專利名稱：碳納米管皮拉尼真空計及其真空度檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米機(jī)電系統(tǒng)中碳納米管皮拉尼真空計及其真空度檢測方法，具體地說，涉及一種包括單根碳納米管、多根碳納米管或碳納米管束的碳納米管皮拉尼真空計。
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，越來越多的MEMS器件需要真空環(huán)境以提高器件性能以及保證器件能夠更長時間的正常工作。如一些電子、機(jī)械以及光學(xué)傳感器，包括微諧振器、微陀螺儀、薄膜壓力傳感器、射頻MEMS元件，真空場發(fā)射器以及一些光學(xué)MEMS器件等。封裝腔體內(nèi)的真空度在很大程度上決定了器件的最終性能、工作的可靠性及其壽命，因此對封裝腔體中真空度的監(jiān)測就顯得非常重要?；诖税l(fā)展趨勢，微型MEMS皮拉尼真空計被提出并應(yīng)用于真空度的測試，其成為最早的、也是最重要的微機(jī)電產(chǎn)品。繼微機(jī)電系統(tǒng)之后，隨著納米科技的迅速發(fā)展，納機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)運而生。因其體積小、堅固耐用、成本低和易于制造， 利用新型納米材料構(gòu)建納米皮拉尼真空計是新的發(fā)展方向和研究熱點。一方面，新型納米材料能夠顯著提高器件性能，例如降低功耗、擴(kuò)大測量范圍以及提高靈敏度等。另一方面， 納米材料的引入可以進(jìn)一步減小傳感器尺度和重量，大大促進(jìn)了產(chǎn)品的多功能化發(fā)展，從而為皮拉尼真空計開辟出更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。碳納米管(carbon nanotube, CNT)是一種非常有潛力的新型納米功能材料。從 1991年日本電子顯微鏡專家飯島發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，碳納米管因其獨特而優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)及電子特性等在很多領(lǐng)域上展現(xiàn)應(yīng)用的潛力，主要包括納米電子學(xué)、量子線互連、場發(fā)射器件、復(fù)合材料、化學(xué)傳感器、生物傳感器、檢測器等領(lǐng)域。傳統(tǒng)皮拉尼真空計是基于氣體熱傳導(dǎo)特性的真空計，其結(jié)構(gòu)非常簡單，主要是一根直徑幾十微米的懸空金屬絲作為加熱和傳感電阻絲構(gòu)成。當(dāng)給電阻絲以恒定的電流或電壓加熱，隨著氣壓不同，氣體熱傳導(dǎo)特性不同，其恒定溫度不同，又電阻絲電阻隨溫度而改變，從而導(dǎo)致電阻隨氣壓而改變，達(dá)到測量真空度的目的。微型皮拉尼真空計也繼承了同樣的結(jié)構(gòu)，只是采用了能與微加工相兼容的材料和工藝。但由于微加工的局限，微型皮拉尼真空計不僅無法在尺度上有重大突破，電阻絲依然在微米量級，而且測量范圍較窄、靈敏度較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中皮拉尼真空計體積大、測量范圍小、靈敏度低等缺陷，本發(fā)明提供一種由碳納米管所組成的皮拉尼真空計，其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、工作溫度低、測量范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點，并能工作于多種環(huán)境氣體下?；谏鲜鎏技{米管皮拉尼真空計，本發(fā)明還提供一種該皮拉尼真空計的真空度檢測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種碳納米管皮拉尼真空計，包括襯底、相對設(shè)置的電極對和碳納米管；其中，電極對制作在襯底上，為碳納米管提供支撐，碳納米管的兩端分別搭載在電極上，所述電極對提供電學(xué)連接，通過電極對給碳納米管加恒定的電流或電壓加熱。(由于真空度不同氣體熱傳導(dǎo)特性不同，因此碳納米管恒定溫度不同，又碳納米管電阻隨溫度而變化，通過測量碳納米管電阻測得真空度)。所述襯底材料為絕緣體或者帶有絕緣層的非絕緣體。所述的電極對為金屬或其他非金屬類導(dǎo)體。所述電極對是叉指電極對或者是簡單的對電極。所述電極寬度大于lOnm，長度為大于lOnm，高度大于lOOnm，電極之間的距離大于 IOnm,電極對數(shù)至少1對。所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管、單根碳納米管或多根碳納米管或碳納米管束。本發(fā)明的碳納米管皮拉尼真空計可檢測低于100000 氣壓。