DE10034315A1

DE10034315A1 - Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE10034315A1
Application number: DE2000134315
Authority: DE
Inventors: Jens Sauerbrey; Franz Kreupl; Roland Thewes; Christian Paulus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE10034315C2

Abstract

Ein Analog-Digital-Wandler weist eine erste und eine zweite Elektrode auf, wobei die zweite Elektrode ein sich in eine Richtung frei erstreckendes, in Richtung der ersten Elektrode biegsames Element ist. Ferner ist ein Messsignalaufnehmer zum Erfassen eines sich verändernden Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler.

Verschiedene Analog-Digital-Wandler sind aus [1] bekannt.

Die bekannten Analog-Digital-Wandler sind rein elektrische Analog-Digital-Wandler.

Mit einem Analog-Digital-Wandler wird ein analoges Signal in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt, gemäß einer vorgegebenen Quantisierungsgröße.

Weiterhin sind aus [2] Grundlagen über sogenannte Carbon- Nanoröhren bekannt.

Ein Verfahren zum Herstellen von Carbon-Nanoröhren, die im weiteren auch als Kohlenstoff-Nanoröhren bezeichnet werden, durch Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren auf einem Substrat, ist aus [3] bekannt.

Ein weiteres Herstellungsverfahren zum Herstellen von Kohlenstoff-Nanoröhren durch Abscheiden der Kohlenstoff- Nanoröhren aus der Gasphase ist in [4] beschrieben.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Analog- Digital-Wandler anzugeben, der nicht auf einem rein elektrischen Prinzip beruht.

Das Problem wird durch den Analog-Digital-Wandler mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.

Ein Analog-Digital-Wandler weist mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode auf. Zumindest die zweite Elektrode ist ein sich in einer Richtung frei erstreckendes biegsames Element, das in Richtung der ersten Elektrode biegsam ist.

Alternativ kann auch die erste Elektrode ein frei sich in einer Richtung erstreckendes Element sein, das entweder starr oder biegsam in Richtung der zweiten Elektrode.

Ferner weist der Analog-Digital-Wandler einen Messsignalaufnehmer auf, der zum Erfassen eines sich verändernden Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode dient.

Der erfasste veränderte Abstand, d. h. die erfasste Abstandsänderung zwischen den Elektroden wird durch den Messsignalaufnehmer erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches als digitales Signal abgegriffen werden kann.

Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler ein elektromechanischer Analog-Digital-Wandler geschaffen ist, der nunmehr nicht mehr auf rein elektrischem Prinzip beruht.

Somit wird anschaulich eine mechanische Veränderung des durch den Analog-Digital-Wandler gebildeten elektromechanischen Systems erreicht, die resultiert aus einer Abstandsänderung des Abstands zwischen den Elektroden. Die Abstandsänderung die erfolgt aufgrund eines auf die erste Elektrode und die zweite Elektrode einwirkenden elektrischen Feldes.

Die zweite Elektrode und vorzugsweise zusätzlich die erste Elektrode können anschaulich als an einem Rand der Elektrode befestigte und sich frei in Erstreckungsrichtung der Elektrode erstreckende elektrisch leitende Platte mit einer länglichen, dünnen, biegsamen Struktur angesehen werden.

Die zweite Elektrode und/oder die erste Elektrode können ferner eine Nanostruktur aufweisen, wobei die zweite Elektrode beispielsweise Polysilizium enthält.

Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode sind bevorzugt als Nanoröhren ausgestaltet, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als Kohlenstoff-Nanoröhren.

Gemäß dieser Ausgestaltung werden die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren zur Messung eines analogen Signals, beispielsweise eines elektrischen Potentials und zur Speicherung des gemessenen Wertes vorteilhaft eingesetzt.

Der Analog-Digital-Wandler kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von ersten Elektroden und zweiten Elektroden aufweisen, wobei bei einer Existenz einer Vielzahl von ersten und zweiten Elektroden jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode ein sich gegenüberliegendes Elektrodenpaar bilden. Die Elektroden eines solchen Elektrodenpaars sind in einem dem Elektrodenpaar jeweils spezifischen Abstand zueinander angeordnet. Zumindest für einen Teil der Elektrodenpaare sind die spezifischen Abstände der jeweiligen Elektroden unterschiedlich.

Die Elektroden und die Elektrodenpaare sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung voneinander elektrisch isoliert.

Durch die unterschiedlichen Abstände, in denen die Elektroden jeweils eines Elektrodenpaars zueinander angeordnet sind, wird anschaulich jeweils für benachbart angeordnete Elektrodenpaare mit unterschiedlichem Abstand innerhalb der Elektroden eines Elektrodenpaares bei Anlegen eines gleichen elektrischen Feldes an den jeweiligen Elektrodenpaaren ein unterschiedlicher Abstand zwischen der jeweiligen ersten Elektrode und der jeweiligen zweiten Elektrode, das heißt dem sich aufgrund des elektrischen Feldes biegenden Elements erzeugt.

