CN101795962A - 纳米机电结构和它的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电和纳米机电设备及其生产方法。所述创造性方法的其中一个改变是基于对自组织和自校准机械设备的运用来生产纳米机电结构，由此与传统照相平板印刷术相比，使其基本几何参数不再受到限制，这使得集成度能够达到10¹⁶m^-2或更高。此外，本发明的一个创造性方面以其独立选取坐标的形式运用所述元件的工行怎频率，由此降低了要求互连的密度。本发明的其他方面提供了一种对给定气体或颗粒表现出极高测量灵敏度的气体传感器，其具有多用途且选择灵活的机械设备和可控制的感应能力恢复过程。本创造性结构为测量振荡元件的共振频率提供了一种简便的方法，所述方法不要求高频信号分析。

Description

纳米机电结构和它的制造方法

技术领域

本发明涉及应用于微电子学，微系统和传感器技术中的微机电和纳米机电设备，还涉及它的生产方法。

背景技术

使用纳米结构作为功能元件的潜力难以限量。例如，纳米结构的一种很有意义的用途是被当作信号处理系统中机械共振器的基础。所述共振器能够替换基于相对巨大石英共振器的集成电路滤波器的外部电路。MEMS共振器(基于微机电系统)的发展趋势是基于对悬硅梁(suspended silicon beam)机械运动的利用。然而，硅梁的典型尺寸对应于微米范围，这决定了固有振荡频率处于几兆赫的水平。在更高的频率下，这类共振器的品质因数(Q-factor)就会开始下降。另外，硅梁调谐共振频率的动态范围和可能性开始变得相当受限。还有，所述梁的机械运动转换成输出电信号的问题也加剧了(WO02080360)。将纳米结构当成机械共振器的基础来用，就有可能克服上述缺点并开发出具有高品质因数的高频低噪共振器。机械振荡器还可以被看成是数字信息处理系统的元件基础。在半导体电子的进化过程中，电子设备微小型化也持续发展着。每一代新器件都具有更小的尺寸和更高的运行速度。硅晶体执行某种特定功能所需的表面积每过一年半就减半一次。从五十年代到八十年代后期，器件的尺寸被一致地减小(从真空设备中的10cm到集成电路中的1μm)。这种相关性发生中断或饱和的情况出现在九十年代，这是由阻碍尺寸变小的物理原理局限和所需制造设备成本的指数式增长共同造成的。

成本增长因素是归因于这超出了传统照相平板印刷术的生产能力。为了进一步减小元件的平面尺寸，有必要降低曝光波长并使用各种另外的技术手段。这使得照相平板印刷术仪器更加复杂并且更加昂贵，还降低了产量。几种平板印刷术的可选形式(电子和离子束平板印刷术)的主要缺陷是低产出，这也导致了可观的成本增长。除了平板印刷术的问题之外，在进一步小型化时还会遇到传统硅器件性能退化的问题，这是由以下的物理性限制造成的：

-掺杂浓度的波动

半导体电子的基础是掺杂处理，也就是添加掺杂剂。但是，掺杂剂的分布具有随机性并且容易发生波动。体积为V的样品中掺杂剂数量N＝n·V的均方根波动值AN为：

ΔN≈N^1/2＝(n·V)^1/2

为了开发出具有受控性质的器件，给定体积内掺杂剂浓度的相对波动不应超过1％，也就是说，N^1/2/N≤0.01，因此，N＝n·V≥10⁴。对于掺杂剂平均浓度n≈10¹⁸cm^-3来说，设备体积被限制为V＞10^-14cm³，这意味着设备线性尺寸不能小于0.2μm。

-掺杂剂表面扩散

掺杂剂表面扩散系数比体积内扩散系数高得多。这将设备的水平尺寸限制为＞0.1μm。

-改变的电子传输特性

如果设备尺寸比决定传递动力学的特定特征长度更小的话，电子传输的那个特性就会发生改变。因此，如果设备尺寸小于载体1的自由路径，所述电子传输将变得具有弹道性。一方面，这增加了运行速度，这是因为电子在设备中的驻留时间以及任一物理处理过程的持续时间都变得最小(与扩散传输相比)。但另一方面，这种情况下，会探测出设备实施方式的灵敏度，特别是对边界散射特性的灵敏度(进而以及生成各自设备制造过程的需求)。另一个重要的因素与量子干涉效应有关并且在一定情形下被证实了，所述情形指的是发生在设备内部的传输相位相干的时候。这发生在设备尺寸小于发生相位扭曲过程的扩散长度时。相位相干为物理原理引入新内容。特别地，设备参数对掺杂剂空间分布具体实现(specific realization)的灵敏度增加，并出现阻抗对电磁场非平凡的相关性(所谓的中视效应)。另外，隧道效应所导致的电荷泄漏问题，和其他问题一起加剧，它们降低了开发的内存元件的时间稳定性。这些本质上与尺寸效应有关的因素(第一种情况下的经典因素和第二种情况下的量子因素)在原则上对开发小尺寸设备产生制约。

-集成电路的升温

在电流流通过程中，一个微电路元件的升温被声子传递到其他元件上，这引起不良效应。为正常操作，升温不应超过10²B_T/cm²。按照估计，这特别会导致信息内存被限制到(4-10)MB/cm²(Agrinskaya，N.V.，《分子电子学》(“Mолeкyляpнaяэлeктpоникa”[MolecularElectronics])，指南手册)。

由于上述对传统硅器件缩放比例中所遇到的问题，当前要寻求一种新的元件基础和与之相应的集成技术，所述技术可以形成数字系统运算能力的进一步成长的基础。纳米机电系统是最有前途的寻求方向之一。纳米机电结构对解决传感器技术的问题还具有很大的潜力。在人类活动的许多领域中都存在对高灵敏度和高选择性的气体传感器的强烈需求。除了灵敏度和选择性之外，传感器还必须具有以下特征，包括小型，可靠，耐用以及重复再现，低能耗和低成本的能力。

当前，最广泛的代表是基于表面声波效应或化学灵敏场晶体管的气体传感器。但是，尽管它们具有可接受的成本，所述设备的灵敏度阈值不会高于1ng/mm²。

然而，各种光谱法步骤，例如，罗马诺夫表面散射光谱法(Romanov’s surface scattering spectroscopy)提供了高达1pcg/mm²的灵敏度。但是，它们推定使用精密的光学系统和相关仪器，并且相应地，它们极其昂贵。用于测量蒸汽和气体浓度的色谱法也需要使用复杂昂贵的仪器，并且具有高度专业化的用途(US5719324)。

一种有前途的研究方向是基于微机电传感元件的传感器。所述传感器的一种典型的设计包括压电换能器，具有与之悬臂配合的梁元件(通常为硅梁)，以及在悬臂配合梁元件的共振频率或近共振频率处激发压电换能器的装置，所述传感器还包括探测振荡的装置，用来测量梁元件振荡频率的变化，所述改变是由气体吸附致使梁元件硬度常数改变而引起的(US5719324)。

这类设备的缺点可以列出以下几条：

-梁元件的振荡频率难以测量。已知的通过探测梁元件反射的激光束的运动进行测量的方法极端增加了整个设备的尺寸，复杂程度和成本。测量振荡频率的备选方法可以是基于调制梁元件-静态电极系统电容的方法。然而，所述方法的灵敏度很大程度上依赖于梁元件和静态电极的相对位置：增加它们之间的距离会使得灵敏度快速下降。另一方面，减小梁元件和电极间的距离收紧了对设备制造方法的要求，并对梁元件振荡幅度允许改变的范围产生局限。用压电和压电电阻法确定振荡频率有可能更有希望；但是，它们所提供的灵敏度依赖于具体的技术实现，在梁微元件发生小幅振荡的情况下所述灵敏度是不够用的。

-梁元件的几何尺寸受现代MEMS技术能力的限制。拿平面几何元件来说，例如梁或膜元件，它们的最小厚度被限制在大约500nm的数值。梁元件共振振荡频率对气体吸附影响的灵敏度与元件的比面积(specific area)成正比，而此时与其厚度成反比。另外，梁元件几何尺寸对共振频率和品质因数的限制也导致了传感器元件灵敏度的下降。

-气体探测过程的选择性是由于梁元件具有经特定化学试剂表面处理过(功能化)的区域，所述试剂确保与特定类型气体发生选择性地相互作用。寻求这种选择性的并与各种重要气体发生可逆相互作用的化学试剂和将具有这些化学试剂的固体表面功能化的问题本身就极其复杂并且到目前为止还没有令人满意的解决办法。

-没有提供任何用于控制灵敏度元件传感器性能恢复过程的装置。对前面列出过的用途来说(也就是模数信号处理和感应)，各种已知的机电结构的功能元件都是按纳米规模制作的。特别地，建议使用碳纳米管作为具有受控状态的元件，所述碳纳米管可自由地以这种或别种方式进行机械运动(WO02080360，WO0103208，US2002167375，EP1646145，CA2581248，US2007063740，WO2007030423)。但是，这些例子中，考虑制造纳米管之前，开发人员就已经用到自组织过程的潜能(potential of self-organization processes)，在生产结构体的不同阶段或是转到传统的产能十分有限的平板印刷术，或是根本不解决形成所建议结构的装置所遇到的问题。

