TWI386362B - 奈米碳管陣列傳感器及其製備方法 - Google Patents

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奈米碳管陣列傳感器及其製備方法

本發明涉及一種奈米傳感器及其製備方法，尤其涉及一種奈米碳管陣列傳感器及其製備方法。

自九十年代初以來，以奈米碳管為代表之奈米材料以其獨特之結構和性質引起了人們極大之關注，請參見“Helical microtubules of graphitic carbon”,Sumio Iijima,Nature,vol.354,p56(1991)。近幾年來，隨著奈米碳管及奈米材料研究之不斷深入，其廣闊之應用前景不斷顯現出來。如，由於其具有較大之比表面積，使其具有較好之吸附能力；由於奈米碳管之電子特性主要係由其原子排列之結構決定的，故其受力之變化和化學吸附之變化都會對電導率產生巨大之影響，其變化值可由電流訊號來檢測。這些性質使得奈米碳管可作為微型傳感器，如，奈米生物傳感器、化學傳感器或奈米氣敏傳感器等。

2008年8月27日公開之一件中國專利申請第101252145號提供一種奈米碳管傳感器，該奈米碳管傳感器包括奈米碳管和與該奈米碳管連接之兩個電極。該奈米碳管傳感器之製備方法具體為：首先，於奈米碳管之兩端塗上光刻膠；之後，通過光刻(電子束或光學光刻)技術於奈米碳管兩端形成電極之形狀；最後，再於奈米碳管上蒸鍍一層金屬層以形成電極，然後剝離去除多餘之金屬層，於金屬電極與奈米碳管之間建立電連接。另，請參 閱“Recent progress in carbon nanotube-based gas sensors”,Ting Zhang et al,Nanotechnology,Vol.19,p332001,(2008)，該文獻揭示了另一種製作奈米碳管傳感器之方法，具體為：首先用光刻技術於第一電極表面上做出一層特定分佈之催化劑薄膜，再用化學氣相沈積或其他方法於催化劑圖形表面生長奈米碳管，所生長之奈米碳管和第二電極電接觸即可。然，上述兩種方法中之光刻膠均難以徹底清除，同時金屬電極與奈米碳管之間之結合性不好。

故，為解決上述問題，習知技術中揭露了另一種採用奈米碳管陣列之傳感器結構，請參閱2008年10月8日公開之第101281154號中國專利申請，該專利申請提供之奈米碳管陣列傳感器之結構包括上下兩個電極及設置於上下兩個電極之間之奈米碳管陣列。製作該奈米碳管陣列傳感器之方法為直接採用金漿將奈米碳管陣列黏合於電極之表面。該方法採用黏結劑黏結之方法於奈米碳管兩端形成了金屬電極，從而克服了上述採用光刻技術而引起之光刻膠難以徹底清除之缺點，同時，也改善了奈米碳管與電極之間之結合力。然金漿與奈米碳管之浸潤性較差，使奈米碳管與金屬電極之結合仍然不牢固，影響了器件之靈敏度和精度。

有鑒於此，提供一種奈米碳管陣列傳感器及其製備方法實為必要，通過該製備方法所獲得之奈米碳管陣列傳感器具有較高之靈敏度和精度，且穩定性好。

一種奈米碳管陣列傳感器，其包括：一第一電極；一第二電極；一設置於第一電極與第二電極之間的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括多個奈米碳管，且所述奈米碳管陣列包括一第一端和與該第一端相背的一第二端；至少一第一導電金屬層，所述第一電極與奈米碳管陣列的第一端通過該第一導電金屬層電連接；至少一第二導電金屬層，所述第二電極與奈米碳管陣列的第二端通過該第二導電金屬層電連接；其中，該奈米碳管陣列傳感器進一步包括在奈米碳管陣列的第一端沈積形成的一第一親金屬層，和在該奈米碳管陣列的第二端沈積形成的一第二親金屬層，該第一親金屬層與上述第一導電金屬層接觸並電連接，該第二親金屬層與上述第二導電金屬層接觸並電連接。

一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層；提供一第一電極；形成至少一第一導電金屬層，以使該第一導電金屬層與所述第一親金屬層接觸並電連接，從而將奈米碳管陣列第一端通過該第一導電金屬層與第一電極電連接；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；形成至少一第二導電金屬層，使該第二導電金屬層與所述第二親金屬層接觸並電連接，從而將奈米碳管陣列的第二端通過該第二導電金屬層與第二電極電連接。

一種奈米碳管陣列傳感器，其包括：一第一電極；一第二電極；一設置於第一電極與第二電極之間的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括多個奈米碳管，且所述奈米碳管陣列包括一第一端和與該第一端相背的一第二端；其中，該奈米碳管陣列傳感器進一步包括，一與第一電極電連接的第一導電金屬層，一與第二電極電連接的第二導電金屬層，所述第一導電金屬層和第二導電金屬層的材料的熔點分別低於第一電極和第二電極材料的熔點，在奈米碳管陣列的第一端沈積形成的一第一親金屬層，及在該奈米碳管陣列的第二端沈積形成的第二親金屬層，該第一親金屬層與上述第一導電金屬層接觸並電連接，該第二親金屬層與上述第二導電金屬層接觸並電連接，所述第一親金屬層和第二親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合。

