(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子であって、
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
基板上に形成された固定電極と、
前記振動電極と前記固定電極との間に配置されたエアギャップおよび電荷を蓄えたエレクトレット層から構成され、前記振動電極および前記固定電極と絶縁された絶縁層と、
前記固定電極と同一面上に形成されたインピーダンス変換用の薄膜トランジスタと、
を備えたエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したマトリクスセンサと、
前記マトリクスセンサの各エレクトレットセンサ素子の前記薄膜トランジスタに対して設けられた複数の垂直配線と、
前記複数の垂直配線と絶縁されて直交する複数の水平配線と、
前記複数の垂直配線と前記複数の水平配線との交差箇所にそれぞれ設けられ、水平配線に選択信号が印加された場合に、前記薄膜トランジスタに印加される電圧に応じたインピーダンス変換後の信号を垂直配線に出力するスイッチ用の薄膜トランジスタと、
を備えたマトリクスセンサ回路。
【請求項２】
前記エレクトレットセンサ素子の絶縁層は、
前記振動電極の前記固定電極側の面に設けられた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の前記固定電極側の面に設けられた前記エレクトレット層と、
前記エレクトレット層と前記固定電極との間に配置される前記エアギャップと、
を有する請求項１に記載のマトリクスセンサ回路。
【請求項３】
前記絶縁層は、
前記振動電極の前記固定電極側の面に設けられた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の前記固定電極側の面に設けられた前記エレクトレット層と、
前記固定電極の前記振動電極側の面に設けられた第２絶縁層と、
前記エレクトレット層と前記第２絶縁層との間に配置される前記エアギャップと、
を有する請求項１に記載のマトリクスセンサ回路。
【請求項４】
前記絶縁層は、
前記振動電極の前記固定電極側の面に設けられた第１絶縁層と、
前記固定電極の前記振動電極側の面に設けられた第２絶縁層と、
前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に、前記エアギャップを形成するスペーサをエレクトレット化したエレクトレット化スペーサにより構成された前記エレクトレット層と
、
を有する請求項１に記載のマトリクスセンサ回路。
【請求項５】
前記エレクトレットセンサ素子の前記振動電極および前記固定電極は、それぞれ透明電極である
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のマトリクスセンサ回路。
【請求項６】
振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したマトリクスセンサを備えたマトリクスセンサ回路の製造方法であって、
基板上に固定電極およびインピーダンス変換用の薄膜トランジスタの組を、同一プロセスで複数形成するステップと、
複数形成された前記固定電極および前記薄膜トランジスタの組の上に、エアギャップを形成するスペーサを配置するステップと、
前記スペーサ上に、電荷を蓄えたエレクトレット層を形成するステップと、
前記エレクトレット層上に、絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上に、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極を形成するステップと、
前記マトリクスセンサの各エレクトレットセンサ素子の前記薄膜トランジスタに対して複数の垂直配線を形成するステップと、
前記複数の垂直配線と絶縁して直交する複数の水平配線を形成するステップと、
前記複数の垂直配線と前記複数の水平配線との交差箇所のそれぞれに薄膜トランジスタを形成するステップであって、前記薄膜トランジスタは、水平配線に選択信号が印加された場合に、前記薄膜トランジスタに印加される電圧に応じたインピーダンス変換後の信号を垂直配線に出力するマトリクスセンサ回路の製造方法。
【請求項７】
前記エレクトレット層を形成するステップ、前記絶縁層を形成するステップおよび前記振動電極を形成するステップに代えて、絶縁抵抗の高い素材の一方の面に電極を設け、他方の面を電子ビームの照射によってエレクトレット化した３層構造のエレクトレット化フィルムを載置するステップを有する
請求項６に記載のマトリクスセンサ回路の製造方法。
【請求項８】
振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子であって、
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
基板上に形成された固定電極と、
前記振動電極と前記固定電極との間に配置されたエアギャップおよび電荷を蓄えたエレクトレット層から構成され、前記振動電極および前記固定電極と絶縁された絶縁層と、
前記固定電極と同一面上に形成されたインピーダンス変換用の薄膜トランジスタと、
を備え、
前記エアギャップは少なくとも１つのスペーサによって形成され、前記少なくとも１つのスペーサは高い抵抗率を有する絶縁物質で形成され、
前記少なくとも１つのスペーサのそれぞれの一方の面は前記固定電極と接し、別の面は前記エレクトレット層と接する、エレクトレットセンサ素子。
【請求項９】
請求項８に記載のエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置した
マトリクスセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載のマトリクスセンサと、
