專利名稱：具有包含碳納米管或半導(dǎo)體納米線的復(fù)合隔膜的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感裝置。具體地，本發(fā)明涉及使用復(fù)合隔膜的傳感裝置，在所述復(fù)合隔膜中將納米管或納米線嵌入或夾在高介電或絕緣薄膜之間。
背景技術(shù)：
從技術(shù)的角度來看，納米級材料的最近發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了重要意義。碳
納米管(CNT)因其機械、電、和熱特性而得到了很大關(guān)注。已經(jīng)提出了使用多種不同感測機制來感測壓力、溫度、氣體以及其他參數(shù)的碳納米管技術(shù)的許多應(yīng)用。已開發(fā)了諸如硅、砷化鎵、以及磷化銦等材料的半導(dǎo)體納米線，并且這種半導(dǎo)體納米線由于潛在感測應(yīng)用而受
到關(guān)注。
在以下文獻中可以看到所提出的使用碳納米管或半導(dǎo)體納米線的傳感器John Liu， "Design, Fabrication, and Testing of PiezoresistivePressure Sensors Using Carbon Nanotubes", Stanford NanofabricationFacility (2002); Takao Someya等人，"Alcohol Vapor Sensors Based OnSingle-Walled Carbon Nanotube Field Effect Transistors" Nano LettersVol. 3, No. 7, 877-881 (2003); Tsu-Wei Chou等人，"NanomechanicalSensors Based On Carbon Nanotube Arrays", NSF Nanoscale Science andEngineering Grantess Conference, December 16-18， 2003; Paolo Lugli,"Plastronics molecular, organic and biological electronics: an overview:Micro-Nano Technologies for Space", May 2003; Jian Wu,"Computational Design Of Carbon Nanotube Electromechanical PressureSensors", The American Physical Society (2004); Alexander Star等人,"Nanoelectronic Carbon Dioxide Sensors", Advanced Materials 16, No.22， pages 2049-2052 (2004); Randal J. Grow等人"Piezoresistance OfCarbon Nanotubes On Deformable Thin-Film Membranes", AppliedPhysics Letters (2005); Progress Report for ITAS MSFT "NanoscaleDevices and Material Integration: Carbon Nanotube Based Materials forNDE"， April, 2005; Feng Liu教授，Computational R&D for IndustrialApplications, Center for High-Performance Computing, Fall, 2005;Danvers E. Johnston 等人,"Electronic Devices Based on PurifiedCarbon Nanotubes Grown By High Pressure Decomposition of CarbonMo墜ide"， February 7, 2005; C. Stampfer等人 "Fabrication ofSingle-Walled Carbon-Nanotube-Based Pressure Sensors" (2006); Dr.Christofer Hierold教授"FEM Simulations On Single-Walled CarbonNanotube Based Pressure Sensor Systems" Mikro- Und Nanostysteme(2006》Chunyu Li "Atomistic Modeling Of Carbon Nanotube-BasedMechanical Sensors" Journal of Intelligent Material Systems andStructures, Vol. 17， No. 3, 247-254 (2006); In層Mook Choi等人，"Development Of Low Pressure Sensor Based On Carbon Nanotube FieldEmission" Metrologia (2006》 Sinha等人，"Carbon Nanotube-BasedSensors", Ingentaconnect (2006); NASA, "Nanoscale Mass Transport andCarbon Nanotube Based Membranes', (2006).
在Jin的美國專利No. 6,286,226和Miyajima等人的美國專利No.6,848,320、以及Chen等人的專利申請公開US 2004/0001778、 Kurtz的專利申請公開US 2004/0188780 、和Gokturk的專利申請公開US2005/0036905中，也描述了使用納米管或納米線的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
一種傳感器，包括具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的可偏轉(zhuǎn)部件，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)是由嵌入絕緣材料中的納米管或納米線所組成的襯墊形成的。納米級管或線可以提供彈性，這允許在大的壓力范圍上進行高分辨率的壓力感測。該復(fù)合結(jié)構(gòu)可以具有大于大約1000GPa的楊氏模量以及大于大約100GPa的拉伸強度。
