DE102018209083A1

DE102018209083A1 - Verfahren zum Herstellen eines Nanofilms, Sensoranordnung mit einem Nanofilm und Nanosieb mit einem Nanofilm

Info

Publication number: DE102018209083A1
Application number: DE102018209083.1A
Authority: DE
Inventors: Derek DEBIE; Alexander Zoepfl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-12-12
Also published as: US11378536B2; US20190376918A1

Abstract

Ein Verfahren 100 zum Herstellen eines Nanofilms 250 umfasst folgende Schritte: Bereitstellen 110 eines Mikrosiebs 210 mit einem ersten und einem zweiten genüberliegenden Oberflächenbereich 210A, 210B, wobei Mikroporen 212 zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich 210A, 210B ausgebildet sind; Aufbringen 120 einer Nanomaterialsuspension 300 auf den ersten Oberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210, wobei die Nanomaterialsuspension 300 Nanomaterialpartikel 310 aufweist; und Ausüben (130) eines Druckunterschieds an einer Mehrzahl der Mikroporen 212 zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu bewegen, so dass die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Oberflächenbereich 210A und an den Wandbereichen 212 der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 ausbilden.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Nanofilms, auf eine Sensoranordnung mit einem Nanofilm als Sensorelement und ferner auf ein Nanosieb mit einem Nanofilm. Insbesondere beziehen sich Ausführungsbeispiele auf ein Verfahren zur Herstellung von freistehenden Nanofilmen mittels Anlegen eines Druckunterschieds und ferner auf einen freistehenden Nanofilm für sensorische Anwendungen.
Hintergrund
Gegenwärtig wird versucht, homogene, dünne Schichten durch ein präzises Aufbringen von Tinte mit darin gelösten Nanomaterialpartikeln und einem nachfolgenden Verdunsten des Tintengrundmaterials zu bilden. Bei dieser Herstellung von homogenen, dünnen Schichten ergibt sich aber häufig ein störender sog. Kaffeerand- bzw. Kaffeering-Effekt, der eine ungleichmäßige Verteilung der in der Tinte gelösten Feststoffpartikel bewirkt, die die möglichst dünne homogene Schicht bilden sollen. Sind die Feststoffpartikel beispielsweise leitfähig ausgebildet, wobei eine gleichmäßige leitfähige Schicht mit einer gleichmäßigen Leitfähigkeitsverteilung gebildet werden soll, entstehen aber durch den Kaffeerand-Effekt aufgrund der dort angesammelten leitfähigen Partikel inhomogene Bereiche mit einer unterschiedlichen Leitfähigkeit. Dadurch kann bei einer Bestromung des resultierenden leitfähigen Belags keine homogene Stromverteilung in der resultierenden Schicht erhalten werden.
Ein sogenannter „Kaffeering“ entsteht, weil die Ränder des aufgebrachten Tintenmaterials auch während des Verdunstens des flüssigen Anteils des Tintenmaterials stabil bleiben. Nimmt das Volumen der Flüssigkeit der Tinte durch Verdunsten ab, fließt Tinte (Flüssigkeit) vom Zentrum zu den Rändern nach, so dass gelöste Teilchen in der Tinte vom Zentrum an den Rand bewegt werden, und sich dort nach und nach ansammeln. Ist die Tinte dann vollständig verdunstet, bildet sich durch die in der Tinte gelösten Teilchen eine ringförmige, unerwünschte Ausgestaltung der verbleibenden Teilchen.
Dieser Kaffeering-Effekt ergibt sich beispielsweise bei Aufbringungsarten mittels einer sog. „Mikroaufbringung“ (microdispensing = Mikrodosierung) bzw. mittels Tintenstrahldrucken.
Zusammenfassung
Auf dem Gebiet der des Herstellens möglichst homogener, dünner Schichten besteht ein Bedarf nach zuverlässigen und gut reproduzierbaren Vorgehensweisen zum Erzeugen solcher dünnen Schichten, wie z. B. homogenen dünnen Nanoschichten bzw. Nanofilmen, die beispielweise auch für Sensoranordnungen oder Filtrationsanwendungen eingesetzt werden können.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden unabhängigen Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Nanofilms folgende Schritte: Bereitstellen eines Mikrosiebs mit einem ersten und einem zweiten genüberliegenden Oberflächenbereich, wobei Mikroporen zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich ausgebildet sind; Aufbringen einer Nanomaterialsuspension auf den ersten Oberflächenbereich des Mikrosiebs, wobei die Nanomaterialsuspension Nanomaterialpartikel aufweist; und Anlegen eines Druckunterschieds an einer Mehrzahl der Mikroporen, z.B. zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich des Mikrosiebs, um die Nanomaterialsuspension in die Mikroporen und/oder durch die Mikroporen zu bewegen, so dass die Nanomaterialpartikel an dem ersten Oberflächenbereich und an den Wandbereichen der Mikroporen anhaften und den Nanofilm ausbilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt des Anlegens eines Druckunterschieds ein Unterdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen an dem zweiten Oberflächenbereich des Mikrosiebs ausgeübt, um die Nanomaterialsuspension in die Mikroporen und/oder durch die Mikroporen zu ziehen, so dass die Nanomaterialpartikel an dem ersten Oberflächenbereich und an Wandbereichen der Mikroporen anhaften und den Nanofilm ausbilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt des Anlegens eines Druckunterschieds ein Überdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen an dem ersten Oberflächenbereich des Mikrosiebs ausgeübt, um die Nanomaterialsuspension in die Mikroporen und/oder durch die Mikroporen zu drücken, so dass die Nanomaterialpartikel an dem ersten Oberflächenbereich und an Wandbereichen der Mikroporen anhaften und den Nanofilm ausbilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche hergestellt, wobei der Nanofilm zum Erfassen einer Messgröße ausgebildet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm elektrisch leitfähig ausgebildet und eine zumindest bereichsweise Verformung des Nanofilms eine Änderung der elektrischen Eigenschaften, wie die Leitfähigkeit des Nanofilms bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm ausgebildet, um einen Zielstoff oder ein Zielgas zu adsorbieren, wobei bei der Bindung des Zielstoffes oder Zielgases an dem Nanofilm eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Nanofilms bewirkt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Nanosieb einen Nanofilm auf, wobei der Nanofilm gemäß dem obigen Verfahren hergestellt wird, wobei der Nanofilm in den die Stege überspannenden Bereichen Nanoporen aufweist, um ein Nanosieb zu bilden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren und Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1a-b ein prinzipielles Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte eines Verfahrens bzw. Prozesses zur Herstellung eines freistehenden Nanofilms gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a eine prinzipielle Querschnittsansicht eines an einem Mikrosieb gebildeten Nanofilms gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2b-d Detaildarstellungen des an dem Mikrosieb gebildeten Nanofilms in einer Draufsicht und in weiteren Detailschnittansichten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a-b prinzipielle Detaildarstellungen von Nanomaterial, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine prinzipielle Querschnittsansicht einer Sensoranordnung mit einem einen Nanofilm aufweisenden Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine graphische Darstellung eines beispielhaften Widerstandsverlaufs des Sensorelements gegenüber einem angelegten Steuersignal;
6 eine graphische Darstellung eines beispielhaften Widerstandsverlaufs des Sensorelements bei verformungsbedingten Änderungen des Widerstandswerts über der Zeit des einen Nanofilm aufweisenden Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
7 eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Nanosiebs mit einem an einem Mikrosieb ausgebildeten Nanofilm gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. In den Figuren können die Stärke von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.
