特許 6446110 透明圧力センサ及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6446110

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】透明圧力センサ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/14 20060101AFI20181217BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/14 K

   G01L5/00 101Z

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-197348(P2017-197348)

(22)【出願日】2017年10月11日

(65)【公開番号】特開2018-119947(P2018-119947A)

(43)【公開日】2018年8月2日

【審査請求日】2017年10月11日

(31)【優先権主張番号】106102887

(32)【優先日】2017年1月25日

(33)【優先権主張国】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】512167426

【氏名又は名称】華邦電子股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】Ｗｉｎｂｏｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(72)【発明者】

【氏名】何 羽軒

(72)【発明者】

【氏名】▲蔡▼ 明志

(72)【発明者】

【氏名】謝 明宏

【審査官】 大森 努

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０７５２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０１８７３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表平１１−５０５６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０２０７８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−１３５９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０４５６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１１８５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２００６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０８２６６９７１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１３−１８２８７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／００−１／２６，５／００，２５／００

Ｈ０５Ｂ ３３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が複数のナノワイヤを含む複数の透明電極層と、
前記透明電極層間に配置された少なくとも１つの感圧変形層と、
前記透明電極層の各々の前記ナノワイヤ間の空間内に配置された金属酸化物層と
を具え、
前記感圧変形層は透明感圧層であり、
前記金属酸化物層は、前記ナノワイヤの表面上に形成され、０．１nm〜１０nmの範囲内の厚さを有する、
透明圧力センサ。

【請求項2】

前記透明電極層の各々が直線状電極である、請求項１に記載の透明圧力センサ。

【請求項3】

前記透明電極層内の前記直線状電極が異なる方向に延びる、請求項２に記載の透明圧力センサ。

【請求項4】

前記透明電極層内の前記直線状電極がアレイの形に配置されている、請求項２または３に記載の透明圧力センサ。

【請求項5】

第１端を有する第１透明電極と、
第２端を有する第２透明電極と、
少なくとも１つの感圧変形層と、
金属酸化物層とを具えた透明圧力センサであって、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極は複数のナノワイヤを含み、
前記感圧変形層は透明感圧層であり、前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に配置され、
前記金属酸化物層は、前記ナノワイヤの表面上に形成されて前記ナノワイヤ間の空間内に配置され、０．１nm〜１０nmの範囲内の厚さを有する、
透明圧力センサ。

【請求項6】

前記第１透明電極が複数の第１直線状電極を具え、前記第２透明電極が複数の第２直線状電極を具え、前記第１直線状電極どうしは前記第１端において電気接続され、前記第２直線状電極どうしは前記第２端において電気接続されている、請求項５に記載の透明圧力センサ。

【請求項7】

前記少なくとも１つの感圧変形層は、さらに、前記第１直線状電極間及び前記第２直線状電極間に配置されている、請求項６に記載の透明圧力センサ。

【請求項8】

第１印刷プロセスを実行して、複数のナノワイヤを含む複数の透明電極を形成するステップと、
第２印刷プロセスを実行して、前記透明電極間の空間内に半導体コロイド層を形成するステップであって、該半導体コロイド層が溶媒及び金属酸化物前駆体を含むステップと、
第３印刷プロセスを実行して、前記半導体コロイド層上及び前記透明電極上に感圧変形層を形成するステップと、
前記第１印刷プロセス、前記第２印刷プロセス、及び前記第３印刷プロセスを少なくとも１回反復するステップと、
熱処理プロセスを実行して、前記半導体コロイド層内の前記溶媒を除去して、前記金属酸化物前駆体を金属酸化物に還元するステップと
を含み、
前記感圧変形層は透明感圧層であり、
前記金属酸化物は、前記ナノワイヤの表面上に形成され、０．１nm〜１０nmの範囲内の厚さを有する、
透明圧力センサの製造方法。

【請求項9】

前記ナノワイヤの材料が、金、銀、または銅を含み、前記金属酸化物前駆体が、二酸化チタニウム前駆体、酸化亜鉛前駆体、または酸化タングステン前駆体を含む、請求項８に記載の透明圧力センサの製造方法。

【請求項10】

前記熱処理プロセスの熱処理温度が５０℃〜２００℃の範囲内である、請求項８または９に記載の透明圧力センサの製造方法。

【請求項11】

前記第２印刷プロセスを実行した後に、５０℃〜２００℃でベーキングを実行するステップをさらに含む、請求項８〜１０のいずれかに記載の透明圧力センサの製造方法。

【請求項12】

前記第１印刷プロセス、前記第２印刷プロセス、及び前記第３印刷プロセスが３Ｄ印刷を含む、請求項８〜１１のいずれかに記載の透明圧力センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（発明の分野）
本発明は、圧力検出技術に関するものであり、特に圧力センサ及びその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

