特開 2022-150266 静電気センサおよび静電気センサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022150266

(43)【公開日】2022-10-07

(54)【発明の名称】静電気センサおよび静電気センサシステム

(51)【国際特許分類】

   G01R 29/24 20060101AFI20220929BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20220929BHJP

【ＦＩ】

G01R29/24 Z

H01L29/78 618B

H01L29/78 617K

H01L29/78 613Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021052798

(22)【出願日】2021-03-26

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）薄膜材料デバイス研究会第１７回研究集会 令和２年１１月５日 ＷＥＢ開催 （２）山形大学修士論文公聴会 令和３年２月１７日 山形大学工学部１１号館２階未来ホール （山形県米沢市城南四丁目３－１６） （３）第６８回応用物理学会春期学術講演会予稿集 令和３年２月２６日掲載 ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０２１ｓ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１８ｐ－Ｐ０４－１１／ａｄｖａｎｃｅｄ ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０２１ｓ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１９ａ－Ｚ１８－１１／ａｄｖａｎｃｅｄ （４）第６８回応用物理学会春期学術講演会 令和３年３月１８日、１９日 ＷＥＢ開催

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度からの、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「機械学習と計算科学による塗布型電子材料の構造・機能予測」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304036754

【氏名又は名称】国立大学法人山形大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000383

【氏名又は名称】特許業務法人エビス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松井 弘之

(72)【発明者】

【氏名】杉本 俊之

【テーマコード（参考）】

5F110

【Ｆターム（参考）】

5F110BB01

5F110BB09

5F110CC07

5F110EE24

5F110EE25

5F110EE27

5F110GG05

(57)【要約】

【課題】従来、対象物に着色剤を含んだ帯電性粉体を付着させて、帯電分布を帯電模様として確認可能にする方法が存在する。しかし、この方法は、付着させる際に帯電性粉体が周囲に散ったり、帯電性粉体を除去しなければならなかったりするなど、扱いが難しかった。
【解決手段】配列した複数の延在ゲートと、複数の電界効果トランジスタと、を備え、延在ゲートの各々は、電界効果トランジスタのゲート電極と電気的に接続した静電気センサを用いる。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

配列した複数の延在ゲートと、
複数の電界効果トランジスタと、を備え、
前記延在ゲートの各々は、前記電界効果トランジスタのゲート電極と電気的に接続したことを特徴とする静電気センサ。

【請求項2】

前記延在ゲートは、前記ゲート電極よりも広い範囲に拡がることを特徴とする請求項１に記載された静電気センサ。

【請求項3】

前記ゲート電極の延在方向に延在して接続線を設け、前記接続線における前記ゲート電極の反対側に前記延在ゲートを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載された静電気センサ。

【請求項4】

前記延在ゲートは網目状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載された静電気センサ。

【請求項5】

前記電界効果トランジスタは、有機電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載された静電気センサ。

【請求項6】

２次元状に配列した複数の前記延在ゲートと、
一方向に延在する複数のソース配線と、
複数の前記ソース配線と交差して他方向に延在する複数のドレイン配線とを備え、
前記ソース配線の各々は、前記電界効果トランジスタのソース電極が複数接続し、
前記ドレイン配線の各々は、前記電界効果トランジスタのドレイン電極が複数接続したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載された静電気センサ。

【請求項7】

前記延在ゲートは１次元状に配列し、
前記電界効果トランジスタは、前記延在ゲートの配列方向とは交差する方向に延在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載された静電気センサ。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれかに記載された静電気センサと、
前記電界効果トランジスタにおけるソースまたはドレインの一方に電気的に接続した電源と、
前記ソースまたは前記ドレインの他方に電気的に接続した電流検出器と、を備えたことを特徴とする静電気センサシステム。