Die erzeugte Abstandsänderung kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zu einer Berührung der ersten Elektrode mit der zweiten Elektrode führen, das heißt die erste Elektrode kommt in elektrischen Kontakt mit der zweiten Elektrode. Da die Elektroden grundsätzlich voneinander elektrisch isoliert sind, wird bei entsprechendem elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden ein Kurzschluss erzeugt und die dadurch generierte Änderung des elektrischen Potentials wird von dem Messsignalaufnehmer erfasst.

Allgemein kann die Abstandsänderung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch eine Kapazitätsänderung der Kapazität der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ermittelt werden. In diesem Fall ist der Messsignalaufnehmer als eine Kapazitätsmesseinrichtung ausgestaltet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden derart eingerichtet sein, dass sie nach erfolgter Berührung aneinander haften bleiben. Dies ist beispielsweise bei Ausgestaltung der ersten und zweiten Elektroden als Kohlenstoff-Nanoröhren dadurch erreichbar, dass aufgrund der Van der Waalschen Kräfte Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren auftreten. Sind die auftretenden Van der Waalschen Kräfte größer als die Federkräfte der biegsamen Kohlenstoff-Nanoröhren, d. h. die Kräfte, die eine gebogene Kohlenstoff-Nanoröhre in Richtung ihres Normalzustands ohne Biegebelastung drückt, so bleiben die erste und die zweite Elektrode nach Berührung aneinander haften, so dass in diesem Fall der Analog-Digital-Wandler als mechanisches Abtastglied und Halteglied eingesetzt werden kann.

Auf diese Weise kann der abgetastete analoge elektrische Wert mechanisch gespeichert werden.

Ein Rücksetzen des mechanischen Speichervorgangs kann mit Hilfe einer Erdungselektrode in dem Analog-Digital-Wandler, die mit den Elektroden gekoppelt ist und durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Rücksetzspannung erreicht werden.

Auf diese Weise ist es bei Vorsehen einer Vielzahl von ersten Elektroden und zweiten Elektroden, das heißt einer Vielzahl von Elektrodenpaaren bei Messung eines elektrischen Feldes über eine längere Zeit hindurch ohne ein Rücksetzen des Analog-Digital-Wandlers, das heißt ohne ein Auflösen der Kontakte zwischen den einzelnen Elektroden möglich, einen während der Messphase auftretenden und erfassten maximalen Wert des elektrischen Feldes zu ermitteln. Durch die Erfindung ist nunmehr ein elektromechanischer Analog-Digital-Wandler realisiert.

Ferner ist es bei Einsatz einer Kohlenstoff-Nanoröhre allgemein bei Einsatz von Nanoröhren nunmehr möglich, auch im Rahmen von Nanostrukturen einen elektromechanischen Analog- Digital-Wandler zu schaffen. Auf diese Weise ist ein Analog- Digital-Wandler mit sehr geringem Platzbedarf auf einer Chipfläche realisierbar.

Weiterhin ist ein erheblicher Vorteil des Einsatzes einer Kohlenstoff-Nanoröhre in ihrer sehr großen elektrischen Leitfähigkeit zu sehen, so dass der damit realisierte Analog- Digital-Wandler nur eine sehr geringe Verlustleistung erzeugt, das heißt, dass der erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandler mit einer wesentlich geringeren Verlustleistung verglichen mit rein elektrischen Systemen arbeitet.

Anschaulich kann bei Einsatz einer Kohlenstoff-Nanoröhre, allgemein bei Einsatz einer Nanoröhre als erste Elektrode und/oder zweite Elektrode die Erfindung darin gesehen werden, dass durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld zwischen den einzelnen Kohlenstoff- Nanoröhren erzeugt wird. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren entsteht eine Kraft. Die Kohlenstoff-Nanoröhren werden aufgrund des erzeugten elektrischen Feldes und der auf diese Weise erzeugten Kraft elastisch verformt, beispielsweise gebogen.

Es entsteht somit ein Kräfte-Gleichgewicht aus elektrostatischer Kraft zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren und der Federkraft der Kohlenstoff-Nanoröhren.

Es können im Rahmen der Erfindung sowohl einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (Single-wall-Kohlenstoff-Nanoröhren) als auch Kohlenstoff-Nanoröhren mit mehreren Wänden (Multi wall-Kohlenstoff-Nanoröhren), die vorzugsweise im wesentlichen konzentrisch umeinander angeordnet sind, eingesetzt werden.

