(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性材料に埋め込まれたカーボンナノチューブのマットにより形成され、１０００ＧＰａを上回るヤング率及び１００ＧＰａを上回る引張強度を有する複合構造体と、
前記複合構造体を支持し、圧力検出チャンバを画定するハウジングであって、前記複合構造体が、前記ハウジングによって支持され且つ圧力に応じてたわみ可能なダイアフラムを形成する、前記ハウジングと、
物理的パラメータに応答する前記複合構造体のたわみに応じたセンサ信号を引き出す複数の電極であって、少なくとも前記電極の１つが前記マットに接続し、前記センサ信号が、前記複合構造体によって形成されたダイアフラムのたわみの関数として、静電容量を表し、かつ、計測された圧力を表し、前記電極は、前記マットに接続された第１の電極と、前記複合構造体から間隔を空けて配置された第２の電極とを含む、前記電極と、
を備えることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記複合構造体は、１２００ＧＰａのヤング率及び１５０ＧＰａの引張強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記電極は、前記マットに接続されたソース電極及びドレイン電極と、前記複合構造体から間隔を空けて配置されたゲート電極とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記電極は、前記マットの対向する端部に接続された第１及び第２の電極を含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記絶縁性材料は誘電体層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
ハウジングと、
前記ハウジングによって支持され、圧力に応じてたわみ可能であり、１０００ＧＰａを上回るヤング率及び１００ＧＰａを上回る引張強度を有するナノスケール材料を含む、ダイアフラムであって、絶縁性材料内に埋め込まれたカーボンナノチューブのマットを含み、前記ダイアフラムと前記ハウジングの第１の部分とは、第１の圧力検出チャンバを画定し、前記ダイアフラムと前記ハウジングの第２の部分とは、前記ダイアフラムの前記第１の圧力検出チャンバとは反対側の第２の圧力検出チャンバを画定する、前記ダイアフラムと、
前記ダイアフラムに接続された第１及び第２の電極と、
を備えることを特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
前記マットは誘電体材料層の間に挟まれて構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記ハウジングによって支持され、前記ダイアフラムに加わる圧力の関数として変化する距離だけ該ダイアフラムから間隔を空けて配置されたゲート電極をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記ナノスケール材料は、１２００ＧＰａのヤング率を有することを特徴とする、請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記ナノスケール材料は、１５０ＧＰａの引張強度を有することを特徴とする、請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出デバイスに関する。特定的には、本発明は、ナノチューブ又はナノワイヤが高誘電性又は絶縁性薄膜の間に埋め込まれ又は挟まれた複合ダイアフラムを用いた検出デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のナノスケール材料の発見は、技術的観点からの大きな関心を引き起こしている。カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）は、その機械的、電気的、及び熱的特性のために注目を集めている。圧力、温度、ガス、及び他のパラメータを検出するためのカーボン・ナノチューブ技術の多大な用途が、多くの異なる検出機構を用いて提案されている。シリコン、ヒ化ガリウム、及びリン化インジウムのような材料の半導体ナノワイヤが開発され、そして可能性のある検出用途にも注目が集まっている。
【０００３】
カーボン・ナノチューブ又は半導体ナノワイヤを用いて提案されたセンサは、非特許文献１乃至非特許文献１６に記載されている。
【０００４】
ナノチューブ又はナノワイヤを用いたセンサはまた、Ｊｉｎによる特許文献１、Ｍｉｙａｊｉｍａ他による特許文献２、Ｃｈｅｎ他による特許文献３、Ｋｕｒｔｚによる特許文献４、及びＧｏｋｔｕｒｋによる特許文献５にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，２８６，２２６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８４８，３２０号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０００１７７８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１８８７８０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／００３６９０５号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊｏｈｎ  Ｌｉｕ、“Ｄｅｓｉｇｎ，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ”、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｆａｃｉｌｉｔｙ（２００２）。
【非特許文献２】Ｔａｋａｏ  Ｓｏｍｅｙａ他、“Ａｌｃｏｈｏｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．７、８７７−８８１（２００３）。
【非特許文献３】Ｔｓｕ−Ｗｅｉ  Ｃｈｏｕ他、“Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ａｒｒａｙｓ”、ＮＳＦ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｇｒａｎｔｅｓｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １６−１８、２００３。
【非特許文献４】Ｐａｏｌｏ  Ｌｕｇｌｉ、“Ｐｌａｓｔｒｏｎｉｃｓ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ，ｏｒｇａｎｉｃ  ａｎｄ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：ａｎ  ｏｖｅｒｖｉｅｗ”、Ｍｉｃｒｏ−Ｎａｎｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｐａｃｅ、Ｍａｙ、２００３。
【非特許文献５】Ｊｉａｎ  Ｗｕ、“Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”、Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ（２００４）。
【非特許文献６】Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｓｔａｒ他、“Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １６、Ｎｏ．２２、ｐａｇｅｓ  ２０４９−２０５２（２００４）。
【非特許文献７】Ｒａｎｄａｌ  Ｊ．Ｇｒｏｗ他、“Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  Ｏｎ  Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ（２００５）。
【非特許文献８】Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｆｏｒ  ＩＴＡＳ  ＭＳＦＴ、“Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｂａｓｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  ＮＤＥ”、Ａｐｒｉｌ、２００５。
【非特許文献９】Ｐｒｏｆ．Ｆｅｎｇ  Ｌｉｕ、Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｒ＆Ｄ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ、Ｆａｌｌ、２００５。
【非特許文献１０】Ｄａｎｖｅｒｓ  Ｅ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ他、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｐｕｒｉｆｉｅｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  Ｇｒｏｗｎ  Ｂｙ  Ｈｉｇｈ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｍｏｎｏｘｉｄｅ”、Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ７、２００５。
【非特許文献１１】Ｃ．Ｓｔａｍｐｆｅｒ他、“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ  Ｃａｒｂｏｎ−Ｎａｎｏｔｕｂｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”（２００６）。
【非特許文献１２】Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ  Ｄｒ．Ｃｈｒｉｓｔｏｆｅｒ  Ｈｉｅｒｏｌｄ、“ＦＥＭ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｂａｓｅｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”、Ｍｉｋｒｏ−  Ｕｎｄ  Ｎａｎｏｓｔｙｓｔｅｍｅ（２００６）。
【非特許文献１３】Ｃｈｕｎｙｕ  Ｌｉ、“Ａｔｏｍｉｓｔｉｃ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  Ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．３、２４７−２５４（２００６）。
【非特許文献１４】Ｉｎ−Ｍｏｏｋ  Ｃｈｏｉ他、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ”、Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉａ（２００６）。
【非特許文献１５】Ｓｉｎｈａ他、“Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”、Ｉｎｇｅｎｔａｃｏｎｎｅｃｔ（２００６）。
【非特許文献１６】ＮＡＳＡ、“Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ａｎｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｂａｓｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”（２００６）。
【発明の概要】
【０００７】
センサは、絶縁性材料に埋め込まれたナノチューブ又はナノワイヤのマットによって形成された複合構造体を有するたわみ可能コンポーネントを含む。ナノスケールのチューブ又はワイヤは、広い圧力範囲にわたって高分解能の圧力検出を可能にする弾性特性をもたらすことができる。その複合構造体は、約１０００ＧＰａを上回るヤング率及び約１００ＧＰａを上回る引張強度を有することができる。
【０００８】
検出されるパラメータ（例えば圧力）に応答するたわみ可能なコンポーネントのたわみは、センサ信号を生成する電極を用いて計測することができる。このコンポーネントのたわみは、例えば、抵抗、電圧又は静電容量の変化によって計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】誘電体又は絶縁性材料に埋め込まれたナノチューブ又はナノワイヤのダイアフラムを含む圧力センサの分解図である。
【図２】図１の圧力センサの動作を示す図である。
【図３】ダイアフラムのひずみが、ソースとドレインの間の抵抗又は電圧の印加電圧の関数としての変化によって計測される、ナノチューブ／ナノワイヤが埋め込まれたダイアフラムを用いる差圧センサの実施形態を示す。
【図４】埋込みナノワイヤ／ナノチューブ・ダイアフラムが、２つの検出用静電容量の共通板として機能する容量型差圧センサの実施形態を示す。
【図５】差圧が、ナノチューブ／ナノワイヤが埋め込まれたダイアフラムの抵抗の関数として検出される、差圧センサの実施形態を示す。
【図６】ナノチューブ／ナノワイヤのマットを有するたわみ可能複合構造体を有する流量センサを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、圧力センサ１０の形態における本発明の一実施形態の分解図を示し、これは誘電体層１６及び１８の間に挟まれ又は埋め込まれたナノワイヤ／ナノチューブ・マット１４により形成されたダイアフラム１２、ソース電極２０、ドレイン電極２２及びゲート電極２４を含む。
【００１１】
マット１４は、編み組み状にしてもしなくてもよいグリッド又はメッシュ状に配列された多数のカーボン・ナノチューブ又は半導体ナノワイヤによって形成される。ナノチューブ／ナノワイヤは、一般に、一方向に整列させるか、或いは２つ又はそれ以上の方向に整列させることができる。図１に示す実施形態において、ナノチューブ又はナノワイヤは半導体特性を有するが、カーボン・ナノチューブの場合、幾つかのナノチューブは、半導体ではなく導体とすることができる。ナノワイヤ／ナノチューブは、ソース電極２０とゲート電極２４の間に延びるナノワイヤ／ナノチューブが存在するようにマット１４に配列される。
【００１２】
マット１４を形成するナノチューブ／ナノワイヤは、約１０００ＧＰａを上回るヤング率及び約１００ＧＰａを上回る引張強度を有する。ナノワイヤ／ナノチューブのこれらの物理的特性は、ダイアフラム１２の弾性率及び引張強度を規定する。幾つかの実施形態において、マット１４は、カーボン・ナノチューブから形成され、約１２００ＧＰａのヤング率及び約１５０ＧＰａの引張強度を有する。
【００１３】
誘電体層１６及び１８は、一対の薄膜であり、マット１４の両側に配置され、マット１４が層１６と層１８の間に挟まれ又は埋め込まれた積層構造体を形成する。代替的に、マット１４を囲む誘電体層は、薄膜堆積プロセスによって形成することができる。層１６及び１８は、ダイアフラム１２の構造的完全性を維持し、流体圧力が加わるときにダイアフラム１２の漏れを防ぐように、マット１４を捕捉している。
【００１４】
図２は、センサ１０の１つの検出機構を示す図である。ダイアフラム１２は、ソース電極２０とドレイン電極２２の間に延び、ゲート電極２４から間隔を空けて配置されている。ゲート電圧ＶGがゲート電極２４に印加される。ソース２０とドレイン２２の間の電圧（ＶSD）は、ダイアフラム１２に対してゲート電極２４により印加されたゲート電圧ＶGの関数として変化することになる。
【００１５】
圧力がダイアフラム１２に加えられると、ダイアフラム１２とゲート電極２４の間の間隔が変化する。ダイアフラム１２のたわみの結果としての電界効果の変化が、ソース電極２０とドレイン電極２２の間の電圧ＶSD又は抵抗を変化させる。
【００１６】
別の実施形態により、図３は、差圧センサ３０を示し、これは半セル３２及び３４、中央ダイアフラム３６、ゲート電極３８及び４０、ソース電極４２、及びドレイン電極４４を含む。中央ダイアフラム３６は、図１のダイアフラム１２と同様の、半導体ナノワイヤ／ナノチューブのマットが誘電体又は絶縁性材料の中に挟まれ又は埋め込まれた複合ダイアフラムである。
【００１７】
半セル３２及び３４並びに中央ダイアフラム３６は、センサ３０の内部を第１の圧力チャンバ４６と第２の圧力チャンバ４８に分割する。流体圧力Ｐ1が、チャンバ４６に加えられ、一方圧力Ｐ2がチャンバ４８に加えられる。従って、中央ダイアフラム３６のたわみは、圧力差ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2の関数である。
【００１８】
ゲート電圧ＶG1がゲート電極４０に印加され、一方ゲート電圧ＶG2がゲート電極３８に印加される。ソース電極４２とドレイン電極４４の間の抵抗又は電圧を計測して、差圧ΔＰの示度を得ることができる。
【００１９】
図４は、容量型の差動センサである差圧センサ６０を示す。センサ６０は、半セル６２及び６４、中央ダイアフラム６６、ダイアフラム電極６８及び７０、並びにキャパシタ電極７２及び７４を含む。
【００２０】
中央ダイアフラム６６は、半セル６２と半セル６４の間の空間を、第１の圧力検出チャンバ７６と第２の圧力検出チャンバ７８とに分割する。中央ダイアフラム６６内のナノワイヤ又はナノチューブは、半導体性又は導電性とすることができる。第１の検出用静電容量Ｃ1が、チャンバ７６内の電極７２と、ダイアフラム電極６８及び７０との間に形成される。検出用静電容量Ｃ2は、チャンバ７８内の電極７４と、ダイアフラム電極６８及び７０との間に形成される。２つの静電容量Ｃ1及びＣ2は、差圧の関数として変化することになる。２つの静電容量は、信号処理回路によって１つの出力に変換され、差圧の示度を与える。
【００２１】
図５は、半セル８２及び８４、ダイアフラム８６、並びにダイアフラム電極８８及び９０を含む差圧センサ８０を示す。中央ダイアフラム８６は、圧力センサ８０の内部を検出チャンバ９２及び９４に分割する。
【００２２】
図５に示す実施形態においては、ダイアフラム８６のひずみの関数としての抵抗の変化が、差圧の検出に用いられる。電極８８と電極９０の間の抵抗は、ダイアフラム８６のたわみの関数として変化することになる。このたわみは差圧の関数である。ダイアフラム８６内のナノワイヤ又はナノチューブは、半導体性又は導電性、或いは２つの組合せとすることができる。
【００２３】
図６は、流体流路１０２、たわみ可能コンポーネント１０４、並びにキャパシタ・プレート１０６及び１０８を含む流量センサ１００を示す。たわみ可能コンポーネント１０４は、誘電体層の間に埋め込まれたナノチューブ／ナノワイヤ・マットの複合構造体である。たわみ可能コンポーネント１０４は、固定端１０４Ａにおいて流路１０２に取り付けられ、一方、自由端１０４Ｂは、流路１０２を通して流れる流体により可動である。たわみ可能コンポーネント１０４及びキャパシタ・プレート１０６は第１の静電容量Ｃ１を形成し、一方コンポーネント１０４及びキャパシタ・プレート１０８は第２の静電容量Ｃ２を形成する。Ｃ１及びＣ２の相対値は、流路１０２を通過する流体の方向及び流速の関数である。
【００２４】
各々の実施形態において、ナノチューブ及びナノワイヤの独特の物理的特性が、独特の高度に有利なセンサ特性をもたらす。ナノワイヤ／ナノチューブのマットによってもたらされる高いヤング率は、非常に高い分解能の圧力検出を与える。高い降伏強度は、非常に高い動作圧力に耐えられる強度の大きなセンサを与える。その結果、１０ｐｓｉから１０，０００ｐｓｉに至る範囲の圧力を検出することができる圧力センサを実現することができる。
【００２５】
埋込みナノワイヤ／ナノチューブを有するたわみ可能コンポーネントは、非常に軽量な構造体を提供すると同時に高い引張強度をもたらす。このコンポーネントは、絶対圧力、差圧、ゲージ圧力、又は流速を検出するのに用いることができる。また、温度及び高度のような他のパラメータを計測するのに用いることができる。
【００２６】
本発明は、好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、形状及び細部に変更を加えることができることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００２７】
１０：圧力センサ
１２：ダイアフラム
１４：ナノワイヤ／ナノチューブ・マット
１６、１８：誘電体層
２０：ソース電極
２２：ドレイン電極
２４：ゲート電極
３０：差圧センサ
３２、３４：半セル
３６：中央ダイアフラム
３８、４０：ゲート電極
４２：ソース電極
４４：ドレイン電極
４６：第１の圧力チャンバ
４８：第２の圧力チャンバ
６０：差圧センサ
６２、６４：半セル
６６：中央ダイアフラム
６８、７０：ダイアフラム電極
７２、７４：キャパシタ電極
７６：第１の圧力検出チャンバ
７８：第２の圧力検出チャンバ
８０：差圧センサ
８２、８４：半セル
８６：ダイアフラム
８８、９０：ダイアフラム電極
９２、９４：検出チャンバ
１００：流量センサ
１０２：流体流路
１０４：たわみ可能コンポーネント
１０４ａ：固定端
１０４ｂ：自由端
１０６、１０８：キャパシタ・プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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