(57)【要約】  このタッチ感応式センサー（１０）は、第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の少なくとも一つと対向している表面を備えた少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）との間に介在された圧電材料の層（１８）を備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方では、第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の少なくとも一つに対向した表面を備えている少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）との間に介在された圧電材料の層（１８）を備えているタッチ感応式センサー（１０）。
【請求項２】
前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の各々はコーム（３４、３６）を備えており、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）のコーム（３４、３６）は互いに組み合っている、請求項１に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項３】
前記圧電材料の層（１８）は、一方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記第３の導電性要素及び第４の導電性要素（１４、１６）との間に介在されており、前記第３及び第４の導電性要素（１４、１６）の各々はコーム（４６、４８）を備えており、前記第３及び第４の導電性要素（１４、１６）の前記コーム（４６、４８）は互いに組み合っており、及び
・前記第１の導電性要素（２０）の歯（３８）は、前記第４の導電性要素（１６）の歯（５２）に対向して配置されており、
・前記第２の導電性要素（２２）の歯（４０）は、前記第３の導電性要素（１４）の歯（５０）に対向して配置されている、
請求項２に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項４】
前記第１の導電性要素（２０）は、前記第３の導電性要素（１４）に電気的に接続されており、及び前記第２の導電性要素（２２）は、前記第４の導電性要素（１６）に電気的に接続されている、請求項３に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項５】
グラフェン要素（２４）が、一方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の内部に、及び／または前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と接触して、及び他方では、前記圧電材料（１８）と接触して形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項６】
グラフェン要素（２６）が、一方では、前記第２及び第４の導電性要素（１４、１６）の内部に、及び／または前記第２及び第４の導電性要素（１４、１６）と接触して、及び他方では、前記圧電材料（１８）と接触して形成され、並びに前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の内部に、及び／または前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と接触して形成された前記グラフェン要素（２４）と対向している、請求項５及び請求項３または４に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項７】
前記要素（２４、２６）は、グラフェンを備えており、前記導電性要素（１４、１６、２０、２２）内に形成されたグラフェンパッドである、請求項５または６に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項８】
前記圧電材料（１８）は、一方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）との間の対向する表面に垂直な平均分極を有している、結晶性または半結晶性の強誘電体材料である、請求項１から７のいずれか一項に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項９】
前記圧電材料（１８）は、一方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）との間の対向する表面であって、前記対向する表面の間に電位差が印加されるとき、前記対向する表面の間に現れる電場線に沿って分極された、結晶性または半結晶性の強誘電体材料である、請求項１から８のいずれか一項に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項１０】
前記強誘電体材料（１８）は、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンの共重合体、特に、ポリ（ＶＤＦ−ＴｒＦｅ）、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、またはそれらの混合物である、請求項８または９に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項１１】