Es können im Rahmen der Erfindung sowohl metallische als auch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a bis 1c Analog-Digital-Wandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode in einem Zustand vor dem Erfassen des analogen elektrischen Potentials (Fig. 1a) und nach dem Erfassen des elektrischen Potentials (Fig. 1b) und das zugehörige Taktschema (Fig. 1c)

Fig. 2a und 2b den Analog-Digital-Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Zustand vor der Abtastung (Fig. 2a) und nach der Abtastung (Fig. 2b) des elektrischen Potentials;

Fig. 3a und 3b einen Analog-Digital-Wandler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung vor der Abtastung, d. h. ohne Anlegen des elektrischen Felds (Fig. 3a) und während der Abtastung, das heißt mit anliegendem elektrischen Feld (Fig. 3b);

Fig. 4a und 4b einen 3-Bit-Analog-Digital-Wandler gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Vielzahl von Elektrodenpaaren vor bzw. während der Abtastung des elektrischen Potentials (Fig. 4a) und nach der Abtastung des elektrischen Potentials (Fig. 4b);

Fig. 5 einen 3-Bit-Analog-Digital-Wandler gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung vor der Abtastung des elektrischen Potentials;

Fig. 6a und 6b einen 3-Bit-Analog-Digital-Wandler gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung vor der Abtastung des elektrischen Potentials (Fig. 6a) und nach der Abtastung des elektrischen Potentials (Fig. 6b);

Fig. 7 einen 3-Bit-Analog-Digital-Wandler gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung vor der Abtastung des elektrischen Potentials.

Fig. 1a zeigt einen Analog-Digital-Wandler 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Analog-Digital-Wandler 100 weist eine erste Kohlenstoff- Nanoröhre 101 mit einer Länge von ungefähr 10 nm bis 10 µm auf, die auf einem Substrat 102, gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus Silizium, aufgewachsen ist. In einem Abstand L von ungefähr 5 nm bis 0,5 µm ist eine zweite Kohlenstoff-Nanoröhre ebenfalls der Länge von 10 nm bis 10 µm auf dem Substrat 102 aufgewachsen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sowie bei den im weiteren beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Kohlenstoff- Nanoröhren unter Verwendung eines Katalysators mittels des aus [4] bekannten CVD-Verfahrens aufgewachsen.

Die erste Elektrode 101 ist elektrisch mit dem Massepotential oder allgemein einem beliebigen Bezugspotential über eine elektrische Leitung 104 gekoppelt.

Ferner ist die erste Elektrode 101 über die elektrische Leitung 104 an einen ersten Anschluss 113 eines Ohmmeters 105 angeschlossen.

An einem zweiten Anschluss 114 des Ohmmeters 105 ist ein zweiter Schalter Φ2 106 angeschlossen, bei dessen geschlossenen Zustand das Ohmmeter 105 über eine zweite elektrische Leitung 107 mit einer zweiten Elektrode 103 elektrisch gekoppelt ist.

Bei geöffnetem Zustand des Schalters Φ2 106 ist kein Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 101 und dem Ohmmeter 105 möglich.

Die zweite Elektrode 103 ist somit ferner über die zweite elektrische Leitung 107 mit einem ersten Schalter Φ1 108 gekoppelt.

An dem anderen Ende des ersten Schalters 108 ist ein elektrischer Widerstand 110 angeschlossen, der wiederum mit einem Eingangsanschluss 109 des Analog-Digital-Wandlers 100 gekoppelt ist.

Ist der erste Schalter Φ1 108 geschlossen, so ist grundsätzlich ein Stromfluss zwischen dem Eingangsanschluss 109 und der zweiten Elektrode 103 möglich. Bei aktivem ersten Schaltersignal Φ1, d. h. bei High-Pegel des ersten Schaltersignals Φ1 (vgl. Fig. 1c), wird die von dem Analog- Digital-Wandler zu erfassende und umzuwandelnde elektrische Spannung, d. h. das elektrische Potential, an die Kohlenstoff- Nanoröhren, d. h. die Elektroden, angelegt.

Fig. 1b zeigt den Analog-Digital-Wandler 100 in dem Zustand, während oder nachdem ein elektrisches Feld an den Analog- Digital-Wandler 100 angelegt worden ist, so dass das elektrische Feld eine Kraft auf die erste Elektrode 101 und die zweite Elektrode 103 ausübt, welche die Elektroden 101, 103 zusammendrückt derart, dass sie an einer Kontaktstelle 111 miteinander elektrisch leitend in Kontakt gebracht werden.

Durch das elektrische Feld und damit durch die zu erfassende elektrische Spannung wird somit, wie aus Fig. 1b ersichtlich, eine Kraft ausgeübt, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 aufeinander zu gebogen werden.

Ist die Kraft ausreichend groß, so werden die Kohlenstoff- Nanoröhren 101, 103 so weit zueinander hin gebogen, dass sie einander berühren und somit eine elektrisch leitende Verbindung über die Kontaktstelle 111 bilden.

Wie aus Fig. 1c ersichtlich, wird jeweils in einer ersten Phase 120 in eine geschlossene Schalterposition gebracht, in einem ersten Schaltdiagramm 121 in Fig. 2c mit einen High-Pegel 132 des ersten Schaltersignals Φ1 bezeichnet.

Die erste Phase 120 wird periodisch wiederholt. In anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies, dass der erste Schalter 108 periodisch geöffnet und wieder geschlossen wird.

Der zweite Schalter 106 wird, wie in dem zweiten Schaltdiagramm 130 dargestellt, in einer zweiten Phase 131 geschlossenem, in Fig. 1c mit einem High-Pegel 132 des zweiten Schaltersignals Φ2 bezeichnet.

