提供无边缘纳米管谐振器阵列的装置、方法、和计算机程序产品的制作方法

专利名称：提供无边缘纳米管谐振器阵列的装置、方法、和计算机程序产品的制作方法
技术领域：
概括地说，本发明的示例性实施例涉及碳纳米管器件，更具体地，涉及可调谐射频 滤波器技术。
背景技术：
纳米机电系统(NEMS)是纳米技术的发展中的领域。NEMS包括依赖于机械移动的 纳米管器件。纳米管还可称为纳米棒(nanorod)、纳米纤维、和纳米晶须。可调谐射频(RF) 滤波器是NEMS的实例。一些频率可调的谐振器将电容特性用于激励/变频。这些频率可调的谐振器典型 地包括大规模并行阵列。在这样的阵列中的管或光纤的数目大约为10，000-100，000。图1中示出对于这种阵列的最简易几何体。这种几何体在管被分隔的足够远，使 得侧电极遮蔽管之间的库仑相互作用的情况下工作。移动管使之彼此更接近导致管之间的库仑相互作用在管上发挥更大的效应。这种 相互作用在使用共同谐振时是有用的。然而，对于这样安排的缺陷在于，在阵列中的管/光 纤上的电荷分布将不是均勻的。与阵列内部的管相比，更多电荷将聚集在阵列边缘处的管 上。图1示出传统的线性阵列谐振器。当源极偏置电压Vs处于该系统与输入的信号 频率谐振的条件下，在栅极上输入的RF信号激励CNT/CNF (碳纳米管/碳纳米纤维)。偏置 电压是\和Vs之间的差。源极不需要电接地；它可具有电势Vs，Vg可以使用相同电势来 偏移。当系统谐振时，通过电容变频，将信号传送至漏极120。因此，该器件用作可调谐滤 波器。因为管正在相互作用，在管上沿着阵列方向(X方向)的电荷分布不相同。在插图中 将典型的分布显示为Q。这样的分布可使得管更接近于要调谐的边缘，并导致过早咬接。由于电荷的不等，当施加足够电压时，在边缘处的管将更易受到电极吸引，并且如 图2a所示可咬合接触。一旦两个最外侧的管咬合接触，DC路径可对于电流可用，并且可导 致该器件的毁坏。尽管例如可通过电极上的介电介质层防止DC路径的发展，但是同样出现其他问 题。只要最外侧的管咬合接触，在阵列中的剩余管上的电荷分布就被重新分布，以再一次聚 集在边缘周围。因此，更多的管可咬合接触(如图2b所示)。这将导致整个阵列最终咬合 接触的级联效应。图2b示出过早咬接的级联现象。如图2所示，在阵列端部的管承载更多的电荷。 这些管与中心的管相比更易受到漏极120的吸引。因此，他们将在内部纳米管之前进行咬 合接触。如图2a所示，一旦最外侧的管咬接，电荷就重新分布，从而没有咬合接触的两个最 外侧的管将经历更大的力。然后，如图2b所示这些管也将咬合接触。这生成可导致所有管 咬合接触的级联效应。
因为主变频源自阵列内部的部件，所以咬接级联效应导致器件的全频率调谐范围 不可用。可参照PCT/SE02/00853，其描述了纳米管弯曲至接近电路的纳米管继电器设备。 PCT/SE05/00691描述了若干纳米继电器的配置，所述若干纳米继电器利用系统的 机电谐振以用作滤波器。作为进一步实例，见US 6，737，939和US 7，301，191。已经提出了针对咬接问题的某些现有方案，例如，在管之间具有不相同的间隔，在 边缘附近增加管间距离，或使用弯曲以接近于边缘的电极。第一个方案的缺陷在于，在阵列 中的部件之间的相互作用变得不相同，并且共同谐振模式不可能防止谐振的无序感应扩大 (disorder inducedbroadening)。因为两个可选方案需要管或电极几何体的图形模式被精 确控制，所以他们同样受到制造方面的限制。需要一种更加实践性的方案，通过解决在纳米管阵列边缘处的电荷聚集的问题来 提高谐振器的调谐范围。

发明内容