前記圧電材料（１８）は、フレキシブル基板（１２）上に形成されている請求項１から１０のいずれか一項に記載のタッチ感応式センサー。
【請求項１２】
・一方では、第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の少なくとも一つに対向した表面を備えている少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）との間に介在された結晶性または半結晶性の強誘電体材料の層（１８）を形成するステップと、
・一方では、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）との間に電場を印加するステップであって、前記電場は、３０ＭＶ／ｍから６０ＭＶ／ｍの範囲の強度を有しており、１時間から８時間の間印加され、前記強誘電体材料層を前記材料のキュリー温度より低い温度まで加熱する、電場を印加するステップと、
を備えているタッチ感応式センサーを製造する方法。
【請求項１３】
・前記導電性要素の間に介在された前記圧電層（１８）を形成するステップであって、一方では、第１及び第２の導電性要素（２０、２２）と、及び他方では、前記第３の導電性要素（１４）及び第４の導電性要素（１６）との間に介在された前記層（１８）を形成することを備えており、前記導電性要素（１４、１６、２０、２２）の各々は、コーム（３４、３６、４６、４８）を備えており、前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）の前記コーム（３４、３６）は互いに組み合っており、前記第３及び第４の導電性要素（１４、１６）の前記コーム（４６、４８）は互いに組み合っており、前記第１の導電性要素（２０）の歯（３８）は前記第４の導電性要素（１６）の歯（５２）に対向して配置されており、及び前記第２の導電性要素（２２）の歯（４０）は前記第３の導電性要素（１４）の歯（５０）に対向して配置されている、
・第１の接続要素（５８）が、前記第１の導電性要素（２０）と前記第３の導電性要素（１４）とを電気的に接続することにより形成され、及び前記第２の導電性要素（２２）と前記第４の導電性要素（１６）とを接続する第２の接続要素（６２）が形成されており、
・前記電場は、前記第１及び第２の接続要素（５８、６２）の間に電位差を印加することによって得られる、
請求項１２に記載のタッチ感応式センサーを製造する方法。
【請求項１４】
前記強誘電体材料（１８）は、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンの共重合体、特にポリ（ＶＤＦ−ＴｒＦｅ）、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、またはそれらの混合物を備えている、請求項１２または１３に記載のタッチ感応式センサーを製造する方法。
【請求項１５】
前記導電性要素の間に介在された前記強誘電体材料層（１８）は、
・フレキシブル基板（１２）の表面上に少なくとも一つの第３の導電性要素（１４、１６）を形成するステップと、
・前記第３の導電性要素（１４、１６）及び前記基板（１２）上に前記強誘電体材料層（１８）を形成するステップと、
・前記強誘電体層（１８）上に前記第１及び第２の導電性要素（２０、２２）を形成するステップと、
によって形成される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のタッチ感応式センサーを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる「タッチ感応式」のセンサー、すなわち、それらの表面で物の存在を検出するセンサーに関連しており、特に、センサーに近づくか、または接触した物の存在によって誘導された容量特性の変化によって前記存在を検出する、いわゆる「容量式」のタッチ感応式のセンサーに関連している。本発明は、センサーにわたって電場を生成することによりセンサーと接触する力の存在を検出する圧力センサーにも関連している。
【０００２】
本発明は、特に、ディスプレイ、キーボード、及びタッチパッドに適用される。
【背景技術】
【０００３】
得られた容量の変化により、それらの表面で指の存在を検出するタッチセンサーは知られている。そのようなセンサー、一般的にいわゆる「容量式のタッチ感応式センサー」は、例えば、コンピュータの、いわゆる「スマートフォン」の、またはタブレットのディスプレイ、キーボード、及びタッチパッドにおいて用いられている。
【０００４】
そのようなセンサーは一般的に、誘電体層の表面に形成された少なくとも二つの電極を備えており、前記層と共に既知の値の容量を定義する。この容量は、前記センサーに近づくか、または接触して位置された指と共に、前記センサー単独のものと異なる容量を有する容量システムを形成する。指の存在からもたらされる容量の差の測定、及び前記センサー単独の容量との比較は、それ故指を検出することを可能にしている。
【０００５】
