また、それにより融解範囲が異なるものが市販されている。本発明では、室温で固体であり、これらの構成物の最大使用温度（約８０℃）よりも高い融解範囲をもつパラフィンを用いることが好ましい。また、パラフィンは、安価であり、比較的低温で分解せずに気化させることができる。したがって、パラフィン層の形成は、安価に実現することができる。活性層５の表面上に蒸着されたパラフィン膜（図１を参照）は、大気湿度（拡散障壁）からほぼ１００％保護することができるだけではなく、水および親水性の構成成分に直接接触することから保護することができる。パラフィンは、例えば、アルコール、アセトン、ヘキサン、石油エーテルといった有機溶媒と類似する有機分子を含んでいるが、蒸着したパラフィン層は、活性有機半導体層５の分子配置に障害を与えない。それゆえ、活性有機半導体層５の電気的な特性に損傷を与えない。このことは、一方では、脂肪族炭化水素の大きさ（長さ＞Ｃ１７）によるものであり、他方では、パラフィンの物質の状態（蝋質から固体まで）によるものである。小さな有機溶媒分子とは対照的に、分子が大きければ、層または結晶格子を介した拡散は著しく困難になる。さらに、パラフィンは固体であるため、ほとんど移動できない。図９に示される代表的な実施形態１００では、親水性のポリマー層、好ましくは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が第２の（上部）保護層３１として用いられる。第２の保護層の機能は、タルクのような親油性の構成成分、タンパク質の残留物、または、一般的には有機成分に対する拡散障壁としての効果にある。
【００５４】
パラフィンおよびＰＶＡは、感受性の高い有機半導体層５に損傷を与えずに該トランジスタの表面上に問題なく堆積させることができるので、図１０に図示されるようなペンタセントランジスタ１０を用いた指紋センサの第２の代表的な実施形態１０１に示されるように、これら保護層の順序を入れ替えることができる。
【００５５】
本発明にかかる指紋センサを実現する際、疎水性の保護層に用いられる材料は、特に、室温で固体であるパラフィン、例えば、融点が７３〜７８℃であるアルドリッチのパラフィンであった。さらに、例えば、アダマンタンのように、室温において固体であり、分解せずに気化させることができる不活性の非芳香族炭化水素も適している。疎水性の保護層３０は、（揮発度１０−１〜１０−４トールに依存して）圧力が低下し、温度が上昇した時に、気相から堆積された。このとき、基板は冷却されていた。
【００５６】
親水性の保護層３１が図１０の代表的な実施形態１０１のように、ペンタセン層の上に設けられるとき、特に該親水性の保護層３１には、（水を１〜１０％含んだ）ポリビニルアルコールの水性系が適していることが分かった。このような水性系には、光化学的な架橋開始剤を、任意に加えてもよい。該開始剤は、紫外線による照射による急速な硬化を促進させる。対応する開始剤としては、例えば、重クロム酸アンモニウム（０.０１〜０.１重量パーセント）を挙げることができる。上記の堆積は、スピンコーティング、ディップコーティング、または、スプレーコーティングによって行われる。
【００５７】
図１１は、ペンタセントランジスタ１０を用いた耐汗性の指紋センサの第３の代表的な実施形態１０２を示している。ここでは、保護層３２として、ペルフルオロ化された材料が用いられる。ペルフルオロヘキサデカンのようなペルフルオロ化合物からなる層は、例えば、疎水性の化合物および親水性の化合物の両方の拡散障壁であるため、このタイプの材料によれば、単一の保護層３２を用いるだけでよい。
【００５８】
図１１に示される本発明の指紋センサの第３の代表的な実施形態１０２では、ペルフルオロ保護層３２として、基本的に、全てのペルフルオロ化されたｎ‐アルカン誘導体（例えば、融点が１０３〜１０４℃のペルフルオロテトラデカン、融点が１２５〜１２６℃のペルフルオロヘキサデカン）、および、室温で固体であり、分解せずに気化する不活性の非芳香族ペルフルオロ炭化水素（例えば、融点が５９℃のペルフルオロメチルデカリン）も、適している。この堆積は、（揮発度１０−１〜１０−４トールに依存して）圧力が低下し、温度が（２００℃まで）上昇したとき、気相から行われる。このとき、基板を冷却する必要がある。
【００５９】
基板材料の広範囲性に関して、図１に示されるような本発明の上記力センサに対して述べたのと同じことが、図９〜図１１に示されるような本発明の指紋センサの上記代表的的な実施形態１００、１０１、１０２の基板材料についてもいえる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、本発明に好適に用いられる有機電界効果トランジスタとなるペンタセントランジスタの概略的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１のペンタセントランジスタのドレイン電流が、該トランジスタに作用し、電気的な測定信号を生成するために用いられる機械的力に対して、再生可能で可逆的な依存性を有することを用いる回路の変形例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１のペンタセントランジスタのドレイン電流が、該トランジスタに作用し、電気的な測定信号を生成するために用いられる機械的力に対して、再生可能で可逆的な依存性を有することを用いる回路の図２Ａとは別の変形例を示す図である。