【請求項9】

請求項４または５に記載された静電気センサと、
電源と、
複数の電流検出器と、
を備え、
前記静電気センサの複数のソース配線または複数のドレイン配線の一方を電圧線とし、他方を検出線として、
前記電源は複数の前記電圧線の一つに選択電位を印加し、他の前記電圧線に非選択電位を印加し、
前記検出線に接続した前記電流検出器により電流を検出することにより静電気を検出することを特徴とする静電気センサシステム。

【請求項10】

前記電流検出器は、商用周波数の逆数時間のあいだ積分することによりノイズを低減することを特徴とする請求項８または９に記載された静電気センサシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体の表面に生じる静電気を測定するための静電気センサ及び静電気センサシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

非導電性の材質を用いると、表面の帯電により問題が生じる場合がある。例えば、プラスチック部材を塗装する際に帯電分布にムラが生じると、塗装ムラの原因となる。また、半導体製造工程においても、帯電を除去することが重要である。これらのことから、対象物表面の静電気を計測することが行われている。また、静電気を計測することにより、近接センサや接触センサとして用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－２６７１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１には、対象物に着色剤を含んだ帯電性粉体を付着させて、帯電分布を帯電模様として確認可能にする方法が記載されている。しかし、この方法は、付着させる際に帯電性粉体が周囲に散ったり、帯電性粉体を除去しなければならなかったりするなど、扱いが難しかった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一実施形態は、配列した複数の延在ゲートと、複数の電界効果トランジスタと、を備え、延在ゲートの各々は、電界効果トランジスタのゲート電極と電気的に接続した静電気センサを提供する。

【発明の効果】

【0006】

本発明の一実施形態により、帯電性粉体を用いることなく、静電気による帯電を高感度で検出することができる。また、近接センサとして入力に用いることにより、不特定多数の者が触れるボタンやタッチパネル等を用いることなく、衛生的に操作を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】静電気センサの断面図及び回路。

【図2】実施例１における２次元静電気センサシステムの回路。

【図3】電源ノイズの影響を受ける電流検出器の出力波形。

【図4】実施例１の２次元静電気センサ。

【図5】Ｘ－Ｙ面方向の周囲における静電気の影響を示す図。

【図6】網目状の延在ゲートを有した実施例３の静電気センサ。

【図7】実施例４の１次元静電気センサ。

【図8】実施例５の１次元静電気センサ。

【図9】実施例６の電界の影響を受けない電界効果トランジスタを用いた静電気センサ。

【図10】延在ゲートを有した２次元静電気センサに実施例５の技術を用いた例。

【図11】実施例７の２次元静電気センサ。

【図12】実施例８の２次元静電気センサ。

【図13】実施例９の２次元静電気センサ。

【図14】実施例１０の静電気センサの断面図及び回路。

【図15】実施例１１の静電気センサの断面図及び回路。

【発明を実施するための形態】

【0008】

まず、図１により本実施形態の静電気センサの原理を説明する。図１は、静電気センサの断面図及び回路を示す。静電気センサは、電界効果トランジスタ１と延在ゲート３を備えている。電界効果トランジスタ１は、半導体１１、ゲート電極１２、第１絶縁層１３、ソース電極１４、ドレイン電極１５を有する。ゲート電極１２は、第２絶縁層２と第１絶縁層１３によりＺ方向から挟まれている。また、ゲート電極１２に電気的に接続する延在ゲート３も、第２絶縁層２と第１絶縁層１３に挟まれている。延在ゲート３は、少なくとも延在方向であるＸ方向において、ゲート電極１２よりも広い範囲に拡がっている。図１において、ゲート電極１２は、接続線３１により延在ゲート３に接続している。静電気センサのソース電極１４は、検出線６１を介して電流検出器６に接続し、ドレイン電極１５は、電圧線４１を介して電源４の負極に接続する。そして、電源４の正極と電流検出器６はアース５に接続する。

