提供無邊緣納米管諧振器陣列的裝置、方法、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的制作方法

專利名稱：提供無邊緣納米管諧振器陣列的裝置、方法、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地說，本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及碳納米管器件，更具體地，涉及可調(diào)諧射頻 濾波器技術(shù)。
背景技術(shù)：
納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)是納米技術(shù)的發(fā)展中的領(lǐng)域。NEMS包括依賴于機(jī)械移動的 納米管器件。納米管還可稱為納米棒(nanorod)、納米纖維、和納米晶須。可調(diào)諧射頻(RF) 濾波器是NEMS的實(shí)例。一些頻率可調(diào)的諧振器將電容特性用于激勵/變頻。這些頻率可調(diào)的諧振器典型 地包括大規(guī)模并行陣列。在這樣的陣列中的管或光纖的數(shù)目大約為10，000-100，000。圖1中示出對于這種陣列的最簡易幾何體。這種幾何體在管被分隔的足夠遠(yuǎn)，使 得側(cè)電極遮蔽管之間的庫侖相互作用的情況下工作。移動管使之彼此更接近導(dǎo)致管之間的庫侖相互作用在管上發(fā)揮更大的效應(yīng)。這種 相互作用在使用共同諧振時是有用的。然而，對于這樣安排的缺陷在于，在陣列中的管/光 纖上的電荷分布將不是均勻的。與陣列內(nèi)部的管相比，更多電荷將聚集在陣列邊緣處的管 上。圖1示出傳統(tǒng)的線性陣列諧振器。當(dāng)源極偏置電壓Vs處于該系統(tǒng)與輸入的信號 頻率諧振的條件下，在柵極上輸入的RF信號激勵CNT/CNF (碳納米管/碳納米纖維)。偏置 電壓是\和Vs之間的差。源極不需要電接地；它可具有電勢Vs，Vg可以使用相同電勢來 偏移。當(dāng)系統(tǒng)諧振時，通過電容變頻，將信號傳送至漏極120。因此，該器件用作可調(diào)諧濾 波器。因?yàn)楣苷谙嗷プ饔茫诠苌涎刂嚵蟹较?X方向)的電荷分布不相同。在插圖中 將典型的分布顯示為Q。這樣的分布可使得管更接近于要調(diào)諧的邊緣，并導(dǎo)致過早咬接。由于電荷的不等，當(dāng)施加足夠電壓時，在邊緣處的管將更易受到電極吸引，并且如 圖2a所示可咬合接觸。一旦兩個最外側(cè)的管咬合接觸，DC路徑可對于電流可用，并且可導(dǎo) 致該器件的毀壞。盡管例如可通過電極上的介電介質(zhì)層防止DC路徑的發(fā)展，但是同樣出現(xiàn)其他問 題。只要最外側(cè)的管咬合接觸，在陣列中的剩余管上的電荷分布就被重新分布，以再一次聚 集在邊緣周圍。因此，更多的管可咬合接觸(如圖2b所示)。這將導(dǎo)致整個陣列最終咬合 接觸的級聯(lián)效應(yīng)。圖2b示出過早咬接的級聯(lián)現(xiàn)象。如圖2所示，在陣列端部的管承載更多的電荷。 這些管與中心的管相比更易受到漏極120的吸引。因此，他們將在內(nèi)部納米管之前進(jìn)行咬 合接觸。如圖2a所示，一旦最外側(cè)的管咬接，電荷就重新分布，從而沒有咬合接觸的兩個最 外側(cè)的管將經(jīng)歷更大的力。然后，如圖2b所示這些管也將咬合接觸。這生成可導(dǎo)致所有管 咬合接觸的級聯(lián)效應(yīng)。
因?yàn)橹髯冾l源自陣列內(nèi)部的部件，所以咬接級聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致器件的全頻率調(diào)諧范圍 不可用?？蓞⒄誔CT/SE02/00853，其描述了納米管彎曲至接近電路的納米管繼電器設(shè)備。 PCT/SE05/00691描述了若干納米繼電器的配置，所述若干納米繼電器利用系統(tǒng)的 機(jī)電諧振以用作濾波器。作為進(jìn)一步實(shí)例，見US 6，737，939和US 7，301，191。已經(jīng)提出了針對咬接問題的某些現(xiàn)有方案，例如，在管之間具有不相同的間隔，在 邊緣附近增加管間距離，或使用彎曲以接近于邊緣的電極。第一個方案的缺陷在于，在陣列 中的部件之間的相互作用變得不相同，并且共同諧振模式不可能防止諧振的無序感應(yīng)擴(kuò)大 (disorder inducedbroadening)。因?yàn)閮蓚€可選方案需要管或電極幾何體的圖形模式被精 確控制，所以他們同樣受到制造方面的限制。需要一種更加實(shí)踐性的方案，通過解決在納米管陣列邊緣處的電荷聚集的問題來 提高諧振器的調(diào)諧范圍。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例是一種納米管裝置。