JP6394096B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents
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Description
このような圧力センサ装置における測定単位では、圧力が付与されると、感圧部材8が撓んで導電性粒子同士が接触する。これにより、感圧部材8の抵抗が低下してTFTと共通電極9とが導通する。この導通変化を利用して、圧力が検出される。
本発明の圧力センサ装置は、基板と、上記基板上に配列された複数のデータ線と、上記基板上に、上記複数のデータ線と交差して配置された複数の走査線と、上記データ線および上記走査線と電気的に接続され、上記複数のデータ線および上記複数の走査線が交差する複数の交点に配置された複数のTFTと、上記TFT上に配置され、導電性粒子が分散された感圧部材と、上記感圧部材を介して、上記TFTと接続された共通電極とを有し、隣接する上記TFT上に配置された上記感圧部材が、互いに異なる抵抗特性を有しており、平面視上、1つの上記TFTが配置された領域を1個の感圧領域としたとき、少なくとも2個以上の上記感圧領域を1つの測定単位とし、1つの上記測定単位が、上記感圧部材の抵抗特性が異なる2種以上の上記感圧領域を有することを特徴とする装置である。
図1(a)〜(c)は、本発明の圧力センサ装置の一例を示す概略模式図である。図1(a)は、本発明の圧力センサ装置の一例を示す概略平面図であり、図1(b)は、図1(a)の測定単位Dを示す概略平面図であり、図1(c)は、図1(b)の感圧領域d、d1におけるA−A線断面図である。
一方、2層以上が積層された感圧部材に所定の圧力を付与すると、図3(b)に示すように、受圧面側の感圧部材81は撓む。しかしながら、感圧部材81の下面に、弾性体である他の感圧部材82が配置されていることにより、感圧部材81に付与された圧力の一部が感圧部材82へと吸収される。そのため、感圧部材81の下面に弾性体を有しない図3(a)の場合と比較して、感圧部材81の撓みは弱まり、感圧部材81内の導電性粒子8a同士は接触しにくくなるからと考えられる。また、2層以上の感圧部材が積層されている場合には、例えば、図3(a)に示す感圧部材8の厚みt1と比較して、図3(b)に示す感圧部材8の厚みt2が増大する。このように、感圧部材における受圧面から圧力方向への感圧部材8の膜厚が増大することにより、感圧部材に付与された圧力が、感圧部材の受圧面とは反対側の面まで伝わりにくくなるからと考えられる。
まず、従来の圧力センサ装置では、1つの測定単位が1種の感圧領域を有するため、いかなる測定対象も1種の感圧領域により測定されてしまう。したがって、例えば、1つの測定単位が、kgオーダーの比較的大きい圧力を測定することが可能な感圧領域を1種有する場合には、mgオーダーの比較的小さい圧力を測定したときの精度は低下してしまう。
これに対し、本発明の圧力センサ装置では、1つの測定単位が2種以上の感圧領域を有するため、2種以上の感圧領域のうち、より測定対象に合った感圧領域での測定が可能になる。したがって、例えば、1つの測定単位が、kgオーダーの比較的大きい圧力を測定することが可能な感圧領域と、mgオーダーの比較的小さい圧力を測定することが可能な感圧領域とを2種有する場合には、mgオーダーの比較的小さい圧力を測定したときであっても、当該2種の感圧領域のうちより測定対象に合った感圧領域、すなわちmgオーダーの比較的小さい圧力を測定することが可能な感圧領域での測定が可能になり、従来と比較して測定の精度が向上すると考えられる。
また、本発明における「上記複数のデータ線および上記複数の走査線が交差する複数の交点」とは、データ線および走査線が交差した点だけでなく、上記データ線と上記走査線とが交差してなす角の近傍の領域までをも含む。
さらに、本発明における「上記データ線および上記走査線と電気的に接続され、上記複数のデータ線および上記複数の走査線が交差する複数の交点に配置された複数のTFT」とは、データ線とソース電極とが電気的に接続されており、走査線とゲート電極とが電気的に接続されている状態であって、データ線と走査線との交点にTFTが配置された状態を指す。
本発明においては、平面視上、1つの後述するTFTが配置された領域を1個の感圧領域としたとき、少なくとも2つ以上の感圧領域を1つの測定単位とする。また、本発明においては、1つの測定単位が、感圧部材の抵抗特性が異なる2種以上の感圧領域を有する。
さらに、4個の感圧領域としては、例えば、データ線X方向に2個×走査線Y方向に2個の計4個、すなわち、感圧領域d(Xa、Yb)、感圧領域d(Xa+1、Yb)、感圧領域d(Xa、Yb+1)および感圧領域d(Xa+1、Yb+1)の4個や、データ線X方向に4個×走査線Y方向に1個の計4個、すなわち、感圧領域d(Xa、Yb)、感圧領域d(Xa+1、Yb)、感圧領域d(Xa+2、Yb)および感圧領域d(Xa+3、Yb)の4個が選択できる。