Im Folgenden wird nun anhand von 1a ein prinzipielles Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte eines Verfahrens 100 zur Herstellung eines Nanofilms 250 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zunächst wird bei Schritt 110 ein Mikrosieb 210 mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 210A, 210B bereitgestellt, wobei Mikroporen bzw. Mikroöffnungen 212 zwischen dem ersten und zweiten Hauptoberflächenbereich 210A, 210B des Mikrosiebs 210 ausgebildet sind.
Das Mikrosieb 210 kann beispielsweise als ein Substrat 214 mit darin angeordneten, durchgehenden Mikroporen bzw. Mikroöffnungen 212 ausgebildet sein. Das Substrat 214 kann beispielsweise ein strukturierbares Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium, PolySilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder auch Kombinationen dieser Materialien aufweisen. Ferner sind jegliche weiteren Materialien geeignet, die entsprechend strukturierbar sind, wie z.B. Metalle, Metalloxide und oder Keramiken, soweit diese Materialien geeignet sind, darin eine Siebstruktur zu erzeugen.
Als Mikroporen bzw. Mikroöffnungen 212 werden benachbart zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen durch das Substrat 214 bezeichnet, die sich zwischen dem ersten und zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 210A, 210B des Substrats 214 erstrecken. Die Länge der Mikroporen bzw. Mikroöffnungen 212 entspricht der Substratdicke d₂₁₄ , während der Durchmesser d₂₁₂ der Mikroporen bzw. Mikroöffnungen 212 beispielsweise im Mikrometerbereich liegen kann.
Bei Schritt 120 wird nun eine Nanomaterialsuspension 300 auf den ersten Oberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 aufgebracht, wobei die Nanomaterialsuspension 300 in einer Flüssigkeit bzw. einem Lösungsmittel 305 Nanomaterialpartikel bzw. Nanomaterialteilchen 310 aufweist. Die Nanomaterialpartikel 310 können beispielsweise flächig bzw. „zweidimensional“ in Form von beispielsweise Nanoplättchen (auch Nanoplatelets) oder Nanoflocken ausgebildet sein, die beispielsweise nur eine oder einige Atomlagen, z.B. zwischen 1 und 100 Atomlagen, aufweisen. Häufig weisen die Nanomaterialpartikel 310 ein Gemisch aus verschieden dicken Materialien auf, deren Dicken jedoch auch bis zu einer einzigen oder einigen Atomlagen heruntergehen können.
Bei Schritt 130 wird nun zwischen dem ersten und zweiten Hauptoberflächenbereich 210A, 210B des Mikrosiebs 210 ein Druckunterschied P an zumindest eine Mehrzahl der Mikroporen 212 oder an alle Mikroporen 212 des Mikrosiebs ausgeübt, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu bewegen bzw. zu bringen, so dass sich die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A und z.B. bereichsweise an den Wandbereichen 212A der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 (siehe 1b) ausbilden.
Der Druckunterschied P bezeichnet somit eine Druckdifferenz P=P_A -P_B zwischen dem momentanen Umgebungsdruck (z.B. Gasdruck) P_B der Umgebungsatmosphäre an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 und dem momentanen Umgebungsdruck (z.B. Gasdruck) P_A der Umgebungsatmosphäre an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210.
Bei dem Schritt 130, wie er beispielhaft in 1a dargestellt ist, ist somit der momentane atmosphärische Umgebungsdruck P_B , der an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 anliegt, niedriger als der momentane atmosphärische Umgebungsdruck P_A , der an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 anliegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann also bei dem Schritt 130 des Anlegens eines Druckunterschieds ein Unterdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen 212 an dem zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 ausgeübt werden, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu ziehen, so dass die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Oberflächenbereich 210A und an Wandbereichen 212A der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 ausbilden. Der Druckunterschied P kann beispielsweise erreicht werden, indem der momentane Umgebungsdruck P_A an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 beispielweise auf Atmosphärendruck (ungefähr 1 Bar) eingestellt wird, während der momentane Umgebungsdruck P_B an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 auf einen Unterdruck von kleiner oder gleich 0,5 Bar oder 0,1 Bar eingestellt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann bei dem Schritt 130 des Anlegens eines Druckunterschieds ein Überdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen 212 an dem ersten Oberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 ausgeübt werden, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu drücken, so dass die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Oberflächenbereich 210A und an Wandbereichen 212A der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 ausbilden. Der Druckunterschied P kann beispielsweise erreicht werden, indem der momentane Umgebungsdruck P_A an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 beispielweise auf eine Überdruck von 1 bis 2 Bar gegenüber dem momentanen Umgebungsdruck P_B an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 eingestellt wird.
In 1b ist der resultierende, zum Beispiel freistehende Nanofilm 250 dargestellt, der an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A und zumindest bereichsweise an den Wandbereichen 212A der Mikroporen 212, d.h. an den den Oberflächenbereichen 210A angrenzenden Wandbereichen 212A, ausgebildet ist. Bei dem in 1b dargestellten Ausführungsbeispiel überspannt der Nanofilm 250 innerhalb der Mikroporen 212 diese Mikroporen 212. Dabei kann der Nanofilm 250 in den die Mikroporen 212 überspannenden Abschnitten 250A undurchlässig oder optional auch weitere Nanoporen bzw. Nanoöffnungen 252 aufweisend ausgebildet sein. Die die Mikroporen 212 überspannenden Abschnitte 250A des Nanofilms 250 bilden somit die sog. freistehenden Bereiche 250A des Nanofilms 250.
Gemäß Ausführungsbeispielen können also Suspensionen 300 auf das Mikrosieb 210 aufgetragen werden, währenddessen ein auf der Unterseite 210B des Mikrosiebs angelegter Unterdruck P_B die Suspension 300 bzw. das darin enthaltene Lösungsmittel 305 abzieht. Das in der Nanomaterialsuspension 300 enthaltene Nanomaterial bzw. die Nanomaterialpartikel 310, bleibt auf dem als Filter wirksamen Mikrosieb 210 und in den darin angeordneten Poren bzw. Mikroporen 212 zurück und bildet den Nanofilm 250 aus.
Durch das gezielte Aufbringen von Nanomaterialsuspensionen 300 auf dem Mikrosieb 210 und der das Anlegen eins Druckunterschieds, z.B. durch den Absaugvorgang, (= Schritt 130) durchgeführten Trennung von Lösungsmittel 305 und Nanomaterial 310 können dünne Nanofilme 250 großflächig hergestellt werden. Die Nanomaterialpartikel bzw. Nanomaterialplättchen 310 können beispielsweise Kohlenstoff aufweisen, um einen leitfähigen Graphen-Nanofilm 250 bzw. eine leitfähige Graphen-Membran 250 zu bilden.