一種碳納米管皮拉尼真空計的真空度檢測方法，其步驟包括1)制備上述一種碳納米管皮拉尼真空計；2)對該碳納米管皮拉尼真空計電極對兩端施加掃描電壓，測其電流得到該碳納米管皮拉尼真空計的電阻；3)在設(shè)定氣壓下對該碳納米管皮拉尼真空計電極對兩端施加掃描電壓，測其電流，通過提取出電阻值的方法最終得出不同氣壓下的電阻-氣壓關(guān)系；4)根據(jù)電阻-氣壓關(guān)系檢測封裝腔體內(nèi)的真空度。所述步驟1)碳納米管皮拉尼真空計制備方法包括以下步驟1-1)在襯底上制作出電極對，電極對的陰極陽極相對設(shè)置。1-2)將超聲后的碳納米管溶液覆蓋在上述電極之上；1-3)上述電極對施加交流電或直流電后，碳納米管在雙向電泳力的作用下被定向搭載于兩電極之間，形成碳納米管皮拉尼真空計。所述步驟2)施加掃描電壓的范圍為-1 IV。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的技術(shù)效果本發(fā)明的碳納米管皮拉尼真空計結(jié)構(gòu)簡單，體積小，性能穩(wěn)定，采用的碳納米管具有較高的電阻溫度系數(shù)和導(dǎo)電性，因此響應(yīng)快、氣壓測量范圍寬、靈敏度高、功耗低。而且其制造工藝簡單、成本低、成品率高、可靠性高。


圖1為本發(fā)明實施例中含多根碳納米管的皮拉尼真空計示意圖；圖2為大氣壓下，碳納米管皮拉尼真空計的電流與電壓關(guān)系曲線圖；圖3為空氣環(huán)境下，碳納米管皮拉尼真空計的電阻與氣壓關(guān)系曲線圖。其中，1-絕緣襯底，2-電極對，3-碳納米管，4-測量電路。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖1至圖3和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
本發(fā)明的碳納米管皮拉尼真空計包括一單根碳納米管或碳納米管束、多根碳納米管或碳納米管束，該碳納米管通過金屬電極對所提供的電學(xué)連接與外部測量電路相通。當(dāng)氣壓不同時，氣體熱傳導(dǎo)特性不同引起測試電路中碳納米管的電阻變化測得氣壓變化的值。該碳納米管皮拉尼真空計的氣壓測量范圍可通過使用不同類型或數(shù)量的碳納米管來調(diào)節(jié)。在本實例中，本發(fā)明的碳納米管皮拉尼真空計可檢測的氣壓范圍很寬10-60000 ，該范圍主要局限于真空測試臺可提供的可調(diào)范圍，其實際測量范圍可以更寬。本發(fā)明是基于下述原理對碳納米管皮拉尼真空計進(jìn)行I-V檢測時，碳納米管與金屬間可形成良好的歐姆接觸，其電阻值一般在ΜΩ量級，電阻值較大。碳納米管的電阻溫度系數(shù)為負(fù)值，且比一般金屬和半導(dǎo)體材料的絕對值大。當(dāng)碳納米管置于真空腔中時，通過電極對給其加恒定的電流或電壓加熱，一定氣壓下，其總熱傳導(dǎo)可達(dá)至平衡。因此，碳納米管上的溫度一定，其對應(yīng)電阻值一定。當(dāng)氣壓改變時，氣體熱傳導(dǎo)特性不同引起碳納米管恒定溫度不同，則碳納米管電阻隨溫度而變化，通過測量電阻的變化可測得氣壓變化的值。請參見圖1，即為本發(fā)明實施例的碳納米管皮拉尼真空計，其包括絕緣襯底1，采用二氧化硅層；金屬電極對2，采用梳狀電極結(jié)構(gòu)，并用W/Au材料制成，其具體幾何參數(shù)如下電極寬度為5 μ m,長度為30 μ m,電極之間的間距為5 μ m,電極對數(shù)為20對；多根碳納米管3，可選用單壁碳納米管，其兩端分別與金屬電極形成電學(xué)連接；測量電路4，與金屬電極對電學(xué)連接。制備方法包括以下步驟1)在襯底上制作出電極對，電極對的陰極陽極相對設(shè)置。2)將超聲后的碳納米管溶液覆蓋在上述電極之上；3)上述電極對施加交流電或直流電后，碳納米管在雙向電泳力的作用下被定向搭載于兩電極之間，形成碳納米管皮拉尼真空計。實施例中作為絕緣介質(zhì)的二氧化硅可以是其他絕緣體，如氮化硅或氧化鉿等，厚度也可調(diào)。實施例中的金屬Au可以為其他金屬，如Al，Pd，Pt等常用金屬，而W作為黏附層可以為Ti、Cr等。實施例中電極對可以由非金屬導(dǎo)體構(gòu)成，如多晶硅、石墨等。實施例中金屬電極對的尺寸和對數(shù)均可調(diào)。實施例中碳納米管類型可調(diào)，如單壁碳納米管、多壁碳納米管或不同直徑、不同長度的碳納米管等。圖2是本發(fā)明實施例在大氣壓下的電流與電壓關(guān)系曲線圖。測量時在電極對兩端施加掃描電壓，掃描范圍為-1 IV，其結(jié)果顯示該實施例器件在空氣下的I-V曲線為線性的歐姆接觸，電阻值為256ΜΩ。圖3是將碳納米管皮拉尼真空計樣品置于真空測試臺的真空腔內(nèi)，通過電極對給碳納米管加恒定的電流或電壓，通過調(diào)節(jié)真空臺測試臺內(nèi)的進(jìn)氣口閥門，可以有效控制碳納米管皮拉尼真空計的環(huán)境氣壓，在特定氣壓下提取出電阻值的方法最終得出不同氣壓下的電阻-氣壓關(guān)系曲線圖。由電阻-氣壓關(guān)系可確定器件的測量范圍、靈敏度及功耗等，并最終應(yīng)用于檢測封裝腔體內(nèi)的真空度。電阻-氣壓關(guān)系結(jié)果顯示該實施例器件在空氣下的測試范圍可達(dá)到10-60000Pa，平均靈敏度為25784 Ω/Pa，氣壓測試范圍內(nèi)的平均功耗為 63. Inff0
