CN102313818B - 基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法 - Google Patents
基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102313818B CN102313818B CN201110201164.7A CN201110201164A CN102313818B CN 102313818 B CN102313818 B CN 102313818B CN 201110201164 A CN201110201164 A CN 201110201164A CN 102313818 B CN102313818 B CN 102313818B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon nanotube
- microelectrode
- wall carbon
- nanotube array
- flow field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 157
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 144
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 71
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 11
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 10
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 10
- 238000004720 dielectrophoresis Methods 0.000 claims description 8
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 5
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 4
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 4
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 125000000118 dimethyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 229920005573 silicon-containing polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010923 batch production Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 17
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 11
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- UQEAIHBTYFGYIE-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisiloxane Polymers C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C UQEAIHBTYFGYIE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本发明提出一种基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法，该基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器包括柔性基底；至少一组微电极对，每一组微电极对包括：间隔地设置在柔性基底上第一微电极和第二微电极；至少一组单壁碳纳米管阵列，每一组单壁碳纳米管阵列的两端分别与对应地一组微电极对的第一微电极和第二微电极相连以使每一组单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态，且每一组单壁碳纳米管阵列与柔性基底间隔开。根据本发明的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器具有灵敏度高、尺寸小、柔韧性强以及功耗低的优点。本发明实施例的制作方法设计简单，易于实现，且适用于该传感器的批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及传感器、精密仪器技术领域，特别涉及一种基于单壁碳纳米管阵列结构的柔性压阻式流场传感器及其制作方法。
背景技术
流速、迎角等流场传感器在飞行器、巡飞器、船舶和潜艇上具有重要的应用。传统的压阻式流场传感器主要由硅等刚性半导体材料构成，对被测物，特别是微小型飞行器的翼形会造成一定影响，或者采用开孔安装的方法也会不利于机翼的强度。例如微型飞行器上测量空速常用的硅微型MEMS压力传感器无论采用在机翼上开孔安装还是采用空速管结构都会对机翼的翼型造成一定的影响。近年来，碳纳米管的出现，由于其优异的压阻等敏感特性及极高的强度和韧性为研制柔性传感器和智能蒙皮提供了新的思路。