しかしながら、前記センサーに近づくか、または接触する指の存在の検出は、利用者の行動を特徴づけるには不十分である。実際、利用者はディスプレイ、キーボード、またはタッチパッドを用いてそれらを有効に押すことにより活動を開始することを一般的に目的としている。ここで、容量式センサーが、指の存在による容量の変化を「記録」するとしても、それらは、指により及ぼされた圧力を検出することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，４９４，６１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、物、特に指によりその表面に及ぼされた圧力も検出する容量式のセンサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的のために、本発明は、一方では、第１及び第２の導電性要素と、及び他方では、前記第１及び第２の導電性要素の少なくとも一つに対向した表面を備えている少なくとも一つの第３の導電性要素との間に介在された圧電材料の層を備えているタッチ感応式センサーを目的としている。
【０００９】
「対向する」との表現は、特に、圧電材料層の第１の表面上に配置された導電性要素の投影された表面が、少なくとも部分的に、第２の表面上に配置された導電性要素と一致していることを意味しており、この投影は、層の主面に垂直な軸に沿って、第２の表面上で実行されている。
【００１０】
言い換えると、最新技術の容量式のタッチ感応式センサーの誘電体層は、圧電層で置き換えられ、且つ導電性要素または「電極」の間に介在されている。このようにして、本発明によるセンサーは、第１及び第２の導電性要素及び圧電層により形成された第１の容量を備えており、これは、従来の方法で導電性要素に近づいた指を容量的に検出することを可能にしており、並びにそれらの間に介在された圧電層を有しており、互いに対向する表面を有している導電性要素で形成された第２の容量を有している。センサーを押圧することにより、前記圧電材料は変形し、及びこれにより対向する導電性要素によって収集される電荷を放出し、それらの間の電圧を変化させる。電圧変化はそれ故、センサー表面での物体により及ぼされた圧力の像である。
【００１１】
第１及び第２の導電性要素の各々はコームを備えており、第１及び第２の導電性要素のコームは互いに組み合っており、そのような構造は、広い表面上の物体の存在を容量的に検出することを可能にしている。
【００１２】
より具体的に、圧電材料の層は、一方では、第１及び第２の導電性要素と、及び他方では、第３の導電性要素及び第４の導電性要素との間に介在されており、第３及び第４の導電性要素の各々はコームを備えており、第３及び第４の導電性要素のコームは互いに組み合っている。第１の導電性要素の歯は、第４の導電性要素の歯に対向して配置されており、第２の導電性要素の歯は、第３の導電性要素の歯に対向して配置されている。そのような構造は、対向する歯の各々の対の間に容量を画定し、これはセンサーの感度を増大させることを可能にしている。さらに、センサーは、対称構造を有しており、及びその両方の表面上で、容量及び圧力検出を可能にしている。
【００１３】
有利的に、第１の導電性要素は第３の導電性要素に電気的に接続されており、及び第２の導電性要素は第４の導電性要素に電気的に接続されている。従って、本発明によるセンサー内に存在する容量は、並列に接続されている。接続の数が最小なだけでなく、センサーの二つの端子、例えば、第１及び第２の導電性要素にそれぞれ接続された二つの端子間の単一の電圧によって、センサーに近づいた指の存在に起因する容量変化及びセンサーに及ぼされた圧力の効果の下での電荷の放出により誘発された電圧変化の両方を測定することを可能にしている。
【００１４】
特に、この方法で電気的に接続された互いに組み合ったコームの形態にある、第１、第２、第３、及び第４の導電性要素の配置は、圧電材料層の表面の間の最大容量を画定する。実際、第１及び第３の導電性要素は、圧電層の一つの表面上、及びそれから別の表面上に交互に堆積された歯を有する第１の三次元構造を共に形成する。同様に、第２及び第３の導電性要素は、圧電層の表面上に交互に堆積された歯を有する第２の三次元構造を共に形成する。それによって、高い垂直の容量が得られ、圧電層の表面上に配置された第１の構造は、圧電層の別の表面上に配置された第２の構造の対応する部分に対向している。圧電層の表面上の容量及びその表面の間の容量の合計である結果としての全容量はそれ故非常に高い。これは特に、二つの構造の間の電源電圧を減少させることを可能にしている。
【００１５】
一つの実施形態によれば、グラフェン要素が、一方では、第１及び第２の導電性要素の内部に、及び／または第１及び第２の導電性要素と接触して、及び他方では、圧電材料層と接触して形成されている。同様にグラフェン要素が、一方では、第２及び第４の導電性要素の内部に、及び／または第２及び第４の導電性要素と接触して、及び他方では、圧電材料層と接触して形成され、並びに第１及び第２の導電性要素の内部に、及び／または第１及び第２の導電性要素と接触して形成されたグラフェン要素と対向している。
【００１６】
グラフェンは、温度に従って顕著に増大する導電率を有した材料である。従って、指がグラフェンに接触するか近づくとき、それらは温度が上がり、これはそれらの導電率を増大させ、それ故電気抵抗を低下させる。圧電材料により放出された電荷はそれから、グラフェン要素によりさらに効果的に回収され、それ故センサーの感応度を増大させる。
【００１７】
より具体的には、グラフェンを備えている要素は、導電性要素内に形成されたグラフェンパッドである。それ故、グラフェンパッドのネットワークを形成すること、且つそれらの少なくとも一部が指の存在により加熱されるのを確実にすることを可能にしている。変形例として、導電性要素は、全体がグラフェンで作られている。
【００１８】
本発明の一つの実施形態によると、圧電材料は、半結晶性または結晶性である。より具体的に、圧電材料は、一方では、第１及び第２の導電性要素と、及び他方では、少なくとも一つの第３の導電性要素との間の対向する表面に垂直な平均分極を有している、結晶性の強誘電体材料である。
