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WO2018070123A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2018070123A1
WO2018070123A1 PCT/JP2017/030919 JP2017030919W WO2018070123A1 WO 2018070123 A1 WO2018070123 A1 WO 2018070123A1 JP 2017030919 W JP2017030919 W JP 2017030919W WO 2018070123 A1 WO2018070123 A1 WO 2018070123A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
electrode
mountain
sensitizing
sensitive layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2017/030919
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
秀明 灘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissha Co Ltd
Original Assignee
Nissha Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissha Co Ltd filed Critical Nissha Co Ltd
Priority to KR1020197001604A priority Critical patent/KR102286341B1/ko
Priority to CN201780053474.4A priority patent/CN109791080B/zh
Priority to US16/336,379 priority patent/US10605679B2/en
Publication of WO2018070123A1 publication Critical patent/WO2018070123A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/205—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using distributed sensing elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a pressure sensor having a pressure sensitive layer and a large number of thin film transistors as electrodes.
  • a pressure sensor As a pressure sensor, a combination of a number of thin film transistors with a pressure-sensitive resin is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the pressure sensitive resin is obtained by dispersing conductive particles in an insulating resin such as silicone rubber.
  • the resistance value decreases due to contact between the conductive particles in the insulating resin. Thereby, the pressure applied to the pressure sensitive resin can be detected.
  • Many thin film transistors are arranged in a matrix and function as electrodes. This makes it possible to increase the pressure detection speed, increase the resolution, and reduce the power consumption.
  • a pressure sensor in which a pressure sensitive layer and a plurality of electrodes are arranged to face each other with a predetermined gap.
  • a pressure sensor using a change in the contact area of the pressure sensitive layer has a problem that the pressure measurement range of the pressure sensitive layer is narrow. Specifically, in the pressure-electric resistance characteristic, the change rate of the electric resistance is large in the range where the pressure is low, but the change rate of the electric resistance is small in the range where the pressure is high. The reason is that even if the pressure is high, the contact area between the pressure sensitive layer and the electrode does not increase from the middle, that is, the contact resistance does not follow the pressure. As a result, in a high pressure range, the sensitivity is insufficient and the pressure cannot be measured accurately.
  • An object of the present invention is to widen a pressure measurement range that can be accurately measured in a pressure sensor having a plurality of electrodes arranged with a gap therebetween.
  • a pressure sensor includes a common electrode, a plurality of sensitizing electrodes, a plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers, and a plurality of thin film transistors.
  • the common electrode is formed so as to spread over one surface.
  • the plurality of sensitizing electrodes are provided in a matrix so as to face the common electrode.
  • the plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers are respectively formed on the common electrode side of the plurality of sensitizing electrodes.
  • the plurality of thin film transistors are provided on the side opposite to the common electrode of the plurality of sensitizing electrodes corresponding to the plurality of sensitizing electrodes, and one or two or more adjacent ones are connected to one sensitizing electrode.
  • the sensitizing electrode is such that the contact surface between the common electrode and the ridge-shaped pressure-sensitive layer is a flat surface of the ridge-shaped pressure-sensitive layer when the pressing force acts on the common electrode toward the ridge-shaped pressure-sensitive layer and the sensitized electrode.
  • the “mountain shape” has a top portion (or center portion) and a peripheral portion, and includes a dome shape, a cone shape, and a frustum shape.
  • the mountain-shaped planar shape includes a circle, a square, and other shapes. “Outside” means the side away from the center of the mountain-shaped pressure sensitive layer in plan view.
  • this pressure sensor uses a mountain-shaped pressure sensitive layer, the contact area between the common electrode and the mountain-shaped pressure sensitive layer gradually increases when pressure is applied. Accordingly, the pressure measurement range is widened.
  • the outer edge of the contact surface where the common electrode and the mountain-shaped pressure-sensitive layer are in contact is outside as compared to the case where a low pressure is applied. Since the distance from the outer edge of the surface is shortened, a short conductive path is ensured between the common electrode and the sensitizing electrode. Therefore, even in a high pressure range where the contact area change is small, the pressure can be accurately measured with high sensitivity. That is, in the pressure sensor, a wide pressure measurement range that can be accurately measured can be secured. Furthermore, since the area of the apex portion of the mountain-shaped pressure sensitive layer is small, the low pressure range can also be measured accurately.
  • the sensitizing electrode may have a diameter of 30% or more with respect to the diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer. In this case, the above-described effects can be obtained with certainty. Since the planar shape of the sensitizing electrode includes a circle and other shapes, the “diameter” here means the length from the center in plan view to the end in each direction.
  • the sensitizing electrode may have a diameter of 50% or more with respect to the diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer. In this case, the above-described effect can be obtained more reliably.
  • the sensitizing electrode may have a diameter extending to the vicinity of the outer edge of the contact surface where the common electrode and the mountain-shaped pressure-sensitive layer can contact with each other in the maximum area. In this case, the above-described effect can be obtained more reliably.
  • the sensitizing electrode may be completely covered with the mountain-shaped pressure-sensitive layer. In this pressure sensor, since the sensitizing electrode does not protrude from the mountain-shaped pressure-sensitive layer, the possibility that the common electrode and the sensitizing electrode are in contact with each other is reduced.
  • the pressure sensor may further include an insulating base provided on the opposite side of the common electrode to the plurality of sensitizing electrodes.
  • the insulating substrate and the common electrode may have elasticity.
  • the common electrode since the insulating base material and the common electrode have elasticity, the common electrode tends to come into contact with the outer peripheral side of the mountain-shaped pressure-sensitive layer when pressure is applied. Therefore, the pressure resolution is improved. Furthermore, since the insulating base material and the common electrode having elasticity return to the original shape when the pressure is relaxed, accurate measurement can be repeatedly performed.
  • the pressure measurement range that can be accurately measured is widened.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • the partial schematic sectional drawing of a pressure sensor The schematic plan view of the lower electrode member of a pressure sensor.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a sensitizing electrode and a pressure sensitive layer.
  • the equivalent circuit diagram of a pressure sensor The schematic sectional drawing of a pressure sensor in the state where the pressure acted.
  • the graph which shows the relationship between the pressure of a pressure sensor, and an electrical resistance change rate.
  • a typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. A typical sectional view showing a manufacturing method of a pressure sensor. The typical top view which shows the modification of the plane layout of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical top view which shows the modification of the plane layout of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical top view which shows the modification of the planar shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical sectional view showing the modification of the solid shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical side view which shows the modification of the solid shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical side view which shows the modification of the solid shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical side view which shows the modification of the solid shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical side view which shows the modification of the solid shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • the typical side view which shows the modification of the solid shape of a pressure sensitive layer and a sensitizing electrode.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a sensitizing electrode and a pressure sensitive layer.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a sensitizing electrode and a pressure sensitive layer.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a sensitizing electrode and a pressure sensitive layer.
  • the partial schematic sectional drawing of a pressure sensor The partial schematic sectional drawing of a pressure sensor.
  • the partial schematic sectional drawing of a pressure sensor The partial schematic sectional drawing of a pressure sensor.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial schematic cross-sectional view of the pressure sensor.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the lower electrode member of the pressure sensor.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the sensitizing electrode and the pressure-sensitive layer.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the pressure sensor.
  • the pressure sensor 1 is a device that detects a pressing position and a pressing force when a pressing force is applied.
  • the pressure sensor 1 is employed in a touch panel of a smartphone, a tablet PC, or a notebook PC.
  • the pressure sensor 1 has an upper electrode member 3.
  • the upper electrode member 3 is a planar member on which a pressing force acts.
  • the upper electrode member 3 has an insulating film 7 and a common electrode 9 formed on the entire lower surface thereof, that is, spread over one surface or patterned.
  • the pressure sensor 1 has a lower electrode member 5.
  • the lower electrode member 5 is a planar member disposed below the upper electrode member 3.