一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層，該第一親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合；提供一第一電極；在第一電極的表面形成一第一導電金屬層，該第一導電金屬層的材料的熔點低於第一電極的材料的熔點；加熱該第一導電金屬層使其在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第一端和第一電極相結合；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；在第二電極的表面形成一第二導電金屬層， 該第二導電金屬層的材料的熔點低於第二電極的材料的熔點；及加熱該第二導電金屬層使其在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第二端和第二電極相結合。

一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層，該第一親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合；提供一第一電極；在奈米碳管陣列的第一端形成一第一導電金屬層，該第一導電金屬層的材料的熔點低於第一電極的材料的熔點；加熱該第一導電金屬層使其在熔融狀態下分別與第一電極和奈米碳管陣列的第一端相結合；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；在奈米碳管陣列的第二端形成一第二導電金屬層，該第二導電金屬層的材料的熔點低於第二電極的材料的熔點；及加熱該第二導電金屬層使其在熔融狀態下與第二電極和奈米碳管陣列的第二端相結合。

一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層，該第一親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合；提供一第一電極；在第一電極的表面形成一第一導電金屬層，該第一導電金屬層的材料的熔點低於第一電極的材料的熔點；加熱該第一導電金屬層使其在熔融狀態下 分別與奈米碳管陣列的第一端和第一電極相結合；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；在奈米碳管陣列的第二端形成一第二導電金屬層，該第二導電金屬層的材料的熔點低於第二電極的材料的熔點；及加熱該第二導電金屬層使其在熔融狀態下與第二電極和奈米碳管陣列的第二端相結合。

相較於先前技術，本發明提供之奈米碳管陣列傳感器及其製備方法具有以下優點：該奈米碳管陣列傳感器之製備方法無需採用導電漿料使奈米碳管與第一電極和第二電極實現電連接，且所製備之奈米碳管陣列傳感器之奈米碳管之第一端和第二端分別沈積有第一親金屬層和第二親金屬層，且該第一親金屬層和第二親金屬層不僅與奈米碳管具有很好之浸潤性，且與第一導電材料層和第二導電材料也有良好之浸潤性，故，該奈米碳管陣列與第一電極和第二電極結合牢固，保證了奈米碳管陣列傳感器工作之可靠性和穩定性，提高了該裝置之靈敏度。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供之奈米碳管陣列傳感器及其製備方法。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種奈米碳管陣列傳感器10，該奈米碳管陣列傳感器10包括第一電極11、第二電極12、設置於第一電極11和第二電極12之間之奈米碳管陣列13，一第一導電金屬層14及一第二導電金屬層15。

該第一電極11和第二電極12通過奈米碳管陣列13間隔設 置，該第一電極11和第二電極12為導電性材料，如銅、鋁、金、鐵及銀等中之一種或者幾種之合金，本實施例為銅。該第一電極11和第二電極12之厚度為1微米~20微米。

所述的奈米碳管陣列13包括多個沿相同方向排列的奈米碳管130，每一奈米碳管130包括一第一端132和與第一端132相背的一第二端134且該第一端132和第二端134的表面分別沈積有第一親金屬層136和第二親金屬層138。該奈米碳管130的第一端132通過第一導電金屬層14與第一電極11電連接，該奈米碳管130的第二端134通過第二導電金屬層15與第二電極12電連接。該各個奈米碳管130的第一端132位於奈米碳管陣列13的同一端，該所有奈米碳管130的第一端132可以理解為奈米碳管陣列13的第一端(圖未示)，該各個奈米碳管130的第二端134位於奈米碳管陣列13的同一端，該所有奈米碳管130的第二端134可理解為奈米碳管陣列13的第二端(圖未示)。

該奈米碳管陣列13通過化學氣相沈積法或其他方法生長獲得。該奈米碳管陣列13包括複數彼此基本平行之奈米碳管130。該奈米碳管130包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中之一種或者多種。該單壁奈米碳管之直徑為0.5奈米~50奈米，該雙壁奈米碳管之直徑為1.0奈米~50奈米，該多壁奈米碳管之直徑為1.5奈米~50奈米。本實施例選用多壁奈米碳管。該奈米碳管陣列13之高度為1~800微米。

該第一親金屬層136和第二親金屬層138可通過電鍍、化 學鍍或磁控濺鍍之方法分別沈積於奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132和第二端134。具體地，該第一端132和第二端134為奈米碳管陣列13中奈米碳管130之端面及從端面至距離奈米碳管130之端面0.01微米~50微米之間之奈米碳管130之管壁表面，該第一親金屬層136和第二親金屬層138分別部分或全部包覆該第一端132和第二端134。該第一親金屬層136和第二親金屬層138之材料分別與奈米碳管130和第一導電金屬層14及第二導電金屬層15之材料具有良好之浸潤性，使該奈米碳管130與第一導電金屬層14和第二導電金屬層15可更好地結合，從而保持良好之電連接。該第一親金屬層136和第二親金屬層138之材料可選用鈀、鉻、鎳、鈦及鎂中之一種或其合金。該第一親金屬層136和第二親金屬層138之厚度為0.5奈米~50奈米。