【００１９】
好ましい応用において、圧電層の及び導電性要素の積層体が、フレキシブル基板上及び／または柔軟な保護層で被覆された基板、すなわち、壊れることなく変形する基板及び層、例えば、プラスチック材料で作られた基板及び層上に形成されている。明らかなセンサーのロバスト性の理由のため、センサーに適用された変形の間に、基板から、またはフレキシブル層から分離しないことが圧電層にとって好ましい。結晶構造は一般的に、非晶質構造よりもより変形可能であり、及びそれ故、基板及びフレキシブル層からの分離のより小さなリスクを示している。
【００２０】
さらに、センサーの温度は、その操作の間に強く変化し得る。機械的な脆弱性の別の発生源は、基板及び層が柔軟性であってもなくても、圧電層、基板、及び保護層の間の熱膨張率の違いから生じる。特に、顕著な温度変化に依存して、これらの様々な要素の膨張及び収縮が顕著に異なる場合、それらは分離する。
【００２１】
いくつかの強誘電体材料は、結晶構造及び自発電気分極を有しており、特に、結晶性の極性焦電性強誘電体材料である。適切な電場の印加による強誘電体材料のような永久的な分極は、それらに圧電特性を提供する。例えば、圧電材料層は、結晶性の極性焦電性材料の二つの表面の間に、３０ＭＶ／ｍから６０ＭＶ／ｍ（メートルあたりのメガボルト）の範囲の強度を有する電場を、１時間から８時間の間印加すること、及び強誘電体材料層を前記材料のキュリー温度より低い温度までとることにより得られる。
【００２２】
基板及びフレキシブル層のその結晶特性に起因した良好な機械的ふるまいを有する結晶性の圧電層がこのようにして得られる。さらに、そのような強誘電体材料が、フレキシブル基板、特に、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のようなプラスチック基板として現在用いられている材料の熱膨張率に近い熱膨張率を有している。
【００２３】
特に、強誘電体材料は、圧電特性を有する相であるベータ相にあるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデンの共重合体：ポリ（ＶＤＦ−ＴｒＦｅ）ポリ（フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン）、チタン酸ジルコン酸鉛、またはチタン酸バリウムである。
【００２４】
一つの実施形態によると、圧電層はフレキシブル基板、特に、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のようなプラスチック基板上に形成されている。
【００２５】
本発明は同様に、上述したタイプのタッチ感応式センサーを製造する方法を目的としている。
【００２６】
より具体的には、本発明は同様に、
・一方では、第１及び第２の導電性要素と、及び他方では、前記第１及び第２の導電性要素の少なくとも一つに対向した表面を備えている少なくとも一つの第３の導電性要素との間に介在された結晶性または半結晶性の強誘電体材料の層を形成するステップと、
・一方では、第１及び第２の導電性要素と、及び他方では、少なくとも一つの第３の導電性要素との間に電場を印加するステップであって、電場は、３０ＭＶ／ｍから６０ＭＶ／ｍの範囲の強度を有しており、１時間から８時間の間印加され、強誘電体材料の層を前記材料のキュリー温度より低い温度まで加熱する、電場を印加するステップと、
を備えているタッチ感応式センサーを製造する方法を目的としている。
【００２７】
一つの実施形態によると、
・導電性要素の間に介在された圧電層を形成するステップであって、一方では、第１及び第２の導電性要素と、及び他方では、第３の導電性要素及び第４の導電性要素との間に介在された前記層を形成することを備えており、導電性要素の各々は、コームを備えており、第１及び第２の導電性要素のコームは互いに組み合っており、第３及び第４の導電性要素のコームは互いに組み合っており、第１の導電性要素の歯は第４の導電性要素の歯に対向して配置されており、及び第２の導電性要素の歯は第３の導電性要素の歯に対向して配置されている、ステップ。
・方法はさらに、第１の導電性要素と第３の導電性要素とを接続するための第１の接続要素、及び第２の導電性要素と第４の導電性要素とを接続する第２の接続要素を形成するステップを備えている。
・電場は、前記第１及び第２の接続要素の間に電位差を印加することによって得られる。
【００２８】
一つの実施形態によると、強誘電体材料は、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンの共重合体、特にポリ（ＶＤＦ−ＴｒＦｅ）、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、またはそれらの混合物を備えている。
【００２９】
センサーの容量を形成する導電性要素の間に電場を印加することにより、強誘電体材料の最適な分極がそれ故得られ、分極は、電場の印加に起因する強誘電体材料内の双極子の配向によるものである。
【００３０】
一つの実施形態によると、導電性要素の間に介在された強誘電体材料の層は、
・フレキシブル基板の表面上に少なくとも一つの第３の導電性要素を形成するステップと、
・第３の導電性要素及び基板上に前記強誘電体材料層を形成するステップと、
・強誘電体の層上に第１及び第２の導電性要素を形成するステップと、
によって形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
