纳米管传感器.pdf

一种传感器具有生成的并受到热动双层结构支持的纳米管。在检测气体或液体时纳米管搁在散热构件上，当纳米管受热时纳米管移离散热构件，释放其中的气体或液体。散热构件可用作晶体管的控制栅，而双层结构作为晶体管的其他各极。可以获得纳米管作为象晶体管一样的器件的电流－电压和电流－栅压特性。这些特性可以提供有关纳米管吸收的气体或液体的信息或进行识别。

权利要求书
1.  一种纳米管传感器，其中包括：
第一构件；
具有与所述第一构件相连的第一端并具有第二端的第二构件；
具有与所述第一构件相连的第一端并具有第二端的第三构件；以及
连在所述第二和第三构件的第二端上的至少一个纳米管。

2.  如权利要求1所述的传感器，其特征在于：还包括位于所述第一构件上并接近所述至少一个纳米管的第四构件。

3.  如权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述第二和第三构件的第二端可在温度变化后即向着所述第一构件移动。

4.  如权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述第四构件可吸收热量。

5.  如权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管可靠近所述第四构件。

6.  如权利要求5所述的传感器，其特征在于：所述第二和第三构件的温度变化可使所述至少一个纳米管移离或移近所述第四构件。

7.  如权利要求6所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管的电流-电压(IV)特性是可测量的。

8.  如权利要求7所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管可暴露在流体中。

9.  如权利要求8所述的传感器，其特征在于：所述流体可以是气体和/或液体。

10.  如权利要求9所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管的IV特性可指示所述至少一个纳米管暴露在哪种流体中。

11.  如权利要求10所述的传感器，其特征在于：加热所述至少一个纳米管可去除所述至少一个纳米管曾在其中暴露的流动气体的相当大一部分。

12.  如权利要求11所述的传感器，其特征在于：加热可造成所述第二和第三构件将所述至少一个纳米管移离所述第四构件。

13.  如权利要求12所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管移离所述第四构件可能造成所述至少一个纳米管增加受热。

14.  如权利要求13所述的传感器，其特征在于：冷却可造成所述第二和第三构件将所述至少一个纳米管移近所述第四构件。

15.  如权利要求14所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管移近所述第四构件可造成所述至少一个纳米管增加冷却。

16.  如权利要求15所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管可由所述第二和第三构件加热。

17.  如权利要求16所述的传感器，其特征在于：所述第二和/或第三构件具有双层结构。

18.  如权利要求15所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管由所述第一构件加热。

19.  如权利要求18所述的传感器，其特征在于：所述第二和/或第三构件具有双层结构。

20.  如权利要求6所述的传感器，其特征在于：所述传感器如同一只晶体管；以及
所述第二、第三和第四构件分别是所述晶体管的源极、漏极和栅极。

21.  如权利要求20所述的传感器，其特征在于：所述传感器的电流-栅压(IVg)特性是可测量的。

22.  如权利要求21所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管可暴露在流体中。

23.  如权利要求22所述的传感器，其特征在于：所述流体可以是气体或液体。

24.  如权利要求23所述的传感器，其特征在于：所述IVg特性可以指示所述至少一个纳米管暴露在哪一种流体中。

25.  如权利要求24所述的传感器，其特征在于：加热所述至少一个纳米管可以去除所述至少一个纳米管曾在其中暴露的流体的相当大一部分。

26.  如权利要求25所述的传感器，其特征在于：加热可造成所述第二和第三构件将所述至少一个纳米管移离所述第四构件，从而增加所述至少一个纳米管的温度。

27.  如权利要求26所述的传感器，其特征在于：冷却可能造成所述第二和第三构件将所述至少一个纳米管移近所述第四构件，从而降低所述至少一个纳米管的温度。

28.  如权利要求27所述的传感器，其特征在于：所述第二和第三构件中的至少一个具有热动双层结构。

29.  如权利要求28所述的传感器，其特征在于：所述第一、第二、第三和第四构件中的至少一个是用基于MEMS的工艺制造的。

30.  如权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管位于所述第一构件和所述第四构件之间。

31.  如权利要求30所述的传感器，其特征在于：所述第四构件具有连在所述第一构件上的第一和第二端。

32.  如权利要求31所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管的电流-电压(IV)特性是可测量的。