該第一導電金屬層14設置於第一電極11鄰近於奈米碳管陣列13之第一端132之表面，該第二導電金屬層15設置於第二電極12鄰近於奈米碳管陣列13之第二端134之表面。進一步地，帶有第一親金屬層136之奈米碳管130之第一端132可部分或全部嵌入該第一導電金屬層14中，帶有第二親金屬層138之奈米碳管130之第二端134可部分或全部嵌入該第二導電金屬層15中，從而使該第一親金屬層136及第二親金屬層138分別與該第一導電金屬層14及該第二導電金屬層15接觸並電連接，進而使該奈米碳管陣列13與該第一電極11及第二電極12電連接。

該第一導電金屬層14和第二導電金屬層15之材料於熔融 態時分別與第一電極11和第二電極12之材料具有很好之浸潤性，該材料可選用熔點較低之金屬，如銦、錫、銅、銦、鉛、銻、金、銀和鉍中之一種或者幾種之組合。同時該材料之熔點需低於第一電極11或第二電極12之熔點，因於製備過程中該第一導電金屬層14和第二導電金屬層15會被熔融並於此熔融狀態下分別與第一電極11和第二電極12黏結，若該材料熔點高於第一電極11或第二電極12之材料之熔點，則於黏結之過程中該第一電極11或第二電極12也會被熔融，故第一導電金屬層14和第二導電金屬層15分別選用熔點低於第一電極11和第二電極12之材料會確保於黏結之過程中第一電極11和第二電極12不會被熔融。另，該第一導電金屬層14和第二導電金屬層15之厚度為0.1~900奈米。由於該第一導電金屬層14和第二導電金屬層15之材料不僅與第一電極11和第二電極12之浸潤性較好，而且也與第一親金屬層136和第二親金屬層138之浸潤性較好，從而可使第一電極11與第一親金屬層136更好地結合，第二電極12與第二親金屬層138更好地結合。

本實施例之奈米碳管陣列傳感器10進一步包括一支撐體16，該支撐體16設置於第一電極11和第二電極12之間，該支撐體16之高度等於第一電極11和第二電極12之間奈米碳管陣列13之高度，該支撐體16用於支撐第一電極11和第二電極12，可確保奈米碳管陣列13不致被損壞或者彎曲，從而提高該奈米碳管陣列13之使用壽命。該支撐體16之材料為一絕緣材料，如玻璃、陶瓷等。

進一步地，本實施例中之奈米碳管陣列傳感器10中之奈米碳管130表面可包括一修飾層(圖未標)，該修飾層可提高該奈米碳管陣列傳感器10探測之準確性和靈敏度。該修飾層之材料可為鈀、鉑或金等，不同材料之修飾層可分別準確探測不同氣體之含量，如表面修飾有一層鈀可提高探測氫氣和甲烷之含量準確度。

以下將結合附圖詳細說明本發明第一實施例提供之奈米碳管陣列傳感器10之製備方法。請參閱圖2及圖3，具體包括以下步驟：

步驟一：提供一奈米碳管陣列13，該奈米碳管陣列13中奈米碳管130包括第一端132和第二端134。

本實施例提供之奈米碳管陣列13中之奈米碳管130為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。優選地，該奈米碳管陣列13為超順排奈米碳管陣列。本實施例中，超順排奈米碳管陣列13之製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一基底17，該基底17可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層之矽基底，本實施例優選為採用4英寸之矽基底；(b)於基底17表面均勻地形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合之合金之一；(c)將上述形成有催化劑層之基底17於700~900℃之空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過之基底17置於反應爐中，於保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到超順排奈米碳管陣列13，其高度為1~800微米。該超順排奈米碳管陣列 13為由複數彼此平行且垂直於基底17生長之奈米碳管130形成。通過控制超順排奈米碳管陣列13之生長條件，該超順排奈米碳管陣列13中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留之催化劑金屬顆粒等。該超順排奈米碳管陣列13中之奈米碳管130彼此通過凡德瓦爾力吸引。且所述奈米碳管陣列13包括第一端(圖未示)和與第一端相背的第二端(圖未示)，所述奈米碳管陣列13的第一端包括多個奈米碳管130的第一端132，其為遠離生長基底17的一端。所述奈米碳管陣列13的第二端包括多個奈米碳管130的第二端134，其為靠近生長基底17的一端。

本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑之碳氫化合物，本實施例優選之碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選之保護氣體為氬氣。