单壁碳纳米管根据手性可分为半导体型、小能隙型和纯金属型。根据理论分析和实验研究，小能隙单壁碳纳米管具有最高的压阻因子，而纯金属型单壁碳纳米管的压阻因子最低。目前碳纳米管的制备工艺还不能精确控制碳纳米管的手性，造成直接批量、低成本的制作高压阻因子的小能隙型碳纳米管传感器具有很大难度。因此，目前国内、外已有的一些关于碳纳米管柔性压阻传感器的研究主要是采用碳纳米管薄膜或者将碳纳米管与聚合物组成复合结构作为敏感单元，但无论是薄膜还是复合结构，由于其中碳纳米管是各种手性不同的混合体并且是无序地黏附于基底，造成目前碳纳米管柔性压阻传感器的灵敏度不高，例如，美国Michigan大学的J.P.LYNCH等制作的碳纳米管-聚合物薄膜应变传感器，其压阻因子最高仅达到1.8。再如，美国Cincinnati大学的InpilKang等制作的碳纳米管薄膜(buckypaper)应变传感器，尽管采用了单壁碳纳米管，但单壁碳纳米管在基底上是随机排布并粘附于基地上，且没有对碳纳米管进行过筛选处理，因此，导致其压阻因子最高约为7，灵敏度仍然很低。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，由于该传感器中单壁碳纳米管阵列与柔性基底间隔开设置，因此具有很高的灵敏度，并具有尺寸小、柔韧性强以及功耗低的优点。
本发明的另一目的在于提出一种基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，该方法利用柔性基底易弯曲的特点提出一种弯曲介电泳等方法实现单壁碳纳米管以阵列、处于拉伸状态设置在电极对上，且与柔性基底间隔开的制作工艺，并可通过筛选的后处理方法提高传感器的灵敏度。另外，该方法设计简单，易于实现，且适用于该传感器的批量生产，进而提高生产效率。
为实现上述目的，本发明第一方面提出的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，包括：柔性基底；至少一组微电极对，其中，每一组微电极对包括：第一微电极和第二微电极，所述第一微电极和所述第二微电极间隔地设置在所述柔性基底上；至少一组单壁碳纳米管阵列，其中，一组单壁碳纳米管阵列对应于一组微电极对，每一组单壁碳纳米管阵列的两端分别与对应地一组微电极对的第一微电极和第二微电极相连以使所述每一组单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态，且所述每一组单壁碳纳米管阵列与所述柔性基底间隔开。
根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，通过流速、压强等物理量引起柔性基底的变形，通过电极对传递给单壁碳纳米管阵列，利用单壁碳纳米管阵列的优异的压阻敏感特性，实现被测流场的高灵敏度传感。另外，单壁碳纳米管具有极高的强度和韧性，并具有超小的尺寸，使该传感器具有较高的强度、较低的功耗，并具有对被测流场干扰小的优点。
另外，根据本发明的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性流场压阻传感器还包括：固定件，每个所述固定件分别设置在所述第一微电极和所述第二微电极上，以将所述单壁碳纳米管阵列的两端分别固定在对应地第一微电极和所述第二微电极上。
在本发明的一个实施例中，所述柔性基底的材料包括：聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷的其中之一。
根据本发明的一个实施例，所述柔性基底的厚度在1纳米～10毫米之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一微电极和第二微电极通过光刻、溅射、蒸镀、剥离或刻蚀的方式使所述第一微电极和第二微电极设置在所述柔性基底上。
根据本发明的一个实施例，所述第一微电极和第二微电极的间距在1纳米～100毫米之间，所述第一微电极和第二微电极的厚度分别在0.01纳米～1毫米之间。
在本发明的一个实施例中，所述每一组单壁碳纳米管阵列的阵列行间距在0.1纳米～10毫米之间，所述每一组单壁碳纳米管阵列的阵列数目在2～108个之间。
在本发明的一个实施例中，所述每一组微电极对以阵列形式分布在所述柔性基底上。
根据本发明的一个实施例，所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器还包括：分别与所述每一组微电极对的第一微电极和第二微电极相连的第一引线和第二引线，所述第一引线和所述第二引线通过所述第一微电极和第二微电极将对应地单壁碳纳米管阵列的信号发传递给外围设备。
根据本发明的一个实施例，所述单壁碳纳米管阵列中的每一个单壁碳纳米管为具有高压阻因子的单壁碳纳米管。
本发明第二方面实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，包括以下步骤：将柔性基底固定在刚性基底表面；通过光刻、溅射、蒸镀、剥离或刻蚀方法在所述柔性基底上设置电极对，其中，所述电极对包括间隔开的第一电极和第二电极；将所述柔性基底从所述刚性基底上取下，接着将所述柔性基底向内弯曲并通过介电电泳、转移、化学气相沉积或组装的方法将单壁碳纳米管阵列的两端分别与所述电极对的第一电极和第二电极相连；通过电沉积、光刻、溅射或蒸镀的方法在所述第一电极和第二电极的表面形成固定件，以将所述单壁碳纳米管阵列的两端分别固定在对应的第一电极和第二电极上；恢复所述柔性基底的形状以使所述单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态且具有张力；对所述单壁碳纳米管阵列进行筛选以保留具有高压阻因子的单壁碳纳米管。
根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，利用柔性基底易于变形的特点，通过使柔性基底弯曲进而将单壁碳纳米管阵列设置在第一电极和第二电极上，然后利用柔性基底恢复平面状态时使单壁碳纳米管阵列拉直并悬空在柔性基底上。因此，悬空(与柔性基底间隔开)的单壁碳纳米管阵列可提高应变式传感的线性度和灵敏度。另外，该方法设计简单，易于实现，适用于该传感器的批量生产流程。
具体而言，在电极对上设置单壁碳纳米管阵列后，通过在柔性基底加水平力等方法使纳米管阵列变形，然后通过加电压或电流等方法烧断低压阻因子的纯金属型纳米管，从而提高单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的灵敏度。