发明内容

本发明针对解决的技术问题是生成一种功能性纳米机电结构，以及生产所述结构的方法，从而有可能克服组成了现有技术的微电子和传感器系统所述的缺点，即：增加集成度和运行频率，降低元件参数的波动，增加元件时间和辐射稳定性，增加对物理和化学效应的灵敏度和选择性，并降低生产系统的成本。

实现本发明时达到的技术效果如下所述：

-在发明的一个方面，提出一种功能结构，所述结构通过满足以下两个条件确保实现高(达到10¹⁶m^-2及更高)集成度：

a)生产所述结构的基础是自组织和自校准机械设备；因此，所述结构的基本几何参数不会受到传统平板印刷术产能的限制；

b)所述结构的再现性和效率维持在极高的集成度上；

-在发明的一个方面，提供一种不依赖能量的内存，其特征在于：集成度高，必要界面表面密度变小，和超高辐射稳定性；

-在发明的一个方面，提供一种气体传感器，它具有测量空气环境中特定类型气体或颗粒物浓度的高灵敏度，通用和灵活的选择性机械设备，恢复传感器性能的受控过程，一种从技术实现立场而言获取测量信号的简便方法，以及相应地，整机小尺寸和低功耗。

所述技术效果在用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构中实现，所述结构包含：至少一个受控的具有电导率的元件；至少一个输入电极，所述电极与受控元件电连接；至少一个输出电极，所述电极与受控元件空间隔开并与之静电耦合，在此输出电极的至少一部分是由一种材料制成，所述材料在由受控元件介导(mediated by)的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化，或者受控元件的至少一部分是由一种材料制成，所述材料在由输出电极介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化。

受控元件被制成弹性元件的形式，所述元件可改变其几何形状。弹性元件能自由地以固有频率发生机械振荡。

它另外包含探测电信号的装置，所述电信号与至少一个输入或输出电极通过信号耦合，并且弹性元件可切换到与至少一个输出电极发生稳定的或短期的机械接触，其中探测电信号的装置至少探测出与所述稳定的或短期的机械接触有关的电信号改变情况。

至少一个输出电极的至少一部分表面上涂覆有绝缘或导电层，使得该绝缘或导电层避免了弹性元件与所述输出电极直接发生机械接触的可能性。

它另外包含在弹性元件和输出电极(或输出电极的组合)之间施加直流偏置电压的装置，所述装置对弹性元件的共振机械振荡频率进行控制，或在弹性元件与至少一个输出电极发生机械接触的情况下，对受控元件挤压输出电极的作用力和试图断开受控元件与输出电极机械接触的作用力之间的相互关系进行控制。

弹性元件和至少一个输出电极之间的空间隔离，或弹性元件和所述输出电极的表面性质，或施加在弹性元件和输出电极或输出电极组合之间的偏置电压都以特定的方式被指定下来，从而为弹性元件和所述输出电极之间提供一种稳定的或短期的机械接触。

受控元件的至少一部分表面进行了化学或生物功能化处理。

弹性元件被分为弹性元件阵列；每个阵列中的弹性元件具有公共输入和输出电极；另外包括选定弹性元件或弹性元件子群的装置；阵列中的每个弹性元件或弹性元件子群都具有其对应的自身振荡频率；选定装置通过输入和输出电极指定选定的弹性元件或弹性元件子群所属的弹性元件阵列，它们还指定了施加到特定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，因此给定频率对应于选定的弹性元件或弹性元件子群的自身振荡频率。每个处于与至少一个输出电极机械接触状态下的弹性元件都能够自由地以固有频率发生机械振荡，所述频率不同于所述元件在没有发生机械接触状态下的固有频率，然而选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于选定的处于机械接触状态下弹性元件的共振振荡频率，或者使得该频率对应于选定的处于没有发生机械接触状态下弹性元件的共振振荡频率。选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的偏置电压，所以所述偏置电压是具有不同频率的交流电压的叠加，其中它们每一个的频率对应于弹性元件之一的共振振荡频率。

受控元件是碳纳米管，或碳纳米纤维，或碳纳米管束或碳纳米纤维束。

碳基材料被选为制作至少一部分输出电极的材料，所述材料在由受控元件介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化。受控元件是具有至少一层外涂层的多层碳纳米管，所述外涂层通过由输出电极介导的反应被去除。

所述技术效果在用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构的另一种形式中实现，所述结构包含：至少一个制成弹性元件形式的受控元件，所述元件具有电导率并能够自由地以固有频率发生机械振荡；至少一个输入电极，所述电极与受控元件电连接；至少一个输出电极，所述电极与受控元件空间隔开并与之静电耦合；在输入和输出电极组合之间施加偏置电压的装置；探测电信号的装置，所述电信号与至少一个输入或输出电极通过信号耦合，其中施加偏置电压的装置对弹性元件的机械振荡提供激励，其中弹性元件共振振荡的幅值使弹性元件发生与至少一个输出电极发生稳定的或短期的机械接触的转变；以及探测电信号的装置，至少探测出与所述稳定的或短期的机械接触有关的电信号改变情况。

弹性元件被分为弹性元件阵列；每个阵列中的弹性元件具有公共输入和输出电极；另外地，还包括选定弹性元件或弹性元件子群的装置；阵列中的每个弹性元件或弹性元件子群都具有其本身固有的共振振荡频率；选定装置，通过输入和输出电极，指定选定的弹性元件或弹性元件子群所属的弹性元件阵列，并指定施加到特定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该指定频率对应于选定的弹性元件或弹性元件子群的共振振荡频率。

每个处于与至少一个输出电极机械接触状态下的弹性元件都能够自由地以固有频率发生机械振荡，所述频率不同于所述元件在没有发生机械接触状态下的固有频率，并且选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于选定的处于机械接触状态下弹性元件的共振振荡频率t，或者使得该频率对应于选定的处于没有发生机械接触状态下弹性元件的共振振荡频率t。

选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的偏置电压，使得该偏置电压是频率不同的交流电压的叠加，并且它们每一个的频率对应于弹性元件之一的共振振荡频率。

另外地，它包含至少一个以下装置：控制气体分子从至少一个弹性元件表面上解吸附率的装置，其包含使电流穿过所述弹性元件的装置，或含有所述弹性元件发热器的外表面或电磁辐射源；确定至少一个弹性元件共振振荡频移值相互关系的装置，其中所述频移是由于穿过所述弹性元件电流值或外加电源使所述弹性元件发热或辐射强度发生改变所致；测量电流动态或静态伏安特性的装置，包含至少一个输入电极，一个输出电极和一个弹性元件，或探测这些伏安特性改变量或这些伏安特性滞后量的改变量的装置；探测至少一个弹性元件与至少一个输出电极之间粘附作用力的装置，它探测的是要断开所述弹性元件和所述输出电极接触所需施加到所述弹性元件和特定输出电极或输出电极组合上的电势值；探测至少一个弹性元件电子发射阈值的装置，或探测所述发射阈值改变量的装置；探测至少一个弹性元件共振振荡频移的装置，其中所述频移是由弹性元件外界环境随所述弹性元件的运动发生改变或对弹性元件运动的阻力造成的；为至少一个弹性元件提供优选特定种类气体访问通路，这是由于所述弹性元件使用的材料具有选择性输送能力(transmission capacity)。

弹性元件的至少一部分表面进行了化学或生物功能化处理。它包含两个或更多个弹性元件，这些元件在长度，或有效直径，或结构，或表面功能化参数上都不尽相同；还另外包含了确定这些弹性元件共振振荡频移值之间的相互关系的装置，所述频移是由这些弹性元件分子或颗粒的物理或化学吸附作用造成的。

包含两个或更多个弹性元件，其中至少一部分弹性元件在结构上确保不会暴露在外界环境中，并且还另外包含确定结构上确保不会暴露的弹性元件共振振荡频移的装置；所述频移是由这些弹性元件的温度改变造成的，它们的温度改变是由环境温度改变或穿过它们的电流通过造成的。

弹性元件是碳纳米管，或碳纳米纤维，或碳纳米管束或碳纳米纤维束。

所述技术效果在用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构生产方法中实现，所述生产方法包含：形成至少一个受控元件和至少一个输出电极，从而输出电极的至少一部分是由一种材料制成，所述材料在由受控元件介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化，或者受控元件的至少一部分是由一种材料制成，所述材料在由输出电极介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化；执行改变定位于输出电极-受控元件界面的区域中输出电极材料性质的操作，其中性质的这种改变是由受控元件介导物理或化学反应引起的，或者执行改变定位于受控元件-输出电极界面的区域中受控元件材料性质的操作，其中性质的这种改变是由输出电极介导物理或化学反应引起的。起到受控元件作用的是附加在衬底竖直位置上的碳纳米管；起到输出电极作用的是碳基材料层；起改变输出电极材料性质作用的操作是局部阳极氧化操作，其中受控元件起到阴极的作用，而输出电极起到阳极的作用，从而实现了输出电极在定位于受控元件周围的区域内发生氧化。