33.  如权利要求32所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管可暴露在流体中，而该流体可以是气体和/或液体。

34.  如权利要求33所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管的IV特性可指示所述至少一个纳米管曾暴露在哪种流体中。

35.  如权利要求31所述的传感器，其特征在于：所述传感器如同一只晶体管；所述第二、第三和第四构件分别如同晶体管的源极、漏极和栅极。

36.  如权利要求35所述的传感器，其特征在于：所述传感器的电流-栅压(IVg)特性是可测量的。

37.  如权利要求36所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管可暴露在流体中；而该流体可以是气体和/或液体。

38.  如权利要求37所述的传感器，其特征在于：所述IVg特性可指示所述至少一个纳米管曾暴露在哪种流体中。

39.  如权利要求38所述的传感器，其特征在于：
加热所述至少一个纳米管可以排除所述至少一个纳米管曾在其中暴露并吸收的流体的相当大一部分；
冷却所述至少一个纳米管使之能重新吸收一种流体。

40.  如权利要求39所述的传感器，其特征在于：所述第二和第三构件在受热后即将所述至少一个纳米管移离所述第四构件，而在冷却后即将所述至少一个纳米管移向所述第四构件。

41.  如权利要求40所述的传感器，其特征在于：所述第二和第三构件具有温度双层结构。

42.  如权利要求39所述的传感器，其特征在于：所述第四构件是其位置大致不与所述至少一个纳米管平行的纵向构件。

43.  如权利要求42所述的传感器，其特征在于：所述第一构件具有与所述至少一个纳米管接近的凹坑。

44.  如权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管位于所述第四构件和所述第一构件之间；而所述第四构件具有连在所述第一构件上的第一和第二端。

45.  如权利要求44所述的传感器，其特征在于：
所述至少一个纳米管的电流-电压(IV)特性是可测量的；
所述至少一个纳米管可暴露在流体中；
所述流体可以是气体和/或液体；以及
所述至少一个纳米管的IV特性可以指示所述至少一个纳米管曾暴露在哪种流体中。

46.  如权利要求45所述的传感器，其特征在于：
所述传感器如同一只晶体管；
所述第二、第三和第四构件分别如同晶体管的源极、漏极和栅极；
所述传感器的电流-栅压(IVg)特性是可测量的；
所述至少一个纳米管可暴露在流体中；
所述流体可以是气体和/或液体；以及
所述IVg特性可以指示所述至少一个纳米管曾暴露在哪种流体中。

47.  如权利要求46所述的传感器，其特征在于：所述第四构件是其位置大致不与所述至少一个纳米管平行的纵向构件。

48.  如权利要求47所述的传感器，其特征在于：所述第一构件具有与所述至少一个纳米管接近的凹坑。

49.  如权利要求47所述的传感器，其特征在于：所述第二和第三构件在受热后即将所述至少一个纳米管移离所述第四构件；而在冷却后即将所述至少一个纳米管移向所述第四构件。

50.  如权利要求49所述的传感器，其特征在于：所述传感器是用基于MEMS工艺制造的。

51.  一种纳米管传感器，其中包括：
衬底；
在所述衬底上的第一纵向突出物；
在所述衬底上的第二纵向突出物；以及
生长后连接第一和第二纵向突出物的至少一个纳米管。

52.  如权利要求51所述的传感器，其特征在于：所述第一和第二突出物在受热时移离所述衬底，而在冷却时移向所述衬底。

53.  如权利要求52所述的传感器，其特征在于：
所述突出物处于乙烯、甲烷、CO或其他类似流体的周围环境中；
所述环境被加热至足够使所述突出物移离所述衬底的温度；
所述温度足以生长所述至少一个纳米管；以及
在所述至少一个纳米管生长后环境冷却，所述突出物随同所述至少一个纳米管移向所述衬底。