另外，根据本发明的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，在恢复所述柔性基底的形状后还包括：通过压焊、钎焊或粘接的方法在所述第一电极和第二电极上安装引线。
根据本发明的一个实施例，通过涂胶或溅射的方法在所述柔性传感器表面覆盖一层保护层。
在本发明的一个实施例中，所述刚性基底的材料为硅片、石英片或玻璃片。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的结构图；
图2为应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼前缘空速的示意图；
图3A为应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼迎角空速的主视图；
图3B为图3A所示基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼迎角空速左视图；
图4为应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼前缘流速分布的示意图；
图5为本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法的流程图；以及
图6A-6F为应用本发明一个实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法制作基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1-4首先描述根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器。
如图1所示，为本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器。根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器100包括柔性基底110、至少一组微电极对120和至少一组单壁碳纳米管阵列130。
其中，每一组微电极对120包括第一微电极121和第二微电极122，第一微电极121和第二微电极122间隔地设置在柔性基底110上。一组单壁碳纳米管阵列130对应于一组微电极对120，每一组单壁碳纳米管阵列130的两端分别与对应地一组微电极对120的第一微电极121和第二微电极122相连以使所述每一组单壁碳纳米管阵列130处于拉伸状态，且每一组单壁碳纳米管阵列130与柔性基底110间隔开。
根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性流场传感器100，通过被检测的流速、压力等物理量引起柔性基底110变形，然后通过第一电极121和第二电极122传递给单壁碳纳米管阵列130，利用单壁碳纳米管阵列130的优异的压阻敏感特性，实现被测流速、压力等流场参数的高灵敏度传感，并通过第一电极121和第二电极122将单壁碳纳米管阵列130的信号传递给预设的设备。另外，单壁碳纳米管阵列130中的单壁碳纳米管具有极高的强度和韧性，并具有超小的尺寸，使该传感器具有较高的强度、较低的功耗，并对被测流场的干扰小的优点。
结合图1，在本发明的一些实施例中，例如本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器100还包括了固定件140。
每个固定件140分别设置在第一微电极121和所述第二微电极122上，以将单壁碳纳米管阵列130的两端分别固定在对应地第一微电极121和第二微电极122上。这样，保证单壁碳纳米管阵列130与第一微电极121和第二微电极122的连接更加稳固，从而有效地感受来自柔性基底的变形。作为一个具体的例子，例如固定件140可以为压覆物，该压覆物将单壁碳纳米管阵列130的两端分别压覆在第一微电极121和第二微电极122的表面，由此形成可靠的连接。此外，可以采用电沉积、光刻、溅射或蒸镀等方法在微电极对120表面形成绝缘的压覆物，从而将单壁碳纳米管阵列130固定在其中。
在本发明的一个实施例中，例如柔性基底110的材料可以为聚酰亚胺。聚酰亚胺具有很强的韧性，这样，方便加工处理。当然，本发明的实施例并不限于此，例如柔性基底110的材料还可以为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)。
有利地，柔性基底110的厚度例如可以在1纳米～10毫米之间。优选地，可以为20～100微米，由此，柔性基底110不但不易折断，而且还降低成本。
在本发明的一个示例中，例如第一微电极121和第二微电极122可通过光刻、溅射、蒸镀、剥离或刻蚀的方式将第一微电极121和第二微电极122设置在柔性基底110上。这样，第一微电极121和第二微电极122可有效性地传递柔性基底110的变形。
有利地，第一微电极121和第二微电极122的间距例如可以在1纳米～100毫米之间，根据不同大小的安装位置，可以采用第一微电极121和第二微电极122之间间距不等的传感器100。
此外，例如还可设置该第一微电极121和第二微电极122电极的厚度在0.01纳米～1毫米之间。当然，第一微电极121和第二微电极122电极的厚度可以相同，也可以不同，优选地，该厚度一致。这样，可以使单壁碳纳米管阵列130的两端很好的连接在第一微电极121和第二微电极122以使单壁碳纳米管阵列130处于被拉伸状态，并保证该单壁碳纳米管阵列130等间隔地与柔性基底110间隔开。
在本发明的一些实施例中，例如单壁碳纳米管阵列130的阵列行间距在0.1纳米～10毫米之间，且该单壁碳纳米管阵列130的阵列数目在2～108个之间。换句话说，每一组单壁碳纳米管阵列130中包括2～108个单壁碳纳米管，且相邻的单壁碳纳米管之间的距离应保持在0.1纳米～10毫米之间。这样，由于单壁碳纳米管的数目为多个，可方便地进行筛选等后处理。
除此之外，作为一个具体的示例，还可对该单壁碳纳米管阵列130中的单壁碳纳米管进行筛选，保留具有高压阻因子的单壁碳纳米管，这样，可进一步提高该传感器100的灵敏度。