起到受控元件作用的是附加在衬底竖直位置上的多层碳纳米管；起到输出电极作用的是化学惰性导电材料层；起到改变受控元件材料性质作用的操作是局部阳极氧化，其中受控元件起阳极的作用，而输出电极起阴极的作用，从而实现了对多层碳纳米管至少一个外层的氧化。

所述技术效果在用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构的另一种生产方法中实现，所述生产方法包含：形成至少一个受控元件和至少一个输出电极，从而受控元件是纳米管，或纳米纤维，或纳米管束或纳米纤维束，并且至少一部分受控元件表面涂覆有一层材料层，所述材料性质与受控元件的材料和输出电极的材料都不相同；部分地或完全地去除施加在受控元件表面的材料层，所述材料具有与受控元件的材料和输出电极的材料都不相同的性质。

所述纳米管是附加在衬底竖直位置上的碳纳米管；起到施加在至少一部分受控元件表面的材料层作用的是自组织处理过程中所形成的分子单层，所述材料具有与受控元件的材料和输出电极的材料都不相同的性质；并且起到部分或完全地去除所述分子单层作用的操作是选择性蚀刻操作。

附图说明

本发明的实质内容通过附图进行说明，其中：

图1表示的是基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的示意图；

图2表示的是基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的示意图，其中对应的是弹性元件与输出电极发生机械接触的状态；

图3表示的是基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的示意图，其中对应的是输出电极涂覆有绝缘或导电层的情况；

图4表示的是基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的示意图，其中对应的是存在另外电极的情况；

图5表示的是基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的示意图，其中对应的是多个弹性元件阵列的情况；

图6表示的是形成对应于基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的结构处理过程中间步骤的示意图；以及

图7表示的是形成对应于基于碳纳米管解决传感器技术及微电子技术问题的结构的一种实现形式的结构处理过程最后步骤的示意图。

具体实施方式

解决传感器技术及微电子技术问题的结构包含：至少一个具有电导率的受控元件2，和至少一个与受控元件电接触的输入电极3；至少一个输出电极5，所述输出电极与受控元件空间隔开并与之静电耦合，其中，至少部分输出电极5是由这样的材料制成，即所述材料在由受控元件2介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化，或者至少部分受控元件2是由这样的材料制成，即所述材料在由输出电极5介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化。

受控元件2被制成弹性元件的形式，其可改变几何形状。弹性元件能自由地以固有频率发生机械振荡。

所述结构可另外地包含探测电信号的装置，它们与至少一个输入电极3或输出电极5通过信号耦合，并且弹性元件2可切换到与至少一个输出电极5发生稳定的或短期的机械接触(图2)，其中探测电信号的装置至少探测出与所述稳定的或短期的机械接触有关的电信号改变情况。

至少一个输出电极5的至少部分表面上涂覆有绝缘或导电层6(图3)，使得该绝缘或导电层避免了弹性元件2与所述输出电极5直接发生机械接触的可能性。

所述结构可另外地包含在弹性元件2和输出电极5(或者，例如图4中输出电极5或7)，或输出电极组合，之间施加直流偏置电压的装置，所述装置对弹性元件2的共振机械振荡频率进行控制，或在弹性元件2与至少一个输出电极(图1中是指5，而图2中指7)发生机械接触的情况下，对受控元件挤压输出电极的作用力和试图断开受控元件与输出电极机械接触的作用力之间的相互关系进行控制。

在本发明的一种实现形式中，弹性元件2和至少一个输出电极5(图1)的空间隔离，或弹性元件和所述输出电极的表面性质，或施加在弹性元件和输出电极或输出电极组合之间的偏置电压都以特定的方式被指定下来，从而确保弹性元件和所述输出电极之间存在稳定的或短期的机械接触。受控元件2的至少部分表面进行了化学或生物功能化处理。

在本发明的一种实现形式中，弹性元件2(图5)被分组为弹性元件阵列。每个阵列中的弹性元件具有公共输入电极1和输出电极4。另外包括有选定弹性元件或弹性元件子群的装置。阵列中的每个弹性元件或弹性元件子群都具有其对应的共振振荡频率。选定装置通过输入和输出电极指定选定的弹性元件或弹性元件子群所属的弹性元件阵列，它们还指定了施加到特定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于选定的弹性元件或弹性元件子群的共振振荡频率。

在本发明的一种实现形式中，每个与至少一个输出电极7处于机械接触状态的弹性元件2(图4)都能够自由地以固有频率发生机械振荡，所述频率不同于所述元件在没有发生机械接触状态下的固有频率，并且选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于选定的处于机械接触状态下弹性元件的共振振荡频率，或者使得该频率对应于选定的处于没有发生机械接触状态下弹性元件的共振振荡频率。

在本发明的一种实现形式中，选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列的输入电极1(图5)和输出电极4组合上的偏置电压，从而所述偏置电压是具有不同频率的交流电压的叠加，并且它们每一个的频率对应于弹性元件之一的共振振荡频率。

在本发明的一种实现形式中，受控元件2(图1)是碳纳米管，或碳纳米纤维，或碳纳米管束或碳纳米纤维束。碳基材料被选为制作至少一部分输出电极5的材料，所述材料在由受控元件2介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化。在本发明的一种实现形式中，受控元件2是多层碳纳米管，其至少一个外层通过由输出电极5介导的反应被去除。

在本发明的一种实现形式中，所述结构还另外地包含以下装置中的至少一项：控制气体分子从至少一个弹性元件2表面解吸附率的装置，所述装置包含使电流穿过所述弹性元件的装置，或含有在所述弹性元件外面的发热器或电磁辐射源；确定至少一个弹性元件2共振振荡频移值相互关系的装置，其中所述频移是由于穿过所述弹性元件电流值或外部源使所述弹性元件发热或辐射强度发生改变所致；测量电流动态或静态伏安特性的装置，包含至少一个输入电极3，一个输出电极5和一个弹性元件2，或探测这些伏安特性变化或这些伏安特性滞后量的变化的装置；探测至少一个弹性元件2与至少一个输出电极5(或图4中的电极7)之间粘附作用力的装置，它探测的是要断开所述弹性元件2和所述输出电极5(或图4中的电极7)接触所需施加到所述弹性元件和特定输出电极5(或图4中的电极5或7)或输出电极组合上的电势值；探测至少一个弹性元件2电子发射阈值的装置，或探测该发射阈值变化的装置；探测至少一个弹性元件2共振振荡频移的装置，其中所述频移是由弹性元件外界环境对所述弹性元件的运动的阻力发生改变而造成的；为至少一个弹性元件2提供优选特定种类气体访问通路的装置，它们使用的材料具有选择性发送能力。在本发明的一种实现形式中，所述结构包含两个或多个弹性元件2(图1)，这些元件在长度，或有效直径，或结构，或表面功能化参数上都不尽相同；还另外包含了确定这些弹性元件共振振荡频移值之间的相互关系的装置，所述频移是由这些弹性元件分子或颗粒的物理或化学吸附作用造成的。

在本发明的一种实现形式中，结构包含两个或更多个弹性元件2，其中至少部分弹性元件在结构上确保不会暴露在外界环境中；并且还另外包含确定结构上确保不会暴露的弹性元件共振振荡频移的装置；所述频移是由这些弹性元件的温度改变造成的，它们的温度改变是由环境温度改变或穿过它们的电流造成的。

用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构的生产方法包含：形成至少一个受控元件2(图6)和至少一个输出电极5，使得至少部分输出电极5是由这样的材料制成，即所述材料在由受控元件2介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化，或者至少部分受控元件2是由这样的材料制成，即所述材料在由输出电极5介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化；执行改变定位于输出电极5-受控元件2界面(图7)的区域中输出电极5材料性质的操作，其中性质的这种改变是由受控元件2介导的物理或化学反应引起的，或者执行改变定位于受控元件2-输出电极5界面的区域中受控元件2材料性质的操作，其中性质的这种改变是由输出电极介导的物理或化学反应引起的。在本发明方法的一种实现形式中，起到受控元件2作用的是以竖直位置附加在衬底1上的碳纳米管；起到输出电极5作用的是碳基材料层；起改变输出电极材料性质作用的操作是局部阳极氧化操作，其中受控元件起到阴极的作用，而输出电极起到阳极的作用；因此，实现了输出电极在定位于受控元件附近的区域内发生氧化。

在本发明方法的一种实现形式中，起到受控元件2作用的是以竖直位置附加在衬底1上的多层碳纳米管；起到输出电极5作用的是化学惰性导电材料层；起到改变受控元件材料性质作用的操作是局部阳极氧化，其中受控元件起阳极的作用，而输出电极起阴极的作用；因此，实现了对多层碳纳米管至少一个外层的氧化。

