(57)【要約】【課題】プラスチック基板上への製造や、軽量化、構造・プロセスの簡素化が可能であり、フレキシブルで、大面積化が可能な新しい圧力センサデバイスを提供する。【解決手段】絶縁性基板上に、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、有機半導体層及びゲート絶縁層を有し、該ゲート絶縁層の少なくとも一層がゴム弾性を示す弾性層である圧力センサ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、有機半導体層及びゲート絶縁層を有し、該ゲート絶縁層の少なくとも一層がゴム弾性を示す弾性層であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記弾性層のヤング率が０．１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることを特長とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記ゲート絶縁層が少なくとも２層以上よりなることを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記有機半導体が高分子化合物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか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、電界効果型有機トランジスタを用いた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力センサは、無機半導体を用いるため、重い、フレキシブル基板上での作製は難しい、大面積化も難しいことが容易に予想される。そのため、指紋等の微小な面積を読み取るセンサは可能であるが（特許文献１）、それ以上の大面積センサに適用することは困難である。
【０００３】
【特許文献１】特許第３０５３００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、プラスチック基板上への製造や、軽量化、構造・プロセスの簡素化が可能であり、フレキシブルで、大面積化が可能な新しい圧力センサデバイス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】
【０００５】
すなわち、本発明の圧力センサは、絶縁性基板上に、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、有機半導体層及びゲート絶縁層を有し、該ゲート絶縁層の少なくとも一層がゴム弾性を示す弾性層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の圧力センサは、フレキシブル基板上への形成が可能、かつ大面積化が可能である。そのため、携帯性に優れた大面積圧力センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の圧力センサの一例を示す図である。図１（ａ）に示す様に、本発明の圧力センサは、基板１０１上に、ソース・ドレイン電極１０２、有機半導体１０３、ゴム弾性を示すゲート絶縁層（弾性層）１０４、ゲート電極１０５及び保護層１０６を有する。
【０００８】
本発明の圧力センサは、図１（ｂ）に示す様に、外部から圧力が加わると、ゲート絶縁層１０４の厚さが変化しゲート絶縁層１０４の容量が変化することを利用している。そして、電界効果型有機トランジスタのドレイン電流の変化を読み取ることで、外部圧力を検出する圧力センサを構成する。
【０００９】
本発明の圧力センサの原理について図１を用いて説明する。
【００１０】
有機半導体１０３の移動度をμ［ｃｍ2／Ｖｓ］、ドレイン電流をＩｄ［Ａ］、チャネル長をＬ［ｃｍ］、チャネル幅をＷ［ｃｍ］、ゲート容量をＣｉ［Ｆ／ｃｍ2］、ゲート電圧をＶｇ［Ｖ］、閾値電圧をＶｔｈ［Ｖ］とすると、
Ｉｄ＝（１／２）×μ×（Ｗ／Ｌ）×Ｃｉ×（Ｖｇ−Ｖｔｈ）2            （１）
と表すことが出来る。
【００１１】
また、ゲート絶縁層１０４の誘電率をε、ゲート絶縁層１０４の膜厚をｄ［ｃｍ］とすると、単位面積当たりのゲート容量をＣｉ＝ε／ｄと表すことが出来、式（１）に代入すると
Ｉｄ＝（１／２）×μ×（Ｗ／Ｌ）×（ε／ｄ）×（Ｖｇ−Ｖｔｈ）2          （２）
と表すことが出来る。
【００１２】
よって、ドレイン電圧Ｉｄはゲート絶縁層１０４の膜厚ｄに反比例する。
【００１３】
次に、圧力を加えない図１（ａ）の状態のゲート絶縁層１０４の膜厚をｄ1したときのドレイン電流をＩｄ1［Ａ］とする。ここで、図１（ｂ）に示す圧力Ｘ［Ｐａ］加えたときのゲート絶縁層１０４の膜厚ｄ2、このときのドレイン電流をＩｄ2［Ａ］とすると、Ｉｄ2＝（ｄ1／ｄ2）Ｉｄ1［Ａ］となる。
【００１４】
このときの電流値を読み取ることで圧力を検知することが出来、また読み取った電流値からどの程度の圧力が加えられたかを知ることが出来る。
【００１５】
ゲート絶縁層１０４は、少なくとも一層がゴム弾性を示す弾性層である。ゴム弾性を示す弾性層としては特に限定されないが、例えば天然ゴム、ポリイソプレンゴム、スチレン・ブタジエン共重合体ゴム、ポリブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合ゴムクロロプレンゴムの他、ジエン系、オレフィン系、アクリル酸アルキルエステル系、エチレンアクリル系、ポリエーテル系、ウレタン系、多硫化物系材料を用いることもできる。
【００１６】
ゴム弾性を示す弾性層のヤング率は、０．１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることが好ましく、より好ましくは１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下である。また、圧力を加えた時の変化する領域の９０％以上がゴム弾性を示す弾性層であることが好ましいため、ゴム弾性を示す弾性層のヤング率は有機半導体のヤング率の１０％以下であることが好ましい。更に、ゴム弾性を示す弾性層のガラス転移点が０℃以下であること、電気絶縁性が１×１０10［Ω・ｃｍ］以上であることがより好ましい。