可理解地，本實施例提供之奈米碳管陣列13不限於上述製備方法。也可為石墨電極恒流電弧放電沈積法、鐳射蒸發沈積法等。

步驟二：於該奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132之表面形成一第一親金屬層136。

該步驟為採用電鍍、化學鍍或者磁控濺鍍法於奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132之表面製備一第一親金屬層136。本實施例採用電鍍之方法，具體包括以下步驟：將奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132浸入一酸溶液中進行酸化處理以去除奈米碳管130之第一端 132表面之殘留物，如催化劑等。該酸溶液可為硫酸、硝酸和鹽酸中之一種或者幾種，本實施例選用硫酸和硝酸之混合溶液，其質量比為3：1；提供一電鍍液，該電鍍液包括一金屬鹽，該金屬鹽可為硫酸鎂、氯化鈀或硫酸鉻等，本實施例為氯化鈀；將經過純化之奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132浸入上述電鍍液中作為陰極，再將一陽極浸入電鍍液中，通入一定大小之電流使奈米碳管130反應一段時間，從而於奈米碳管130浸入端，即第一端132之表面形成一層第一親金屬層136；取出奈米碳管陣列112並將其烘乾，該烘乾方式可採用低溫加熱等方法。

上述步驟中陽極之材料可選用化學活潑性較第一親金屬層136差之材料或者與第一親金屬層136相同之材料，如金、石墨、銠、鈀、鎂、鎳、鈦或鉻等。本實施例優選為與第一親金屬層136相同之材料，如鈀。因於施加電流且電鍍液之金屬開始於奈米碳管130之表面沈積時，電鍍液中之金屬離子會被消耗且數目下降，此時同樣數目之陽極金屬離子便溶解於溶液中，從而補充電鍍液中金屬離子之短缺。

本實施例中該氯化鈀於電鍍液中之質量百分含量為20%~35%，電鍍液之溶劑為水，該電鍍液之PH值為3.5~6。該電流為一直流電，電流密度為5~100毫安培/平方厘米，通電時間為5~10分鐘。

本實施中之電鍍液可進一步包括一導電鹽溶液，可選用氯化銨，其質量百分含量為3%，該導電鹽之存在可進一 步提高電鍍液之電導率。

進一步地，本實施例之電鍍液可包括一緩衝劑，該緩衝劑可選用硫酸鋁和硼酸之混合溶液，該硫酸鋁之質量百分含量為3%，硼酸之質量百分含量為1%，該緩衝劑可用來穩定電鍍液之PH值，特別係可減緩陰極表面因析氫而引起之電鍍液PH值升高，也有利於提高電鍍液之分散能力和鍍層之穩定性。

步驟三：提供一第一電極11，於第一電極11與奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132之間形成一第一導電金屬層14，將奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132通過該第一導電金屬層14與第一電極11電連接。

該電連接方法可為於第一電極11之表面形成一第一導電金屬層14，通過該第一導電金屬層14使第一電極11與奈米碳管130之第一端132電連接，具體包括以下步驟：首先，提供一第一電極11，該第一電極11之厚度為1微米~20微米，該第一電極之面積大於等於奈米碳管陣列13之端部面積。於該第一電極11之表面形成一第一導電金屬層14，具體為通過磁控濺鍍法、物理沈積法或化學氣相沈積法於第一電極11之表面鍍覆一層第一導電金屬層14，本實施例為於第一電極11之表面通過磁控濺鍍法鍍上第一導電金屬層14。該第一電極11之材料可為銅、鋁、鐵、金或銀等，本實施例為銅，該第一導電金屬層14之材料之熔融態與第一電極11之材料具有很好之浸潤性，該金屬可選用熔點較低之金屬，如銦、錫、銅、銦、鉛 、銻、金、銀和鉍中之一種或者幾種之組合，同時該金屬材料之熔點需低於第一電極11之熔點。

其次，加熱上述表面鍍有第一導電金屬層14之第一電極11，使第一導電金屬層11熔融。

最後，將上述有第一親金屬層136之奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132與上述已熔融之第一導電金屬層14之表面相接觸。進一步地，可使奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132全部插入該熔融之第一導電金屬層14中。將該熔融之第一導電金屬層14快速冷卻，從而使奈米碳管130牢固地固定於第一導電金屬層14之上。由於奈米碳管130與第一親金屬層136具有較好浸潤性，同時該第一親金屬層136與第一導電金屬層14也具有較好之浸潤性，故將第一導電金屬層14作為奈米碳管130與第一電極11之間之過渡層可保證奈米碳管130與第一電極11之間電連接牢固，避免第一電極11與奈米碳管130之間之電接觸不良，或者奈米碳管130從第一電極11中被剝離，保持了整個傳感器性能之穩定性和靈敏性。

步驟四：於奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端132之表面形成一第二親金屬層138。

首先，將步驟三中之奈米碳管陣列13從基底17中剝離，由於該奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第一端132已經固定於第一電極11上，而奈米碳管陣列13與基底17之結合力較弱，故只需很小的力即可把奈米碳管陣列13從基底17上剝離下來，而且不致損壞奈米碳管陣列13之形態 ，從而使奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134成為一自由端。其次，於該奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134之表面形成一第二親金屬層138，該步驟同步驟二基本相同。