  • the lower electrode member 5 includes, for example, a rectangular insulating film 15 and a plurality of sensitizing electrodes 31 formed on the upper surface thereof.
  • the sensitizing electrode is also referred to as an individual electrode or a pixel electrode.
  • the lower electrode member 5 has a plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers 33.
  • the plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers 33 are respectively formed on the common electrode 9 side of the plurality of sensitizing electrodes 31. Describing schematically, as shown in FIGS. 2 and 4, the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 covers the entire sensitizing electrode 31 and has a slightly larger outer diameter. Therefore, the sensitizing electrode 31 is hidden by the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 in plan view.
  • the “mountain shape” has a top portion (or center portion) and a peripheral portion, and includes a dome shape, a cone shape, and a frustum shape.
  • the mountain-shaped planar shape includes a circle, a square, and other shapes. Due to the mountain shape, the contact area between the common electrode 9 and the mountain pressure-sensitive layer 33 increases according to the pressure. In addition, the thickness of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is reduced toward the outer periphery, and the resistance value is decreased. In other words, when the pressure is low, only the apex (center in the radial direction) of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is in contact with the common electrode 9, and the contact area is small.
  • the common electrode 9 When the pressure is high, the common electrode 9 is in contact with the mountain-shaped middle (radially intermediate portion) or ridge (outer circumferential portion) of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33, and the contact area is large.
  • the height H of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is 5 to 100 ⁇ m in a wide range and 10 to 30 ⁇ m in a narrow range.
  • the diameter L of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is 0.1 to 1.0 mm in a wide range, and 0.3 to 0.6 mm in a narrow range.
  • the outer diameter of the sensitizing electrode 31 extends to a position slightly shorter than the outer diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33, the following effects can be obtained.
  • the conductive path of the mountain pressure-sensitive layer 33 (the shortest distance between the common electrode 9 passing through the mountain pressure-sensitive layer 33 and the sensitizing electrode 31) is long and the resistance value is high.
  • the conductive path of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is short and the resistance value is low.
  • the planar shapes of the sensitizing electrode 31 and the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 are both circular, a short portion of the conductive path spreads in a circular shape in plan view from the center to the outer peripheral side. That is, the sensitizing electrode 31 is a sensitizing portion in which each circumferential portion extends radially outward from the center.
  • the upper electrode member 3 and the lower electrode member 5 are bonded to each other by a frame spacer 13 at the peripheral portion as shown in FIG.
  • the frame spacer 13 is formed in a frame shape, and is made of, for example, an adhesive or a double-sided tape.
  • the plurality of sensitizing electrodes 31 and the mountain-shaped pressure-sensitive layers 33 are arranged in a matrix laid out on a plane.
  • the matrix form means a state in which the matrix is two-dimensionally arranged.
  • the frame spacer 13 ensures a gap between the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 even in the initial state. Thereby, zero pressure can be measured reliably. Furthermore, the initial resistance value change can be reliably measured since it starts from zero contact area.
  • the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 may be in contact with each other in the initial state.
  • the lower electrode member 5 includes a plurality of thin film transistors 30 (hereinafter referred to as “TFT 30”). Each TFT 30 is provided corresponding to each of the sensitizing electrodes 31 and functions as an electrode for current value detection.
  • the TFT 30 includes a source electrode 17, a drain electrode 19, and a gate electrode 21 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the TFT 30 is a top gate type.
  • the material which comprises a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode is not specifically limited.
  • the TFT may be a bottom gate type.
  • the source electrode 17 and the drain electrode 19 are formed on the upper surface of the insulating film 15.
  • the TFT 30 has an organic semiconductor 23 formed between the source electrode 17 and the drain electrode 19.
  • a known material such as silicon, an oxide semiconductor, or an organic semiconductor can be used.
  • the TFT 30 has a first insulating film 25 formed so as to cover the source electrode 17, the drain electrode 19, and the organic semiconductor 23.
  • the drain electrode 19 is connected to the sensitizing electrode 31 as described later.
  • the gate electrode 21 is formed above the organic semiconductor 23 on the upper surface of the first insulating film 25.
  • the TFT 30 has a second insulating film 27 that is formed on the upper surface of the first insulating film 25 and covers the gate electrode 21.
  • the plurality of sensitizing electrodes 31 are formed on the upper surface of the second insulating film 27.
  • the sensitizing electrode is connected to the TFT 30 via a conductive portion 29 formed in a through hole that penetrates the first insulating film 25 and the second insulating film 27.
  • the operation principle of the pressure sensor 1 will be described with reference to FIG.
  • a voltage is applied to the drain electrode 19 of the TFT 30 to which the gate voltage is input, a drain current corresponding to the resistance of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 flows. Since the resistance decreases as the pressure applied to the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 increases, an increase in drain current is detected.
  • the pressure sensor 1 has a circuit part (not shown).
  • the circuit unit controls the drain electrode 19, the source electrode 17, and the common electrode 9. For example, according to the power supply voltage for applying a predetermined voltage to the common electrode 9 and the source electrode 17 and the current value between the source and drain.
  • a current detection circuit that generates a signal and outputs it to an external signal processing device.
  • the external signal processing device detects the pressing position and the pressing force based on the signal sent from the circuit unit.
  • FIGS. 6 to 8 are schematic cross-sectional views of the pressure sensor in a state where pressure is applied.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the pressure of the pressure sensor and the electric resistance change rate.
  • the resistance of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 decreases.
  • the potential difference between the source and the drain when a constant voltage is applied by the voltage power supply depends on the resistance value of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 connected in series with the drain electrode 19. As a result, the potential difference between the source and the drain increases, and the amount of current flowing increases.
  • the signal processing device (not shown) reads the change in the signal according to the current amount, so that the pressure sensor 1 The amount of pressure applied (pressing force) can be detected.
  • a small force F ⁇ b> 1 is applied to the upper electrode member 3, so that the common electrode 9 contacts only the central portion or the apex of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33.
  • a medium force F ⁇ b> 2 is applied to the upper electrode member 3, and thus the common electrode 9 is also in contact with the outer peripheral side portion from the central portion of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33. That is, the contact surface between the common electrode 9 and the mountain pressure-sensitive layer 33 is widened.
  • a large force F ⁇ b> 3 is applied to the upper electrode member 3, and thus the common electrode 9 is in contact with a portion on the outer peripheral side of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33. That is, the contact surface between the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is further expanded.
  • the insulating film 7 and the common electrode 9 have elasticity. Thereby, the followability of the common electrode 9 to the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is improved when pressure is applied. In other words, when the pressure is high, the common electrode 9 is likely to be in close contact with the outer peripheral side of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 (the thin portion of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33). As a result, the difference in contact resistance of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is increased, that is, the measurement range is increased. In addition, since the insulating film 7 and the common electrode 9 have elasticity, the performance of restoring the insulating film 7 and the common electrode 9 when the pressure is removed is improved. As a result, reproducibility of repeated measurement is improved.
  • the insulating film 7 and the common electrode 9 have elasticity, so that the common electrode 9 is unlikely to crack or deform in the mountain-shaped pressure sensitive layer 33. As a result, the reliability of the pressure sensor 1 is improved.
  • the soft and thin base material is brought to the upper side as described above, the contact area does not change any more when the upper electrode 9 is completely in contact with the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33. Although the range is narrow, the difference in the contact area is large, so that the pressure resolution is increased.
  • the thickness and hardness of the substrate are appropriately selected according to the range to be measured.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the pressure of the pressure sensor and the electric resistance change rate.
  • a high rate of change is obtained in a low pressure region, that is, high sensitivity.
  • a predetermined resistance change rate is obtained in a high pressure region, that is, the pressure can be measured. The reason will be described below.
