(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】P2022040711
(43)【公開日】2022-03-11
(54)【発明の名称】圧力センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 5/00 20060101AFI20220304BHJP
G01L 1/16 20060101ALI20220304BHJP
【FI】
G01L5/00 101Z
G01L1/16 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020145546
(22)【出願日】2020-08-31
(71)【出願人】
【識別番号】502356528
【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐野 匠
(72)【発明者】
【氏名】岡 真一郎
【テーマコード(参考)】
2F051
【Fターム(参考)】
2F051AB08
2F051BA07
(57)【要約】
【課題】圧電材料を用いた圧力センサを提供する。
【解決手段】絶縁基材と、前記絶縁基材上に配置されたスイッチング素子と、前記絶縁基材及び前記スイッチング素子の上に配置された圧電層と、前記圧電層と前記絶縁基材との間に位置する下地層と、を備え、前記下地層の弾性率は、前記圧電層の弾性率より大きい、圧力センサ。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁基材と、
前記絶縁基材上に配置されたスイッチング素子と、
前記絶縁基材及び前記スイッチング素子の上に配置された圧電層と、
前記圧電層と前記絶縁基材との間に位置する下地層と、を備え、
前記下地層の弾性率は、前記圧電層の弾性率より大きい、圧力センサ。
【請求項2】
前記下地層は、前記スイッチング素子に接続された第1電極である、請求項1に記載の圧力センサ。
【請求項3】
前記下地層は、スリットを有する、請求項1又は2に記載の圧力センサ。
【請求項4】
前記下地層は、無機絶縁膜である、請求項1に記載の圧力センサ。
【請求項5】
前記下地層は、島状の第1部分及び第2部分を有し、
前記圧電層は、前記第1部分、前記第2部分、前記第1部分と前記第2部分との間の間隙に重なっている、請求項1乃至4の何れか1項に記載の圧力センサ。
【請求項6】
前記下地層の厚さは、前記圧電層の厚さ以下である、請求項1乃至5の何れか1項に記載の圧力センサ。
【請求項7】
さらに、前記第1電極と対向する第2電極を備え、
前記第2電極は、前記絶縁基材と前記圧電層との間に位置する、請求項2に記載の圧力センサ。
【請求項8】
前記第1電極と前記第2電極は、同層に位置する、請求項7に記載の圧力センサ。
【請求項9】
前記第1電極と前記第2電極は、絶縁膜を介して対向している、請求項7に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、圧力センサに関する。
【背景技術】
【0002】
圧電材料を用いて形成された圧電層と、スイッチング素子とを組み合わせて構成された圧力センサが検討されている。圧電層は、デバイスの製造プロセスにおいて分極処理が行われることで所要の圧電性能を得ることができる。圧力センサは、圧力が印加された際に、圧電層に生じた電圧を読み取ることで圧力検出を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本実施形態の目的は、有機圧電材料を用いた圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本実施形態によれば、絶縁基材と、前記絶縁基材上に配置されたスイッチング素子と、前記絶縁基材及び前記スイッチング素子の上に配置された圧電層と、前記圧電層と前記絶縁基材との間に位置する下地層と、を備え、前記下地層の弾性率は、前記圧電層の弾性率より大きい、圧力センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【
図1】
図1は、本実施形態に係る圧力センサの概略的な平面図である。
【
図2】
図2は、圧力センサの一部を示す概略的な断面図である。
【
図3】
図3は、
図2に示した圧力センサの単位領域を示す平面図である。
【
図4】
図4は、
図3においてA-Bで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。
【
図5】
図5は、
図2に示した圧力センサに圧力が印加された状態を示す断面図である。
【