本発明は、添付の図面と関連して、例としてのみ提供された以下の説明を読むことでさらに理解され、ここで、同一の参照番号は、同一または類似の要素を示している。
【００３２】
【図１】本発明によるセンサーの簡略化した上面図である。
【図２】図１のセンサーのＩＩ−ＩＩ面に沿った、簡略化した断面図である。
【図３】図１及び図２のセンサーの前部電極（図面の左側部分）及び後部電極（図面の右側部分）の上面図であり、異なる電極部分の間で、このセンサーに存在する異なる容量も図示している。
【図４】図１及び図２のセンサーの等価回路図である。
【図５】図１及び図２のセンサーの容量検出モードを図示しているＩＩ−ＩＩ面での簡略化した断面図である。
【図６】図１及び図２のセンサーの容量及び圧力検出を結合する検出モードを図示しているＩＩ−ＩＩ面での簡略化した断面図である。
【図７】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図８】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図９】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１０】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１１】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１２】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１３】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１４】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１５】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１６】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１７】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１８】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図１９】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【図２０】本発明によるセンサーを製造する方法を図示している簡略化した上面図及び断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１及び図２を参照すると、本発明によるタッチ感応式センサーは、以下を備えている。
・基板１２、特にフレキシブルプラスチック基板、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から作られ、２５から２００マイクロメートルの範囲の厚さを有している。
・基板１２上に形成された金属電極１４、１６、または「後部」電極、例えば、３０から５００ナノメートルの範囲の厚さを有しており、金、銀、白金、銅、ニッケル、タングステン、チタンなどから作られる。
・後部電極１４、１６上に形成された圧電材料層１８、特に、１から１０マイクロメートルの範囲の厚さの層を有している。
・圧電層１８上に形成された金属電極２０、２２、または「前部」電極、例えば、２から１５マイクロメートルの範囲の厚さを有しており、金、銀、白金、銅、ニッケル、タングステン、チタンなどから作られる。前部電極２０、２２は、対向面を有するように、電極１４、１６の反対に配置される。
・前部電極１８及び後部電極１４内に形成され、圧電層１８と接触しているグラフェンパッド２４、２６。及び、
・基板１２上に形成された側部保護層２８、並びに前部電極２０、２２及び圧電層１８上に形成された上部保護層３０（図１には図示せず）を備えており、タッチ感応表面を画定する前部電極２０、２２及び圧電層１８のカプセル封入。保護層２８及び３０は、絶縁材料、特に低誘電率の誘電層、例えば、フッ素化ポリマーまたはポリイミドタイプで作られる。有利的に、保護層３０は、指により及ぼされた圧力の下で変形するように柔軟であり、且つこのため１００ｎｍから５μｍの範囲の厚さを有している。
【００３４】
前部電極２０、２２はそれぞれ、有利的にコーム３４、３６を有している。前部電極のコーム３４、３６は互いに組み合っており、コーム３４の歯３８は、別のコーム３６の歯４０の間に置かれている。
【００３５】
例えば、コーム３４、３６は、同じ長さの平行な歯３８、４０を有しており、それぞれアーマチュア４２、４４に取り付けられている。
【００３６】
それから、コーム３４は、そのアーマチュア４２が図面の左側に配置されていることに起因して「左側」コームと呼ばれ、且つコーム３６は、そのアーマチュア４４が図面の右側に配置されていることに起因して「右側」コームと呼ばれる。
【００３７】
図３を参照すると、前部電極（図３の左側）及び後部電極（図３の右側）を上面図で図示しており、後部電極１４、１６はそれぞれコーム４６、４８を備えている。後部電極のコーム４６、４８は互いに組み合っており、コーム４６の歯５０は、別のコーム４８の歯５２の間に置かれている。
【００３８】
コーム４６、４８の歯５０、５２は、アーマチュア５４、５６にそれぞれ取り付けられている。それから、コーム４６は、そのアーマチュア５４が図面の左側に配置されていることに起因して「左側」コームと呼ばれ、且つコーム４８は、そのアーマチュア５６が図面の右側に配置されていることに起因して「右側」コームと呼ばれる。