Nanomaterialen für die Nanomaterialpartikel bzw. Nanomaterialplättchen 310 können hier jegliche 2D-Schichtmaterialen bzw. deren Suspensionen sein. Beispiele sind hierfür Graphen, Graphenoxid, Molybdendisulfid, Bornitrid usw., aber auch Kohenstoffnanoröhren (CNTs = carbon nanotubes).
Als Lösungsmittel können entsprechend solche Materialien verwendet werden, in denen sich diese Nanomaterialen stabil suspendieren lassen können. Bei Graphenoxid als Nanomaterial kann als Lösungsmittel beispielsweise Wasser, Ethanol, Isopropanol oder Ethylenglycol verwendet werden. Bei Graphen und CNTs als Nanomaterial können beispielsweise organische unpolare Lösungsmittel verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Mikroporen 212 durch Stege 216 (siehe auch 2b) mechanisch miteinander verbunden, wobei bei Schritt 130 die Nanomaterialsuspension mittels des Druckunterschieds P in die Mikroporen 212, die durch die Stege 216 mechanisch miteinander verbunden sind, bewegt bzw. eingebracht wird. Dabei bildet sich der Nanofilm 250 ferner in die Mikroporen 212 und die Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 und auf den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 aus.
Bei dem Schritt 130 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der auf den zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 ausgeübte Druckunterschied gleichmäßig an eine Mehrzahl der Mikroporen 212 oder an alle Mikroporen 212 des Mikrosiebs 210 ausgeübt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der auf den zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 ausgeübte Druckunterschied auch ungleichmäßig über den zweiten Oberflächenbereich 210B ausgeübt werden, d. h. an vorgegebenen Mikroporen bzw. an einem oder mehreren vorgegebenen Teilbereichen des zweiten Hauptoberflächenbereichs 210B des Mikrosiebs 210 wird der Druckunterschied ausgeübt, um nur in diesem Bereich bzw. diesen Bereichen den Nanofilm 250 mit den die Stege 216 überspannenden Abschnitten 250A des Nanofilms 250 innerhalb der Mikroporen 212 des Mikrosiebs 210 zu erhalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann nun bei einem optionalen Schritt 140 von 1b das Mikrosieb 210 und das an dem Mikrosieb 210 anhaftende, z. B. zusammenhängende Material des Nanofilms 250 erwärmt werden, um den Nanofilm 250 „zu verdichten“ und/oder ferner ein verbleibendes Lösungsmittel der eingesetzten Nanomaterialsuspension 300 zu entfernen. Durch den Schritt des Erwärmens und des daraus resultierenden Verdichtens des Materials des Nanofilms 250 können mechanische und/oder elektrische Eigenschaften, z. B. die mechanische Stabilität 250 und/oder die Schichtleitfähigkeit des Nanofilms 250, erhöht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Mikrosieb 210 ein Substrat 214 mit den darin angeordneten Mikroporen bzw. Mikroöffnungen 212 aufweisen, wobei die Mikroporen 212 beispielsweise mittels der Stege 216 mechanisch miteinander verbunden sind. Die Stege 216 liefern ferner eine mechanische Verbindung mit der die Mikroporen 212 umgebenden Rahmenstruktur 214-1 des Mikrosiebs 210. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Substrat 214 als ein Halbleitersubstrat oder Halbleiterwafer, z. B. ein Silizium-Wafer, ausgebildet sein, so dass das Mikrosieb 210 mit den Mikroporen 212 in einen Halbleiterwafer integriert sein kann, um den Nanofilm 250 beispielsweise bei dem Herstellungsverfahren bzw. Herstellungsprozess 100 auf Waferebene herzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Mikroporen 212 des Mikrosiebs 210 beispielsweise eine Porenlänge d₂₁₄ (= Substratdurchmesser) von beispielsweise 200 bis 2000 nm oder von 300 bis 1000 nm oder von etwa 600 nm auf und weisen ferner einen Porendurchmesser bzw. eine Porenbreite d₂₁₂ (= lichte Weite der Mikroporen 212) von etwa 0,1 bis 20 µm oder von 5 bis 10 µm oder von etwa 6 µm auf. Dabei können die Nanomaterialpartikel 310 in der Nanomaterialsuspension 300 beispielsweise eine durchschnittliche laterale Ausdehnung von 0,1 bis 50 µm aufweisen.
Die obigen Dimensionen sind lediglich als beispielhaft anzunehmen, da das vorliegende Konzept zu größeren als auch zu kleineren Strukturen des Mikrosiebs 210 mit einer entsprechenden Anpassung der Größe der eingesetzten Nanomaterialpartikel 310 skalierbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Mikroporen 212 durch die Stege 216 mechanisch miteinander verbunden, wobei bei dem Schritt 130 der Nanoschicht 250 in die Mikroporen 212 und die Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 und auf den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 ausgebildet wird. Ferner können in den die Mikroporen 212 überspannenden Abschnitten 250A des Nanofilms 250 Nanoporen bzw. Nanoöffnungen 252 ausgebildet werden. Der Nanofilm 250 kann also mit den darin angeordneten, optionalen Nanoporen 252 als ein Nanosieb ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der als Nanosieb ausgebildete Nanofilm 250 ferner die optionalen Nanoöffnungen 252 aufweisen, indem der Nanofilm 250 an den Stegen 216 und ferner an den Wandbereichen 212A der Poren 212 ausgebildet wird, wobei im Wesentlichen keine die Stege 216 überspannenden Abschnitte 250A des Nanofilms 250 ausgebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Nanofilm 250 als ein Sensorelement einer Sensoranordnung (nicht gezeigt in 1a-b) hergestellt werden, wobei der Nanofilm 250 zum Erfassen einer Messgröße ausgebildet sein kann. So kann der Nanofilm 250 elektrisch leitfähig ausgebildet sein, wobei eine zumindest bereichsweise Verformung des Nanofilms 250 eine Änderung der elektrischen Eigenschaften wie z.B. der Leitfähigkeit bzw. des Schichtwiderstands des Nanofilms 250 bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Nanofilm 250 die Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 ausgebildet sein, wobei eine Auslenkung zumindest eines Bereichs des Mikrosiebs 210 mit dem daran angeordneten Bereich des Nanofilms 250 eine erfassbare Leitfähigkeitsänderung bzw. Schichtwiderstandsänderung des Nanofilms 250 bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Nanofilm 250 bzw. die Abschnitte 250A des Nanofilms als ein „Wabenfeld“ die Mikroporen überspannend zwischen den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 ausgebildet sein, wobei eine Auslenkung einer oder mehrerer Nanofilmwaben 250A des Wabenfelds eine erfassbare Leitfähigkeitsänderung des Nanofilms 250 bewirkt.
Das Material des Nanofilms 250 kann ferner ausgebildet sein, um einen Zielstoff oder ein Zielgas der Umgebungsatmosphäre, d. h. einen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Bestandteil der Umgebungsatmosphäre zu binden, wobei eine Änderung der elektrischen Eigenschaft des Nanofilms 250 bei der Bindung (d. h. Physisorption und/oder Chemisorption) des Zielstoffes oder des Zielgases an dem Nanofilm 250 bewirkt wird und entsprechend auslesbar ist.
