(57)【要約】  本発明は、電場及び／または音波の影響の下で振動が可能な少なくとも一つの薄膜（１０５、２０５）を含み、前記薄膜が、並置されたナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノビームの一つ以上の層（３０１から３０６）よりなる容量性電気音響ＣＭＵＴ変換器に関連しており、及びそのような変換器を含むＵＨＦソーナーの音響画像デバイスに関連している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃＭＵＴ容量性電気音響変換器であって、
電場及び／または音波の影響の下で振動するように作られた少なくとも一つの薄膜（１０５、２０５ａ、２０５ｂ、７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃ、７０５ｄ）を含んでおり、
前記薄膜は、ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層（３０１から３０６）から形成されているｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項２】
前記薄膜（１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）は、平行なナノチューブ及び／または平行なナノワイヤー及び／または平行なナノロッドの少なくとも一つの層から形成されている請求項１に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項３】
前記薄膜（１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）は、整列されたナノチューブ及び／または整列されたナノワイヤー及び／または整列されたナノロッドの平行な行から形成されている請求項２に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項４】
前記薄膜は、ファン・デル・ワールス相互作用の平衡距離のオーダの距離により隔てられた平行なナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層（３０１−３０６）から形成されている請求項１ないし３のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項５】
前記薄膜は同様に、前記ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドに接続された「接続」層と呼ばれる少なくとも一つの層（３２２、３３２、４２０、５２０）から形成されている請求項１ないし４のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項６】
前記接続層は、前記薄膜の全ての前記ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドよりもより変形可能である請求項５に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項７】
前記薄膜は、もっぱらナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドからなるコアを有している請求項１ないし６のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項８】
前記薄膜（３０５）は、
−第１の限界寸法のナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層（３０１、３０２、３０３）と、
−前記第１の限界寸法とは異なる第２の限界寸法のナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層（３０６、３０７、３０８）と、
を含んでいる請求項１ないし７のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項９】
前記薄膜は、第１の方向に整列されたナノチューブ（６０１ａ）及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの少なくとも第１の層（６１０）から、及び前記第１の方向に直交する第２の方向に整列されたナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの少なくとも第２の層から形成されている請求項１ないし８のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１０】
その上で薄膜が振動することを目的としている少なくとも一つのキャビティ（１１０、１７０）を同様に含んでいる請求項１ないし９のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１１】
ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層から形成され、数個のキャビティ上に位置された少なくとも一つの薄膜を含む請求項１０に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１２】
数個の薄膜（２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ）を含み、各々はナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層から形成され、前記薄膜は前記同一のキャビティ（７１０）上に位置されている請求項１０または１１に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１３】
薄膜（１５０）が、数個のキャビティまたはキャビティのマトリクス（７０３１１、７０３１２、７０３１３、７０３２１、７０３２２、７０３２３、７０３３１、７０３３２、７０３３３）上に位置されている請求項９ないし１２のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１４】
数個の重ね合わさった薄膜を含み、各々はナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層から形成され、前記薄膜は異なる配列を有している請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１５】
前記キャビティの一つ以上が閉ざされている請求項１０ないし１４のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１６】
前記薄膜を作動させる少なくとも一つの電極（１０７、２０７）と、少なくとも一つ検出電極（１０７、２０７）と、を同様に含んでいる請求項１ないし１５のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１７】
前記電極に固定電位を印加するための手段（２１０）、及び／または前記電極に可変電位を印加するための手段（２１２）、及び／または容量メーターを形成するための手段（２２０）を同様に含んでいる請求項１６に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれか一項に記載のｃＭＵＴ容量性電気音響変換器のマトリクスを含む音響画像デバイスまたはＵＨＦソーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、「ｃＭＵＴ」と呼ばれる容量性の種類のマイクロ加工された電気音響変換器の分野に関し、改善された薄膜を含む一つ以上のｃＭＵＴ変換器が装着されたデバイスを提供する。
【０００２】
本発明は、特に、前記薄膜の剛性及び厚さ、前記デバイスの操作周波数範囲の拡張、及びバンド幅に関する改良を与える。
【０００３】
それはとりわけ、高周波音響映像の分野に適用される。
【背景技術】
【０００４】
超音波音響波を生成及び検出するための装置は、マイクロシステムまたはマイクロデバイスの薄層を製造するための技術により製造されたマイクロ加工超音波変換器、すなわち、音響エネルギーを電気エネルギー及びその逆に転換することのできるデバイスを含むことができる。
【０００５】
いくつかの種類の変換器が区別される。
−圧電性要素から形成されるｐＭＵＴ変換器（ｐＭＵＴは「圧電性ＭＵＴ」）
−動作原理が磁気歪みに基づくｍＭＵＴ変換器（ｍＭＵＴは「磁気歪みＭＵＴ」）
−静電力を用いるｃＭＵＴ変換器（容量性ＭＵＴ）
【０００６】
圧電性セラミック（ｐＭＵＴｓ）から生産される超音波変換器において固体媒体で音響波を生成することは、これらの音響インピーダンスが、波を生成する前記固体材料のものと同じ大きさのオーダであるため、部分的に安定である。逆に、液体媒体におけるｐＭＵＴ変換器の利用は、インピーダンス不整合の問題を引き起こす。
【０００７】
この問題を扱うために、圧電性複合材料を有する変換器を利用することができる。これらの変換器において、４分の１波長層のようなインピーダンス整合層が、前記変換器の圧電性セラミック材料に加えられる。これは、そのような変換器の製造をより複雑にするという不利益を有している。
【０００８】
ｐＭＵＴ変換器に代わるものは、磁気歪みの効果に基づいて作動するｃＭＵＴ変換器の利用である。
【０００９】
そのような変換器は、電極として作用する金属板の上に位置された電気めっきされた薄膜から形成されることができ、及び例えば空気中または水中での超音波を放射するために設計されることができる。
【００１０】
これらの変換器の作動は、電圧がこの金属板に印加されるときに薄膜と金属板との間の静電引力に基づいている。波長受信モードにおいて、前記音響波により引き起こされた薄膜の振動は、容量の変化によって、または歪みゲージによって測定されうる。
【００１１】
ｃＭＵＴの主な利点の一つは、低い音響インピーダンスであり、これはそれ故、液体媒体における使用を適切にさせる。
【００１２】
超音波変換器は、例えば特許文献１で説明されているような音響映像デバイスを形成するために、マトリクス内に配置されることができる。
【００１３】
ｃＭＵＴ変換器は一般的に、金で被覆された窒化シリコンベースの薄膜から形成され、及びドープシリコン板の後面に位置される。
【００１４】
非特許文献１において、そのようなｃＭＵＴ変換器の例が与えられている。
【００１５】
非特許文献２において、アルミナで作られた薄膜を有するｃＭＵＴ変換器の例となる実施形態が同様に与えられている。
【００１６】
マイクロ機械加工によるｃＭＵＴ変換器の生産は同様に、薄膜を取り除く段階を一般的に備えている。
【００１７】
薄膜を堆積する段階の前に犠牲層を構築する段階と、前記犠牲層を除去できるように前記薄膜内に孔を形成する段階と、及びそれから前記薄膜を取り除いた後に前記孔を密閉する段階と、よりなる方法は特許文献２において与えられている。
【００１８】
別の方法は、構造化基板上に独立して製造された薄膜を堆積する段階よりなる。
【００１９】
既存の堆積法は、十分に高い形状因子を有して薄膜を製造することが可能でなく、前記薄膜は一般的に非常に小さな領域に対して非常に薄く形成されるので、小さなサイズのｃＭＵＴの生産は、それ故、実施するのが困難である。
【００２０】
前記取り除く方法は同様に、前記薄膜を脆くする傾向にある。
【００２１】
さらに、そのような方法を用いて得られた前記ｃＭＵＴ変換器は、アクセス可能な周波数の範囲、例えば、２０ｋＨｚから１０ＭＨｚを有している。
【００２２】
変形抑制材料の層を含むｃＭＵＴ変換器は、特許文献３において開示されている。
【００２３】
特許文献４は、その一例として、いくつかある機能の中で、前記薄膜の質量及び剛性が独立して変化でき、デバイスの改善された反応度を導く二次構造を含む薄膜を有したｃＭＵＴ変換器を開示している。
【００２４】
そのようなデバイスは、その利用の複雑さ、製造コスト、その制限、及びアクセスされることのできる操作周波数に関する問題を引き起こす。
【００２５】
特許文献５において、送信と受信が結合されていない積層体から形成されたデバイスが提案されている。
【００２６】
前記変換器のバンド幅と効率が、この方法により増大される。そのようなデバイスは、利用の複雑さ、及び生産コストに関する問題を顕著に引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】ＥＰ  １  ４１４  ７３９  Ｂ１
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０１６１８９６  Ａ１号明細書
【特許文献３】仏国特許出願公開第２  ８８０  ２３２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０２１５９６４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／０１１６５８５号明細書
【特許文献６】国際公開第２００７／１２６４１２  Ａ２号
【００２８】
【非特許文献１】Surface Micromachined Capacitive Ultrasonic Transducers, I. Ladabaum, IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and frequency control, Vol 45 No 3, 1998
【非特許文献２】"Measurement of Nano-displacement based on in-plane suspended gate MOSFET detection compatible with a front-end CMOS process" by E. Colinet et al. in 2008 IEEE Int. solid-state circuits conf, session 18, MOS MEDLEY, 18.2.