用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构的生产方法包含：形成至少一个受控元件2和至少一个输出电极5，从而受控元件是纳米管，或纳米纤维，或纳米管束或纳米纤维束，并且至少部分受控元件表面涂覆有材料性质与受控元件的材料和输出电极的材料都不相同的材料层；并且部分地或完全地去除施加在受控元件表面的具有与受控元件的材料和输出电极的材料都不相同的性质的材料层。

在发明所述方法的一种实现形式中，纳米管2是在竖直位置附加到衬底1上的碳纳米管；起到施加在至少部分受控元件表面的具有与受控元件的材料和输出电极的材料都不相同的性质的材料层作用的是自组织处理过程中所形成的分子单层；并且起到部分或完全地去除所述分子单层作用的操作是选择性蚀刻操作。

详细描述

碳纳米管直径可高达0.7nm，其中基于碳纳米管的系统可具有不同的机械状态，所述状态在室温和更高温度下是稳定的。解决了对等地形成控制电极和纳米管的问题，以及解决确保适当互连数量能达到约为10¹⁶M^-2的集成度，进而尽可能地接近集成度的基限(fundamentallimit至少在室温情况下)的拓扑(topographic)问题。实现所述的集成度已被声称为本发明一个方面的技术效果。在发明的这个方面里，限定的特征是以下三个因素的组合。确定结构基本几何形状的初级处理过程是产出碳纳米管的过程，所述碳纳米管的主要参数完全由物理基限决定，比如碳原子之间化学键的长度及方向。接下来，启动物理装置，所述装置确保将产出的碳纳米管的几何形状部分转换为控制电极。这能够实现控制电极自对准效果和确保控制电极-碳纳米管间隙最小化。第三个因素是将各个纳米管不仅分别作为各自的控制电极，还作为施加到这些电极上的信号频率使用。这能够减少独立电极和互连所需数目。在一般情况下，除了碳纳米管之外，人们还可以使用其他物体，例如自组织处理的产物(硅纳米线(Ongi Englander，DaneChristensen，Liwei Lin，应用物理学快报(Applied Physics Letters)，2003，VoI.82，No.26，P.4797-4799)，基于氧化物的半导体纳米带(Zhong Lin Wang，Zhengwei Pan.国际纳米科学杂志(InternationalJournal of Nanoscience)，2002，Vol.1，No.1，P.41-51)等)，以及用传统手法制成的平板印刷品。此后，属于自组织产物的物体就使用“纳米纤维”这种通用术语来表示(不考虑这些物体的结构和组成)。

在本发明的一种实现形式中，起到将碳纳米管几何形状转换为控制电极的物理机械设备作用的是局部阳极氧化过程(LAO)。扫描原子力显微法的一个最著名的技术应用是通过氧化处理修正导电衬底的性质，其中所述氧化处理由原子力显微探针激发并且从而具有局部特性(Nevolin，V.K.，《探测纳米技术在电子学中的应用》“Зондовыeнaнотeхнологиив элeктpоникe”[Probing Nanotechnologies inElectronics]，Moscow，Tekhnosfera，2006)。这样就使高的空间分辨率得以实现。这是由原子力显微镜探针几何形状决定的，也就是说，是由它的有效曲率半径所决定。由于原子力显微镜上所加的是负偏压极(阴极)而处理好的衬底上所加的是正极(阳极)，使得该处理过程是阳极氧化过程。要改进LAO处理，就需要存在氧离子源。在大气压条件下，存在于表面上的天然空气吸附物成功地起到上述离子源的作用。要注意到与LAO类似的效果还可以通过使用扫描隧道显微镜法实现，并且在这种情况下更容易获得高的空间分辨率(Stroganov，A.A.，《“微电子学与信息学-2005”会议论文》(“Teзиcыдоклaдовконфepeнции《Mикpоэлeктpоникa and инфopмaтикa-2005》[“Microelectronics andInformatics-2005”Conference：Theses of Papers]))。

由于所形成的氧化面积的宽度具有与探针曲率半径相同的量级大小，从而LAO方法空间分辨率的增加即可推定出要使用更锐的探针。有碳纳米管附着在其尖端处的探针，无论从使曲率半径达到最小的标准来看，还是从使探针纵横比(aspect ratio)增加的标准来看，都能为探针显微法提供最有前景的解决方案。因此，自然会将在竖直位置上附着于衬底上的碳纳米管当作原子力显微探针的静态类似物。假如特定材质的导电层于所述纳米管发生接触，那么人们就可以通过在所述层和所述纳米管之间施加适当极性的偏置电压来起动对相对于所述纳米管定位的区域中所述层的氧化作用。在此，如果导电层材质氧化产物是不稳定化合物，那么就不必再进行任何另外操作来在所述纳米管和所述导电层之间生成间隙。例如，无定形碳或石墨化碳可被当作是所述导电层的材料。与上面的材料相比，碳纳米管是碳的一种在热力学上显著地更为稳定的形式。基于这种考虑，这些材料会发生局部阳极氧化存在一定的条件范围，此时引起所述氧化过程的碳纳米管会保持稳定。将纳米管作为阴极也有助于纳米管在氧化过程中的稳定性。上述实验是在运用原子力显微法的碳纳米管(Chaplygin，Yu.A.，Nevlin，V.K.，Khartov，S.V.《自然科学院报告》(доклaыAкaдeмииHayк[Reports of the Academy of Sciences])，2007，v.412，No.6，p.1-4)和石墨化碳薄膜(Stroganov，A.A.，《“微电子学与信息学-2005”会议论文》(Teзиcыдоклaдовконфepeнции《Mикpоэлeктpоникa andинфоpмaтикa  -2005》[Microelectronics and Informatics-2005”Conference：Theses of Papers])，Moscow，MIET， 2005，p.16)的局部阳极氧化过程中进行的。在实验中对氧化电压的阈值进行观测；石墨化碳薄膜的阈值约为3-4V，而碳纳米管的阈值约为6V。石墨化碳的终极状态是高度定向的热解石墨。使用它作为控制电极材料能有助于减少操作中结构的能量耗散。

在一般情况下，在受控元件(特别是碳纳米管)发生某种作用的情况下经历物理或化学改变(这种情况下，不可逆性并不表示绝对的不可逆性；这只是表示那些改变在结构寿命周期内是一次性的改变)的任意材料都可以被用作受控电极的材料。特别地，控制电极的材料可包含起到氧化剂作用的部件，并确保氧化过程是由受控元件的作用引起的，与此同时贯穿整个受控元件表面(与上述情况相反，当氧化材料为无定形碳或石墨化碳时，氧化过程是顺序发生的，从与空气吸附物接触的顶层开始，其中所述空气吸附物起到氧离子源的作用)。受控元件可通过电流、电场、或热学及化学作用(特别地，受控元件可起到化学反应催化剂的作用)引起控制电极材料发生改变。材料性质发生改变的控制电极区可用作隔离控制电极和受控元件的隔离层，或者所述区的材料可以去掉(例如，通过选择性蚀刻法)。材料被去掉时，如果受控元件由于发生弹性形变而与控制电极发生机械接触并由此使得控制电极性质的局部改变可以重复操作，那么所得到的间隙宽度就会增加。所述操作可以重复进行，直到间隙宽度超过受控元件的弹性形变能力。当化学惰性材料(如金)被用作控制电极材料而多层碳纳米管被用作受控元件时，就存在一个有意义的时机。在这种情况下，在控制电极和碳纳米管之间施加合适的偏置电压开始对碳纳米管至少一个外层的阳极氧化反应。通过这种方式生成并隔开纳米管和金电极的间隙的最小尺寸对应于多层纳米管的夹层距离，约为0.33nm。这个数值可作为本发明所述用于控制电极自对准方法分辨率的限值。在一般情况下，人们除了使用多层碳纳米管之外，还可以使用另一种物质，所述物质的至少一部分是由这样的材料组成的，所述材料在输出电极发生某种物理或化学作用的情况下经历不可逆的物理或化学改变。将碳纳米管的几何形状转换给控制电极，与此同时确保它们在空间被最小间隙隔开，这些既可以通过被纳米管作用使控制电极材料局部改变的所述方法实现，也可以通过先在纳米管上预涂覆一层特殊材料层然后在将控制电极材料施加到它上面的手段来实现。纳米管与控制电极的间隙的形成是由随后选择性去除掉执行所谓牺牲层功能的那一层完成的。这种情况下，对牺牲层材料的要求是由选择性去除它的可能性及其涂覆在碳纳米管上一致性的能力共同决定的。这样看来，用自组织过程所形成的分子单层来涂覆纳米管看起来很有前景。决定分子在物体表面上自排序的主要因素称为分子difilic。Difilic表示的是分子一端的性质与其另一端性质不同，其中这种差异使得在能量方面分子的一端有利于吸附到物体表面而另一端不利于吸附(Zhou C，Deshpande M.R.，Reedb M.A.应用物理学快报(Applied PhysicsLetters)，1997，Vol.71，No.5，P.611-613)。从而，在表面上形成了以高度完美的结构为特征的已排序单分子厚度层。在一般情况下，人们利用上述机械设备可以实现在表面上形成受控数量的分子层。在本发明的一种形式中，碳纳米管通过间隙(所述间隙可利用上述任意方法实现)与控制电极隔离，并能自由地进行机械移动。输入电极与纳米管电连接。控制电极起到输出电极的作用。在输入电极和输出电极之间施加偏置电压可以使库仑力作用于纳米管上。当施加的偏置电压取特定数值时，纳米管的弹性形变确保了纳米管切换到与输出电极表面发生机械接触进而电接触的状态。在这种状态下，纳米管提供了在输入电极和输出电极之间传输的电子，所述电子可以通过测量与输入电极和输出电极信号耦合的电流或电压的方式探测。