Während der ersten Phase 120 wird die zu messende Spannung, das heißt das elektrische Feld, an die Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 angelegt.

Wie oben dargestellt, wird dadurch eine elektrostatische Kraft erzeugt, die die Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 in Abhängigkeit der angelegten Spannung mehr oder weniger zusammenbiegt.

Ist die elektrostatische Kraft ausreichend groß, so dass es zur Berührung der Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 an der Kontaktstelle 111 kommt, so bleiben die Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103, wenn sie ausreichend lang sind, aufgrund der Van der Waalschen Kräfte zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 aneinander haften, wenn die Van der Waalschen Kräfte größer sind als die Federkräfte, die auf die Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 wirken.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel führt das Verschwinden der elektrischen Spannung, das heißt das Entfernen des elektrischen Feldes zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103, das z. B. erfolgt aufgrund der Berührung der Kohlenstoff- Nanoröhren 101, 103, die einen Kurzschluss zwischen diesen verursacht, nicht zum Lösen der Verbindung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103, wenn der erste Schalter Φ2 108 geöffnet wird.

In der zweiten Phase 131 wird der elektrische Widerstand zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 mittels des Ohmmeters 105 gemessen.

In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Größe des zu erfassenden elektrischen Feldes und somit des zu erfassenden elektrischen Potentials mittels einer Auswerteschaltung 112, die gebildet wird durch die Schalter 106, 108, das Ohmmeter 105 und den elektrischen Überstand 110 gebildet werden, ermittelt wird, d. h. dass das entsprechende analoge Signal in ein digitales Signal, gekennzeichnet durch die Zustände, dass die Nanoröhren 101, 103 miteinander in Kontakt gebracht worden sind oder nicht, umgewandelt wird.

Die Auswerteschaltung 112 dient somit als Messsignalaufnehmer im Rahmen des Analog-Digital-Wandlers 100.

Hat die angelegte elektrische Spannung während der ersten Phase 121 einen bestimmten Grenzwert überschritten, so ist die Kopplung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 niederohmig.

Durch Ändern des Abstandes der Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103, der Länge der einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 und des Durchmessers der Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 103 können die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Analog-Digital-Wandlers 100 in gewünschter Weise verändert und somit die Schwellenspannung des Analog-Digital-Wandlers 100 beeinflusst werden.

Es ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren als erste Elektrode 101 bzw. als zweite Elektrode 103 zu verwenden.

In den Fig. 2a und Fig. 2b ist ein Analog-Digital-Wandler 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Der Analog-Digital-Wandler 200 weist eine erste Kohlenstoff- Nanoröhre 202 und eine zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 203 auf.

Die erste Kohlenstoff-Nanoröhre 202 ist über eine erste elektrische Leitung 204 und die zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 203 über eine zweite elektrische Leitung 205 mit einer Auswerteschaltung 206 gekoppelt.

Die Auswerteschaltung 206 weist einen elektrischen Widerstand 207 sowie ein Spannungsmessgerät 208 oder ein Frequenzmessgerät 208 auf. Der elektrische Widerstand 207 und das Spannungsmessgerät 208 bzw. das Frequenzmessgerät 208 sind parallel geschaltet und über einen gemeinsamen Anschluss 211 mit der ersten elektrischen Leitung 204 gekoppelt und somit an die erste Elektrode 202 angeschlossen. Der zweite Anschluss 212 des elektrischen Widerstands 207 und der zweite Anschluss 213 des Spannungsmessgeräts 208 bzw. des Frequenzmessgeräts 208 sind mit dem Massepotential bzw. einem vorgegebenen Bezugspotential gekoppelt.

Ferner weist die Auswerteschaltung 206, die als Messsignalaufnehmer fungiert, einen Eingangsanschluss 209, an den die zweite Elektrode 203 über die zweite elektrische Leitung 205 angeschlossen ist, auf.

Es ist anzumerken, dass es gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht erforderlich ist, dass die Van der Waalschen Kräfte zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 größer sind als die Federkräfte der Kohlenstoff-Nanoröhren.

Die Größe der angelegten elektrischen Spannung, d. h. die Größe des durch die Spannung erzeugten elektrischen Feldes zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 wird während des Anlegens der zu messenden Spannung erfasst.

Ist die an dem Eingangsanschluss 209 der Auswerteschaltung 206 angelegte Spannung zu gering, so kann mit dem Messgerät 208 kein Signal erfasst werden.

Erreicht die an dem Eingangsanschluss 209 angelegte Spannung jedoch einen Betrag, bei der sich die Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 an einer Kontaktstelle 210 berühren, so kommt es zu einer Oszillation der Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 an der Kontaktstelle 210.

Die Oszillation entsteht dadurch, dass jedes Mal, wenn die Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 einander berühren, die elektrische Spannung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 zusammenbricht, das heißt es entsteht ein Kurzschluss zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203. Dieser Kurzschluss wird aufgrund der Federkräfte der Kohlenstoff- Nanoröhren 202, 203, durch die die Berührung der Kohlenstoff- Nanoröhren 202, 203 aufgelöst wird, ebenfalls wieder aufgelöst.