ここでは、1つの測定単位が2個の感圧領域を有する場合と、1つの測定単位が4個の感圧領域を有する場合とを説明したが、1つの測定単位が3個、5個、6個等の感圧領域を有する場合についても、1つの測定単位が2個、4個の感圧領域を有する場合と同様であるため、具体的な説明は省略する。
本発明に用いられる感圧部材は、後述するTFT上に配置され、導電性粒子が分散された部材である。また、隣接するTFT上に配置された感圧部材は、互いに異なる抵抗特性を有する。以下、感圧部材の構成、抵抗特性および異なる抵抗特性を有する感圧部材の組み合わせについて説明する。
本発明に用いられる感圧部材は、絶縁性樹脂に導電性粒子が分散されたものである。
なお、感圧部材の厚みとは、感圧部材のTFT側の表面から加圧側の表面までの距離のうち最大の距離を指す。
本発明における感圧部材の抵抗特性としては、付与される圧力に応じて抵抗が変化するものであれば特に限定されない。具体的には、無圧下では電気絶縁性を示し、所定の圧力が付与されたときに、絶縁性樹脂内で導電性粒子同士が接触し、感圧部材の電気抵抗を低下させることができれば良い。例えば、対応するTFTのオン抵抗とマッチがとれていることが好ましい。
感圧部材に含まれる導電性粒子の具体的な平均粒径としては、例えば、0.1μm〜500μmの範囲内であることが好ましく、中でも、10μm〜100μmの範囲内であることが好ましく、特に、15μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。
なお、平均粒子径は、顕微鏡観察による平均粒子径である。顕微鏡観察による平均粒子径は、例えば、100倍で顕微鏡観察を行い、画像処理ソフト等により任意の導電性粒子の粒径を100個測定して個数平均することにより得られる。なお、粒径とは導電性粒子の長軸径と短軸径の平均値を指す。
感圧部材における導電性粒子の含有量としては、例えば、1質量%〜99質量%の範囲内であることが好ましく、中でも、10質量%〜70質量%の範囲内であることが好ましく、特に、20質量%〜60質量%の範囲内であることが好ましい。
本発明においては、1つの測定単位が、感圧部材の抵抗特性が異なる2種以上の感圧領域を有する。本発明においては、感圧部材の抵抗特性が異なれば、感圧領域も互いに異なる。したがって、本発明においては、1つの測定単位に、異なる抵抗特性を有する感圧部材が含まれることになる。
本発明におけるデータ線および走査線は、基板上に配列され、互いに交差している。
本発明におけるTFTは、通常、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、および半導体層により構成される。本発明においては、半導体層として有機半導体層を用いた有機TFTであることが好ましい。フレキシブル性に優れたTFTとすることができる。したがって、圧力センサ装置が、付与される圧力により破損するという問題を抑制することができ、信頼性の高いものとすることができる。
本発明におけるソース電極およびドレイン電極は、ゲート電極とゲート絶縁層を介して形成されるものである。
本発明における半導体層は、上記ソース電極および上記ドレイン電極間に形成されるものである。また、基板上にゲート電極とゲート絶縁層とを介して形成されるものである。
シリコーンとしては、ポリシリコン、アモルファスシリコンを用いることができる。
酸化物半導体としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO)、酸化マグネシウム亜鉛(MgxZn1−xO)、酸化カドミウム亜鉛(CdxZn1−xO)、酸化カドミウム(CdO)、酸化インジウム(In2O3)、酸化ガリウム(Ga2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化タングステン(WO)、InGaZnO系、InGaSnO系、InGaZnMgO系、InAlZnO系、InFeZnO系、InGaO系、ZnGaO系、InZnO系を用いることができる。
本発明におけるゲート絶縁層は、上記ゲート電極と、上記ソース電極、上記ドレイン電極および上記半導体層との間に形成されるものである。
本発明におけるTFTは、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極および半導体層を有するものであるが、必要に応じて他の構成を有するものであっても良い。具体的には、本発明におけるTFTがボトムゲート構造である場合、半導体層を覆うように形成され、空気中に存在する水分や酸素の作用による上記半導体層の劣化を防止するパッシベーション層や、基板上に形成され、電極が形成される基板表面を平坦面とするオーバーコート層等が挙げられる。