54.  如权利要求51所述的传感器，其特征在于还包括：
在所述第一和第二突出部移向所述衬底后所述至少一个纳米管可搁置的散热构件；
其中：
所述至少一个纳米管可以吸收附近环境中的气体/液体；以及
所述至少一个纳米管的电流-电压(IV)特性可揭示关于所吸收气体的信息。

55.  如权利要求54所述的传感器，其特征在于：
在加热所述第一和第二突出物后，所述至少一个纳米管移离所述散热构件并被加热，从而释放所述至少一个纳米管上的相当大一部分气体/液体；以及
在冷却所述第一和第二突出物后，所述至少一个纳米管可移向所述散热构件进行冷却并可吸收若干气体/液体。

56.  如权利要求55所述的传感器，其特征在于：
所述传感器如同一只晶体管，其中所述第一突出物、所述第二突出物和所述散热构件如同该晶体管的源极、漏极和栅极连接；以及
所述至少一个纳米管的电流-栅压(IV)特性可揭示关于被所述至少一个纳米管吸收的气体的信息。

57.  如权利要求51所述的传感器，其特征在于：所述第一和第二突出物在吸热时在第一方向移动，在冷却时在第二方向移动。

58.  如权利要求57所述的传感器，其特征在于：还包括一个具有连在所述衬底上的第一和第二端的纵向条。

59.  如权利要求58所述的传感器，其特征在于：
所述至少一个纳米管位于所述纵向条和所述衬底之间；以及
所述第一和第二突出物分别如同晶体管的源极和漏极，而所述纵向条如同晶体管的栅极。

60.  如权利要求59所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管的电流-电压特性可指示关于所述至少一个纳米管吸收的气体的信息。

61.  如权利要求59所述的传感器，其特征在于：所述传感器的电流-电压特性可指示关于所述至少一个纳米管吸收的气体的信息。

62.  如权利要求58所述的传感器，其特征在于：
所述纵向条位于所述至少一个纳米管和所述衬底之间；以及
所述第一和第二突出物分别如同晶体管的源极和漏极，而所述纵向条如同晶体管的栅极。

63.  如权利要求62所述的传感器，其特征在于：所述至少一个纳米管的电流-电压特性可指示关于所述至少一个纳米管吸收的气体的信息。

64.  如权利要求62所述的传感器，其特征在于：所述传感器的电流-栅压特性可指示关于所述至少一个纳米管吸收的气体的信息。

65.  一种纳米管，其中包括：
散除热量的装置；以及
支持并相对于所述散除热量装置移动纳米管的装置；其特征在于：
所述支持并移动纳米管的装置在被加热时移动纳米管离开所述散除热量装置，而在被冷却时移动纳米管靠近所述散除热量装置。

66.  如权利要求65所述的传感器，其特征在于：还包括测量纳米管的电流-电压特性的装置，其中所述测量装置与纳米管相连。

67.  如权利要求66所述的传感器，其特征在于：所述纳米管的电流-电压特性可指示关于所述纳米管吸收的气体或液体的信息。

68.  如权利要求67所述的传感器，其特征在于：还包括加热所述纳米管的装置。

69.  如权利要求65所述的传感器，其特征在于还包括：
提供邻近纳米管的栅极的装置；以及
测量所述纳米管的电流-栅压特性的装置；
其中：
与所述纳米管的第一连接和第二连接分别是源极和漏极；
与所述栅极装置一起，所述源极和漏极导致所述纳米管如同一只晶体管。

70.  如权利要求69所述的传感器，其特征在于：所述纳米管的电流-栅压特性可指示关于所述纳米管吸收的气体或液体的信息。

71.  如权利要求70所述的传感器，其特征在于：还包括一个加热所述纳米管的装置。

72.  一种检测气体/液体的方法，包括以下步骤：
获得一个具有分别与纳米管的端部连接的第一端和第二端的结构；
将所述纳米管暴露在气体/液体中；
测量所述纳米管的电流-电压特性；以及
分析电流-电压特性，以获取关于气体/液体的可能信息。

73.  如权利要求72所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
加热所述纳米管以从所述纳米管释放气体/液体；以及
从所述纳米管中散热，使所述纳米管准备吸收气体/液体。