該步驟可進一步包括於形成第二親金屬層138之前於第一電極11上形成一支撐體16之過程，具體為通過普通黏結劑將支撐體16黏結於第一電極11上。該支撐體16可為任何形狀，本實施例為橫截面為矩形之條形結構，該支撐體16為絕緣材料，如陶瓷、玻璃等。

步驟五：提供一第二電極12，於第二電極12與奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134之間形成一第二導電金屬層15，將奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134通過該第二導電金屬層15與第二電極12電連接，從而形成一奈米碳管陣列傳感器10。

奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134與第二電極12電連接之方法可為於第二電極12表面形成一第二導電金屬層15，通過該第二導電金屬層15使第二電極12與奈米碳管130之第二端134電連接，具體為：首先，提供一第二電極12並通過磁控濺鍍法、物理沉積法或化學氣相沈積法於第二電極12之表面鍍覆一第二導電金屬層15，本實施例為於第二電極126之表面通過磁控濺鍍法鍍上第二導電金屬層15。該電極材料可為銅、鋁、鐵、金或銀等，本實施例為銅，該第二導電金屬層15之材料可選用熔點較低之金屬，如銦、錫、銅、銦、鉛 、銻、金、銀和鉍中之一種或者幾種，同時該金屬材料之熔點需低於第二電極12之熔點。

其次，加熱上述表面鍍有第二導電金屬層15之第二電極12，使第二導電金屬層15熔融。

最後，將上述有第二親金屬層15之奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134與上述已熔融之第二導電金屬層15表面相接觸。進一步地，可使奈米碳管陣列13中奈米碳管130之第二端134部分或全部插入該熔融之第二導電金屬層15中，將該熔融之第二導電金屬層15快速冷卻，使奈米碳管130牢固地固定於第二導電金屬層15之上，從而形成了一奈米碳管陣列傳感器10。

該步驟進一步包括將上述固定於第一電極11之支撐體16通過普通黏結劑黏結於第二電極12之上，從而使其更好地固定於第一電極11和第二電極12之間，該支撐體16之高度等於第一電極11和第二電極12之間之距離。

本實施例中，該支撐體16也可於上述步驟三之過程中形成並與熔融之第一導電金屬層14黏結。或者於步驟五中形成並直接通過普通黏結劑將該支撐體16黏結於第一電極11和第二電極12之間。

本實施例奈米碳管傳感器10之製造方法可進一步包括於奈米碳管130之表面通過電鍍、化學鍍或者磁控濺鍍法形成一修飾層，該修飾層可提高該奈米碳管陣列傳感器10檢測之專一性和靈敏性。該修飾層可為鈀、金、鉑等。不同材料之修飾層可分別準確探測不同氣體之含量，如 表面修飾有一層鈀可提高探測氫氣和甲烷之含量準確度。

本實施例中該第一導電金屬層14和第二導電金屬層15也可通過電鍍、化學鍍或磁控濺鍍法分別形成於奈米碳管陣列13之兩個端部。

該奈米碳管陣列傳感器10中之奈米碳管陣列13可作為電子導線，當通入電流後，第一電極11和第二電極12之間之電導率可被測出。因為奈米碳管130之電子特性主要係由其原子結構決定之，故奈米碳管130受力後原子結構之形變或化學吸附都會對其電導率產生影響，其變化值可由電流訊號來檢測，故該奈米碳管陣列傳感器10可用於檢測氣體分子。具體原理為氣體分子被奈米碳管130吸附，導致了奈米碳管130電荷之遷移，從而引起了電導率之變化。吸附於奈米碳管130上之氣體分子之量不同，奈米碳管130電導率變化量也不同，故於通入電流後，通過測量該奈米碳管130電導率之變化，該奈米碳管陣列傳感器10便可檢測氣體分子之含量。同時，不同氣體分子吸附到奈米碳管上時，由於氣體分子之分子量和分子結構之差異，其對奈米碳管之作用力也會有差異，導致所引起奈米碳管之電導率變化亦各不相同，故於通入電流後，通過測量該奈米碳管130電導率之變化便可檢測氣體分子之種類。

請參閱圖4，本發明第二實施例提供一種奈米碳管陣列傳感器20，該奈米碳管陣列傳感器20包括一第一電極21，一第二電極22，一設置於第一電極21與第二電極22之間 之奈米碳管陣列23，複數第一導電金屬層24、複數第二導電金屬層25及一支撐體26。

