JP2008292501A - ナノチューブ・センサ - Google Patents

Abstract

【課題】気体検知にナノチューブを用いる。
【解決手段】バイモルフ構造物上に成長させ、それによって支持されたナノチューブを有するセンサ。ナノチューブは、気体または液体を検知している間、ヒートシンク上に着座し、気体または液体をナノチューブから脱着するために加熱されるとヒートシンクから離れる。ヒートシンクはトランジスタのゲートとして機能し、バイモルフ構造物がその他のトランジスタの端子として機能する。ナノチューブの電流−電圧および電流−ゲート電圧特性を、トランジスタと同様な素子として得ることができる。これら特性は、ナノチューブに吸収された気体または液体についての情報を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は気体センサに関し、特に、ナノチューブ・センサに関する。

気体検知にナノチューブを用いる試みがいくつか行われてきた。２００２年３月１８日出願の米国特許出願第１０／１００，４４０号、件名「カーボン・ナノチューブ・センサ」は、参照によって本明細書に組み込まれる。

ナノチューブは、或るガス環境中で方向付けしながら、ナノチューブ用の２つの移動可能な指状または腕状の支持片、接合点、または電極の間の隙間に架橋させることによって、その場で成長させることができる。製造可能なＭＥＭＳベースのナノチューブ・センサを作成することができる。

図１ａはナノチューブを支持する基本構造を示す。バイモルフの指または腕状の長手構造物１１および１２が、基板１０上に配置されている。受け台のような構造物１３を、基板１０上、構造物１１と１２の端部の間に配置することができる。構造物１３は、ヒートシンク、電極、またはその両方に使用することができる。

構造物１１および１２は、上側の金属層２１および下側の誘電体２２、またはその逆から構成され得る。これらの構造物は別の構成物を有することもできる。図１ｂでは、構造物１１および１２は加熱することができ、それらの端部は熱のために構造物１３および基板１０から離れる。

図２ａのように、指または腕１１および１２がもち上がっている間に、１つまたは複数のナノチューブを、構造物１１および１２の近い方の２つの端部間に架橋して成長させることができる。この成長は、エチレン、メタン、ＣＯなどの雰囲気または局部環境中で果たすことができる。１つまたは複数のナノチューブは、両構造物を約７００〜９００℃に加熱することにより成長する。一般に、その結果、構造物１１と１２の互いに対向する端部に架橋した単壁（すなわち、分子が１層の）カーボンナノチューブ１５が得られる。ナノチューブは、流れおよび／または電場によって、構造物１１および１２の一方の端部から他方の端部に向かって成長することができる。素子１４が加熱炉または他の熱源から取り外されると、構造物１１および１２が冷め、図２ｂに示されるように、その端部１６および１７が基板１０へ向かって移動する。この動きによって、ナノチューブ１５がヒートシンク／電極１３上に着座する。構造物１３は、薄い不動態化層１８で被覆された金属１９で構成され得る。素子１４は、ダイとして切り出すことができ、実用のためにヘッダ上に取り付けることができる。

ナノチューブ１５は冷却されると、流体に曝されその一部を吸着することができる。流体は気体または液体であり得る。本説明では、「気体」に言及することがあるが、それは「液体」に置き換えることができる。素子１４がダイとして加熱されると、構造物１１および１２は、そのバイモルフ構造物が加熱された結果撓んで、ナノチューブ１４を支柱または受け台１３からもち上げる。ナノチューブ１５は加熱されると、吸着されている気体がナノチューブ１５から放出され、新しい気体を再吸着できるようになる。熱が取り去られると、腕１１および１２が降りてきて、ナノチューブ１５がヒートシンク１３上に着座し、ヒートシンク１３がナノチューブ１５から熱を取り去る。その時、ナノチューブ１５は、センサがじかに触れる環境中の新しい気体を再吸着する準備ができる。

ヒートシンク１３からナノチューブ１５をもち上げるために、腕１１および１２は異なるいくつかの方法で動かされる。ヘッダ２０上のダイとしての素子１４を加熱することもできるし、また、構造物１１および１２がそれぞれの中に加熱要素を有することもできる。どちらの場合も、図２ａに示されるように、ナノチューブ１５はヒートシンク１３との接触から離され、その結果、より急速に加熱され、ナノチューブ１５上のすべての気体を脱着する。その後、ヘッダ２０から熱が取り去られ、または、腕１１および１２中の加熱要素２３の電源が切られる。構造物１１および１２は、基板１０に向かって動き、ナノチューブ１５がヒートシンク１３上に着座してさらに冷却され、新しい気体を吸着する準備ができる。

