DE102017115330A1

DE102017115330A1 - Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren und ein Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102017115330A1
Application number: DE102017115330.6A
Authority: DE
Inventors: Oktay Yilmazoglu; Sandeep Yadav; Deniz Cicek; Jörg J. Schneider
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-10
Also published as: WO2019011572A1

Abstract

Eine Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren für einen Sensor oder einen Aktuator umfasst: mehrere schichtartig angeordnete Stapel hoher Dichte (110), zumindest einen schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte (120) und zumindest zwei elektrische Kontaktelemente (130). Die Stapel hoher Dichte (110) und die Stapel geringer Dichte (120) weisen jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren auf und der zumindest eine Stapel geringer Dichte (120) steht beidseitig in Kontakt zu jeweils einem der Stapel hoher Dichte (110), um diese in einem variierbaren Abstand (A) voneinander zu halten. Die zumindest zwei elektrischen Kontaktelemente (130) kontaktieren verschiedene Stapel hoher Dichte (110) elektrisch, um eine Änderung des variierbaren Abstandes (A) als ein elektrisches Sensorsignal zu erfassen, oder um den variierbaren Abstand (A) durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen (130) zu ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT; CNT=Carbon-Nano-Tubes) und ein Verfahren zu deren Herstellung. Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf nanostrukturierte elektromechanische mehrlagige Federelemente auf Kohlenstoffbasis mit integriertem Widerstandssensor sowie mehrlagige CNT-Blöcke als Plattform für vielfältige mechanische Sensoren sowie Aktuatoren.
Hintergrund
MEMS-basierte Sensoren (MEMS = mikro-elektromechanische Systeme) sind für viele Anwendungsgebiete zunehmend von Interesse. Eines davon sind beispielsweise Feder-Massesysteme, die mit zunehmender stabilen Auslenkung und Deformation durch die aufgebrachten Zugdehnungen für viele Einsatzgebiete von Interesse sind. Zu dieser Gruppe von Sensoren gehören ebenfalls die sogenannten Cantilever-basierten Sensoren, die eine hohe Stabilität aufweisen sollen und oftmals gegenüber hohen Beschleunigungen zu schützen sind. In solchen Sensoren wird neben dem Federelement zusätzlich ein Sensor zum Auslesen der Sensordaten benötigt. Dieser zusätzliche Sensor ist häufig zusätzlich zu integrieren, was einen hohen Aufwand darstellt, aber unvermeidbar ist, wenn eine gewünschte Antwort des eigentlichen Sensorelementes auf eine Auslenkung des Federelementes erhalten werden soll.
Der zusätzliche Sensor ist beispielsweise ein kapazitiver, ein magnetoresistiver oder ein resistiver Sensor. Kapazitive Sensoren zeigen typischerweise eine sehr kleine Änderung der Sensorgröße (zum Beispiel im Femtofarad-Bereich), womit eine zusätzliche Signalverarbeitung auf dem Chip erforderlich wird. Magnetoresistive Sensoren benötigen andererseits eine Magnetisierung mit einer definierten Polarität. Die einfachste Möglichkeit sind resistive Sensoren wie beispielsweise bekannte Dehnungsmessstreifen (DMS), die jedoch die folgenden inhärenten Nachteile aufweisen:

- ein zeitintensives Aufbringen der DMS im Herstellungsverfahren,
- eine Materialermüdung über die Lebensdauer hinweg (beschränkt sich beispielsweise auf 10 Millionen Zyklen, kann aber deutlich geringer sein),
- eine sehr starke Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Überbeanspruchungen (beispielsweise führen Überdehnungen zu irreversiblen Schädigungen bzw. dem Ausfall der DMS),
- Ablösen der DMS vom Träger.