前記マトリクスセンサの各エレクトレットセンサ素子の前記薄膜トランジスタに対して設けられた複数の垂直配線と、
前記複数の垂直配線と絶縁されて直交する複数の水平配線と、
前記複数の垂直配線と前記複数の水平配線との交差箇所にそれぞれ設けられ、水平配線に選択信号が印加された場合に、前記薄膜トランジスタに印加される電圧に応じたインピーダンス変換後の信号を垂直配線に出力するスイッチ用の薄膜トランジスタと、
を備えたマトリクスセンサ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子、エレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したマトリクスセンサおよびそれらの製造方法、並びにマトリクスセンサを用いたマトリクスセンサ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子が知られている。ここで、エレクトレットセンサ素子は、固定電極と振動電極との間に、エアギャップと電荷を蓄えたエレクトレット層とを配置したコンデンサ構造を有しており、振動電極の振動による電極間距離の変化を、電極間電圧の変化として検出している。
【０００３】
なお、エレクトレットセンサ素子は、微小な振動を検出することができるものの、エレクトレットセンサ素子から出力される電気信号は微弱である。そのため、後段に設けられるＡＤコンバータまでの伝送経路で重畳するノイズの影響を低減するために、固定電極の付近にインピーダンス変換用のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を設けて、エレクトレットセンサ素子からの電気信号を増幅している。
【０００４】
このようなエレクトレットセンサ素子として、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、エアギャップを介して振動電極に対向したエレクトレット層と、エレクトレット層の下面に接した背面電極（固定電極）と、振動電極と背面電極との間に接続されたアンプ（ＦＥＴ）とを備えた超音波プローブが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／１２５７７３号
【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、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、特許文献１のエレクトレットセンサ素子では、背面電極の裏面（振動電極とは反対側の面）に、振動電極、振動層絶縁層、エレクトレット層および背面電極からなるセンサユニットとは別部品として、かつ別プロセスによりインピーダンス変換用のＦＥＴが接続されている。
【０００７】
そのため、エレクトレットセンサ素子の厚みが増して大型化するとともに、エレクトレットセンサ素子の製造プロセスが複雑になるという問題がある。また、このエレクトレットセンサ素子をマトリクス化してマトリクスセンサを構成する場合には、センサユニット毎にＦＥＴが必要になり、配線の交差が生じて配線用の回路基板が別途必要になるので、さらに厚みが増して大型化するという問題がある。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単なプロセスで薄型化、小型化を実現することができ、マトリクス化も容易なエレクトレットセンサ素子、マトリクスセンサおよびそれらの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るエレクトレットセンサ素子は、振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子であって、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、基板上に形成された固定電極と、振動電極と固定電極との間に配置されたエアギャップおよび電荷を蓄えたエレクトレット層から構成され、振動電極および固定電極と絶縁された絶縁層と、固定電極と同一面上に形成されたインピーダンス変換用の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とを備えたものである。
【００１０】
この発明に係るマトリクスセンサは、上述したエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したものである。
【００１１】
この発明に係るエレクトレットセンサ素子の製造方法は、振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子の製造方法であって、基板上に固定電極およびインピーダンス変換用の薄膜トランジスタを同一プロセスで形成するステップと、固定電極および薄膜トランジスタ上に、エアギャップを形成するスペーサを配置するステップと、スペーサ上に、電荷を蓄えたエレクトレット層を形成するステップと、エレクトレット層上に、絶縁層を形成するステップと、絶縁層上に、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極を形成するステップとを有するものである。
【００１２】
この発明に係るマトリクスセンサの製造方法は、振動を電気信号に変換するエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したマトリクスセンサの製造方法であって、基板上に固定電極およびインピーダンス変換用の薄膜トランジスタの組を、同一プロセスで複数形成するステップと、複数形成された固定電極および薄膜トランジスタの組の上に、エアギャップを形成するスペーサを配置するステップと、スペーサ上に、電荷を蓄えたエレクトレット層を形成するステップと、エレクトレット層上に、絶縁層を形成するステップと、絶縁層上に、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極を形成するステップとを有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係るエレクトレットセンサ素子、マトリクスセンサおよびそれらの製造方法によれば、インピーダンス変換用の薄膜トランジスタが、固定電極と同一面上に、同一プロセスで形成されている。