図３ａは、ナノチューブ１５によって吸着された気体の同定を支援するのに用いることができる電気的構成を示す。電源２４は、ナノチューブ１５への接続部となる構造物１１および１２に接続される。メータ２６の電流表示およびメータ２５の電圧表示に注目することができ、そのようなＩＶ特性から、ナノチューブ１５によって吸着された気体または液体についての情報を得ることができ、またはそれを同定することができる。

図３ｂは、電源２７、およびゲート電圧を測定するためのメータ２８を有する、電界効果トランジスタに似た３端子電気構成を示す。構造物１３がゲートで、構造物１１および１２が、それぞれソースおよびドレインである。この図のその他の電気的態様は、図３ａに示す態様と同様である。電流（Ｉ）メータ２６およびゲート電圧（Ｖｇ）メータ２８に注目することができ、そのようなＩＶｇ特性から、ナノチューブ１５によって吸着された気体または液体についての情報を得ることができ、またはそれを同定することができる。他方、電源２７によって設定される所定のＶｇに対して、メータ２６の電流およびメータ２５の電圧に注目することができ、そのようなＩＶ特性から、ナノチューブ１５によって吸着された気体または液体についての情報を得ることができ、またはそれを同定することができる。上記の読み取りを、気体がナノチューブ１５に吸着され始めた時点から或る時間間隔の間、周期的に行うことができる。そのようなＩＶおよびＩＶｇ特性は、ナノチューブ１５の周囲環境中の気体および液体の濃度など、さらに別の情報をもたらす。

図４は、図３ｂの素子１４によって吸着された数種類の気体のＩＶｇ特性の例である。曲線３１は、ナノチューブ１５が気体を吸着する前のＩＶｇ特性を示す。曲線３２は、ナノチューブ１５がＮＨ_３を吸着した後のＩＶｇ特性を示す。曲線３３は、ナノチューブ１５がＮＯ_２を吸着した後のＩＶｇ特性を示す。各気体の吸着は、ナノチューブ１５中の気体および液体が全て脱着または除去された後に行われる。ナノチューブは、様々な物質（金属、有機体、半導体）で機能化されて、様々な気体に対する応答性および識別性が強化され得る。

図５は、上記の、素子１４の気体／液体検知過程の概要を表す流れ図３０を示す。ブロック３４では、ナノチューブ１５を気体および／または液体に曝す。ナノチューブ１５のＩＶおよび／またはＩＶｇ特性の測定が、ブロック３５によって示される。次いでブロック３６で、ナノチューブ１５が、熱を持った支持構造物１１および１２によってヒートシンク１３から離される。

ブロック３７によって示されるように、熱はまた、気体／液体をナノチューブ１５から放出するのにも使用される。ブロック３８では、構造物１１および１２は、冷却され、ナノチューブ１５をヒートシンク１３の上に着座させるように戻してさらに冷却する。経路３９は、別の、あるいは同じ気体または液体を検知するために、検知過程を繰り返すことができることを示す。

図６ａは、特に気体／液体検知のための、構造物または横断梁４０を有するセンサ４１の平面図を示し、その横断梁４０はヒートシンク、および／またはナノチューブ１５のＩＶｇ特性を得ることを目的とするトランジスタの電極になり得る。構造物４７および４８は、トランジスタ、すなわちナノチューブ１５への他の接続部になり得る。図７ａおよび７ｂは、素子４１の断面図を示す。ナノチューブ１５は、横断梁４０と基板４３の間に配置されている。構造物４７および４８はそれぞれおよびナノチューブ１５を加熱するための加熱要素を有することができ、または、同様な効果を得るために基板４３を加熱することもできる。加熱されると、構造物４７および４８は、ナノチューブ１５を下げてヒートシンク４０から離す。冷却されると、ナノチューブ１５はヒートシンク４０まで持ち上げられ、構造物４０によってナノチューブ１５がさらに冷却される。冷却またはその他の理由で、逆ピラミッド形状の窪み４４が基板４３にエッチングされてもよい。気体／液体検知のための素子４１のその他のいくつかの態様は、素子１４のそれらと同様である。