【0009】

ゲート電極１２、接続線３１、延在ゲート３は、第１絶縁層１３と第２絶縁層２に挟まれており、外部とは電気的に絶縁されている。図１のように－の静電気に帯電した対象物７を静電気センサの延在ゲート３に近づけると、電界の作用により延在ゲート３は電子が遠ざけられて＋電荷が蓄積され、逆にゲート電極１２は電子が増加して－電荷が蓄積される。そして、ゲート電極１２の－電荷により、半導体１１には＋電荷が蓄積され、電界効果トランジスタ１の抵抗値が下がり、電流が増加する。電流は電流検出器６で検出される。これにより、対象物７の帯電や、対象物７が近づいたことを検出することができる。なお、図１において、ゲート電極１２は、接続線３１により延在ゲート３に接続しているが、接続線３１を延在ゲート３の一部と考えることもできる。

【0010】

半導体１１は、電界の変化により抵抗値を変化させるものである。そのため、延在ゲート３とゲート電極１２がなく、半導体１１で直接的に電界を捉えて静電センサとすることもできる。しかしながら、延在ゲート３とゲート電極１２がない静電センサよりも、図１に示した延在ゲート３とゲート電極１２を備えた静電センサの方が、電界を捉える感度が１００倍以上高くなることが実験により判明した。

【0011】

図１では、対象物７は静電気センサから離間している。しかし、静電気センサの表面層を、非導電性で静電気を帯びにくい材質で形成すれば、対象物７が静電気センサの表面に接する態様で使用することもできる。

【実施例0012】

実施例１として、２次元状にセンサを配列した２次元静電気センサの静電気センサシステムを示す。図２には、３×３の静電気センサを示すが、一般的にはｎ×ｍ（ｎ，ｍは自然数）のセンサとすることができる。図２の静電気センサでは、複数の電圧線４１が行方向（Ｘ方向）に延在し、複数の検出線６１が列方向（Ｙ方向）に延在している。検出線６１と電圧線４１の間はＺ方向において絶縁層により絶縁されている。そして、Ｘ－Ｙ平面において、検出線６１と電圧線４１の交差部の近傍にＰ型の電界効果トランジスタ１が設けられている。電界効果トランジスタ１は、ドレイン電極１５が電圧線４１に、ソース電極１４が検出線６１に、ゲート電極１２が延在ゲート３に電気的に接続している。検出線６１はソース配線であり、電圧線４１はドレイン配線である。ソース配線である検出線６１の各々には、電界効果トランジスタ１のソース電極１４が複数接続し、ドレイン配線である電圧線４１の各々には、電界効果トランジスタ１のドレイン電極１５が複数接続している。本実施例では検出線６１と電圧線４１は、Ｙ方向とＸ方向に延在しているが、一方向と他方向に延在していれば互いに直角でなくてもよい。このことは他の２次元静電気センサの実施例でも同様である。また、静電気センサの電圧線４１は電源４に接続しており、検出線６１は電流検出器６を介してアース５に接続している。電流検出器６では、検出線６１とアース５との間に抵抗（図示せず）を設け、抵抗の両端の電圧を測定することにより電流を検出する。静電気センサシステムは、静電気センサと電源４、電流検出器６を備える。

【0013】

静電気を検出する際には、電源４から複数の電圧線４１に順次に選択電位を供給する。図２では、電圧線４１には基本的に非選択電位の０Ｖを印加し、－Ｙの向きに順次に選択電位である－５Ｖの電圧を印加する。－５Ｖの電圧を印加した電圧線４１に接続するＰ型の電界効果トランジスタ１は、ゲートが－になるほど抵抗が低下し、より大きなソース電流が流れる。そして、ソース電流は検出線６１を流れ、電流検出器６で検出される。実施例１のセンサでは、電圧線４１に－５Ｖの選択電位を走査して印加し、各電流検出器６で検出するため、２次元状に配置した延在ゲート３の個々について、近傍の静電気を検出することができる。