可以使用電極來感測可偏轉(zhuǎn)部件響應(yīng)于所感測的參數(shù)(如壓力)
5的偏轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生傳感器信號。例如，可以利用電阻、電壓或電容的變化來測量部件的偏轉(zhuǎn)。


圖l是壓力傳感器的分解圖，所述壓力傳感器包括由嵌入介電或絕緣材料中的納米管或納米線組成的隔膜。
圖2是示出了圖1的壓力傳感器的操作的圖示。
圖3示出了使用嵌入隔膜中的納米管/納米線的差分壓力傳感器的實施例，其中利用作為所施加電壓的函數(shù)的、源極與漏極之間的電阻或電壓的變化來測量隔膜中的應(yīng)變。
圖4示出了電容性差分壓力傳感器的實施例，其中所嵌入的納米
線/納米管隔膜用作兩個感測電容的公共極板。
圖5示出了差分壓力傳感器的實施例，其中作為嵌入了納米管/納米線的隔膜的電阻的函數(shù)，感測差分壓力。
圖6示出了具有納米管/納米線襯墊的可偏轉(zhuǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的流量傳感器。
具體實施例方式
圖1示出了采用壓力傳感器10形式的本發(fā)明實施例的分解圖，壓力傳感器10包括由夾在或嵌入介電層16和18之間的納米線/納米管襯墊14形成的隔膜12、源極電極20、漏極電極22以及柵極電極24。
襯墊14由以編織或非編織的網(wǎng)格或柵格形式布置的多個碳納米管或半導(dǎo)體納米線形成。納米管/納米線可以大致沿一個方向排列，或者可以沿兩個或更多方向排列。在圖l所示實施例中，納米管或納米線具有半導(dǎo)體特性，然而在碳納米管的情況下， 一些碳納米管可以是導(dǎo)體而不是半導(dǎo)體。在襯墊14中布置納米管/納米線，使得有納米管/納米線在源極電極20與柵極電極24之間延伸。
形成襯墊14的納米管/納米線具有大于大約1000GPa的楊氏模量和大于大約100GPa的拉伸強度。納米管/納米線的這些物理特性限定了隔膜12的彈性模量和拉伸強度。在一些實施例中，襯墊14由碳納米管形成，并且具有大約1200GPa的楊氏模量和大約150GPa的拉伸模量。
介電層16和18可以是一對薄膜，位于襯墊14的相對側(cè)并形成層狀結(jié)構(gòu)，其中襯墊14夾在或嵌入層16與18之間。備選地，可以通過薄膜沉積工藝來形成圍繞襯墊14的介電層。層16和18捕獲襯墊14，以維持隔膜12的結(jié)構(gòu)完整性以及防止隔膜12在施加流體壓力時泄漏。
圖2是示出了傳感器10的一種感測機制的圖示。隔膜12在源極電極20與漏極電極22之間延伸，并且與柵極電極24隔開。向柵極電極24施加?xùn)艠O電壓VG。源極20與漏極22之間的電壓(VsD)將作為柵極電極24所施加的、相對于隔膜12的柵極電壓Vc的函數(shù)而變化。
當(dāng)向隔膜12施加壓力時，隔膜12與柵極電極24之間的間距發(fā)生變化。因隔膜12的偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的變化場效應(yīng)改變源極電極20與漏極電極22之間的電壓VsD或電阻。
根據(jù)另一實施例，圖3示出了差分壓力傳感器30，所述差分壓力傳感器30包括二分之一單元(cell halves) 32和34、中央隔膜36、柵極電極38和40、源極電極42、以及漏極電極44。中央隔膜36是復(fù)合隔膜，如圖1的隔膜12—樣，其中由半導(dǎo)體納米線/納米管組成的襯墊夾
在或嵌入介電或絕緣材料之間。
二分之一單元32和24以及中央隔膜36將傳感器30的內(nèi)部分成第一壓力室46和第二壓力室48。向室46施加流體壓力P,，向室48施加流體壓力P2。從而，中央隔膜36的偏轉(zhuǎn)是壓力差A(yù)P-P廠P2的函數(shù)。
向柵極電極40施加?xùn)艠O電壓Vw，向柵極電極38施加?xùn)艠O電壓V2?？梢詼y量源極電極42與漏極電極44之間的電阻或電壓，以提供對差分壓力AP的指示。
圖4示出了差分壓力傳感器60，所述差分壓力傳感器60是電容類型的差分傳感器。傳感器60包括二分之一單元62和64、中央隔膜66、隔膜電極68和70、以及電容器電極72和74。
中央隔膜60將二分之一單元62和64之間的空間分成了第一壓力感測室76和第二壓力感測室78。中央隔膜66內(nèi)的納米線或納米管可以是半導(dǎo)體的或?qū)щ姷摹Ｔ谑?6中的電極72與隔膜電極68和70之間形成第一感測電容C,。在室78中的電極74與隔膜電極68和70之間形成感測電容C2。兩個電容d和C2將作為差分壓力的函數(shù)而變化。利用信號處 理電路將這兩個電容轉(zhuǎn)換成輸出，以提供差分壓力的指示。
圖5示出了差分壓力傳感器80，所述差分壓力傳感器80包括二分 之一單元82和84、隔膜86、以及隔膜電極88和90。中央隔膜88將壓力 傳感器80的內(nèi)部分成感測室92和94。
在圖5所示的實施例中，使用作為隔膜86上應(yīng)變的函數(shù)的電阻的 變化來感測差分壓力。電極88與90之間的電阻將作為隔膜86的偏轉(zhuǎn)的 函數(shù)來變化。所述偏轉(zhuǎn)是差分壓力的函數(shù)。隔膜86內(nèi)的納米線或納米 管可以是半導(dǎo)體的或?qū)щ姷幕蚴莾烧叩幕旌稀?br> 圖6示出了流量傳感器100，所述流量傳感器100包括流體通道 102、可偏轉(zhuǎn)部件104、以及電容器極板106和108?？善D(zhuǎn)部件104是由
嵌入介電層之間的納米管/納米線襯墊組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)?？善D(zhuǎn)部件 104的固定端104A附著到流動通道102，自由端104B基于通過通道102 的流體可移動?？善D(zhuǎn)部件104和電容器極板106形成第一電容C1，部 件104和電容器極板108形成第二電容C2。C1和C2的相對值是通過通道 102的流體的方向和流速的函數(shù)。