（関連技術の説明）
近年、圧力センサ内の感圧層は、大部分は導電性粒子を樹脂内に混合することによって形成される。圧力を加えると、加圧された部分の厚さが減少し、このことは導電性粒子間の距離を減少させて出力抵抗を低下させる。換言すれば、加圧された部分の導電率が上昇して、感圧変形層の機能を実現する。こうした圧力センサは比較的高い導電率を必要とする。従って、電極の大部分は金属層である。その結果、全体が透明な圧力センサは不可能である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は透明圧力センサを提供し、この透明圧力センサは、静電容量の変化によって圧力を検出し、全体が透明な構造を有する。

【0004】

本発明はさらに、全体が透明な圧力センサを製造するための、透明圧力センサの製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の透明圧力センサは、複数の透明電極層、少なくとも１つの感圧変形層、及び金属酸化物層を含む。透明電極は複数のナノワイヤを含む。感圧変形層は２つの透明電極層間に配置されている。金属酸化物層は、各透明電極層のナノワイヤ間の空間内に配置されている。

【0006】

本発明の他の透明圧力センサは、複数のナノワイヤを含む第１透明電極、複数のナノワイヤを含む第２透明電極、第１透明電極と第２透明電極との間に配置された感圧変形層、及びナノワイヤ間の空間内に配置された金属酸化物層を含む。第１透明電極は第１端を有し、第２透明電極は第２端を有する。

【0007】

本発明の透明圧力センサの製造方法は：第１印刷（プリンティング）プロセスを実行して、複数のナノワイヤを含む複数の透明電極を形成するステップと；第２印刷プロセスを実行して、ナノワイヤ間の空間内に半導体コロイド層を形成するステップであって、半導体コロイド層が溶媒及び金属酸化物前駆体を含むステップと；第３印刷プロセスを実行して、半導体コロイド層上及び透明電極上に感圧変形層を形成するステップと；第１〜第３印刷プロセスを反復するステップと；熱処理プロセスを実行して、半導体コロイド層内の溶媒を除去して金属酸化物前駆体を金属酸化物に還元するステップとを含む。

【発明の効果】

【0008】

以上のことに基づいて、本発明によれば、ナノワイヤ及び透明感圧層で構成される透明電極を利用し、これにより全体が透明な圧力センサを製造することができる。さらに、製造プロセス中にナノワイヤ間の空間を半導体コロイド層で満たす。従って、隣接するナノワイヤ間の結合を強化して、ワイヤの安定性及び導電性を向上させて、その後の感圧変形層の印刷プロセスにおいてワイヤが破断する問題を防止する。

【0009】

本発明の以上及び他の特徴及び利点をより理解し易くするために、図面を伴ういくつかの実施形態を以下に詳細に説明する。

【0010】

添付する図面は、本発明のさらなる理解をもたらすために含め、本明細書に含まれ、その一部を構成する。図面は本発明の好適な実施形態を例示し、その記述と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態による透明圧力センサの断面図である。