  • the sensitizing electrode 31 is such that the contact surface between the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 contacts the common electrode 9 toward the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 and the contact surface of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is It has a shape in which the distance from the outer edge of the contact surface is gradually shortened when spreading outward from the central portion in plan view. This is apparent from the fact that the distance H1 in FIG. 6, the distance H2 in FIG. 7, and the distance H3 in FIG. 8 are gradually shortened.
  • the distance H1 is, for example, 25 ⁇ m
  • H3 is, for example, 10 ⁇ m.
  • the resistance value is smaller than in the states of FIGS. 6 and 7, and thus the current value is larger.
  • the sensitizing electrode 31 spreads outward from the central portion of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 in plan view, the sensitivity of the pressure sensor is improved as a whole.
  • a high pressure is applied, as shown in FIG. 8, for example, when the outer edge of the contact surface where the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 are in contact with each other, a low pressure is applied (for example, FIG. 7). It will be in the state which is outside compared with. In this state, since the distance between the sensitizing electrode 31 and the outer edge of the contact surface is short, a short conductive path is ensured between the common electrode 9 and the sensitizing electrode 31. Therefore, even in a high pressure range, the sensitivity can be accurately measured without insufficient sensitivity. That is, the pressure sensor 1 can ensure a wide pressure measurement range that can be accurately measured.
  • the basic configuration is the same as that of the present embodiment, and a mountain-shaped pressure sensitive layer is provided.
  • the electrode provided individually is the condition as the sensitizing electrode of the present embodiment, “the sensitizing electrode has a chevron-shaped contact surface where the common electrode and the chevron-shaped pressure-sensitive layer contact each other when the pressing force acts.
  • the distance from the outer edge of the contact surface is gradually shortened when spreading outward from the center of the pressure layer.
  • the diameter of the individual electrode is 20% or less of the diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer, and the individual electrode has a contact surface where the common electrode and the mountain-shaped pressure-sensitive layer come into contact with each other when a pressing force is applied.
  • Comparative Example 1 the sensitivity is generally high, but when the high pressure is applied, the rate of change of resistance is close to 0%, that is, the pressure cannot be measured. Moreover, since there is no sensitizing effect in Comparative Example 1, there is a problem that the resistance value becomes larger than that of the present embodiment.
  • Comparative Example 2 the basic configuration is the same as in this embodiment, and the individual electrodes extend to the outer peripheral portion of the pressure-sensitive layer, but the pressure-sensitive layer has a flat upper surface. Therefore, the sensitivity is low overall. Further, when a high pressure is applied, the rate of change in resistance is close to 0%, that is, the pressure cannot be measured. In Comparative Example 3, a solid electrode is provided to face the common electrode instead of the active matrix method. Further, when a high pressure is applied, the rate of change in resistance is close to 0%, that is, the pressure cannot be measured.
  • the sensitizing electrode 31 has a diameter that extends to the vicinity of the outer edge of the contact surface where the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 can contact with each other in the maximum area. In this case, the aforementioned effects can be obtained to the maximum. Outside the outer edge of the contact surface, the common electrode 9 is not in contact with the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 even if the pressure is further increased. Therefore, even if the sensitizing electrode 31 is extended further outside, the effect is small. However, it is sufficient that the sensitizing electrode 31 has a diameter of 30% or more and 50% or more with respect to the diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33. Since the planar shape of the sensitizing electrode includes a circle and other shapes, the “diameter” here means an end in each direction from the center in plan view.
  • the sensitizing electrode 31 has a diameter shorter than the diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33. Thereby, since the sensitizing electrode 31 does not protrude from the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33, the possibility that the common electrode 9 and the sensitizing electrode 31 come into contact with each other is reduced. Actually, the sensitizing electrode 31 is set to have a diameter of 98% or less or 94% or less of the diameter of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 in consideration of manufacturing errors. However, even if the sensitizing electrode 31 protrudes from the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33, there is no practical problem as long as it does not come into contact with the common electrode 9.
  • insulating film 7 and the insulating film 15 Materials As the insulating film 7 and the insulating film 15, engineering plastics such as polycarbonate, polyamide, or polyether ketone, or resin films such as acrylic, polyethylene terephthalate, or polybutylene terephthalate are used. Can be used. In the case where the insulating film 7 requires stretchability, for example, a urethane film, silicon, or rubber is used.
  • the insulating film 7 and the insulating film 15 are preferably made of a material having heat resistance because the electrodes are printed and dried.
  • the common electrode 9 and the sensitizing electrode 31 are mainly composed of metal oxide films such as tin oxide, indium oxide, antimony oxide, zinc oxide, cadmium oxide, or indium tin oxide (ITO), and these metal oxides. It can be formed by a composite film or a metal film such as gold, silver, copper, tin, nickel, aluminum, or palladium.
  • ITO indium tin oxide
  • the mountain pressure-sensitive layer 33 is made of, for example, pressure-sensitive ink.
  • Pressure-sensitive ink is a material that enables pressure detection by changing the contact resistance with an opposing electrode in accordance with an external force.
  • the pressure sensitive ink layer can be arranged by coating.
  • a printing method such as screen printing, offset printing, gravure printing, or flexographic printing, or application by a dispenser can be used.
  • FIGS. 10 to 19 are schematic cross-sectional views showing a manufacturing method of the pressure sensor. First, each step of the method for manufacturing the lower electrode member 5 will be described with reference to FIGS.
  • an electrode material 37 is formed on one surface of the insulating film 15 by sputtering, for example.
  • a film exposed portion 39 is formed by removing a part of the electrode material 37 by, for example, a photolithography method.
  • the source electrode 17 and the drain electrode 19 are formed.
  • the formation method of the source electrode 17 and the drain electrode 19 is not specifically limited.
  • the organic semiconductor 23 is formed in the film exposed portion 39.
  • a method for forming the organic semiconductor 23 is a known technique.
  • the first insulating film 25 is formed so as to cover the surface on which the source electrode 17, the drain electrode 19 and the organic semiconductor 23 are formed.
  • the gate electrode 21 is formed above the organic semiconductor 23 on the upper surface of the first insulating film 25.
  • the formation method of the gate electrode 21 is a known technique.
  • the second insulating film 27 is formed so as to cover the entire first insulating film 25 on which the gate electrode 21 is formed.
  • a through hole reaching the drain electrode 19 is formed by laser in the first insulating film 25 and the second insulating film 27, and a conductive material 29 is filled therein to form a conductive portion 29.
  • the sensitizing electrode 31 is formed by a printing method and connected to the TFT 30 via the conductive portion 29.
  • a mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is formed on the sensitizing electrode 31 by a printing method.
  • the common electrode 9 is formed on one surface of the insulating film 7 by a printing method.
  • the material of the common electrode 9 may be formed on one surface of the insulating film 7 by sputtering, for example, and then the common electrode 9 may be formed by photolithography.
  • the upper electrode member 3 and the lower electrode member 5 are bonded together via a frame-shaped frame spacer 13 (FIG. 2) made of an adhesive, thereby completing the pressure sensor 1.
  • the sensitizing electrode 31 and the mountain-shaped pressure sensing layer 33 have a matrix shape in which rows and columns are completely aligned. It suffices if they are arranged in a matrix shape.
  • the planar layout of the sensitizing electrode 31 ⁇ / b> A and the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 ⁇ / b> A is a polygonal (for example, hexagonal, parallelogram) repeating lattice.
  • the planar layout of the sensitizing electrode 31 ⁇ / b> B and the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 ⁇ / b> B is not uniformly arranged, and gaps are formed at a plurality of locations.
  • planar shapes of the sensitizing electrode and the pressure-sensitive layer are both circular, but are not particularly limited.
  • the planar shapes of the sensitizing electrode 31C and the mountain-shaped pressure sensitive layer 33C are quadrangular. These planar shapes may be triangles or other polygons.
  • the common electrode 9 is in direct contact with the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 in the above embodiment, it may be in contact with another layer.
  • a pressure sensitive layer 35 is formed on the common electrode 9. In this case, if pressure acts, the pressure-sensitive layer 35 contacts the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33.