Die Oszillation der Kohlenstoff-Nanoröhren 202, 203 kann mittels des Messgeräts 208 beispielsweise mittels einer Spannungsmessung oder einer Frequenzmessung ermittelt werden.

Die Fig. 3a und Fig. 3b zeigen einen Analog-Digital-Wandler 300 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Der Analog-Digital-Wandler 300 weist ebenfalls eine auf einem Substrat 301 aus Silizium aufgewachsene erste Kohlenstoff- Nanoröhre 302 und eine zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 303 auf, die zueinander in einem Abstand L von ungefähr 5 nm bis 0,5 µm angeordnet sind.

Die erste Kohlenstoff-Nanoröhre 302 ist über eine erste elektrische Leitung 304 und die zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 303 über eine zweite elektrische Leitung 305 mit einer weiteren Auswerteschaltung 306 als Messsignalaufnehmer gekoppelt.

Auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht erforderlich, dass die Van der Waalschen Kräfte zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 302, 303 größer sind als deren Federkräfte.

Die Auswerteschaltung 306 weist ein Strommessgerät 307 sowie eine Wechselspannungsquelle 308 auf, die in Serie miteinander verschaltet sind und an die erste elektrische Leitung 304 angeschlossen sind.

Auf der anderen Seite, d. h. auf der von der ersten elektrischen Leitung 304 entfernten Seite der Serienschaltung, d. h. an einem entfernten Anschluss der Wechselspannungsquelle 308 ist diese mit dem Massepotential oder einem vorgegebenen Bezugspotential gekoppelt.

Wird an dem Eingangsanschluss 309, der über einen elektrischen Widerstand 310 mit der zweiten elektrischen Leitung 305 gekoppelt ist, eine elektrische Spannung angelegt, so ändert sich der Abstand L, wie in Fig. 3b dargestellt, zwischen der ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 302 und der zweiten Kohlenstoff- Nanoröhre 303.

Dadurch wird eine Kapazitätsänderung der Kapazität zwischen der Kohlenstoff-Nanoröhren 302, 303 verursacht, was zu einer Änderung in dem Stromfluss innerhalb der Auswerteschaltung 306 führt, welche Änderung durch das Stromnetzgerät 307 erfasst wird.

Das in den Fig. 3a und Fig. 3b dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere zum Erfassen großer elektrischer Spannungen.

In den Fig. 4a und Fig. 4b ist ein Analog-Digital-Wandler 400 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel dargestellt.

Der Analog-Digital-Wandler 400 weist eine Vielzahl von Elektrodenpaaren 401 auf, die jeweils eine erste Kohlenstoff- Nanoröhre 402 und eine zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 403 aufweisen, die in einem für das jeweilige Elektrodenpaar 401 spezifischen Abstand zueinander angeordnet sind.

So sind die erste Kohlenstoff-Nanoröhre 402 und die zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 403 des ersten Elektrodenpaares 401 in einem ersten Abstand L1 zueinander angeordnet. Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 402 und die zweite Kohlenstoff- Nanoröhre 403 des zweiten Elektrodenpaars 401 sind in einem zweiten Abstand L2 zueinander angeordnet, der kleiner ist als der erste Abstand L1.

Die Abstände zwischen den weiteren Elektrodenpaaren 401 des Analog-Digital-Wandlers 400 werden sukzessive immer kleiner gewählt, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 jeweils immer näher zueinander angeordnet sind.

Somit gilt:

L1 < L2 < L3 < L4 < L5 < L6 < L7 < L8, wobei mit

- L3 ein dritter Abstand zwischen der ersten Elektrode 402 und der zweiten Elektrode 403 eines dritten Elektrodenpaars 401 bezeichnet wird,
- L4 ein vierter Abstand zwischen der ersten Elektrode 402 und der zweiten Elektrode 403 eines vierten Elektrodenpaars 401 bezeichnet wird,
- L5 ein fünfter Abstand zwischen der ersten Elektrode 402 und der zweiten Elektrode 403 eines fünften Elektrodenpaars 401 bezeichnet wird,
- L6 ein sechster Abstand zwischen der ersten Elektrode 402 und der zweiten Elektrode 403 eines sechsten Elektrodenpaars 401 bezeichnet wird,
- L7 ein siebter Abstand zwischen der ersten Elektrode 402 und der zweiten Elektrode 403 eines siebten Elektrodenpaars 401 bezeichnet wird,
- L8 ein achter Abstand zwischen der ersten Elektrode 402 und der zweiten Elektrode 403 eines achten Elektrodenpaars 401 bezeichnet wird.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 402 sind über eine erste Leitung 405 an jeweils ein Ohmmeter 406 angeschlossen. Somit ist jeweils eine erste Elektrode 402, das heißt eine erste Kohlenstoff-Nanoröhre 402 ist jeweils mit einem Ohmmeter 406 der Auswerteschaltung 407 gekoppelt.