Eine Klasse von Druck-, Vibrations- oder biomechanischen Sensoren basieren auf den einzigartigen Eigenschaften von CNTs (Kohlenstoffnanoröhren), die die gewünschten Funktionalitäten häufig bereitstellen können. CNTs sind eindimensionale Kohlenstoffstrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis (Länge/Radius), die in verschiedenen Orientierungen, Abmessungen und Dicken hergestellt werden können. CNT-basierte nano-elektromechanische Systeme (NEMS) verfügen über hervorragende elektrische und mechanische Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Komprimierbarkeit, Biegeelastizität, strukturelle Flexibilität, hohes Seitenverhältnis sowie eine hohe chemische Resistenz gegenüber einer Vielzahl von Medien.
Grundlegende Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften und Druckempfindlichkeiten von CNTs oder Verbundmaterialien mit stochastisch verteilten CNTs wurden in mehreren Dokumenten durchgeführt (siehe z.B. C. Hierold et al.: „Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes", sensors and actuators A136, 51-61 (2007), N. Hu et al.: „Investigation on sensitivity of a polymer/carbon nanotube composite strain sensor", carbon 48, issue 3, 680-687 (2010)). Die mechanischen Eigenschaften der CNT-Arrays mit dichter vertikaler Ausrichtung (3D-CNT-Strukturen) wurden ebenfalls untersucht (siehe A. Y. Cao et al. „Super-Compressible Foamlike Carbon Nanotube Films", signs 310, 1307-1310, November 2005, V. L. Pushparaj et al.: „Effects of compressive strains on electrical conductivities of a macroscale carbon nanotube block", Appl. Phys. Lett. 91,153116, 2007).
Dabei ist eine selektive Positionierung der einzelnen CNTs jedoch ein komplexer und kostenintensiver Prozess. Der Einsatz von ungeordneten CNTs ist dagegen aufgrund ihrer ungleichmäßigen Länge, Durchmesser und Dichte nur begrenzt möglich. Die Mikro-Nanointegration der vertikal ausgerichteten CNT-Strukturen stellt darüber hinaus eine besondere technologische Herausforderung dar.
Daher besteht ein Bedarf nach anderen Sensorgenerationen, die einerseits eine hohe örtliche Auflösung zeigen (zum Beispiel für Kraftmessungen bei biologischen Zellen) und andererseits eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Flexibilität bieten (um sie zum Beispiel auf gekrümmte Flächen anzubringen), sowie eine direkte Signalverarbeitung mit einem integrierten Sensor erlauben.
Zusammenfassung der Erfindung
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung CNT-Anordnung nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren für einen Sensor oder einen Aktuator. Die Anordnung umfasst mehrere schichtartig angeordnete Stapel hoher Dichte, zumindest einen schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte und zumindest zwei elektrische Kontaktelemente. Die Stapel hoher Dichte und die Stapel geringer Dichte weisen jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren auf und der zumindest eine Stapel geringer Dichte steht beidseitig in Kontakt zu jeweils einem Stapel hoher Dichte, um diese in einem variierbaren Abstand voneinander zu halten. Die zumindest zwei elektrischen Kontaktelemente kontaktieren verschiedene Stapel hoher Dichte elektrisch, um eine Änderung des variierbaren Abstandes als ein elektrisches Sensorsignal zu erfassen, oder um den variierbaren Abstand durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen zu ändern (um z.B. eine Aktuatorkraft zu bewirken).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren für einen Sensor oder einen Aktuator, die sich von der zuvor genannten dadurch unterscheidet, dass nur ein Stapel hoher Dichte und ein Stapel geringer Dichte ausgebildet sind. Bei dieser Anordnung sind die elektrischen Kontaktelemente optional mit dem Stapel hoher Dichte in Kontakt, können aber auch nur den einen Stapel mit geringer Dichte (auf einer Seite oder sogar auf beiden Seiten) kontaktieren. Der variierbare Abstand entspricht in diesem Fall der Dicke des (zumindest einen) Stapel geringer Dichte.
Beispielsweise kontaktieren die elektrischen Kontaktelemente: entweder die beiden äußersten Stapel mit hoher Dichte (bei Anordnungen ab 3 Stapel) oder die beiden äußersten Stapel mit geringer Dichte (bei Anordnungen ab 3 Stapel) oder jeweils einen äußeren Stapel mit hoher Dichte und einen äußeren Stapel mit geringer Dichte (bei Anordnungen ab 2 Stapel).
Die Begriffe „Stapel hoher Dichte“ und „Stapel geringer Dichte“ sollen so verstanden werden, dass die „Stapel hoher Dichte“ eine höhere Dichte aufweisen als die „Stapel geringer Dichte“. Die Stapel geringer Dichte können in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckung der Nanoröhren pro Flächeneinheit weniger Nanoröhren umfassen als die Stapel hoher Dichte. Die Stapel hoher und/oder geringer Dichte können einwandige aber auch mehrwandige Nanoröhren umfassen. Weiterhin versteht es sich, dass die Form der Stapel beliebig sein kann, d.h. die Stapel mit hoher oder geringer Dichte brauchen nicht unbedingt rechteckig sein. Diese können beispielsweise die Form eines Halbringes oder kreisförmig oder oval oder jede andere Form haben.
Die Kohlenstoffnanoröhren brauchen nicht geradlinig ausgebildet zu sein. Vielmehr ist es in der Regel so, dass in den Stapeln hoher Dichte die Kohlenstoffnanoröhren eine höhere Geradlinigkeit aufweisen als in den Stapeln geringer Dichte. Bei den Stapeln geringer Dichte kann es insbesondere zu krausen Strukturen kommen, die eine nahezu willkürlich geformte Röhrenstruktur darstellen. Als Folge dieser krausen Strukturen können die Stapel geringer Dichte stärker deformiert werden als die Stapel hoher Dichte. Dies führt wiederum dazu, dass die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren bei einem Zusammendrücken stärker miteinander in Kontakt geraten und sich somit der elektrische Widerstand bei einem Stromfluss, zum Beispiel senkrecht zu der Röhrenerstreckung, deutlich verringert (aufgrund der zusätzlichen Kontakte zwischen den einzelnen Nanoröhren).
Es versteht sich, dass die Kohlenstoffnanoröhren in den Stapeln hoher Dichte und geringer Dichte im Wesentlichen gleich lang sein können und insgesamt eine membranartige Struktur oder einen Block bilden können, der beliebig geformt sein kann und auch eine beliebige Dicke aufweisen kann. Weiterhin ist es möglich, dass die Druckwirkung ebenfalls in die Richtung der Röhrenerstreckung wirkt und so zu einer Stauchung der einzelnen Röhren führt. Dies führt wiederum dazu, dass mehrere Röhren miteinander in Kontakt geraten, wodurch sich der elektrische Widerstandswert ändert, der als eine Sensorgröße erfasst werden kann. Das Sensorsignal kann aber auch rein kapazitiv sein, da sich die Kapazität mit einer Änderung des Abstandes der elektrischen Kontaktelemente ändert.
Optional umfasst der zumindest eine Stapel geringer Dichte mehrere Stapel geringer Dichte, die alternierend mit den Stapeln hoher Dichte angeordnet sind. Zwischen den elektrischen Kontaktelementen sind dann mehrere Stapel geringer Dichte angeordnet.
Optional können die Dicken der/die Stapel hoher Dichte und/oder der/die Stapel geringer Dichte verschieden oder gleich sein.
Optional umfasst die Anordnung zumindest eine Metallisierung, die die Kohlenstoff-Nanoröhren in dem zumindest einen Stapel geringer Dichte an einem Ende miteinander verbindet, wobei die Metallisierung ausgebildet ist, um ein Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhren in einer verringerten Dichte zu bewirken. Die Metallisierung kann Tantal aufweisen, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den Nanoröhren in dem Stapel geringer Dichte hergestellt wird.
Optional bilden zumindest einige der Stapel hoher Dichte teilweise Abstandshalter, die sich zumindest teilweise in die Stapel geringer Dichte hinein erstrecken, um einen Anschlag für den variierbaren Abstand zu definieren. Die Abstandshalte sind daher selbst aus Nanoröhren gebildet. Beispielsweise können die Abstandshalter senkrecht zur Erstreckung der Nanoröhren einen rechteckförmigen, einen domförmigen, einen runden oder einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Abstandshalter sind beispielsweise ausgebildet, um ein Ändern des variierbaren Abstandes zwischen benachbarten Stapeln hoher Dichte nur in einem vorbestimmten Bereich zuzulassen.
Optional umfasst die Anordnung ein flexibles Substrat mit einer Substratoberfläche, wobei Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Substratoberfläche angeordnet sind, wobei nicht notwendigerweise ein direkter Kontakt zwischen dem Substrat und den Kohlenstoff-Nanoröhren besteht.
Die Stapel hoher Dichte und die Stapel geringer Dichte können alle zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen auf der Substratoberfläche derart angeordnet sein, dass eines der elektrischen Kontaktelemente auf einer Substrat-zugewandten Seite und ein anderes der elektrischen Kontaktelemente auf einer Substrat-abgewandten Seite gebildet ist.
Auf der Substratoberfläche können mehrere Stapel hoher Dichte lateral voneinander versetzt (z.B. liegend) angeordnet sein und können jeweils mit einem elektrischen Kontaktelement auf einer Substrat-zugewandten Seite elektrisch kontaktiert werden. Die mehreren lateral versetzten Stapel hoher Dichte können auf ihrer Substrat-abgewandten Seite zumindest durch einen Stapel geringer Dichte überbrückt werden. Außerdem kann auch noch ein Stapel hoher Dichte auf der Substrat-abgewandten Seite des Stapels geringer Dichte angeordnet werden. Bei der lateralen Anordnung der Stapel ist die Orientierung der CNTs in den Stapeln hoher und geringer Dichte beispielsweise parallel zur Substratoberfläche und kann eine beliebige Richtung aufweisen. Somit können die lateral versetzten Stapel hoher Dichte mit einem Stapel geringer Dichte beispielweise parallel zu der CNT-Orientierung oder senkrecht zu der CNT-Orientierung verbunden werden.
Optional sind alle Stapel geringer Dichte zwischen zwei äußeren Stapeln hoher Dichte, die von den elektrischen Kontaktelementen kontaktiert sind, angeordnet. Die Anordnung kann weiter Folgendes umfassen: zumindest eine elektrische Isolationsschicht, die zwischen zumindest einem der elektrischen Kontaktelemente und einem der äußeren Stapel hoher Dichte ausgebildet ist, um die Kohlenstoff-Nanoröhren von dem zumindest einen elektrischen Kontaktelement elektrisch zu isolieren.
Die Isolationsschicht kann außerdem auf der Substrat-abgewandten Seite auf dem äußeren Stapel hoher Dichte angeordnet sein und das zumindest eine elektrische Kontaktelement kann mehrere lateral versetzte elektrische Kontaktelemente umfassen.
Die Anordnung kann auch zwei oder mehr Isolationsschichten aufweisen, die alle elektrischen Kontaktelemente von den Stapeln hoher und geringer Dichte isolieren. Als äußere Stapel können jene Stapel definiert werden, zwischen denen alle anderen Stapel angeordnet sind.
Da die Isolationsschichten eine Passivierung oder Isolation der einzelnen Nanoröhren bieten, wird es möglich, die (blockartige) Anordnung von Nanoröhren als Aktuatoren zu nutzen, sodass die innerhalb der Passivierung ausgebildeten Stapel hoher Dichte und geringer Dichte als ein variabler Kondensator wirken, der sich bei Anlegen einer entsprechenden Spannung zusammenzieht oder auseinander gedrückt wird, wodurch sich lokal ändernde Schichtdicken herausbilden, die dann wiederum als Nanopumpen genutzt werden können oder einfach als lineare Aktuatoren einsetzbar sind. Für die Funktion als Pumpe kann beispielsweise eine Wand diesen linearen Aktuator, der auf der Oberfläche zusätzlich passiviert ist, und eine gegenüberliegende Wand ein festes Substrat wie Silizium aufweisen. Die Flüssigkeit oder das Gas kann zwischen diesen beiden Wänden fließen. Die Aktuatorkraft wird durch das statische elektrische Feld erzeugt.
Optional können die zumindest zwei elektrischen Kontaktelemente sich flächenförmig parallel oder senkrecht zu den Nanoröhren erstrecken.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Sensoranordnung und/oder einem Aktuator mit einer zuvor beschriebenen Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Anordnen von Kohlenstoff-Nanoröhren für einen Sensor oder einen Aktuator. Das Verfahren umfasst:

- Ausbilden von mehreren schichtartig angeordneten Stapel hoher Dichte
- Ausbilden von zumindest einem schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte, wobei die Stapel hoher Dichte und die Stapel geringer Dichte jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen und der zumindest eine Stapel geringer Dichte beidseitig in Kontakt zu jeweils einem der Stapel hoher Dichte steht, um diese in einem variierbaren Abstand voneinander zu halten; und
- Ausbilden von zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen, die verschiedene Stapel hoher Dichte elektrisch kontaktieren, um
1. (i) eine Änderung des variierbaren Abstandes als ein elektrisches Sensorsignal zu erfassen, oder
2. (ii) den variierbaren Abstand durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen zu ändern.

Beim Ausbilden des zumindest einen schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte kann zumindest eine strukturierte Metallisierung als Wachstumsschicht verwendet werden, wobei die Wachstumsschicht insbesondere Tantal aufweist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen zumindest einen Teil der oben genannten Probleme der konventionellen MEMS- oder NEMSbasierten Sensoren durch CNT-basierte mehrlagige Blöcke (=Anordnung von Stapeln hoher und geringer Dichte) und stellen eine Alternative zu bisher etablierten Sensoren basierend auf Halbleiterbiegebalken oder Membranstrukturen dar.
Ausführungsbeispiele von CNT-basierten mehrlagigen Blöcken mit integriertem Widerstandssensor bieten die folgenden Vorteile:

- Es können mehrlagige Strukturen aus dicht und weniger dicht angeordneten CNTs gebildet werden, die einen stabilen vertikal ausgerichteten Block darstellen.
- Das Elastizitätsmodul (E-Modul) ist mit der Dichte, Dicke und Anzahl der weniger dicht angeordneten CNT-Schichten im Gesamtblock stark variierbar.
- Kleinste Elastizitätsmodule sind möglich und erlauben daher eine einfache Auslenkung.
- Das E-Modul ist anpassbar für verschiedene Anwendungen.
- Die Stabilität wird mit den dichten CNT-Schichten gewährleistet.
- Es sind Federelemente ohne Masse möglich (masselose Verbiegung).
- Die weniger dichte CNT-Schicht (Stapel geringer Dichte) kann bei einer Komprimierung den Widerstand stark ändern, sodass ein integrierter elektrischer Widerstandssensor mit großer Sensorantwort vorhanden ist.
- Die verwendeten CNT-Blockstrukturen benötigen keine definierte Orientierung und brauchen nicht exakt senkrecht angeordnet zu sein.
- Kleine Sensorabmessungen sind möglich (zum Beispiel können Kantenlängen von weniger als 10 µm erreicht werden).
- Direkte Lithographieprozesse und daran anschließende CNT-Wachstumsschritte ermöglichen eine einfache und kostengünstige Herstellung.
- Auflösungen in der Empfindlichkeit in µm-Bereich der Sensorauslenkung ermöglichen vielfältige eindimensionale, 2D- und 3D-Anwendungen, wobei die CNT-Blöcke 1D-, 2D- und 3D-Anordnungen sein können.
- Stabile Auslenkungen sind möglich, insbesondere können Verbiegungen bis fast 90° erreicht werden, was beispielsweise vom Substrat und von der Länge der CNTs abhängt.
- Bei einer lateralen Anordnung ist durch einen Transfer der vertikalen Blöcke auf ein flexibles Fremdsubstrat eine modifizierte zweite Plattformtechnologie möglich, sodass flexible tragbare Sensoren sowie Detektoren erreicht werden können.
- Freistehende Folien mit vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren haben eine Höchstkomprimierbarkeit von bis zu 85%. Darüber hinaus zeigen CNT eine extreme strukturelle Flexibilität und können alternierend immer wieder über große Winkel gebogen und gedehnt werden, ohne dass sie versagen.

Die genannten Eigenschaften machen diese Sensormaterialen zu einem attraktiven Material für Druck-, Vibrations- und taktile Sensoren.
Eine Mikro-Nanointegration der vertikal ausgerichteten CNT-Strukturen wird einen technologisch neuartigen Zugang und eine erhebliche Leistungsverbesserung im Vergleich zu derzeit verwendeten Drucksensoren, die auf nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) basieren, ermöglichen.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt eine Anordnung von CNTs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2A, B zeigen einen Wachstumsprozess von CNTs und daraus resultierende effektive elektrische Widerstände.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine CNT-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4A-4D zeigen beispielhaft Draufsichten auf schematische Darstellungen der vertikalen Anordnung des mehrlagigen CNT-Blocks mit lateralen Kontakten an den Sensorenden gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform für eine laterale Anordnung des mehrlagigen CNT-Blocks mit Kontaktierungen von oben und von unten.
6A,B zeigen ein schematisch Darstellungen von Ausführungsformen für eine laterale Anordnung des mehrlagigen CNT-Blocks mit direkten lateralen Kontaktierung an den Sensorenden von unten.
7 zeigt schematisch eine Darstellung eines Aktors zur Herstellung von funktionalen Oberflächen wie beispielsweise an Nanopumpen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT-Anordnung) für einen Sensor oder einen Aktuator. Die CNT-Anordnung umfasst beispielhaft zwei schichtartig angeordnete Stapel hoher Dichte 110a, 110b, einen schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte 120 und zwei elektrische Kontaktelemente 130a, 130b. Die Stapel hoher Dichte 110a, 110b und der Stapel geringer Dichte 120 weisen jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) auf, die unterschiedlich dicht gestapelt sind. In den Stapel hoher Dichte 110a, 110b sind die CNTs dichter gepackt als in dem Stapel geringer Dichte 120.
Die Stapel hoher Dichte 110a, 110b sind auf gegenüberliegenden Seiten des Stapels geringer Dichte 120 angeordnet und werden so in einem variierbaren Abstand A voneinander gehalten. Der Abstand A wird durch eine Deformation des Stapels geringer Dichter 120 geändert.
Außerdem kontaktiert ein erstes elektrisches Kontaktelement 130a einen ersten Stapel hoher Dichter 110a und ein zweites elektrisches Kontaktelement 130b einen zweiten Stapel hoher Dichter 110b, und zwar so dass die alle Stapel zwischen den elektrischen Kontaktelementen 130a, 130b angeordnet sind. Dadurch wird es möglich,

(i) eine Änderung des variierbaren Abstandes A als ein elektrisches Sensorsignal zu erfassen, oder
(ii) den variierbaren Abstand A durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den zwei elektrischen Kontaktelementen 130a, 130b zu ändern und so eine Aktuatorkraft zu bewirken.