本實施例與第一實施例基本相同，其區別在於本實施例之奈米碳管陣列傳感器20包括複數第一導電金屬層24和複數第二導電金屬層25。

該奈米碳管陣列23包括複數奈米碳管230，每一奈米碳管230包括第一端232和與第一端232相背之第二端234，該第一端232和第二端234為從奈米碳管陣列23中奈米碳管230之端面及從該端面至距離奈米碳管230之端面0.01微米~50微米之間之奈米碳管230之側壁表面。該第一端232和第二端234之表面分別沉積有第一親金屬層236和第二親金屬層238。該奈米碳管陣列23中之每個奈米碳管230之第一端232通過第一導電金屬層24與第一電極21電連接，該奈米碳管陣列23中每個奈米碳管230之第二端234通過第二導電金屬層25與第二電極22電連接。該每個第一導電金屬層24形成於一奈米碳管230之第一端232，且每個第二導電金屬層25形成於一奈米碳管230之第二端234。

請參閱圖5，本發明第二實施例提供之奈米碳管陣列傳感器20之製備方法，具體包括以下步驟：

步驟一：提供一奈米碳管陣列23，該奈米碳管陣列23包括第一端232和第二端234。

本實施例奈米碳管陣列23之製備方法具體為，提供一基底27並於該基底27上利用化學氣相沈積法製備該奈米碳 管陣列23。

步驟二：於該奈米碳管陣列23第一端232之表面形成一第一親金屬層236。

步驟三：提供一第一電極21，於第一電極21與奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第一端232之間形成複數第一導電金屬層24，將奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第一端232通過該第一導電金屬層24與第一電極21電連接。

該電連接之方法可為於奈米碳管陣列23中每個奈米碳管230之第一端232形成複數第一導電金屬層24，通過該第一導電金屬層24與第一電極21電連接。具體為：首先，通過化學鍍、電鍍或磁控濺鍍法於奈米碳管陣列23中每個奈米碳管230之第一端232形成一第一導電金屬層24。本實施例選用電鍍之方法。其次，加熱上述奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第一端232上之第一導電金屬層24，使第一導電金屬層24熔融。最後，將上述有第一親金屬層236和熔融之第一導電金屬層24之奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第一端232與上述第一電極21之表面接觸，待其黏結牢固之後，將該熔融之第一導電金屬層24快速冷卻，從而使奈米碳管陣列23牢固地與第一電極21結合並保持良好之電連接。

步驟四：於奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234之表面形成一第二親金屬層238。

首先，將步驟三中之奈米碳管陣列23從基底27中剝離，由於該奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第一端232已經 固定於第一電極21上，而奈米碳管陣列23與基底27之結合力較弱，故只需很小之力即可把奈米碳管陣列23從基底27上剝離下來，而且不致損壞奈米碳管陣列23之形態，從而使奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234成為一自由端。其次，於該奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234之表面形成一第二親金屬層238。該步驟同步驟二基本相同。

該步驟可進一步包括於形成第二親金屬層238之前於第一電極21上形成一支撐體26之過程，該形成過程與第一實施例相同。

步驟五：提供一第二電極22，於第二電極22與奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234之間形成複數第二導電金屬層25，將奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234通過該第二導電金屬層25與第二電極22電連接，從而形成一奈米碳管陣列傳感器20。

該電連接方法可為於奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234形成複數第二導電金屬層25，通過該第二導電金屬層25與第二電極電連接。具體為：首先，通過化學鍍、電鍍或磁控濺鍍法於奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234形成一第二導電金屬層25，本實施例選用電鍍之方法。其次，加熱上述奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234上之第二導電金屬層25，使第二導電金屬層25熔融。最後，將上述有第二親金屬層238和熔融之第二導電金屬層25之奈米碳管陣列23中奈米碳管230之第二端234與上述第二電極22之一表面接觸，待其黏結牢固之後 ，將該熔融之第二導電金屬層25快速冷卻，從而使奈米碳管陣列23牢固地與第二電極22結合並保持良好之電連接。

該步驟進一步包括將上述形成於第一電極21上之支撐體26通過普通黏結劑黏結於第二電極22上，從而使其更好地固定於第一電極21和第二電極22之間。

本實施例與第一實施例奈米碳管陣列傳感器10之製備方法基本相同，其區別為於步驟三和步驟五中，本實施例為於奈米碳管陣列23之第一端232形成複數第一導電金屬層24，於奈米碳管陣列23之第二端234形成複數第二導電金屬層25。

本實施例中該複數第一導電金屬層24也可通過化學鍍、電鍍或磁控濺鍍法形成於該第一電極21與奈米碳管陣列23之第一端232相對之表面，該複數第二導電金屬層25也可通過化學鍍、電鍍或磁控濺鍍法形成於該第二電極22與奈米碳管陣列23之第二端234相對之表面。

可以理解，所述第一導電金屬層24和第二導電金屬層25也可以分別形成在所述第一電極21和奈米碳管陣列23中奈米碳管230的第二端234，或分別形成在所述奈米碳管陣列23中奈米碳管230的第一端232和第二電極22。