  • the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 has a dome shape and the side surface shape is a semicircular shape, but is not particularly limited.
  • the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 needs to have a predetermined height or more for the purpose of making contact with the common electrode 9 in a stepwise manner.
  • the angled pressure-sensitive layer 33 needs to have an inclination angle of a predetermined value or less.
  • the mountain-shaped pressure sensitive layer 33D has a conical shape, and the side surface shape is a triangle.
  • the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33E has a truncated cone shape and the side surface has a trapezoidal shape. In the case of a trapezoid, the top portion needs to be sufficiently smaller than the slope portion.
  • the said side surface shape of the mountain-shaped pressure sensitive layer may be provided only in the upper part of the mountain-shaped pressure sensitive layer.
  • only the upper portion of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33F has a dome shape.
  • only the upper part of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33G has a conical shape.
  • only the upper part of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33H is a frustum.
  • planar shapes of the sensitizing electrode and the mountain-shaped pressure-sensitive layer are substantially the same, but they may be different.
  • the amount of change in resistance value can be controlled by changing the shape of the sensitizing electrode. Specifically, when the resistance of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is too low compared to the resistance of the TFT 30, the resistance (current) of the mountain-shaped pressure-sensitive layer 33 is adjusted by reducing the area of the sensitizing electrode 31. Is done.
  • the planar shape of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is a circle, whereas the planar shape of the sensitizing electrode 31D is a cross. Therefore, a short portion of the conductive path spreads from the center of the sensitizing electrode 31D to the outer peripheral side along each protruding portion during pressurization.
  • the planar shape of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is a circle, whereas the planar shape of the sensitizing electrode 31E is a triangle. Therefore, a short portion of the conductive path spreads outward from the center of the sensitizing electrode 31E toward each corner during pressurization.
  • the planar shape of the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 is a circle
  • the planar shape of the sensitizing electrode 31F is a combination of a plurality of fan shapes, and a plurality of fan shapes are connected to the center. It has a land part. The land portion is connected to the TFT 30 by the conductive portion 29. Therefore, a short portion of the conductive path during pressurization spreads from the center of the sensitizing electrode 31F to the outer peripheral side along each fan shape.
  • the sensitizing electrodes 31D to 31F have a sensitizing portion extending radially outward from the central portion.
  • sensitizing part and the corresponding part of the mountain-shaped pressure-sensitive layer is the same as that described in the first embodiment. That is, the sensitizing portions of the sensitizing electrodes 31D to 31F are formed such that the conductive path between the portion extending radially outward from the central portion and the common electrode 9 becomes shorter as the pressure increases.
  • the plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers 33 are electrically independent from each other, but are not particularly limited. In the example shown in FIG. 32, the plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers 33I are in contact with or continuous with each other.
  • the vertices of the plurality of mountain-shaped pressure sensitive layers 33 are close to or in contact with the common electrode 9, but are not particularly limited.
  • dummy electrodes or spacers 41 are formed between the mountain-shaped pressure sensitive layers 33.
  • the spacer 41 has a mountain shape similar to the mountain pressure sensitive layer 33.