図6】
図6は、第1実施形態の第1変形例を示す断面図である。
【
図7】
図7は、第1実施形態の第2変形例を示す平面図である。
【
図8】
図8は、
図7においてA-Bで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。
【
図9】
図9は、第2実施形態に係る圧力センサの単位領域を示す平面図である。
【
図10】
図10は、
図9においてA-Cで示す圧力センサの一部の概略的な断面図である。
【
図11】
図11は、第2実施形態の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。
【0008】
[第1実施形態]
まず、第1実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る圧力センサ100の概略的な平面図である。
本実施形態においては、図示したように第1方向D1、第2方向D2、第3方向D3を定義する。第1方向D1及び第2方向D2は、圧力センサ100の主面と平行であり、互いに交わる方向である。第3方向D3は、第1方向D1、第2方向D2に対して垂直な方向であり、圧力センサ100の厚さ方向に相当する。第1方向D1と第2方向D2は、本実施形態では垂直に交わるが、垂直以外の角度で交わってもよい。本明細書において、第3方向D3を示す矢印の先端に向かう方向を「上」と称し、矢印の先端から逆に向かう方向を「下」と称する。また、第3方向D3を示す矢印の先端側に圧力センサ100を観察する観察位置があるものとし、この観察位置から、第1方向D1及び第2方向D2で規定されるD1-D2平面に向かって見ることを平面視という。
【0009】
圧力センサ100は、複数の走査線1、複数の信号線2、複数のスイッチング素子SW、絶縁基材10、走査線ドライバDR1、信号線ドライバDR2を有している。走査線1、信号線2、スイッチング素子SW、走査線ドライバDR1、信号線ドライバDR2は、絶縁基材10の上に配置されている。複数の走査線1は、それぞれ第1方向D1に延出し第2方向D2に並んでいる。複数の走査線1は、それぞれ走査線ドライバDR1に接続されている。複数の信号線2は、それぞれ第2方向D2に延出し第1方向D1に並んでいる。複数の信号線2は、それぞれ信号線ドライバDR2に接続されている。複数のスイッチング素子SWは、それぞれ走査線1と信号線2との交差部に位置し、走査線1及び信号線2と電気的に接続されている。なお、スイッチング素子SWの構成の詳細については後述する。
【0010】
また、本実施形態においては、隣り合う2本の走査線1と、隣り合う2本の信号線2とによって囲まれた領域を単位領域ARと定義する。単位領域ARは、第1方向D1及び第2方向D2にマトリクス状に並んでいる。
【0011】
図2は、圧力センサ100の一部を示す概略的な断面図である。
圧力センサ100は、絶縁基材10と、信号線2やスイッチング素子SW等を含む構成層20と、下地層ETと、有機圧電層PZと、第2電極EL2と、封止層30と、を備えている。
【0012】
絶縁基材10は、可撓性を有し、例えば、ポリイミドで形成されている。構成層20は、絶縁基材10の上に位置し、信号線2、スイッチング素子SW、無機絶縁膜、有機絶縁膜などを含んでいる。
【0013】
下地層ETは、有機圧電層PZと絶縁基材10との間に位置している。下地層ETの弾性率は、有機圧電層PZの弾性率より大きい。下地層ETは、例えば、後述する第1電極EL1であってもよいし、無機絶縁膜であってもよいし、金属膜であってもよい。下地層ETは、厚さT1を有している。また、有機圧電層PZは、厚さT2を有している。厚さT1は、厚さT2以下である。厚さT2は、例えば、3~5μmである。図示した例では、下地層ETは、島状の第1部分ET1、第2部分ET2、第3部分ET3を有している。それぞれの第1部分ET1、第2部分ET2、第3部分ET3の間は離間しており間隙GPが形成されている。下地層ETが島状に形成されているため、平面視で、下地層ETの占める面積は、有機圧電層PZの占める面積より小さい。
なお、1つの単位領域ARに下地層ETの1つの部分が配置されているが、この例に限らない。複数の単位領域ARに亘って1つの下地層ETが配置されていても良い。
【0014】
