碳纳米管阵列传感器及其制备方法

专利名称：碳纳米管阵列传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米传感器及其制备方法，尤其涉及一种碳纳米管阵列传感器及 其制备方法。
背景技术：
自九十年代初以来，以碳纳米管为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了 人们极大的关注，请参见"Helical microtubules of graphitic carbon，，，Sumio Iijima, Nature, vol. 354，p56 (1991)。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔 的应用前景不断显现出来。例如，由于其具有较大的比表面积，使其具有较好的吸附能力； 由于碳纳米管的电子特性主要是由其原子排列的结构决定的，所以其受力的变化和化学吸 附的变化都会对电导率产生巨大的影响，其变化值可由电流信号来检测。这些性质使得碳 纳米管可作为微型传感器，如，纳米生物传感器、化学传感器或纳米气敏传感器等。2008年8月27日公开的一件中国专利申请第101252145号提供一种碳纳米管传 感器，该碳纳米管传感器包括碳纳米管和与该碳纳米管连接的两个电极。该碳纳米管传感 器的制备方法具体为首先，在碳纳米管的两端涂上光刻胶；之后，通过光刻(电子束或光 学光刻)技术在碳纳米管两端形成电极的形状；最后，再在碳纳米管上蒸镀一层金属层以 形成电极，然后剥离去除多余的金属层，在金属电极与碳纳米管之间建立电连接。另外，请
"Recent progress in carbon nanotube-based gas sensors", Ting Zhang et al, Nanotechnology, Vol. 19，p332001，(2008)，该文献揭示了另一种制作碳纳米管传感器的方 法，具体为首先用光刻技术在第一电极表面上做出一层特定分布的催化剂薄膜，再用化学 气相沉积或其它方法在催化剂图形表面生长碳纳米管，所生长的碳纳米管和第二电极电接 触即可。然而，上述两种方法中的光刻胶均难以彻底清除，同时金属电极与碳纳米管之间的 结合性不好。因此，为解决上述问题，现有技术中揭露了另一种采用碳纳米管阵列的传感器结 构，请参阅2008年10月8日公开的第101281154号中国专利申请，该专利申请提供的碳纳 米管阵列传感器的结构包括上下两个电极及设置在上下两个电极之间的碳纳米管阵列。制 作该碳纳米管阵列传感器的方法为直接采用金浆将碳纳米管阵列粘合在电极的表面。该方 法采用粘结剂粘结的方法在碳纳米管两端形成了金属电极，从而克服了上述采用光刻技术 而引起的光刻胶难以彻底清除的缺点，同时，也改善了碳纳米管与电极之间的结合力。但是 金浆为一种导电浆料，其除包括金颗粒外，还包括非导电性的溶剂、粘合剂等材料，因此其 导电性受到这些非导电性材料含量的限制，且金浆与碳纳米管的浸润性较差，使碳纳米管 与金属电极的结合仍然不牢固，影响了器件的灵敏度和精度。

发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种碳纳米管阵列传感器及其制备方法，通过该制备方 法所获得的碳纳米管阵列传感器具有较高的灵敏度和精度，且稳定性好。
一种碳纳米管阵列传感器，其包括一第一电极；一第二电极；一设置于第一电极与第二电极之间的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，且所述碳纳米管 阵列包括一第一端和与该第一端相背的一第二端；至少一第一导电金属层，所述第一电极 与碳纳米管阵列的第一端通过该第一导电金属层电连接；至少一第二导电金属层，所述第 二电极与碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层电连接；其中，该碳纳米管阵列传 感器进一步包括在碳纳米管阵列的第一端沉积形成的一第一亲金属层，和在该碳纳米管阵 列的第二端沉积形成的一第二亲金属层，该第一亲金属层与上述第一导电金属层接触并电 连接，该第二亲金属层与上述第二导电金属层接触并电连接。—种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米 管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵 列的第一端形成一第一亲金属层；提供一第一电极；形成至少一第一导电金属层，以使该 第一导电金属层与所述第一亲金属层接触并电连接，从而将碳纳米管阵列第一端通过该第 一导电金属层与第一电极电连接；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第二亲金属层；提 供一第二电极；形成至少一第二导电金属层，使该第二导电金属层与所述第二亲金属层接 触并电连接，从而将碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层与第二电极电连接。一种碳纳米管阵列传感器，其包括一第一电极；一第二电极；一设置于第一电极 与第二电极之间的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，且所述碳纳米管 阵列包括一第一端和与该第一端相背的一第二端；其中，该碳纳米管阵列传感器进一步包 括，一与第一电极电连接的第一导电金属层，一与第二电极电连接的第二导电金属层，所述 第一导电金属层和第二导电金属层的材料的熔点分别低于第一电极和第二电极材料的熔 点，在碳纳米管阵列的第一端沉积形成的一第一亲金属层，及在该碳纳米管阵列的第二端 沉积形成的第二亲金属层，该第一亲金属层与上述第一导电金属层接触并电连接，该第二 亲金属层与上述第二导电金属层接触并电连接，所述第一亲金属层和第二亲金属层的材料 为镁、钯、铬、镍及钛中的一种或几种的组合。一种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米 管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵 列的第一端形成一第一亲金属层，该第一亲金属层的材料为镁、钯、铬、镍及钛中的一种或 几种的组合；提供一第一电极；在第一电极的表面形成一第一导电金属层，该第一导电金 属层的材料的熔点低于第一电极的材料的熔点；加热该第一导电金属层使其在熔融状态下 分别与碳纳米管阵列的第一端和第一电极相结合；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第 二亲金属层；提供一第二电极；在第二电极的表面形成一第二导电金属层，该第二导电金 属层的材料的熔点低于第二电极的材料的熔点；及加热该第二导电金属层使其在熔融状态 下分别与碳纳米管阵列的第二端和第二电极相结合。一种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米 管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵 列的第一端形成一第一亲金属层，该第一亲金属层的材料为镁、钯、铬、镍及钛中的一种或 几种的组合；提供一第一电极；在碳纳米管阵列的第一端形成一第一导电金属层，该第一 导电金属层的材料的熔点低于第一电极的材料的熔点；加热该第一导电金属层使其在熔融 状态下分别与第一电极和碳纳米管阵列的第一端相结合；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第二亲金属层；提供一第二电极；在碳纳米管阵列的第二端形成一第二导电金属层，该第二导电金属层的材料的熔点低于第二电极的材料的熔点；及加热该第二导电金属层使 其在熔融状态下与第二电极和碳纳米管阵列的第二端相结合。一种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵 列的第一端形成一第一亲金属层，该第一亲金属层的材料为镁、钯、铬、镍及钛中的一种或 几种的组合；提供一第一电极；在第一电极的表面形成一第一导电金属层，该第一导电金 属层的材料的熔点低于第一电极的材料的熔点；加热该第一导电金属层使其在熔融状态下 分别与碳纳米管阵列的第一端和第一电极相结合；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第 二亲金属层；提供一第二电极；在碳纳米管阵列的第二端形成一第二导电金属层，该第二 导电金属层的材料的熔点低于第二电极的材料的熔点；及加热该第二导电金属层使其在熔 融状态下与第二电极和碳纳米管阵列的第二端相结合。本发明提供的碳纳米管阵列传感器及其制备方法具有以下优点该碳纳米管阵列 传感器的制备方法无需采用导电浆料使碳纳米管与第一电极和第二电极实现电连接，且所 制备的碳纳米管阵列传感器的碳纳米管的第一端和第二端分别沉积有第一亲金属层和第 二亲金属层，且该第一亲金属层和第二亲金属层不仅与碳纳米管具有很好的浸润性，且与 第一导电材料层和第二导电材料也有良好的浸润性，因此，该碳纳米管阵列与第一电极和 第二电极结合牢固，保证了碳纳米管阵列传感器工作的可靠性和稳定性，提高了该装置的 灵敏度。


图1是本发明第一实施例的碳纳米管阵列传感器的剖视图。图2是本发明第一实施例碳纳米管阵列传感器的制备工艺流程图。图3是本发明第一实施例碳纳米管阵列传感器的制备方法流程图。图4是本发明第二实施例的碳纳米管阵列传感器的剖视图。图5是本发明第二实施例碳纳米管阵列传感器的制备工艺流程图。
具体实施例方式以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的碳纳米管阵列传感器及其制备方法。请参阅图1，本发明第一实施例提供一种碳纳米管阵列传感器10，该碳纳米管阵 列传感器10包括第一电极11、第二电极12、设置于第一电极11和第二电极12之间的碳纳 米管阵列13，一第一导电金属层14及一第二导电金属层15。所述第一电极11和第二电极12通过碳纳米管阵列13间隔设置，该第一电极11 和第二电极12为导电性材料，如铜、铝、金、铁及银等中的一种或者几种的合金，本实施例 为铜。该第一电极11和第二电极12的厚度为1微米 20微米。所述的碳纳米管阵列13包括多个沿相同方向排列的碳纳米管130，每一碳纳米管 130包括一第一端132和与第一端132相背的一第二端134且该第一端132和第二端134 的表面分别沉积有第一亲金属层136和第二亲金属层138。该碳纳米管130的第一端132通过第一导电金属层14与第一电极11电连接，该碳纳米管130的第二端134通过第二导 电金属层15与第二电极12电连接。该各个碳纳米管130的第一端132位于碳纳米管阵列 13的同一端，该所有碳纳米管130的第一端132可以理解为碳纳米管阵列13的第一端(图 未示)，该各个碳纳米管130的第二端134位于碳纳米管阵列13的同一端，该所有碳纳米管 130的第二端134可理解为碳纳米管阵列13的第二端(图未示)。所述的碳纳米管阵列13通过化学气相沉积法或其它方法生长获得。该碳纳米管 阵列13包括多个彼此基本平行的碳纳米管130。该碳纳米管130包括单壁碳纳米管、双壁 碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或者多种。所述单壁碳纳米管的直径为0. 5纳米 50 纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1. 0纳米 50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1. 5纳 米 50纳米。本实施例选用多壁碳纳米管。该碳纳米管阵列13的高度为1 800微米。所述的第一亲金属层136和第二亲金属层138可通过电镀、化学镀、蒸镀或磁控溅 射的方法分别沉积于碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第一端132和第二端134。具体 地，该第一端132和第二端134为碳纳米管阵列13中碳纳米管130的端面以及从端面至距 离碳纳米管130的端面0. 01微米 50微米之间的碳纳米管130的管壁表面，该第一亲金 属层136和第二亲金属层138分别部分或全部包覆该第一端132和第二端134。该第一亲 金属层136和第二亲金属层138的材料分别与碳纳米管130和第一导电金属层14及第二 导电金属层15的材料具有良好的浸润性，使该碳纳米管130与第一导电金属层14和第二 导电金属层15可更好地结合，从而保持良好的电连接。该第一亲金属层136和第二亲金属 层138的材料可选用钯、铬、镍、钛及镁中的一种或其合金。该第一亲金属层136和第二亲 金属层138的厚度为0. 5纳米 50纳米。
所述的第一导电金属层14设置于第一电极11邻近于碳纳米管阵列13的第一端 的表面，所述的第二导电金属层15设置于第二电极12邻近于碳纳米管阵列13的第二端的 表面。进一步地，带有第一亲金属层136的碳纳米管130的第一端132可部分或全部嵌入 该第一导电金属层14中，带有第二亲金属层138的碳纳米管130的第二端134可部分或全 部嵌入该第二导电金属层15中，从而使该第一亲金属层136及第二亲金属层138分别与该 第一导电金属层14及该第二导电金属层15接触并电连接，进而使该碳纳米管阵列13与该 第一电极11及第二电极12电连接。所述第一导电金属层14和第二导电金属层15的材料在熔融态时分别与第一电极 11和第二电极12的材料具有很好的浸润性，该材料可选用熔点较低的金属，如铟、锡、铜、 铟、铅、锑、金、银和铋中的一种或者几种的组合。同时该材料的熔点需低于第一电极11或 第二电极12的熔点，因在制备过程中该第一导电金属层14和第二导电金属层15会被熔融 并在此熔融状态下分别与第一电极11和第二电极12粘结，若该材料熔点高于第一电极11 或第二电极12的材料的熔点，则在粘结的过程中该第一电极11或第二电极12也会被熔 融，因此第一导电金属层14和第二导电金属层15分别选用熔点低于第一电极11和第二电 极12的材料会确保在粘结的过程中第一电极11和第二电极12不会被熔融。另，该第一导 电金属层14和第二导电金属层15的材料可以完全选用上述纯金属或其合金，且不含有非 金属和有机物，由此可获得与其他金属更好的浸润性。该第一导电金属层14和第二导电金 属层15的厚度为0. 1 900纳米。由于该第一导电金属层14和第二导电金属层15的材 料不仅与第一电极11和第二电极12的浸润性较好，而且也与第一亲金属层136和第二亲金属层138的浸润性较好，从而可使第一电极11与第一亲金属层136更好地结合，第二电极12与第二亲金属层138更好地结合。本实施例的碳纳米管阵列传感器10进一步包括一支撑体16，该支撑体16设置于 第一电极11和第二电极12之间，该支撑体16的高度等于第一电极11和第二电极12之间 碳纳米管阵列13的高度，该支撑体16用于支撑第一电极11和第二电极12，可确保碳纳米 管阵列13不致被损坏或者弯曲，从而提高该碳纳米管阵列13的使用寿命。所述支撑体16 的材料为一绝缘材料，如玻璃、陶瓷等。进一步地，本实施例中的碳纳米管阵列传感器10中的碳纳米管130表面可包括一 修饰层(图未示)，该修饰层可提高该碳纳米管阵列传感器10探测的专一性和灵敏度。该 修饰层的材料可以为钯、钼或金等，不同材料的修饰层可分别准确探测不同气体的含量，如 表面修饰有一层钯可提高探测氢气和甲烷的含量准确度。以下将结合附图详细说明本发明第一实施例提供的碳纳米管阵列传感器10的制 备方法。请参阅图2及图3，具体包括以下步骤步骤一提供一碳纳米管阵列13，所述碳纳米管阵列13中碳纳米管130包括第一 端132和第二端134。本实施例提供的碳纳米管阵列13中的碳纳米管130为单壁碳纳米管、双壁碳纳米 管或多壁碳纳米管。优选地，该碳纳米管阵列13为超顺排碳纳米管阵列。本实施例中，超 顺排碳纳米管阵列13的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括(a)提供一基底 17,该基底17可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采 用4英寸的硅基底；(b)在基底17表面均勻地形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁 (Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一 ；(c)将上述形成有催化剂层的基底17在 700 900°C的空气中退火约30分钟 90分钟；(d)将处理过的基底17置于反应炉中，在 保护气体环境下加热到500 740V，然后通入碳源气体反应约5 30分钟，生长得到超顺 排碳纳米管阵列13，其高度为1 800微米。该超顺排碳纳米管阵列13为由多个彼此平 行且垂直于基底17生长的碳纳米管130形成的。通过控制超顺排碳纳米管阵列13的生长 条件，该超顺排碳纳米管阵列13中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒 等。该超顺排碳纳米管阵列13中的碳纳米管130彼此通过范德华力吸引。且所述碳纳米 管阵列13包括第一端(图未示)和与第一端相背的第二端(图未示)，所述碳纳米管阵列 13的第一端包括多个碳纳米管130的第一端132，其为远离生长基底17的一端。所述碳纳 米管阵列13的第二端包括多个碳纳米管130的第二端134，其为靠近生长基底17的一端。本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实 施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。可以理解地，本实施例提供的碳纳米管阵列13不限于上述制备方法。也可为石墨 电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。步骤二 在该碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第一端132的表面形成一第一亲 金属层136。该步骤为采用电镀、化学镀或者磁控溅射法在碳纳米管阵列13中碳纳米管130的 第一端132的表面制备一第一亲金属层136。本实施例采用电镀的方法，具体包括以下步 骤将碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第一端132浸入一酸溶液中进行酸化处理以去除碳纳米管130的第一端132表面的残留物，如催化剂等。所述酸溶液可为硫酸、硝酸和盐酸中的一种或者几种，本实施例选用硫酸和硝酸的混合溶液，其质量比为3 1;提供一电镀 液，所述的电镀液包括一金属盐，所述金属盐可为硫酸镁、氯化钯或硫酸铬等，本实施例为 氯化钯；将经过纯化的碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第一端132浸入上述电镀液中作 为阴极，再将一阳极浸入电镀液中，通入一定大小的电流使碳纳米管130反应一段时间，从 而在碳纳米管130浸入端，即第一端132的表面形成一层第一亲金属层136 ；取出碳纳米管 阵列112并将其烘干，该烘干方式可采用低温加热等方法。上述步骤中阳极的材料可选用化学活泼性较第一亲金属层136差的材料或者与 第一亲金属层136相同的材料，如金、石墨、铑、钯、镁、镍、钛或铬等。本实施例优选为与第 一亲金属层136相同的材料，如钯。因在施加电流且电镀液的金属开始在碳纳米管130的 表面沉积时，电镀液中的金属离子会被消耗且数目下降，此时同样数目的阳极金属离子便 溶解在溶液中，从而补充电镀液中金属离子的短缺。本实施例中所述氯化钯在电镀液中的质量百分含量为20% 35%，电镀液的溶 剂为水，该电镀液的PH值为3. 5 6。所述电流为一直流电，电流密度为5 100毫安/厘 米2，通电时间为5 10分钟。本实施中的电镀液可进一步包括一导电盐溶液，可选用氯化铵，其质量百分含量 为3%，该导电盐的存在可进一步提高电镀液的电导率。进一步地，本实施例的电镀液可包括一缓冲剂，该缓冲剂可选用硫酸铝和硼酸的 混合溶液，所述硫酸铝的质量百分含量为3%，硼酸的质量百分含量为1%，该缓冲剂可用 来稳定电镀液的PH值，特别是可减缓阴极表面因析氢而引起的电镀液PH值升高，也有利于 提高电镀液的分散能力和镀层的稳定性。步骤三提供一第一电极11，在第一电极11与碳纳米管阵列13中碳纳米管130的 第一端132之间形成一第一导电金属层14，将碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第一端 132通过该第一导电金属层14与第一电极11电连接。该电连接方法可为在第一电极11的表面形成一第一导电金属层14，通过该第一 导电金属层14使第一电极11与碳纳米管130的第一端132电连接，具体包括以下步骤首先，提供一第一电极11，该第一电极11的厚度为1微米 20微米，该第一电极 的面积大于等于碳纳米管阵列13的端部面积。在该第一电极11的表面形成一第一导电金 属层14，具体为通过磁控溅射法、物理沉积法或化学气相沉积法在第一电极11的表面镀覆 一层第一导电金属层14，本实施例为在第一电极11的表面通过磁控溅射法镀上第一导电 金属层14。所述的第一电极11的材料可为铜、铝、铁、金或银等，本实施例为铜，所述的第一 导电金属层14的材料的熔融态与第一电极11的材料具有很好的浸润性，该金属可选用熔 点较低的金属，如铟、锡、铜、铟、铅、锑、金、银和铋中的一种或者几种的组合，同时该金属材 料的熔点需低于第一电极11的熔点。其次，加热上述表面镀有第一导电金属层14的第一电极11，使第一导电金属层11 熔融。最后，将上述有第一亲金属层136的碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第一端 132与上述已熔融的第一导电金属层14的表面相接触。进一步地，可使碳纳米管阵列13中 碳纳米管130的第一端132全部插入该熔融的第一导电金属层14中。将该熔融的第一导电金属层14快速冷却，从而使碳纳米管130牢固地固定在第一导电金属层14之上。由于 碳纳米管130与第一亲金属层136具有较好浸润性，同时该第一亲金属层136与第一导电 金属层14也具有较好的浸润性，因此将第一导电金属层14作为碳纳米管130与第一电极 11之间的过渡层可保证碳纳米管130与第一电极11之间电连接牢固，避免第一电极11与 碳纳米管130之间的电接触不良，或者碳纳米管130从第一电极11中被剥离，保持了整个 传感器性能的稳定性和灵敏性。步骤四在碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第二端132的表面形成一第二亲金 属层138。首先，将步骤三中的碳纳米管阵列13从基底17中剥离，由于该碳纳米管阵列13 中碳纳米管130的第一端132已经固定在第一电极11上，而碳纳米管阵列13与基底17的 结合力较弱，因此只需很小的力即可把碳纳米管阵列13从基底17上剥离下来，而且不致损 坏碳纳米管阵列13的形态，从而使碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第二端134成为一 自由端。其次，在该碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第二端134的表面形成一第二亲金 属层138，该步骤同步骤二基本相同。该步骤可进一步包括在形成第二亲金属层138之前在第一电极11上形成一支撑 体16的过程，具体为通过普通粘结剂将支撑体16粘结在第一电极11上。所述支撑体16 可以为任何形状，本实施例为横截面为矩形的条形结构，该支撑体16为绝缘材料，如陶瓷、
玻璃等。步骤五提供一第二电极12，在第二电极12与碳纳米管阵列13中碳纳米管130的 第二端134之间形成一第二导电金属层15，将碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第二端 134通过该第二导电金属层15与第二电极12电连接，从而形成一碳纳米管阵列传感器10。碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第二端134与第二电极12电连接的方法可以 为在第二电极12表面形成一第二导电金属层15，通过该第二导电金属层15使第二电极12 与碳纳米管130的第二端134电连接，具体为首先，提供一第二电极12并通过磁控溅射法、物理沉积法或化学气相沉积法在第 二电极12的表面镀覆一第二导电金属层15，本实施例为在第二电极126的表面通过磁控溅 射法镀上第二导电金属层15。所述的电极材料可为铜、铝、铁、金或银等，本实施例为铜，所 述的第二导电金属层15的材料可选用熔点较低的金属，如铟、锡、铜、铟、铅、锑、金、银和铋 中的一种或者几种，同时该金属材料的熔点需低于第二电极12的熔点。其次，加热上述表面镀有第二导电金属层15的第二电极12，使第二导电金属层15 熔融。最后，将上述有第二亲金属层15的碳纳米管阵列13中碳纳米管130的第二端134 与上述已熔融的第二导电金属层15表面相接触。进一步地，可使碳纳米管阵列13中碳纳 米管130的第二端134部分或全部插入该熔融的第二导电金属层15中，将该熔融的第二导 电金属层15快速冷却，使碳纳米管130牢固地固定在第二导电金属层15之上，从而形成了 一碳纳米管阵列传感器10。该步骤进一步包括将上述固定于第一电极11的支撑体16通过普通粘结剂粘结在 第二电极12之上，从而使其更好地固定于第一电极和第二电极之间，该支撑体16的高度等 于第一电极11和第二电极12之间的距离。
本实施例中，该支撑体16也可在上述步骤三的过程中形成并与熔融的第一导电 金属层14粘结。或者在步骤五中形成并直接通过普通粘结剂将该支撑体16粘结于第一电 极11和第二电极12之间。本实施例碳纳米管传感器10的制造方法可进一步包括在碳纳米管130的表面通 过电镀、化学镀或者磁控溅射法形成一修饰层，该修饰层可提高该碳纳米管阵列传感器10 检测的专一性和灵敏性。所述的修饰层可以为钯、金、钼等。不同材料的修饰层可分别准确 探测不同气体的含量，如表面修饰有一层钯可提高探测氢气和甲烷的含量准确度。本实施例中所述的第一导电金属层14和第二导电金属层15也可通过电镀、化学 镀或磁控溅射法分别形成于碳纳米管阵列13的两个端部。所述碳纳米管阵列传感器10中的碳纳米管阵列13可作为电子导线，当通入电流 后，第一电极11和第二电极12之间的电导率可被测出。因为碳纳米管130的电子特性主 要是由其原子结构决定的，所以碳纳米管130受力后原子结构的形变或化学吸附都会对其 电导率产生影响，其变化值可由电流信号来检测，故该碳纳米管阵列传感器10可用于检测 气体分子。具体原理为气体分子被碳纳米管130吸附，导致了碳纳米管130电荷的迁移，从 而引起了电导率的变化。吸附在碳纳米管130上的气体分子的量不同，碳纳米管130电导 率变化量也不同，故在通入电流后，通过测量该碳纳米管130电导率的变化，该碳纳米管阵 列传感器10便可检测气体分子的含量。同时，不同气体分子吸附到碳纳米管上时，由于气 体分子的分子量和分子结构的差异，其对碳纳米管的作用力也会有差异，导致所引起碳纳 米管的电导率变化亦各不相同，故在通入电流后，通过测量该碳纳米管130电导率的变化 便可检测气体分子的种类。请参阅图4，本发明第二实施例提供一种碳纳米管阵列传感器20，该碳纳米管阵 列传感器20包括一第一电极21，一第二电极22，一设置于第一电极21与第二电极22之间 的碳纳米管阵列23，多个第一导电金属层24、多个第二导电金属层25及一支撑体26。本实施例与第一实施例基本相同，其区别在于本实施例的碳纳米管阵列传感器20 包括多个第一导电金属层24和多个第二导电金属层25。所述的碳纳米管阵列23包括多个碳纳米管230，每一碳纳米管230包括第一端 232和与第一端232相对的第二端234，该第一端232和第二端234为从碳纳米管阵列23 中碳纳米管230的端面以及从该端面至距离碳纳米管230的端面0. 01微米 50微米之间 的碳纳米管230的侧壁表面。该第一端232和第二端234的表面分别沉积有第一亲金属层 236和第二亲金属层238。所述的碳纳米管阵列23中的每个碳纳米管230的第一端232通 过第一导电金属层24与第一电极21电连接，所述的碳纳米管阵列23中每个碳纳米管230 的第二端234通过第二导电金属层25与第二电极22电连接。所述的每个第一导电金属层 24形成于一碳纳米管230的第一端232，且每个第二导电金属层25形成于一碳纳米管230 的第二端234。请参阅图5，本发明第二实施例提供的碳纳米管阵列传感器20的制备方法，具体 包括以下步骤步骤一提供一碳纳米管阵列23，所述碳纳米管阵列23中的碳纳米管包括第一端 232和第二端234。本实施例碳纳米管阵列23的制备方法具体为，提供一基底27并在该基底27上利用化学气相沉积法制备该碳纳米管阵列23。步骤二 在该碳纳米管阵列23中的碳纳米管的第一端232的表面形成一第一亲金 属层236。步骤三提供一第一电极21，在第一电极21与碳纳米管阵列23中碳纳米管230的 第一端232之间形成多个第一导电金属层24，将碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第一端 232通过该第一导电金属层24与第一电极21电连接。该电连接的方法可为在碳纳米管阵列23中每个碳纳米管230的第一端232形成 多个第一导电金属层24，通过该第一导电金属层24与第一电极21电连接。具体为首先， 通过化学镀、电镀或磁控溅射法在碳纳米管阵列23中每个碳纳米管230的第一端232形成 一第一导电金属层24。本实施例选用电镀的方法。其次，加热上述碳纳米管阵列23中碳纳 米管230的第一端232上的第一导电金属层24，使第一导电金属层24熔融。最后，将上述 有第一亲金属层236和熔融的第一导电金属层24的碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第 一端232与上述第一电极21的表面接触，待其粘结牢固之后，将该熔融的第一导电金属层 24快速冷却，从而使碳纳米管阵列23牢固地与第一电极21结合，从而保持良好的电连接。步骤四在碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234的表面形成一第二亲金 属层238。首先，将步骤三中的碳纳米管阵列23从基底27中剥离，由于该碳纳米管阵列23 中碳纳米管230的第一端232已经固定在第一电极21上，而碳纳米管阵列23与基底27的 结合力较弱，因此只需很小的力即可把碳纳米管阵列23从基底27上剥离下来，而且不致损 坏碳纳米管阵列23的形态，从而使碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234成为一 自由端。其次，在该碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234的表面形成一第二亲金 属层238。该步骤同步骤二基本相同。该步骤可进一步包括在形成第二亲金属层238之前在第一电极21上形成一支撑 体26的过程，该形成过程与第一实施例相同。步骤五提供一第二电极22，在第二电极22与碳纳米管阵列23中碳纳米管230的 第二端234之间形成多个第二导电金属层25，将碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端 234通过该第二导电金属层25与第二电极22电连接，从而形成一碳纳米管阵列传感器20。该电连接方法可为在碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234形成多个第 二导电金属层25，通过该第二导电金属层25与第二电极电连接。具体为首先，通过化学 镀、电镀或磁控溅射法在碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234形成一第二导电金 属层25，本实施例选用电镀的方法。其次，加热上述碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第 二端234上的第二导电金属层25，使第二导电金属层25熔融。最后，将上述有第二亲金属 层238和熔融的第二导电金属层25的碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234与上 述第二电极22的一表面接触，待其粘结牢固之后，将该熔融的第二导电金属层25快速冷 却，从而使碳纳米管阵列23牢固地与第二电极22结合，从而保持良好的电连接。该步骤进一步包括将上述形成于第一电极21上的支撑体26通过普通粘结剂粘结 在第二电极22上，从而使其更好地固定于第一电极21和第二电极22之间。本实施例与第一实施例碳纳米管阵列传感器10的制备方法基本相同，其区别为 在步骤三和步骤五中，本实施例为在碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第一端232形成多
14个第一导电金属层24，在碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234形成多个第二导电 金属层25。本实施例中所述的多个第一导电金属层24也可通过化学镀、电镀或磁控溅射法 形成在所述的第一电极21与碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第一端232相对的表面， 所述的多个第二导电金属层25也可通过化学镀、电镀或磁控溅射法形成在所述的第二电 极22与碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234相对的表面。可以理解，所述第一导电金属层24和第二导电金属层25也可以分别形成在所述 第一电极21和碳纳米管阵列23中碳纳米管230的第二端234，或分别形成在所述碳纳米管 阵列23中碳纳米管230的第一端232和第二电极22。本发明提供的碳纳米管阵列传感器及其制备方法具有以下优点该碳纳米管阵列 传感器的制备方法无需采用导电浆料使碳纳米管与第一电极和第二电极实现电连接，且所 制备的碳纳米管阵列传感器中的碳纳米管的第一端和第二端分别沉积有第一亲金属层和 第二亲金属层，且该第一亲金属层和第二亲金属层不仅与碳纳米管具有很好的浸润性，且 与第一导电材料层和第二导电材料也有良好的浸润性，因此，该碳纳米管阵列与第一电极 和第二电极结合牢固，保证了碳纳米管阵列传感器工作的可靠性和稳定性，提高了该装置 的工作寿命。
1权利要求
一种碳纳米管阵列传感器，其包括一第一电极；一第二电极；一设置于第一电极与第二电极之间的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，且所述碳纳米管阵列包括一第一端和与该第一端相背的一第二端；至少一第一导电金属层，所述第一电极与碳纳米管阵列的第一端通过该第一导电金属层电连接；至少一第二导电金属层，所述第二电极与碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层电连接；其特征在于，该碳纳米管阵列传感器进一步包括在碳纳米管阵列的第一端沉积形成的一第一亲金属层，和在该碳纳米管阵列的第二端沉积形成的一第二亲金属层，该第一亲金属层与上述第一导电金属层接触并电连接，该第二亲金属层与上述第二导电金属层接触并电连接。
2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层和第二 亲金属层二者至少其中之一为通过电镀、化学镀或者磁控溅射法形成在碳纳米管阵列上。
3.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述至少一第一导电金属 层为多个，该多个第一导电金属层间隔设置，所述至少一第二导电金属层为多个，该多个第 二导电金属层间隔设置。
4.如权利要求2或3所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层嵌入 第一导电金属层中，所述第二亲金属层嵌入第二导电金属层中。
5.如权利要求2或3所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一导电金属层和 第二导电金属层的材料的熔点分别低于第一电极和第二电极的材料的熔点。
6.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层包覆碳 纳米管的第一端，所述第二亲金属层包覆碳纳米管的第二端。
7.如权利要求1或6所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层和第 二亲金属层与碳纳米管浸润。
8.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层和第二 亲金属层的厚度均为0. 5纳米 50纳米。
9.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层和第二 亲金属层的材料为镁、钯、铬、镍及钛中的一种或几种的组合。
10.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一导电金属层和第 二导电金属层的厚度均为0. 1纳米 900纳米。
11.如权利要求10所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述碳纳米管阵列中碳 纳米管的第一端至少部分嵌入所述第一导电金属层中，所述碳纳米管阵列中碳纳米管的第 二端至少部分嵌入所述第二导电金属层中。
12.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述碳纳米管阵列的碳纳 米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或者多种。
13.如权利要求1所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述的碳纳米管阵列传感 器进一步包括一支撑体，该支撑体设置于第一电极和第二电极之间。
14.一种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一 端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵列的第一端形成一第一亲金属层； 提供一第一电极；形成至少一第一导电金属层，以使该第一导电金属层与所述第一亲金属层接触并电连 接，从而将碳纳米管阵列第一端通过该第一导电金属层与第一电极电连接； 在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第二亲金属层； 提供一第二电极；形成至少一第二导电金属层，使该第二导电金属层与所述第二亲金属层接触并电连 接，从而将碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层与第二电极电连接。
15.如权利要求14所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，所述碳纳米 管阵列的第一端与第一电极电连接的方法为，在第一电极的表面或碳纳米管阵列的第一端 形成所述第一导电金属层，将碳纳米管阵列的第一端通过该第一导电金属层与第一电极电 连接；所述碳纳米管阵列的第二端与第二电极电连接的方法为，在第二电极的表面或碳纳 米管的第二端形成所述第二导电金属层，将碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层 与第二电极电连接。
16.如权利要求15所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，将碳纳米管 阵列的第一端通过该第一导电金属层与第一电极电连接的方法为，加热所述第一导电金属 层使第一导电金属层在熔融状态下分别与碳纳米管阵列的第一端和第一电极相结合；所述 将碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层与第二电极电连接的方法为，加热所述的 第二导电金属层使第二导电金属层在熔融状态下分别与碳纳米管阵列的第二端和第二电 极相结合。
17.如权利要求14所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，所述在碳纳 米管阵列的第一端形成第一亲金属层和在碳纳米管阵列的第二端形成第二亲金属层的方 法为磁控溅射法、蒸镀法、化学镀法或电镀法。
18.如权利要求14所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，所述碳纳米 管阵列传感器的制备方法进一步包括在第一电极和第二电极之间形成一支撑体。
19.一种碳纳米管阵列传感器，其包括 一第一电极；一第二电极；一设置于第一电极与第二电极之间的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳 米管，且所述碳纳米管阵列包括一第一端和与该第一端相背的一第二端； 其特征在于，该碳纳米管阵列传感器进一步包括， 一与第一电极电连接的第一导电金属层，一与第二电极电连接的第二导电金属层，所述第一导电金属层和第二导电金属层的材 料的熔点分别低于第一电极和第二电极材料的熔点，在碳纳米管阵列的第一端沉积形成的一第一亲金属层，及在该碳纳米管阵列的第二端沉积形成的一第二亲金属层，该第一亲金属层与上述第一导电金属层接触并电连接，该第二亲金属层与上述第二导电金属层接触并电连接，所述第 一亲金属层和第二亲金属层的材料为镁、钯、铬、镍及钛中的一种或几种的组合。
20.如权利要求19所述的碳纳米管阵列传感器，其特征在于，所述第一亲金属层和第 二亲金属层二者的其中至少之一为通过电镀、化学镀或者磁控溅射法形成在碳纳米管阵列 上。
21.—种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵列的第一端形成一第一亲金属层，该第一亲金属层的材料为镁、钯、 铬、镍及钛中的一种或几种的组合； 提供一第一电极；在第一电极的表面形成一第一导电金属层，该第一导电金属层的材料的熔点低于第一 电极的材料的熔点；加热该第一导电金属层使其在熔融状态下分别与碳纳米管阵列的第一端和第一电极 相结合；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第二亲金属层； 提供一第二电极；在第二电极的表面形成一第二导电金属层，该第二导电金属层的材料的熔点低于第二 电极的材料的熔点；及加热该第二导电金属层使其在熔融状态下分别与碳纳米管阵列的第二端和第二电极 相结合。
22.如权利要求21所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，所述第一亲 金属层和第二亲金属层通过化学镀法、蒸镀法、电镀法或磁控溅射法形成在碳纳米管阵列 的第一端和第二端。
23.如权利要求21所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，进一步包括 冷却熔融的第一导电金属层，使所述碳纳米管阵列的第一端至少部分嵌入所述第一导电金属层中。
24.如权利要求23所述的碳纳米管阵列传感器的制备方法，其特征在于，其进一步包 括冷却熔融的第二导电金属层，使所述碳纳米管阵列的第二端至少部分嵌入所述第二导电金属层中。
25.—种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵列的第一端形成一第一亲金属层，该第一亲金属层的材料为镁、钯、 铬、镍及钛中的一种或几种的组合； 提供一第一电极；在碳纳米管阵列的第一端形成一第一导电金属层，该第一导电金属层的材料的熔点低 于第一电极的材料的熔点；加热该第一导电金属层使其在熔融状态下分别与第一电极和碳纳米管阵列的第一端相结合；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第二亲金属层； 提供一第二电极；在碳纳米管阵列的第二端形成一第二导电金属层，该第二导电金属层的材料的熔点低 于第二电极的材料的熔点；及加热该第二导电金属层使其在熔融状态下与第二电极和碳纳米管阵列的第二端相结合
26. —种碳纳米管阵列传感器的制备方法，包括提供一包括多个碳纳米管的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括一第一端和与第一端相背的一第二端；在所述碳纳米管阵列的第一端形成一第一亲金属层，该第一亲金属层的材料为镁、钯、 铬、镍及钛中的一种或几种的组合； 提供一第一电极；在第一电极的表面形成一第一导电金属层，该第一导电金属层的材料的熔点低于第一 电极的材料的熔点；加热该第一导电金属层使其在熔融状态下分别与碳纳米管阵列的第一端和第一电极 相结合；在所述碳纳米管阵列的第二端形成一第二亲金属层； 提供一第二电极；在碳纳米管阵列的第二端形成一第二导电金属层，该第二导电金属层的材料的熔点低 于第二电极的材料的熔点；及加热该第二导电金属层使其在熔融状态下与第二电极和碳纳米管阵列的第二端相结合
全文摘要
一种碳纳米管阵列传感器，其包括一第一电极；一第二电极；一设置于第一电极与第二电极之间的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，且所述碳纳米管阵列包括第一端和与该第一端相背的一第二端；至少一第一导电金属层，该第一电极与碳纳米管阵列的第一端通过该第一导电金属层电连接；至少一第二导电金属层，该第二电极与碳纳米管阵列的第二端通过该第二导电金属层电连接；其中，该碳纳米管阵列的第一端沉积有一第一亲金属层，该第一亲金属层与上述第一导电金属层接触并电连接，该碳纳米管阵列的第二端沉积有第二亲金属层，该第二亲金属层与上述第二导电金属层接触并电连接。
文档编号B82B3/00GK101811658SQ200910105489
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者姚湲 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司