  • the spacer 41 is higher than the mountain-shaped pressure sensitive layer 33. Therefore, a gap is reliably ensured between the common electrode 9 and the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 at the time of non-pressurization, so that the pressure acting on the mountain-shaped pressure sensitive layer 33 can be made zero.
  • the spacer 41 is formed continuously from the mountain-shaped pressure sensitive layer 33.
  • the spacer 41 Since the spacer 41 has a mountain shape, the space above the pressure sensitive layer 31 is relatively large, and the common electrode 9 can easily follow the mountain pressure sensitive layer 33.
  • the shape of the spacer is not limited to the mountain shape, and the upper surface may be a flat surface. In the example shown in FIG. 34, the spacer 41 is formed away from the mountain-shaped pressure sensitive layer 33.
  • a thin film transistor is associated with each individual electrode, and the current of each thin film transistor is detected.
  • one thin film transistor was connected to one sensitizing electrode.
  • a plurality of thin film transistors may correspond to one sensitizing electrode, and currents of the plurality of thin film transistors may be detected.
  • two or more thin film transistors adjacent to one sensitizing electrode are connected. As a result, the detected current value is increased, and the circuit can be made redundant.
  • FIG. 4 An example in which a total of four 2 ⁇ 2 thin film transistors shown in FIG. 4 are made to correspond to one sensitizing electrode will be described.
  • the gate lines G1 and G2 are short-circuited
  • the source lines S1 and S2 are short-circuited
  • the four drain electrodes are further short-circuited to be connected to one sensitizing electrode via the through hole and the conductive portion.
  • a plurality of combination patterns may exist in one pressure device.
  • the present invention can be widely applied to pressure sensors having a pressure-sensitive layer and a large number of thin film transistors as electrodes.
  • the pressure sensor according to the present invention is suitable for a sheet sensor having a large area other than a touch panel.
  • the pressure sensor according to the present invention can be applied to walking measurement technology (medical, sports, and security fields) and bed bed slip measurement technology.
  • Pressure sensor 3 Upper electrode member 5: Lower electrode member 7: Insulating film 9: Common electrode 13: Frame spacer 15: Insulating film 17: Source electrode 19: Drain electrode 21: Gate electrode 23: Organic semiconductor 25: First 1 insulating film 27: second insulating film 29: conductive portion 30: thin film transistor 31: sensitizing electrode 33: mountain-shaped pressure sensitive layer 35: pressure sensitive layer

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Abstract

【課題】　互いに隙間を空けて配置された複数の電極を有する圧力センサにおいて、正確に測定できる圧力測定範囲を広くする。 【解決手段】　圧力センサ１は、共通電極９と、複数の増感電極３１と、複数の山型感圧層３３と、複数の薄膜トランジスタ３０とを備えている。共通電極９は、一面に広がって形成されている。複数の増感電極３１は、共通電極９に対向してマトリクス状に設けられている。複数の山型感圧層３３は、複数の増感電極３１の共通電極９側の上にそれぞれ形成されている。増感電極３１は、押圧力が共通電極９から山型感圧層３３及び増感電極３１に向かって作用することによって共通電極９と山型感圧層３３が接触する接触面が山型感圧層３３の平面視中心部から外側に広がっていくときに、接触面の外縁との距離が徐々に短くなる。

Description

圧力センサ
　本発明は、圧力センサ、特に、感圧層と電極として多数の薄膜トランジスタとを有する圧力センサに関する。
　圧力センサとして、感圧樹脂に多数の薄膜トランジスタを組み合わせたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
　感圧樹脂は、導電性粒子をシリコーンゴム等の絶縁樹脂内に分散させたものである。感圧樹脂では、圧力が加えられると、絶縁樹脂内において導電性粒子同士が接触することで、抵抗値が低下する。これにより、感圧樹脂に加えられた圧力を検知できる。
　多数の薄膜トランジスタは、マトリクス状に配置されており、電極として機能する。これにより、圧力検出の高速化、高解像度化、低消費電力化が可能になる。
特開２０１６―４９４０号公報
　感圧層と複数の電極が所定の隙間を空けて対向配置された圧力センサも知られている。
　一般的に、感圧層の接触面積の変化を用いた圧力センサは、感圧層の圧力測定範囲が狭いという問題を有している。具体的には、圧力－電気抵抗特性では、圧力が低い範囲では電気抵抗の変化割合は大きいが、圧力が高い範囲では電気抵抗の変化割合が小さい。その理由は、圧力が高くなっていっても、途中から感圧層と電極との接触面積は大きくならず、つまり接触抵抗が圧力に追従しないからである。この結果、圧力が高い範囲では、感度が不足して圧力を正確に測定できない。
　本発明の目的は、互いに隙間を空けて配置された複数の電極を有する圧力センサにおいて、正確に測定できる圧力測定範囲を広くすることにある。
　以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
　本発明の一見地に係る圧力センサは、共通電極と、複数の増感電極と、複数の山型感圧層と、複数の薄膜トランジスタとを備えている。
　共通電極は、一面に広がって形成されている。
　複数の増感電極は、共通電極に対向してマトリクス状に設けられている。
　複数の山型感圧層は、複数の増感電極の共通電極側の上にそれぞれ形成されている。
　複数の薄膜トランジスタは、複数の増感電極に対応して複数の増感電極の共通電極と反対側に設けられ、１又は隣接する２以上が１つの増感電極に接続される。
　増感電極は、押圧力が共通電極に対して山型感圧層及び増感電極に向かって作用することによって共通電極と山型感圧層が接触する接触面が山型感圧層の平面視中心部から外側に広がっていくときに、接触面の外縁との距離が徐々に短くなる。
　なお、「山型」とは、頂部（又は中心部）と周縁部とを有しており、ドーム形状、錐体形状、錐台形状を含む。山型の平面形状は、円、四角、その他の形状を含む。