所述裝置包括第一電極，具有第 一邊緣。還包括在閉合路徑中分布的納米管陣列。所述閉合路徑圍繞所述第一電極并鄰 近所述第一邊緣。所述閉合路徑局部是直的。所述納米管中的每個包括自由擺動的端部。 所述裝置還包括第二電極，具有圍繞所述第一電極和所述納米管陣列的第二邊緣。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例是一種制造納米管諧振器的方法。所述方法包 括提供襯底。在所述襯底上形成具有第一邊緣的第一電極。在所述襯底上以閉合路徑設(shè) 置納米管陣列。所述閉合路徑鄰近所述第一邊緣并圍繞所述第一電極。所述納米管中的每 個的端部可自由移動(例如，擺動)。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例是一種使用納米管諧振器的方法。所述方法包 括提供諧振器結(jié)構(gòu)。所述諧振器結(jié)構(gòu)包括第一電極、納米管陣列和第二電極。納米管陣 列設(shè)置在閉合路徑中。所述閉合路徑鄰近所述第一電極的第一邊緣并圍繞所述第一電極。 所述第二電極鄰近所述納米管陣列并圍繞所述第一電極和所述納米管陣列。所述納米管中 的每個具有以諧振頻率自由擺動的端部。所述方法還包括對于所述納米管陣列施加偏置 電流，以建立所述納米管陣列的諧振頻率。向所述第一電極和所述第二電極之一施加信號。 基于向所述第一電極施加的信號在所述第二電極接收來自所述納米管陣列的電流。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例是一種納米管裝置。所述裝置包括諧振器裝置。 所述諧振器裝置包括第一電極、納米管陣列和第二電極。所述納米管陣列設(shè)置在閉合路徑 中。所述閉合路徑鄰近所述第一電極的第一邊緣并圍繞所述第一電極。所述第二電極鄰近 所述納米管陣列并圍繞所述第一電極和所述納米管陣列。所述納米管中的每個具有以諧振 頻率自由擺動的端部。所述裝置還包括用于對于所述納米管陣列施加偏置電流，以建立所 述納米管陣列的諧振頻率的裝置。還包括用于向所述第一電極和所述第二電極之一施加 信號的裝置。所述裝置還包括用于基于向所述第一電極施加的信號在所述納米管陣列和 所述第二電極之間接收電流的裝置。


當(dāng)結(jié)合

時，在以下具體實(shí)施方式
部分中，本發(fā)明實(shí)施例的以上和其他方面將變得更加清楚，其中圖1示出例示了傳統(tǒng)的線性納米管陣列NEMS的示例性框圖；圖2a和2b示出例示了咬接級聯(lián)期間的傳統(tǒng)的線性納米管陣列NEMS的示例性框圖；圖3a示出傳統(tǒng)的NEMS系統(tǒng)的響應(yīng)功能；圖3b示出根據(jù)本發(fā)明的NEMS系統(tǒng)的響應(yīng)功能；圖4示出例示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的示例性框圖；圖5示出例示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的另外的示例性框圖；圖6是納米管晶體管的簡化視圖；以及圖7示出根據(jù)本發(fā)明的方法。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供了一種用于納米管陣列的可選幾何體，其防止過 早咬合效應(yīng)，并允許利用系統(tǒng)的全調(diào)諧范圍。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及射頻前端設(shè)計(jì)，更具體地，涉及可調(diào)諧射頻濾波 器技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的NEMS結(jié)構(gòu)支持具有低電壓調(diào)諧能力的小型化高Q 諧振器。這些組件可用在各種設(shè)備中，例如軟件定義的和認(rèn)知的無線電硬件。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例通過引入消除在納米管陣列邊緣處電荷聚集的問題 的更好的幾何體形狀來提高納米管諧振器的調(diào)諧范圍。通過消除電荷聚集，防止過早咬接 效應(yīng)，因此允許利用系統(tǒng)的全調(diào)諧范圍。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的器件的示例性實(shí)施例的圖示。電極均具有圓形邊緣。柵極 或漏極可以在中心。如圖4所示，作為非限制性實(shí)例，漏極420在中心。在源極440的頂部放置管450，源極440位于柵極410和漏極420之間。因?yàn)樵陉?列上沒有邊緣，所以不存在陣列邊緣處的電荷聚集的問題，因此解決了過早咬接的問題。盡管圖4中的納米管陣列450示出為圓形，但這只是一個非限制性實(shí)例。如圖所 示，陣列的曲度足夠大，以使得陣列局部是直的。應(yīng)理解，其他幾何體也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 其中，局部是直的描述了其中沿著連續(xù)線沒有邊緣的幾何體。如果存在明確的切線(其基 本平行于相鄰管的切線)，則納米管陣列可以是局部直的。當(dāng)在足夠的倍率下檢查時，該陣 列看起來是直的?？衫梅乐惯^早咬接效應(yīng)并允許系統(tǒng)的全調(diào)諧范圍的備選幾何體配置?？蛇x擇這 些幾何體，使得系統(tǒng)上的電荷分布遍及整個調(diào)諧范圍保持均勻，而不管偏置電壓。對于典型的陣列大小，局部幾何體可等同于如圖1所示的傳統(tǒng)幾何體；因此曲度 的效果在功能上是可忽略的。如圖所示，在陣列上沒有邊緣。因此，也不存在系統(tǒng)的邊緣處 的電荷聚集的問題，從而防止了過早咬接。圖3a和3b提供了傳統(tǒng)的系統(tǒng)和本發(fā)明示例性實(shí)施例的響應(yīng)功能的比較。在圖3a 中，示出傳統(tǒng)的系統(tǒng)的響應(yīng)功能。在圖3b中，示出用于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的響應(yīng)功能。調(diào)諧范圍比起線性陣列更大 得多。應(yīng)理解，純圓幾何體絕非必須。也可使用陣列元件處于閉合路徑(即，無邊緣)的其他幾何體。閉合路徑是無邊緣的，因?yàn)椴淮嬖陂_始邊緣或結(jié)束邊緣。除了三端幾何體，在某些諧振器應(yīng)用中也可利用雙端幾何體。對于雙端情況，將缺 少外部或內(nèi)部電極，例如，僅有外部電極(如圖4中所示的柵極電極410)或內(nèi)部電極(如 圖4中所示的漏極電極440)。對于雙端情況，與更大調(diào)諧范圍相關(guān)的并且防止過早咬接的 所有論證都適用。圖5示出例示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的另外的框圖。如圖所示，NEMS 500a 具有電極510a和520a。在電極510a和520a之間是納米管陣列550a。在NEMS 500a中， 納米管陣列550a具有圓形幾何體。NEMS 500b示出僅存在內(nèi)部電極520b、并且納米管陣列550b鄰近內(nèi)部電極520b 的邊緣的框圖。在NEMS 500c中，僅存在外部電極510c，其中納米管陣列550c鄰近電極 510c的內(nèi)部邊緣。
如圖所示，納米管陣列550b和內(nèi)部電極520b的邊緣不彼此鄰接。應(yīng)理解，為了鄰 近，納米管陣列550b和內(nèi)部電極520b的邊緣僅需要彼此接近。NEMS 500d示出電極510d、520d和納米管陣列550d使用非圓形幾何體(這里是圓 角矩形)的框圖。圓角邊緣的曲度為陣列局部是直的。本發(fā)明的示例性實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，其解決了由于系統(tǒng)中具有邊緣的效應(yīng)而發(fā)生 的有限調(diào)諧范圍的問題。圖3a和3b示出根據(jù)施加的源極電壓Vs和驅(qū)動頻率對于具有128個管的兩個陣 列的動態(tài)響應(yīng)功能的數(shù)字模擬。圖3a和3b中示出線性陣列的范圍的縮減，其中根據(jù)施加的偏置電壓(χ軸)作為 點(diǎn)繪圖示出小陣列的頻率響應(yīng)。y軸以自然振動頻率為單位顯示頻率調(diào)諧。中心的黑色“條”表示大響應(yīng)(諧振行為)，而接近上下邊界的黑色區(qū)域表示失諧 (off resonant)行為。為了清楚起見，在圖3a上示出響應(yīng)函數(shù)的算法。在圖3a中，仿真線性陣列。在該圖中，也可看到在邊緣處導(dǎo)致過早咬合接觸的管 的低頻率響應(yīng)。盡管可看到主諧振的清楚調(diào)諧，但是系統(tǒng)在主峰的調(diào)諧的20%之后已經(jīng)體 驗(yàn)到咬合。這是邊緣調(diào)諧更快到達(dá)零頻率的結(jié)果。這可從分布的邊緣看出(為了清楚起見 而繪出虛線)。在圖3b中，示出根據(jù)本發(fā)明管位于閉合路徑幾何體中的系統(tǒng)的相應(yīng)圖?？煽闯?， 現(xiàn)在利用了全調(diào)諧范圍。圖6是根據(jù)本發(fā)明使用諧振器400的電路的簡化框圖。該電路具有柵極610、源極 630、漏極620和諧振器400?？上蛟礃O630提供電源電壓Vs。柵極610控制諧振器400的 機(jī)械諧振。該諧振器電容連接至漏極620。當(dāng)該諧振器諧振時，在諧振器400 (和因此的源 極630)和漏極620之間存在時變電容。增加射頻信號(RF)，其中柵極偏置電壓Vg，并供應(yīng)至柵極610。當(dāng)該輸入信號具有 兼容于陣列的諧振頻率的頻率時，將過濾的射頻信號輸出至漏極620。由于諧振器400使用 閉合路徑幾何體，所以諧振器避免了咬接效應(yīng)，并保持全調(diào)諧范圍。典型地，濾波器包括彼此電容或電感耦接的一個或多個諧振器。在雙端子諧振器 中(其中內(nèi)部或外部電極不存在)，剩余電極可接收組合射頻信號和調(diào)諧電壓。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的方法。在步驟710，提供襯底。在步驟720，在襯底上形成具有第一邊緣的第一電極。在步驟730，在襯底上的閉合路徑中設(shè)置納米管陣列，其中納米 管陣列鄰近第一邊緣，并圍繞第一電極，以及其中每個納米管的端部可自由移動。如這個非 限制實(shí)例所述，該納米管陣列相對于襯底處于垂直布局。如上所述以及如關(guān)于示例性方法特別描述的本發(fā)明示例性實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)為計(jì)算 機(jī)程序產(chǎn)品，其包括在有形計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上實(shí)施的程序指令。程序指令的執(zhí)行得到包括 利用本發(fā)明的示例性實(shí)施例的步驟的操作或方法步驟。
通常，各個實(shí)施例可在硬件或?qū)Ｓ秒娐?、軟件、邏輯或其任意組合中實(shí)施。例如，某 些方面可以在硬件中實(shí)施，而其他方面可以在固件或軟件中實(shí)施，這可通過控制器、微處理 器或其他計(jì)算設(shè)備來執(zhí)行，但是本發(fā)明不限于此。盡管作為框圖、流程圖、或使用某些其他 圖形表示示出了和描述了本發(fā)明的各個方面，但是應(yīng)理解，這些所述的框圖、裝置、系統(tǒng)、技 術(shù)或方法可在作為非限制性實(shí)例的硬件、軟件、固件、專用電路或邏輯、通用硬件或控制器 或其他計(jì)算設(shè)備、或其某些組合中實(shí)施。本發(fā)明實(shí)施例可在例如集成電路模塊的各個組件中實(shí)踐。集成電路的設(shè)計(jì)一般而 言是高度自動的處理。復(fù)雜和強(qiáng)大的軟件工具可用于將邏輯級設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)備在半導(dǎo)體襯 底上蝕刻和形成的半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì)。應(yīng)注意，術(shù)語“連接”、“耦接”或其任意變型意味著在兩個或更多個元件之間直接 或間接的任意連接或耦接，并且可涵蓋存在“連接”或“耦合”在一起的兩個元件之間的一 個或多個中間元件的情況。元件之間的耦接或連接可以是物理的、邏輯地或其組合。其中， 作為若干非限制性和非窮盡實(shí)例，兩個元件可認(rèn)為通過使用一個或多個線路、電纜和/或 印刷電連接、以及通過使用電磁能(例如具有波長在射頻區(qū)域、微波區(qū)域和光(可見和不可 見)區(qū)域中的電磁能)“連接”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提供的程序自動地排列導(dǎo)線，并使用建立完備的設(shè)計(jì)規(guī)則以及預(yù)先存儲 的設(shè)計(jì)模塊的庫在半導(dǎo)體芯片上定位組件。一旦完成了半導(dǎo)體電路的設(shè)計(jì)，可將所得到的 設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)的電子格式(例如Opus、⑶SII等)發(fā)送至半導(dǎo)體制造工廠或“工廠”以進(jìn)行制造。通過示例性和非限制性實(shí)例，以上說明書提供了本發(fā)明的完整和信息性描述。然 而，對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，根據(jù)以上說明書各個修改和調(diào)整在結(jié)合附圖和所附 權(quán)利要求書閱讀時變得顯而易見。然而，本發(fā)明的教導(dǎo)的任意和所有修改仍將落入本發(fā)明 的范圍內(nèi)。此外，盡管關(guān)于CNT/CNF (碳納米管/碳納米光纖)作為諧振器懸臂的主要材料進(jìn) 行描述，但是本發(fā)明還適用于其他懸臂材料，例如Si。此外，可有效使用本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例的一些特征而無需相應(yīng)使用其他特征。 例如，以上說明應(yīng)僅理解為本發(fā)明的示例性原理，而并非限制。
權(quán)利要求
一種裝置，包括第一電極，具有第一邊緣；在閉合路徑中分布的納米管陣列，其中所述閉合路徑圍繞所述第一電極并鄰近所述第一邊緣，所述閉合路徑局部是直的，以及其中所述納米管中的每個包括自由擺動的端部；以及第二電極，具有圍繞所述第一電極和所述納米管陣列的第二邊緣。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一電極是柵極，以及所述第二電極是漏極。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一電極是漏極，以及所述第二電極是柵極。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述閉合路徑是圓形，所述第一邊緣是圓形以及所 述第二邊緣是圓形。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置是可調(diào)諧射頻濾波器。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括源極，其中所述納米管陣列電連接至所述源極。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中施加于所述納米管的偏置電流改變所述納米管的諧 振頻率。
8.一種方法，包括 提供襯底；在所述襯底上形成具有第一邊緣的第一電極；在所述襯底上的閉合路徑中設(shè)置納米管陣列，其中所述閉合路徑鄰近所述第一邊緣， 并圍繞所述第一電極，以及其中所述納米管中的每個的端部自由移動。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括在所述襯底上設(shè)置具有第二邊緣的第二電極，其 中所述第二邊緣鄰近所述納米管陣列。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述閉合路徑為圓形。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中設(shè)置納米管陣列包括使用化學(xué)氣相沉積在所述襯 底上生長所述納米管。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，至少部分地作為在計(jì)算機(jī)可讀存儲器介質(zhì)中存儲的計(jì) 算機(jī)程序指令的執(zhí)行的結(jié)果來控制。
13.一種方法，包括 提供諧振器結(jié)構(gòu)，包括 第一電極，在閉合路徑中設(shè)置的納米管陣列，其中所述閉合路徑鄰近所述第一電極的第一邊緣并 圍繞所述第一電極，以及第二電極，鄰近所述納米管陣列并圍繞所述第一電極和所述納米管陣列； 其中所述納米管中的每個包括以諧振頻率自由擺動的端部； 對于所述納米管陣列施加偏置電流，以建立所述納米管陣列的諧振頻率； 向所述第一電極和所述第二電極之一施加信號；以及基于向所述第一電極施加的信號在所述納米管陣列和所述第二電極之間接收電流。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括調(diào)節(jié)到所述納米管陣列的所述偏置電流。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，至少部分地作為在計(jì)算機(jī)可讀存儲器介質(zhì)中存儲的計(jì) 算機(jī)程序指令的執(zhí)行的結(jié)果來控制。
16.一種裝置，包括 諧振器裝置，用于提供 第一電極，在閉合路徑中設(shè)置的納米管陣列，其中所述閉合路徑鄰近所述第一電極的第一邊緣并 圍繞所述第一電極，以及第二電極，鄰近所述納米管陣列并圍繞所述第一電極和所述納米管陣列； 其中所述納米管中的每個包括以諧振頻率自由擺動的端部； 用于對于所述納米管陣列施加偏置電流，以建立所述納米管陣列的諧振頻率的裝置； 用于向所述第一電極和所述第二電極之一施加信號的裝置；以及 用于基于向所述第一電極施加的信號在所述納米管陣列和所述第二電極之間接收電 流的裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述諧振器裝置是射頻濾波器。
全文摘要
描述一種納米管裝置。所述裝置包括第一電極，具有第一邊緣。還包括在閉合路徑中分布的納米管陣列。所述閉合路徑圍繞所述第一電極并鄰近所述第一邊緣。所述閉合路徑局部是直的。所述納米管中的每個包括自由擺動的端部。所述裝置還包括第二電極，具有圍繞所述第一電極和所述納米管陣列的第二邊緣。還描述了方法。
文檔編號H03H9/46GK101960718SQ200980106518
公開日2011年1月26日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者A·伊薩克松, A·埃里克松, E·坎貝爾, J·基納雷特, R·考尼斯托, 李相旭 申請人:諾基亞公司