Ferner kann der an dem Mikrosieb 210 angeordnete Nanofilm 250 ein Nanosieb ausbilden, indem der Nanofilm an den Stegen 216 und ferner an den Wandbereichen 212A der Mikroporen 212 ausgebildet wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der an dem Mikrosieb 210 ausgebildete Nanofilm 250 ferner ein Nanosieb bilden, wobei der Nanofilm in den Mikroporen 212 des Mikrosiebs 210 und den Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 ausgebildet wird, und ferner beispielsweise in dem überspannenden Bereich 250A des Nanofilms 250 selbst Nanoporen 252 aufweist.
In 2a ist nun nochmals eine prinzipielle Querschnittsansicht eines an dem Mikrosieb 212, d. h. dem Substrat 214 mit den Mikroöffnungen 212, ausgebildeten Nanofilm 250 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm 250 bereichsweise in den Mikroporen 212 und ferner die Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 (= Abschnitte 250A) und auf den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 ausgebildet.
2b zeigt nun eine beispielhafte Draufsicht auf einen Bereich des schematisch in 2a dargestellten Mikrosiebs 210 mit dem Nanofilm 250. Wie in 2b dargestellt ist, ist das Mikrosieb 210 als ein sogenanntes „Wabenfeld“ ausgebildet, wobei die Stege 216 die wabenförmigen Mikroporen 212 umgeben und mechanisch miteinander verbinden.
Wie In 2b beispielhaft dargestellt ist, sind die Mikroporen 212 im Querschnitt symmetrisch, sechseckig ausgebildet, wobei diese Ausgestaltung lediglich als beispielhaft anzunehmen ist. Die Umfangslinie der Mikroporen 212 kann eine im Wesentlichen beliebige Form eines Polynomzugs annehmen, wobei aber aus Platzausnutzungsgründen und/oder Stabilitätsgründen symmetrische Ausgestaltungen des Querschnitts der Mikroporen 212 eingesetzt werden können, z.B. in Form regelmäßig konvexer Polygone, um eine symmetrische wabenförmige Ausgestaltung des resultierenden Mikrosiebs 210 mit einem möglichst großen Oberflächenverhältnis der die Mikroporen 212 überspannenden, freistehenden Nanofilmabschnitte 250A gegenüber der Oberfläche der Stege 216 zu erhalten. So kann beispielsweise bei einer Sensoranordnung unter Verwendung des Nanofilms 250 aufgrund der relativ großen wirksamen Fläche des Nanofilms 250 ein relativ großes auslesbares Sensorsignal des als Sensorelement ausgebildeten Nanofilms 250 erhalten zu können.
In 2c ist nun der an dem Mikrosieb 210 ausgebildeten Nanofilms 250 in einer Detailquerschnittsansicht dargestellt. Die Schnittansicht von 2c erfolgt durch einen Steg 216 des Mikrosiebs 210, wobei zur Verdeutlichung des ausgebildeten Nanofilms 250 dieser mit zusätzlich eingezeichneten gestrichelten Begrenzungslinien hervorgehoben ist. Wie aus 2c ersichtlich ist, erstreckt sich der Nanofilm 250 äußerst gleichmäßig zwischen benachbarten Stegen 216 des Mikrosiebs 210.
2d zeigt nun ferner eine weitere Detaildarstellung des an dem Mikrosieb 210 ausgebildeten Nanofilms 250 in einer weiteren (gegenüber der Darstellung von 2c) weiter vergrößerten Darstellung eines Stegs 216 und des daran angeordneten Nanofilms 250. Wie in 2d dargestellt ist, kann der Nanofilm 250 beispielsweise als eine etwa 20 nm dicke Graphen-Schicht ausgebildet sein.
Wie im Vorhergehenden dargestellt wurde, können natürlich auch andere Materialien für den Nanofilm 250 eingesetzt werden, wobei auch weitere unterschiedliche Schichtdicken abhängig von den verwendeten Nanomaterialpartikeln 310 erhalten werden können.
In 3a-b sind als prinzipielle Detaildarstellungen Nanomaterialpartikel 310, z. B. als Nanomaterialplättchen oder Nanomaterialflocken beispielhaft auf einer glatten Substratoberfläche eingetrocknet dargestellt.
Das sogenannte 2D-Material (Nanomaterial) 310 weist entsprechende Dimensionen bzw. laterale (flächige) Abmessungen d₃₁₀ auf, so dass dieses 2D-Material (= Nanomaterial bzw. Nanomaterialpartikel) 310 bei dem Schritt 130 des Ausübens eines Druckunterschieds P dann in der Siebstruktur bzw. dem Mikrosieb 210 verbleibt bzw. zurückgehalten wird. Hinsichtlich der Nanomaterialpartikel (2D-Material) 310 können beispielsweise Flockengrößenverteilungen (= Nanomaterialpartikelgrößen) d₃₁₀ von 100 nm bis 50 µm bei einem beispielhaften Sieblochdurchmesser d₂₁₂ von z.B. etwa 0,1 bis 20 µm oder von 5 bis 10 µm oder von etwa 6 µm verwendet werden. Die obigen Abmessungen sind aber lediglich als beispielhaft und für eine mögliche Ausführungsform anwendbar anzusehen.
Im Folgenden wird nun anhand von 4 eine prinzipielle Querschnittsansicht einer Sensoranordnung 200 mit einem leitfähigen Nanofilm 250 aufweisenden Sensorelement 260 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Wie in 4 dargestellt ist, sind beispielsweise an genüberliegenden Randbereichen der optionalen Rahmenstruktur 214-1 des Mikrosiebs bzw. der Siebstruktur 210 elektrische Kontaktbereiche 262, 264 an dem leitfähigen Nanofilm 250 angeordnet und mit demselben elektrisch verbunden, um ein Messsignal, z. B. basierend z.B. auf einer Leitfähigkeits- bzw. Schichtwiderstandsänderung des Nanofilms 250, zu erfassen, wobei die elektrische Eigenschaft des Nanofilms 250 von einer zu erfassenden Messgröße, z.B. einer mechanischen Verformung des Nanofilms 250, abhängt. So kann eine zumindest bereichsweise Verformung des Nanofilms 250 eine Änderung der Leitfähigkeit bzw. des Schichtwiderstands des Nanofilms 250 bewirkt.
Mittels des Nanofilms 250, der zum Beispiel über die Siebstruktur 210 entsprechend eines Wabenfelds angeordnet ist, kann z.B. eine Auslenkung der gesamten Anordnung (des Wabenfelds) bzw. des Mikrosiebs 210 mit dem daran angeordneten Nanofilm 250 erfasst werden. Ferner kann auch die Auslenkung einer einzelnen oder mehrerer (z. B. einer Gruppe) von Waben des Mikrosiebs 210 mit den daran angeordneten Nanofilm 250 über eine Flächenwiderstandsänderung und/oder auch eine Kapazitätsänderung (gegenüber einer Referenzelektrode - nicht gezeigt) des Nanofilms 250 erfasst werden.