【００１７】
ゲート絶縁層１０４は、絶縁耐性を上げる目的、有機半導体１０３と良好な界面を形成させる目的で、２層以上積層させることが出来る。ゴム弾性を示す弾性層以外の絶縁層としては特に限定はされないが、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5等の無機材料、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料および有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。これらのうちでも、低コストにつながる液相プロセスを利用できるという観点から有機化合物が好ましい。また、トランジスタ特性向上のためゴム弾性を示す弾性層以外の絶縁層の誘電率は４以上であることが望ましい。
【００１８】
基板１０１、保護層１０６としては特に限定はされないが、例えばシリコン、ガラス、石英等の無機材料のほか、アクリル系、ビニル系、エステル系、イミド系、ウレタン系、ジアゾ系、シンナモイル系等の高分子化合物、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン等の有機材料、有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。また、これらの材料を２層以上積層させて用いることもでき、絶縁耐圧を上げる目的で効果がある。基板１０１の平坦性としてはＲａ≦１０ｎｍであることが望ましく、また、基板上に形成する有機半導体１０３が良好な秩序構造を形成する材料が好ましい。
【００１９】
有機半導体１０３を構成する化合物は特には限定されないが、例えばポリアセチレン誘導体、チオフェン環を有するポリチオフェン誘導体、ポリ（３−アルキルチオフェン）誘導体、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ベンゼン環を有するポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、窒素原子を有するポリピリジン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリキノリン誘導体等の共役高分子化合物、ジメチルセクシチオフェン、クオータチオフェンに代表されるオリゴマー、ペリレン、テトラセン、ペンタセンに代表されるアセン類、銅フタロシアニン誘導体に代表される堆積有機分子、トリフェニレン誘導体に代表されるディスコチック液晶、フェニルナフタレン誘導体、ベンゾチアゾール誘導体に代表されるスメクチック液晶、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−ビチオフェン）共重合体に代表される液晶ポリマー等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００２０】
好ましくは高分子化合物、より好ましくは共役高分子化合物であり、ポリチオフェン誘導体が特に好ましい。共役高分子化合物としては、例えば以下に示す構造の化合物が挙げられる。
【００２１】
【化１】
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【００２２】
（式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8は、Ｈ、Ｆまたは炭素原子数が１乃至２０の直鎖状または分岐状、環状のアルキル基またはアルコキシ基、パーフルオロアルキル基を示す。ｎは正の整数を示す。）
これらの共役高分子化合物の分子量は特に限定はされないが、溶媒に対する可溶性、成膜性等を考慮すると、重量平均分子量が５，０００から１００，０００が好ましい。
【００２３】
本発明で用いられる素子構造において、ソース電極及びドレイン電極を形成する位置は、有機半導体１０３に電荷を注入できれば特に限定されず、例えばトップコンタクト、ボトムコンタクトが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例により本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２５】
＜実施例１＞
図１に本実施例の圧力センサの断面図を示す。
【００２６】
ガラス基板１０１上にレジストを塗布しフォトリソグラフィを行い、金を５０ｎｍ蒸着する。その後、リフトオフ法により、チャネル長１０ｃｍ、チャネル幅１００μｍのソース・ドレイン電極１０２を形成する。次に、ポリ−３−ヘキシルチオフェンのクロロホルム溶液（０．０１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布した後、窒素雰囲気下において２００℃で３０分乾燥し、有機半導体１０３を１００ｎｍする。
【００２７】
次に、ゴム弾性を示すエチレン・プロピレンゴムを、混合過程、圧延過程、成形工程、加硫工程を経て、有機半導体１０３上に、厚さ３００ｎｍ、ヤング率１０ＭＰａのゲート絶縁層１０４を積層する。
【００２８】
次に、金属マスクを用いて金を５０ｎｍ蒸着し、ゲート電極１０５を形成する。その後、ポリビニルフェノールをスピンコート法により塗布し、保護層１０６を形成する。最後に、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの銀ペーストで配線し、圧力センサを作製する。
【００２９】
圧力を加えない図１（ａ）の状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、５×１０-5Ａの電流値を得ることが出来る。
【００３０】
また、３．５ＭＰａの圧力を保護層１０６側から加えた図１（ｂ）の状態で、ゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、７．７×１０-5Ａの電流値を得ることが出来る。
【００３１】
更に、再度圧力を加えない図１（ａ）の状態に戻し、ゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、５×１０-5Ａの電流値を得ることが出来、圧力を加えた後も同等の特性を得ることが出来る。