　また、「外側」とは、平面視において山型感圧層の中心部から離れる側を意味する。
　この圧力センサでは、山型感圧層を用いているので、圧力が作用すると共通電極と山型感圧層との接触面積が徐々に大きくなる。したがって、圧力の測定範囲が広くなっている。
　さらに、高圧力が作用すると、共通電極と山型感圧層が接触する接触面の外縁が、低圧力が作用した場合に比べて外側にある状態になり、この状態では、増感電極と接触面の外縁との距離が短くなっているので、共通電極と増感電極と間で短い導電パスが確保されている。したがって、接触面積変化が小さくなる高圧力範囲においても、感度が高く圧力を正確に測定できる。つまり、圧力センサにおいて、正確に測定できる圧力測定範囲を広く確保できる。
　さらに、山型感圧層の頂点部分の面積が小さくなっているので、低圧力範囲も正確に測定できる。
　増感電極は、山型感圧層の径に対して３０％以上の長さの径を有していてもよい。この場合、前述の効果が確実に得られる。
　なお、増感電極の平面形状は円及び他の形状を含んでいるので、ここでの「径」とは、平面視中心から各方向の端までの長さを意味する。
　増感電極は、山型感圧層の径に対して５０％以上の長さの径を有していてもよい。この場合、前述の効果がより確実に得られる。
　増感電極は、共通電極と山型感圧層が最大面積で接触可能な接触面の外縁近傍まで延びる径を有していてもよい。この場合、前述の効果がより確実に得られる。
　増感電極は、山型感圧層に完全に覆われていてもよい。
　この圧力センサでは、増感電極が山型感圧層からはみ出ることがないので、共通電極と増感電極が接触する可能性が少なくなる。
　圧力センサは、共通電極の複数の増感電極と反対側に設けられた絶縁基材をさらに備えていてもよい。
　絶縁基材及び共通電極は伸縮性を有していてもよい。
　この圧力センサでは、絶縁基材及び共通電極は伸縮性を有しているので、圧力が作用したとき共通電極が山型感圧層の外周側に接触しやすい。したがって、圧力の分解能が向上する。さらに、伸縮性を有する絶縁基材及び共通電極は圧力を緩和したときに元の形状に戻るので、繰り返し正確な測定が可能である。
　本発明に係る圧力センサでは、正確に測定できる圧力測定範囲が広くなる。
本発明の第１実施形態に係る圧力センサの概略断面図。 圧力センサの部分概略断面図。 圧力センサの下側電極部材の概略平面図。 増感電極と感圧層の模式的平面図。 圧力センサの等価回路図。 圧力が作用した状態での圧力センサの概略断面図。 圧力が作用した状態での圧力センサの概略断面図。 圧力が作用した状態での圧力センサの概略断面図。 圧力センサの圧力と電気抵抗変化率との関係を示すグラフ。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 圧力センサの製造方法を示す模式的断面図。 感圧層及び増感電極の平面レイアウトの変形例を示す模式的平面図。 感圧層及び増感電極の平面レイアウトの変形例を示す模式的平面図。 感圧層及び増感電極の平面形状の変形例を示す模式的平面図。 感圧層及び増感電極の立体形状の変形例を示す模式的断面図。 感圧層及び増感電極の立体形状の変形例を示す模式的側面図。 感圧層及び増感電極の立体形状の変形例を示す模式的側面図。 感圧層及び増感電極の立体形状の変形例を示す模式的側面図。 感圧層及び増感電極の立体形状の変形例を示す模式的側面図。 感圧層及び増感電極の立体形状の変形例を示す模式的側面図。 増感電極と感圧層の模式的平面図。 増感電極と感圧層の模式的平面図。 増感電極と感圧層の模式的平面図。 圧力センサの部分概略断面図。 圧力センサの部分概略断面図。 圧力センサの部分概略断面図。
１．第１実施形態
（１）圧力センサの基本構成
　図１～図５を用いて、第１実施形態に係る圧力センサ１を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。図２は、圧力センサの部分概略断面図である。図３は、圧力センサの下側電極部材の概略平面図である。図４は、増感電極と感圧層の模式的平面図である。図５は、圧力センサの等価回路図である。
　圧力センサ１は、押圧力が作用すると押圧位置と押圧力を検出する装置である。圧力センサ１は、例えば、スマートフォン、タブレットＰＣ、ノートＰＣのタッチパネルに採用される。
　圧力センサ１は、上側電極部材３を有している。上側電極部材３は、押圧力が作用する平面状の部材である。上側電極部材３は、絶縁フィルム７と、その下面に全面的につまり一面に広がって又はパターニングされて形成された共通電極９とを有している。
　圧力センサ１は、下側電極部材５を有している。下側電極部材５は、上側電極部材３の下方に配置された平面状の部材である。下側電極部材５は、例えば矩形の絶縁フィルム１５と、その上面に形成された複数の増感電極３１を有している。増感電極は、個別電極又は画素電極ともいう。
　下側電極部材５は、複数の山型感圧層３３を有している。複数の山型感圧層３３は、複数の増感電極３１の共通電極９側の上にそれぞれ形成されている。概略的に説明すれば、図２及び図４に示すように、山型感圧層３３は増感電極３１全体を覆っており、外径もわずかに大きい。したがって、平面視では増感電極３１は山型感圧層３３によって隠れている。
　なお、「山型」とは、頂部（又は中心部）と周縁部とを有しており、ドーム形状、錐体形状、錐台形状を含む。山型の平面形状は、丸、四角、その他の形状を含む。
　山型であることで、圧力に応じて共通電極９と山型感圧層３３の接触面積が増加する。また、外周にいくほど山型感圧層３３の厚みが小さくなり、抵抗値が下がる。言い替えると、低圧力のときは、山型感圧層３３の頂点（半径方向中心）のみが共通電極９に接触しており接触面積が小さい。高圧力のときは、山型感圧層３３の山型の中腹（半径方向中間部）又は麓（外周部）まで共通電極９が接触しており接触面積が大きい。
　一例として、山型感圧層３３の高さＨは、広い範囲では５～１００μｍであり、狭い範囲では１０～３０μｍである。山型感圧層３３の径Ｌは、広い範囲では０．１～１．０ｍｍであり、狭い範囲では０．３～０．６ｍｍである。
　なお、増感電極３１の外径が山型感圧層３３の外径よりわずかに短い位置まで延びて形成されているので、以下の効果が得られる。低圧力のときは、山型感圧層３３の導電パス（山型感圧層３３を通る共通電極９と増感電極３１との最短距離）が長くて抵抗値が高い。高圧力のときは、山型感圧層３３の導電パスが短くて抵抗値が低い。なお、この実施形態では、増感電極３１と山型感圧層３３の平面形状がともに円であるので、導電パスの短い部分は中心から外周側に平面視円形で広がっていく。つまり、増感電極３１は円周方向の各部分が、中心部から半径方向外側に延びる増感部となっている。
　上側電極部材３と下側電極部材５は、図２に示すように、周縁部において額縁スペーサ１３によって互いに接着されている。額縁スペーサ１３は額縁状に形成されており、例えば、粘着剤、両面テープからなる。
　図３に示すように、複数の増感電極３１及び山型感圧層３３は、平面に敷き詰められたマトリクス状に配置されている。マトリクス状とは、行列状に二次元配列されている状態をいう。また、図１及び図２に示すように、額縁スペーサ１３によって、初期状態でも共通電極９と山型感圧層３３との間には、隙間が確保されている。これにより、圧力ゼロを確実に測定できる。さらに初期の抵抗値変化も、接触面積ゼロからのスタートになるので確実に測定できる。ただし、初期状態で共通電極９と山型感圧層３３が接触していてもよい。
　共通電極９の領域が山型感圧層３３に向かって押し下げられると、共通電極９と押し下げ領域に位置付けられている増感電極３１が電気的に導通する。押し下げは、例えば、指、スタイラスペン、棒、手の平、足裏で行えばよい。電極ピッチは例えば０．３～０．７ｍｍである。
　下側電極部材５は、複数の薄膜トランジスタ３０（以下、「ＴＦＴ３０」という）を有している。各ＴＦＴ３０は、増感電極３１の各々に対応して設けられており、電流値検出用の電極として機能する。
（２）ＴＦＴ及び増感電極の関係
　ＴＦＴ３０は、図１及び図２に示すように、ソース電極１７と、ドレイン電極１９と、ゲート電極２１とを有している。ＴＦＴ３０は、トップゲート型である。ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を構成する材料は、特に限定されない。また、ＴＦＴはボトムゲート型であってもよい。
　ソース電極１７とドレイン電極１９は、絶縁フィルム１５の上面に形成されている。ＴＦＴ３０は、ソース電極１７及びドレイン電極１９間に形成された有機半導体２３を有している。このような半導体層を構成する材料としては、公知の材料、例えば、シリコン、酸化物半導体、有機半導体を用いることができる。
　ＴＦＴ３０は、ソース電極１７、ドレイン電極１９及び有機半導体２３を覆うように形成された第１絶縁膜２５を有している。
　ドレイン電極１９は、後述するように、増感電極３１に接続されている。ゲート電極２１は、第１絶縁膜２５の上面において有機半導体２３の上方に形成されている。
　ＴＦＴ３０は、第１絶縁膜２５の上面に形成されゲート電極２１を覆う第２絶縁膜２７を有している。
　複数の増感電極３１は、第２絶縁膜２７の上面に形成されている。増感電極は、第１絶縁膜２５及び第２絶縁膜２７を貫通する貫通孔に形成された導電部２９を介して、ＴＦＴ３０に接続されている。
　図５を用いて、圧力センサ１の動作原理を説明する。ゲート電圧を入力したＴＦＴ３０のドレイン電極１９に電圧を印加すると、山型感圧層３３の抵抗に対応するドレイン電流が流れる。そして、山型感圧層３３に加わる圧力が高くなると抵抗が下がるので、ドレイン電流の増加が検出される。圧力センサ１上のＴＦＴ３０を掃引してゲート電圧を加えドレイン電流を測定することにより、シート表面の圧力分布を観測できる。