【００３９】
前部左側コーム３４は、後部右側コーム４８の同一の反射面であり、そこへ反対に配置されている。同様に、前部右側コーム３６は、後部左側コーム４８の同一の反射面であり、そこへ反対に配置されている。このようにして、前部右側及び左側コーム３４、３６の歯３８、４０は、それぞれ左側及び右側コーム４６、４８の歯５０、５２と対向して配置される。
【００４０】
センサー１０はさらに、前部及び後部左側コーム３４、４６を、特に保護層２８の厚さにわたって形成された金属ビア５８を通して、電気的に接続する接続素子と、左側コーム３４、４６に電気的に接続され、且つ保護層２８上に形成された金属領域６０と、を備えている。同様に、センサー１０は、前部及び後部右側コーム３６、４８を、特に保護層２８の厚さにわたって形成された金属化ビア６２を通して、電気的に接続する接続素子と、右側コーム３６、４８に電気的に接続され、且つ保護層２８上に形成された金属領域６４と、を備えている。
【００４１】
グラフェンパッド２４、２６はさらに、コーム３４、３６、４６、４８の歯の各々に形成されており、前部コームのグラフェンパッドは、後部コームのグラフェンパッドに対向して好ましくは配置されており、これは、センサー１０の一般的な対称性を保つことを可能にしている。
【００４２】
有利的に、グラフェンパッド２４、２６は、５０μｍ×５０μｍから５００μｍ×５００μｍの範囲の面積を有しており、及びこのようにしてセンサーのサイズに好ましくは適合されている。周知のように、グラフェンは、温度により強力に増大する電気伝導性を有する材料である。このようにして、例えば、指の存在に起因して温度が増大すると、その表面に及ぼされた圧力の効果の下で層１８の圧電材料により放出される電荷は、多くの数によって局所的となり、且つ前記パッドを用いてより簡単に収集され、以下でさらに詳細に説明されるように、これはアセンブリの電気容量をなおさら増大させる。
【００４３】
図３に示されるように、前述の電極構造はこのように、圧電層１８と組み合わせて、次のように定義される。
・前部コーム３６、３８の隣接する歯３８、４０のそれぞれの対の間の容量Ｃｆａｖｉ
・後部コーム４６、４８の隣接する歯５０、５２のそれぞれの対の間の容量Ｃｆａｒｉ
・対向する前部左側及び後部右側コーム３４、４８の歯３８、５２のそれぞれの対の間、及び対向する前部右側及び後部左側コーム３６、４６の歯４０、５０のそれぞれの対の間の容量Ｃｐｉ
・このように定義された全ての容量Ｃｆａｖｉ、Ｃｆａｒｉ、Ｃｐｉの並列接続
【００４４】
図４は、前述のセンサー１０の金属領域６０、６４の間の等価電気回路図を図示している。この回路図は、並列接続で三つの容量を図示している。すなわち、
・容量Ｃｐｉの合計
【００４５】
【数１】
2015523672.tif 000003
【００４６】
に等しい第１の容量Ｃｐ
・容量Ｃｆａｖｉの合計
【００４７】
【数２】
2015523672.tif 000004
【００４８】
に等しい第２の容量Ｃｆａｖ
・容量Ｃｆａｒｉの合計
【００４９】
【数３】
2015523672.tif 000005
【００５０】
に等しい第３の容量Ｃｆａｒ
【００５１】
特に注目すべきは、二つの独立した三次元電極、すなわち、前部左側コーム３４、後部左側コーム４６、及び接続要素５８で形成された第１の電極、及び前部右側コーム３、後部右側コーム４８、及び接続要素６２で形成された第２の電極、が形成されることである。これらの電極の各々は、圧電層１８の前面及び後面上に交互に配置された歯を備えており、且つ層１８の表面上に配置された電極の部分の各々に対して、層１８の別の表面上に、対応する対向部分が存在している。それにより、「垂直」の容量Ｃｐは最大値を有している。同様に、層１８の各々の表面に対して、第１電極の一部分、及び端部に位置していない歯の二つは、第２電極の少なくとも一つの対応する部分に対向して配置されている。「水平」の容量Ｃｆａｖ及びＣｆａｒは、それぞれが最大値を有している。これは、二つの電極間の最大の一般的な容量をもたらす。これは特に、必要に応じて、二つの電極間の電源電圧を減少することを可能にしている。
【００５２】
圧電層１８は有利的に、分極結晶性または半結晶性強誘電体材料、特にＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）及び／またはＰＶＤＦ共重合体、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の、ＢａＴｉＯ３（バリウムチタン酸塩）の、ＰｂＴｉＯ３（鉛チタン酸塩）の、またはこれらの材料の組み合わせの、適合した組成物を有するポリ（ＶＤＦ−ＴｒＦｅ）に基づく強誘電体材料で作られた層である。
【００５３】
有利的に、層１８の強誘電体材料は、そこに形成された前部電極２０、２２及び後部１４、１６を有する平面に垂直な方向に沿って、平均的に、分極されている。例えば、そのような分極は、層１８の二つの表面の間に、１時間から８時間の間、層１８の厚さにわたって３０ＭＶ／ｍから６０ＭＶ／ｍの範囲の強さを有する電場を印加することによって、及び層１８を強誘電体材料のキュリー温度より低い温度にとることによって、永久に得られる。
【００５４】
強誘電体材料の分極に関してより詳細には、例えば米国特許第５，４９４，６１７号を参照することができる。
【００５５】
それにより、強誘電体材料は、前部及び後部電極の対向する表面に垂直に分極され、これは前記方向において顕著な圧電効果を得ることを可能にしている。特に、電場は、金属領域６０、６４を電源に接続することにより、実際の前部及び後部電極によって印加される。これにより、層１８の強誘電体材料の双極子は、これらの電極の間の電場線に沿って向けられ、これは圧電効果を最適化する。