74.  一种检测气体或液体的方法，包括以下步骤：
获得具有与纳米管连接的源极和漏极以及邻近所述纳米管的栅极的构件；
将所述纳米管暴露在气体/液体中；
测量所述纳米管的电流-栅压特性；以及
分析电流-栅压特性，以获得关于气体/液体的可能信息。

75.  如权利要求74所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
加热所述纳米管以从所述纳米管释放气体或液体；以及
从所述纳米管散热，使所述纳米管准备吸收气体或液体。

说明书纳米管传感器
背景技术
本发明涉及气体传感器，更具体地说，本发明涉及纳米管传感器。
在使用纳米管来做气体检测方面已做了一些尝试。本申请以参照方式结合2002年3月18日提交的申请号为10/100,400题为“碳纳米管传感器”的美国专利申请。
发明内容
在一定的气体环境中，通过在纳米管的连线或电极，将两个可移动指状或臂状支持件之间的沟桥接，以受控的方式现场生长纳米管。可以制成一个可制造的基于MEMS(MEMS-base)技术的纳米管传感器。
附图说明
图1a和1b表示支持纳米管的传感器结构。
图2a和2b表示具有纳米管的传感器结构。
图3a和3b表示纳米管传感器的电路结构。
图4是由传感器纳米管吸收的几种气体的电流-栅压曲线图。
图5是纳米管传感器检测过程的流程图。
图6a和6b表示具有交叉棒结构的纳米管传感器。
图7a和7b是类似图6a的纳米管传感器的截面图。
图8a和8b是类似图6b的纳米管传感器的截面图。
详细说明
图1a表示支持纳米管的基本结构。指状或臂状的双层(bimorph)纵向构件11和12位于衬底10上。在衬底10上还有柱脚形构件13位于构件11和12端部之间。构件13可以用作散热构件或电极或者两者兼用。
构件11和12可以由顶层金属层21和底层绝缘层22构成，或者将顶层和底层倒过来构成。这些构件可以有其他组成。在图1b、构件11和12会受热，它们的端部就会由于受热而移离构件13和衬底10。
在图2a中，指状件或臂状件11和12被抬起时，可生长一个或多个纳米管将构件11和12的两个靠近的端部桥接。这种生长可以在乙烯、甲烷、CO等气氛或局部环境中进行。在将上述构件加热至大约摄氏700°至900°之间后就生长一个或多个纳米管。一般说，可造成碳的单壁(即一层分子)纳米管15桥接在构件11和12相互面对的端部之间。借助于流动和/或电场，纳米管可从构件11和12的一端生长至另一端。当该器件14从炉子热源或其他热源移开时，构件11和12冷却，它们的端部16和17如图2b所示移向衬底。这个动作使纳米管贴近散热构件/电极13。构件13可以由已涂有薄钝化层18的金属19组成。器件14可作为芯片被切下，并装在管座上运行。
当纳米管15已冷却，可以将它暴露在流体中，它就会吸收一些流体。流体可以是气体或液体。在本文中，“气体”可视为“流体”，并可与之互换。当器件14作为芯片受热时，构件11和12会由于其双层材料组合构件受热而弯曲，从而将纳米管14提升，离开柱子或柱脚13。当纳米管受热时，所吸收的气体从纳米管中排出，使纳米管准备出吸收新的气体。当热量排放后，臂状件11和12垂下，纳米管15落在散热构件13上，散热构件13吸走纳米管15的热量。纳米管15已准备好在紧靠传感器的环境中吸收新的气体。
要使纳米管15提升而离开散热构件13，可以有几种不同的使臂状件11和12动作的方法。器件14作为放在管座20上芯片可以被加热，或者构件11和12可以有加热元件包含在内。在任一情况下，纳米管15被从散热构件13移开而不相接触，因此纳米管15可以更迅速地受热，并吸收在它上面的任何气体，如图2a所示。此后，从座20撤走热源，或者使臂状件11和12上的加热元件23断开连接。构件11和12向衬底10移动，纳米管15搁在散热构件13上进一步冷却，准备吸收新气体。