　圧力センサ１は、回路部（図示せず）を有している。回路部は、ドレイン電極１９、ソース電極１７及び共通電極９を制御するものであり、例えば、共通電極９、ソース電極１７に所定電圧を印加する電源電圧と、ソース－ドレイン間の電流値に応じた信号を発生して外部の信号処理装置へ出力する電流検出回路とを有している。外部の信号処理装置は、回路部から送られてきた信号に基づいて、押圧位置及び押圧力を検出する。
（３）押圧動作及び圧力測定動作
　図６～図９を用いて、押圧動作及び圧力測定動作を説明する。図６～図８は、圧力が作用した状態での圧力センサの概略断面図である。図９は、圧力センサの圧力と電気抵抗変化率との関係を示すグラフである。
　圧力が加えられると、山型感圧層３３の抵抗が低下する。電圧電源により一定の電圧を加えたときのソース－ドレイン間の電位差は、ドレイン電極１９と直列に接続された山型感圧層３３の抵抗値に依存する。その結果、ソース－ドレイン間の電位差が大きくなり、流れる電流量が増加する。したがって山型感圧層３３に与える押圧力と電流量とを予め取得しておけば、信号処理装置（図示せず）は、電流量に応じた信号の変化を読み取ることで、圧力センサ１に印加される圧力量（押圧力）を検知できる。
　図６では、上側電極部材３に小さな力Ｆ１が作用しており、したがって共通電極９は山型感圧層３３の中心部又は頂点のみに接触する。
　図７では、上側電極部材３に中くらいの力Ｆ２が作用しており、したがって共通電極９は、山型感圧層３３の中心部からさらに外周側の部分にも接触する。つまり、共通電極９と山型感圧層３３の接触面が広がっている。
　図８では、上側電極部材３に大きな力Ｆ３が作用しており、したがって共通電極９は、山型感圧層３３のさらに外周側の部分まで接触している。つまり、共通電極９と山型感圧層３３の接触面がさらに広がっている。
　絶縁フィルム７と共通電極９とは、伸縮性を有していることが好ましい。それにより、圧力が作用したとき共通電極９の山型感圧層３３に対する追従性が向上する。言い換えると、高圧力の場合に共通電極９が山型感圧層３３の外周側（山型感圧層３３の薄い部分）にまで密着しやすい。この結果、山型感圧層３３の接触抵抗の差が大きくなり、つまり測定範囲が大きくなる。
　また、絶縁フィルム７と共通電極９が伸縮性を有することで、圧力がなくなったときに絶縁フィルム７と共通電極９が復元する性能が向上する。この結果、繰り返し測定の再現性が向上する。
　一般的に、絶縁フィルム７及び共通電極９に圧力が加わると大面積の撓みが発生するが、複数の小面積の感圧層及び電極に集中して荷重が作用することになり、その場合に絶縁フィルム７と共通電極９にクラックや変形が発生するというおそれがあった。しかし、本実施形態では、絶縁フィルム７と共通電極９が伸縮性を有することで、山型感圧層３３に共通電極９にクラックや変形が生じにくい。この結果、圧力センサ１の信頼性が向上する。
　なお、上記のように柔らかく薄い基材を上部に持ってきた場合は、上部電極９が山型感圧層３３山の麓まで完全に接触した場合にそれ以上接触面積は変化しなくなるので圧力測定範囲は狭くなるが、接触面積の差が大きいので圧力の分解能が大きくなる。なお、基材の厚みや硬さは、測定したい範囲に応じて適宜選択される。
　図９を用いて、本実施形態、比較例１、比較例２、比較例３について、圧力に対する抵抗の変化率を説明する。図９は、圧力センサの圧力と電気抵抗変化率との関係を示すグラフである。
　本実施形態では、低圧力の領域において、高い変化率が得られ、つまり高感度である。また、本実施形態では、高圧力の領域において、所定の抵抗の変化率が得られ、つまり圧力を測定可能である。以下、その理由を説明する。
　増感電極３１は、共通電極９に対して山型感圧層３３に向かって押圧力が作用することによって共通電極９と山型感圧層３３が接触する接触面が山型感圧層の平面視中心部から外側に広がっていくときに、接触面の外縁との距離が徐々に短くなる形状を有している。このことは、図６の距離Ｈ１、図７の距離Ｈ２、図８の距離Ｈ３が徐々に短くなっていることから明らかである。
　距離Ｈ１は例えば２５μｍであり、Ｈ３は例えば１０μｍである。このように図８の状態では図６及び図７の状態に比べて、抵抗値が小さくなり、したがって電流値が大きくなる。
　また、増感電極３１が山型感圧層３３の平面視中心部から外側に広がっているので、圧力センサの感度が全体的に向上している。
　以上の構成により、高圧力が作用すると、例えば図８に示すように、共通電極９と山型感圧層３３が接触する接触面の外縁が、低圧力が作用した場合（例えば、図７）に比べて外側にある状態になる。この状態では、増感電極３１と接触面の外縁との距離が短くなっているので、共通電極９と増感電極３１と間で短い導電パスが確保されている。したがって、圧力が高い範囲でも、感度が不足せず、圧力を正確に測定できる。つまり、圧力センサ１において、正確に測定できる圧力測定範囲を広く確保できる。
　比較例１では、基本的な構成は本実施形態と同じであって、山型感圧層が設けられている。しかし、個別に設けられた電極が、本実施形態の増感電極としての条件「増感電極は、押圧力が作用することによって共通電極と山型感圧層が接触する接触面が山型感圧層中心部から外側に広がるときに、接触面の外縁との距離が徐々に短くなる」を満たしていない。例えば、個別の電極の径が山型感圧層の径の２０％又はそれ以下であって、個別の電極は、押圧力が作用することによって共通電極と山型感圧層が接触する接触面が山型感圧層の平面視中心部から外側に広がるときに、接触面の外縁との距離が徐々に長くなる形状を有しているような場合である。したがって、比較例１では、感度は全体的に高くなっているが、高圧力が作用しているときに、抵抗の変化率が０％に近くなり、つまり圧力を測定できない。
　また、比較例１では増感作用がないので、抵抗値が本実施形態に比べて大きくなる問題がある。
　比較例２では、基本的な構成は本実施形態と同じであって、個別の電極は感圧層の外周部分まで広がっているが、感圧層は平坦な上面を有する。したがって、感度は全体的に低くなっている。また、高圧力が作用しているときに、抵抗の変化率が０％に近くなり、つまり圧力を測定できない。
　比較例３では、アクティブマトリクス方式ではなく、共通電極に対向してベタ電極が設けられている。また、高圧力が作用しているときに、抵抗の変化率が０％に近くなり、つまり圧力を測定できない。
　本実施形態では、増感電極３１は、共通電極９と山型感圧層３３が最大面積で接触可能な接触面の外縁近傍まで延びる径を有している。この場合、前述の効果が最大限得られる。上記の接触面の外縁の外側では、それ以上圧力が高くなっても、山型感圧層３３に対して共通電極９は接触しない。したがって、増感電極３１もそれ以上外側に延ばしても効果が少ない。
　ただし、増感電極３１は、山型感圧層３３の径に対して３０％以上、５０％以上の長さの径を有していれば十分である。
　なお、増感電極の平面形状は円形及び他の形状を含んでいるので、ここでの「径」とは、平面視中心から各方向の端を意味する。
　増感電極３１は、山型感圧層３３の径より短い径を有している。これにより増感電極３１が山型感圧層３３からはみ出ることがないので、共通電極９と増感電極３１が接触する可能性が減る。実際には、増感電極３１は、製造誤差を考慮して山型感圧層３３の径の９８％以下、又は９４％以下の径を有するように設定される。ただし、増感電極３１が山型感圧層３３からはみ出ていたとしても共通電極９と接触することがなければ実用上は問題がない。
（４）材料
　絶縁フィルム７、絶縁フィルム１５としては、ポリカーボネート系、ポリアミド系、若しくは、ポリエーテルケトン系などのエンジニアリングプラスチック、又は、アクリル系、ポリエチレンテレフタレート系、若しくは、ポリブチレンテレフタレート系などの樹脂フィルムを用いることができる。
　絶縁フィルム７に伸縮性を要求する場合は、例えばウレタンフィルム、シリコン、ゴムである。絶縁フィルム７及び絶縁フィルム１５は、電極を印刷して乾燥するので耐熱性を有する材料が好ましい。
　共通電極９、増感電極３１としては、酸化錫、酸化インジウム、酸化アンチモン、酸化亜鉛、酸化カドミウム、若しくは、インジウムチンオキサイド（ＩＴＯ）などの金属酸化物膜、これらの金属酸化物を主体とする複合膜、又は金、銀、銅、錫、ニッケル、アルミニウム、若しくは、パラジウムなどの金属膜によって、形成することができる。共通電極９に伸縮性を要求する場合は、例えば、伸縮性Ａｇペーストである。
　山型感圧層３３は、例えば感圧インキからなる。感圧インキは、外力に応じて対向する電極との接触抵抗が変化することよって圧力検出を可能にする材料である。感圧インキ層は、塗布により配置できる。感圧インキ層の塗布方法としては、スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、又はフレキソ印刷などの印刷法、又はディスペンサによる塗布を用いることができる。
（５）圧力センサの製造方法
　図１０～図１９を用いて、圧力センサ１の製造方法を説明する。図１０～図１９は、圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。
　最初に、図１０～図１８を用いて、下側電極部材５の製造方法の各ステップを説明する。
　図１０に示すように、絶縁フィルム１５の一面に、例えばスパッタリングによって電極材料３７を形成する。
　図１１に示すように、例えばフォトリソグラフィー法によって電極材料３７の一部を除去することで、フィルム露出部３９を形成する。また、これにより、ソース電極１７とドレイン電極１９を形成する。なお、ソース電極１７とドレイン電極１９の形成手法は特に限定されない。
　図１２に示すように、フィルム露出部３９において有機半導体２３を形成する。有機半導体２３の形成方法は公知の技術である。
　図１３に示すように、ソース電極１７、ドレイン電極１９及び有機半導体２３が形成された面を覆うように、第１絶縁膜２５を形成する。