An jedem Ohmmeter 406 ist jeweils eine Serienschaltung eines ersten Schalters 408 und eines zweiten Schalters 409 angeschlossen.

Die ersten Schalter 408 und die zweiten Schalter 409 werden in der gleichen Weise geschaltet und sind in der gleichen Weise ausgestaltet wie bei dem Analog-Digital-Wandler 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Jeder erste Schalter 408 ist über einen elektrischen Widerstand 410 mit einem Eingangsanschluss 411 der Auswerteschaltung 407 gekoppelt.

Die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 403 sind jeweils über eine separate zweite elektrische Leitung 412, 413, 414, 415, 416, 417, 418, 419 mit dem ersten Schalter 408 und dem zweiten Schalter 409 einer entsprechenden Serienschaltung gekoppelt derart, dass jeweils ein Elektrodenpaar 401 einen Zustand der mittels des 3-Bit-Analog-Digital-Wandlers 400 beschreibbaren acht Zustände repräsentiert (3 Bit = 2³ Zustände).

Die Elektrodenpaare 401 sind jeweils in einem Abstand von Bi << Li (d. h. B1 << L1, B2 << L2, B3 << L3, B4 << L4, B5 << L5, B6 << L6, B7 << L7) angeordnet, beispielsweise in einem Abstand in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 10 µm, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 unterschiedlicher Elektrodenpaare einander im wesentlichen nicht beeinflussen.

Der Analog-Digital-Wandler 400 funktioniert grundsätzlich gemäß dem gleichen Prinzip wie der Analog-Digital-Wandler 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das heißt es wird ein elektrisches Potential gemäß der ersten Phase, d. h. bei geschlossenen ersten Schaltern 408 an den Analog-Digital- Wandler 400 angelegt, wodurch eine elektrostatische Kraft auf die Elektroden, das heißt auf die Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 der jeweiligen Elektrodenpaare 401 ausgeübt wird.

Aufgrund der erzeugten Kraft werden die Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 aufeinander zu gebogen.

Aufgrund des ansteigend bzw. geringer werdend gewählten, das heißt unterschiedlichen Abstands zwischen den einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 berühren sich die Kohlenstoff- Nanoröhren 402, 403 einiger Elektrodenpaare 401 an Kontaktstellen 420, einige jedoch nicht. Es kommt bei den Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 von denjenigen Elektrodenpaaren 401 nicht zu einer Berührung, bei denen die elektrostatische Kraft nicht ausreicht für eine ausreichend große Krümmung d. h. Biegung der Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403, die ausreicht, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 einander an einer Kontaktstelle 420 berühren.

Anschaulich bedeutet dies, dass, je größer die elektrostatische Kraft ist, die auf die Elektrodenpaare 401 einwirkt, das heißt je größer das elektrische Potential, das an dem Analog-Digital-Wandler 400 angelegt wird, ist, um so mehr Elektrodenpaare 401 weisen miteinander an den Kontaktstellen 420 in Berührung gekommene und aneinander an den Kontaktstellen 420 haftende Kohlenstoff-Nanoröhren 402, 403 auf.

Ein Beispiel für den digitalen Wert fünf, beschrieben in binärer Zahlendarstellung als Bit-Folge "101" ist in Fig. 4b dargestellt.

Fig. 5 zeigt einen Analog-Digital-Wandler 500 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Analog-Digital-Wandler 500 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Analog- Digital-Wandler 400 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.

Aus diesem Grund sind gleiche Elemente gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel und dem fünften Ausführungsbeispiel mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Im Unterschied zu dem Analog-Digital-Wandler 400 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist jedoch bei dem Analog-Digital- Wandler 500 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine Elektrode gebildet wird durch eine durchgängig elektrisch leitende oder halbleitende Gegenelektrode 501, und nicht, wie gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel jeweils durch eine erste Elektrode 402, die mit der zweiten Elektrode 403, das heißt der zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre ein Elektrodenpaar 401 bildet.

Anschaulich bildet somit die erste Elektrode 501 eine im wesentlichen senkrecht, aufrecht stehende Wand oder eine durchgängige Platte, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhren 403 der jeweiligen zweiten Elektrode wiederum in einem jeweils unterschiedlichen Abstand L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8 entfernt zu der ersten Elektrode 501 angeordnet sind derart, dass gilt:

L1 < L2 < L3 < L4 < L5 < L6 < L7 < L8.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Breite 502 der ersten Elektrode 501 in im wesentlichen paralleler Richtung zu der Richtung, entlang der die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 503 angeordnet sind, größer ist als der Gesamtabstand zwischen den jeweils am Rand sich befindenden zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 403. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die erste Elektrode 501 an den Randbereichen über die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 403 zumindest um einige Nanometer hinausragt, um Randeffekte beim Messen der elektrischen Spannung zu vermeiden.

Die Höhe der ersten Elektrode 501 ist vorzugsweise ebenfalls um einige Nanometer größer als die hänge der jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhren 403, allgemein der jeweiligen zweiten Elektrode 403.