Das Material des Nanofilms 250 kann ferner ausgebildet sein, um einen Zielstoff oder ein Zielgas in der Umgebungsatmosphäre, d. h. einen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Bestandteil der Umgebungsatmosphäre, zu binden, wobei eine Änderung der elektrischen Eigenschaft des Nanofilms 250 bei der Bindung, d. h. dem chemischen Ankoppeln, des Zielstoffes oder des Zielgases an dem Nanofilm 250 bewirkt wird und entsprechend auslesbar ist.
Die Sensoranordnung 200 kann somit auch als ein chemischer Sensor eingesetzt werden, wobei der Nanofilm 250, z. B. ein Graphen-Film, eine auswertbare elektrische Wechselwirkung, z. B. in Form einer Widerstands- oder Leitfähigkeitsänderung oder einer kapazitiven Änderung, bei der Bindung eines Zielstoffes an dem Nanofilm 250 zeigt. Der Zielstoff kann beispielsweise ein fester, flüssiger und/oder gasförmiger Bestandteil der Umgebungsatmosphäre oder allgemein eines Messfluids sein. Da der Nanofilm 250 an dem Mikrosieb 210 angeordnet ist, kann das Messfluid beidseitig an den Nanofilm 250 andocken oder auch den Nanofilm 250, soweit Nanoporen 252 vorhanden sind, de Nanofilm bzw. die Membran 250 durchdringen.
Hinsichtlich der Eignung des leitfähigen Nanofilms 250 als Sensorelement wird beispielsweise auf die in 5 dargestellte graphische Darstellung eines beispielhaften Widerstandsverlaufs des Sensorelements 260 gegenüber einem angelegten Steuersignal U_HI verwiesen. Wie aus 5 ersichtlich ist, weist der erhaltene, leitfähige Nanofilm 250 ein lineares ohmsches Verhalten (eines ohmschen Kontakts) auf, d.h. der Schichtwiderstandswert R₂₅₀ ist innerhalb des relevanten Arbeitsbereichs im Wesentlichen unabhängig von dem an den leitfähigen Nanofilm 250 angelegten Steuersignal, z. B. der Steuerspannung U_HI, so dass sich der im Wesentlichen lineare Verlauf des eingeprägten Stroms I₂₅₀ in dem leitfähigen Nanofilm 250 ergibt.
6 zeigt eine graphische Darstellung eines beispielhaften Widerstandsverlaufs des Sensorelements 216 mit Änderungen des Schichtwiderstandswerts R₂₅₀ des Nanofilms 250 über der Zeit, wobei die Änderungen des Schichtwiderstandswerts R₂₅₀ des Nanofilms 250 durch mechanische Verformungen, z. B. durch mechanischen Druck oder Zug, bedingt sind. Wie aus 6 ersichtlich ist, ergeben sich Änderungen des Schichtwiderstandswerts R₂₅₀ des Nanofilms (bzw. der Membran) 250 ansprechend auf eine physikalische Auslenkung des Mikrosiebs 210 bzw. von Bereichen des Mikrosiebs 210. Wie aus 6 ersichtlich ist, ergibt sich als Reaktion auf eine physikalische Auslenkung des an dem Mikrosieb 210 angeordneten, leitfähigen Nanofilms 250 eine Schichtwiderstandsänderung ΔR₂₅₀ des Schichtwiderstands R₂₅₀ des leitfähigen Nanofilms 250. Die Zeitpunkte dieser mechanischen bzw. physikalischen Auslenkungen des leitfähigen Nanofilms 250 sind in 6 mit A1 bis A5 gekennzeichnet. Bei einem Zurückkehren (= Relaxation) des leitfähigen Nanofilms 250 nach einer Auslenkung zurück in den Ausgangszustand kommt es auch bei dem Widerstandswert R₂₅₀ des leitfähigen Nanofilms 250 zu einem „Zurückstellen“ bzw. Rückgang des durch die mechanische Auslenkung erhöhten Widerstandswerts R₂₅₀ . Da die Widerstandsänderung ΔR₂₅₀ des leitfähigen Nanofilms 250 proportional zur mechanischen Auslenkung und damit z.B. zum einwirkenden Druck ist, können mit der Sensoranordnung 200 auch quantitative Aussagen über die Amplitude der Druckänderung getroffen werden. Die Sensoranordnung 200 ist somit beispielsweise als Relativdruckmesseinrichtung als auch als Absolutdruckmesseinrichtung einsetzbar.
7 zeigt nun in einer prinzipiellen Querschnittsansicht ein Nanosieb 280, mit dem von dem Mikrosieb 210 angeordneten Nanofilm 250 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. So können in den die Mikroporen 212 überspannenden Abschnitten 250A des Nanofilms 250 Nanoporen bzw. Nanoöffnungen 252 ausgebildet werden. Der Nanofilm 250 kann also mit den darin angeordneten, optionalen Nanoporen 252 als ein Nanosieb 280 ausgebildet sein.
Gemäß dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel des Nanosiebs 280 können also durch den auf dem Mikrosieb 210 aufgebrachten Nanofilm 250 auch sogenannte „Nanoporen“ 252 ausgebildet werden, so dass aus dem ursprünglichen Mikrosieb 210 ein sehr feinporiges Nanosieb 280 ausgebildet wird. Damit kann ein sogenannter „physikalischer Größenausschluss“ mittels des Nanosiebs 280 erhalten werden, d. h. ausreichend kleine Partikel eines Fluids mit einer entsprechend geringen Größe, z. B. einer molekularen Größe, können das Nanosieb 280 durchdringen, während Verschmutzungspartikel 320 in dem Fluid 330, z.B. in einem Gas, in der Umgebungsatmosphäre oder auch in Wasser, das Nanosieb 280 nicht durchdringen können, so dass eine Filtrationsanwendung durch das Nanosieb 280 erhalten werden kann. Insbesondere kann so verunreinigtes Wasser oder auch verunreinigte Luft gefiltert werden. Das Nanosieb 280 ist somit zu Filtrationsanwendungen geeignet, z. B. zur Luft- oder auch Wasseraufbereitung.
Bezug nehmend auf die 1 bis 7 werden nun nochmals einige Ausführungsbeispiele und deren Funktionalitäten beispielhaft zusammengefasst.
In einem Lösungsmittel sind Nanoplättchen 310 (= Nanoflocken bzw. Nanoplatelets) suspendiert, um die Nanomaterialsuspension 300 zu bilden. Diese Suspension 300 wird auf ein Mikrosieb bzw. Nanosieb 210 aufgebracht, wobei mittels eines Druckunterschieds P zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich 210A, 210B des Mikrosiebs 210 (z.B. bei einer Vakuum-Absaugung) von der gegenüberliegenden Seite 210B des Mikrosiebs 210 die Nanomaterialsuspension 300 durch die Öffnungen 212 des Mikrosiebs 210 bewegt, z.B. bei Unterdruck angesaugt werden, und daher durch diese hindurchtreten.
Gleichermaßen ist es möglich z.B. in der Umgebungsatmosphäre an dem ersten Oberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 einen Überdruck gegenüber der Umgebungsatmosphäre an dem zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 anzulegen, um die Nanomaterialsuspension 300 mittels des Überdrucks von der ersten Seite 210A des Mikrosiebs 210 in die Öffnungen 212 des Mikrosiebs 210 zu drücken bzw. zu bewegen, oder auch daher durch diese hindurchtreten zu lassen.