そのため、簡単なプロセスで薄型化、小型化を実現することができ、マトリクス化も容易なエレクトレットセンサ素子、マトリクスセンサおよびそれらの製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子の固定電極とＴＦＴとの関係を模式的に示す平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したマトリクスセンサを示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子を示す別の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子を示すさらに別の断面図である。
【図６】マトリクスセンサを用いたマトリクスセンサ回路を示す平面図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るマトリクスセンサ回路を示す平面図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係るマトリクスセンサ回路のエレクトレットセンサ素子を抜粋して示す等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明に係るエレクトレットセンサ素子、マトリクスセンサおよびそれらの製造方法、並びにマトリクスセンサ回路の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１６】
なお、エレクトレットセンサ素子は、超音波まで検出することができる高感度な振動センサである。具体的には、超音波を使った位置（立体位置）センサの機能、心拍センサの機能を実現することができ、ＴＦＴを使用することにより、現行のＴＦＴ型の表示装置と一体化して、多機能な表示装置を提供することができるようになる。
【００１７】
また、マトリクス化することにより、簡易エコーのような医療用途や、故障箇所診断のような工業用途等に応用することができる。また、透明電極を用いる場合には、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）と一体化させることができ、センサ付きのウェアラブルな表示装置等に適用することができる。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子を示す断面図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子の固定電極とＴＦＴとの関係を示す模式図である。このエレクトレットセンサ素子は、上述したインピーダンス変換用のＦＥＴを、固定電極と同時にＴＦＴで形成し、センサユニットと一体化したものである。
【００１９】
図１、２において、このエレクトレットセンサ素子１は、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極１１と、ガラスまたはフィルムからなる基板１２上に形成された固定電極１３と、振動電極１１と固定電極１３との間に配置されたエアギャップ１４および電荷を蓄えたエレクトレット層１５から構成され、振動電極１１および固定電極１３と絶縁された絶縁層１６と、固定電極１３に接続され、固定電極１３と同一面上に形成されたインピーダンス変換用のＴＦＴ１７とを備えている。
【００２０】
また、絶縁層１６は、振動電極１１の固定電極１３側の面に設けられた第１絶縁層１８と、第１絶縁層１８の固定電極１３側の面に設けられたエレクトレット層１５と、エレクトレット層１５と固定電極１３との間に配置されるエアギャップ１４とを有している。なお、エアギャップ１４は、スペーサ１９によって形成されている。また、基板１２とエレクトレット層１５とは、接着剤２０で接着されている。
【００２１】
ここで、振動電極１１、第１絶縁層１８およびエレクトレット層１５は、例えばＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）フィルム等、絶縁抵抗の高い素材の片側に電極を設け、もう片側を電子ビームの照射等によってエレクトレット化した３層構造のエレクトレット化フィルムで構成されている。
【００２２】
また、エアギャップ１４は、固定電極１３およびＴＦＴ１７とエレクトレット層１５との間に、１０ｎｍ〜１００μｍの間隔で形成されている。また、スペーサ１９は、固定電極１３と帯電したエレクトレット層１５とが導通しないように、１０１６Ω程度の高い抵抗率を有する絶縁物質である。
【００２３】
以下、図１に示したエレクトレットセンサ素子１の製造工程について説明する。まず、ガラスまたはフィルムからなる基板１２上に、固定電極１３およびＴＦＴ１７を同一プロセスで形成する。このとき、固定電極１３とＴＦＴ１７とを接続する配線も、固定電極１３およびＴＦＴ１７と同時に形成する。
【００２４】
続いて、固定電極１３およびＴＦＴ１７上に、エアギャップ１４を形成するスペーサ１９を配置する。次に、スペーサ１９上に、振動電極１１、第１絶縁層１８およびエレクトレット層１５を有するエレクトレット化フィルムを載置する。続いて、基板１２の周囲を接着剤２０で封止する。
【００２５】
このようにして製造されたエレクトレットセンサ素子１において、振動電極１１をグランドに接続し、ＴＦＴ１７からの出力をＡＤコンバータ（図示せず）に接続することで、振動電極１１の振動によって生じた電極間距離の変化を、電極間電圧の変化として検出することができる。
【００２６】