【0014】

ここで、ゲート－ドレイン間とゲート－ソース間には寄生容量があるため、対象物７がない場合には、ゲート電極１２の電位はドレイン電極１５の電位とソース電極１４の電位の間となる。電流検出器６が有する抵抗の抵抗値は小さく、検出線６１及びソース電極１４の電位は約０Ｖである。電圧線４１及びドレイン電極１５の電位が０Ｖから－５Ｖ変化すると、ゲート電位はドレイン電極１５とソース電極１４の中間である約－２．５Ｖとなり、ゲート電位にバイアスがかかる。そのため、静電気が近接していない場合にＰ型の電界効果トランジスタ１のＶｇｓは約－２．５Ｖとなって電流が流れる。そして、対象物７が接近した時の延在ゲート３との間の電子移動によりゲート電極１２の電位が＋側に変化しても－側に変化してもＰ型の電界効果トランジスタ１の電流は変化し、検出することができる。

【0015】

なお、電流検出器６による検出出力は、電源周波数（商用周波数）の逆数時間のあいだ、積分することが好ましい。図３は、電流検出器６の出力を示す。ｔは時間軸、Ｉは検出電流である。静電気センサの一般的な使用環境では、商用電源による商用周波数の電界が、延在ゲート３やゲート電極１２、半導体１１等の電位に影響する場合がある。図３では、本来の信号Ｓに電源ノイズが重畳した信号Ｓｎを示す。電源ノイズは電源周波数Ｆｃの逆数時間である１／Ｆｃの周期で繰り返している。そのため、信号Ｓｎを１／Ｆｃの期間積分することにより、電源ノイズを軽減し、本来の信号Ｓの値に近づけることができる。

【0016】

図４は、実施例１の静電気センサの構造を示す。図４（ａ）は静電気センサにおける１素子の部分平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａ線の延長線における部分断面図である。図４に示すように、実施例１の静電気センサは、第２絶縁層２のＺの向きの面に延在ゲート３、接続線３１、ゲート電極１２、検出線６１が設けられ、さらに第１絶縁層１３で覆われる。第１絶縁層１３のＺの向き側には、ゲート電極１２の位置に重ねて半導体１１が設けられ、半導体１１にソース電極１４とドレイン電極１５が接触するとともに電圧線４１が設けられる。ソース電極１４は、第１絶縁層１３に設けたスルーホール６２を介して検出線６１に接続する。検出線６１は第２絶縁層２のＺの向き側でＹ方向に延在し、静電気センサ外の電流検出器６に電気的に接続する。また、ドレイン電極１５は第１絶縁層１３のＺの向き側でＸ方向に延在し、静電気センサ外の電源４に電気的に接続する。Ｘ方向に延在する電圧線４１とＹ方向に延在する検出線６１の交差部は、第１絶縁層１３により絶縁されている。

【0017】

延在ゲート３は、Ｘ方向とＹ方向においてゲート電極１２よりも広い範囲に拡がっている。そのため、ゲート電極１２に効率よく電荷を集めることができる。また、本実施例において、半導体１１はＰ型の有機半導体であり、電界効果トランジスタ１はＰ型の有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）である。絶縁層は可撓性を有しており、静電気センサは全体として可撓性を有している。

【実施例0018】

対象物７に対して、延在ゲート３の領域が小さく、隣接する延在ゲート３との間隔が大きい場合には、図５（ａ）に示すように、対向する位置のＸ－Ｙ面方向の周囲における静電気の影響も受ける。そのため、高い解像度が得られない。そこで、実施例２では、図５（ｂ）に示すように半導体１１の周囲に導電膜５１を設け、導電膜５１をアース５等の定電位に電位固定する。これにより、対向する位置のＸ－Ｙ面方向の周囲における静電気の影響が抑制され、高い解像度が得られる。また、ゲート電極１２がない電界効果トランジスタにおいて、半導体が直接的に電界を感知して抵抗を変化させる場合にも、この技術を用いることができる。この場合には、図５（ｂ）の延在ゲート３の位置がＰ型の半導体となり、半導体の周囲に導電膜５１を形成する。そして導電膜５１をアース５等の定電位に電位固定する。