有機圧電層PZは、第1部分ET1、第2部分ET2、第3部分ET3、第1部分ET1と第2部分ET2との間の間隙GP、第2部分ET2と第3部分ET3との間の間隙GPに重なっている。有機圧電層PZは、有機圧電材料によって形成され伸縮性を有している。有機圧電層PZは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いて形成されている。有機圧電層PZは、塗布された後、例えば熱によって硬化される。有機圧電層PZは、圧力を加えると電圧が発生し、この電圧がスイッチング素子SWなどで読み取られる。このように、有機圧電層PZが形成されることによって、圧力センサ100に圧力を検出する機能を付加することができる。
【0015】
また、有機圧電層PZは、圧力センサ100の略全面に亘って形成されている。そのため、圧力センサ100の全面に圧力検出の機能を付加することができる。絶縁基材10がフレキシブルな材料で形成されているため、湾曲させた状態で圧力をセンシングすることが可能な圧力センサ100を形成することができる。また、有機圧電層PZは、パターニング時に材料が劣化する、熱に弱いなどの特性を有するため、パターニングが困難である。しかし、本構成では、有機圧電層PZを圧力センサ100の全面に塗布するため、有機圧電層PZのパターニングが不要である。そのため、パターニングのプロセスが増加せず、低コストで圧力センサ100を形成することができる。
【0016】
第2電極EL2は、有機圧電層PZの上に位置している。封止層30は、第2電極EL2及び有機圧電層PZの上に位置している。すなわち、図示した例では、第2電極EL2は、有機圧電層PZと封止層30との間に位置している。封止層30は、ポリ-p-キシリレン(PPX:Poly-para-xylylenes)構造体、例えばパリレン(登録商標)で形成されている。
【0017】
図3は、
図2に示した圧力センサ100の単位領域ARを示す平面図である。
図3は、第1電極EL1が下地層ETに相当する場合を示している。
走査線1a及び1bは、それぞれ第1方向D1に延出し第2方向D2に並んでいる。信号線2a及び2bは、それぞれ第2方向D2に延出し第1方向D1に並んでいる。図示した例では、単位領域ARは、走査線1a及び1bと、信号線2a及び2bとによって定義されている。
【0018】
スイッチング素子SWは、ソース電極SE、ドレイン電極DE、半導体層SC、ゲート電極GEを備えている。
ソース電極SEは、信号線2aから第1方向D1に突出している。ドレイン電極DEは、信号線2a及び2bと同一材料によって形成され、島状に形成されている。ドレイン電極DEは、信号線2aと信号線2bとの間に配置されている。なお、スイッチング素子SWにおいて、ドレイン電極DEはソース電極と称される場合がある。
【0019】
半導体層SCは、その一部分がソース電極SEと重なるように配置され、他の部分が単位領域ARの内側に延出している。半導体層SCは、走査線1bと交差している。走査線1bにおいて、半導体層SCと重畳する領域がゲート電極GEとして機能する。半導体層SCは、その一端部SCAにおいてソース電極SEと電気的に接続され、また、その他端部SCBにおいてドレイン電極DEと電気的に接続されている。
【0020】
第1電極EL1は、走査線1a及び1bと、信号線2a及び2bとによって囲まれた内側に位置している。第1電極EL1は、コンタクトホールCHを介してドレイン電極DEと接続されている。図示した例では、第1電極EL1が下地層ETに相当するため、単位領域AR当たりに1つの下地層ETが配置されている。
【0021】
図4は、
図3においてA-Bで示す圧力センサ100の一部の概略的な断面図である。
絶縁膜11は、絶縁基材10を覆っている。ゲート電極GEは、絶縁膜11の上に位置している。絶縁膜12は、ゲート電極GE及び絶縁膜11を覆っている。半導体層SCは、絶縁膜12の上に位置している。ソース電極SE及びドレイン電極DEは、絶縁膜12の上に位置し、半導体層SCに接している。絶縁膜13は、ソース電極SE、ドレイン電極DE、半導体層SC、絶縁膜12を覆っている。
【0022】
絶縁膜11及び12は、いずれも、シリコン酸化物(SiO)、シリコン窒化物(SiN)、シリコン酸窒化物(SiON)などの無機絶縁材料によって形成されている。これらの絶縁膜11及び12は、それぞれが単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。絶縁膜13は、有機絶縁材料によって形成されている。
【0023】
第1電極EL1は、絶縁膜13の上に位置している。第1電極EL1は、絶縁膜13に形成されたコンタクトホールCHを介してスイッチング素子SWに接続されている。有機圧電層PZは、絶縁膜13及び第1電極EL1を覆っている。また、有機圧電層PZは、絶縁基材10及びスイッチング素子SWの上に配置されている。第2電極EL2は、有機圧電層PZを介して第1電極EL1と対向している。第2電極EL2は、第1電極EL1より上に位置している。つまり、第2電極EL2は、第1電極EL1よりも封止層30側に位置している。なお、図示した例では、第2電極EL2の下面は有機圧電層PZに接しているが、第2電極EL2の下面を絶縁膜が覆っていても良い。また、図示した例では、第1電極EL1の上面は有機圧電層PZに接しているが、第1電極EL1の上面を絶縁膜が覆っていても良い。