【００３２】
＜実施例２＞
図２に本実施例の圧力センサの断面図を示す。
【００３３】
ポリイミド基板１０１上にレジストを塗布しフォトリソグラフィを行い、金を５０ｎｍ蒸着する。その後、リフトオフ法によりゲート電極１０５を形成する。
【００３４】
次に、スチレン・ブタジエン共重合ゴムを、混合過程、圧延過程、成形工程、加硫工程を経て、厚さ３００ｎｍ、ヤング率２ＭＰａのゲート絶縁層１０４を形成する。
【００３５】
次に、インクジェット法により、チャネル長１０ｃｍ、チャネル幅１００μｍのソース・ドレイン電極１０２をゲート絶縁層１０４上に形成する。次に、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）のキシレン溶液（０．０１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布した後、窒素雰囲気下において１５０℃で３０分乾燥し、有機半導体１０３を１００ｎｍ形成する。その後、ポリビニルフェノールをスピンコート法により塗布し、保護層１０６を形成する。
【００３６】
最後に、実施例１と同様にして各電極に配線し、圧力センサを作製する。
【００３７】
圧力を加えない状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、３×１０-5Ａの電流値を得ることが出来る。
【００３８】
また、０．５ＭＰａの圧力を保護層１０６側から加えた状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖそれぞれ印加すると、４×１０-5Ａの電流値を得ることが出来る。
【００３９】
更に、再度圧力を加えない状態に戻し、ゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、３×１０-5Ａの電流値を得ることが出来、圧力を加えた後も同等の特性を得ることが出来る。
【００４０】
＜実施例３＞
図３に本実施例の圧力センサの断面図を示す。
【００４１】
ソース・ドレイン電極１０２のチャネル幅を５０μｍとした以外は実施例１と同様にして、ガラス基板１０１上に有機半導体１０３まで形成する。
【００４２】
次に、ポリビニルフェノールをスピンコート法により塗布し、絶縁層１０４−２を１００ｎｍ形成する。次に、ゴム弾性を示すクロロプレンゴムを、混合過程、圧延過程、成形工程、加硫工程を経て、絶縁層１０４−２上に、厚さ２００ｎｍ、ヤング率１０ＭＰａの弾性層１０４−１を形成する。
【００４３】
その後、実施例１と同様にして、圧力センサを作製する。
【００４４】
圧力を加えない状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、８×１０-5Ａの電流値を得ることが出来る。
【００４５】
また、３．５ＭＰａの圧力を保護層１０６側から加えた状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、１．０４×１０-4Ａの電流値を得ることが出来る。
【００４６】
更に、再度圧力を加えない状態に戻し、ゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、８×１０-5Ａの電流値を得ることが出来、圧力を加えた後も同等の特性を得ることが出来る。
【００４７】
＜実施例４＞
図４に本実施例の圧力センサの断面図を示す。
【００４８】
実施例２と同様にして、ポリイミド基板１０１上にゲート電極１０５を形成する。
【００４９】
次に、シリコンゴムを、混合過程、圧延過程、成形工程、加硫工程を経て、厚さ２００ｎｍ、ヤング率０．７ＭＰａの弾性層１０４−１を形成する。次に、弾性層１０４−１上に、パリレンを真空蒸着し、絶縁層１０４−２を１００ｎｍ形成する。
【００５０】
その後、有機半導体１０３の形成にポリ−３−ヘキシルチオフェンのクロロホルム溶液（０．０１ｇ／ｍｌ）を用いた以外は実施例２と同様にして、圧力センサを作製する。
【００５１】
圧力を加えない状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、２×１０-4Ａの電流値を得ることが出来る。
【００５２】
また、０．３５ＭＰａの圧力を保護層１０６側から加えた状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖそれぞれ印加すると、２．２×１０-4Ａの電流値を得ることが出来る。
【００５３】
更に、再度圧力を加えない状態に戻し、ゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、２×１０-4Ａの電流値を得ることが出来、圧力を加えた後も同等の特性を得ることが出来る。
【００５４】
次に、０．３５ＭＰａの圧力に基板１０１側から加えた状態でゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖそれぞれ印加すると、２．１５×１０-4Ａの電流値を得ることが出来る。
【００５５】
また、再度圧力を加えない状態に戻し、ゲート電極に−５０Ｖ、ドレイン電極に−５０Ｖ印加すると、２×１０-4Ａの電流値を得ることが出来、圧力を加えた後も同等の特性を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の圧力センサの構成図の一例を示す図である。
【図２】実施例の圧力センサの構成図を示す図である。
【図３】実施例の圧力センサの構成図を示す図である。
【図４】実施例の圧力センサの構成図を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１  基板
１０２  ソース・ドレイン電極
１０３  有機半導体
１０４  ゲート絶縁層
１０４−１  弾性層
１０４−２  絶縁層
１０５  ゲート電極
１０６  保護層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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