CN102183201A

CN102183201A - 基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器

Info

Publication number: CN102183201A
Application number: CN 201110040678
Authority: CN
Inventors: 汪小知; 李鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-20
Filing date: 2011-02-20
Publication date: 2011-09-14

Abstract

基于一维纳米材料的测量机械形变的传感器，使用一维纳米材料作为实现传感器电学性质的部分。本发明的有益效果在于，基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器的灵敏度和稳固度有较高的提升，灵敏度与测量范围的关系可以根据使用场合灵活地进行调节。

Description

基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器

技术领域

本发明涉及一种测量机械形变的传感器，尤其是涉及一种基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器。

背景技术

张力计可以用于检测物体表面在受外力或内力时的形变，在机械和土木工程等方面有着广泛的应用。衡量张力计的指标包括灵敏度，稳定性以及测量范围。新兴材料的采用，使得因为应力所产生的形变越来越小，因此，新型的更灵敏和应用范围更广的张力计是未来发展的趋势。

传统的张力计基于固体材料形变后性质的改变，这些性质包括电阻，光学反射率等。金属箔张力计仍然是应用最广的张力计。典型的金属箔张力计由特定形状的金属箔以及与之相连的接触电极构成，接触电极可以用来测量特定形状的金属箔的电阻。

当金属箔受到外来而产生形变时，其电阻也会发生改变。

金属箔可以被模拟成一块长宽高如图2所示的金属导体。

图2所示的金属在L方向上的电阻为

(1)

其中ρ是该金属的电阻率。不管如何形变，金属的总体积将保持恒定，

(2)

将2式代入1式

(3)

其中ΔL 是沿L方向上也就是应力方向上的形变。通过测量电阻，张力计的灵敏度，可以表示成

(4)

因此灵敏度跟沿受力方向的形变大小正线性相关。如果最大形变为b，则张力计最大灵敏度出现在

(5)

从相关分析可以看出，传统的张力计形变越大时，灵敏度才越高，因此最大灵敏度以及测量范围都有最大形变b决定，b则取决于材料本身的性质。

如果材料的电阻率在形变范围内不变，如等式4所示，灵敏度只能通过缩小W和H来提高，因此，大部分张力计采用了薄而窄的金属薄片。但如此一来，也使得材料在承受机械力是更加脆弱，或是随温度的变化更快，因此也限制了张力计在许多场合的应用。

利用半导体的压电性质的张力计的灵敏度一般会比金属箔张力计灵敏度更高，但同样，因为半导体的固态属性，灵敏度和形变范围都受到了局限。张力计通过测量建筑物表面的裂缝和结构的相对位移来检测其质量，但目前的张力计形变范围一般在毫米级别左右，或者无法满足更高形变测量范围，或者在形变过小的范围内无法满足足够的精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种能够实现更高精度测量的基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器，使用低维纳米材料作为实现传感器电学性质的部分。

本发明的改进方案可以是，使用低维纳米材料作为实现传感器电学性质的部分，并使用绝缘的衬底材料作为实现传感器机械性质的部分。

本发明所述低维纳米材料包括纳米管，纳米线，纳米颗粒，石墨烯。

本发明的改进方案是所述低维纳米材料的密度较高。

本发明的有益效果在于，基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器的灵敏度和稳固度有较高的提升，灵敏度与测量范围的关系可以根据使用场合灵活地进行调节。

附图说明

图1是典型张力计上的金属图案。

图2是金属箔可以模拟为一个长宽高分别为L 、W、 H的导体。

图3是碳纳米管网络原理图。

图4是基于碳纳米管网络的张力计。

图5是在不同拉伸尺度下，电阻的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

用碳纳米管来举例。碳纳米管拥有优异的机械强度，低电阻率，高电子迁移率以及一定程度上可控的纵宽比。碳纳米管可以用各种方法制成薄膜或者网络结构。当碳纳米管的这种结构被被掺入绝缘材料的衬底时，便在衬底表面或者内部形成了小尺度的随机或者有序排列的网状结构，如图3所示。

当在网络两边加上电势时，电流便会从碳纳米管网络中寻找路径贯穿整个网络，这个路径包括通过碳纳米管本身以及他们之间的节点，一般而言，电子将会通过电阻最小的路径到达另一端。

碳纳米管网络的密度不同，则上述的电流路径也会不同。考虑第一种情况，即碳纳米管网络非常稀疏，以至于没有任何连续的导通的电流路径，但有一部分分离的部分距离足够近，使得电子可以隧穿来通过整个网络。则该网络总的电阻R与隧穿系数T成反比，

式子中ΔL是隧穿距离。因此在这种情况下，其灵敏度为

当ΔL增加，则理论上其灵敏度可以无限大。实际应用这，ΔL在纳米范围内也能被检测出来。

第二种情况，当碳纳米管网络的密度增加，总能有碳纳米管直接相连贯穿两端，并且在连接处的节点反射系数足够小可以被忽略，则可以认为电子直接从一端导通到另一端。而碳纳米管本身的电阻远小于不同碳纳米管之间节点的电阻，则总电阻基本取决于整个传导路径中节点的数量。而节点的数量又和碳纳米管的密度有关，因此，当绝缘的衬底收到外力作用发生形变时，碳纳米管网络的密度将会随着衬底发生变化，从而导致网络总电阻的变化。如图4所示。