【0024】
第1実施形態において、第1電極EL1及び第2電極EL2に電圧を印加した際には、第3方向D3に沿った縦電界EF1が発生する。有機圧電層PZに電界をかけることによって、有機圧電層PZに分極処理(ポーリング)を施すことができる。有機圧電層PZには、縦電界EF1もしくは、
図10において後述するような横電界EF2を発生させることができる。
【0025】
図5は、
図2に示した圧力センサ100に圧力Pが印加された状態を示す断面図である。圧力Pは、圧力センサ100の上から印加されているものとする。
有機圧電層PZは、下地層ETと重なる位置においては、下地層ETより下側まで変形していない。また、有機圧電層PZは、間隙GPと重なる位置において、下地層ETより下側まで変形している。有機圧電層PZは、間隙GPと重なる位置において、第3方向D3の変形のみではなく、折り曲がる方向、及び、D1-D2平面に対してねじれる方向にも変形する。有機圧電層PZは、分極方向と歪み方向が一致する変形よりも、折り曲がる方向、及び、D1-D2平面に対してねじれる方向の変形をした方が高い電圧を得ることができる。そのため、間隙GPを形成することによって、有機圧電層PZからの出力電圧を向上し、圧力検出の感度を向上することができる。
【0026】
本実施形態によれば、圧力センサ100は、有機圧電層PZより下に下地層ETを備えている。下地層ETの弾性率は、有機圧電層PZの弾性率より大きい。そのため、有機圧電層PZの変形を下地層ETより下層側まで伝わり難くすることができる。したがって、圧力センサ100をフレキシブル化するために、絶縁基材10に可撓性を有する材料を用いたとしても、圧力によって絶縁基材10が変形するのを抑制することができる。よって、有機圧電層PZに印加された圧力が分散するのを抑制し、有機圧電層PZ自体の変形量を増加させることができる。以上より、有機圧電層PZからの出力電圧を向上し、圧力検出の感度を向上することができる。
【0027】
なお、図示した例では、第1電極EL1が下地層ETの役割を兼ねていたが、下地層ETは、第1電極ET1とは別途設けられていても良い。下地層ETは、図示したように、島状であっても良いし、全面に亘って形成されていても良い。また、下地層ETは、有機圧電層PZより下層に位置していれば良く、図示された位置に限定されない。また、第2電極EL2は、有機圧電層PZの上に位置していたが、有機圧電層PZの下に位置していても良い。その場合、第1電極EL1及び第2電極EL2によって形成される電界は、横電界となる。
【0028】
図6は、第1実施形態の第1変形例を示す断面図である。
図6に示す構成は、第1実施形態と比較して、下地層ETが絶縁基材10を覆っている点で相異している。
下地層ETは、圧力センサ100の略全面に亘って配置されている。下地層ETは、例えば、無機絶縁膜である。下地層ETの弾性率は、絶縁基材10の弾性率より大きい。下地層ETが絶縁基材10上に位置することで、有機圧電層PZの変形が絶縁基材10に伝わるのを抑制することができる。
【0029】
図7は、第1実施形態の第2変形例を示す平面図である。
図8は、
図7においてA-Bで示す圧力センサ100の一部の概略的な断面図である。第2変形例は、第1実施形態と比較して、第1電極EL1がスリットSLを有している点で相異している。
ここでは、第1電極EL1が下地層ETに相当するため、下地層ETがスリットSLを有していると換言することができる。有機圧電層PZは、スリットSLと重なる位置において、上記した間隙GPと重なる位置での変形と同様の変形をすることができる。つまり、有機圧電層PZは、スリットSLと重なる位置において、第3方向D3の変形のみではなく、折り曲がる方向、及び、D1-D2平面に対してねじれる方向にも変形する。そのため、スリットSLを形成することによって、有機圧電層PZからの出力電圧を向上し、圧力検出の感度を向上することができる。なお、スリットSLの本数、向き、形状は、図示した例に限定されない。
【0030】
弾性率の関係について、有機膜である絶縁膜13、有機圧電層PZ、絶縁基材10の弾性率は互いに略等しく、無機膜である絶縁膜12の弾性率は、上記有機膜の弾性率より大きく、下地層ET(第1電極EL1)の弾性率は、絶縁膜12の弾性率以上である。