【図2】図１の透明圧力センサの透明電極の拡大断面図である。

【図3】本発明の他の実施形態による透明圧力センサの平面図である。

【図4A】本発明のさらに他の実施形態により透明圧力センサを製造する処理の流れを示す平面図である。

【図4B】本発明のさらに他の実施形態により透明圧力センサを製造する処理の流れを示す平面図である。

【図4C】本発明のさらに他の実施形態により透明圧力センサを製造する処理の流れを示す平面図である。

【図4D】本発明のさらに他の実施形態により透明圧力センサを製造する処理の流れを示す平面図である。

【図4E】本発明のさらに他の実施形態により透明圧力センサを製造する処理の流れを示す平面図である。

【図5】実験例による圧力検出のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１を参照すれば、本実施形態では、透明圧力センサ１００が、複数の透明電極層１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄと、複数の感圧変形層１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、及び１０４ｄと、金属酸化物層とを含む。図１に示すすべての構成要素が基板１０６上に形成される。感圧変形層１０４ａは透明電極１０２ａと１０２ｂとの間に配置され、感圧変形層１０４ｂは透明電極１０２ｂと１０２ｃとの間に配置され、感圧変形層１０４ｃは透明電極１０２ｃと１０２ｄとの間に配置され、感圧変形層１０４ｄは透明電極１０２ｄを覆う。圧力が加わると、本実施形態の透明圧力センサ１００は静電容量の変化に基づいてこの圧力を検出し、この静電容量の変化は、圧力によって生じる透明電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄ間の距離の変化により生じる。例えば、圧力が加わると、加圧された部分の感圧変形層１０４ａ、１０４ｂ、及び１０４ｃがより薄くなり、このことは、これらの変形層間の静電容量を減少させる。透明電極１０２ａと１０２ｃとは一方の端において電気接続されるのに対し、透明電極１０２ｂと１０２ｄとは他方の端において電気接続され、透明圧力センサ１００の静電容量は、電気メーターを上記２つの端に接続して感圧層１０４ａ、１０４ｂ、及び１０４ｃの静電容量を得ることによって測定することができる。

【0013】

導電率を考慮に入れる必要のある抵抗式圧力センサとは異なり、本実施形態の圧力センサは、単に透明電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄの使用により、全体の透明性を実現する。さらに、本実施形態の透明圧力センサは、透明電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄ間に感圧変形層１０４ａ、１０４ｂ、及び１０４ｃを必要とするに過ぎない。透明電極１０２ｄを覆う感圧変形層１０４ｄは、保護または緩衝構造として機能することができ、あるいは省略することができる。

【0014】

本実施形態では、透明電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄのいずれかの断面図を図２に示す。この透明電極の１つの層は複数のナノワイヤ２００で構成され、金属酸化物層２０２がナノワイヤ２００間の空間内に配置されている。ナノワイヤ２００の材料は、金、銀、銅、等のような金属であり、金属酸化物層２０２の材料は、例えば二酸化チタニウム、酸化亜鉛、または酸化タングステンである。図２では、金属酸化物層２０２がナノワイヤ２００間の空間を満たす。一実施形態では、金属酸化物前駆体を含有するコロイド層を用いて、毛管現象により上記空間内及びナノワイヤ２００の分岐点に蓄積させ、次に熱処理を実行して金属酸化物前駆体を還元することによって、金属酸化物層２０２を形成することができる。これに加えて、ナノワイヤ２００の表面上に形成される金属酸化物層２０２の厚さは、例えば０．１nm〜１０nmの範囲内である。しかし、本発明はそれに限定されない。金属酸化物層２０２がナノワイヤ２００のほとんどを覆うので、金属酸化物層２０２はナノワイヤ２００の保護薄膜として機能することができる。さらに、ナノワイヤ２００の分岐点に蓄積する金属酸化物層２０２は、ナノワイヤ２００どうしの結合も強化し、これによりワイヤの安定性及び導電性を向上させる。金属酸化物層２０２は、透明電極と基板１０６との接着力も増加させ、これによりワイヤ構造全体の安定性を向上させる。

【0015】

図３を参照されたい。理解を手助けするために、いくつかの構成要素は図３から省いている。透明圧力センサの透明電極３００及び３０２は直線状電極であり、感圧変形層３０４が２つの透明電極層３００と３０２との間に配置されている。透明電極３００及び３０２は複数のナノワイヤ（２００）で構成することができ、図２に示すように、金属酸化物層（２０２）がナノワイヤ間の空間内に配置されている。このため、以下ではその詳細を繰り返し説明しない。図３では、直線状電極（即ち３００と３０２）が異なる方向に延びる。しかし、本発明はそれに限定されない。

【0016】

本発明の製造方法を例示する平面図に関しては、まず、図４Ａを参照すれば、第１印刷プロセスを実行して、複数のナノワイヤで構成される透明電極４００の層を形成し、ナノワイヤの材料は、例えば金、銀、または銅である。第１印刷プロセスは３Ｄ（三次元）印刷とすることができる。

【0017】

次に、図４Ｂを参照すれば、第２印刷プロセスを実行して、半導体コロイド層４０２を透明電極４００間の空間内に形成し、半導体コロイド層４０２は溶媒及び金属酸化物前駆体を含む。例えば、金属酸化物前駆体は二酸化チタニウム前駆体、酸化亜鉛前駆体、または酸化タングステン前駆体であり、溶媒は水である。本実施形態では、毛管現象により、半導体コロイド層４０２が透明電極間の空間内に蓄積する。第２印刷プロセスは３Ｄ印刷とすることができる。第２印刷プロセスを終了した後に、半導体コロイド層４０２はほとんど乾燥している。