In den Fig. 6a und Fig. 6b ist ein Analog-Digital-Wandler 600 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind 16 Kohlenstoff- Nanoröhren paarweise entlang einer Reihe angeordnet. Es ergibt sich somit zwischen jeweils einem Elektrodenpaar, das jeweils gebildet wird sukzessive ausgehend von einem sich in einem vorgegebenen Abstand von einem Mittelpunkt 602 der Gesamtbreite Kohlenstoff-Nanoröhren angeordneten auf dem Substrat 601 aufgewachsenen ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 603 und zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 604.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 sind ausgehend von dem Mittelpunkt 602 entlang einer ersten Richtung, gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach links, angeordnet, was durch einen ersten Richtungspfeil 605 dargestellt ist.

Die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 604 sind ausgehend von dem Mittelpunkt 602 entlang einer zweiten Richtung, gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach rechts, angeordnet, was durch einen zweiten Richtungspfeil 606 dargestellt ist.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 und die entsprechenden, jeweils mit den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 ein Elektrodenpaar bildenden zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 604 sind symmetrisch um den Mittelpunkt 602 angeordnet. Wiederum gilt, dass der Abstand zwischen jeweils ein Elektrodenpaar bildenden ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 und zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 604 unterschiedlich gewählt sind, d. h. gemäß diesem Ausführungsbeispiel gilt:
L1 < L2 < L3 < L4< L5 < L6 < L7 < L8.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 sind jeweils durch eine erste elektrische Leitung 607 mit der Auswerteschaltung 608 gekoppelt.

Die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 604 sind jeweils durch eine separate zweite elektrische Leitung 609, 610, 611, 612, 613, 614, 615, 616, die jeweils mit einem Ohmmeter 617 der Auswerteschaltung 608 über jeweils einen zweiten Schalter 618 anschließbar sind.

Über jeweils einen ersten Schalter 619 sind die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 604 über jeweils einen elektrischen Widerstand 620 mit einem Eingangsanschluss 621 der Auswerteschaltung 608 anschließbar.

Wie in Fig. 6b dargestellt ist, werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel die beiden ersten Kohlenstoff-Nanoröhren . 603 der ersten Elektrode und die zweiten Kohlenstoff- Nanoröhren 604 der zweiten Elektrode bei Anlegen eines ausreichend großen elektrischen Feldes, das heißt bei Anlegen einer ausreichend großen elektrischen Spannung aufeinander zu gebogen, so dass abhängig von der Größe der angelegten elektrischen Spannung die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 an einander und/oder die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 604 einander berühren und die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren an die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren einander zumindest teilweise berühren abhängig von der Größe des angelegten elektrischen Feldes.

Fig. 7 zeigt einen Analog-Digital-Wandler 700 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Analog-Digital-Wandler 700 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht im wesentlichen dem Analog-Digital-Wandler 600 gemäß den sechsten Ausführungsbeispiel.

Aus diesem Grund sind die gleichen Elemente des Analog- Digital-Wandlers 700 und des Analog-Digital-Wandlers 600 in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Analog-Digital-Wandler 700 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch von dem Analog- Digital-Wandler 600 im wesentlich darin, dass die erste Elektrode 701 nicht, wie bei dem Analog-Digital-Wandler 600 durch eine Vielzahl von ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 gebildet wird, sondern durch eine metallisch leitende und/oder halbleitende Platte 701, die als erste Elektrode verwendet wird.

Um Randeffekte an der Messung des elektrischen Feldes zu vermeiden, ist die Breite 702 der ersten Elektrode 701 größer als der Durchmesser der in Reihe angeordneten zweiten Elektrode 604. Auch die Höhe 703 der ersten Elektrode 701 ist größer gewählt als die Länge der zweiten Kohlenstoff- Nanoröhren 604.

Es ist darauf hinzuweisen, dass es in alternativen Ausführungsformen vorgesehen ist, die Auswerteschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ebenfalls in den Analog-Digital-Wandlern 400, 500, 600, 700 gemäß den Ausführungsbeispiel fünf bis sieben vorzusehen.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass grundsätzlich die Anordnung der einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren unerheblich ist, das heißt sie müssen insbesondere nicht exakt in einer Reihe hintereinander angeordnet werden, solange gewährleistet ist, dass bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwei Kohlenstoff-Nanoröhren oder eine zweite Kohlenstoff-Nanoröhre auf eine Gegenelektrode hin zusammengebogen wird, so dass diese sich berühren können.

Weiterhin ist es beispielsweise ebenfalls vorgesehen, die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren um eine erste Kohlenstoff- Nanoröhre, die sich in einem Zentrum auf einem Substrat befindet, spiralförmig mit wachsenden Abstand um eine erste Kohlenstoff-Nanoröhre anzuordnen.