【００５６】
本発明によるセンサーはこのように、その表面での指の存在を検出するための二つの異なるモード、すなわち、容量検出モード及び圧電検出モードを結合している。より具体的に、領域６０、６４の間の電圧は、指の存在に起因する容量変化、及びその上に及ぼされた圧力の効果の下で層１８による電荷の放出に従って変化する。
【００５７】
特に、何の物体もセンサー１０に近づいていないときは、センサーはこのように、領域６０、６４の間で所定値の容量を有している。しかしながら、物体、特に指７０が、図５の簡略化した断面図に図示したように、センサー１０を押すことなく、前部電極２０、２２または後部電極１４、１６に近づくとき、物体７０及びセンサー１０の間の距離ｘに依存した値を有する新たな容量が、センサー１０にすでに存在している容量Ｃｐ、Ｃｆａｖ及びＣｆａｒと並行して加えられる。領域６０、６４の間の全容量は、このようにして修正される。領域６０及び６４を容量測定装置に接続することにより、前記領域６０、６４の間の容量変化を測定することが可能となり、このようにして、指７０の存在を検出することができる。そのような装置、または「容量メーター」は従来的なものであり、より詳細には説明しない。
【００５８】
圧電検出モードにおいて、強誘電体材料における双極子の整列の後で、前記材料は圧電物質で作られ、すなわち、圧力が分極方向に沿って層１８上に及ぼされるとき、電荷が生成される。このように、図７の簡略化した断面図で示されたように、センサー１０の前部または後部表面を押圧する物体、例えば、指７０は、金属領域６０、６４の間の電圧の変化を引き起こす。領域６０及び６４を電圧測定装置に接続することにより、前記電圧の変化を測定すること、及びこのようにしてセンサー１０上の物体、特に指７０により及ぼされた圧力を検出することが可能である。
【００５９】
さらに、指７０がグラフェンパッド２４、２６上で押圧することなく検出器と接触するとき、グラフェンパッドは、グラフェンの非常に良好な熱伝導性に起因して顕著な局所加熱を受け、これはグラフェンの電気抵抗を下げる。それにより、圧電材料とグラフェンパッドの間の界面を通る良好な電子の流れが得られ、これは結果として、この界面で高い電場を提供する。さらに、この界面での温度の効果で、圧電材料の圧電率の増加が観測されることができ、これは結果として、指がセンサー上で圧力を及ぼすときに、このセンサーの感度を増大させる。さらに、グラフェンはセンサーの容量を局所的に増大させる。
【００６０】
本発明のタッチ感応式センサーを製造する方法が、図７から図２０に関連して説明される。
【００６１】
方法は、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から作られ、２５から２００マイクロメートルの範囲の厚さを有している、フレキシブルプラスチック基板１２を形成するステップから始まり、それから、基板１２上に堆積するステップ、例えば、スパッタリングまたは物理気相堆積により、３０から５００ナノメートルの厚さにわたって、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）またはチタン（Ｔｉ）のメタライゼーション７２を堆積するステップを実行する。
【００６２】
メタライゼーション７２は、同じ長さで平行に互いに組み合う歯５０、５２が形成される二つのアーマチュア５４、５６を備えている。歯５０、５２は完成されておらず、グラフェンパッドが要求される位置でボイド７４を示している。アーマチュア５４、５６の各々はさらに、金属領域７６、７８に接続されている（図７は上面図、及び図８はＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ面に沿った断面図）。
【００６３】
次の段階で、１００ｎｍから数μｍの範囲の厚さを有している導電性のグラフェンパッド２６が、例えば、シルクスクリーンによって、歯５０、５２内に形成されたボイド７４上に堆積される（図９は上面図、及び図１０はＸ−Ｘ面に沿った断面図）。上述した後部電極１４、１６がこのようにして得られる。
【００６４】
方法はそれから、例えば、シルクスクリーンまたはインクジェット印刷により、後部電極１４、１６上に、金属領域７６、７８を覆うことなく、１から１０マイクロメートルの範囲の厚さを有している圧電層１８を堆積するステップを実行する（図１１は上面図、及び図１２はＸＩＩ−ＸＩＩ面に沿った断面図）。圧電材料は、結晶性の極性強誘電体材料、特に、ＰＶＤＦ，またはＰＶＤＦの共重合体，ＰＺＴ，ＢａＴｉＯ３またはＰｂＴｉＯ３である。
【００６５】
それから絶縁誘電体の層２８、より具体的には、例えば低誘電率のフッ素重合体誘電体層のような非強誘電体層が、金属領域７６、７８を被覆することなく、層１８の周り、及び層１８の高さで、基板１２上に形成される（図１３は上面図、及び図１４はＸＩＶ−ＸＩＶ面に沿った断面図）。例えば、層２８は、領域７６、７８が被覆されないようにするビア開口を有したシルクスクリーンまたはインクジェット印刷により、堆積される。
【００６６】
それから方法は、層１８及び層２８上に、例えば、スパッタリングまたは物理気相堆積によって、２から１５マイクロメートルの範囲の厚さにわたり、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）またはチタン（Ｔｉ）のメタライゼーション８０を堆積するステップを実行する。
【００６７】