在每個實施例中，納米管和納米線的獨特物理特性提供了獨特且 非常有利的傳感器特性。納米線/納米管襯墊所提供的高楊氏模量提供 了高得多的分辨率的壓力感測。高屈服強度提供了可以承受更高工作 壓力的更高強度的傳感器。因此，可以實現(xiàn)能感測從10psi到10，000psi 范圍內(nèi)壓力的壓力傳感器。
具有嵌入式納米管/納米線的可偏轉(zhuǎn)部件提供了非常輕量的結(jié)構(gòu)， 同時提供了高拉伸強度。該部件可以用于感測絕對壓力、差分壓力、 計示壓力、或流速。還可以用于測量諸如溫度和水平(level)之類的 其他參數(shù)。
盡管參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識 到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進行形式和細(xì)節(jié)上 的改變。
8
權(quán)利要求
1、一種傳感器，包括復(fù)合結(jié)構(gòu)，由嵌入絕緣材料中的納米管或納米線所組成的襯墊形成；以及電極，用于響應(yīng)于復(fù)合結(jié)構(gòu)響應(yīng)于物理參數(shù)而偏轉(zhuǎn)來獲得傳感器信號，所述電極當(dāng)中的至少一個連接至所述襯墊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)具有大于約1000GPa的楊氏模量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)具有大于約100GPa的拉伸強度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)具有大約1200GPa的楊氏模量和大約150GPa的拉伸強度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，還包括外殼，用于支撐所述復(fù)合結(jié)構(gòu)，以限定壓力感測室。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述電極包括與襯墊連接的源極電極和漏極電極，以及與復(fù)合結(jié)構(gòu)隔開的柵極電極。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述襯墊包括碳納米管。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述襯墊包括半導(dǎo)體納米線。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述電極包括與襯墊連接的第一電極，以及與復(fù)合結(jié)構(gòu)隔開的第二電極。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述電極包括與襯墊的相對端連接的第一電極和第二電極。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述絕緣材料包括介電層。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述傳感器信號表示作為納米線或納米管的襯墊中的應(yīng)變的函數(shù)的電阻、電壓、電流、或電容。
13、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述傳感器信號表示所測量的壓力、流量、溫度或水平。
14、 一種壓力傳感器，包括外殼；隔膜，由所述外殼支撐并且響應(yīng)于壓力可偏轉(zhuǎn)，所述隔膜包括具有大于約1000GPa的楊氏模量和大于約100GPa的拉伸強度的納米級材料；以及第一電極和第二電極，與所述隔膜連接。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜包括由嵌入絕緣材料中的納米線或納米管所組成的襯墊。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，其中，所述襯墊包括碳納米管和半導(dǎo)體納米線當(dāng)中的至少一個。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，其中，所述襯墊夾在介電材料層之間。
18、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的壓力傳感器，還包括柵極電極，由所述外殼支撐并且與所述隔膜隔開，所隔開的距離作為施加到所述隔膜的壓力的函數(shù)而變化。
19、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜以及所述外殼的第一部分限定第一壓力感測室。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜和所述外殼的第二部分在所述隔膜與所述第一壓力感測室相對的一側(cè)限定第二壓力感測室。
21、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力傳感器，其中，所述納米級材料具有大約1200GPa的楊氏模量。
22、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力傳感器，其中，所述納米級材料具有大約150GPa的拉伸強度。
全文摘要
一種傳感器(10)，優(yōu)選地能夠在大的操作范圍上進行高分辨率感測，該傳感器包括復(fù)合隔膜(12)，所述復(fù)合隔膜(12)包含納米管或納米線(14)。所述納米管或納米線(14)優(yōu)選地形成嵌入諸如高介電或絕緣薄膜等絕緣材料(16，18)中的襯墊。納米管或納米線(14)可以為隔膜(10)提供大于大約1000GPa的楊氏模量以及大于大約100GPa的拉伸強度。可以通過電阻、電壓、電流或電容的變化來測量納米管或納米線(14)中的應(yīng)變。
文檔編號G01L7/00GK101669018SQ200880012593
公開日2010年3月10日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者斯瓦潘·卡克拉博堤 申請人:羅斯蒙德公司