Somit bildet die CNT-Anordnung einen mehrlagigen Block von (alternierenden) Stapeln aus CNTs verschiedener Dichte.
Die CNTs können sowohl horizontal (wie in der 1 gezeigt) als auch vertikal angeordnet sein. Bei der horizontalen Anordnung der elektrischen Kontaktelemente 130a, 130b erstreckt sich zumindest ein Teil der elektrischen Kontaktelemente parallel zu den CNTs (d.h. in Richtung ihrer Längserstreckung). Bei der vertikalen Anordnung erstrecken sich die CNTs senkrecht zu den elektrischen Kontaktelementen 130a, 130b. Zum Beispiel erstrecken sich die Röhren ausgehend von den elektrischen Kontaktelementen 130a, 130b vertikal nach oben (oder auch vertikal nach unten), sodass die mehrlagigen CNT-Stapel (CNT-Blöcke) lateral versetzt angeordnet sind und mit einer direkten lateralen Kontaktierung an den Sensorenden elektrisch kontaktiert werden.
2A veranschaulicht einen Wachstumsprozess von CNTs auf einem zugrunde liegenden Substrat 200, wobei eine vertikale Anordnung des mehrlagigen CNT-Blocks mit einer direkten lateralen Kontaktierung an den Sensorenden hergestellt wird.
Die CNTs sind wiederum in verschiedenen Stapeln mit hoher und geringer Dichte angeordnet. Dazu wird zunächst auf einem Substrat 200 optional eine Zwischenschicht 210 ausgebildet, auf der, gegenüberliegend voneinander, zwei laterale Metallkontakte (ein erstes elektrisches Kontaktelement 130a und ein zweites Kontaktelement 130b) ausgebildet wird. Außerdem sind auf der Zwischenschicht 210 beispielhaft drei Metallisierungen 220a, 220b, 220c lateral versetzt zueinander angeordnet. Auf die so erhaltene Struktur sind die CNTs 120, 110 aufgewachsen.
Auf den drei Metallisierungen 220a, 220b, 220c wachsen die Kohlenstoffnanoröhren 120a, 120b, 120c in einer geringeren Dichte als die CNTs 110a, 110c, 110d, 110b, die zwischen den Metallisierungen 220a, 220b, 220c und den ersten und zweiten elektrischen Kontaktelementen 130a, 130b (d.h. nicht auf den drei Metallisierungen 220a, 220b, 220c) angeordnet sind. Um diesen Effekt der geringeren Dichte beim Wachstum der CNTs zu erreichen, weisen die drei Metallisierungen 220a, 220b, 220c beispielsweise ein Metall auf (z.B. Tantal), welches das verdünnte Wachstum der CNTs liefert. Die Zwischenschicht 210 kann beispielsweise Siliziumoxid aufweisen und das Substrat 200 Silizium.
Als Folge dieses Herstellungsprozesses entsteht eine Anordnung von CNTs, die abwechselnd Stapel hoher Dichte 110a, 110c, 110d, 110b und Stapel geringer Dichte 120a, 120b, 120c aufweisen. Die Breite und Anzahl der Stapel geringer Dichte 120 kann über die Metallisierung 220 eingestellt werden, da auf jeder Metallisierung 220 die CNTs in einer geringeren Dichte wachsen als auf den anderen Bereichen der Zwischenschicht 210 bzw. auf den elektrischen Kontaktelemente 130a, 130b.
2B zeigt ein Ersatzschaltbild für einen Strompfad zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 130a und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b. Der Strompfad geht durch die Stapel hoher Dichte 110 und die Stapel geringer Dichte 120. Die Stapel hoher Dichte 110 weisen dabei Effektivwiderstände 310 (R_dicht ) und die Stapel geringer Dichte 120 Effektivwiderstände 320 (R_dünn ) auf. Außerdem sind zwischen den Stapeln hoher Dichte 110 und den Stapeln geringer Dichte jeweils Kontaktwiderstände (R_Kontakt ) wirksam. Der Strompfad zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 130a und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b ist somit alternierend den Effektivwiderständen R_dicht und R_dünn ausgesetzt, wobei dazwischen jeweils ein Kontaktwiderstand R_Kontakt wirkt.
Somit besteht effektiv ein lateraler Gesamtwiderstand, der aus einer Summe der lateralen Widerstände der dichten CNT-Schichten (CNT-Stapel), (n+1)-mal, der dünnen CNT-Schichten, n-mal, und der Kontaktwiderstände zwischen den dichten und den dünnen Schichten, 2n-mal, besteht. Damit vervielfacht sich die Widerstandsänderung oder die Sensorantwort bei einer Deformation oder Verbiegung mit der Anzahl der Schichten. Die größere Widerstandsänderung findet dabei in den Stapel geringer Dichte 120 statt, die einen Widerstandswert R_dünn entspricht, und den entsprechenden Kontaktwiderständen R_Kontakt .
Es versteht sich, dass die Dicken der Stapel nicht gleich zu sein brauchen, sondern beliebig gewählt werden können. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Strukturierung der Metallisierungen 220 geschehen, die die Bereiche, in denen dünne und dicke Stapel ausgebildet werden, definieren.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung von CNTs, wobei an den seitlichen Begrenzungen das erste Kontaktelement 130a und das zweiten Kontaktelement 130b ausgebildet sind, zwischen denen sich alternierend Stapel mit geringer Dichte 120 und Stapel mit hoher Dichte 110 befinden. Das erste Kontaktelement 130a kontaktiert dabei einen ersten Stapel hoher Dichte 110a und das zweite Kontaktelement 130b kontaktiert einen zweiten Stapel hoher Dichte 110b. Der erste Stapel hoher Dichte 110a ist in Kontakt mit einem ersten Stapel geringer Dichte 120a, der wiederum in Kontakt ist mit einem dritten Stapel hoher Dichte 110c, der wiederum in Kontakt ist mit einem zweiten Stapel geringer Dichte 120b, der wiederum in Kontakt ist mit einem vierten Stapel hoher Dichte 110d, der wiederum in Kontakt ist mit einem dritten Stapel geringer Dichte 120c, der schließlich in Kontakt ist mit dem zweiten Stapel hoher Dichte 110b.
Das erste Kontaktelement 130a und das zweite Kontaktelement 130b können beispielsweise wie in der 2A ausgebildet sein und sich ungefähr rechtwinklig zu der Röhrenerstreckung der Kohlenstoffnanoröhren erstrecken und der elektrischen Kontaktierung dienen.
4A-4D zeigen verschiedene Ausführungsformen, bei welchen die Stapel hoher Dichten 110 Abstandshalter 115, 116 aufweisen oder definieren, wobei die Abstandshalter 115, 116 sich in ihrer geometrischen Form unterscheiden. Die Abstandshalter 115, 116 sind dabei derart gebildet, dass sie einen Minimalabstand zwischen zwei benachbarten Stapeln hoher Dichte 110 begrenzen und nur einen eingeschränkten Bereich von lateralen Bewegungen ermöglichen.
4A zeigt beispielsweise Abstandshalter 115, die in der gezeigten Draufsicht (oder Querschnittsansicht) senkrecht zu der Röhrenerstreckung eine rechteckförmige Form aufweisen. Beispielsweise kann der erste Stapel hoher Dichte 110a zwei Abstandshalter 115a umfassen, die entlang der Röhrenrichtung erstrecken und an dem ersten Stapel hoher Dichte 110a an gegenüberliegenden Enden ausgebildet sind. Zwischen den Abstandshaltern 115a und dem dritten Stapel hoher Dichte 110c befindet sich immer noch ein Bereich 125a des ersten Stapels geringer Dichte 120a, der bei einer Deformation (zum Beispiel einem horizontalen Zusammendrücken) zusammengedrückt werden kann. Jedoch definiert die Abstandshalter 115a eine maximal mögliche relative Verschiebungsrichtung zwischen dem ersten und dem dritten Stapel hoher Dichte 110a, 110c. In gleicher Weise umfasst der dritte Stapel hoher Dichte 110c wiederum zwei, z.B. an den Enden (senkrecht zur Röhrenerstreckung) ausgebildete Abstandshalter 115b, die sich in Richtung hin zu dem vierten Stapel hoher Dichte 110d erstrecken, der in gleicher Weise zwei Abstandshalter umfasst.
Die elektrischen Kontaktelemente 130a, 130b sind beispielsweise in der gleichen Art und Weise ausgebildet, wie es in der 3 bzw. in der 2A zu sehen ist.
4B zeigt eine weitere Möglichkeit, Abstandshalter 115 auszubilden. In dem Ausführungsbeispiel der 4B haben die Abstandshalter 115 eine domförmige Gestalt in der gezeigten Querschnittsansicht senkrecht zu der Röhrenerstreckung. Wie in 4A sind wiederum zwei Abstandshalter an gegenüberliegenden Enden der jeweiligen Bereiche hoher Dichte ausgebildet. Die Abstandshalter können sich senkrecht zur Zeichenebene linear oder gekrümmt erstrecken.
4C zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine weitere mögliche Form der Abstandshalter 115, die in diesem Beispiel dreiecksförmig in der Querschnittsansicht ausgebildet sind. Alle weiteren Merkmale sind in der gleichen Weise ausgebildet wie in der 4A oder 4B. Eine wiederholte Beschreibung ist nicht erforderlich.
4D zeigt eine Ausführungsform, bei der nicht nur auf einer Seite der Stapel hoher Dichte 110 Abstandshalter 115 ausgebildet. Stapel hoher Dichte 110 weisen vielmehr auf beiden Seiten Abstandshalter 116, 115 auf. Zum Beispiel weist der dritte Stapel hoher Dichte 110c auf beiden Seiten, d.h. hin zu dem ersten Kontaktelement 130a und hin zu dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b, Abstandshalter 115, 116 auf. Ebenso weist der vierte Stapel hoher Dichte 110d Abstandshalter 115 hin zu dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b und Abstandshalter 116 auf, die zu dem ersten elektrischen Kontaktelement 130a gerichtet sind.
Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die beidseitigen Abstandshalter einen stärkeren Anschlag bieten, der größeren Kraftwirkungen widerstehen kann als dies in den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen der Fall ist. So können im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der 4A bis 4C doppelt so viele Abstandshalter 115, 116 ausgebildet sein, die sich sowohl in Richtung zu dem ersten Kontaktelement 130a als auch in Richtung zu dem zweiten Kontaktelement 130b erstrecken.
Es versteht sich, dass die Form der Abstandshalter 115, 116 in dem Ausführungsbeispiel der 4D nicht auf die dreieckige Form, wie sie die 4D zeigt, eingeschränkt werden soll. Es sind ebenfalls die anderen Formen möglich. So können beispielsweise beide oder einige der Abstandshalter 115, 116 aus der 4D ebenfalls die rechteckförmige Form (siehe 4A), die domförmige Form (siehe 4B) als auch jede beliebige andere Form aufweisen, die dazu geeignet ist, den Abstand zwischen den Stapeln hoher Dichte 110 zu beschränken.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Abstandshalter sich lediglich in bestimmten Bereichen punktförmig oder auch nur abschnittsförmig zwischen den Stapeln hoher Dichte 110 erstrecken.
Somit sind gemäß Ausführungsbeispielen vielfältige Abstandshalter 115, 116 möglich, die, wie gesagt, aus den Kohlenstoffnanoröhren der Stapel hoher Dichte 110 bestehen können.
Diese Strukturen können in einfacher Weise mit der Metallisierung 220 auf dem Substrat 200 hergestellt werden, um die Stabilität bei einer Kompression und die Reproduzierbarkeit der Widerstandsänderung zu erhöhen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem auf dem Substrat 200 eine optionale Zwischenschicht 210a ausgebildet ist. Auf der optionalen Zwischenschicht 210a oder direkt auf dem Substrat 200 ist das zweite elektrischen Kontaktelement 130b ausgebildet. Auf dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b folgt der zweite Stapel hoher Dichte 110b, auf welchem ein Stapel geringer Dichte 120 angeordnet ist. Auf dem Stapel geringer Dichte 120 ist abschließend der erste Stapel hoher Dichte 110a ausgebildet. Abschließend ist auf dem ersten Stapel hoher Dichte 110a das erste elektrische Kontaktelement 130a flächenförmig ausgebildet.
Das Substrat 200 kann wiederum ein flexibles Material aufweisen und die Zwischenschicht 210a kann der Isolierung dienen und beispielhaft Siliziumoxid umfassen. Ebenso kann das zweite Kontaktelement 130b ein flexibles Material aufweisen, auch das erste Kontaktelement 130a kann ein flexibles Material aufweisen. Somit ist die gesamte Schichtstruktur flexibel und kann eine Membran darstellen. Damit können Sensorsignale erzeugt werden, die beispielsweise von einem Druck auf die so geformte Membran oder Schicht abhängen.
6A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich durch das in der 5 gezeigte Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass auf dem Substrat 200 bzw. auf der optionalen Zwischenschicht 210a das erste elektrische Kontaktelement 130a und das zweite elektrische Kontaktelement 130b mit jeweils einem Stapel hoher Dichte 110a, 110b lateral versetzt zueinander ausgebildet sind. Die beiden Stapel hoher Dichte 110a, 110b sind durch einen Stapel geringer Dichte 120 überbrückt. Abschließend ist optional ein weiterer Stapel 110c hoher Dichte auf dem Stapel geringer Dichte 120 ausgebildet. Die optionale Zwischenschicht 210a kann wiederum der elektrischen Isolation dienen. Das erste elektrische Kontaktelement 130a und das zweite elektrische Kontaktelement 130b stehen in keinem direkten elektrischen Kontakt zueinander.
Bei der lateralen Anordnung der Stapel ist die Orientierung der CNTs in den Stapeln hoher und geringer Dichte parallel zur Substratoberfläche, kann aber eine beliebige Richtung aufweisen. In der 6A sind der lateral versetzten Stapel hoher Dichte mit einem Stapel geringer Dichte beispielweise parallel zu der CNT-Orientierung angeordnet. Die Orientierung der CNTs ist parallel zur Versetzungsrichtung der Stapel hoher Dichter 110a, 110b.