　図１４に示すように、第１絶縁膜２５の上面において有機半導体２３の上方に、ゲート電極２１を形成する。ゲート電極２１の形成手法は公知の技術である。
　図１５に示すように、ゲート電極２１の形成された第１絶縁膜２５全体を覆うように、第２絶縁膜２７を形成する。
　図１６に示すように、第１絶縁膜２５と第２絶縁膜２７にレーザによってドレイン電極１９に至る貫通孔を形成し、そこに導電材料を埋めることで導電部２９を形成する。
　図１７に示すように、増感電極３１を印刷法によって形成し、導電部２９を介してＴＦＴ３０と接続する。
　図１８に示すように、増感電極３１の上に山型感圧層３３を印刷法によって形成する。
　次に、図１９を用いて、上側電極部材３の製造を説明する。
　図１９に示すように、印刷法によって絶縁フィルム７の一面に共通電極９を形成する。なお、絶縁フィルム７の一面に例えばスパッタリングによって共通電極９の材料を形成し、続いてフォトリソグラフィー法によって共通電極９を形成してもよい。
　最後に、上側電極部材３と下側電極部材５とを接着剤からなる額縁状の額縁スペーサ１３（図２）を介して貼り合わせることで、圧力センサ１を完成させる。
（６）増感電極及び感圧層の平面レイアウトの変形例
　前記実施形態では増感電極３１と山型感圧層３３は行と列が完全にそろったマトリクス形状であったが、広い意味でのマトリクス形状に配置されていればよい。
　図２０に示す例では、増感電極３１Ａ及び山型感圧層３３Ａの平面レイアウトは、多角形（例えば、六角形、平行四辺形）の繰り返し格子である。
　図２１に示す例では、増感電極３１Ｂ及び山型感圧層３３Ｂの平面レイアウトは、均一に並んでおらず、複数箇所に隙間が形成されている。
（７）増感電極及び感圧層の平面形状
　前記実施形態では増感電極３１と山型感圧層３３の平面形状は共に円であったが、特に限定されない。
　図２２に示す例では、増感電極３１Ｃ及び山型感圧層３３Ｃの平面形状は四角形である。これらの平面形状は、三角形、その他の多角形でもよい。
（８）共通電極の変形例
　前記実施形態では共通電極９は山型感圧層３３に直接接触するようになっていたが、他の層を介して接触してもよい。
　図２３に示す例では、共通電極９に感圧層３５が形成されている。この場合、圧力が作用すれば、感圧層３５が山型感圧層３３に接触する。
（９）感圧層の側面形状の変形例
　前記実施形態では、山型感圧層３３はドーム形状であって側面形状は半円形状であったが、特に限定されない。ただし、所望の効果を得るためには、共通電極９と段階的に接触することを目的として、山型感圧層３３は高さが所定以上であることが必要である。また、共通電極を外周側の側面部に接触させるためには、山型感圧層３３は傾斜角度が所定以下であることが必要である。
　図２４に示す例では、山型感圧層３３Ｄは円錐形状であって、側面形状は三角形である。
　図２５に示す例では、山型感圧層３３Ｅは円錐台形状であって、側面形状は台形である。台形の場合は、頂上部は斜面部より面積が十分に小さい必要がある。
　また、山型感圧層の上記側面形状は、山型感圧層の上部のみに設けられていてもよい。
　図２６に示す例では、山型感圧層３３Ｆの上部のみがドーム形状になっている。
　図２７に示す例では、山型感圧層３３Ｇの上部のみが円錐になっている。
　図２８に示す例では、山型感圧層３３Ｈの上部のみが錐台になっている。
（１０）増感電極の平面形状の変形例
　前記実施形態では、増感電極と山型感圧層の平面形状は概ね同じであったが、両者は異なっていてもよい。特に増感電極の形状を変更することで、抵抗値変化量をコントロールできる。
　具体的には、ＴＦＴ３０の抵抗に比べて山型感圧層３３の抵抗が低すぎる場合は、増感電極３１の面積を減らすことで山型感圧層３３の抵抗（電流）を調整することが行われる。
　図２９に示す例では、山型感圧層３３の平面形状が円であるのに対して、増感電極３１Ｄの平面形状は十字である。したがって、導電パスの短い部分は、加圧時に増感電極３１Ｄの中心から各突出部に沿って外周側に広がっていく。
　図３０に示す例では、山型感圧層３３の平面形状が円であるのに対して、増感電極３１Ｅの平面形状は三角形である。したがって、導電パスの短い部分は、加圧時に増感電極３１Ｅの中心から各角に向かって外周側に広がっていく。
　図３１に示す例では、山型感圧層３３の平面形状が円であるのに対して、増感電極３１Ｆの平面形状は複数の扇形状の組合せであり、中心に複数の扇形状を連結するランド部を有する。ランド部は導電部２９によってＴＦＴ３０に接続されている。したがって、加圧時に導電パスの短い部分は、増感電極３１Ｆの中心から各扇形状に沿って外周側に広がっていく。
　上述したように、いずれの場合も、増感電極３１Ｄ～３１Ｆは、中心部から半径方向外側に延びる増感部を有している。増感部と山型感圧層の対応部分との関係は、第１実施形態記載の内容と同じである。つまり、増感電極３１Ｄ～３１Ｆの増感部は、圧力が高くなるにつれて、中心部から半径方向外側に延びる部分と共通電極９との間の導電パスが短くなるように形成されている。
（１１）その他の変形例
　前記実施形態では、複数の山型感圧層３３は互いに電気的に独立していたが、特に限定されない。
　図３２に示す例では、複数の山型感圧層３３Ｉは互いに接触又は連続している。
　前記実施形態では、複数の山型感圧層３３の頂点が共通電極９に近接又は当接していたが、特に限定されない。
　図３３に示す例では、山型感圧層３３の間に、ダミー電極又はスペーサ４１が形成されている。スペーサ４１は、山型感圧層３３と同じく山型形状である。スペーサ４１は山型感圧層３３より高い。したがって、非加圧時に共通電極９と山型感圧層３３との間には隙間が確実に確保され、そのため山型感圧層３３に作用する圧力をゼロにできる。図３３では、スペーサ４１は山型感圧層３３から連続して形成されている。　なお、スペーサ４１の形状が山型であるので、感圧層３１の周囲上側の空間が比較的大きくなっており、そのため共通電極９が山型感圧層３３に追従しやすい。ただし、スペーサの形状は山型に限定されず、上面が平面であってもよい。
　図３４に示す例では、スペーサ４１は山型感圧層３３から離れて形成されている。
（１２）薄膜トランジスタの変形例
　前記実施形態では、各個別電極に薄膜トランジスタを対応させ、さらに各薄膜トランジスタの電流を検出していた。言い換えると、１つの増感電極に１つの薄膜トランジスタが接続されていた。
　しかし、１つの増感電極に複数の薄膜トランジスタを対応させ、複数の薄膜トランジスタの電流を検出するようにしてもよい。具体的には、１つの増感電極に隣接する２以上の薄膜トランジスタが接続される。これにより検出される電流値が大きくなり、さらに、回路に冗長性をもたすことができる。
　図４に示す２×２の合計４個の薄膜トランジスタを１個の増感電極に対応させる場合の例を説明する。その場合は、ゲートラインＧ１、Ｇ２を短絡し、ソースラインＳ１、Ｓ２を短絡し、さらに４個のドレイン電極を短絡させて貫通孔及び導電部を介して１個の増感電極に接続する。
　薄膜トランジスタの組み合わせパターンは複数可能であり、例えば、２×３、３×２、４×４、５×２でもよい。また、１つの圧力装置に複数の組み合わせパターンが存在してもよい。
２．他の実施形態
　以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
　本発明は、感圧層と電極として多数の薄膜トランジスタとを有する圧力センサに広く適用できる。特に、本発明に係る圧力センサは、タッチパネル以外に、大面積のシートセンサに適している。具体的には、本発明に係る圧力センサは、歩行の測定技術（医療、スポーツ、セキュリティの分野）、ベッドの床ずれ測定技術に適用できる。
１　　　：圧力センサ
３　　　：上側電極部材
５　　　：下側電極部材
７　　　：絶縁フィルム
９　　　：共通電極
１３　　：額縁スペーサ
１５　　：絶縁フィルム
１７　　：ソース電極
１９　　：ドレイン電極
２１　　：ゲート電極
２３　　：有機半導体
２５　　：第１絶縁膜
２７　　：第２絶縁膜
２９　　：導電部
３０　　：薄膜トランジスタ
３１　　：増感電極
３３　　：山型感圧層
３５　　：感圧層

Claims (6)

  1. 　一面に広がって形成された共通電極と、
    　前記共通電極に対向してマトリクス状に設けられた複数の増感電極と、
    　前記複数の増感電極の前記共通電極側の上にそれぞれ形成された複数の山型感圧層と、
    　前記複数の増感電極に対応して前記複数の増感電極の前記共通電極と反対側に設けられ、１又は隣接する２以上が１つの増感電極に接続される複数の薄膜トランジスタと、を備え、
    　前記増感電極は、押圧力が前記共通電極に対して前記山型感圧層及び前記増感電極に向かって作用することによって前記共通電極と前記山型感圧層が接触する接触面が前記山型感圧層の平面視中心部から外側に広がっていくときに、前記接触面の外縁との距離が徐々に短くなる、圧力センサ。
  2. 　前記増感電極は、前記山型感圧層の径に対して３０％以上の長さの径を有している、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記増感電極は、前記山型感圧層の径に対して５０％以上の長さの径を有している、請求項２に記載の圧力センサ。
  4. 　前記増感電極は、前記共通電極と前記山型感圧層が最大面積で接触可能な接触面の外縁近傍まで延びる径を有している、請求項３に記載の圧力センサ。
  5. 　前記増感電極は、前記山型感圧層に完全に覆われている、請求項１～４のいずれかに記載の圧力センサ。
  6. 　前記共通電極の前記複数の増感電極と反対側に設けられた絶縁基材をさらに備え、
    　前記絶縁基材及び前記共通電極は伸縮性を有する、請求項１～５のいずれかに記載の圧力センサ。
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