Die in dem Lösungsmittel befindlichen bzw. gelösten Nanomaterialplättchen 310 legen sich nun beim Durchlaufen der Suspension 300 durch die Öffnungen 212 des Mikrosiebs 210 an den Stegen 216 und Wandbereichen 212A des Mikrosiebs 210 ab und bilden einen freistehenden, möglichst zusammenhängenden Nanofilm 250 an dem Mikrosieb 210 und innerhalb des Mikrosiebs 210 über die Öffnungen 212. Der Nanofilm 250 kann z.B. einige Atomlagen dick sein. Als Nanomaterialien können im Wesentlichen „alle“ 2D-Materialien eingesetzt werden. Die Nanoschicht 250 weist einen Durchmesser (= Dicke d₂₅₀ ) in der Größenordnung von 20 nm auf, das entspricht etwa 100 Atomlagen.
Die Nanoplättchen 310 sind nun so hinsichtlich deren Größe (= laterale Abmessungen) ausgebildet, um abhängig von der Lochbreite d₂₁₂ den zusammenhängenden Nanofilm 250 auch innerhalb der Öffnungen 212 des Mikrosiebs 210 zu bilden. Eine möglichst hohe Gleichmäßigkeit des Nanofilms 250 wird durch die jeweiligen Prozessparameter und auch durch das jeweilige Design der Poren (Mikrosieböffnungen) 212 erhalten.
Für das Lösungsmittel der Nanomaterialsuspension gilt, dass je nach Eigenschaft des Mikrosiebs 210, d. h. hydrophile oder hydrophobe Oberflächeneigenschaften, ein entsprechendes Lösungsmittel eingesetzt wird.
Der über das Mikrosieb 210 möglichst gleichmäßig angelegte Druckunterschied P hängt z.B. von folgenden Parametern ab, von dem Material der Nanoplättchen 310, der Größe und dem Design der Poren (Mikrosieblöcher) 212, und von den Stegen 216 des Mikrosiebs 210 und der daraus resultierenden mechanischen Stabilität des Mikrosiebs 210. Das Bewegen (= Schritt 130) der Nanoplättchen 310 in bzw. durch die Poren 212 des Mikrosiebs 210 ist über einzelne Mikrosiebstrukturen bis hin zur Realisierung auf Waferebene, d. h. eines ganzen Wafers, möglich. Das vorliegende Herstellungsprinzip ist bis auf Waferebene anwendbar, d. h. das vorliegende Verfahren ist relativ einfach, relativ weit skalierbar.
Der erhaltene Nanofilm 250 weist z.B. ein lineares Ohm'sches Verhalten auf, d. h. der Schichtwiderstand ist unabhängig von der an dem Nanofilm 250 angelegten Spannung (innerhalb des Arbeitsbereichs).
Die resultierende Graphen-Nanoschicht 250 weist beispielsweise einzelne Kohlenstoffschichten auf, wobei als Abschluss des Herstellungsprozesses optional ein Verdichtungsschritt (= Schritt 140), z.B. ein Heizschritt durchgeführt werden kann. Im Allgemeinen reicht aber die intermolekulare Bindung der Nanopartikelplättchen 310 aus, um den zusammenhängenden Nanofilm 250 zu bilden.
Für Sensoranwendungen kann mittels des Nanofilms 250 z. B. über der Siebstruktur 210 entsprechend einem Wabenfeld (vgl. 2b) eine Auslenkung der gesamten Anordnung des Wabenfelds bzw. des Mikrosiebs 210 mit dem daran angeordneten Nanofilm 250 oder auch die Auslenkung einer einzelnen oder mehrerer Waben 250A über eine Widerstandsänderung erfasst werden.
Für Anwendungen als chemischer Sensor kann der Nanofilm 250, z.B. ein Graphenfilm, eine auswertbare elektrische Wechselwirkung mit ΔR oder ΔC bei Bindung des Zielstoffes, z.B. eines Zielgases, an der Nanoschicht 250 zeigen. Da der Nanofilm 250 an dem Mikrosieb 210 angeordnet ist, kann das Messfluid beidseitig an dem Nanofilm 250 andocken oder auch die Membran 250 durchdringen.
Ferner können durch den auf dem Mikrosieb 210 aufgebrachten Nanofilm 250 auch sogenannte „Nanoporen“ 252 ausgebildet werden, so dass aus dem „ursprünglichen Mikrosieb“ 210 ein sehr feinporiges Nanosieb 280 ausgebildet wird, so dass ein sogenannter „physikalischer Größenausschluss“ mittels des Nanosiebs 280 erhalten werden kann, d. h. Nanopartikel mit einer entsprechend geringen Größe, z.B. einer molekularen Größe, können das Nanosieb 280 durchdringen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist somit die Herstellung dünner Filme bzw. Nanofilme 250 mit einer Dicke von ≤ 20 nm auf einer relativ großen Fläche, z. B. auf einem Halbleiterwafer mit einem Durchmesser von 2, 4, 6, 8, 12 oder 18 Zoll oder mehr möglich. Dabei wird eine äußerst homogene Verteilung bzw. Dicke des resultierenden Nanofilms 250 erreicht, wobei insbesondere sogenannte „Kaffeerand-Probleme“ vermieden werden können.
Ferner kann durch die in einem Substrat ausgebildete Siebstruktur 210 (Mikrosieb) eine klare Abgrenzung der mit dem Nanofilm 250 bedeckten Bereiche erhalten werden. Ferner kann eine sehr große Oberfläche durch die freistehende Membranstruktur des leitfähigen Nanofilms 250 an der durch das Mikrosieb 210 ausgebildeten Tragestruktur erhalten werden. Durch die Ausbildung und Herstellung der freistehenden Membrane (Nanofilme) 250 sind Anwendungen als Drucksensor, chemische Sensoren, Filtrationsanwendungen möglich. Bei der Anwendung als Drucksensor ist als Reaktion auf eine physikalische Auslenkung der leitfähigen Nanomembran 250 eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft derselben erfassbar. Bei einer Anwendung als chemischer Sensor ist der Nanofilm 250 beispielsweise als eine oberflächenaktive Nanoschicht ausgebildet, wobei auf der Zugänglichkeit von beiden Seiten des an dem Mikrosieb 210 angeordneten Nanofilms 250 eine im Wesentlichen doppelte, wirksame Oberfläche im Vergleich zu konventionellen Sensorelementen erreicht werden kann.
Bei Anwendung des an dem Mikrosieb 210 angeordneten Nanofilms 250 kann eine hohe Robustheit der resultierenden Sensoranordnung erreicht werden.
Bei einer Anwendung des an dem Mikrosieb 210 angeordneten Nanofilms 250 zur chemischen Erfassung von Bestandteilen in der Umgebungsatmosphäre wird eine Zugänglichkeit von beiden Seiten an dem als Sensorelement ausgebildeten Nanofilm 250 erreicht, so dass ein großer Oberflächenbereich zur chemischen Erfassung bereitgestellt werden kann. Sind in dem an dem Mikrosieb 210 ausgebildeten Nanofilm 250 ferner Nanoporen 252 vorgesehen, kann die Anordnung zu Filtrationsanwendungen eingesetzt werden.
