[發明專利]基于單壁碳納米管陣列的柔性壓阻流場傳感器及制作方法

有效

• 申請號: 201110201164.7
• 申請日: 2011-07-18
• 公開（公告）號: CN102313818A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 周兆英;楊興;鄭富中;景焱青
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08;G01L9/06;G01B7/30;B81C1/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明涉及傳感器、精密儀器技術領域，特別涉及一種基于單壁碳納米管陣列結構的柔性壓阻式流場傳感器及其制作方法。

背景技術

流速、迎角等流場傳感器在飛行器、巡飛器、船舶和潛艇上具有重要的應用。傳統的壓阻式流場傳感器主要由硅等剛性半導體材料構成，對被測物，特別是微小型飛行器的翼形會造成一定影響，或者采用開孔安裝的方法也會不利于機翼的強度。例如微型飛行器上測量空速常用的硅微型MEMS壓力傳感器無論采用在機翼上開孔安裝還是采用空速管結構都會對機翼的翼型造成一定的影響。近年來，碳納米管的出現，由于其優異的壓阻等敏感特性及極高的強度和韌性為研制柔性傳感器和智能蒙皮提供了新的思路。

單壁碳納米管根據手性可分為半導體型、小能隙型和純金屬型。根據理論分析和實驗研究，小能隙單壁碳納米管具有最高的壓阻因子，而純金屬型單壁碳納米管的壓阻因子最低。目前碳納米管的制備工藝還不能精確控制碳納米管的手性，造成直接批量、低成本的制作高壓阻因子的小能隙型碳納米管傳感器具有很大難度。因此，目前國內、外已有的一些關于碳納米管柔性壓阻傳感器的研究主要是采用碳納米管薄膜或者將碳納米管與聚合物組成復合結構作為敏感單元，但無論是薄膜還是復合結構，由于其中碳納米管是各種手性不同的混合體并且是無序地黏附于基底，造成目前碳納米管柔性壓阻傳感器的靈敏度不高，例如，美國Michigan大學的J.P.LYNCH等制作的碳納米管-聚合物薄膜應變傳感器，其壓阻因子最高僅達到1.8。再如，美國Cincinnati大學的Inpil?Kang等制作的碳納米管薄膜(buckypaper)應變傳感器，盡管采用了單壁碳納米管，但單壁碳納米管在基底上是隨機排布并粘附于基地上，且沒有對碳納米管進行過篩選處理，因此，導致其壓阻因子最高約為7，靈敏度仍然很低。

發明內容

本發明旨在至少解決上述技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種基于單壁碳納米管陣列的柔性壓阻流場傳感器，由于該傳感器中單壁碳納米管陣列與柔性基底間隔開設置，因此具有很高的靈敏度，并具有尺寸小、柔韌性強以及功耗低的優點。

本發明的另一目的在于提出一種基于單壁碳納米管陣列的柔性壓阻流場傳感器的制作方法，該方法利用柔性基底易彎曲的特點提出一種彎曲介電泳等方法實現單壁碳納米管以陣列、處于拉伸狀態設置在電極對上，且與柔性基底間隔開的制作工藝，并可通過篩選的后處理方法提高傳感器的靈敏度。另外，該方法設計簡單，易于實現，且適用于該傳感器的批量生產，進而提高生產效率。

為實現上述目的，本發明第一方面提出的基于單壁碳納米管陣列的柔性壓阻流場傳感器，包括：柔性基底；至少一組微電極對，其中，每一組微電極對包括：第一微電極和第二微電極，所述第一微電極和所述第二微電極間隔地設置在所述柔性基底上；至少一組單壁碳納米管陣列，其中，一組單壁碳納米管陣列對應于一組微電極對，每一組單壁碳納米管陣列的兩端分別與對應地一組微電極對的第一微電極和第二微電極相連以使所述每一組單壁碳納米管陣列處于拉伸狀態，且所述每一組單壁碳納米管陣列與所述柔性基底間隔開。

根據本發明實施例的基于單壁碳納米管陣列的柔性壓阻流場傳感器，通過流速、壓強等物理量引起柔性基底的變形，通過電極對傳遞給單壁碳納米管陣列，利用單壁碳納米管陣列的優異的壓阻敏感特性，實現被測流場的高靈敏度傳感。另外，單壁碳納米管具有極高的強度和韌性，并具有超小的尺寸，使該傳感器具有較高的強度、較低的功耗，并具有對被測流場干擾小的優點。

另外，根據本發明的基于單壁碳納米管陣列的柔性壓阻流場傳感器還可以具有如下附加的技術特征：

在本發明的一個實施例中，所述的基于單壁碳納米管陣列的柔性流場壓阻傳感器還包括：固定件，每個所述固定件分別設置在所述第一微電極和所述第二微電極上，以將所述單壁碳納米管陣列的兩端分別固定在對應地第一微電極和所述第二微電極上。

在本發明的一個實施例中，所述柔性基底的材料包括：聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷的其中之一。

根據本發明的一個實施例，所述柔性基底的厚度在1納米～10毫米之間。

在本發明的一個實施例中，所述第一微電極和第二微電極通過光刻、濺射、蒸鍍、剝離或刻蝕的方式使所述第一微電極和第二微電極設置在所述柔性基底上。

根據本發明的一個實施例，所述第一微電極和第二微電極的間距在1納米～100毫米之間，所述第一微電極和第二微電極的厚度分別在0.01納米～1毫米之間。