在本发明的另一实施例中，结合图1，例如每一组微电极对120还可以以阵列形式分布在柔性基底110上。也就是说，在同一个柔性基底上可同时设置多个微电极对120，且每个微电极对上连接有一组单壁碳纳米管阵列130，这样，由多个微电极对120和与之对应的多个单壁碳纳米管阵列130形成预先定义的阵列分布形式的多个敏感单元，根据不同的阵列排布，可实现对二维甚至多维的流场测量。当然，本发明的实施例并不限于此，例如每一个柔性基底110上可只设置一个敏感单元组成传感器，而还可以利用多个该传感器阵列分布，同样能够实现二维甚至多维的流场测量。
优选地，例如本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器100还可包括第一引线和第二引线(图1中未示出)。
第一引线和第二引线分别与一组微电极对120的第一微电极121和第二微电极122相连，第一引线和第二引线通过第一微电极121和第二微电极122将对应地单壁碳纳米管阵列130的信号传递给外围设备。
如图2所示，作为一个具体的应用，例如在测量空速时，使流体的流向与检测腔的轴线平行。此时流体产生的总压与检测腔内的静压之差使该传感器100的柔性基底110产生形变，从而导致单壁碳纳米管阵列130的电学性质发生变化，从而通过第一引线和第二引线将该变化传递给外围设备，进而可测量出动压，然后根据伯努力方程可计算出流体的流速，其中，伯努力方程为：
式1中P和P0分别为总压和静压，ρ和v分别为流体的密度和流速。
如图2-4所示，应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器100可实现微型飞行器或巡飞器空速的测量。
具体应用如下：
【实施例1】
如图2所示，为应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼前缘空速的示意图。
具体地，在需要测量空速的微型飞行器或巡飞器机翼前缘表面打孔，孔的大小略小于单壁碳纳米管阵列柔性压阻传感器100的尺寸，然后将该单壁碳纳米管阵列柔性压阻传感器100粘到孔表面，然后通过该单壁碳纳米管阵列柔性传感器100的第一引线和第二引线实现与信号处理电路等设备的连接，接着，当微型飞行器或巡飞器飞行时，根据上文所述的公式(1)计算，通过检测总压和静压之差引起的该传感器100的柔性基底110的变形而引起其电阻等电学特性的变化，从而测得微型飞行器或巡飞器机翼前缘的空速。
【实施例2】
如图3A-3B所示，分别为应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼俯仰角和偏转角的主视图和左视图。作为一个具体的应用，首先制造如图3所示的圆锥形检测结构，并在其表面打5个孔，每个孔的大小略小于单壁碳纳米管阵列柔性压阻传感器100的尺寸，然后将该传感器100粘到每个孔表面组成如图所示的对称结构，并实现与信号处理电路等外围设备的连接，着将圆锥形检测结构安装到需要测量迎角的微型飞行器或巡飞器上(如头部)，当来流方向与圆锥形检测结构的轴向的俯仰角或偏转角发生变化时，将引起单壁碳纳米管阵列柔性压阻传感器100组成的对称结构的电路输出发生变化，并且变化的大小与俯仰角或偏转角具有一定的关系，可采用类似常用的五孔探针的算法求解俯仰角或偏转角，因此通过监测电路输出就可实现对俯仰角或偏转角的测量。
【实施例3】
如图4所示，为应用本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器测量微型飞行器或巡飞器机翼前缘流速分布的示意图。首先在微型飞行器或巡飞器机翼前缘的表面加工孔的阵列，每个孔的大小略小于单壁碳纳米管阵列柔性压阻传感器100的尺寸，然后将该传感器100粘到微型飞行器或巡飞器机翼前缘表面所加工孔的阵列。如图4所示，当微型飞行器或巡飞器飞行时，读出柔性传感器阵列的压力值，因此，根据上文所述的公式(1)可实现微型飞行器或巡飞器机翼前缘流速分布的测量。
根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性流场传感器100，通过被检测的流速、压力等物理量引起柔性基底110变形，然后通过第一电极121和第二电极122传递给单壁碳纳米管阵列130，利用单壁碳纳米管阵列130的优异的压阻敏感特性，实现被测流速、压力等流场参数的高灵敏度传感，并通过第一电极121和第二电极122将单壁碳纳米管阵列130的信号传递给预设的设备。另外，单壁碳纳米管阵列130中的单壁碳纳米管具有极高的强度和韧性，并具有超小的尺寸，使该传感器具有较高的强度、较低的功耗，并对被测流场的干扰小的优点。
以下结合图5与图6A-6F描述根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器的制作方法。
如图5所示，结合图6A-6F，根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤S101，将柔性基底固定在刚性基底表面；
在本发明的一个实施例中，如图6A所示，例如将聚酰亚胺柔性基底粘贴在厚度为400微米的刚性基底上。例如刚性基底的材料可以为硅片或玻璃片。
步骤S102，通过光刻、溅射、蒸镀、剥离或刻蚀方法在所述柔性基底上设置电极对，其中，所述电极对包括间隔开的第一电极和第二电极。如图6B所示，例如电极对的间距可在1纳米～100毫米之间，而每个电极的厚度可以在0.01纳米～1毫米之间。
步骤S103，将所述柔性基底从所述刚性基底上取下，如图6C，接着将所述柔性基底向内弯曲并通过介电电泳、转移、化学气相沉积或组装的方法将单壁碳纳米管阵列的两端分别与所述电极对的第一电极和第二电极相连；
例如以介电泳法为例：将柔性基底与刚性基底分离，裁剪成传感器单元。然后使柔性基底向内弯曲，通过介电电泳的方法将单壁碳纳米管阵列搭接在电极对之间。介电泳的电压幅值为5-10V。
步骤S104，通过电沉积、光刻、溅射或蒸镀的方法在所述第一电极和第二电极的表面形成固定件，以将所述单壁碳纳米管阵列的两端分别固定在对应的第一电极和第二电极上；
具体而言，作为一个具体的例子，如图6D，可利用光刻、金属溅射的方法在单壁碳纳米管阵列与微电极对接触部分压覆一层材料，实现碳纳米管阵列的固定。