パッシベーション層を構成する材料としては、空気中の水分や酸素を透過しにくく、上記半導体層の劣化を所望の程度に防止できるものであれば特に限定されるものではない。例えば、上記「(3)ゲート絶縁層」の項に記載の絶縁性有機材料を用いることができる。
オーバーコート層は基板上に平坦面を形成するものである。オーバーコート層を構成する材料としては、所望の平坦面を形成できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、上記「(3)ゲート絶縁層」の項に記載の絶縁性有機材料を用いることができる。
本発明における共通電極は、感圧部材を介して、TFTと接続される。具体的には、図1(c)、図2(c)に示すように、感圧部材8を介して、TFTにおけるドレイン電極6Dと接続される。
本発明の圧力センサ装置としては、当該圧力センサ装置を足裏に装着することにより、足裏の着床および離床の状態を感知することができ、歩行補助装置を用いたリハビリの分野で用いることができる。本発明の圧力センサ装置は、広い感圧範囲を有するため、子供用から大人用まで兼用することが可能である。また、上述の分野の他にも、様々な分野での使用が期待できる。
ガラス基材上の全面にAlを厚み200nmでスパッタ蒸着した。続いて、Alスパッタ膜上にポジ型フォトレジストをスピンコートにて塗布してレジスト層を形成し、フォトマスクを用いた露光および現像工程を経て、レジスト層をパターニングした。エッチング処理を施して、レジスト層が形成されていない部位のAlスパッタ膜をエッチングした後、レジスト層を除去した。これにより、ゲート電極を形成した。
次に、大気下で、波長172nm、照度3mW/cm2の真空紫外線を60秒間照射し、レジスト層で覆われている部位以外の有機半導体層をエッチング除去し、有機半導体層のパターニングを行った。その後、レジスト層を除去した。
このようにして、図2(a)〜(c)に示す本発明の圧力センサ装置を作製した。
感圧部材として、第1の感圧部材のみを形成したこと以外は、実施例1と同様にして圧力センサ装置を作製した。
感圧部材として、第2の感圧部材のみを形成したこと以外は、実施例1と同様にして圧力センサ装置を作製した。
比較例1の圧力センサ装置に圧力を印加したところ、0N/cm2〜5N/cm2の範囲で大きな電流変化が観測された。また、比較例2の圧力センサ装置に圧力を印加したところ、0N/cm2〜40N/cm2の範囲で大きな電流変化が観測された。
これに対し、実施例1の圧力センサ装置に圧力を印加したところ、0N/cm2〜5N/cm2の範囲および0N/cm2〜40N/cm2の範囲で大きな電流変化が観測され、比較例1と比較して大幅に感圧範囲が広がり、また、比較例2と比較して低圧力範囲(0N/cm2〜5N/cm2)における圧力感度が向上した。
2 … 従来の圧力センサ装置
3 … 基板
4 … ゲート電極
5 … ゲート絶縁層
6S … ソース電極
6D … ドレイン電極
7 … 半導体層
8 … 感圧部材
9 … 共通電極
11、X… データ線
12、Y… 走査線
Claims (4)
- 基板と、
前記基板上に配列された複数のデータ線と、
前記基板上に、前記複数のデータ線と交差して配置された複数の走査線と、
前記データ線および前記走査線と電気的に接続され、前記複数のデータ線および前記複数の走査線が交差する複数の交点に配置された複数の薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタ上に配置され、導電性粒子が分散された感圧部材と、
前記感圧部材を介して、前記薄膜トランジスタと接続された共通電極と、を有し、
隣接する前記薄膜トランジスタ上に配置された前記感圧部材が、互いに異なる抵抗特性を有しており、
平面視上、1つの前記薄膜トランジスタが配置された領域を1個の感圧領域としたとき、少なくとも2個以上の前記感圧領域を1つの測定単位とし、
1つの前記測定単位が、前記感圧部材の抵抗特性が異なる2種以上の前記感圧領域を有し、
前記薄膜トランジスタのソース電極およびドレイン電極が、前記共通電極と同一平面上に配置されていることを特徴とする圧力センサ装置。 - 2個〜10000個の範囲内の前記感圧領域を1つの前記測定単位とすることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ装置。
- 1つの前記測定単位が、前記感圧部材の抵抗特性が異なる2種〜10種の範囲内の前記感圧領域を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧力センサ装置。
- 前記薄膜トランジスタが、有機半導体層を有する有機薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧力センサ装置。
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