由于纳米管与输出电极发生机械接触是假设纳米管发生了弹性形变(由于发生形变，纳米管闭合了将它与输出电极隔开的间隙)，弹力会想要断开这种接触并使纳米管回到初始的未变形状态。这些弹力被Van der Waals作用力抵消，所述作用力直接从机械接触区内产生出来。由于这些作用力的关系，纳米管和控制电极间的机械接触将或是延续(稳定接触)或是断开(短期接触)。机械接触的特性可用接下来的方法指定。首先，将纳米管与输出电极隔开的间隙尺寸决定了纳米管必须经历多大的形变才能与输出电极相接触，进而决定了想要使纳米管回到初始状态的弹力大小。第二，纳米管表面及输出电极的性质决定了Van der Waals作用力作用于接触区内的大小，并且可通过，例如使表面功能化或向表面上施加特定涂层来指定。第三，人们可以利用纳米管与输出电极的库仑相互作用，所述作用可以是相斥的或相吸的。在第一种情况下，纳米管和输出电极可充上极性相同的电荷。在第二种情况下，纳米管和输出电极的极性不同，并且电流在它们之间流通。如果要对作用于处在于输出电极机械接触状态下的纳米管的库仑力进行更有效的控制，人们可以使用不与纳米管直接发生电接触的另外电极。

在本发明的一种实现形式中，碳纳米管能够自由地以固有频率发生机械振荡。在纳米管和输出电极之间施加适当频率的偏置电压保证了为碳纳米管的共振振荡提供激励。纳米管的几何形状和纳米管和输出电极之间的间隙宽度被指定，从而在施加的偏置电压的特定幅值下纳米管共振振荡幅度变得足够纳米管切换到与输出电极发生稳定的或短期的机械接触状态。在这种状态下，纳米管保证了电子在输入电极和输出电极之间传输，所述电子传输可以通过测量与输入电极和输出电极信号耦合的电流或电压的方式探测。这为测量纳米管共振振荡频率提供了一种简便的方法。与已知的基于，例如，测量纳米管-电极空间隔离系统的电容变化量，或纳米管载荷子阻值或密度变化量的那些方法不同，本方法不要求对高频电信号进行分析，这简化了它的实现手段，并放松了对系统寄生电容(parasitic capacitances)值的要求。应当注意，使用所述方法确定共振频率的精度可以通过采用多次迭代测量的方式增加。这与激励纳米管振荡的偏置电压值所起的作用有关。如果激励电压值超过纳米管与输出电极发生接触所需的最小值，那么这种转变会发生在任意一个激励电压频率下，所述频率处于共振频率附近的特定区间内(偏置电压超出最小值越多，附近区间就越大)。实际上，由于激励偏置电压的最小值是未知的，在共振频率测量值发生第一次迭代之后，降低激励电压并重复测量步骤是符合利益的。为了减少必要迭代步骤的数量，可以使用各种不同的数学方法，特别是二分法，或将区间分半(dividing an interval in half)。由于纳米管作为共振器来说具有极高的品质因数(US2002167375)(那指的是共振波峰的对应窄度)，人们使用所述方法可以预料想到测量共振频率会具有相当高的精度。

在本发明的一种实现形式中，提供了一种不依赖能量的内存(energy-independent memory)。其特征在于：能够实现高度集成化并存在另外的独立选取坐标(addressing coordinate)，起到所述作用的是选定元件(addressed element)的共振频率。为此，多数碳纳米管被分为阵列，其中每个阵列的碳纳米管都具有公共输入和输出电极。这些电极是由传统平板印刷法形成，并且每个阵列碳纳米管的空间隔离是由先前所述的自对准方法之一实现。纳米管几何形状和将纳米管与输出电极隔离开的间隙宽度被指定，从而在纳米管转换为与输出电极机械接触的情况下，所述机械接触是稳定。因此，每个纳米管都具有两个稳定态-自由状态和与各自输出电极机械接触的状态。在机械接触状态下，纳米管可在各自的输入和输出电极间进行电子传输，这可以使用测量电流或电压的方式探测到，所述电流或电压与输入或输出电极信号耦合。为了使特定纳米管从自由态切换到机械接触状态，必须在所述纳米管所属的纳米管阵列的输入电极和输出电极之间施加偏置电压。施加偏置电压使得其频率对应于所述纳米管的共振频率。如果所述阵列中其余选定纳米管所具有的共振频率与选定纳米管的共振频率不同，它们的机械移动就不会发生共振，进而振荡是小幅度的，而此时选定的纳米管由于共振效应将会积累很高的机械共振能量，这使得纳米管能够发生一定程度的形变使得在各个振荡相位它都能达到输出电极并切换到机械接触的稳定状态。为了使纳米管切换到初始自由态，就需要向纳米管和它所接触的输出电极施加相同极性的电荷，或是向与纳米管隔离开的另外电极施加相同极性的电荷。然而，由于输入和输出电极是阵列中的所有纳米管共用的，这样做会使得所有纳米管都切换到稳定自由态。也就是说，在此模式下我们得到的是不依赖能量的内存，所述内存能随机地读取记录信息。然而，复录仅可以通过“重置”阵列中所有纳米管状态的方式才能完成。如果处于与输出电极机械接触状态下的纳米管也能在所有固有频率下自由地发生机械共振，那么上述限制就能被克服。处于接触状态的纳米管的共振频率会超过相同的处于自由态的纳米管相应共振序数(order of resonance)的共振频率，这是因为接触区起到了纳米管另外附着点的作用，并且由此纳米管结构的刚度得到增强。例如，人们可以列举出竖直附着于衬底的纳米管，其中输出电极围绕着它同轴放置。处于自由态时，纳米管具有一个附着点并像悬臂梁那样振荡。处于与输出电极接触的状态时，纳米管两端都附着的，能像绳索一样自由振荡，其中它的固有频率增加超过两倍。通过激励处于机械状态的纳米管发生共振振荡，可以为它带来高的机械动能。在所述过程中，由于纳米管的形变，在特定振荡相位会有要断开机械接触的弹力出现，其中所述作用力是与输出电极的库仑斥力同步发生的。结果是，比其他纳米管的偏置电压值低的那个共振纳米管的机械接触会断开。因此，就有可能使特定的纳米管从与输出电极机械接触的状态切换到自由态。为了读取个别纳米管的状态，也可以用到共振效应。要做到这一点，子系统包含一个纳米管(也就是一个内存基本单元)，所述必须读取的纳米管状态转换为电滤波信号操作模式(本方法用于以碳纳米管为基础的结构，在专利(WO02080360，US2002167375，EP1646145，WO2007030423)中有所介绍)。所述滤波器操作的本质是纳米管共振机械振荡对输出电信号的调制，其中所述调制频率对应于纳米管的共振频率。因此，仅有频率与纳米管的共振频率对应的谐波从激励纳米管振荡的输入信号中被提取出来，此时其他谐波都被阻止了。使纳米管机械运动转变为对输出电信号调制的物理机械设备是多种多样的。由于所述结构具有两个稳定态，作为电信号滤波器才有可能存在两种操作模式。处于纳米管自由态时，施加到输入电极上的各个谐波信号分别通过电容耦合而转化到输出电极。输入信号的大小应足够低使得振荡纳米管不能切换到与输出电极发生接触，这是因为所述点时读出操作，并且纳米管的状态不应发生改变。本模式下对纳米管结构最接近的类似物是专利(US2002167375，EP1646145)中介绍的设备。当纳米管处于机械接触状态时，输入信号被施加到另外电极上，所述另外电极与纳米管电隔离。输入信号的各个谐波分别通过调制纳米管载荷子密度阻值的手段编译为输入电极-纳米管-输出电极的电路，其中所述调制是纳米管机械形变的结果。本操作模式下对纳米管结构最接近的类似物是专利(WO02080360，WO2007030423)中介绍的设备。因此，通过向纳米管阵列中适合的电极施加各种谐波和通过分析通过达到输出信号的谐波就能够确定出阵列中各个纳米管的状态。应当注意的是先前介绍过的读出步骤和记录及复录步骤可以对阵列的各种纳米管同时进行。能够这样做是因为要进行读出或记录操作而施加的信号是各种谐波的叠加，每个谐波都会引起各自的纳米管发生共振运动。本发明所述的一种实现形式中，不依赖能量的内存具有以下优点。