步骤S105，恢复所述柔性基底的形状以使所述单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态；如图6E，使柔性基底恢复平面形状，这样，单壁碳纳米管阵列会被拉直并实现悬空在柔性基底上，进而提高传感器的灵敏度。然后可通过压焊、钎焊或粘接的方法在第一电极和第二电极相连上安装引线，由此形成与外围设备，如处理电路的连接。
步骤S106，对所述单壁碳纳米管阵列进行筛选以保留具有高压阻因子的单壁碳纳米管。如图6F所示，对单壁碳纳米管阵列的单壁碳纳米管进行筛选，保留具有高压阻因子碳纳米管。这样，进一步提高该传感器的敏感度。
在本发明的一个实施例中，例如还可通过涂胶或溅射的方法在柔性传感器表面覆盖一层绝缘的保护层。由此，防止传感器表面受到环境的影响或破坏。
根据本发明实施例的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，利用柔性基底易于变形的特点并根据弯曲介电泳等方法实现单壁碳纳米管以阵列、处于拉伸状态设置在电极对上，且与柔性基底间隔开(单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态且具有张力)的工艺处理，因此，悬空的单壁碳纳米管阵列可提高应变式传感器的线性度和灵敏度。该方法还可通过筛选单壁碳纳米管，保留具有高压组因子的单壁碳纳米管，使单壁碳纳米管的压阻因子相对更高，这样，可进一步提高传感器的灵敏度。另外，该方法设计简单，易于实现，且适用于该传感器的批量生产流程。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (10)
1.一种基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，其特征在于，包括：
柔性基底，其中，所述柔性基底的材料包括：聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷的其中之一；
至少一组微电极对，其中所述每一组微电极对以阵列形式分布在所述柔性基底上，每一组微电极对包括：
第一微电极和第二微电极，所述第一微电极和所述第二微电极间隔地设置在所述柔性基底上，其中，所述第一微电极和第二微电极通过光刻、溅射、蒸镀、剥离或刻蚀的方式使所述第一微电极和第二微电极设置在所述柔性基底上；
至少一组单壁碳纳米管阵列，其中，一组单壁碳纳米管阵列对应于一组微电极对，每一组单壁碳纳米管阵列的两端分别与对应的一组微电极对的第一微电极和第二微电极相连以使所述每一组单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态，且所述每一组单壁碳纳米管阵列与所述柔性基底间隔开；
固定件，每个所述固定件分别设置在所述第一微电极和所述第二微电极上，以将所述单壁碳纳米管阵列的两端分别固定在对应地第一微电极和所述第二微电极上。
2.如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，其特征在于，所述柔性基底的厚度在1纳米～10毫米之间。
3.如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，其特征在于，所述第一微电极和第二微电极的间距在1纳米～100毫米之间，所述第一微电极和第二微电极的厚度分别在0.01纳米～1毫米之间。
4.如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，其特征在于，所述每一组单壁碳纳米管阵列的阵列行间距在0.1纳米～10毫米之间，所述每一组单壁碳纳米管阵列的阵列数目在2～108个之间。
5.如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，其特征在于，还包括：
分别与所述每一组微电极对的第一微电极和第二微电极相连的第一引线和第二引线，所述第一引线和所述第二引线通过所述第一微电极和第二微电极将对应地单壁碳纳米管阵列的信号传递给外围设备。
6.如权利要求5所述的基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，其特征在于，所述单壁碳纳米管阵列中的每一个单壁碳纳米管为具有高压阻因子的单壁碳纳米管。
7.一种单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将柔性基底固定在刚性基底表面；
通过光刻、溅射、蒸镀、剥离或刻蚀方法在所述柔性基底上设置电极对，其中，所述电极对包括间隔开的第一电极和第二电极
将所述柔性基底从所述刚性基底上取下，接着将所述柔性基底向内弯曲并通过介电电泳、转移、化学气相沉积或组装的方法将单壁碳纳米管阵列的两端分别与所述电极对的第一电极和第二电极相连；
通过电沉积、光刻、溅射或蒸镀的方法在所述第一电极和第二电极的表面形成固定件，以将所述单壁碳纳米管阵列的两端分别固定在对应的第一电极和第二电极上；
恢复所述柔性基底的形状以使所述单壁碳纳米管阵列处于拉伸状态；和
对所述单壁碳纳米管阵列进行筛选以保留具有高压阻因子的单壁碳纳米管。
8.如权利要求7所述的单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，其特征在于，在恢复所述柔性基底的形状后还包括：
通过压焊、钎焊或粘接的方法在所述第一电极和第二电极相连上安装引线。
9.如权利要求8所述的单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，其特征在于，通过涂胶或溅射的方法在所述柔性传感器表面覆盖一层绝缘保护层。