本發明提供的奈米碳管陣列傳感器及其製備方法具有以下優點：該奈米碳管陣列傳感器的製備方法無需採用導電漿料使奈米碳管與第一電極和第二電極實現電連接，且所製備的奈米碳管陣列傳感器中的奈米碳管的第一端 和第二端分別沈積有第一親金屬層和第二親金屬層，且該第一親金屬層和第二親金屬層不僅與奈米碳管具有很好的浸潤性，且與第一導電材料層和第二導電材料也有良好的浸潤性，因此，該奈米碳管陣列與第一電極和第二電極結合牢固，保證了奈米碳管陣列傳感器工作的可靠性和穩定性，提高了該奈米碳管陣列傳感器的工作壽命。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10、20‧‧‧奈米碳管陣列傳感器

11、21‧‧‧第一電極

12、22‧‧‧第二電極

13、23‧‧‧奈米碳管陣列

130、230‧‧‧奈米碳管

132、232‧‧‧第一端

134、234‧‧‧第二端

136、236‧‧‧第一親金屬層

138、238‧‧‧第二親金屬層

14、24‧‧‧第一導電金屬層

15、25‧‧‧第二導電金屬層

16、26‧‧‧支撐體

17、27‧‧‧基底

圖1係本發明第一實施例之奈米碳管陣列傳感器之剖視圖。

圖2係本發明第一實施例奈米碳管陣列傳感器之製備工藝流程圖。

圖3係本發明第一實施例奈米碳管陣列傳感器之製備方法流程圖。

圖4係本發明第二實施例之奈米碳管陣列傳感器之剖視圖。

圖5係本發明第二實施例奈米碳管陣列傳感器之製備工藝流程圖。

10‧‧‧奈米碳管陣列傳感器

11‧‧‧第一電極

12‧‧‧第二電極

13‧‧‧奈米碳管陣列

130‧‧‧奈米碳管

132‧‧‧第一端

134‧‧‧第二端

136‧‧‧第一親金屬層

138‧‧‧第二親金屬層

14‧‧‧第一導電金屬層

15‧‧‧第二導電金屬層

16‧‧‧支撐體

Claims (25)