図６ｂは、ナノチューブ１５と基板４３の間に配置された、横断梁、ヒートシンク、またはゲート類似構造物４０を有する素子４２を示す。構造物４０、ナノチューブ１５に接続された構造物４５および４６、ならびに図３ａおよび図３ｂの素子１４と同様な構成によって、吸着気体または液体有り、または無しでのナノチューブ１５のＩＶおよびＩＶｇデータを得ることができる。図８ａおよび８ｂは、素子４２の断面を示す。ナノチューブ１５を支持している指または腕のよう長手構造物４５および４６は、加熱されたとき基板４３に向かうのではなくそれから離れていく以外は、素子４１の構造物４７および４８と同様である。構造物４７および４８は、冷却すると、基板４３に向かって動き、ナノチューブ１５は、さらに冷却するためにヒートシンク構造物４０上に着座させられる。素子４２に関する冷却性改善の可能性やその他の要件をかなえるために、基板４３はピラミッド形の窪み４４を有し得る。あるいは、窪み４４は無くてもよい。気体／液体検知のための素子４２の態様の多くは、素子１４および４１と同様である。

長手構造物４５、４６、４７、および４８は、基板４３から少なくとも部分的にエッチング成形するか、または基板４３上に形成することができる。構造物４０も、構造物４５、４６、４７、および４８と同様な方法で作成され得る。素子１４、４１、および４２の構造物はＭＥＭＳ技術またはそれと同等な技術から成る。これら素子の技術は、シリコンをベースとする技術か、または別の材料の技術であり得る。

本発明を、少なくとも１つの特定の実施形態に関して説明してきたが、本明細書を読むことにより、多くの変形形態および修正形態が当業者にとって明らかになろう。したがって、添付特許請求の範囲は、先行技術として見るとき可能な限り広く解釈し、そのような変形形態および修正形態を全て包含するものとする。

図１ａはナノチューブを支持するセンサ構造を示す図である。図１ｂはナノチューブを支持するセンサ構造を示す図である。 図２ａはナノチューブを有するセンサ構造を示す図である。図２ｂはナノチューブを有するセンサ構造を示す図である。 図３ａはナノチューブ・センサの電気的構成を示す図である。図３ｂはナノチューブ・センサの電気的構成を示す図である。 センサのナノチューブによって吸収された数種類の気体の電流−ゲート電圧曲線のグラフである。 ナノチューブ・センサの処理過程の流れ図である。 図６ａは横断梁状の構造物を有するナノチューブ・センサを示す図である。図６ｂは横断梁状の構造物を有するナノチューブ・センサを示す図である。 図７ａは、図６ａと同様なナノチューブ・センサの断面図である。図７ｂは、図６ａと同様なナノチューブ・センサの断面図である。 図８ａは、図６ｂと同様なナノチューブ・センサの断面図である。図８ｂは、図６ｂと同様なナノチューブ・センサの断面図である。

Claims (25)

1. 基板と、
   前記基板上にある第１の長手突起物と、
   前記基板上にある第２の長手突起物と、
   第１および第２の長手突起物を接続するように成長した少なくとも１つのナノチューブと
   を備える、ナノチューブ・センサ。
2. 前記第１および第２の突起物が、加熱されると前記基板から離れ、冷却されると前記基板に向かって移動する、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記突起物がエチレン、メタン、ＣＯ、またはその他の同様な流体からなる周囲環境を有し、
   前記環境が、前記突起物を前記基板から離すのに十分な温度に加熱され、
   前記温度が前記少なくとも１つのナノチューブを成長させるのに十分な温度であり、
   前記少なくとも１つのナノチューブが成長した後、環境が冷却し、前記突起物が前記少なくとも１つのナノチューブと共に前記基板に向かって移動する、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記第１および第２の突起物が前記基板に向かって移動したとき、前記少なくとも１つのナノチューブをその上に着座させ得るヒートシンク構造物をさらに備え、
   前記少なくとも１つのナノチューブが近接する環境の気体／液体を吸収することができ、
   前記少なくとも１つのナノチューブの電流−電圧（ＩＶ）特性が、吸収された気体についての情報を示すことができる、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記第１および第２の突起物を加熱すると、前記少なくとも１つのナノチューブが前記ヒートシンク構造物から離され、それによって加熱されて、前記少なくとも１つのナノチューブ上の気体／液体のかなりの部分が脱着され、
   前記第１および第２の突起物を冷却すると、前記少なくとも１つのナノチューブが、前記ヒートシンク構造物まで移動させられて冷却されることができ、いくらかの気体／液体を吸収することができる、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記センサは、前記第１の突起物、前記第２の突起物、および前記ヒートシンク構造物が、トランジスタのソース、ドレイン、およびゲート接点に類似しているという点で、トランジスタに類似し、
   前記少なくとも１つのナノチューブの電流−電圧（ＩＶ）特性が、前記少なくとも１つのナノチューブによって吸収された気体についての実情報を示すことができる、請求項５に記載のセンサ。
7. 前記第１および第２の突起物が、加熱されたとき第１の方向へ移動し、冷却されたとき第２の方向へ移動する、請求項１に記載のセンサ。
8. 前記基板に取り付けられた第１および第２の端部を有する長手細片をさらに備える、請求項７に記載のセンサ。
9. 前記少なくとも１つのナノチューブが、前記長手細片と前記基板の間に配置され、
   前記第１および第２の突起物が、それぞれトランジスタのソースおよびドレインに類似し、前記長手細片がトランジスタのゲートに類似している、請求項８に記載のセンサ。
10. 前記少なくとも１つのナノチューブの電流−電圧特性が、前記少なくとも１つのナノチューブによって吸収された気体についての情報を示すことができる、請求項９に記載のセンサ。
11. 前記センサの電流−ゲート電圧特性が、前記少なくとも１つのナノチューブによって吸収された気体についての情報を示すことができる、請求項９に記載のセンサ。
12. 前記長手細片が、前記少なくとも１つのナノチューブと前記基板の間に配置され、
    前記第１および第２の突起物が、それぞれトランジスタのソースおよびドレインに類似し、前記長手細片が、トランジスタのゲートに類似する、請求項８に記載のセンサ。
13. 前記少なくとも１つのナノチューブの電流−電圧特性が、前記少なくとも１つのナノチューブに吸収された気体についての情報を示すことができる、請求項１２に記載のセンサ。
14. 前記センサの電流−ゲート電圧特性が、前記少なくとも１つのナノチューブに吸収された気体の情報を示すことができる、請求項１２に記載のセンサ。
15. 熱を除去する手段と、
    ナノチューブを支持し、前記熱を除去する手段に対して相対移動させる手段と
    を備えるナノチューブ・センサであって、
    前記ナノチューブを支持し移動させる手段が、加熱されると、前記熱を除去する手段から前記ナノチューブを離し、冷却されると、前記熱を除去する手段に前記ナノチューブを近付ける、ナノチューブ・センサ。
16. ナノチューブの電流−電圧特性を測定する手段をさらに備え、前記測定する手段が前記ナノチューブに接続されている、請求項１５に記載のセンサ。
17. 前記ナノチューブの電流−電圧特性が、前記ナノチューブによって吸収された気体または液体についての情報を示すことができる、請求項１６に記載のセンサ。
18. 前記ナノチューブを加熱する手段をさらに備える、請求項１７に記載のセンサ。
19. 前記ナノチューブに近接してゲートを形成する手段と、
    前記ナノチューブの電流−ゲート電圧特性を測定する手段と
    をさらに備え、
    前記ナノチューブへの第１および第２の接点がそれぞれソースおよびドレインになり、
    前記ゲートを形成する手段と共に、前記ソースおよびドレインが、前記ナノチューブをトランジスタに類似させる、請求項１５に記載のセンサ。
20. 前記ナノチューブの前記電流−ゲート電圧特性が、前記ナノチューブによって吸収された気体または液体についての情報を示すことができる、請求項１９に記載のセンサ。
21. 前記ナノチューブを加熱する手段をさらに備える、請求項２０に記載のセンサ。
22. ナノチューブの両端にそれぞれ接続された第１および第２の端子を有する構造物を得るステップと、
    前記ナノチューブを気体／液体に曝すステップと、
    前記ナノチューブの電流−電圧特性を測定するステップと、
    前記気体／液体について知り得る情報を得るために、前記電流−電圧特性を調査するステップと
    を含む、気体／液体を検知する方法。
23. 前記ナノチューブから気体／液体を脱着するために前記ナノチューブを加熱するステップと、
    前記ナノチューブが気体／液体を吸収できるようにするために、前記ナノチューブから熱を取り去るステップと
    をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
24. ナノチューブに接続されたソースおよびドレイン端子、およびナノチューブに近接したゲート端子を有する構造物を得るステップと、
    前記ナノチューブを気体または液体に曝すステップと、
    前記ナノチューブの電流−ゲート電圧特性を測定するステップと、
    前記気体または液体について知り得る情報を得るために、前記電流−ゲート電圧特性を調査するステップと
    を含む、気体または液体を検知する方法。
25. 前記ナノチューブから前記気体または液体を脱着するために、前記ナノチューブを加熱するステップと、
    前記ナノチューブが気体または液体を吸収できるようにするために、前記ナノチューブから熱を取り去るステップと
    を含む、請求項２４に記載の方法。

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