これにより、エレクトレットセンサ素子に必要なインピーダンス変換用のＦＥＴをＴＦＴで形成し、センサユニットと一体化することができる。また、インピーダンス変換用のＦＥＴをＴＦＴで形成することにより、固定電極１３とほぼ同一面上に、ほぼ同一の薄さで超小型なＦＥＴを実現することができる。
【００２７】
図３は、この発明の実施の形態１に係るエレクトレットセンサ素子をマトリクス状に配置したマトリクスセンサを示す平面図である。図３では、基板１２上に形成された固定電極１３およびＴＦＴ１７のみを示している。図３において、このマトリクスセンサ１０は、図１に示したエレクトレットセンサ素子１を、マトリクス状に複数配置した構成を有している。
【００２８】
以下、図３に示したマトリクスセンサ１０の製造工程について説明する。まず、ガラスまたはフィルムからなる基板１２上に、固定電極１３およびＴＦＴ１７の組を、同一プロセスでマトリクス状に複数形成する。このとき、固定電極１３とＴＦＴ１７とを接続する配線も、固定電極１３およびＴＦＴ１７と同時に形成する。
【００２９】
続いて、複数形成された固定電極１３およびＴＦＴ１７の組の上に、エアギャップ１４を形成するスペーサ１９を配置する。次に、スペーサ１９上に、振動電極１１、第１絶縁層１８およびエレクトレット層１５を有するエレクトレット化フィルムを載置する。続いて、基板１２の周囲を接着剤２０で封止する。
【００３０】
このように、固定電極１３およびＴＦＴ１７の組が複数形成された基板１２の全面に対して、エアギャップ１４を形成するスペーサ１９を配置し、スペーサ１９上にエレクトレット化フィルムを載置することにより、簡単なプロセスでマトリクスセンサ１０を構成することができる。
【００３１】
以上のように、実施の形態１によれば、インピーダンス変換用のＴＦＴが、固定電極と同一面上に、同一プロセスで形成されている。
そのため、簡単なプロセスで薄型化、小型化を実現することができ、マトリクス化も容易なエレクトレットセンサ素子、マトリクスセンサおよびそれらの製造方法を得ることができる。
【００３２】
なお、上記実施の形態１では、図１において、固定電極１３およびＴＦＴ１７とエレクトレット層１５との間に、エアギャップ１４が配置されていると説明した。しかしながら、振動電極１１に強い力がかかった場合には、エレクトレット層１５が固定電極１３に接触して、放電が生じる恐れがある。
【００３３】
そこで、図４に示されるように、固定電極１３およびＴＦＴ１７とスペーサ１９との間に、第２絶縁層２１を設けることにより、振動電極１１に強い力がかかった場合であっても、エレクトレット層１５が固定電極１３に接触することを防止することができる。
【００３４】
また、図４では、第１絶縁層１８と第２絶縁層２１との間に、エレクトレット層１５およびエアギャップ１４が配置されている。しかしながら、図５に示されるように、エアギャップ１４を形成するスペーサを、エレクトレット化されたエレクトレット化スペーサ２２とすることもできる。
【００３５】
実施の形態２．
図６は、図３に示したマトリクスセンサを用いたマトリクスセンサ回路を示す平面図である。図６に示されるように、このマトリクスセンサ回路では、ＴＦＴ１７からの出力をデジタル化するＡＤコンバータ２３がエレクトレットセンサ素子１毎に必要になる。そこで、この実施の形態では、ＡＤコンバータ２３の数を削減することについて説明する。
【００３６】
図７は、この発明の実施の形態２に係るマトリクスセンサ回路を示す平面図である。図７において、このマトリクスセンサ回路は、マトリクスセンサ１０と、ＡＤコンバータ２３と、複数のＤ型フリップフロップ（ＤＦＦ）からなるシフトレジスタ２４と、信号処理用の論理回路２５とを備えている。
【００３７】
ここで、各エレクトレットセンサ素子１のＴＦＴ１７に対して、複数の垂直配線２６と、複数の垂直配線２６と絶縁されて直交する複数の水平配線２７とが設けられている。また、複数の垂直配線２６と複数の水平配線２７との交差箇所には、それぞれスイッチ用のＴＦＴが設けられている。
【００３８】
図８は、この発明の実施の形態２に係るマトリクスセンサ回路のエレクトレットセンサ素子を抜粋して示す等価回路図である。図８において、このエレクトレットセンサ素子１は、垂直配線２６と水平配線２７との交差箇所に形成されたスイッチ用のＴＦＴ２８と接続されている。
【００３９】
この等価回路において、水平配線２７にシフトレジスタ２４から選択信号が印加された場合に、ＴＦＴ１７から出力される、振動電極１１の振動によって生じた電極間電圧の変化に応じたインピーダンス変換後の信号が、垂直配線２６に出力される。このように、垂直配線２６、水平配線２７およびスイッチ用のＴＦＴ２８を設けることにより、選択した行のみセンシングすることができ、ＡＤコンバータ２３の数を削減することができる。
【００４０】
また、図８に示したマトリクスセンサ回路において、ＴＦＴ１７、ＴＦＴ１８およびシフトレジスタ２４は、固定電極１３と同一プロセスで形成することができる。そのため、簡単なプロセスでマトリクスセンサ回路を構成することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  エレクトレットセンサ素子、１０  マトリクスセンサ、１１  振動電極、１２  基板、１３  固定電極、１４  エアギャップ、１５  エレクトレット層、１６  絶縁層、１７  ＴＦＴ、１８  第１絶縁層、１９  スペーサ、２０  接着剤、２１  第２絶縁層、２２  エレクトレット化スペーサ、２３  ＡＤコンバータ、２４  シフトレジスタ、２５  論理回路、２６  垂直配線、２７  水平配線、２８  ＴＦＴ。
【図１】
0006716245.tif 000002
【図２】
0006716245.tif 000003
【図３】
0006716245.tif 000004
【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】
0006716245.tif 000009