6B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich durch das in der 6A gezeigte Ausführungsbeispiel nur dadurch unterscheidet, dass die Orientierung der CNTs in den Stapeln geändert wurde. Die Orientierung der CNTs ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Versetzungsrichtung bzw. der lateral versetzten Stapel hoher Dichte werden mit einem Stapel geringer Dichte senkrecht zu der CNT-Orientierung verbunden. Die Pfeile zeigen einen beispielhaften Stromfluss durch die verschiedenen Stapel: einen ersten Stapel hoher Dichte 110a, den Stapel geringer Dichte 120, einen dritten Stapel hoher Dichte 110c, den Stapel geringer Dichter 120 und schließlich durch einen zweiten Stapel hoher Dichte 110b.
Es versteht sich, dass die gezeigten zwei elektrischen Kontaktelemente 130a, 130b und die darauf ausgebildeten Stapel hoher Dichte 110a, 110b nur ein Beispiel darstellen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können mehrere Kontaktelemente (im Prinzip eine beliebige Anzahl in einer beliebigen Form) auf dem Substrat 200 ausgebildet werden, die beispielhaft alle mit dem Stapel geringer Dichte 120 und dem abschließenden Stapel hoher Dichter 110c überbrückt werden (oder mit noch weiteren Schichten).
Die Gesamtwiderstandsänderung ergibt sich wiederum aus der Summe der vertikalen Widerstandsänderungen in den einzelnen Stapeln und des Kontaktwiderstandes zwischen den Stapeln hoher Dichte 110 und den Stapeln geringer Dichte 120. Somit vervielfacht sich wiederum die Widerstandsänderung (Sensorantwort) bei einer Deformation mit der Anzahl der Schichten. Die größere Widerstandsänderung findet wiederum in dem Stapel geringer Dichte statt (d.h. für R_dünn ) und in den Kontaktbereich (d.h. für R_Kontakt ).
Die gezeigten Anordnungen können auf vielfältigen Substraten 200 hergestellt werden. Außerdem können aktive Schichten sehr dünn gefertigt sein (zum Beispiel wenige µm) und passiviert werden, z.B. um eine Biokompatibilität zu erreichen. Es versteht sich wiederum, dass die Dicken der einzelnen Stapel (Schichtdicken), auch wenn sie gleich gezeigt sind, nicht gleich zu sein brauchen.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich von dem Ausführungsbeispiel der 5 dadurch unterscheidet, dass das erste elektrische Kontaktelement 130a nicht als eine Schicht ausgebildet ist, sondern durch eine Vielzahl von Kontaktelementen 130a, 130b, 130c, 130d, ... ersetzt wurde. Ansonsten sind alle weiteren Elemente in der gleichen Weise ausgebildet wie bei dem Ausführungsbeispiel der 5.
Dadurch können unterschiedliche Spannungswerte zwischen den einzelnen ersten Kontaktelementen 130a, 130b, ... und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b ausgebildet werden. Außerdem ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den ersten elektrischen Kontaktelementen 130a, 130c, 130d, ... und dem ersten Stapel hoher Dichte 110a eine weitere Zwischenschicht 210b ausgebildet, die wiederum ein flexibles Material umfassen kann und eine elektrische Isolierung bildet. Somit werden in der Ausführungsform der 7 mehrere Kondensatoren zwischen dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130b und der Vielzahl von ersten elektrischen Kontaktelementen 130a, 130c, ... gebildet.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine Formung des gezeigten Blocks. So kann durch die angelegten Spannungen der obere Stapel hoher Dichte 110a in einer beliebigen Form (z.B. eine Wellenform) deformiert werden. Zum Beispiel können Spannungswerte periodisch (auch mit unterschiedlicher Polarität) an den einzelnen ersten Kontaktelementen 130a, 130b, 130c, ... angelegt werden. Das zweite elektrische Kontaktelement 130b liegt beispielsweise auf ein Referenzpotential (z.B. Masse). Als Folge werden die ersten Kontaktelemente 130a, 130b, 130c, ...unterschiedlich stark zu dem Substrat 200 gezogen bzw. abgestoßen (abhängig von der Polarität und der Spannungswerte). Über eine zeitliche Änderung der entsprechenden Spannungswerte an den ersten elektrischen Kontaktelementen 130a, 130c, ... kann eine wellenförmige Bewegung des Blocks erreicht werden, was beispielsweise für eine Mikropumpe genutzt werden kann.
Außerdem kann der Stapel geringer Dichte 120 das E-Modul so stark verringern, dass nur sehr kleine Betriebsspannungen zwischen den elektrischen Kontaktelementen 130 nötig sind, um die Schichtdicken elektrostatisch zu modulieren. Diese Anordnung kann auch auf vielfältigen Substraten 200 hergestellt werden. Die aktiven Schichten können wiederum sehr dünn (wenige µm) gefertigt und passiviert werden, um eine Biokompatibilität zu erreichen.
Die Plattformtechnologie aus den 5 bis 7 ermöglicht eine einfache flexible Membranstruktur mit einer dichten CNT-Schicht 110 auf einer weniger dichten (dünnen) CNT-Schicht 120. So kann beispielsweise die dicht gewachsene CNT-Schicht 110 einen hohen thermischen Widerstand aufweisen, da die dünne CNT-Schicht 120 die Wärmeübertragung auf das Substrat isoliert. Außerdem kann diese Anordnung als thermoelektrisches Material zur Detektion von Mikro-, Millimeter- oder THz-Wellen und optischen Signalen (wie beispielsweise Infrarotlicht) genutzt werden. Ebenso ist es möglich, die Raumwärme zu absorbieren, um einen thermoelektrischen Strom zu erzeugen (zum Beispiel für ein Energy Harvesting). Ebenfalls möglich ist eine Beschichtung, zum Beispiel der dünnen CNT-Schicht 120, mit piezoelektrischen Materialien wie beispielsweise Zinkoxid (ZnO), um Strom zu erzeugen (Energy Harvesting).
Die CNT-Membran kann auch als Träger für vielfältige 2D-Materialien genutzt werden (wie beispielsweise Graphene, Metallsulfide wie beispielsweise MoS2, SnS2 usw.). Ebenso möglich ist eine chemische Funktionalisierung, um p-n-Übergänge in den mehrlagigen Blöcken zu erzeugen. Beispielsweise kann die dichte CNT-Schicht 110 n-leitend gemacht werden und eine dünne CNT-Schicht 120 als p-leitend ausgebildet sein. Diese p-n-Schichten haben vielseitige Anwendungen als Detektoren. Die genannte laterale Anordnung kann anschließend passiviert (isoliert) werden und mit einer weiteren dünnen Elektrode beschichtet werden, um elektrostatische Aktoren aufzubauen. Funktionale Oberflächen (wie zum Beispiel anwendungsspezifische gekrümmte Oberflächen), sowie einfache Nanopumpen mit kleinen Betriebsspannungen werden ebenfalls ermöglicht.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele bieten insbesondere die folgenden Lösungen zu den eingangs erwähnten Problemen:
Mechanischen Stabilität
Eigenschaften wie beispielsweise das E-Modul oder die mechanische Stabilität der mehrlagigen CNT-Blöcke aus dicht und weniger dicht vertikal ausgerichteten CNTs können prozessspezifisch angepasst werden. So können die Biegeeigenschaften und die Biegeelastizität auf eine gewünschte Anwendung eingestellt werden. Hierzu können beispielsweise mehrlagige CNT-Blöcke hergestellt werden, wobei jede Lage einen Stapel von CNTs hoher Dichte 110 oder ein Stapel geringer Dichte 120 darstellt. Das E-Modul ist mit der Dichte, Dicke und Anzahl der weniger dichten CNT-Schicht 120 im Gesamtblock stark variierbar. Weiterhin können die Abmessungen (zum Beispiel die Länge, Dicke und Breite) der CNT-Blöcke anwendungsspezifisch variiert und kleinste E-Module von kleiner als 200 kPa eingestellt werden.
Einfache Kontaktierung
Über eine Mikro-Nanointegration ist es weiter möglich, eine einfache Kontaktierung des vertikal oder lateral angeordneten CNT-Blockes zu ermöglichen. Beispielsweise können dazu laterale Nickel-Kontakte (oder Kontaktschichten) dienen.
Das Wachstum der CNTs kann beispielsweise über eine lokale (lithographisch erzeugte) strukturierte dünne Metallschicht 220 (zum Beispiel aus Tantal) erreicht werden. Weitere Schichten oder andere Materialien können ebenfalls genutzt werden, um eine Wachstumsdichte der CNTs zu ändern. Die vertikalen ein- oder mehrwandigen CNT-Arrays (Stapel von CNTs) sind beispielsweise über der Tantal-Metallisierung 220 weniger dicht vertikal angeordnet. Sie wachsen dort in einer geringeren Dichte. Um die beispielhafte Tantal-Metallisierung(en) 220 in einem mehrlagigen CNT-Block mit dicht und weniger dicht angeordneten CNT-Schichten zu erreichen, kann beispielsweise eine Streifenmaske genutzt werden, die einfach und günstig in der Anzahl und der Dicke variiert werden kann. Prozessspezifisch können ebenfalls die Durchmesser der einzelnen CNTs (zum Beispiel von 2 bis 8 nm) geändert werden. Es ist ebenfalls möglich, die CNT-Länge zu ändern. Sie kann zum Beispiel in einem Bereich von 10 bis 1500 µm variiert werden. Die Höhe der CNT-Blöcke (z.B. die Länger der einzelnen CNT) kann durch eine Anpassung der Wachstumszeit im Herstellungsprozess eingestellt werden.
Diese Blöcke sind besonders nützlich für Anwendungen, in denen eine mechanische Verformung untersucht wird bzw. gemessen werden soll.
Integrierter Widerstandssensor
Die weniger dichte CNT-Schicht 120 kann bei einer Komprimierung den elektrischen Widerstand stark ändern (durch eine Vervielfachung der Kontaktpunkte). Somit liegt ein integrierter Widerstandssensor mit einer großen Sensorantwort vor. In Abhängigkeit von der Dichte, der Dicke und der Anzahl dieser weniger dichten CNT-Schicht 120 kann die Sensorantwort auch erheblich vergrößert und/oder individuell angepasst werden.
Eine 3D-CNT-Anordnung (d.h. der mehrlagige CNT-Block) mittelt über die elektrischen Eigenschaften der individuellen CNTs. Durch eine große Anzahl der CNTs (zum Beispiel mehrere Millionen pro mm²) entsteht eine hohe Redundanz. Dadurch wird es insbesondere möglich, die Fabrikation von Sensoren mit ähnlichen Eigenschaften deutlich zu erleichtern. Bei einer Kompression oder Verformung der weniger dichten Schicht 120 aus CNTs haben die einzelnen CNTs eine verstärkte Interaktion mit ihren jeweiligen benachbarten CNTs (berühren sich stärker oder häufiger). Hochempfindliche piezoresistive Sensoren mit einer reproduzierbaren lateralen Widerstandsabnahme werden dadurch möglich (siehe 2B). Die Stabilität des CNT-Blockes wird mit den dichten CNT-Schichten 110 gewährleistet.
Der Piezowiderstand der kontaktierten CNT-Blöcke resultiert auf mehreren Effekten:
Ein erster Effekt besteht in der Modifikation des Widerstandes der CNT-Schichten 110, 120 in der Blockstruktur. Die weniger dichten Schichten 120 können dabei eine größere Widerstandsänderung aufweisen. Eine Auslenkung des CNT-Blockes unter einer Druckbelastung erhöht den Strom durch die unteren lateralen Kontakte (Kontaktelemente 130) der CNT-Blöcke auf dem Substrat 200 (siehe 2A). Die einzigartigen Eigenschaften dieser Nanostrukturen ermöglichen die Messung von Drücken, Auslenkungen und Beschleunigungen mit hoher räumlicher Auflösung. Dabei wird beispielsweise in der 3D-CNT-Sensoranordnung die Querleitfähigkeit der einzelnen CNTs ausgenutzt.
Die Druckspannung bewirkt eine mechanische Deformation der CNT-Blockstrukturen und somit der CNT-Schichten mit unterschiedlicher CNT-Dichte 110, 120. Alle dünnen 120 und dichten 110 CNT-Schichten haben eine Widerstandsänderung dR_Schicht (siehe 2B). Wenn deformierte CNTs benachbarte CNT-Röhren in der gleichen Schicht berühren, werden zusätzliche Strompfade ausgebildet und der Leitwert erhöht sich. Besonders groß ist die laterale Widerstandsänderung, wenn zusätzliche Leitungspfade in dem CNT-Block nahe dem Substrat 200 entstehen. Ein weiterer Sensoreffekt besteht in der Änderung des Kontaktwiderstandes zwischen den einzelnen CNT-Schichten mit unterschiedlicher CNT-Dichte (zum Beispiel zwischen dem Stapel geringer Dichte 120 und einem Stapel hoher Dichte 110), die bei Deformation/Auslenkung des gesamten CNT-Blockes die jeweiligen Kontaktwiderstände R_Kontakt ändern (verringern oder vergrößern; siehe 2B).
Eine Messung von kleinsten Verformungen mit hoher örtlicher Auflösung wird damit möglich. Ihre einfache Herstellung und zusätzlich die Möglichkeit zur weiteren chemischen Funktionalisierung ermöglichen kostengünstige und vielseitige Anwendungen.
Laterale Anordnung
Besonders die laterale Anordnung erlaubt flexible und tragbare Sensoren und Detektoren, was bei den genannten konventionellen Sensoren nicht möglich ist. Bei der lateralen Anordnung wird der vertikale Block auf ein (flexibles) Fremdsubstrat 200 transferiert (angeordnet). Hierbei sind sehr flache Sensoren möglich, die beispielsweise Abmessungen von wenigen Mikrometern haben. Diese laterale Anordnung ermöglicht eine sehr einfache laterale sowie vertikale Kontaktierung (siehe 5 und 6). Diese Anordnung kann anschließend passiviert und mit einer weiteren (dünnen) Elektrode beschichtet werden, um einfache elektrostatische Aktoren zu erzielen. Funktionale Oberflächen (zum Beispiel anwendungsspezifisch gekrümmte Oberflächen) sowie einfache Nanopumpen mit kleinen Betriebsspannungen werden dadurch möglich (siehe 5-7).
Das CNT-basierte mehrlagige Federelement mit integriertem Widerstandssensor hat insbesondere folgende Vorteile:

- Direkte Lithographieprozesse und CNT-Wachstum ermöglichen eine einfache und kostengünstige Herstellung.
- Die hohe örtliche Auflösung (zum Beispiel im µm-Bereich) und hohe Empfindlichkeit bei einer Verformung ermöglichen vielfältige 1D-, 2D- und 3D-Anwendungen in der Sensorik/Aktorik mit 1D-, 2D- und 3D-Anordnungen der mehrlagigen CNT-Blöcke. Es können unter anderem folgenden Größen gemessen werden: Kraft, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, Druck, Taktil, Vibration, Strömung (Gas oder Flüssigkeit) und anderes mehr.
- Auch eine laterale Anordnung durch Transfer der vertikalen Blöcke auf ein Fremdsubstrat 200 ist möglich.
- Die laterale Anordnung kann auch als ein einfacher elektrostatischer Aktor dienen. Dazu kann die Oberfläche passiviert und mit einer weiteren Elektrode beschichtet werden. Funktionale (anwendungsspezifisch gekrümmte) Oberflächen sowie einfache Nanopumpen mit kleinen Betriebsspannungen werden möglich.
- Kleines E-Modul (< 200 kPa) sind möglich (einfache Auslenkung).
- Das E-Modul ist anpassbar für verschiedene Anwendungen.
- Federelemente ohne Masse sind möglich (masselose Verbiegung).
- Integrierter Widerstandssensor mit großer Sensorantwort.
- Verwendete CNT-Blockstrukturen benötigen keine definierte Orientierung, brauchen nicht exakt senkrecht zu sein.
- Kleine Sensorabmessungen sind möglich, zum Beispiel Kantenlängen von weniger als 10 µm.
- Stabile Auslenkungen werden erreicht, Verbiegungen bis zu fast 90°, substrat- und längenabhängig.

Die CNT-Blockstrukturen wurden prozessspezifisch in eine adapative Mikrostruktur integriert. Diese ist im Besonderen dadurch gekennzeichnet, dass eine einfache Kontaktierung (Mikro-Nanointegration) des CNT-Blockes mit zum Beispiel lateral angeordneten Nickelkontakten erreicht wird. Außerdem lösen Ausführungsbeispiele die oben genannten Probleme durch einen integrierten Widerstandssensor mit einer hohen Sensorantwort, das heißt einer hohen Empfindlichkeit, der einfach lateral, aber auch vertikal kontaktiert werden kann. Ferner lösen Ausführungsbeispiele die Probleme durch eine 3D-CNT-Sensoranordnung, die in der vertikalen sowie der lateralen Anordnung jeweils eine Plattform für vielfältige mechanische und weitere Anwendungen bietet. Flexible und tragbare Sensoren und Aktoren sowie Detektoren sind möglich.
Die vertikale Anordnung, wie sie beispielsweise in den 2 - 4 zu sehen ist, kann beispielsweise in sehr einfacher Weise lateral kontaktiert werden. Eine laterale Anordnung kann beispielsweise durch einen Transfer der vertikalen Blöcke auf ein (flexibles) Fremdsubstrat erreicht werden und bietet eine modifizierte zweite Plattformtechnologie. Hier sind beispielsweise sehr flache Sensoren möglich, die beispielsweise eine Höhe oder eine Ausdehnung von wenigen µm aufweisen. Diese laterale Anordnung ermöglicht eine sehr einfache laterale als auch vertikale Kontaktierung, wie sie beispielsweise in den 5, 6 zu sehen sind.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

110: Stapel von Kohlenstoffnanoröhren hoher Dichte
120: Stapel von Kohlenstoffnanoröhren geringer Dichte
130: Elektrische Kontaktelemente
115, 116: Abstandshalter
200: Substrat
210a,210b,...: Zwischenschichten
220a,220b,...: Metallisierung
310, 315, 320: Effektive Widerstände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Hierold et al.: „Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes“, sensors and actuators A136, 51-61 (2007) [0005]
N. Hu et al.: „Investigation on sensitivity of a polymer/carbon nanotube composite strain sensor“, carbon 48, issue 3, 680-687 (2010) [0005]
A. Y. Cao et al. „Super-Compressible Foamlike Carbon Nanotube Films“, signs 310, 1307-1310, November 2005 [0005]
V. L. Pushparaj et al.: „Effects of compressive strains on electrical conductivities of a macroscale carbon nanotube block“, Appl. Phys. Lett. 91,153116, 2007 [0005]

Claims

Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren für einen Sensor oder einen Aktuator, mit folgenden Merkmalen: einen oder mehrere schichtartig angeordnete Stapel hoher Dichte (110); zumindest einen schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte (120), wobei der/die Stapel hoher Dichte (110) und der zumindest eine Stapel geringer Dichte (120) jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen und der zumindest eine Stapel geringer Dichte (120) einseitig oder beidseitig in Kontakt zu dem einen oder mehreren Stapel(n) hoher Dichte (110) steht, um einen Abstand (A) entsprechend einer Dicke des zumindest einen Stapel geringer Dichte (120) zu variieren; und zumindest zwei elektrische Kontaktelemente (130a, 130b), die zumindest einen der Stapel hoher und geringer Dichte (110, 120) elektrisch kontaktieren, um (i) eine Änderung des variierbaren Abstandes (A) als ein elektrisches Sensorsignal zu erfassen, und/oder (ii) den variierbaren Abstand (A) durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen (130a, 130b) zu ändern.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Stapel geringer Dichte (120) mehrere Stapel geringer Dichte (120a, 120b, ...) umfasst, die alternierend mit den Stapeln hoher Dichte (110) angeordnet sind, wobei zwischen den elektrischen Kontaktelementen (130) mehrere Stapel geringer Dichte (120) angeordnet sind, und wobei Dicken der Stapel hoher Dichte (110) und der Stapel geringer Dichte (120) gleich oder verschieden sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die weiter Folgendes umfasst: zumindest eine Metallisierung (220a, 220b,...), die die Kohlenstoff-Nanoröhren in dem zumindest einen Stapel geringer Dichte (120) an einem Ende miteinander verbindet, wobei die Metallisierung (220a, 220b,...) ausgebildet ist, um ein Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhren in einer verringerten Dichte zu bewirken.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Stapel hoher Dichte (110) teilweise Abstandshalter (115, 116) bilden, die sich zumindest teilweise in die Stapel geringer Dichte (120) hinein erstrecken, um einen Anschlag für den variierbaren Abstand (A) zu definieren.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Abstandshalter (115, 116) senkrecht zur Erstreckung der Nanoröhren einen rechteckförmigen, einen domförmigen, einen runden oder einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter Folgendes aufweist: ein flexibles Substrat (200) mit einer Substratoberfläche, wobei Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Substratoberfläche angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen (130a, 130b) die Stapel hoher Dichte (110) und Stapel geringer Dichte (120) auf der Substratoberfläche derart angeordnet sind, dass eines der elektrischen Kontaktelemente (130b) auf einer Substrat-zugewandten Seite und ein anderes der elektrischen Kontaktelemente (130a) auf einer Substrat-abgewandten Seite gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei auf der Substratoberfläche mehrere Stapel hoher Dichte (110) lateral voneinander versetzt liegend angeordnet sind und jeweils mit einem elektrischen Kontaktelement (130a, 130b) auf einer Substrat-zugewandten Seite elektrisch kontaktiert sind, und die mehreren lateral versetzten Stapel hoher Dichte (110) auf ihrer Substrat-abgewandten Seite zumindest durch einen Stapel geringer Dichte (120) überbrückt sind, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhren relativ zur lateralen Versetzungsrichtung parallel, senkrecht oder in einer anderen Orientierung angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei alle Stapel geringer Dichte (120) zwischen zwei äußeren Stapeln hoher Dichte (110), die von den elektrischen Kontaktelementen (130a, 130b) kontaktiert sind, angeordnet sind und die Anordnung weiter Folgendes umfasst: zumindest eine elektrische Isolationsschicht (210), die zwischen zumindest einem der elektrischen Kontaktelemente (130a, 130b) und einem der äußeren Stapel hoher Dichte (110) ausgebildet ist, um die Kohlenstoff-Nanoröhren von dem zumindest einen elektrischen Kontaktelement (130a, 130b) elektrisch zu isolieren.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Isolationsschicht (210b) auf der Substrat-abgewandten Seite auf dem äußeren Stapel hoher Dichte (110) angeordnet ist und das zumindest eine elektrische Kontaktelement (130) mehrere lateral versetzte elektrische Kontaktelemente (130a, 130c, 130d, ...) umfasst.
Sensoranordnung mit einer Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Aktuator mit einer Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Anordnen von Kohlenstoff-Nanoröhren für einen Sensor oder einen Aktuator mit folgenden Schritten: Ausbilden von mehreren schichtartig angeordneten Stapel hoher Dichte (110); Ausbilden von zumindest einem schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte (120), wobei die Stapel hoher Dichte (110) und die Stapel geringer Dichte (120) jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen und der zumindest eine Stapel geringer Dichte (120) beidseitig in Kontakt zu jeweils einem der Stapel hoher Dichte (110) steht, um diese in einem variierbaren Abstand (A) voneinander zu halten; und Ausbilden von zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen (130), die verschiedene Stapel hoher Dichte (110) elektrisch kontaktieren, um (iii) eine Änderung des variierbaren Abstandes (A) als ein elektrisches Sensorsignal zu erfassen, und/oder (iv) den variierbaren Abstand (A) durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei elektrischen Kontaktelementen (130) zu ändern
Verfahren nach Anspruch 13, wobei beim Ausbilden des zumindest einen schichtartig angeordneten Stapel geringer Dichte (120) zumindest eine strukturierte Metallisierung als Wachstumsschicht verwendet wird, wobei die Wachstumsschicht insbesondere Tantal aufweist.