-由于利用了自组织和自对准的效果，所以集成度不受传统平板印刷术的产能限制。

集成度的上限可高达10¹⁶m^-2或更高，所述集成度上限对应于将竖直单层碳纳米管作为受控元件使用。

-信息记录装置的基础是指定基于碳纳米管系统的两个稳定机械状态之一，这提供了一种不依赖能量的存储信息的模式。机械状态可具有比充电状态更高的时间稳定性，这是因为后者更易发生泄漏效应，尤其是在纳米等级上是很重要的。另外，机械记录原理与碳纳米管中原子键的高强度组合为所述内存提供了具备超高辐射稳定性的先决条件。

-完成了将必要的互连密度降低，这就能克服在电路进一步微小型化过程中遭遇的主要瓶颈之一。所有包含阵列的纳米管具有共用电极，并且阵列中纳米管的选定操作是通过使用它们共振频率执行的。因此，互连总数可被减小N倍，其中N是包含一个阵列的纳米管数目。N可能取的最大值是由允许纳米管分别选择的两个纳米管共振频率的最小差值，和阵列纳米管共振频率区间宽度共同决定。由于碳纳米管形式的振荡器具有历史记录的高品质因数(真空中高达10⁵(US2002167375))并具有共振波峰窄的特征，共振频率的分辨率至少为几十或几百赫兹。由于纳米管的共振频率取决于它们的几何形状，可以高达几THz(Tsu-Wei Chou，Zhifeng Ren，Rod Ruoff，Hai Wang.国家科学基金会纳米科学与工程受赠会议(NSF Nanoscale Science andEngineering Grantees Conference)，2003)，由共振频率区分的状态数目上限大约为10⁹-10¹¹种状态左右。这么多的可区分状态表明共振频率是一个极其宽泛的选择参数。因此，对用来生成电极的照相平板印刷术的分辨率的要求就被降低了至少几个量级大小，而与此同时仍保存着最大集成度。为了对基于共振频率的阵列纳米管进行可控分离，人们可以在纳米管产出期间确保阵列进行的条件呈梯度变化(例如，蒸汽-气体混合物浓度呈梯度变化，温度梯度，催化颗粒梯度等)，或确保处理产出期纳米管的条件呈梯度变化(蚀刻纳米管强度呈梯度变化，用另外材料涂覆它们的强度呈梯度变化等)。

让我们回顾以下所述内存的速度问题。由于内存运行的共振原理，对于每个记录或读出操作来说都必须花费与发生特定数目共振振荡周期相等的时间(在振荡过程中由纳米管机械运动产生的能量逐渐地被积累起来)。考虑到碳纳米管共振频率可高达几THz的事实，所述内存操作频率[sic]的上限在几十和几百GHz的范围内。

本发明的一种实现形式中，提供了一种高灵敏度的气体传感器。当纳米管吸收气体时(通常情况下，气体吸收过程也会发生，这是因为在本例中起吸收剂作用的准液体吸附层出现在纳米管表面上)，纳米管自身共振频率由于以下机械设备的作用而发生偏移。第一机械设备根据的是所谓重力测量效应，并且当纳米管线性密度由于它表面上的气体吸附物质量改变而发生变化时改变自身共振频率。悬臂纳米管的一阶共振频率由下面公式给出(US2002167375)：

$f\≈\frac{{\left(1.875\right)}^2}{8\mathrm{\π}}\frac{1}{L^2}\sqrt{D^2+D_i^2}\sqrt{\frac{E_b}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

其中L是长度，D和D_i是内部和外部直径，E_b是杨氏模量，而ρ是密度(1.33g/cm³)。对于100nm长，直径为10nm和8nm的纳米管来说，公式预测出共振频率约为4GHz。随着吸收气体质量的增加，纳米管密度的有效值也会增加，而频率与密度平方根呈反比例下降。

第二机械设备根据的是在纳米管表面活性中心与吸收到的气体分子相互反应时纳米管机械应力发生改变的效应。这一过程导致了纳米管刚度的改变以及公式1中各自的杨氏模量有效值的改变。纳米管刚度改变的特性是由它表面性质及吸收到的气体类型决定的。因此对于碳纳米管来说，当暴露在气体CO2中时，已知二氧化碳吸附的结果是导致纳米管中碳原子键的平均长度增加(Zribi A.，Knobloch A.，Rao R.，应用物理学快报(Applied Physics Letters)，2005，VoI.86，Issue 20)，此时与之对应地，所研究的所述悬臂纳米管刚度降低，各自的自身振荡频率降低。通常情况下，纳米管对分子的吸附作用不仅发生在气态，还发生在液态。因此，由于存在液体介质对纳米管运动的阻力，使得液体内的纳米管振荡器的品质因数更低，但是，由于纳米管振荡器的品质因数初始数值很大，其效率仍能得到保存(共振频率分辨率的损失是不可避免的)。因此，本发明所提到的功能性结构也可应用于分析液体介质组合物的问题中。

如果已知对环境空气中气体的吸附作用会导致纳米管共振振荡频率的改变，那么就有可能从改变的量的大小确定出所述气体的浓度。这种方法的高灵敏度首先是归因于纳米管的高比表面积(specificsurface area)，这使得纳米管振荡器的共振频率对所探测的气体浓度具有更高的灵敏度。其次，是由于纳米管振荡器的高品质因数，这使得确定共振频率具有更高的精度，且各自的测量分辨率也分别有所增加。接下来是一个用气体传感器解释纳米管振荡器电势的例子。实验中不是使用纳米管作为共振器，而是将有碳纳米管栅格附加在其表面上的硅梁用作共振器。已经发现所述共振器共振振荡频率与H2O和CO2分子浓度存在相关性。特别地，对H2O的分辨率能达到大约3ppm(或3×10^-6at％).如果考虑到所使用硅梁的比表面积和品质因数分别比纳米管共振器的比表面积和品质因数低3-4和1-3个数量级，并且测量的分辨率也随着比表面积和品质因数的增加而成比例增长，那么对于气体传感器做纳米管共振器的情况来说分辨率可以被推算出在10^-8-10^-11at％的等级(也就是每10¹⁰-10¹³的环境空气分子中有1个气体分子就能被探测到)。

在本发明中所提到的选择性气体传感器的形式中，实现了一种迫使气体解吸附的机械设备，在接下来的独立测量之前需要用所述机械设备控制传感器感应元件的恢复时间。强迫解吸(Forced desorption)是通过所谓的“热闪光(thermal flash)”模式实现的，其中纳米管被加热到所述类气体分子发生吸附作用的阈值温度以上的温度。这通过使高密度电流通过纳米管或通过与外部热源(如，与邻近的电阻式加热器)热交换的方式达到。如果电流通过纳米管本身，解吸附不仅可以发生在吸附分子热激活的机械设备内部，还会发生在电流激活机械设备内。为了使电流通过纳米管，人们可以既可以使用与纳米管稳定接触的多个电极也可以使用与纳米管稳定接触的一个电极(如输入电极)，而此时输出电极起到第二电极的作用，它与纳米管形成可分离的接触。假如利用纳米管的场效应或热电子发射(Bonard J.M.，Kind H.，Stockli T.，et al.，固态电子学(Solid-State Electronics)，2001，JournalSSE，Article No.2586，P.1-22)，那么仅有一个电极与纳米管接触就能达到让电流通过纳米管。

解吸附也可以通过用波长适当的电磁辐射(如紫外线辐射带)来照射纳米管的方式开始。

在本发明中所提到的选择性气体传感器的形式中，实现了以下的全部或其中几种机械设备，它们使判别气体类型成为可能。

-纳米管表面可以被功能化，也就是以某种形式进行化学处理；结果，元件获得了选择性与某种特定类型气体相互反应的能力。使纳米管表面具备某种特定性质可以在它的产出期间以及后续处理过程中达到。显而易见，所述机械设备的适用性和有效性是由各自的化学(或生物)试剂的可用性和有效性分别决定的，其中所述试剂分子一方面可以通过化学或物理手段附加在固体表面(即功能化)，而另一方面可以选择性并可逆地与所需类型的气体或颗粒发生相互反应。

-第二选择性机械设备是基于共振频移的大小与所述纳米管参数存在相关性，即纳米管的长度，直径和结构，是基于每种气体类型的这种相关性都是唯一的。重力测量效应和吸附作用引发的机械应力改变效应之间的关系对于不同类型的气体也不尽相同，这是因为它们的分子具有不同的质量和不同的机械设备，与纳米管表面活性中心的键能也不同。重力测量效应部件的共振频移与纳米管的直径/长度/结构所存在的相关性与机械应力引起的共振频移与这些参数所存在的相关性并不匹配。在此，通常的情况下，“机械”部件的相关性也是各种气体类型都不相同。因此，基于与长度/直径/结构基本不同的纳米管对应的共振频移值之间的关系，就可以判断出气体类型，并且此后为了确定气体类型浓度而要正确的换算出共振频移的绝对值也成为可能。实际上，通过采用为所有感兴趣气体类型校准所述特定传感器的步骤，能更简便地解决为具有随机数目随机特性的纳米管的传感器换算出共振频移的相对值和绝对值的问题。所述选择性机械设备的效率随着测量中采用的纳米管性质之间差异的增加而增加。因此，如果纳米纤维的某些性质(例如结构和缺陷数目)是随机的，那么增加传感器中纳米管的数量是有意义的，并且进而增加了更完全匹配特定气体类型的特征在纳米管上出现的几率。因为纳米管本身的尺寸(至少是横截面尺寸)极小而纳米管的出产技术遵循大规模并行标准(mass parallelismcriterion)，似乎为今之计就是要在结构上将大量纳米管组合在一块设备上。除了长度，直径和结构上的的差别之外，纳米管在可用性和表面功能化参数上也有差异。

-第三选择性机械设备是基于与各种气体类型吸附作用相关的温度差异。特别地，是基于吸附作用阈值温度值的差异，其中气体分子与固体表面活性中心的键能不再超过这些分子热运动的能量。可以通过轮换“冷”和“热”操作模式来实现所述可选择机械设备，其中所有或个体的振荡纳米管都在所述温度下适当地发生变化。个体纳米管的温度是由通过它们的电流大小或外部热源的加热或照射的强度进行控制的。在这种情况下，发生吸附作用的气体类型信息由对应各个操作温度的共振频移值之间的关系所携带。为了正确地换算这些关系式，就需要首先对所有感兴趣的气体类型进行校准操作(所述校准操作也是下面列出的所有其他选择性机械设备所需的)。

-第四选择性机械设备是基于各类分子的电学性质的唯一特征。当纳米管切换到与输出电极发生机械接触的状态时，电子在如此形成的电路中传输的特质将携带着出现在纳米管表面接触区域内分子的电学性质的信息。这将通过结构的静态和动态伏安特性参数及这些特性的滞后参数得到证实。

-第五选择性机械设备是基于纳米管与输出电极粘附情况的差异，这取决于遮盖纳米管的吸附物性质。粘附差异决定了同极电势的取值差，所述电势必须施加到纳米管和与之接触的输出电极，或与纳米管隔离的另外电极上以便使纳米管从机械接触状态切换到自由态。

-第六选择性机械设备是基于纳米管场或热发射参数的灵敏度，其取决于纳米管的表面状态，特别是取决于它表面上的吸附物。当纳米管处于自由态时，输出电极可起到收集发射电子的集电极的作用。

-第七选择性机械设备是基于纳米管在部分媒质上运动的阻力差，这取决于组成媒质的气体类型。由于本发明在纳米管和输出电极之间设置的间隙可以非常小，填充间隙的媒质的机械性质就会对纳米管共振振荡频率产生显著的影响。

-第八选择性机械设备是基于对具有选择性传播能力的材料制成的涂层的使用。通常来说，这个途径可应用与任意种类的气体传感器。其可归结为一下几点：只有一种特定气体能够通过传感器感应区，而环境空气中的其他成分都被选择性涂层阻挡。这种机械设备的应用性和有效性是由选择性涂层技术的发展水平决定的。

部分纳米管可受到保护以免于暴露在气体中，这些纳米管由环境温度变化或通过它们的电流所致温度改变引起的共振频率值偏移可被用于对那些暴露于气体中的纳米管共振频率改变温度组成的补偿。因此，未暴露的那部分纳米管本质上执行的是热传感器的功能。

实施例

通过使用溶胶技术，可以在介电衬底1(图6)表面上形成镍纳米催化颗粒。在电场中生产出碳纳米管的工艺过程是通过催化裂解载碳(carbon-carrying)气体(如丁烷-丙烷混合物)蒸气的方法完成。所述工艺过程的结果是生产出大量竖直定向的碳纳米管2。用激光烧蚀或阴极溅射法施加金属层3(如钽层)。所述层执行的是输入电极的功能，它还为纳米管在竖直位置上提供另外支撑。用磁控管溅射法施加介电层4(如氧化铝层)。用阴极溅射法施加无定形碳层5，所述层执行的是输出电极的功能。无定形碳层5的电导率通过加温退火的手段增加。在输入电极3和输出电极5之间施加至少3V的电压差，从而输出电极5是阳极。在此，碳层5在纳米管2周围发生氧化，形成气态的CO2。这在纳米管2和电极5之间形成了间隙(图7)。继续进行氧化处理直到纳米管2被完全与输出电极5隔离开。进行氧化处理的环境必须含有氧气或水蒸气。要拓宽纳米管2和电极5之间的间隙是有可能的。为此，纳米管2用库仑力偏移到与输出电极5发生机械接触的状态(图2)；然后重复进行输出电极5局部阳极氧化的处理过程。所述步骤可以根据需求完成多次。为了防止输出电极5发生不期望的氧化，当操作在纳米管2切换到机械接触状态所得到的结构时，必须确保极性和操作偏置电压范围是适当的，或向输出电极5表面施加另外的化学惰性的导电材料层6(图3)。在形成导电层3和介电层4时要注意碳纳米管与溅射物质的颗粒发生相互反应的问题。理想地，这些颗粒应当形成层3和4，而不在纳米管2的表面上形成任何涂层。为此，所施加的材料和施加它们的条件必须选择为不利于物质以连续甚至是弥散涂层的形式保留在纳米管的表面上。小直径碳纳米管(单层或具有少量层)具有小的表面曲率半径，并且相应地，具有大的表面能，因此有助于满足所述条件。对于相对较大直径的纳米管和纳米纤维来说(所述结构非常适合于，例如，传感器用途)，它们具有与溅射薄膜(5-10nm)相比更大的质量，溅射材料的弥散岛所占份额就可以忽略不计了。此外，振荡部分的大规模生产使得所述振荡器的品质因数可能增加。在溅射各向异性很高的情况下，其中它们的方向都与纳米管纵轴相符，纳米管侧表面将进行最少的与溅射物质颗粒的相互反应，并且主要处理过程是在纳米管顶点形成“帽子”。这甚至更有助于增加纳米管振荡器的品质因数(伴随的是振荡器频率下降)。一种备选的解决方案是利用气相或液相外延法形成结构功能层。用外延法实现能够让外延生成的薄膜出现在衬底表面，而与此同时不可能在碳纳米管表面上生成任何薄膜。

具有另外电极5的结构(图4)可通过类似的方法获得。为此，在形成纳米管2和输出电极5之间间隙的操作之后，接下来执行另外的操作：施加第二介电层6，施加第二无定形碳层7，和对第二无定形碳层7进行局部氧化。得到的另外电极(第一无定形碳层5起到它的作用)可被用来，特别是用来激励处于机械接触状态的纳米管2发生振荡。所述操作的模式与使用所述结构当作前述不依赖能量的内存的情况相关，所述内存的选定操作已经通过指定施加偏置电压的频率完成。另外电极5也可用于结构的传感器用途，例如，用于控制共振振荡频率或控制纳米管2挤压输出电极7的作用力和想要断开纳米管2与输出电极7机械连接的作用力之间的相互关系。

为了形成输入和输出电极，可以用到传统的照相平板印刷术。借此可以形成被介电层3隔离开的电极1和4的矩阵(图5)。具有公共电极1和4的纳米管的数量是由纳米管2的表面密度及照相平板印刷术所形成的电极1和4的宽度决定。为了增加纳米管2在整个表面上分布的一致性，人们可使用多孔氧化铝作为介电衬底1(图6)(Li J.，Papadopoulos C，Xu J.M.，et al.应用物理学快报(Applied PhysicsLetters)，1999，Vol.75，Issue 3，P.367-369)。这种情况下，保证纳米管2出产的催化剂颗粒嵌入氧化微孔中。除了要增加纳米管2的分布一致性之外，还会存在由微孔壁造成的纳米管2出产方向的倾向效应。人们还可以用沸石当作多孔材料，所述沸石是由十二环(12-memberrings)氧原子形成的微孔(Y型沸石)，并且它们的特征尺寸对应单层碳纳米管的直径。

Claims (28)

1.一种用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构，包含：

至少一个具有电导率的受控元件；

至少一个输入电极，所述输入电极与受控元件电接触；

至少一个输出电极，所述输出电极与受控元件空间隔开并与之静电耦合，其中至少部分输出电极是由这样的材料制成，即所述材料在由受控元件介导的物理或化学反应下进行不可逆的物理或机械变化，或者，至少部分受控元件是由这样的材料制成，即所述材料在由输出电极介导的物理或化学反应下进行不可逆的物理或机械变化。

2.如权利要求1所述的结构，特征在于：受控元件被制成弹性元件的形式，所述元件可改变其几何形状。

3.如权利要求2所述的结构，特征在于：弹性元件能自由地以固有频率发生机械振荡。

4.如权利要求2所述的结构，特征在于：其另外包含探测电信号的装置，它们与至少一个输入或输出电极信号耦合，并且弹性元件可切换到与至少一个输出电极发生稳定的或短期的机械接触，其中所述探测电信号的装置至少探测出与所述稳定的或短期的机械接触有关的电信号改变情况。

5.如权利要求4所述的结构，特征在于：至少一个输出电极的至少部分表面上涂覆有绝缘或导电层，所述绝缘或导电层避免了弹性元件与所述输出电极之间直接机械接触的可能性。

6.如权利要求3所述的结构，特征在于：所述结构另外包含在弹性元件和输出电极或输出电极的组合之间施加直流偏置电压的装置，所述装置对弹性元件的共振机械振荡频率进行控制，或在弹性元件与至少一个输出电极发生机械接触的情况下，对受控元件挤压输出电极的作用力和试图断开受控元件与输出电极机械接触的作用力之间的相互关系进行控制。

7.如权利要求4所述的结构，特征在于：弹性元件和至少一个输出电极之间的空间隔离，或弹性元件和所述输出电极的表面性质，或施加在弹性元件和输出电极或输出电极组合之间的偏置电压都以特定的方式被指定，从而确保弹性元件和所述输出电极之间的稳定的或短期的机械接触。

8.如权利要求2所述的结构，特征在于：至少部分受控元件表面进行了化学或生物功能化处理。

9.如权利要求3所述的结构，特征在于：弹性元件被分组为弹性元件阵列；每个阵列中的弹性元件具有公共输入和输出电极；另外包括选定弹性元件或弹性元件子群的装置；阵列中的每个弹性元件或弹性元件子群都具有其自身的共振振荡频率；选定装置通过输入和输出电极指定选定的弹性元件或弹性元件子群所属的弹性元件阵列，它们还指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于选定的弹性元件或弹性元件子群的共振振荡频率。

10.如权利要求9所述的结构，特征在于：处于与至少一个输出电极机械接触状态下的弹性元件可以自由地以固有频率发生机械振荡，所述频率不同于所述元件在没有发生机械接触状态下的固有频率，而选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于处于机械接触状态下的选定弹性元件的固有振荡频率，或者使得该频率对应于处于没有发生机械接触状态下的选定弹性元件的共振振荡频率。

11.如权利要求9或10所述的结构，特征在于：选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的偏置电压，使得该偏置电压是具有不同频率的交流电压的叠加，其中它们每一个的频率对应于弹性元件之一的固有振荡频率。

12.如权利要求1或2所述的结构，特征在于：受控元件是碳纳米管，或碳纳米纤维，或碳纳米管束或碳纳米纤维束。

13.如权利要求1或2所述的结构，特征在于：碳基材料被选为制作至少部分输出电极的材料，所述材料在由受控元件介导的物理或化学反应下会发生不可逆的物理或机械变化。

14.如权利要求1或2所述的结构，特征在于：受控元件是多层碳纳米管，至少一个外层通过由输出电极介导的反应被去除。

15.一种用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构，包含：

至少一个制成弹性元件形式的受控元件，所述弹性元件具有电导率并能够自由地以固有频率发生机械振荡；

至少一个输入电极，所述输入电极与弹性元件电接触；

至少一个输出电极，所述输出电极与弹性元件空间隔开并与之静电耦合；

在输入和输出电极组合之间施加偏置电压的装置；

探测电信号的装置，它们与至少一个输入或输出电极通过信号耦合，其中施加偏置电压的装置提供弹性元件的机械振荡的激励，其中弹性元件共振振荡的幅值确保了弹性元件切换到与至少一个输出电极稳定的或短期的机械接触，所述探测电信号的装置至少提供与所述稳定的或短期的机械接触相关的电信号变化的探测情况。

16.如权利要求15所述的结构，特征在于：弹性元件被分组为弹性元件阵列：每个阵列中的弹性元件具有公共输入和输出电极；另外还包括选定弹性元件或弹性元件子群的装置；阵列中的每个弹性元件或弹性元件子群都具有其自身的共振振荡频率；所述选定装置通过输入和输出电极指定所述选定的弹性元件或弹性元件子群所属的弹性元件阵列，并指定施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于所述选定的弹性元件或弹性元件子群的共振振荡频率。

17.如权利要求16所述的结构，特征在于：每个处于与至少一个输出电极机械接触状态下的弹性元件都能够自由地以固有频率发生机械振荡，所述固有频率不同于所述元件在没有发生机械接触状态下的固有频率，并且所述选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的交流偏置电压频率，使得该频率对应于处于机械接触状态下的所述选定弹性元件的共振振荡频率，或者使得该频率对应于处于没有发生机械接触状态下的所述选定弹性元件的共振振荡频率。

18.如权利要求16或17所述的结构，特征在于：所述选定装置指定了施加到指定弹性元件阵列输入和输出电极组合上的偏置电压，使得该偏置电压是频率不同的交流电压的叠加，并且它们每一个的频率对应于弹性元件之一的固有振荡频率。

19.如权利要求15所述的结构，特征在于：所述结构另外包含至少一个以下装置：

控制气体分子从至少一个弹性元件表面上解吸附率的装置，其包含使电流穿过所述弹性元件的装置，或包含位于弹性元件外面的发热器或电磁辐射源；

确定至少一个弹性元件共振振荡频移值之间关系的装置，其中所述频移与穿过所述弹性元件电流值相关或与由外部源使所述弹性元件发热或辐射的强度相关；

测量电路动态或静态伏安特性的装置，包含至少一个输入电极，一个输出电极和一个弹性元件，或探测这些伏安特性变化或这些伏安特性滞后的变化的装置；

探测至少一个弹性元件与至少一个输出电极之间粘附作用力的装置，它探测的是要断开所述弹性元件和所述输出电极接触所需施加到所述弹性元件和特定输出电极或输出电极组合上的电势值；

探测至少一个弹性元件电子发射阈值的装置，或探测所述发射阈值变化的装置；

探测至少一个弹性元件共振振荡频移的装置，其中所述频移是由于弹性元件外界环境对所述弹性元件的运动的阻力发生改变而造成的；

为至少一个弹性元件提供特定种类气体优选访问通路的装置，其基于使用具有选择性输送能力的材料。

20.如权利要求15所述的结构，特征在于：至少部分弹性元件表面进行了化学或生物功能化处理。

21.如权利要求15或19所述的结构，特征在于：它包含两个或更多个弹性元件，这些元件在长度，或有效直径，或结构，或表面功能化参数上都不相同；还另外包含了确定这些弹性元件共振振荡频移值之间的相互关系的装置，所述频移是由这些弹性元件分子或颗粒的物理或化学吸附作用造成的。

22.如权利要求15或19所述的结构，特征在于：它包含两个或更多个弹性元件，其中至少部分弹性元件在结构上受到保护而不会暴露在外界环境中，并且还另外包含确定在结构上受到保护而不会暴露的弹性元件的共振振荡频移的装置；所述频移是由这些弹性元件的温度改变造成的，它们的温度改变是由环境温度改变或电流穿过它们造成的。

23.如权利要求15所述的结构，特征在于：弹性元件是碳纳米管，或碳纳米纤维，或碳纳米管束或碳纳米纤维束。

24.一种用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构的生产方法，包含：

形成至少一个受控元件和至少一个输出电极，使得：至少部分输出电极是由这样的材料制成，即所述材料在由受控元件介导的物理或化学反应下进行不可逆的物理或机械变化；或者，至少部分受控元件是由这样的材料制成，即所述材料在由输出电极介导的物理或化学反应下进行不可逆的物理或机械变化；

执行改变定位于输出电极-受控元件界面的区域中的输出电极材料性质的操作，其中这种改变是由受控元件介导物理或化学反应引起的；或者，执行改变定位于受控元件-输出电极界面的区域中受控元件的材料性质的操作，其中这种性质改变是由输出电极介导物理或化学反应引起的。

25.如权利要求24所述的方法，特征在于：由在竖直位置附加到衬底上的碳纳米管起到受控元件的作用；由碳基材料层起到输出电极的作用；起到改变输出电极材料性质的操作作用的是局部阳极氧化操作，其中受控元件起到阴极的作用，而输出电极起到阳极的作用，从而实现了输出电极在定位于受控元件周围的区域内发生氧化。

26.如权利要求24所述的方法，特征在于：由在竖直位置附加到衬底上的多层碳纳米管起到受控元件的作用；由化学惰性导电材料层起到输出电极的作用；起到改变受控元件材料性质的操作作用的是局部阳极氧化，其中受控元件起阳极的作用，而输出电极起阴极的作用，从而实现了对多层碳纳米管至少一个外层的氧化。

27.一种用于解决传感器技术和微电子领域的技术问题的结构的生产方法，包含：

形成至少一个受控元件和至少一个输出电极，使得受控元件是纳米管，或纳米纤维，或纳米管束或纳米纤维束，并且至少部分受控元件表面涂覆有材料性质与受控元件材料和输出电极材料都不相同的材料层；

部分地或完全地去除施加在受控元件表面的、材料性质与受控元件材料和输出电极材料都不相同的所述材料层。

28.如权利要求27所述的方法，特征在于：所述纳米管是在竖直位置附加到衬底上的碳纳米管；起到施加在受控元件表面的、材料性质与受控元件材料和输出电极材料都不相同的所述材料层作用的是自组织处理过程中所形成的分子单层；并且起到部分或完全地去除所述分子单层作用的操作是选择性蚀刻操作。

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