上述的原理的张力计的性能可以简单的进行评估。假设一个网络中，电流从N个独立的并行路径中传导，假设每个并行路径的平均电阻为Rc，则总电阻为

(6)

因为N与网络中节点的数量即碳纳米管的密度和分布有关。当衬底在外力作用下发生形变时，统计意义上，总的节点数量，以及相应的N都会发生变化。假设在某个范围内，N随形变大小ΔL的改变而线性变化即，

(7)

式中b是网络中所有导电通道因为形变被截断之前的最大形变值，b/a则是没有任何形变时的导电路径数量，将6带入7中，则

(8)

所以这种情况下，灵敏度为

(9)

等式9显示了碳纳米管网络的张力反馈,其灵敏度不会被这种情况下的最大形变b所限制，相反，当形变趋近b时，灵敏度的增加趋近于上一种情况的指数变化。

N随形变大小ΔL在碳纳米管网络处于不同密度和排列范围时将不仅仅限于线性变化。可以想象，当碳纳米管密度足够大时，其电学性质和固态金属材料相似，外力所引起的形变不够大时，其导电性质的变化也和上面讨论过的传统金属箔片变化相似，而随着衬底形变的增大，碳纳米管网络密度越来越小，其导电性质的变化也会越来越剧烈，直到到达第一种情况，也就是电子需要靠跃迁传导所在的区域。因此，调节碳纳米管网络的初始性质，如密度，即可以根据不同应用定制不同的灵敏度参数。

传统的张力计电学性质的变化，在于外力引起材料本身的形变导致。外力与材料本身的形变关系，与材料的机械属性，如杨氏模量有关。

材料确定后，式中F与ΔL关系确定。而在碳纳米管网络构成的张力计中，F与ΔL的关系与碳纳米管网络本身无关，而与衬底材料有关，外力F决定衬底材料的ΔL，然后改变碳纳米管网络的N，再改变其电学性质。因此这种结构中，机械性质和电学性质得到了分开，可以选择组合不同的杨氏模量的衬底材料和不同结构的碳纳米管网络，来获得需要的灵敏度和测量范围。

实际上，这种新型的结构提供了一种新的基于碳纳米管网络的外力反馈机制，不仅可以用来和传统张力计一样测量外力以及形变，当衬底表面很小的局部范围因为外力或者其它参数，如温度，而发生形变时，同样可以用来被碳纳米管网络检测，原因在于，衬底局部形变，和上述图4的形变一样将改变碳纳米管网络局部的密度和排列，从而改变网络的电学性质。

基于上面的分析，可以得知，基于碳纳米管网络的这种机械—电反馈机制，不仅可以用来取代传统的张力计，同时利用它对物体表面机械变化的测量，还可以在未来用于各种新型器件，如人工皮肤中的触觉传感器，各种材料如车胎内表面的橡胶质量监控等。

纳米管/纳米纤维可以通过几种方式来分布到绝缘材料的表面或内部：如先溶解到有机溶剂中，然后通过喷墨打印/高速甩胶到绝缘衬底上，也可以直接生长在绝缘衬底上。

图5为按照上述方法准备的三种密度分别为0.1g/mL，0.01g/mL和0.0001g/mL碳纳米管有机溶液的被打印到PMMA材料表面上后，在不同拉伸尺度下，电阻的变化曲线。，当碳纳米管网络密度足够大（0.1g/mL），如方形线所示，拉伸到原样品长度的190%后，其电导仍然在初始电导的99%以内；而碳纳米管网络初始密度很小时，如三角形线是（0.0001g/mL），拉伸超过原样品长度的10%时，电导就已经下降到原电导的1E-8倍。而当碳纳米管初始密度处于前两者之间某处时（0.01g/mL），如菱形线所示，可以清楚的看出其电导曲线随着拉伸长度的变化规律：从线性变化，到指数变化。这里碳纳米管样品的平均长度约为500纳米，直径为1纳米。

这个发明中，纳米材料完全不局限于碳纳米管，任何低维非绝缘纳米材料都可以用于构建这种网络，提供机械-电的转换。另外，对电学性质的测量，也不局限于直流下的电阻/电导，也可以测量交流信号，以及电容信号。纳米材料网络的构成，可以为随机网络，也可以为有序网络。完全取决于材料制作工艺的发展，其原则为需要对局部网络的密度排列等进行可重复的控制制造。

Claims

1.基于一维纳米材料的测量机械形变的传感器，其特征在于，使用一维纳米材料作为实现传感器电学性质的部分。

2.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的测量机械形变的传感器，其特征在于，使用绝缘的衬底材料作为实现传感器机械性质的部分。

3.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的测量机械形变的传感器，其特征在于，所述一维纳米材料包括纳米管，纳米线，纳米颗粒，石墨烯。

4.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的测量机械形变的传感器，其特征在于，所述一维纳米材料的密度较高。

5.根据权利要求4所述的基于一维纳米材料的测量机械形变的传感器，其特征在于，所述一维纳米材料的密度不低于0.01g/mL。