Der freistehende Nanofilm 250 ist somit beidseitig zugänglich oder erhält somit seine aktive Oberfläche in sensorischen Anwendungen. Der Nanofilm 250 macht die Membran robuster gegenüber Verformungen. Ein entsprechendes Bauelement mit dem an dem Mikrosieb 210 angeordneten Nanofilm 250 kann auch als eine schwimmende Membran in Drucksensor-/Mikrofon-Anwendungen als aktives Sensorelement eingesetzt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst der Device-Aufbau einer Sensoranordnung einen z. B. leitfähigen Nanofilm 250 an dem Mikrosieb 210, wobei eine Verbesserung der Sensoreigenschaft und ferner zusätzliche Funktionalitäten, wie z. B. Filtrationseigenschaften, erhalten werden können. So kann der auf dem Mikrosieb 210 hergestellte Nanofilm 250 als ein aktives Sensorelement in MEMS-Anwendungen (MEMS = mikroelektromechanisches System), chemische Sensoren oder als Filter 280 mit Nanoporen 252 dienen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren 100 zum Herstellen eines Nanofilms 250 folgende Schritte: Bereitstellen 110 eines Mikrosiebs 210 mit einem ersten und einem zweiten genüberliegenden Oberflächenbereich 210A, 210B, wobei Mikroporen 212 zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich 210A, 210B ausgebildet sind; Aufbringen 120 einer Nanomaterialsuspension 300 auf den ersten Oberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210, wobei die Nanomaterialsuspension 300 Nanomaterialpartikel 310 aufweist; und Anlegen eines Druckunterschieds an einer Mehrzahl der Mikroporen 212 zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich 210A, 210B des Mikrosiebs 210, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu bewegen, so dass die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Oberflächenbereich 210A und an den Wandbereichen 212 der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 ausbilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Nanomaterialsuspension 300 mittels des Druckunterschieds in die Mikroporen 212, die durch Stege 216 mechanisch miteinander verbunden sind, gezogen, um den Nanofilm 250 ferner bereichsweise in den Mikroporen 212 und die Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 und auf den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 auszubilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der auf dem zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 ausgeübte Druckunterschied gleichmäßig an die Mehrzahl von Mikroporen 212 des Mikrosiebs 210 ausgeübt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Nanomaterialsuspension 300 ein Lösungsmittel mit den Nanomaterialpartikeln 310 auf, wobei das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweist: Erwärmen 140 des an dem Mikrosieb 210 anhaftenden Nanofilms 250, um den Nanofilm zu verdichten und/oder verbleibendes Lösungsmittel der aufgebrachten Nanomaterialsuspension 300 zu entfernen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Mikrosieb 110 als ein Substrat 214 mit darin angeordneten Mikroporen 212 ausgebildet, wobei das Substrat 214 einen Randbereich 214-1 aufweist, der die die in dem Substrat 214 ausgebildeten Mikroporen 212 umgibt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Mikrosieb 210 in einem Halbleiterwafer integriert, um den Nanofilm 250 auf Waferebene herzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Mikrosieb 210 einen Porendurchmesser d₂₁₂ von 5 bis 10 µm und von etwa 6 µm und ferner eine Porenlänge von 300 bis 1000 nm und von etwa 600 nm auf, wobei die Nanomaterialpartikel eine durchschnittliche laterale Ausdehnung von 0,1 bis 50 µm aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Nanomaterialpartikel 310 als Nanomaterialplättchen oder Nanomaterialflocken ausgebildet, wobei die Nanomaterialpartikel 310 eine durchschnittliche laterale Ausdehnung von 0,1 bis 50 µm aufweisen
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Nanomaterialpartikel 310 Kohlenstoff auf, um einen Graphen-Nanofilm 250 zu bilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Mikroporen 210 durch Stege 216 mechanisch miteinander verbunden, wobei der Nanofilm 250 ferner in die Mikroporen überspannenden Bereichen 250A Nanoporen 250 aufweist, um ein Nanosieb mit den Nanoporen 252 zu bilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt 130 des Anlegens eines Druckunterschieds ein Unterdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen 212 an dem zweiten Oberflächenbereich 210B des Mikrosiebs 210 ausgeübt, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu ziehen, so dass die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Oberflächenbereich 210A und an Wandbereichen 212A der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 ausbilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt 130 des Anlegens eines Druckunterschieds ein Überdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen 212 an dem ersten Oberflächenbereich 210A des Mikrosiebs 210 ausgeübt, um die Nanomaterialsuspension 300 in die Mikroporen 212 und/oder durch die Mikroporen 212 zu drücken, so dass die Nanomaterialpartikel 310 an dem ersten Oberflächenbereich 210A und an Wandbereichen 212A der Mikroporen 212 anhaften und den Nanofilm 250 ausbilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm 250 gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche hergestellt, wobei der Nanofilm 250 zum Erfassen einer Messgröße ausgebildet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm 250 elektrisch leitfähig ausgebildet und eine zumindest bereichsweise Verformung des Nanofilms 250 eine Änderung der Leitfähigkeit des Nanofilms 250 bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm 250 die Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 angeordnet, wobei eine Auslenkung Δx des Mikrosiebs 210 mit dem daran angeordneten Nanofilm 250 eine erfassbare Änderung der elektrischen Eigenschaften wie z.B. die Leitfähigkeit des Nanofilms 250 bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Mikroporen 212 wabenförmig ausgebildet, wobei der Nanofilm 250 als ein Wabenfeld die wabenförmig ausgebildeten Mikroporen 212 überspannend zwischen den Stegen 216 an dem Mikrosieb 210 ausgebildet ist, wobei eine Auslenkung einer oder mehrerer Nanofilmwaben 250A eine erfassbare Leitfähigkeitsänderung des Nanofilms 250 bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Nanofilm 250 ausgebildet, um einen Zielstoff oder ein Zielgas zu binden, wobei bei der Bindung des Zielstoffes oder Zielgases an dem Nanofilm 250 eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Nanofilms 250 bewirkt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Nanosieb 280 einen Nanofilm 250 auf, wobei der Nanofilm 250 gemäß dem Verfahren 100 hergestellt wird, wobei der Nanofilm 250 in den die Stege 216 überspannenden Bereichen 250A Nanoporen 252 aufweist, um ein Nanosieb zu bilden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zwecke der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.
Bezugszeichenliste

100: Verfahren
110 - 140: Verfahrensschritte
200: Sensoranordnung
210: Mikrosieb
210A: erster Hauptoberflächenbereich des Mikrosiebs
210B: zweiter Hauptoberflächenbereich des Mikrosiebs
212: Mikroporen
212A: Wandbereiche der Mikroporen
214: Substrat
214-1: Rahmenstruktur
216: Stege
250: Nanofilm
250A: die Mikroporen überspannende Abschnitte des Nanofilms
252: Nanoöffnungen
260: Sensorelement
262, 264: Kontaktbereiche
280: Nanosieb
300: Nanomaterialsuspension
305: Lösungsmittel
310: Nanomaterialpartikel
320: Verschmutzungspartikel
330: Fluid
d₂₁₂: Durchmesser der Mikroporen
d₂₁₄: Länge der Mikroporen
d₂₅₀: Dicke des Nanofilms
d₃₁₀: Nanomaterialpartikelgröße
P: Druckunterschied (Unterdruck oder Überdruck)
P_A: Umgebungsdruck an dem ersten Hauptoberflächenbereich 210A
P_B: Umgebungsdruck an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 210B
I₂₅₀: eingeprägter Strom
R₂₅₀: Schichtwiderstandswerts des Nanofilms
ΔR₂₅₀: Schichtwiderstandsänderung des Nanofilms

Claims

Verfahren (100) zum Herstellen eines Nanofilms (250), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) eines Mikrosiebs (210) mit einem ersten und einem zweiten genüberliegenden Oberflächenbereich (210A, 210B), wobei Mikroporen (212) zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich (210A, 210B) ausgebildet sind; Aufbringen (120) einer Nanomaterialsuspension (300) auf den ersten Oberflächenbereich (210A) des Mikrosiebs (210), wobei die Nanomaterialsuspension (300) Nanomaterialpartikel (310) aufweist; und Anlegen (130) eines Druckunterschieds an einer Mehrzahl der Mikroporen (212) zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich (210A, 210B) des Mikrosiebs (210), um die Nanomaterialsuspension (300) in die Mikroporen (212) und/oder durch die Mikroporen (212) zu bewegen, so dass die Nanomaterialpartikel (310) an dem ersten Oberflächenbereich (210A) und an Wandbereichen (212A) der Mikroporen (212) anhaften und den Nanofilm (250) ausbilden.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Nanomaterialsuspension (300) mittels des Druckunterschieds in die Mikroporen (212), die durch Stege (216) mechanisch miteinander verbunden sind, bewegt wird, um den Nanofilm (250) ferner bereichsweise in den Mikroporen (212) und die Mikroporen (212) überspannend zwischen den Stegen (216) und auf den Stegen (216) an dem Mikrosieb (210) auszubilden.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenbereich (210A, 210B) des Mikrosiebs (210) ausgeübte Druckunterschied gleichmäßig an die Mehrzahl von Mikroporen (212) des Mikrosiebs (210) ausgeübt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanomaterialsuspension (300) ein Lösungsmittel mit den Nanomaterialpartikeln (310) aufweist, ferner mit folgendem Schritt: Erwärmen (140) des an dem Mikrosieb (210) anhaftenden Nanofilms (250), um den Nanofilm zu verdichten und/oder verbleibendes Lösungsmittel der aufgebrachten Nanomaterialsuspension (300) zu entfernen.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrosieb (210) als ein Substrat (214) mit darin angeordneten Mikroporen (212) ausgebildet ist, wobei das Substrat (214) einen Randbereich (214-1) aufweist, der die die in dem Substrat (214) ausgebildeten Mikroporen (212) umgibt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrosieb (210) in einem Halbleiterwafer integriert ist, um den Nanofilm (250) auf Waferebene herzustellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrosieb (210) einen Porendurchmesser d₂₁₂ von 0,1 bis 20 µm und von etwa 6 µm und ferner eine Porenlänge von 200 bis 2000 nm und von etwa 600 nm aufweist, und wobei die Nanomaterialpartikel eine durchschnittliche laterale Ausdehnung von 0,1 bis 50 µm aufweisen.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanomaterialpartikel (310) als Nanomaterialplättchen oder Nanomaterialflocken ausgebildet sind, und wobei die Nanomaterialpartikel (310) eine durchschnittliche laterale Ausdehnung von 0,1 bis 50 µm aufweisen
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanomaterialpartikel (310) Kohlenstoff aufweisen, um einen Kohlenstoff-Nanofilm oder einen Graphen-Nanofilm (250) zu bilden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikroporen (210) durch Stege (216) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der Nanofilm (250) ferner in die Mikroporen überspannenden Bereichen (250A) Nanoporen (250) aufweist, um ein Nanosieb mit den Nanoporen (252) zu bilden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Schritt (130) des Anlegens eines Druckunterschieds ein Unterdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen (212) an dem zweiten Oberflächenbereich (210B) des Mikrosiebs (210) ausgeübt wird, um die Nanomaterialsuspension (300) in die Mikroporen (212) und/oder durch die Mikroporen (212) zu ziehen, so dass die Nanomaterialpartikel (310) an dem ersten Oberflächenbereich (210A) und an Wandbereichen (212A) der Mikroporen (212) anhaften und den Nanofilm (250) ausbilden.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei bei dem Schritt (130) des Anlegens eines Druckunterschieds ein Überdruck an einer Mehrzahl der Mikroporen (212) an dem ersten Oberflächenbereich (210A) des Mikrosiebs (210) ausgeübt wird, um die Nanomaterialsuspension (300) in die Mikroporen (212) und/oder durch die Mikroporen (212) zu drücken, so dass die Nanomaterialpartikel (310) an dem ersten Oberflächenbereich (210A) und an Wandbereichen (212A) der Mikroporen (212) anhaften und den Nanofilm (250) ausbilden.
Sensoranordnung (200) mit einem Nanofilm (250) als Sensorelement, wobei der Nanofilm (250) gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche hergestellt ist, wobei der Nanofilm (250) zum Erfassen einer Messgröße ausgebildet ist.
Sensoranordnung (200) gemäß Anspruch 13, wobei der Nanofilm (250) elektrisch leitfähig ausgebildet ist und eine zumindest bereichsweise Verformung des Nanofilms (250) eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Nanofilms (250) bewirkt.
Sensoranordnung (200) gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Nanofilm (250) die Mikroporen (212) überspannend zwischen den Stegen (216) an dem Mikrosieb (210) angeordnet ist, wobei eine Auslenkung Δx des Mikrosiebs (210) mit dem daran angeordneten Nanofilm (250) eine erfassbare Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Nanofilms (250) bewirkt.
Sensoranordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Mikroporen (212) wabenförmig ausgebildet sind, und wobei der Nanofilm (250) als ein Wabenfeld die wabenförmig ausgebildeten Mikroporen (212) überspannend zwischen den Stegen (216) an dem Mikrosieb (210) ausgebildet ist, wobei eine Auslenkung einer oder mehrerer Nanofilmwaben (250A) eine erfassbare Leitfähigkeitsänderung des Nanofilms (250) bewirkt.
Sensoranordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Nanofilm (250) ausgebildet ist, um einen Zielstoff oder ein Zielgas zu adsorbieren, wobei bei der Bindung des Zielstoffes oder Zielgases an dem Nanofilm (250) eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Nanofilms (250) bewirkt wird.
Nanosieb (280) mit einem Nanofilm (250), wobei der Nanofilm (250) gemäß dem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 12 hergestellt wird, wobei der Nanofilm (250) in den die Stege (216) überspannenden Bereichen (250A) Nanoporen (252) aufweist, um ein Nanosieb zu bilden.