图3a表示可以用于帮助识别纳米管15吸收气体的电路结构。电源24与已成为纳米管15连线的构件11和12相连。可以记录表26指示的电流和表25指示的电压，从该IV特性可获得纳米管15吸收的气体或液体的信息或进行识别。
图3b表示类似于场效应晶体管的三端电路结构，其中有测量栅压的电源27和电表28。构件13是栅极，构件11和12分别是源极和漏极。该图的其他电路部分类似于图3a所示电路。可以记录电流(I)表26和栅压(Vg)表28的读数，并且从该IVg特性可以获得纳米管15吸收的气体或液体的信息或进行识别。另一方面，对于由电源27设定的预定Vg，从表26读取电流，从表25读取电压，从该IV特性可以获得纳米管15吸收的气体或液体的信息或进行识别。可以从纳米管15开始吸收气体的时刻起在一个时间周期内定期地读取上述读数。这种IV和IVg特性可以提供例如纳米管15所在环境中气体或液体浓度的其他信息。
图4是图3b中器件14吸收的几种气体的IVg特性的例子。曲线31表示纳米管15气体吸收之前的IVg特性。曲线32表示纳米管15吸收NH3之后的IVg特性。曲线33表示纳米管15吸收NO2之后的IVg特性。在纳米管15中任何气体或液体释放或排除以后，可吸收各种气体。可采用不同的材料(金属、有机构、半导体)使纳米管更功能化，增强对不同气体的响应和识别能力。
图5是概述如上所述的器件14的气体/液体检测过程的流程图30。方框34表示步骤：纳米管15暴露在气体和/或液体中。方框35表示步骤：测量纳米管15的IV和IVg特性。接着，在方框36表示的步骤中，由于支持构件11和12受热，使纳米管15移离散热构件13。
热量也被用于驱散纳米管中气体/液体，如方框37所示。在方框38所示的步骤中，支持构件11和12冷却，纳米管返回而搁在散热构件13上以进一步冷却。路径39表示该检测过程可以重复，以检测另一种或相同的气体或液体。
图6a表示含有交叉棒40这一构件的传感器41平面图，为获取纳米管15的IVg特性，更具体地说，为气体/液体检测，交叉棒40构件可以是晶体管地散热构件和/或电极。构件47或48可以是到该晶体管的其他连线，即纳米管15。图7a和7b表示器件41的截面图。纳米管15位于交叉棒40和衬底43之间。构件47或48可设有加热元件来加热本构件和纳米管15，或者衬底43可被加热以达到相类似效果。一旦加热，构件47或48将纳米管15降低，移离散热构件40。一旦冷却，纳米管15被提上至散热构件40，纳米管15受到构件40的进一步冷却。可以在衬底43上蚀刻出倒金字塔形凹坑44，以供冷却或其他目的之用。器件41有关气体/液体检测的一些其他方面与器件14的相同。
图6b表示器件42，它有交叉棒，散热构件即门状构件40位于纳米管15和衬底43之间。其构件与图3a和3b中器件14的构件相同，就可以获得纳米管15含有或不含有吸收的气体或液体的IV和IVg数据。图8a和8b表示器件42的截面图。指状或臂状构件45和46上连有纳米管15，它们与器件41的构件47或48上的纳米管相同，不同之处在于在受热时它们是移离衬底43，而不是朝向衬底43移动。当构件47或48冷却，它们朝向衬底43移动，纳米管15可以搁在散热构件构件40上，以待进一步冷却。衬底43可以有金字塔形凹坑44，有可能改善冷却或方便器件42的其他目的。或者衬底43可以没有凹坑44。有关气体/液体检测，器件42的许多方面与器件14和41的相同。
纵向构件45、46、47和48可以在衬底43上(至少部分地)蚀刻出，或者在衬底43上形成。构件40可以用与构件45、46、47和48相同的方式制造。器件14、41和42的构件可采用MEMS(微机电系统)工艺或与之兼容的工艺制造。这些器件的工艺基于硅或其他材料。
虽然本发明已根据至少一个特定实施例作了描述，但一旦阅读本技术说明，本领域专业人士显然可做出许多变形和修改。因此本发明所附的权利要求应从现有技术看尽可能广义地理解，以涵盖所有这种变化和修改。