【0018】

次に、図４Ｃを参照すれば、第３印刷プロセスを実行して、半導体コロイド層４０２上及び透明電極４００上に感圧変形層４０４を形成する。第３印刷プロセスは３Ｄ印刷とすることができる。一般に、半導体コロイド層４０２及び感圧変形層４０４は不溶性物質及び溶媒を含有する。従って、第３印刷プロセスを第２印刷プロセスの直後に実行しても、半導体コロイド層４０２と感圧変形層４０４とは互いに干渉し合わない。

【0019】

図４Ｄに示す構造は、上述した第１及び第２印刷プロセスを反復することによって得られ、この図には透明電極４０６及び半導体コロイド層４０８を示す。図４Ｄからわかるように、それぞれ上層及び下層内にある透明電極４００及び４０６は、アレイの形に配列されている。従って、本実施形態は、タッチパネルのような感圧タッチ装置にも適用可能である。

【0020】

その後に、第３印刷プロセスを再度実行して図４Ｅに示す構造を得る。図４Ｅは他の感圧変形層４１０を示す。本実施形態では、層を印刷によって形成する。従って、第１〜第３印刷プロセスを必要に応じて反復して、複数の層を有する透明圧力センサを製造することができる。次に、熱処理プロセスを実行して、半導体コロイド層４０２及び４０８内の溶媒を除去して、金属酸化物前駆体を、二酸化チタニウム、酸化亜鉛、または酸化タングステンのような金属酸化物に還元する。熱処理プロセスの熱処理温度は、例えば５０℃〜２００℃の範囲内である。これに加えて、５０℃〜２００℃での低温ベーキング（焼き付け）プロセスを第２印刷プロセス後に実行し、構造を１０分〜２０分間そのままにして、半導体コロイド層４０２及び／または４０８を安定化させ硬化させることができる。本実施形態において実行するすべての熱処理プロセスの温度が低温加熱の範囲内に入るので、本実施形態はフレキシブルなプラスチックのボードにも適用可能である。

【0021】

透明圧力センサを製造する実際例を以下に提供して、その機能を検証する。

【0022】

実験例
ナノ銀線（銀ナノワイヤ）を含む金属インクを、２つのガラス基板のそれぞれに噴霧して印刷した。次に、二酸化チタニウム前駆体及び水を含有する半導体コロイドを一方のガラス基板上に噴霧して印刷し、そして２枚のガラス基板を一緒にして加圧した。その後に、２枚のガラス基板を１５０℃で１時間ベーキングして、溶媒（水）を除去して二酸化チタニウム前駆体を二酸化チタニウムに還元した。これにより、約９０％以上の光透過率を有する単純な透明圧力センサが完成し、この透明圧力センサでは、１つの半導体コロイド層をナノ銀線の間に有して構成される２つの透明電極層が、２枚のガラス基板間に形成された。各々の印刷（噴霧）プロセス中には、ガラス基板を約８０℃の温度に維持した。

【0023】

圧力検出試験
実験例の透明圧力センサの静電容量を測定し、その結果は、圧力を加えない際に静電容量は０．２nFであり、透明圧力センサを加圧すると、静電容量は０．２９nFになった。図５は、実験例の透明圧力センサを３回加圧した場合の、動作時間対検出応答の曲線を示すグラフであり、ここで検出応答は|ΔＣ|／Ｃ₀であり、ΔＣは静電容量の差であり、Ｃ₀は圧力を加えない際の静電容量である。図５中の３本の矢印は透明圧力センサが３回加圧されたことを示し、このことは、透明圧力センサが各加圧を瞬時に検出できることを示している。

【0024】

以上のことに基づいて、本発明では、ナノワイヤ及び感圧変形層で構成される透明電極を利用して圧力センサを製造し、これにより全体が透明である圧力センサを実現することができる。さらに、ナノワイヤ間の空間を半導体コロイド層で満たすので、隣接するナノワイヤ間の結合が強化されて、透明電極の安定性及び導電性が向上して、後続する感圧変形層の印刷プロセス中にワイヤが破断する問題が防止される。

【産業上の利用可能性】

【0025】

本発明の透明圧力センサは、タッチパネルのような種々の製品にとって有用である。

【0026】

本発明の範囲または精神から逸脱することなしに、開示した実施形態に種々の変更及び変形を加えることができることは、当業者にとって明らかである。以上のことを考慮すれば、本開示の変更及び変形が以下の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内に入るものとすれば、本発明は、これらの変更及び変形をカバーすることを意図している。

【符号の説明】

【0027】

１００ 透明圧力センサ
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、３００、３０２、４００、４０６ 透明電極
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、３０４、４０４、４１０ 感圧変形層
１０６ 基板
２００ ナノワイヤ
２０２ 金属酸化物層
４０２、４０８ 半導体コロイド層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5】