實施例中碳納米管皮拉尼計真空計可制備為電阻值從K Ω量級到G Ω量級不等， 測量范圍和靈敏度也均有所不同。實施例中碳納米管皮拉尼計真空計的各種測試適用于其他氣壓或氣體環(huán)境，如氮
氣、氣等O利用碳納米管作為真空計的電阻絲，不僅在尺度上從微米級陡降至納米級，而且碳納米管的替代能夠顯著提高器件性能。首先，碳納米管可以大大擴(kuò)大器件的高壓測量范圍。其次，碳納米管具有非常好的熱傳導(dǎo)性，可顯著提高器件靈敏度。最后，利用碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性能夠顯著降低功耗?？傊?，碳納米管的引入不僅顯著降低器件尺度，而且使器件性能得到大大提高，突破了傳統(tǒng)以及微型皮拉尼真空計高低壓測量局限，使其不再局限于真空度測量。以上通過詳細(xì)實施例描述了本發(fā)明所提供的碳納米管皮拉尼真空計，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形或修改；其特征也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管皮拉尼真空計，其特征在于，包括襯底、相對設(shè)置的電極對和碳納米管；其中，電極對制作在襯底上，為碳納米管提供支撐，碳納米管的兩端分別搭載在電極上， 所述電極對提供電學(xué)連接，通過電極對給碳納米管加恒定的電流或電壓加熱。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管皮拉尼真空計，其特征在于，所述襯底材料為絕緣體或者帶有絕緣層的非絕緣體。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管皮拉尼真空計，其特征在于，所述的電極對為金屬或其他非金屬類導(dǎo)體。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管皮拉尼真空計，其特征在于，所述電極對是叉指電極對或者是簡單的對電極。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管皮拉尼真空計，其特征在于，所述電極寬度大于lOnm， 長度為大于10nm，高度大于lOOnm，電極之間的距離大于lOnm，電極對數(shù)至少1對。
6.如權(quán)利要求1所述的碳納米管皮拉尼真空計，其特征在于，所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管、單根碳納米管或多根碳納米管或碳納米管束。
7.—種碳納米管皮拉尼真空計的真空度檢測方法，其步驟包括1)制備上述權(quán)利要求1所述的碳納米管皮拉尼真空計；2)對該碳納米管皮拉尼真空計電極對兩端施加掃描電壓，測其電流得到該碳納米管皮拉尼真空計的電阻；3)在設(shè)定氣壓下對該碳納米管皮拉尼真空計電極對兩端施加掃描電壓，測其電流，通過提取出電阻值的方法最終得出不同氣壓下的電阻-氣壓關(guān)系；4)根據(jù)電阻-氣壓關(guān)系檢測封裝腔體內(nèi)的真空度。
8.如權(quán)利要求7所述的真空度檢測方法，其特征在于，所述步驟1)碳納米管皮拉尼真空計制備方法包括以下步驟1-1)在襯底上制作出電極對，電極對的陰極陽極相對設(shè)置。1-2)將超聲后的碳納米管溶液覆蓋在上述電極之上；1-3)上述電極對施加交流電或直流電后，碳納米管在雙向電泳力的作用下被定向搭載于兩電極之間，形成碳納米管皮拉尼真空計。
9.如權(quán)利要求7所述的真空度檢測方法，其特征在于，所述步驟2)施加掃描電壓的范圍為-1 IV。
全文摘要
本發(fā)明公開了碳納米管皮拉尼真空計及其真空度檢測方法，該真空計主要包括襯底、相對設(shè)置的電極對和碳納米管；其中，電極對制作在襯底上，碳納米管搭載在電極對之間；通過電極對給碳納米管加恒定的電流或電壓加熱，由于真空度不同氣體熱傳導(dǎo)特性不同，因此碳納米管恒定溫度不同，又碳納米管電阻隨溫度而變化，通過測量碳納米管電阻測得真空度。本發(fā)明的碳納米管皮拉尼真空計結(jié)構(gòu)簡單，體積小，性能穩(wěn)定，采用的碳納米管具有較高的電阻溫度系數(shù)和導(dǎo)電性，因此響應(yīng)快、氣壓測量范圍寬、靈敏度高、功耗低。而且其制造工藝簡單、成本低、成品率高、可靠性高。
文檔編號B82Y15/00GK102313625SQ20111014021
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者于方舟, 張錦文, 李偉 申請人:北京大學(xué)