10.如权利要求7所述的单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器的制作方法，其特征在于，所述刚性基底的材料为硅、石英或玻璃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110201164.7A CN102313818B (zh) | 2011-07-18 | 2011-07-18 | 基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110201164.7A CN102313818B (zh) | 2011-07-18 | 2011-07-18 | 基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102313818A CN102313818A (zh) | 2012-01-11 |
| CN102313818B true CN102313818B (zh) | 2016-01-20 |
Family
ID=45427161
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110201164.7A Active CN102313818B (zh) | 2011-07-18 | 2011-07-18 | 基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102313818B (zh) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102980926B (zh) * | 2012-11-28 | 2015-04-29 | 清华大学 | 一种柔性双面全固态离子浓度检测传感器的制备方法 |
| CN103616097A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-03-05 | 中国石油大学(华东) | 一种柔性薄膜触觉传感器件及其制作方法 |
| CN104614101B (zh) * | 2015-02-02 | 2017-08-22 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种柔性有源压力传感器结构及制备方法 |
| CN105043469B (zh) * | 2015-05-20 | 2019-09-27 | 清华大学 | 一种流量传感器及其制造方法 |
| CN106323525B (zh) * | 2016-08-26 | 2019-12-03 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器及其制备方法 |
| CN108871178B (zh) * | 2017-05-10 | 2020-10-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于碳纳米管薄膜阻抗相位角变化的柔性传感器及制法 |
| CN107747957B (zh) * | 2017-10-17 | 2019-06-11 | 常州大学 | 一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法及应用 |
| CN108303198A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-07-20 | 五邑大学 | 一种梯形阵列式压力传感器的制备方法 |
| CN108382565B (zh) * | 2018-03-22 | 2024-03-22 | 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 | 襟翼自动调节飞行器 |
| CN108279260B (zh) * | 2018-04-09 | 2023-11-14 | 清华大学 | 一种二硫化钼柔性离子传感器 |
| CN108318218B (zh) * | 2018-05-14 | 2024-01-16 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种用于低速风洞的柔性薄膜式多测点压力测量带 |
| CN108955511B (zh) * | 2018-05-21 | 2020-05-26 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于气液界面自组装的结构裂缝监测用透明传感器制备方法 |
| CN108593160B (zh) * | 2018-05-23 | 2020-07-17 | 太原理工大学 | 一种薄膜式悬臂梁表面应力生物传感器的制造方法 |
| CN109211459B (zh) * | 2018-07-26 | 2020-11-20 | 西北工业大学 | 一种柔性碳纳米管热敏薄膜剪应力微传感器及其制造方法 |
| CN109607469B (zh) * | 2019-01-07 | 2024-04-12 | 四川理工学院 | 基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器及其制作方法 |
| CN110776667B (zh) * | 2019-11-11 | 2020-06-26 | 浙江农林大学 | 一种压阻式传感器件材料及其制备方法和应用 |
| CN111189493B (zh) * | 2019-12-17 | 2020-12-08 | 华中科技大学 | 一种多物理场测量的柔性智能蒙皮、变胞结构及其应用 |
| CN114563116B (zh) * | 2020-11-03 | 2023-02-03 | 兰州大学 | 一种压力损伤检测用传感器阵列 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101344447A (zh) * | 2007-07-13 | 2009-01-14 | 清华大学 | 微机电压力传感器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7278324B2 (en) * | 2005-06-15 | 2007-10-09 | United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Carbon nanotube-based sensor and method for detection of crack growth in a structure |
