[发明专利]碳纳米管皮拉尼真空计及其真空度检测方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种纳米机电系统中碳纳米管皮拉尼真空计及其真空度检测方法，具体地说，涉及一种包括单根碳纳米管、多根碳纳米管或碳纳米管束的碳纳米管皮拉尼真空计。

背景技术

随着MEMS技术的发展，越来越多的MEMS器件需要真空环境以提高器件性能以及保证器件能够更长时间的正常工作。如一些电子、机械以及光学传感器，包括微谐振器、微陀螺仪、薄膜压力传感器、射频MEMS元件，真空场发射器以及一些光学MEMS器件等。封装腔体内的真空度在很大程度上决定了器件的最终性能、工作的可靠性及其寿命，因此对封装腔体中真空度的监测就显得非常重要。基于此发展趋势，微型MEMS皮拉尼真空计被提出并应用于真空度的测试，其成为最早的、也是最重要的微机电产品。继微机电系统之后，随着纳米科技的迅速发展，纳机电系统应运而生。因其体积小、坚固耐用、成本低和易于制造，利用新型纳米材料构建纳米皮拉尼真空计是新的发展方向和研究热点。一方面，新型纳米材料能够显著提高器件性能，例如降低功耗、扩大测量范围以及提高灵敏度等。另一方面，纳米材料的引入可以进一步减小传感器尺度和重量，大大促进了产品的多功能化发展，从而为皮拉尼真空计开辟出更广阔的应用领域。

碳纳米管(carbon nanotube，CNT)是一种非常有潜力的新型纳米功能材料。从1991年日本电子显微镜专家饭岛发现碳纳米管以来，碳纳米管因其独特而优异的电学、力学、热学、化学及电子特性等在很多领域上展现应用的潜力，主要包括纳米电子学、量子线互连、场发射器件、复合材料、化学传感器、生物传感器、检测器等领域。

传统皮拉尼真空计是基于气体热传导特性的真空计，其结构非常简单，主要是一根直径几十微米的悬空金属丝作为加热和传感电阻丝构成。当给电阻丝以恒定的电流或电压加热，随着气压不同，气体热传导特性不同，其恒定温度不同，又电阻丝电阻随温度而改变，从而导致电阻随气压而改变，达到测量真空度的目的。微型皮拉尼真空计也继承了同样的结构，只是采用了能与微加工相兼容的材料和工艺。但由于微加工的局限，微型皮拉尼真空计不仅无法在尺度上有重大突破，电阻丝依然在微米量级，而且测量范围较窄、灵敏度较低。

发明内容

为了克服现有技术中皮拉尼真空计体积大、测量范围小、灵敏度低等缺陷，本发明提供一种由碳纳米管所组成的皮拉尼真空计，其具有体积小、结构简单、易于实现、工作温度低、测量范围宽、灵敏度高等优点，并能工作于多种环境气体下。

基于上述碳纳米管皮拉尼真空计，本发明还提供一种该皮拉尼真空计的真空度检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管皮拉尼真空计，包括衬底、相对设置的电极对和碳纳米管；其中，电极对制作在衬底上，为碳纳米管提供支撑，碳纳米管的两端分别搭载在电极上，所述电极对提供电学连接，通过电极对给碳纳米管加恒定的电流或电压加热。(由于真空度不同气体热传导特性不同，因此碳纳米管恒定温度不同，又碳纳米管电阻随温度而变化，通过测量碳纳米管电阻测得真空度)。

所述衬底材料为绝缘体或者带有绝缘层的非绝缘体。

所述的电极对为金属或其他非金属类导体。

所述电极对是叉指电极对或者是简单的对电极。

所述电极宽度大于10nm，长度为大于10nm，高度大于100nm，电极之间的距离大于10nm，电极对数至少1对。

所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管、单根碳纳米管或多根碳纳米管或碳纳米管束。

本发明的碳纳米管皮拉尼真空计可检测低于100000Pa气压。

一种碳纳米管皮拉尼真空计的真空度检测方法，其步骤包括：

1)制备上述一种碳纳米管皮拉尼真空计；

2)对该碳纳米管皮拉尼真空计电极对两端施加扫描电压，测其电流得到该碳纳米管皮拉尼真空计的电阻；

3)在设定气压下对该碳纳米管皮拉尼真空计电极对两端施加扫描电压，测其电流，通过提取出电阻值的方法最终得出不同气压下的电阻-气压关系；

4)根据电阻-气压关系检测封装腔体内的真空度。

所述步骤1)碳纳米管皮拉尼真空计制备方法包括以下步骤：

1-1)在衬底上制作出电极对，电极对的阴极阳极相对设置。

1-2)将超声后的碳纳米管溶液覆盖在上述电极之上；

1-3)上述电极对施加交流电或直流电后，碳纳米管在双向电泳力的作用下被定向搭载于两电极之间，形成碳纳米管皮拉尼真空计。