根据本发明的示例性实施例是一种纳米管装置。所述装置包括第一电极，具有第 一边缘。还包括在闭合路径中分布的纳米管阵列。所述闭合路径围绕所述第一电极并邻 近所述第一边缘。所述闭合路径局部是直的。所述纳米管中的每个包括自由摆动的端部。 所述装置还包括第二电极，具有围绕所述第一电极和所述纳米管阵列的第二边缘。根据本发明的另一示例性实施例是一种制造纳米管谐振器的方法。所述方法包 括提供衬底。在所述衬底上形成具有第一边缘的第一电极。在所述衬底上以闭合路径设 置纳米管阵列。所述闭合路径邻近所述第一边缘并围绕所述第一电极。所述纳米管中的每 个的端部可自由移动(例如，摆动)。根据本发明的另一示例性实施例是一种使用纳米管谐振器的方法。所述方法包 括提供谐振器结构。所述谐振器结构包括第一电极、纳米管阵列和第二电极。纳米管阵 列设置在闭合路径中。所述闭合路径邻近所述第一电极的第一边缘并围绕所述第一电极。 所述第二电极邻近所述纳米管阵列并围绕所述第一电极和所述纳米管阵列。所述纳米管中 的每个具有以谐振频率自由摆动的端部。所述方法还包括对于所述纳米管阵列施加偏置 电流，以建立所述纳米管阵列的谐振频率。向所述第一电极和所述第二电极之一施加信号。 基于向所述第一电极施加的信号在所述第二电极接收来自所述纳米管阵列的电流。根据本发明的另一示例性实施例是一种纳米管装置。所述装置包括谐振器装置。 所述谐振器装置包括第一电极、纳米管阵列和第二电极。所述纳米管阵列设置在闭合路径 中。所述闭合路径邻近所述第一电极的第一边缘并围绕所述第一电极。所述第二电极邻近 所述纳米管阵列并围绕所述第一电极和所述纳米管阵列。所述纳米管中的每个具有以谐振 频率自由摆动的端部。所述装置还包括用于对于所述纳米管阵列施加偏置电流，以建立所 述纳米管阵列的谐振频率的装置。还包括用于向所述第一电极和所述第二电极之一施加 信号的装置。所述装置还包括用于基于向所述第一电极施加的信号在所述纳米管阵列和 所述第二电极之间接收电流的装置。


当结合

时，在以下具体实施方式
部分中，本发明实施例的以上和其他方面将变得更加清楚，其中图1示出例示了传统的线性纳米管阵列NEMS的示例性框图；图2a和2b示出例示了咬接级联期间的传统的线性纳米管阵列NEMS的示例性框图；图3a示出传统的NEMS系统的响应功能；图3b示出根据本发明的NEMS系统的响应功能；图4示出例示了根据本发明的示例性实施例的示例性框图；图5示出例示了根据本发明的示例性实施例的另外的示例性框图；图6是纳米管晶体管的简化视图；以及图7示出根据本发明的方法。
具体实施例方式根据本发明的示例性实施例提供了一种用于纳米管阵列的可选几何体，其防止过 早咬合效应，并允许利用系统的全调谐范围。根据本发明的示例性实施例涉及射频前端设计，更具体地，涉及可调谐射频滤波 器技术。根据本发明的示例性实施例的NEMS结构支持具有低电压调谐能力的小型化高Q 谐振器。这些组件可用在各种设备中，例如软件定义的和认知的无线电硬件。根据本发明的示例性实施例通过引入消除在纳米管阵列边缘处电荷聚集的问题 的更好的几何体形状来提高纳米管谐振器的调谐范围。通过消除电荷聚集，防止过早咬接 效应，因此允许利用系统的全调谐范围。图4示出根据本发明的器件的示例性实施例的图示。电极均具有圆形边缘。栅极 或漏极可以在中心。如图4所示，作为非限制性实例，漏极420在中心。在源极440的顶部放置管450，源极440位于栅极410和漏极420之间。因为在阵 列上没有边缘，所以不存在阵列边缘处的电荷聚集的问题，因此解决了过早咬接的问题。尽管图4中的纳米管阵列450示出为圆形，但这只是一个非限制性实例。如图所 示，阵列的曲度足够大，以使得阵列局部是直的。应理解，其他几何体也在本发明的范围内。 其中，局部是直的描述了其中沿着连续线没有边缘的几何体。如果存在明确的切线(其基 本平行于相邻管的切线)，则纳米管阵列可以是局部直的。当在足够的倍率下检查时，该阵 列看起来是直的。可利用防止过早咬接效应并允许系统的全调谐范围的备选几何体配置。可选择这 些几何体，使得系统上的电荷分布遍及整个调谐范围保持均勻，而不管偏置电压。对于典型的阵列大小，局部几何体可等同于如图1所示的传统几何体；因此曲度 的效果在功能上是可忽略的。如图所示，在阵列上没有边缘。因此，也不存在系统的边缘处 的电荷聚集的问题，从而防止了过早咬接。图3a和3b提供了传统的系统和本发明示例性实施例的响应功能的比较。在图3a 中，示出传统的系统的响应功能。在图3b中，示出用于根据本发明的系统的响应功能。调谐范围比起线性阵列更大 得多。应理解，纯圆几何体绝非必须。也可使用阵列元件处于闭合路径(即，无边缘)的其他几何体。闭合路径是无边缘的，因为不存在开始边缘或结束边缘。除了三端几何体，在某些谐振器应用中也可利用双端几何体。对于双端情况，将缺 少外部或内部电极，例如，仅有外部电极(如图4中所示的栅极电极410)或内部电极(如 图4中所示的漏极电极440)。对于双端情况，与更大调谐范围相关的并且防止过早咬接的 所有论证都适用。图5示出例示了根据本发明的示例性实施例的另外的框图。如图所示，NEMS 500a 具有电极510a和520a。在电极510a和520a之间是纳米管阵列550a。在NEMS 500a中， 纳米管阵列550a具有圆形几何体。NEMS 500b示出仅存在内部电极520b、并且纳米管阵列550b邻近内部电极520b 的边缘的框图。在NEMS 500c中，仅存在外部电极510c，其中纳米管阵列550c邻近电极 510c的内部边缘。
如图所示，纳米管阵列550b和内部电极520b的边缘不彼此邻接。应理解，为了邻 近，纳米管阵列550b和内部电极520b的边缘仅需要彼此接近。NEMS 500d示出电极510d、520d和纳米管阵列550d使用非圆形几何体(这里是圆 角矩形)的框图。圆角边缘的曲度为阵列局部是直的。本发明的示例性实施例的优点在于，其解决了由于系统中具有边缘的效应而发生 的有限调谐范围的问题。图3a和3b示出根据施加的源极电压Vs和驱动频率对于具有128个管的两个阵 列的动态响应功能的数字模拟。图3a和3b中示出线性阵列的范围的缩减，其中根据施加的偏置电压(χ轴)作为 点绘图示出小阵列的频率响应。y轴以自然振动频率为单位显示频率调谐。中心的黑色“条”表示大响应(谐振行为)，而接近上下边界的黑色区域表示失谐 (off resonant)行为。为了清楚起见，在图3a上示出响应函数的算法。在图3a中，仿真线性阵列。在该图中，也可看到在边缘处导致过早咬合接触的管 的低频率响应。尽管可看到主谐振的清楚调谐，但是系统在主峰的调谐的20%之后已经体 验到咬合。这是边缘调谐更快到达零频率的结果。这可从分布的边缘看出(为了清楚起见 而绘出虚线)。在图3b中，示出根据本发明管位于闭合路径几何体中的系统的相应图。可看出， 现在利用了全调谐范围。图6是根据本发明使用谐振器400的电路的简化框图。该电路具有栅极610、源极 630、漏极620和谐振器400。可向源极630提供电源电压Vs。栅极610控制谐振器400的 机械谐振。该谐振器电容连接至漏极620。当该谐振器谐振时，在谐振器400 (和因此的源 极630)和漏极620之间存在时变电容。增加射频信号(RF)，其中栅极偏置电压Vg，并供应至栅极610。当该输入信号具有 兼容于阵列的谐振频率的频率时，将过滤的射频信号输出至漏极620。由于谐振器400使用 闭合路径几何体，所以谐振器避免了咬接效应，并保持全调谐范围。典型地，滤波器包括彼此电容或电感耦接的一个或多个谐振器。在双端子谐振器 中(其中内部或外部电极不存在)，剩余电极可接收组合射频信号和调谐电压。图7示出根据本发明的方法。在步骤710，提供衬底。在步骤720，在衬底上形成具有第一边缘的第一电极。在步骤730，在衬底上的闭合路径中设置纳米管阵列，其中纳米 管阵列邻近第一边缘，并围绕第一电极，以及其中每个纳米管的端部可自由移动。如这个非 限制实例所述，该纳米管阵列相对于衬底处于垂直布局。如上所述以及如关于示例性方法特别描述的本发明示例性实施例可实现为计算 机程序产品，其包括在有形计算机可读介质上实施的程序指令。程序指令的执行得到包括 利用本发明的示例性实施例的步骤的操作或方法步骤。
通常，各个实施例可在硬件或专用电路、软件、逻辑或其任意组合中实施。例如，某 些方面可以在硬件中实施，而其他方面可以在固件或软件中实施，这可通过控制器、微处理 器或其他计算设备来执行，但是本发明不限于此。尽管作为框图、流程图、或使用某些其他 图形表示示出了和描述了本发明的各个方面，但是应理解，这些所述的框图、装置、系统、技 术或方法可在作为非限制性实例的硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器 或其他计算设备、或其某些组合中实施。本发明实施例可在例如集成电路模块的各个组件中实践。集成电路的设计一般而 言是高度自动的处理。复杂和强大的软件工具可用于将逻辑级设计转换成准备在半导体衬 底上蚀刻和形成的半导体电路设计。应注意，术语“连接”、“耦接”或其任意变型意味着在两个或更多个元件之间直接 或间接的任意连接或耦接，并且可涵盖存在“连接”或“耦合”在一起的两个元件之间的一 个或多个中间元件的情况。元件之间的耦接或连接可以是物理的、逻辑地或其组合。其中， 作为若干非限制性和非穷尽实例，两个元件可认为通过使用一个或多个线路、电缆和/或 印刷电连接、以及通过使用电磁能(例如具有波长在射频区域、微波区域和光(可见和不可 见)区域中的电磁能)“连接”或“耦接”在一起。例如由 Califonia 的 Mountain View 的 Synopsys 公司禾口 California 的 San Jose 的Cadence Design提供的程序自动地排列导线，并使用建立完备的设计规则以及预先存储 的设计模块的库在半导体芯片上定位组件。一旦完成了半导体电路的设计，可将所得到的 设计以标准的电子格式(例如Opus、⑶SII等)发送至半导体制造工厂或“工厂”以进行制造。通过示例性和非限制性实例，以上说明书提供了本发明的完整和信息性描述。然 而，对于相关领域普通技术人员来说，根据以上说明书各个修改和调整在结合附图和所附 权利要求书阅读时变得显而易见。然而，本发明的教导的任意和所有修改仍将落入本发明 的范围内。此外，尽管关于CNT/CNF (碳纳米管/碳纳米光纤)作为谐振器悬臂的主要材料进 行描述，但是本发明还适用于其他悬臂材料，例如Si。此外，可有效使用本发明的优选的实施例的一些特征而无需相应使用其他特征。 例如，以上说明应仅理解为本发明的示例性原理，而并非限制。
权利要求
一种装置，包括第一电极，具有第一边缘；在闭合路径中分布的纳米管阵列，其中所述闭合路径围绕所述第一电极并邻近所述第一边缘，所述闭合路径局部是直的，以及其中所述纳米管中的每个包括自由摆动的端部；以及第二电极，具有围绕所述第一电极和所述纳米管阵列的第二边缘。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极是栅极，以及所述第二电极是漏极。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极是漏极，以及所述第二电极是栅极。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述闭合路径是圆形，所述第一边缘是圆形以及所 述第二边缘是圆形。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述装置是可调谐射频滤波器。
6.如权利要求1所述的装置，还包括源极，其中所述纳米管阵列电连接至所述源极。
7.如权利要求1所述的装置，其中施加于所述纳米管的偏置电流改变所述纳米管的谐 振频率。
8.一种方法，包括 提供衬底；在所述衬底上形成具有第一边缘的第一电极；在所述衬底上的闭合路径中设置纳米管阵列，其中所述闭合路径邻近所述第一边缘， 并围绕所述第一电极，以及其中所述纳米管中的每个的端部自由移动。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述衬底上设置具有第二边缘的第二电极，其 中所述第二边缘邻近所述纳米管阵列。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述闭合路径为圆形。
11.如权利要求8所述的方法，其中设置纳米管阵列包括使用化学气相沉积在所述衬 底上生长所述纳米管。
12.如权利要求8所述的方法，至少部分地作为在计算机可读存储器介质中存储的计 算机程序指令的执行的结果来控制。
13.一种方法，包括 提供谐振器结构，包括 第一电极，在闭合路径中设置的纳米管阵列，其中所述闭合路径邻近所述第一电极的第一边缘并 围绕所述第一电极，以及第二电极，邻近所述纳米管阵列并围绕所述第一电极和所述纳米管阵列； 其中所述纳米管中的每个包括以谐振频率自由摆动的端部； 对于所述纳米管阵列施加偏置电流，以建立所述纳米管阵列的谐振频率； 向所述第一电极和所述第二电极之一施加信号；以及基于向所述第一电极施加的信号在所述纳米管阵列和所述第二电极之间接收电流。
14.如权利要求13所述的方法，还包括调节到所述纳米管阵列的所述偏置电流。
15.如权利要求13所述的方法，至少部分地作为在计算机可读存储器介质中存储的计 算机程序指令的执行的结果来控制。
16.一种装置，包括 谐振器装置，用于提供 第一电极，在闭合路径中设置的纳米管阵列，其中所述闭合路径邻近所述第一电极的第一边缘并 围绕所述第一电极，以及第二电极，邻近所述纳米管阵列并围绕所述第一电极和所述纳米管阵列； 其中所述纳米管中的每个包括以谐振频率自由摆动的端部； 用于对于所述纳米管阵列施加偏置电流，以建立所述纳米管阵列的谐振频率的装置； 用于向所述第一电极和所述第二电极之一施加信号的装置；以及 用于基于向所述第一电极施加的信号在所述纳米管阵列和所述第二电极之间接收电 流的装置。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述谐振器装置是射频滤波器。
全文摘要
描述一种纳米管装置。所述装置包括第一电极，具有第一边缘。还包括在闭合路径中分布的纳米管阵列。所述闭合路径围绕所述第一电极并邻近所述第一边缘。所述闭合路径局部是直的。所述纳米管中的每个包括自由摆动的端部。所述装置还包括第二电极，具有围绕所述第一电极和所述纳米管阵列的第二边缘。还描述了方法。
文档编号H03H9/46GK101960718SQ200980106518
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年2月29日
发明者A·伊萨克松, A·埃里克松, E·坎贝尔, J·基纳雷特, R·考尼斯托, 李相旭 申请人:诺基亚公司