Anschaulich wird durch eine solche Anordnung der Kohlenstoff- Nanoröhren eine Schneckenform des sich ergebenden Analog- Digital-Wandlers gebildet.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] B. Razavi, Principles of Data Conversion System Design, IEEE Press, S. 96-152, 1995
[2] T. Dekker, Carbon-Nanotubes as Molecular Quantum Wires, Physics Today, S. 22-28, Mai 1999
[3] Young Sang Suh und Yin Seong Lee, Highly-Ordered Two- Dimensional Carbon-Nanotubes Areas, Applied Physics Letters, Volume 75, Nr. 14, S. 2047-2049, Oktober 1991
[4] Z. F. Ren et al. Synthesis of Large Arrays of Well- Aligned Carbon Nanotubes on Glass, SIENCE, Volume 282. S. 1105-1107, November 1998

Bezugszeichenliste

100

Analog-Digital-Wandler

101

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

102

Substrat

103

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

104

Erste Leitung

105

Ohmmeter

106

Erster Schalter

107

Zweite elektrische Leitung

108

Zweiter Schalter

109

Eingangsanschluss

110

Elektrischer Widerstand

111

Kontaktstelle

112

Auswerteschaltung

113

Erster Anschluss Ohmmeter

114

Zweiter Anschluss Ohmmeter

200

Analog-Digital-Wandler

201

Substrat

202

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

203

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

204

Erste Leitung

205

Zweite Leitung

206

Auswerteschaltung

207

Elektrischer Widerstand

208

Messgerät

209

Eingangsanschluss

210

Kontaktstelle

211

Gemeinsamer Anschluss

212

Zweiter Anschluss elektrischer Widerstand

213

Zweiter Anschluss Spannungsmessgerät

300

Analog-Digital-Wandler

301

Substrat

302

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

303

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

304

Erste Leitung

305

Zweite Leitung

306

Auswerteschaltung

307

Strommesser

308

Wechselspannungsquelle

309

Eingangsanschluss

310

Elektrischer Widerstand

311

Abstand erste Kohlenstoff-Nanoröhre ↔ zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

400

Analog-Digital-Wandler

401

Elektrodenpaar

402

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

403

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

404

Substrat

405

Erste Leitung

406

Ohmmeter

407

Auswerteschalter

408

Erster Schalter

409

Zweiter Schalter

410

Elektrischer Widerstand

411

Eingangsanschluss

412

Zweite Leitung

413

Zweite Leitung

414

Zweite Leitung

415

Zweite Leitung

416

Zweite Leitung

417

Zweite Leitung

418

Zweite Leitung

419

Zweite Leitung

420

Kontaktstelle

500

Analog-Digital-Wandler

501

Erste Elektrode

502

Breite erste Elektrode

600

Analog-Digital-Wandler

601

Substrat

602

Mittelpunkt

603

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

604

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

605

Erster Richtungspfeil

606

Zweiter Richtungspfeil

607

Erste Leitung

608

Auswerteschaltung

609

Zweite Leitung

610

Leitung

611

Leitung

612

Leitung

613

Leitung

614

Leitung

615

Leitung

616

Leitung

6

I7 Ohmmeter

618

Zweiter Schalter

619

Erster Schalter

620

Elektrischer Widerstand

621

Eingangsanschluss

700

Analog-Digital-Wandler

701

Erste Elektrode

Claims

- - mindestens einer ersten Elektrode,
- - mindestens einer zweiten Elektrode,
- - wobei die zweite Elektrode ein sich in einer Richtung frei erstreckendes biegsames Element ist, das in Richtung der ersten Elektrode biegsam ist, und
- - einem Messsignalaufnehmer zum Erfassen eines sich verändernden Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
  - 1. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 1, bei dem sich der Abstand aufgrund eines auf die erste Elektrode und die zweite Elektrode einwirkenden elektrischen Feldes verändert.
  - 2. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Elektrode eine Nanostruktur aufweist.
  - 3. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite Elektrode Polysilizium enthält.
  - 4. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eine Nanoröhre ist.
  - 5. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 5, bei dem die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eine Kohlenstoff-Nanoröhre ist.
  - 6. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mehreren ersten Elektroden und mehreren zweiten Elektroden,
  - 7. wobei jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode ein sich gegenüberliegendes Elektrodenpaar bilden, und
  - 8. wobei jedes Elektrodenpaar von einem anderen Elektrodenpaar und/oder von der jeweiligen anderen Elektrode des Elektrodenpaars elektrisch isoliert ist.
  - 9. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 7, bei dem jedes Elektrodenpaar jeweils in einem unterschiedlichen Abstand voneinander angeordnet ist, so dass durch zumindest einen Teil der Elektrodenpaare aufgrund eines an den Elektrodenpaaren anliegenden elektrischen Feldes ein unterschiedlicher Abstand gebildet wird.
  - 10. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Messsignalaufnehmer derart eingerichtet ist, dass eine Berührung der ersten Elektrode mit der zweiten Elektrode erfasst werden kann.
  - 11. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Messsignalaufnehmer derart eingerichtet ist, dass eine Kapazitätsänderung der Kapazität der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ermittelt wird.
  - 12. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart eingerichtet sind, dass sie nach erfolgter Berührung aneinander haften bleiben.
  - 13. Analog-/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Elektrodenpaare einen binären Coder bilden.