【0031】
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1電極EL1、第2電極EL2などの電極を有機圧電層PZの下に形成することにより、電極を形成するためのプロセスにおいて生じる熱が有機圧電層PZに加えられるのを抑制するものである。
【0032】
図9は、第2実施形態に係る圧力センサ100の単位領域ARを示す平面図である。
図10は、
図9においてA-Cで示す圧力センサ100の一部の概略的な断面図である。
第1電極EL1及び第2電極EL2は、それぞれ櫛歯状に形成されている。第1電極EL1は、第1方向D1に延出した3本の櫛歯部3を有し、第2電極EL2は、第1方向D1に延出した3本の櫛歯部4を有している。櫛歯部3及び4は、第2方向D2に沿って交互に並んでいる。なお、櫛歯部3及び4の本数は図示した例に限らない。
【0033】
図10に示すように、第2電極EL2は、絶縁基材10と有機圧電層PZとの間に位置している。第1電極EL1と第2電極E2は、同層に位置している。第2電極EL2は、第1電極EL1と第2方向D2に対向している。なお、第1実施形態においては、絶縁基材10は、ポリイミドによって形成されていたが、第2実施形態においては、絶縁基材10は、ガラスなど高い弾性率を有する材料によって形成されていても良い。また、図示した例では、第1電極EL1及び第2電極EL2の上面は、有機圧電層PZに接しているが、第1電極EL1及び第2電極EL2の上面を絶縁膜が覆っていても良い。
【0034】
例えば、第1実施形態に示したような縦電界EF1を有機圧電層PZに生じさせる場合には、有機圧電層PZを挟むように上下に電極を形成する。つまり、有機圧電層PZを形成したプロセスの後に第2電極EL2を形成するプロセスを行う必要がある。PVDFのような耐熱性の低い有機圧電材料を用いる場合、有機圧電層PZを形成した後に高温プロセスを実施することができない。そのため、第2電極EL2が銀インクやPEDOTなどの塗布や印刷によって形成され、プロセス負荷が増加する恐れがある。他にも、ガラス等に電極を形成したものを上から貼り付ける方法では、気泡が入るという課題が生じる場合がある。
【0035】
第2実施形態によれば、第1電極EL1及び第2電極EL2は、ともに有機圧電層PZの下に形成されている。第2実施形態において、第1電極EL1及び第2電極EL2に電圧を印加した際には、圧力センサ100の面方向に沿った横電界EF2が発生する。圧力センサ100を横電界駆動とすることで、有機圧電層PZの上の電極が不要となり、プロセス負荷を軽減することができる。
【0036】
なお、第2実施形態は、第1実施形態と組み合わせることが可能である。つまり、第1電極EL1及び第2電極EL2を下地層ETとすることができる。もしくは、別途下地層ETを設けても良い。
【0037】
図11は、第2実施形態の変形例を示す平面図である。
図12は、
図11においてA-Cで示す圧力センサ100の一部の概略的な断面図である。変形例は、第2実施形態と比較して、第2電極EL2の形状が相異している。
第1電極EL1は、櫛歯状に形成されている。第1電極EL1は、第1方向D1に延出した3本の櫛歯部3を有している。なお、櫛歯部3の本数は図示した例に限らない。第2電極EL2は、単位領域ARの全領域に亘って配置されている。
【0038】
図12に示すように、第2電極EL2は、絶縁膜13の上に位置している。絶縁膜14は、絶縁膜13及び第2電極EL2を覆っている。第1電極EL1は、絶縁膜14の上に位置している。第1電極EL1と第2電極EL2は、絶縁膜14を介して第3方向D3に対向している。このような変形例においても、第2実施形態と同様に有機圧電層PZより下に第1電極EL1及び第2電極EL2を形成することができる。変形例において、第1電極EL1及び第2電極EL2に電圧をかけた際には、圧力センサ100の面方向に沿った横電界EF2が発生する。なお、図示した例では、第1電極EL1の上面は、有機圧電層PZに接しているが、第1電極EL1の上面を絶縁膜が覆っていても良い。
【0039】
以上説明したように、本実施形態によれば、有機圧電材料を用いた圧力センサを得ることができる。
【0040】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0041】
100…圧力センサ、10…絶縁基材、SW…スイッチング素子、PZ…有機圧電層、
ET…下地層、ET1…第1部分、ET2…第2部分、ET3…第3部分、GP…間隙、
EL1…第1電極、EL2…第2電極、SL…スリット、T1、T2…厚さ。