【非特許文献３】Langmuir Blodgett films of Single-Wall Carbon Nanotubes: Layer-by-layer deposition and in-plane orientation of nanotubes Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. 7629−7634
【非特許文献４】Frequency Dependence of the structure and electrical behaviour of carbon nanotubes assembled by dielectrophoresis Nanotechnology 16 (2005) 759−763.
【非特許文献５】Synthesis of graphene based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide Carbon 45 (2007) 1558−1565
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
上で述べた不利点と比較して改善を示すｃＭＵＴ変換器を有する新たなデバイスを探すことの問題が引き起こされる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明は、ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの層からそれぞれ形成された一つ以上の薄膜を含むｃＭＵＴ型の容量性電気音響変換器セルを用いる。
【００３１】
「ナノワイヤー」または「ナノロッド」または「ナノチューブ」とはここでは、０．５ｎｍと５μｍの間の限界寸法または（ナノワイヤーまたはナノチューブの場合は）限界半径を有する棒状の形態にある要素を意味している。
【００３２】
ナノワイヤーは、丸いプロファイルを有した円筒形または概略円筒形であることができる。
【００３３】
ナノロッドは、平行六面体形または概略平行六面体形であることができる。
【００３４】
「ナノチューブ」は、中空の中心部分を有し、０．５ｎｍと５μｍの間にありうる直径を有する棒状を意味することが意図されている。
【００３５】
前記ナノワイヤーまたはナノロッドまたは前記ナノチューブの長さは、例えば５０ｎｍと１ｍｍの間にあることができる。
【００３６】
そのようにして本発明は、電場及び／または音波の効果の下で振動するように設計された少なくとも一つの薄膜を含むｃＭＵＴ型の容量性電気音響変換器を考慮しており、前記薄膜は、並置されたナノチューブ及び／または並置されたナノワイヤー及び／またはナノロッドで形成された一つ以上の層から形成されている。
【００３７】
前記薄膜は、相互に平行なナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの少なくとも一つの層から形成されうる。
【００３８】
薄膜内のナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドのアセンブリは、本発明の変換器が、小型及び剛性である一方、超音波変換器の作動機能を達成するＮＥＭＳ共鳴装置の性能特性の利益を享受することを可能にしている。言い換えると、本発明による変換器は小さく、及び高い作動振動数を有している。
【００３９】
一つの可能な手段によると、前記デバイスは、ファン・デル・ワールス相互作用の平衡距離のオーダの距離により隔てられた平行なナノチューブ及び／またはナノワイヤー及びナノロッドの一つ以上の層からそれぞれ形成された一つ以上の薄膜を含んでいてもよい。
【００４０】
この薄膜は、少なくとも一つのキャビティの上に位置されてもよく、及び前記デバイスがエミッションモードにあるとき、電場の効果の下で振動するように設計されてもよい。
【００４１】
前記薄膜は、前記デバイスがレセプションモードにあるとき、音波の効果の下で振動するように設計されうる。
【００４２】
そのようなデバイスは、特に流体媒体、場合により物理的性質の一つ以上の勾配、及び場合により固体含有を有しており、及び場合により不規則な境界を有する流体媒体で、高周波が生成及び検出されることを可能にする。
【００４３】
一つの実現性によると、前記薄膜は、ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及びナノロッドに取り付けられた一つ以上の「接続」層を含みうる。
【００４４】
別の実現性によると、前記薄膜は同様に、ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及びナノロッドに取り付けられた一つ以上の「接続」層から形成されうる。
【００４５】
そのような層は、前記ナノワイヤー、ナノチューブ及び／またはナノロッドが接続され、及び／または前記薄膜を密封することを可能にするように設計されうる。
【００４６】
前記接続層の基体は、前記薄膜のナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの層よりも変形可能となるように選択された材料であることができる。
【００４７】
前記薄膜は、
−第１のサイズ、特に第１の限界寸法のナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドの一つ以上の層
−前記第１のサイズとは異なる第２のサイズ、特に第１の限界寸法とは異なる第２の限界寸法のナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドの一つ以上の層
を含んでいてもよい。
【００４８】
これは、例えば、バンド幅が増大され、作動周波数が調節され、及び／またはエミッション及びレセプション周波数が結合されることを可能にしている。
【００４９】
可能な手段によると、前記薄膜は、第１の方向に整列されたナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの少なくとも第１の層、及び前記第１の方向に垂直する第２の方向に整列されたナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの少なくとも第２の層から形成されうる。
【００５０】
特定の手段によると、前記薄膜は、ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の層から形成されうる。
【００５１】
この場合、一つの可能性によると、前記薄膜は、ナノチューブ及び／またはナノロッド及び／またはナノワイヤーの少なくとも一つの層に取り付けられたグラフェンベースの少なくとも一つの層を含みうる。
【００５２】
ナノチューブ、ナノワイヤー、またはナノロッドの層で形成された薄膜を覆うことの事実は、その機械的性質無しに、前記薄膜の不浸透性及び作動効率の度合いが保証されることを可能にしている。
【００５３】
別の可能性によると、前記薄膜は、少なくとも第１のグラフェンの層と少なくとも第２のグラフェンの層との間に挿入された一つ以上のナノチューブの層、及び／またはナノロッドの層、及び／またはナノワイヤーの層から形成されうる。
【００５４】
特定の手段によると、前記薄膜は、単にナノワイヤー及び／またはナノロッド及び／またはナノチューブよりなる自立コアから形成されうる。
【００５５】
容量性電気音響変換器は同様に、少なくとも一つの作動及び／または検出電極と、及びその上で薄膜が振動することが意図されている少なくとも一つのキャビティと、を含むことができ、前記薄膜は、前記キャビティに面して位置されている。
【００５６】
前記容量性電気音響変換器は同様に、
−前記電極に固定電位を印加するための手段と、
−前記電極に可変電位を印加するための手段と、
を含むことができる。
【００５７】
この場合、前記変換器は放出器として、または放出器／受信器として作動するように設計されることができる。
【００５８】
前記容量性電気音響変換器は、
−前記電極に固定電位を印加するための手段と、
−容量メーターを形成する手段と、
を含むことができる。
【００５９】
この場合、前記変換器は受信器として、または放出器／受信器として作動するように設計されることができる。
【００６０】
可能な手段によると、前記容量性電気音響変換器は同様に、
−少なくとも一つの第１の電極と、その上で薄膜が振動することが意図されている少なくとも一つのキャビティであって、前記薄膜は前記第１のキャビティに面して位置されているキャビティと、
−少なくとも一つの第２の電極及び少なくとも一つの第２のキャビティであって、前記第２の電極及び前記第２のキャビティに面する薄膜は、振動することが意図されている電極及びキャビティと、
を含むことができる。
【００６１】
可能な手段によると、前記第１のキャビティは、例えば、前記第２のキャビティが前記デバイスの受信部を形成することを目的とすることができるのに対して、前記デバイスの放出部を形成することを目的とすることができる。
【００６２】
前記変換器の可能な手段によると、同一の薄膜が前記第１のキャビティと前記第２のキャビティに面して位置されることができる。
【００６３】
可能な手段によると、前記変換器は、同一のキャビティ上に位置された複数の薄膜を含むことができる。
【００６４】