【図３】図３は、ペンタセントランジスタに力を加えないとき、および、制御することによって低減することができるピンを用いて機械力をトランジスタに作用させるときのそれぞれにおいて、ガラス基板に集積されたペンタセントランジスタのドレイン電流のゲート−ソース電圧に対する依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図４】図４は、図３の測定結果に基づいて、低い状態と高い状態との差、および、ドレイン電流の変化率（百分率）をゲート−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図５】図５は、振動板上に設けられる圧力センサとしての本発明にかかる力センサの使用を概略的に示す図である。
【図６】図６は、図５に示すＰＥＮ振動板上に集積されたペンタセントランジスタのドレイン電流の、ＰＥＮ振動板の湾曲に対する依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明にかかる力センサを複数用いた一次元の位置センサの回路配置を概略的に示す図である。
【図８】図８は、複数の本発明にかかる力センサの二次元のマトリクスを用いる二次元の位置センサの回路配置を概略的に示す図である。
【図９】図９は、本発明にかかる力センサを用いる本発明の指紋センサの代表的な一実施形態の概略的な断面図である。
【図１０】図１０は、本発明にかかる力センサを用いる本発明の指紋センサの代表的な別の実施形態の概略的な断面図である。
【図１１】図１１は、本発明にかかる力センサを用いる本発明の指紋センサの代表的なさらに別の実施形態の概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１                      基板
２                      ゲート電極
３                      ＰＶＰゲート誘電体
４                      ドレイン電極
５                      ペンタセン層
６                      保護皮膜層
７                      ソース電極
１０                    ペンタセントランジスタ
１１                    振動板基板
１０１−１０ｎ            複数のペンタセントランジスタ
２０                    駆動測定部
２１                    行デコーダ
３０、３１、３２        耐汗性の保護層
１００、１０１、１０２  指紋センサ
Ｉ制御                    一定電流
Ｖ制御、Ｖ制御１、Ｖ制御２    一定電圧
Ｖ測定                    測定電圧
Ｉ測定                    測定電流
【図１】
2007530957.tif 000003
【図２Ａ】
2007530957.tif 000004
【図２Ｂ】
2007530957.tif 000005
【図３】
2007530957.tif 000006
【図４】
2007530957.tif 000007
【図５】
2007530957.tif 000008
【図６】
2007530957.tif 000009
【図７】
2007530957.tif 000010
【図８】
2007530957.tif 000011
【図９】
2007530957.tif 000012
【図１０】
2007530957.tif 000013
【図１１】
2007530957.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月23日(2005.12.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機電界効果トランジスタ（１０）に基づく力センサであって、
上記有機電界効果トランジスタは、基板（１;１１）上に設けられ、ソース電極（７）とドレイン電極（４）との間に、ペンタセン、フルオレン、またはチオフェンからなり、力感受性の層として作用する活性層（５）を備え、
上記有機電界効果トランジスタへの機械的な作用力は、上記活性層（５）に伝達され、該作用力に対応して、上記有機電界効果トランジスタのソース−ドレイン電圧またはソース−ドレイン電流（ＩＤ）を変化させ、