1. 一種奈米碳管陣列傳感器，其包括：一第一電極；一第二電極；一設置於第一電極與第二電極之間的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括多個奈米碳管，且所述奈米碳管陣列包括一第一端和與該第一端相背的一第二端；至少一第一導電金屬層，所述第一電極與奈米碳管陣列的第一端通過該第一導電金屬層電連接；至少一第二導電金屬層，所述第二電極與奈米碳管陣列的第二端通過該第二導電金屬層電連接；其改良在於，該奈米碳管陣列傳感器進一步包括在奈米碳管陣列的第一端沈積形成的一第一親金屬層，和在該奈米碳管陣列的第二端沈積形成的一第二親金屬層，該第一親金屬層與上述第一導電金屬層接觸並電連接，該第二親金屬層與上述第二導電金屬層接觸並電連接，該奈米碳管陣列傳感器進一步包括一支撐體，該支撐體設置於第一電極和第二電極之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一親金屬層和第二親金屬層二者至少其中之一為通過電鍍、化學鍍或者磁控濺射法形成在奈米碳管陣列上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述至少一第一導電金屬層為多個，該多個第一導電金屬層間隔設置，所述至少一第二導電金屬層為多個，該多個第二導電金屬層間隔設置。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一親金屬層嵌入第一導電金屬層中，所述第二 親金屬層嵌入第二導電金屬層中。
5. 如申請專利範圍第2或3項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一導電金屬層和第二導電金屬層的材料的熔點分別低於第一電極和第二電極的材料的熔點。
6. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一親金屬層包覆奈米碳管陣列的第一端，所述第二親金屬層包覆奈米碳管陣列的第二端。
7. 如申請專利範圍第1或6項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一親金屬層和第二親金屬層與奈米碳管浸潤。
8. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一親金屬層和第二親金屬層的厚度均為0.5奈米~50奈米。
9. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一親金屬層和第二親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合。
10. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述第一導電金屬層和第二導電金屬層的厚度均為0.1奈米~900奈米。
11. 如申請專利範圍第10項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述奈米碳管陣列中奈米碳管的第一端至少部分嵌入所述第一導電金屬層中，所述奈米碳管陣列中奈米碳管的第二端至少部分嵌入所述第二導電金屬層中。
12. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中，所述奈米碳管陣列的奈米碳管為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或者多種。
13. 一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括： 提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層；提供一第一電極；形成至少一第一導電金屬層，以使該第一導電金屬層與所述第一親金屬層接觸並電連接，從而將奈米碳管陣列第一端通過該第一導電金屬層與第一電極電連接；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；形成至少一第二導電金屬層，使該第二導電金屬層與所述第二親金屬層接觸並電連接，從而將奈米碳管陣列的第二端通過該第二導電金屬層與第二電極電連接。
14. 如申請專利範圍第13項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，所述奈米碳管陣列的第一端與第一電極電連接的方法為，在第一電極的表面或奈米碳管陣列的第一端形成所述第一導電金屬層，將奈米碳管陣列的第一端通過該第一導電金屬層與第一電極電連接；所述奈米碳管陣列的第二端與第二電極電連接的方法為，在第二電極的表面或奈米碳管的第二端形成所述第二導電金屬層，將奈米碳管陣列的第二端通過該第二導電金屬層與第二電極電連接。
15. 如申請專利範圍第14項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，將奈米碳管陣列的第一端通過該第一導電金屬層與第一電極電連接的方法為，加熱所述第一導電金屬層使第一導電金屬層在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第一端和第一電極相結合；所述將奈米碳管陣列的第二端 通過該第二導電金屬層與第二電極電連接的方法為，加熱所述的第二導電金屬層使第二導電金屬層在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第二端和第二電極相結合。
16. 如申請專利範圍第13項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，所述在奈米碳管陣列的第一端形成第一親金屬層和在奈米碳管陣列的第二端形成第二親金屬層的方法為磁控濺射法、蒸鍍法、化學鍍法或電鍍法。
17. 如申請專利範圍第13項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，所述奈米碳管陣列傳感器的製備方法進一步包括在第一電極和第二電極之間形成一支撐體。
18. 一種奈米碳管陣列傳感器，其包括：一第一電極；一第二電極；一設置於第一電極與第二電極之間的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括多個奈米碳管，且所述奈米碳管陣列包括一第一端和與該第一端相背的一第二端；其改良在於，該奈米碳管陣列傳感器進一步包括，一與第一電極電連接的第一導電金屬層，一與第二電極電連接的第二導電金屬層，所述第一導電金屬層和第二導電金屬層的材料的熔點分別低於第一電極和第二電極材料的熔點，在奈米碳管陣列的第一端沈積形成的一第一親金屬層，及在該奈米碳管陣列的第二端沈積形成的一第二親金屬層，該第一親金屬層與上述第一導電金屬層接觸並電連接，該第二親金屬層與上述第二導電金屬層接觸並電連接，所述第一親金屬層和第二親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合，該奈米碳管陣列傳感器進一步包括一支撐體，該支撐體設置於第一電極和第二電極之間。
19. 如申請專利範圍第18項所述的奈米碳管陣列傳感器，其中 ，所述第一親金屬層和第二親金屬層二者的其中至少之一為通過電鍍、化學鍍或者磁控濺射法形成在奈米碳管陣列上。
20. 一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層，該第一親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合；提供一第一電極；在第一電極的表面形成一第一導電金屬層，該第一導電金屬層的材料的熔點低於第一電極的材料的熔點；加熱該第一導電金屬層使其在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第一端和第一電極相結合；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；在第二電極的表面形成一第二導電金屬層，該第二導電金屬層的材料的熔點低於第二電極的材料的熔點；及加熱該第二導電金屬層使其在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第二端和第二電極相結合。
21. 如申請專利範圍第20項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，所述第一親金屬層和第二親金屬層通過化學鍍法、蒸鍍法、電鍍法或磁控濺射法形成在奈米碳管陣列的第一端和第二端。
22. 如申請專利範圍第20項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，進一步包括冷卻熔融的第一導電金屬層，使 所述奈米碳管陣列的第一端至少部分嵌入所述第一導電金屬層中。
23. 如申請專利範圍第20項所述的奈米碳管陣列傳感器的製備方法，其中，其進一步包括冷卻熔融的第二導電金屬層，使所述奈米碳管陣列的第二端至少部分嵌入所述第二導電金屬層中。
24. 一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端；在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層，該第一親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合；提供一第一電極；在奈米碳管陣列的第一端形成一第一導電金屬層，該第一導電金屬層的材料的熔點低於第一電極的材料的熔點；加熱該第一導電金屬層使其在熔融狀態下分別與第一電極和奈米碳管陣列的第一端相結合；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；在奈米碳管陣列的第二端形成一第二導電金屬層，該第二導電金屬層的材料的熔點低於第二電極的材料的熔點；及加熱該第二導電金屬層使其在熔融狀態下與第二電極和奈米碳管陣列的第二端相結合。
25. 一種奈米碳管陣列傳感器的製備方法，包括：提供一包括多個奈米碳管的奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括一第一端和與第一端相背的一第二端； 在所述奈米碳管陣列的第一端形成一第一親金屬層，該第一親金屬層的材料為鎂、鈀、鉻、鎳及鈦中的一種或幾種的組合；提供一第一電極；在第一電極的表面形成一第一導電金屬層，該第一導電金屬層的材料的熔點低於第一電極的材料的熔點；加熱該第一導電金屬層使其在熔融狀態下分別與奈米碳管陣列的第一端和第一電極相結合；在所述奈米碳管陣列的第二端形成一第二親金屬層；提供一第二電極；在奈米碳管陣列的第二端形成一第二導電金屬層，該第二導電金屬層的材料的熔點低於第二電極的材料的熔點；及加熱該第二導電金屬層使其在熔融狀態下與第二電極和奈米碳管陣列的第二端相結合。