メタライゼーション８０は、同じ長さで平行に互いに組み合う歯３８、４０が形成される二つのアーマチュア４２、４４を備えている。歯３８、４０は完成されておらず、グラフェンパッド２４が要求される場所でボイド８２を備えている。アーマチュア４２、４４はさらに、金属領域７６、７８にそれぞれ接続され、メタライゼーション８０は、層２８内に形成された、領域７６、７８と一致している開口を充填する。
【００６８】
最後に、メタライゼーション８０は、アーマチュア４２、４４にそれぞれ接続された領域６０、６４を備えている（図１５は上面図、及び図１６はＸＶＩ−ＸＶＩ面に沿った断面図）。
【００６９】
１００ｎｍから１０μｍの範囲の厚さを有する導電性グラフェンパッド２４は、例えばシルクスクリーンによって、歯３８、４０内に形成されたボイド８２上に堆積される（図１７は上面図、及び図１８はＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ面に沿った断面図）。上述した前部電極２０、２２は、このようにして得られる。
【００７０】
それから、低誘電率を有する柔軟な誘電体保護及び絶縁層３０は、例えば、１００ｎｍから５μｍの範囲の厚さを有するフッ素化ポリマーの、またはポリイミドの層が、前部電極２０、２２、層１８、及び保護層２８上に堆積され、同時に、金属領域６０、６４は堆積されないままにしておく（図１９は上面図、及び図２０はＸＸ−ＸＸ面に沿った断面図）。
【００７１】
それから方法は、前部電極と後部電極の間を定義するために、例えば電源によって、金属領域６０、６４の間に電圧を印加するステップを実施する。電場は、層１８の厚さにわたって３０ＭＶ／ｍから６０ＭＶ／ｍの範囲の強度を有している。電圧、及び従って電場は、１時間から８時間の間印加され、例えば、温度調整された加熱支持体上にセンサーを配置することにより、センサーは、前記材料のキュリー温度より低い温度まで加熱される。強誘電体材料はこのように、上述した圧電特性を獲得する。
【００７２】
前部及び後部電極が、対向して互いに組み合うコームを備えた、本発明によるセンサーの実施形態が説明された。コームの形状及び寸法、及び歯の数は、センサー内に存在する容量を設定するために有利的に選択される。
【００７３】
同様に、センサーは、変形例として、前部表面に配置された電極の表面に対向する表面を有する単一の後部表面電極を有している。
【００７４】
同様に、容量の並列接続の回路図が説明された。変形例として、電極は相互接続されておらず、及びそれに固有な電位を受ける。
【００７５】
同様に、分極した結晶性強誘電体材料から形成された圧電層が説明された。変形例として、圧電層は如何なる圧電材料、または非強誘電体結晶性圧電材料から作られてもよい。
【００７６】
同様に、前部及び後部電極に形成されたグラフェンパッドが説明された。変形例として、前部電極だけがそのようなパッドを備えている。
【００７７】
同様な変形例として、グラフェンパッドは、圧電層上に形成され、及びその一部分となることなく電極と接触している。
【００７８】
同様な変形例として、前記前部及び／または後部電極はグラフェンで作られる。
【符号の説明】
【００７９】
１０  タッチ感応式センサー
１２  基板
１４、１６  後部電極
１８  圧電材料層
２０、２２  前部電極
２４、２６  グラフェンパッド
２８  側部保護層
３０  上部保護層
３４  前部左側コーム
３６  前部右側コーム
３８、４０、５０、５２  歯
４２、４４  アーマチュア
４６  後部左側コーム
４８  後部右側コーム
５４、５６  アーマチュア
５８  接続要素
６０、６４  金属領域
６２  接続要素
７０  指
７２  メタライゼーション
７４  ボイド
７６、７８  金属領域
８０  メタライゼーション
８２  ボイド
【図１】
2015523672.tif 000006
【図２】
2015523672.tif 000007
【図３】
2015523672.tif 000008
【図４】
2015523672.tif 000009
【図５】
2015523672.tif 000010
【図６】
2015523672.tif 000011
【図７】
2015523672.tif 000012
【図８】
2015523672.tif 000013
【図９】
2015523672.tif 000014
【図１０】
2015523672.tif 000015
【図１１】
2015523672.tif 000016
【図１２】
2015523672.tif 000017
【図１３】
2015523672.tif 000018
【図１４】
2015523672.tif 000019
【図１５】
2015523672.tif 000020
【図１６】
2015523672.tif 000021
【図１７】
2015523672.tif 000022
【図１８】
2015523672.tif 000023
【図１９】
2015523672.tif 000024
【図２０】
2015523672.tif 000025
【国際調査報告】
2015523672.tif 000026
2015523672.tif 000027
2015523672.tif 000028
2015523672.tif 000029
2015523672.tif 000030
2015523672.tif 000031
2015523672.tif 000032
2015523672.tif 000033
2015523672.tif 000034
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