上記ソース−ドレイン電圧またはソース−ドレイン電流の変化は、それぞれ、上記作用力に対する測定値（Ｖ測定、Ｉ測定）として検出される力センサ。
【請求項２】
上記基板（１）は、ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマー膜、金属膜、または紙を含む請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
上記基板（１）のポリマー膜は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート、および／またはポリエテンエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を有する請求項２に記載の力センサ。
【請求項４】
検出される上記測定量（Ｖ測定）は、上記有機電界効果トランジスタ（１０）のドレイン−ソース電圧、並びに、測定の瞬間に該有機電界効果トランジスタに印加されている一定のゲート−ソース電圧（Ｖ制御）および一定のドレイン電流（Ｉ制御）である請求項１〜３のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項５】
検出される上記測定量は、上記有機電界効果トランジスタ（１０）のドレイン電流（Ｉ測定）、並びに、測定の瞬間に該有機電界効果トランジスタに印加されている一定のゲートソース電圧（Ｖ制御１）および一定のドレイン−ソース電圧（Ｖ制御２）である請求項１〜３のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の力センサを少なくとも１つ用いた圧力センサであって、
上記基板は、変形可能な振動板（１１）として配置され、
上記測定量は、該振動板の湾曲状態に対応する圧力センサ。
【請求項７】
直線に沿って、または一領域内に作用する機械的力の位置を測定するための一次元または二次元の位置センサであって、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の力センサ（１０１、１０２、・・・、１０ｎ）を複数用い、
一次元または二次元のマトリクスを形成するように、該複数の力センサは、一般的な基板上に、互いに一定の距離で配置される、一次元または二次元の位置センサ。
【請求項８】
駆動し、上記作用力の位置を検出するために、駆動測定部（２０）が全ての上記有機電界効果トランジスタのドレイン端子またはソース端子に接続されている、もしくは接続可能である請求項７に記載の一次元の位置センサ。
【請求項９】
上記有機電界効果トランジスタは、行および列に配置され、
駆動し、上記作用力の列位置を検出するために、駆動測定部（２０）が、全ての列のドレイン端子またはソース端子に接続されている、もしくは接続可能であり、
上記有機電界効果トランジスタを行ごとに選択し、駆動するために、行デコーダ（２１）が、該有機電界効果トランジスタのゲート端子に接続されている、もしくは接続可能である請求項８に記載の二次元の位置センサ。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の力センサを複数用いた指紋センサであって、
該複数の力センサは、行と列とに細分化された二次元のマトリクスとなるように、一般的な基板上に、一定間隔に配置され、
駆動し、上記作用力の列位置を検出するために、駆動測定部（７０）が、全ての列の有機電界効果トランジスタのドレイン端子またはソース端子に接続されている、もしくは接続可能であり、
行方向の上記作用力の位置を、行ごとに選択し、検出するために、行デコーダ（２１）が、全ての行の有機電界効果トランジスタのゲート端子に接続されている、もしくは接続可能である指紋センサ。
【請求項１１】
水および有機汚染物の侵入を防ぐために、少なくとも１つの耐汗性の保護層（３０、３１、３２）が、上記有機電界効果トランジスタの活性層（５）の上に設けられる請求項１０に記載の指紋センサ。
【請求項１２】
上記耐汗性の保護層は、ペルフルオロ化された材料、特に、ペルフルオロヘキサデカンを含む請求項１１に記載の指紋センサ。
【請求項１３】
第１の保護層（３０）は、疎水性の材料を含み、
第２の保護層（３１）は、親油性の汚染物に対する拡散障壁として作用する親水性ポリマーを含む請求項１１に記載の指紋センサ。
【請求項１４】
上記第１の保護層（３０）は、上記第２の保護層（３１）を覆う請求項１３に記載の指紋センサ。
【請求項１５】
上記第２の保護層（３１）は、上記第１の保護層（３０）を覆う請求項１３に記載の指紋センサ。
【国際調査報告】
2007530957.tif 000015
2007530957.tif 000016
2007530957.tif 000017
2007530957.tif 000018
2007530957.tif 000019
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