| US8529124B2 (en) * | 2009-06-03 | 2013-09-10 | California Institute Of Technology | Methods for gas sensing with single-walled carbon nanotubes |
-
2011
- 2011-07-18 CN CN201110201164.7A patent/CN102313818B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101344447A (zh) * | 2007-07-13 | 2009-01-14 | 清华大学 | 微机电压力传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 唐一科等.基于单壁碳纳米管阵列的力敏传感器.《机械工程学报》.2010,第46卷(第18期),摘要，第14页右栏、第16页右栏，图1. * |
| 阙瑞义等.组合热膜式流速矢量传感器.《光学精密工程》.2011,第19卷(第1期),第104页右栏、第106页左栏，附图1-2、4. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102313818A (zh) | 2012-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102313818B (zh) | 基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器及制作方法 | |
| CN102539029B (zh) | 基于柔性mems技术的三维流体应力传感器及其阵列 | |
| CN106643463B (zh) | 一种柔性全桥式电阻应变片 | |
| US7788981B2 (en) | Pressure measurement device and system, and method for manufacturing and using the same | |
| US7127948B2 (en) | Piezoelectric sensor, sensor array, and associated method for measuring pressure | |
| CN111208316B (zh) | 一种仿生气流全向感知柔性传感器及其制备方法 | |
| CN102759326A (zh) | Mems应变式结冰传感器及检测方法 | |
| CN111208315B (zh) | 一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法 | |
| US20110107829A1 (en) | Resonant flow sensor and uses and production methods for the same | |
| KR102162145B1 (ko) | 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법 | |
| Miau et al. | Mems thermal film sensors for unsteady flow measurement | |
| CN110672876B (zh) | 一种柔性矢量流速传感器、传感器阵列及传感器制备方法 | |
| CN103630274A (zh) | 一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器 | |
| US4936146A (en) | Method and apparatus for detecting laminar flow separation and reattachment | |
| CN109738097A (zh) | 一种多功能电子皮肤及其制作方法、平面外力检测方法 | |
| CN104931164A (zh) | 柔性拉力传感器 | |
| CN105445490A (zh) | 一种智能仿生传感器 | |
| CN104215283A (zh) | 基于蝎子蛊毛流量感知机理的气体微流量检测装置 | |
| Shadmand et al. | Design and fabrication of a graphene-based microcantilever flow sensor for liquid flow measurement | |
| Hu et al. | Near-field electrospinning-enabled direct-write P (VDF-TrFE) nano/micro-fiber-based piezoelectric film for a high-performance airflow sensor | |
| CN101769935A (zh) | 一种基于一维纳米材料的热线式流速传感器及测试系统 | |
| US8984966B2 (en) | Sub-millinewton capacitive MEMS force sensor for mechanical testing on a microscope | |
| CN101614752B (zh) | 一种微型电容式风速传感器 | |
| CN209541954U (zh) | 一种多功能电子皮肤 | |
| Nag et al. | Influence of temperature and humidity on carbon based printed flexible sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |