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Drucksensor mit Kohlenstoffnanomembran

21.11.2013

Kohlenstoffnanomembranen (CNM) entstehen durch Quervernetzung selbstorganisierter monomolekularer Schichten. Ihre Dicke hängt von der verwendeten Molekülspezies ab und liegt im Bereich von 0,8-10 nm. CNMs sind an Luft stabil und lassen sich durch eine thermische Behandlung leitfähig machen. Sie sind mit lithographischen Methoden strukturierbar. Ferner besteht die Möglichkeit, sie mit einem polymeren Trägermaterial von einem Substrat auf ein anderes zu transferieren. Es können dabei auch Öffnungen auf dem Zielsubstrat überdeckt und somit  freitragende CNMs erzeugt werden. In Zusammenarbeit mit der Universität Bielefeld wird z.Zt. ein miniaturisierter Drucksensor entwickelt, um auf zellulärer Ebene Druckänderungen zu detektieren.

Das Auslesen der durch Druckeinwirkung erzeugten Auslenkung der Membran soll mit einem Feldeffekttransistor (FET) erfolgen. Die Membran wird dazu freitragend über dem FET platziert und fungiert als Gate-Elektrode. Zur Messung wird an die Membran eine feste Spannung angelegt. Verringert sich der Abstand zwischen Membran und FET durch eine Erhöhung des Aussendrucks, nimmt das elektrische Feld im FET zu und ändert den Source-Drain-Strom.

Im Reinraumzentrum der PTB wurden Feldeffekttransistoren hergestellt und in die Trägerstruktur für CNMs integriert. Um das Auslesekonzept zu testen, wurde eine metallisierte Test-Membran aus Siliziumnitrid (Dicke 200 nm) drei Mikrometer über dem FET platziert und als Gate verwendet.  Diese Membran ist mechanisch robuster, so dass sie mit der Spitze eines Kraftsensors in Richtung des FETs gepresst werden konnte. Gleichzeitig wurde der Source-Drain-Strom beobachtet. Bei Annäherung der Membran ändert sich der Strom je nach Polarität der Gatespannung (Bild 1(a)). Im nächsten Schritt wurde eine Doppelschicht aus Kohlenstoffnanomembran und isolierender Stützschicht freitragend über einem FET platziert (s. Schema Bild 1(b)). In den Bildern 1(c) und (d) sind die elektrischen Kennlinien eines solchen Aufbaus dargestellt. Mit der CNM als Gate-Elektrode lässt sich der Source-Drain-Strom des FETs durch Änderung der angelegten Gate-Spannung manipulieren. Diese Art der Steuerung des FETs kann auch durch Änderung des Abstands zwischen Membran und FET erreicht werden.

Die Praktikabilität des Konzeptes sowie die Eignung der Kohlenstoffnanomembran sind somit nachgewiesen. Gelingen im nächsten Schritt diese Messungen auch ohne Stützschicht, kann mit der Druckcharakterisierung des Sensors begonnen werden.

 

 

Bild 1: Darstellung (a) der relativen Änderung des Drain-Stroms eines FETs bei Verringerung des Abstandes zwischen FET und Gate-Elektrode. Schematische Darstellung (b) eines FETs mit einer gestützten Kohlenstoffnanomembran als Gate. Source-Drain-Kennlinien (c) sowie Gate-Charakteristik (d) des Aufbaus aus (b).

 

 

 

 

Ansprechpartner: M. Bohrisch
Fachbereich 2.4:  Quantenelektronik