可能な手段によると、前記変換器は、いくつかのキャビティまたはキャビティのマトリクス上に位置された一つの薄膜を含むことができる。
【００６５】
前記変換器は、同一のキャビティの上に、または面して位置されるいくつかの薄膜を含むことができる。
【００６６】
本発明は同様に、上で述べたようなｃＭＵＴ型容量性電気音響変換器のマトリクスを含むＵＨＦ音響またはソーナー画像デバイスに関係している。
【００６７】
純粋に示し、及び表示として、且つ決して限定することなく与えられた実施形態の例示の説明を読み、添付された図面を参照することにより、本願発明はより理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】ナノチューブ、ナノワイヤー、またはナノロッドより形成された薄膜を含む、本発明によるｃＭＵＴ変換器の例を横断面図により図示している。
【図１Ｂ】ナノチューブ、ナノワイヤー、またはナノロッドより形成された薄膜を含む、本発明によるｃＭＵＴ変換器の例を上面図により図示している。
【図２Ａ】本発明による放射器、または受信器、または放射−受信器として個々に作動するｃＭＵＴの例を図示している。
【図２Ｂ】本発明による放射器、または受信器、または放射−受信器として個々に作動するｃＭＵＴの例を図示している。
【図２Ｃ】本発明による放射器、または受信器、または放射−受信器として個々に作動するｃＭＵＴの例を図示している。
【図２Ｄ】本発明による放射器、または受信器、または放射−受信器として個々に作動するｃＭＵＴの例を図示している。
【図２Ｅ】本発明による放射器、または受信器、または放射−受信器として個々に作動するｃＭＵＴの例を図示している。
【図３】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスのパルス操作の例を図示している。
【図４】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスのトランジエント操作の例を図示している。
【図５】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの永久操作の例を図示している。
【図６Ａ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の例におけるナノチューブのネットワークから形成された薄膜を図示しており、前記薄膜が横断面図で示されている。
【図６Ｂ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の例におけるナノチューブのネットワークから形成された薄膜を図示しており、前記薄膜が上面図で示されている。
【図７Ａ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜を図示しており、前記薄膜はナノチューブの高密度ネットワークで形成されており、横断面図で示されている。
【図７Ｂ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜を図示しており、前記薄膜はナノチューブの高密度ネットワークで形成されており、上面図で示されている。
【図８Ａ】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの薄膜を形成する、または薄膜内に含まれるナノチューブのネットワークの様々な配列を図示している。
【図８Ｂ】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの薄膜を形成する、または薄膜内に含まれるナノチューブのネットワークの様々な配列を図示している。
【図８Ｃ】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの薄膜を形成する、または薄膜内に含まれるナノチューブのネットワークの様々な配列を図示している。
【図８Ｄ】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの薄膜を形成する、または薄膜内に含まれるナノチューブのネットワークの様々な配列を図示している。
【図９Ａ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜内のナノワイヤー、またはナノチューブ、またはナノロッドのネットワークの様々な配列を図示している。
【図９Ｂ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜内のナノワイヤー、またはナノチューブ、またはナノロッドのネットワークの様々な配列を図示している。
【図９Ｃ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜内のナノワイヤー、またはナノチューブ、またはナノロッドのネットワークの様々な配列を図示している。
【図９Ｄ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜内のナノワイヤー、またはナノチューブ、またはナノロッドのネットワークの様々な配列を図示している。
【図９Ｅ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜内のナノワイヤー、またはナノチューブ、またはナノロッドのネットワークの様々な配列を図示している。
【図９Ｆ】本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜内のナノワイヤー、またはナノチューブ、またはナノロッドのネットワークの様々な配列を図示している。
【図１０Ａ】異なる方向に配列されたナノチューブのいくつかの層から形成されたｃＭＵＴ変換器の薄膜を、上面図により図示している。
【図１０Ｂ】異なる方向に配列されたナノチューブのいくつかの層から形成されたｃＭＵＴ変換器の薄膜を、横断面図により図示している。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明によるｃＭＵＴデバイスの共鳴周波数グラフの例を与えており、１μｍ長さのナノチューブで形成された薄膜及び１ｎｍ半径のナノチューブで形成された薄膜を含んでおり、空気及び水中の薄膜に対するデジタルシミュレーションをそれぞれ用いて得られている。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明によるｃＭＵＴデバイスの共鳴周波数グラフの例を与えており、１μｍ長さのナノチューブで形成された薄膜及び１ｎｍ半径のナノチューブで形成された薄膜を含んでおり、空気及び水中の薄膜に対するデジタルシミュレーションをそれぞれ用いて得られている。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明によるｃＭＵＴデバイスの共鳴周波数グラフの例を与えており、１ｎｍ半径のナノチューブで形成された薄膜及びヤング率１ＴＰａの薄膜を含んでおり、空気及び水中での測定をそれぞれ用いて得られている。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明によるｃＭＵＴデバイスの共鳴周波数グラフの例を与えており、１ｎｍ半径のナノチューブで形成された薄膜及びヤング率１ＴＰａの薄膜を含んでおり、空気及び水中での測定をそれぞれ用いて得られている。
【図１３】密閉されたキャビティを含む本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの例を図示している。
【図１４】本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスにおける長方形のキャビティの例を図示している。
【図１５】同一のキャビティと向かい合ういくつかの薄膜を含む、本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの例を図示している。
【図１６】いくつかのキャビティと向かい合う一つの薄膜を含む、本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの例を図示している。
【図１７】上下に配置され、異なる方向に配列された、いくつかの薄膜を含む、本発明によるｃＭＵＴ変換器デバイスの例を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
様々な図の同一の、類似のまたは等しい部分は、一つの図から別への推移を容易にするために同一の参照番号を有している。
【００７０】
図に示された様々な部分は、図をより読みやすくするために、均一な大きさで示される必要はない。
【００７１】
少なくとも一つのｃＭＵＴマイクロ製造超音波変換器を含む、本発明によるデバイスの例が、図１Ａ及び１Ｂにおいて与えられている（図１Ａは前記デバイスの横断面図Ｘ’Ｘを示しており、図１Ｂにおいて前記デバイスの上面図が与えられている）。
【００７２】
前記セルは、少なくとも一つの電極１０７を含み、これは例えば、金ベースの金属であり、及び電気的接地の役割を果たしうる導電ゾーン１０３ａ、１０３ｂが位置しているシリコンまたはシリコン酸化物の基部を有する基板１００上に位置されている。
【００７３】
前記セルは同様に、少なくとも一つの薄膜１０５を含んでおり（図１Ａにおいて振動していることが示されている）、その端部は、前記薄膜１０５を接地するためにゾーン１０３ａ、１０３ｂに接続されている。
【００７４】
薄膜１０５は、例えばＳｉＯ２のような絶縁材料で作られた基部を有するブロック１０４により支持されてもよく、前記薄膜が横たわるのを防ぐ。前記ブロック１０４は、前記薄膜１０５が、前記電極１０７を露呈させるキャビティ１１０の上に保たれることを可能にさせており、前記薄膜１０５は振動することが意図されている。
【００７５】
前記キャビティ１１０の深さ（図１Ａ及び１Ｂにおいて与えられた直交座標
【００７６】
【数１】
2012509631.tif 000003
【００７７】
のベクトル
【００７８】
【数２】
2012509631.tif 000004
【００７９】
と平行な方向に定義されている）は、例えば、１００ｎｍのオーダ、または、例えば、１００ｎｍと１０００ｎｍの間でありうる。
【００８０】
前記キャビティ１１０は、例えば、長方形または正方形の形状であってもよく、この水平寸法（図１Ａ及び１Ｂにおいて与えられた平面
【００８１】
【数３】
2012509631.tif 000005
【００８２】
と平行な方向に定義されている）は、１μｍのオーダであってもよく、または例えば、３００ｎｍと３μｍの間であってもよく、操作周波数、前記薄膜１０５の振動強度のような前記デバイスの所定の操作パラメータを最適化するために調節される。
【００８３】
前記薄膜１０５は、ナノチューブ、例えばＳｉのような半導体材料の基体を有するか、またはＳｉ３Ｎ４のような誘電体材料の基体を有するカーボンナノチューブ、ナノワイヤー、ナノロッドから形成されうる。前記ナノチューブ、またはナノワイヤー、またはナノロッドは単一層、または上下に配置された、いくつかの層内に配列されうる。
【００８４】
前記薄膜１０５は、整列されたナノワイヤーまたはナノロッドの並列行で形成されてもよい。
【００８５】
前記ナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドは、互いに平行することができ、非常に強いファン・デル・ワールスタイプの側面相互作用が得られることを可能にしている。
【００８６】
整列され、及び平行なナノワイヤーまたはナノチューブで形成された薄膜は、結晶材料の基体を有する層から形成された従来の薄膜のものよりもっと高いヤング率を有しうる。加えて、これらのナノチューブ、ナノワイヤー、及びナノロッドの小さな半径に起因して、この方法で形成された薄膜は従来の薄膜のものより小さな、１ナノメートルのオーダの厚さを有している。
【００８７】
前記ナノワイヤー、ナノチューブ、またはナノロッドは、いくつかの層または厚さにわたって分布されることができる。
【００８８】
これらの平均特性、例えば平均半径の範囲で前記ナノチューブの分散を修正することにより、前記薄膜が振動するように意図された周波数の範囲、同様に前記デバイスのバンド幅を修正することが可能である。
【００８９】
そのような薄膜は同様に、その増加された剛性に加えて、厚さがナノメートルの割合の精度で制御されることができるという利点を有している。
【００９０】
前記薄膜は同様に、親水性または疎水性で作られる。これはとりわけ、前記薄膜がカーボンナノチューブの基体を有しているとき容易にされる。
【００９１】
使用されるナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドの種類を修正することにより、前記薄膜の密度、剛性または厚さのような所定の物理的パラメータを制御することを可能にしている。
【００９２】
前記薄膜１０５は、前記ナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドが接続されることを可能にさせ、及び場合によって、密閉を提供し及び／またはその機械的性質を減ずることなく前記薄膜の活性効率の度合いを保証することを可能にさせるように、「接続」シートまたは層と呼ばれる一つ以上のシートまたは層を含むことができる。
【００９３】
例えば、前記薄膜１０５が並列するナノチューブの一つ以上の層から形成される場合、前記「接続」層は、例えば、一つ以上のグラフェン層の形態であることができる。
【００９４】
前記ナノチューブへの一つ以上のグラフェン層の追加は、少数のシート及び前記ナノチューブのものよりとても低いこれらの層のヤング率に起因して、前記薄膜の移動を減ずることなく前記薄膜の密着性と密閉性が改善されることを可能にする。
【００９５】
場合により、前記薄膜のより大きな密閉性と密着性を可能にする、グラフェン以外の材料の基体を有する接続層が利用されてもよい。
【００９６】
前記接続層は、前記薄膜のナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドよりも大きく変形可能な材料の基体で設計されてもよい。
【００９７】
例えば、等しいかまたはおおよそ等しいヤング率が与えられると、前記薄膜の全てのナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドよりも少なくとも５倍低い慣性モーメントを有するように、前記接続層は設計されうる。別の実現性により、等しいかまたはおおよそ等しい慣性モーメントが与えられると、前記ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドにより形成されたアセンブリよりも少なくとも５倍低いヤング率を有するように、前記接続層は設計されうる。
【００９８】
前記薄膜１０５は、前記キャビティ１１０を囲う領域において、その一部に横たわって、例えばアルミニウム基材を有する金属ゾーン１１２ａ、１１２ｂで被覆されうる。前記ゾーン１１２ａ、１１２ｂの金属材料の前記薄膜への接触は、例えば、酸化、ＲＩＥ処理（ＲＩＥとは「反応性イオンエッチング」を示す）、または前記ナノチューブの機能化、例えばＣＯＯＨ基を用いる機能化により向上されうる。
【００９９】
そのような金属ゾーン１１２ａ、１１２ｂは、前記薄膜と前記支持体との間の乏しい接続に関して、エネルギーの損失と動作周波数の減少を制限するために、前記薄膜１０５が前記キャビティ１１０の端部に取り付けられることを可能にすることができる。
【０１００】
波を生成するためにＤＣ分極電圧、及び同様にＡＣ電圧が電極１０７に印加される。
【０１０１】
入射波を検出するために、ＤＣ分極電圧が前記薄膜１０５に印加される。周囲の流体の移動は、前記薄膜１０５の振動を引き起こす。これらの振動は、前記電極１０７と薄膜１０５との間の可変容量測定により検出される。
【０１０２】
例えば、非特許文献２で説明されたような検出方法を用いることが可能である。
【０１０３】
別の電圧が与えられる場合、放射波とターゲット媒体により反射された波との間の相互作用を検出するために、放射状態にある前記薄膜１０５において容量の変化を検出することが可能である。
【０１０４】
説明されてきたｃＭＵＴセルの実施例の変形によると、単一の薄膜１０５が位置される二つの非常に近接したキャビティを有するデバイス、または第１の薄膜が位置される第１のキャビティと第２の薄膜が位置されて、前記第１の薄膜とは分離される第２のキャビティとを含むデバイスを実装することが可能である。この場合、第１のキャビティは、第２のキャビティが受信部のために設計されることができると同時に、前記デバイスの放射部を生産するために設計されることができる
【０１０５】
両方のキャビティが十分に近いとき、例えばｄ＜＜λとなるような距離ｄで隔てられているとき、受信キャビティ内の入射波は放出キャビティ内の入射波と一致しており、測定が容易である。
【０１０６】
図２Ａから２Ｅにおいて、ｃＭＵＴセルの配置の様々な例とこれらのセルの動作モードが与えられる。
【０１０７】
図２Ａにおいて、図１Ａ及び１Ｂに関連して上で説明された種類のｃＭＵＴ変換器セルが与えられる。このセルは、音響波放射器２００として動作し、電極１０７に面するキャビティ１１０内で振動することが意図されている薄膜１０５を含んでいる。前記デバイスは同様に、前記電極１０７に可変電位Ｖａを印加するための手段２１０と、前記薄膜１０５に固定電位Ｖｓを印加するための手段２１２が装着されている。
【０１０８】
図２Ｂにおいて、図２Ａ及び２Ｂに関連して上で説明された種類のｃＭＵＴ変換器セルが同様に示されている。前記セルは音響波受信２０２として動作し、及び薄膜１０５と、前記電極１０７に固定電位Ｖｓを印加するための手段２１２と、及び前記薄膜１０５により受信された波を表現する容量変化δＣｍを測定するため、容量メーターを形成するための手段２１２と、を含んでいる。
【０１０９】
ｃＭＵＴセルの別の例が図２Ｃで与えられる。前記セルは、送受信器として動作し、及び第１のキャビティ１１０と第２のキャビティ１７０上に懸架された薄膜１０５を含んでいる。前記第１のキャビティ１１０は、前記セルの放射部に属している。前記セルは同様に、前記薄膜１０５に可変電位Ｖａを印加するための手段と、前記電極１０７に固定電位Ｖｓを印加するための手段と、を含む。前記第２のキャビティ１７０は、一方で、前記セルの受信部に属している。前記セルは同様に、第２の電極２０７に固定電位Ｖｓを印加するための手段２２０と、前記薄膜１０５の容量変化δＣｍを測定し、前記第２の電極２０７に接続された手段２２０と、を含む。
【０１１０】
ｃＭＵＴセルの別の例が図２Ｄにおいて与えられる。前記セルは送受信器として作動し、及び薄膜１０５と、放射器と受信器の両方として作用する単一のキャビティ１１０と、を含む。前記セルは同様に、前記電極１０７に固定電位Ｖｓを印加するための手段２１２と、前記薄膜１０５の容量変化δＣｍを測定し、前記電極１０７に接続された手段２２０と、を含む。音響波２００の放射を受けて、前記放射器内での反響回帰時間の測定は、前記波の反射ゾーンが位置されることを可能にし、これらの反響の周波数分析は、これらの波によって横断された前記ゾーンの性質が識別されることを可能にする。
【０１１１】
ｃＭＵＴセルの別の例は図２Ｅで与えられる。前記セルは、放射器−受信器として作動し、及び二つの薄膜１０５、２０５と、二つのキャビティ１１０、２７０とを含んでおり、第１の薄膜１０５は、前記第１のキャビティ１１０内で振動することを意図しており、第２の薄膜２０５は、前記第２のキャビティ１７０内で振動することを意図しており、前記第２の薄膜２０５は、前記第１の薄膜から分離されている。この場合において、第２のキャビティが前記受信部のために設計されることができる一方で、前記第１のキャビティは前記デバイスの放射部を作るために設計されることができる。
【０１１２】
与えられた実施例のどちらかにおいて、前記薄膜は、ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドの一つ以上の平行な層から形成される。
【０１１３】
前記セルの各々は、同一の支持体内に統合された一つ以上のモジュール、例えば少なくとも一つの増幅モジュール、例えば少なくとも一つのメモリモジュール、例えば少なくとも一つのエネルギー復帰モジュール、例えばデータ送信及び受信モジュール、例えばフーリエ分解または比較のような操作を達成するための少なくとも一つの信号処理モジュール、と関連している。
【０１１４】
これらのモジュールは同様に、前記セルから同一の距離に位置されることができるが、これは、前記セルからこの遠隔の電子機器への接続が「ワイヤボンディング」またはＴＳＶ統合（ＴＳＶは「スルー・シリコン・ビア」）のような技術により達成されることができる。
【０１１５】
上で説明され、及びトランジスタに基づくアクティブマトリクスシステムにより独立的に操作される放射器または受信器または放射器／受信器のマトリクスが生産されることができる。
【０１１６】
この手段により、極超短波、例えば前記デバイスが水のような液体媒体で操作することを意図しているときは１０ＭＨｚと１０ＧＨｚの間、特に１００ＭＨｚと２００ＭＨｚの間、前記デバイスが空気中で操作することを意図しているときは５００ＭＨｚと５ＧＨｚとの間で操作するマイクロメトリック寸法の映像デバイスを形成することが可能である。
【０１１７】
図３、４、５において、ｃＭＵＴセルの様々な操作モードが与えられる。
【０１１８】
一時的に操作するとき、ｃＭＵＴセルは、パルス操作モード（図３）または正弦波操作モード（図４）を有しうる。
【０１１９】
パルスモードにおいて（図３）、前記放射器に印加される電圧パルス（シグナルＳ１）を用いることで、前記放射器は順々にパルス（シグナルＳ２）の形態で音響波を放射することができ、その一次的な広がりは、前記放射器のバンド幅と周りの媒体のバンド幅とに依存している。パルスＳ２は前記媒体内に伝播し、周期Ｔ１（Ｔ１＝ｄ／ｃｆｌｕｉｄ、ここでｃｆｌｕｉｄは、前記媒体内の音の速さである）の後に距離ｄで受信部に到達する。受信されたシグナルＳ３の周波数解析及び放射されたシグナルＳ２とそれの比較は、前記放射器及び前記受信器のスペクトル内に存在する周波数に対する媒体の伝達関数が、単一の操作で検出されることを許す。パルスＳ２は前記媒体により部分的に反射されることができ、前記受信器において連続的な反響を導く。前記反響が前記放射器へ戻るための時間は、反射ゾーンが位置されることを可能にし、及びそれらの周波数解析はパルスＳ２で横切った界面特性が分析されることを可能にしている。
【０１２０】
正弦曲線モード（図４）において、前記放射された波は、一時的な正弦曲線波（シグナルＳ２０）の形態であってもよく、正弦曲線電圧（シグナルＳ１０）を用いて生成される。ｔ＝０とｔ＝Ｔ２の間に放射されたシグナルは、ｔ＝Ｔ１とｔ＝Ｔ２＋Ｔ１との間に距離ｄで前記受信器により受信される（シグナルＳ３０）。これは正弦曲線であり、その振幅はｒａｄ／ｓのパルスωに依存している。周波数ｗでの前記媒体の伝達関数が決定される。ｔ＝０とｔ＝Ｔ３との間であって、Ｔ３がいくつかの周期に等しいとき、前記放射された波は前記放射器から数波長より短く位置された空間の領域に依存している。周波数ｗの関数として、ｔ＝０とｔ＝Ｔ３の間のその放射の振幅は、近接場音響インピーダンスが定義されることを可能にし、それはωの関数として変化する。前記放射器において、反響の正弦曲線は前記放射された波を干渉する。これらの反響の前記振幅と位相シフトは、位置と前記波により横切られた界面の性質が推定されることを可能にする。
【０１２１】
永久的に操作するとき（図５）、前記放射器は周波数ｗ、例えば空気においておおよそ１ＧＨｚ、及び水において１００ＭＨｚのオーダで、振幅Ａの波（信号Ｓ２００）を放射する。前記放射器に印加された電圧を用いて生成された波Ｓ１００は前記媒体内で伝播され、及びその反響と干渉し、トランジエント特性を引き起こす。前記媒体と該媒体内の波の伝播の速度に依存した、ある周期の後で、前記波は永久型を達成する。前記放射器及び該放射器から距離ｄに位置された前記受信器において、二つの正弦曲線（それぞれＳ２００とＳ３００）が測定される。前記放射器（信号Ｓ２００）において、（周波数に依存している）前記反射された波の振幅と位相シフトは、周りの媒体の全体の音響インピーダンスを反射する。前記受信器（信号Ｓ３００）において、これは横断された媒体の伝達関数である。
【０１２２】
本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜の実施形態の様々な例が与えられる。
【０１２３】
前記薄膜１０５は、平行で別々のナノチューブのネットワークから形成されることができる（前記ネットワークは、それぞれ横断面図及び上面図に従う図６Ａ及び６Ｂで示されている）。
【０１２４】
前記薄膜１０５は並置され、及び相互に平行なナノチューブの高密度ネットワークから形成されることができる（前記ネットワークはそれぞれ横断面図及び上面図に従う図７Ａ及び７Ｂで示されている）。
【０１２５】
高密度の薄膜が形成されることができる。前記変換器の周りの流体分子に不浸透性であるとき、前記薄膜は「高密度」であると呼ばれる。
【０１２６】
密度の制限は、問題とする流体、及び前記薄膜を形成する炭素原子との相互作用に依存している。
【０１２７】
密度の制限は、例えば、水の中で操作することを意図している変換器デバイスのカーボンナノチューブの薄膜１０５に対して二つの平行なナノチューブの間に０．６ｎｍのオーダの空間が得られうるようなものであってよい。
【０１２８】
密度の制限は同様に、前記ナノチューブの寸法、それらが親水性であるか疎水性であるか、及び前記薄膜を形成するナノチューブの側方相互作用エネルギー、のような物理的特徴に依存しうる。
【０１２９】
数層にわたって、例えば３層にわたって分布されたナノチューブは、前記薄膜１０５が形成されることを可能にしている（図８Ａ）。
【０１３０】
可能な手段によると、前記変換器の薄膜は、第１の大きさ、特に第１の直径のナノチューブの第１のアセンブリであって、互いに垂直に配置された一つ以上の層３０１、３０２、３０３で配置された第１のアセンブリと、第２の大きさ、特に第２の直径のナノチューブの第２のアセンブリであって、前記第１のアセンブリを覆っている互いに垂直に配置された層３０６、３０７、３０８で配置された第２のアセンブリから形成されている。（図８Ｂ）。
【０１３１】
図８Ｃにおいて、前記薄膜１０５は、例えばグラフェンの基部を有し、前記ナノチューブを接続させ、及び場合により前記薄膜の密閉性を提供するために設計された「接続」層として知られる層３２０に取り付けられたナノチューブの層３０１、３０２、３０３の積層から形成される。特に、グラフェン接続層は、それを支えているナノチューブの層の隣接するナノチューブの間の間隔が平面構造を形成するために被覆されることができる。
【０１３２】
前記薄膜１０５の手段の別の例が、図８Ｄにおいて与えられる。この例において、前記薄膜１０５は、例えばグラフェンの基部を有するいくつかの接続層の第１のスタック３２２と、例えばグラフェンの基部を有するいくつかの接続層の第２のスタック３３２との間に位置されたナノチューブの層３０１、３０２、３０３のスタックから形成されている。
【０１３３】
整列されているが接触していないナノチューブの層において、前記薄膜の密度は、前記ナノチューブの間の空間に依存している。この空間がナノチューブの直径より大きい場合、ナノチューブの間のいくらかのフリーな空間を埋めるため、及び前記薄膜の密度を増加させるために、ナノチューブの一つ以上の追加の厚さの堆積が利用されてもよい。前記追加のナノチューブは、ナノチューブの間の隙間に自然に堆積されやすい。
【０１３４】
前記薄膜の厚さは、形成されるナノチューブの層または接続層の数に依存しており、及び密度及びヤング率により非常に正確に、独立に制御されうる。
【０１３５】
ナノチューブの直径の平均値まわりの分散は制御されることができ、前記薄膜が振動しやすい周波数のバンド幅に調節されることができる。
【０１３６】
前記薄膜がナノチューブのネットワークから形成される場合、このネットワークは例えば、非特許文献３で説明されているようなラングミュア・ブロジェット法、または非特許文献４のような誘電泳動法を用いて生産されうる。
【０１３７】
前記グラフェンシートは、非特許文献５で説明されているような方法を用いることで生産されることができる。
【０１３８】
この場合、ナノチューブのネットワークは特許文献６で説明されたもののような方法により製造されうる。前記グラフェンのシートは、例えば前記ナノチューブのネットワーク上に毛細管誘電泳動により堆積されることができる。
【０１３９】
ナノチューブとグラフェンシートとの間の自然の親和性は、前記グラフェンシートが前記ナノチューブ上に取り付けられることを可能にしている。誘電泳動による堆積または第１のシートの表面機能化を予測することが同様に可能である。溶液からグラフェンシートを取り除いた後、前記グラフェン上に誘電泳動によりナノチューブのネットワークを堆積することが可能である。前記グラフェンの溶液が洗い流された後、工程は単一シートのグラフェン溶液と共に繰り返される。
【０１４０】
この方法により、二つのグラフェンシートの間に位置されたナノチューブの高密度ネットワークから形成された三重の不浸透性層を得ることが可能である。
【０１４１】
ナノチューブのいくつかの層を含む構造は、異なる組成のいくつかの溶液を用いて生産されうる。
【０１４２】
高密度な薄膜が形成されることができる。前記変換器の周りの流体の分子に対して不浸透性であるとき、前記薄膜は「高密度である」といわれている。それ故密度の制限は、問題としている流体及び前記薄膜を形成する炭素原子との相互作用に依存している。
【０１４３】
前記ナノチューブの間の距離のより低い制限は、例えば、水中で操作することを意図している変換器デバイスのナノチューブの薄膜１０５に対して、０．６ｎｍのオーダであってもよい。
【０１４４】
互いに関連しているナノチューブの平衡距離は０．３５ｎｍのオーダであるため、ファン・デル・ワールス相互作用により互いに接続されたナノチューブの薄膜は水分子に対して不浸透性である。
【０１４５】
本発明によるｃＭＵＴ変換器を生産するための方法の例がここで与えられる。
【０１４６】
基板１００上に、前記電極１０７が、前記ゾーン１０３ａ、１０３ｂ、及びキャビティ１１０を形成する前記離隔ブロック１０４と共に、例えばリソグラフィ工程、例えば「ｅ−ビーム」型の電子ビームを用いて生産される。
【０１４７】
前記薄膜１０５が形成される層は、ナノチューブに対してこの層の親和性を増加させるために、特定の化学基、例えば疎水性基、またはアミノ化化学基により機能化されうる。
【０１４８】
前記薄膜は前記キャビティの上に直接懸架されてもよい。
【０１４９】
前記薄膜は、キャビティの無い基板上に生産されてもよく、前記キャビティは、例えば、前記薄膜の形成の後でＨＦエッチングにより生産される。
【０１５０】
前記薄膜１０５は同様に、機能化されているか、されていない前記基板上に、例えば「ナノインプリント」と一般的に呼ばれている方法を用いて、移動によりキャビティ上に位置されることができる。
【０１５１】
前記薄膜１０５にわたって金属層を堆積することにより前記薄膜にわたって接触部を作成することが可能であり、これは前記薄膜を保持し、及び薄膜１０５と該薄膜の支持体との間の接着力が増大されることを可能にするためのゾーンとして作用する金属ゾーン１１２ａ、１１２ｂを形成するためにエッチングされる。
【０１５２】
ｃＭＵＴセルのマトリクスの生産に対して、前記堆積ゾーンの機能化は、前記セルの各々に対して達成されてもよい。この方法は、例えば「パターン化された親和性テンプレート」と一般的によばれているような種類の自己集合法の例である。
【０１５３】
前記薄膜１０５は、所定の方向に配列された互いに平行なナノチューブで形成されることができる。前記薄膜を形成するための前記ナノチューブの配列は、未配列なナノチューブの薄膜と比較していくつかの利点を有している。前記配列は、前記薄膜１０５の小さな厚さに対して、ナノチューブの高い密度が得られることを可能にしている。実際、未配列ナノチューブの単一層は空の空間を含んでおり、これはナノチューブの追加の層を追加することにより満たされる必要があり、必要とされる追加の層の数がより大きくなると、前記ナノチューブの乱雑さもより大きくなる。
【０１５４】
平行なナノチューブを有する構成は、改善された機械的特性、及び特により大きな剛性と薄い厚さを有した薄膜が得られることを可能にさせる。
【０１５５】
ファン・デル・ワールス相互作用の平衡距離のオーダの距離だけ隔てられた二つの平行なナノチューブの間の相互作用エネルギーは、交叉するナノチューブの間の相互作用よりとても大きく、これは前記薄膜の改善された密着性が得られることを可能にする。
【０１５６】
前記薄膜１０５が所定の方向に配列された平行なナノチューブだけで形成された場合、前記ナノチューブの移動はより均一になる。
【０１５７】
平行なナノチューブのネットワーク内への前記ナノチューブの組織化は、改善された検出効率を有する変換器を得ることを可能にしている。
【０１５８】
整列されたナノチューブから形成された薄膜は、前記薄膜の剛性、及びそれ故その操作周波数を減少させることなく前記薄膜の側面の密着性とその密閉性が増加されることを可能にしている。
【０１５９】
前記ナノチューブの高いヤング率に起因して、ナノチューブから形成された変換器の薄膜は、常用の薄膜のものより大きな剛性を有している。
【０１６０】
利用周波数の幅広い範囲、特により高い利用周波数がそれ故得られることができる。
【０１６１】
平均値周辺のナノチューブの特性の制御可能な分散は、電気音響変換器内で利用が好まれるデバイスのバンド幅を広げることを可能にする。
【０１６２】
前記ナノチューブの壁の可変の数は、一定のナノチューブの半径と見かけ上一定のヤング率に対して、前記薄膜の密度が増大されることを可能にしている。
【０１６３】
前記薄膜の厚さは、利用されるナノチューブの層またはグラフェン層の数に依存しており、及びそれ故、前記密度及びヤング率に非常に正確に及び独立に制御されうる。
【０１６４】
異なる大きさの炭素のナノチューブの連続層の生産は、前記堆積の間に使われる溶液だけを変えることにより得られることができる。
【０１６５】
カーボンナノチューブ薄膜を有する本発明による変換器デバイスの利用は、前記薄膜を取り外す段階を受ける必要がなく得られることができ、これは同様に技術的段階の数を減らし、先行技術による変換器の実施形態に比較して大きさの減少を可能にする。
【０１６６】
「ボトムアップ」すなわちナノスケールの大きさの要素のアセンブリで始まるものとして限定されることのできるその設計に起因して、より大きな寸法の機能的な最終のデバイスを形成するために、前記薄膜の縮小化は単純化され、前記薄膜を構成する要素は、構造的にマイクロニック、またはナノスケールの寸法である。従って、到達できる共鳴周波数は、前記キャビティの減少された寸法及び材料の特性に起因して、従来技術によるデバイスのものより高い。
【０１６７】
上で与えられた実施形態のいずれの例においても、薄膜１０５は薄い厚さ、例えば１ｎｍと３０ｎｍの間を有しており、利用されるナノチューブまたはナノワイヤーの層の数に依存している。
【０１６８】
図７Ａ、７Ｂ及び８Ａから８Ｄに関連して上で説明された薄膜の例は、一つ以上の層に配置されたカーボンナノチューブを含む。
【０１６９】
前記薄膜は、炭素以外の材料のナノチューブ、例えば、導電性ナノチューブまたは窒化ホウ素で作られたナノチューブのような電気的に導電性とされたナノチューブ、あるいは例えばドーピングまたは機能化により導電性にされたナノチューブの基体から形成されてもよい。
【０１７０】
非金属ナノチューブが場合により、ドーピングまたは電気めっきまたは機能化により導電性とされることができる。
【０１７１】
他の例によると、本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜は円筒形または平行六面体形の平行なナノロッドまたはナノワイヤーから形成され、場合により接続層により接続されることができる。
【０１７２】
本発明によるｃＭＵＴ変換器の薄膜は場合により、異なるナノチューブの混合、または異なるナノワイヤーの混合またはナノチューブとナノワイヤーの混合から形成されることができる。
【０１７３】
図９Ａにおいて、ｃＭＵＴ変換器の薄膜は、平行なナノワイヤー４０１よりなる円筒形のコアを含み、及び前記ナノワイヤーを接続するために設計された接続層４２０により覆われている。
【０１７４】
前記ナノワイヤーは導電性とされることもでき、及びそれらは例えば、場合によりドープされてもよいシリコン基体を有する半導体とすることも可能である。
【０１７５】
前記ナノワイヤーを接続するために設計された接続層４２０は、例えばグラフェンの基体を有する。
【０１７６】
図９Ｂにおいて、ｃＭＵＴ変換器の薄膜１０５は、一方で、平行六面体の形状である互いに平行なナノロッドから形成され、前記ナノロッドは、前記ナノワイヤーが接続されるか、または前記ナノワイヤーとの間の接続を強化させることを可能にすることのできる接続層５２０により覆われる。前記ナノロッドは、例えば「ナノインプリントリソグラフィ」と呼ばれる技術により生産されうる。
【０１７７】
図９Ｃにおいて、ｃＭＵＴ変換器薄膜１０５は、前記ナノワイヤーが接続されるか、前記ナノワイヤーとの間の接続を強化することを許すために設計された接続層４２０により覆われた、平行なナノチューブ３０１の層から形成される。
【０１７８】
図９Ｄにおいて、前記薄膜１０５は、接続層４２０により覆われて整列されたナノワイヤー４０１の平行な列４０２を含む。
【０１７９】
図９Ｅにおいて、前記薄膜１０５は、接続層５２０により覆われて整列されたナノロッド５０１の平行な列５０２を含む。
【０１８０】
図９Ｆにおいて、前記薄膜１０５は、接続層３２０により覆われて整列されたナノチューブの平行な列３０２を含む。
【０１８１】
前記薄膜１０５は、単にナノワイヤー及び／またはナノロッド及び／またはナノチューブよりなる自己支持性コアに取り付けられてもよい。
【０１８２】
前記ナノワイヤーまたはナノロッドまたはナノチューブは、先ほど与えられた例において、０．５ｎｍと５μｍの間にありうる限界寸法ｄｃのバーである（ここで、前記限界寸法ｄｃは、これら「ナノワイヤー」または「ナノロッド」または「ナノチューブ」のそれらの厚さを除いた最も小さい寸法であり、及び図９Ａから９Ｆにおいて与えられた直交座標
【０１８３】
【数４】
2012509631.tif 000006
【０１８４】
のベクトル
【０１８５】
【数５】
2012509631.tif 000007
【０１８６】
の方向に平行な方向で決定される。
【０１８７】
先ほど与えられた例において、前記ナノワイヤーまたはナノロッドまたはナノチューブは、５０ｎｍと１ｍｍの間の長さＬを有している（ここで、前記長さＬは、図９Ａから９Ｆで与えられた直交座標
【０１８８】
【数６】
2012509631.tif 000008
【０１８９】
のベクトル
【０１９０】
【数７】
2012509631.tif 000009
【０１９１】
の方向に平行な方向で決定される）。
【０１９２】
ナノチューブのネットワークを接続し及び密閉を生産するための一つ以上のグラフェンベースの層を含むｃＭＵＴ変換器セルの例となる実施形態が与えられる。そのような層を形成するために他の材料、例えば窒化ボロンを用いることができる。
【０１９３】
ｃＭＵＴ変換器の薄膜を形成するために利用しやすい前記ナノチューブまたはナノワイヤーの接続層は、前記薄膜を形成する前記ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドよりもより変形可能となるように選択され、及び例えば前記ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドのものと等しいかおおよそ等しいヤング率、しかしそれらのものより１０倍低い慣性モーメントを有するか、または前記ナノチューブ及び／またはナノワイヤー及び／またはナノロッドのものより１０倍低いヤング率、及びそれらのものと等しいかおおよそ等しい慣性モーメントを有する結晶材料の基体を有していてもよい。
【０１９４】
そのような接続層は、例えばＡＬＤ法（ＡＬＤは「原子層堆積」）により生産されることができ、これは非常に小さな厚さ、例えば５オングストロームと５ナノメートルとの間の厚さの層が形成されることを可能にしている。
【０１９５】
前記薄膜は、ｃＭＵＴ変換器を対象とした応用に従って、新水性または疎水性が与えられることができる。
【０１９６】
カーボンナノチューブの薄膜は、例えば官能化されたナノチューブで親水性または疎水性とされることができる。
【０１９７】
前記薄膜は、例えば前記ナノチューブ上に官能基ＣＯＯＨ基を用いてそれを親水性とするために処理されることができる。
【０１９８】
別の実現性によると、前記薄膜は、例えば電解重合によりそれを疎水性とするために処理されることができる。
【０１９９】
アセンブリとする前に、前記ナノチューブの官能化または前記ナノチューブ上に形成された適切な被膜を再び用いることにより前もって準備されたナノチューブまたはナノワイヤーから親水性または疎水性薄膜を直接生産することも同様に可能である。
【０２００】
本発明によるｃＭＵＴ変換器の基本セルの大きさは、縮小化された極超短波音響映像デバイスまたは高解像度マイクロソナーを形成するためのマトリクス内に組み込むことに有利なものである。
【０２０１】
示されたｃＭＵＴ変換器の例において、前記キャビティは長方形である。
【０２０２】
他の形状：円形、または楕円形、または正方形を有するキャビティが想定されることができる。
【０２０３】
特に前記キャビティが正方形の場合、ナノチューブまたはナノワイヤーの多層であって各層の間では配列が異なっている多層から形成された薄膜が生産されることができる。
【０２０４】
図１０Ａ及び１０Ｂにおいて、ナノワイヤーの多層６１０、６２０、６３０、６４０であって各層の間では配列が異なっている多層から形成された薄膜１０５が与えられる（ここで、図１０Ｂはこの薄膜１０５の横断面図を示しており、図１０Ａは前記薄膜１０５の上面図を示している）。
【０２０５】
前記薄膜は、交互の層６１０、６３０であって、そのナノチューブ６０１ａは、図１０Ａ及び１０Ｂで与えられた直交座標
【０２０６】
【数８】
2012509631.tif 000010
【０２０７】
のベクトル
【０２０８】
【数９】
2012509631.tif 000011
【０２０９】
の方向に平行な第１の方向に配列されている層と、及び層６２０、６４０であって、そのナノチューブ６０１ｂは、直交座標
【０２１０】
【数１０】
2012509631.tif 000012
【０２１１】
のベクトル
【０２１２】
【数１１】
2012509631.tif 000013
【０２１３】
の方向に平行な、前記第１の方向に直交する第２の方向に配列されている層と、を含んでいる。
【０２１４】
これらの異なる配列は、例えば、いくつかの対向する電極の対に連続的に印加された電圧を用いる誘電泳動により得られることができる。
【０２１５】
図１１Ａ及び１１Ｂにおいて、長さが１μｍ、及び半径が１ｎｍのカーボンナノチューブから形成された本発明による変換器薄膜のヤング率の関数としての共鳴周波数のグラフＣ１及びＣ２の例が与えられる。グラフＣ１は、空気中での測定を示しており、グラフＣ２は、水中での測定を示している。
【０２１６】
図１２Ａ及び１２Ｂにおいて、半径が１ｎｍのカーボンナノチューブから形成され、ヤング率が１ＴＰａを有する本発明による変換器の薄膜のヤング率の関数としての共鳴周波数のグラフＣ３及びＣ４の例が与えられる。グラフＣ３は、空気中での測定を示しており、グラフＣ４は、水中での測定を示している。
【０２１７】
本発明によるｃＭＵＴ変換器の製造について、様々な変更が予想されうる。
【０２１８】
第１の実現性によると、前記薄膜１０５を形成する前に前記キャビティ１１０を形成することが可能である。この場合、前記薄膜は前記支持体１００上に直接形成されるか、または実際には前記支持体１００の外部から形成され、それから前記支持体１００に移動されることができる。
【０２１９】
第２の実現性によると、前記支持体１００の外部から薄膜１０５を形成し、それから前記薄膜１０５を前記支持体１００に移動させ、及びそれから前記キャビティ１１０を形成することが可能である。
【０２２０】
第３の実現性によると、前記支持体１００上に前記薄膜１０５を形成し、それから前記キャビティ１１０を形成することが可能である。
【０２２１】
気密キャビティ７７０上に形成された薄膜１０５を含むｃＭＵＴセルの位置の例が図１３で与えられる。この例において、前記キャビティ７７０は、前記薄膜１５０を支持するブロックにより少なくとも部分的に形成されることのできる外側壁７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、７１０ｄ、及び前記薄膜１０５自身と支持体により閉ざされ、及び境界が定められる。
【０２２２】
そのような配置は、前記キャビティの高さに依存している共鳴モードが前記薄膜のモードに結合されることを可能にすることができる。
【０２２３】
そのような配置は、特にデバイスのバンド幅において、品質係数及び／または振動振幅が増大されることを可能にすることができる。
【０２２４】
全てが閉ざされておらず気密でない、及び特に側面に開口を有する一つ以上のキャビティを有するｃＭＵＴセルの生産は、特に、共鳴モードとは異なる、前記キャビティの高さに依存する周波数の場合において、これらの開口を通して流体の排気を可能にし、及び前記薄膜の変位の減衰を避けることができる。
【０２２５】
一つ以上の長方形のキャビティを有するｃＭＵＴセルが設計されうる。幅ｄの２から１０００倍のオーダの長さＤを有する長方形のキャビティ７１０が例えば図１４で示される。これは、エッジ効果に関連することのできる横軸のスプリアスモードを避けることを可能にする。
【０２２６】
前記薄膜を作動させるための電極と読込み電極とを含む、いくつかの電極が取り付けられえたｃＭＵＴセルの例としての実施形態は、図２Ｃに関連して既に与えられている。
【０２２７】
他の可能な実施形態によると、いくつかの作用電極及び／またはいくつかの読込み電極であって、それらは独立しており、それらの各々は一つ以上の薄膜に面して位置されている電極が取り付けられたセルが設計されることができる。電極のいくつかの列を含む、前記電極のマトリクスベースの配列が設計されることができる。所定のキャビティの下に位置された、いくつかの電極を含む配置と共に、改善された空間受信の感度を得ること、あるいは前記薄膜の異なる位置での変位を経験すること、及びあるいは前記薄膜のある位置の変位を独立に制御することが可能である。
【０２２８】
ｃＭＵＴセルの別の例が図１５で与えられる。このデバイスは、一つ以上のキャビティ上に位置され、及び／または一つ以上の作動電極及び／または一つ以上の測定電極に面するいくつかの薄膜２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃを含む。
【０２２９】
これは、前記薄膜が振動することを目的としている流体の改善された排出を可能にし、あるスプリアスモードに起因する減衰を制限することができる。そのような配置は、特に前記流体の側面の排出を避ける側壁により前記キャビティが側面に閉ざされているとき、前記流体の改善された排出を可能にすることができる。
【０２３０】
例えば、前記薄膜２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃが第１の電極、第２の電極、及び第３の電極の上にそれぞれ配置されている場合において、隣接した薄膜による放射と受信が実行されることができる。
【０２３１】
隣接する薄膜により位相シフトされた波の放射が同様に実施されることができ、指向性及び／または放射強度が得られることを可能にしている。
【０２３２】
前記薄膜２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃが第１の電極、第２の電極、及び第３の電極の上にそれぞれ配置されている場合において、改善された空間受信の感度が得られることができる。
【０２３３】
ｃＭＵＴセルの別の例が図１６において与えられる。このデバイスは、前記薄膜１５０がその上で振動することを目的としているキャビティのいくつかの列のマトリクスにより配列された、いくつかのキャビティ７１０１１、７１０１２、７１０１３、７１０２１、７１０２２、７１０２３、７１０３１、７１０３２、７１０３３を含む。
【０２３４】
例えば限界寸法、または５０ｎｍと５００ｎｍの間の幅の非常に小さい大きさのキャビティが実施されることができる。
【０２３５】
小さな大きさのキャビティの実装は、とりわけ高い作動周波数が得られること、及び平行なナノチューブ基体を有する懸架された薄膜の生産を容易にすることを可能にさせる。
【０２３６】
変形により、異なる大きさのキャビティを有するセルが実装され、所定のデバイスが異なる周波数に従って放射及び／または受信することを可能にさせる。
【０２３７】
長方形のキャビティを有するセルの例は上で与えられた。所望される出力及び／または誘電率及び／または振幅及び／または放射周波数及び／または感度及び／または受信周波数及び／または受信バンド幅にとりわけ依存して、多角形、半球形または球形のような他の形状が、前記キャビティのために設計されることができる。
【０２３８】
ｃＭＵＴセルの他の例が図１７で与えられ、ナノチューブのいくつかの薄膜７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃ、７０５ｄ、及び支持体上に位置され、異なる配列に配列され、互いに面する電極の対を有する電極７０３１、７０３２、７０３３、７０３４、７０３５、７０３６、７０３７を含んでいる。
【０２３９】
第１の薄膜７０５ａは、互いに面して位置された第１の対の電極７０３１、７０３５と接触し、第２の薄膜７０５ｂは、互いに面して位置された第２の対の電極７０３２、７０３６と接触し、第３の薄膜７０５ｃは、互いに面して位置された第３の対の電極７０３３、７０３７と接触し、第４の薄膜７０５ｄは、互いに面して位置された第４の対の電極７０３４、７０３８と接触している。前記薄膜７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃ、７０５ｄは、このように互いに異なって配列されている。
【０２４０】
この例において、全ての電極は多角形を形成し、前記多角形の内部に一つ以上のキャビティを有するように配置され、各々のナノチューブの薄膜は、他の薄膜の角度とは異なる角度を有して位置される。
【０２４１】
対にあり、及び異なる相体的な配列を有する電極のそのような位置付けは、薄膜を形成するための利点のために利用されることができる。
【０２４２】
互いに面して位置された第１の対の電極７０３１、７０３５への適切な電圧の印加により、前記第１の薄膜７０３ａを形成するために、前記電極間の電場により決定された第１の配列に従って配列されたナノチューブの層の堆積に有利に働くことは可能である。
【０２４３】
その後に、互いに面して位置された第２の対の電極７０３２、７０３６への適切な電圧の印加により、前記第１の薄膜７０３ａを形成するために、前記電極７０３２、７０３６の間の電場により決定された第２の配列に従って配列されたナノチューブの層の堆積に有利に働くことは可能である。この方法はそれから、第３の薄膜７０３ｃを形成するために電極７０３３と７０３７の間に電圧を印加すること、第４の薄膜７０３ｄを形成するために電極７０３４と７０３８の間に電圧を印加すること、が続けられる。
【符号の説明】
【０２４４】
１００  基板
１０３ａ、１０３ｂ  導電ゾーン
１０４  離隔ブロック
１０５  薄膜
１０７  電極
１１０  キャビティ
１１２ａ、１１２ｂ  金属ゾーン
２００  放射音響波
２０２  受信音響波
２０５、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ  薄膜
２１０、２１２、２２０  手段
３０１  ナノチューブ
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６  ナノチューブの層
３２０  接続層
４０１  ナノワイヤー
４０２  ナノワイヤーの平行な列
４２０  接続層
５０１  ナノロッド
５０２  ナノロッドの平行な列
５２０  接続層
６０１ａ、６０１ｂ  ナノチューブ
６１０、６２０、６３０、６４０  ナノワイヤーの層
７０５ａ  薄膜
７１０  キャビティ
７１０ａ、７１０ｂ  外側壁
７７０  気密キャビティ
７０３１、７０３２、７０３３、７０３４、７０３５、７０３６、７０３７、７０３８  電極
７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃ、７０５ｄ  薄膜
７１０１１、７１０１２、７１０１３、７１０２１、７１０２２、７１０２３、７１０３１、７１０３２、７１０３３  キャビティ
【図１Ａ】
2012509631.tif 000014
【図１Ｂ】
2012509631.tif 000015
【図２Ａ】
2012509631.tif 000016
【図２Ｂ】
2012509631.tif 000017
【図２Ｃ】
2012509631.tif 000018
【図２Ｄ】
2012509631.tif 000019
【図２Ｅ】
2012509631.tif 000020
【図３】
2012509631.tif 000021
【図４】
2012509631.tif 000022
【図５】
2012509631.tif 000023
【図６Ａ】
2012509631.tif 000024
【図６Ｂ】
2012509631.tif 000025
【図７Ａ】
2012509631.tif 000026
【図７Ｂ】
2012509631.tif 000027
【図８Ａ】
2012509631.tif 000028
【図８Ｂ】
2012509631.tif 000029
【図８Ｃ】
2012509631.tif 000030
【図８Ｄ】
2012509631.tif 000031
【図９Ａ】
2012509631.tif 000032
【図９Ｂ】
2012509631.tif 000033
【図９Ｃ】
2012509631.tif 000034
【図９Ｄ】
2012509631.tif 000035
【図９Ｅ】
2012509631.tif 000036
【図９Ｆ】
2012509631.tif 000037
【図１０Ａ】
2012509631.tif 000038
【図１０Ｂ】
2012509631.tif 000039
【図１１Ａ】
2012509631.tif 000040
【図１１Ｂ】
2012509631.tif 000041
【図１２Ａ】
2012509631.tif 000042
【図１２Ｂ】
2012509631.tif 000043
【図１３】
2012509631.tif 000044
【図１４】
2012509631.tif 000045
【図１５】
2012509631.tif 000046
【図１６】
2012509631.tif 000047
【図１７】
2012509631.tif 000048
【国際調査報告】
2012509631.tif 000049
2012509631.tif 000050
2012509631.tif 000051
2012509631.tif 000052
2012509631.tif 000053
2012509631.tif 000054