CN102338809A

CN102338809A - 一种基于石墨烯的气流生电或流速测定的方法及装置

Info

Publication number: CN102338809A
Application number: CN2011101672036A
Authority: CN
Inventors: 郭万林; 周建新; 殷俊; 陈亚清; 李雪梅
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-02-01

Abstract

一种基于石墨烯的气流生电或气流流速测定的装置，它是在绝缘的基底上结合有一层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端分别有相同导电材料制作的电极，两电极上分别引出导线，两导线连接电负载，构成气流生电装置；或者两导线连接电压表，构成气流流速测定装置。本发明的装置，制备方法简单，适合于表面贴装等大规模生产；本发明装置，结构稳定，使用方便、灵活；本发明装置无运动部件，工作可靠、量程大、能胜任高流速气流的测量；本发明是由气流激励电压信号，与常规基于热敏电阻和热丝的流速测定装置相比，石墨烯器件部分可以无源工作。本发明公开了其制法。

Description

一种基于石墨烯的气流生电或流速测定的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯的气流生电和流速测定方法及装置，尤其指利用石墨烯特殊的表明原子层级结构和载流子性能，直接将气流转化为电信号的方法，并进而可以通过电信号大小测量气流流速的方法和装置。

背景技术

石墨烯是由正六边形碳原子环构成的单原子层结构，在具有自然界最薄结构的同时还有高的化学稳定性、高的机械强度和极为优异的电输运性能。

特别的，当气流流经石墨烯表面时，由于伯努利原理和表面热电效应的联合作用，会在石墨烯沿气流方向的两端产生一个电压，形成一种气流生电效应。该电压与气流流速的平方呈分段线性关系，因此可以用于测量气流流速的大小。利用石墨烯的气流生电特性可以获得一种全新的气流流速测量方法。

常规的气流流速测量方法可分为以下几类：

1.机械叶轮方法。气流通过叶轮时推动叶轮转动，利用叶轮转动的转速来标定速度。

2. 热敏电阻法或热线法。气流通过发热体时带走热量，热量的散失速度与气流流速正相关，通过测量发热体由温度变化导致的电阻变化计算流速，如中国发明专利00120081.X、03809994.2。

3.气压检测法。通过测量气压变化来确定流速，如中国发明专利200680011776.7。

4.微机电传感法。微加工出具有一定谐振频率的音叉微结构，通过测量气流通过时微结构频谱的改变计算流速，如中国发明专利200610112937.3。

本发明与上述方法从原理、材料和制造方法上均不同，利用石墨烯流致生电效应，是一种不通过电磁转化直接将气流转化为流速电信号的流速测定方法，是石墨烯材料的一种新型器件应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯的气流生电或流速测定的装置及方法。

本发明原理是，当气流流经石墨烯表面时，由于伯努利原理和表面热电效应的联合作用，会在石墨烯沿气流方向的两端产生一个电压。在简单近似和较小流速下，该流致电压与气流流速的平方成线性关系；在大的流速范围内，该电压与气流流速平方成分段线性的关系。其基本关系如图2所示，其中为了表示方便，流速的平方用马赫数平方(M²)表示，M=流速/声速。

本发明的技术方案如下：

一种基于石墨烯的气流生电或气流流速测定的装置，它是在绝缘的基底上结合有一层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端分别有相同导电材料制作的电极，两电极上分别引出导线，两导线连接电负载，构成气流生电装置；或者两导线连接电压表，构成气流流速测定装置。

上述的装置，所述的绝缘的基底可以是带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体，如硅或锗；或是高分子柔性材料，如塑料或橡胶；或是不导电的无机材料，如玻璃、石英、氮化硼、氧化镁或云母。

上述的装置，所述的金属电极可以是金、银、铜、铬、钛、铝或铂，或者是其它高导电薄膜，如铟锡氧化物半导体透明导电膜（ITO）。

上述的装置，多个该装置可串联连接，获得增强的流致生电信号，提高流速测定灵敏度。

一种制备上述的气流生电装置或气流流速测定装置的方法，它包括以下步骤：

1. 准备基底，清洗，然后烘干；

2. 气相化学沉积石墨烯：以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000℃,通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25sccm，氢气10sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯薄膜；

3. 石墨烯薄膜转移到基底上：将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.1Mol/L的氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到基底上，结合牢固后依次用稀盐酸、去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到衬底上结合的石墨烯层；

4. 在石墨烯两端制备电极，并引出导线；

5. 用密封硅胶对石墨烯两端电极包封。

上述的制备方法，基底上方覆盖石墨烯层，石墨烯层可以是通过大面积生长方法直接生长于绝缘基底（如氧化镁基底），也可以是通过其他大面积生长方法获得后转移到所需基底，可能使用的大面积生长方法如化学气相沉积(CVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、金属表面外延等。石墨烯层的面积大小依照应用需求的不同可以为几平方毫米到几平方厘米。

上述的制备方法，步骤1所述的基底可以是带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体，如硅或锗；或是高分子柔性材料，如塑料或橡胶；或是不导电的无机材料，如玻璃、石英、氮化硼、氧化镁或云母。

上述的制备方法，步骤4制备电极的方法可以是直接涂布导电胶，也可以使用标准丝网印刷工艺，或离子溅射、电子束蒸发、热蒸镀或磁控溅射等真空镀膜工艺

一种利用上述装置气流生电的方法，它是将气流引入导流管，将上述的气流生电装置置于气流出口处，将气流生电装置的两导线连接所需的电负载，气流吹向石墨烯薄层即产生电流，使负载运行。

上述的气流生电方法，吹响石墨烯薄膜的气流方向，优选的是与石墨烯薄膜成45度。

一种利用上述装置测定气流流速的方法，它是将气流引入导流管，将上述的气流流速测定装置置于导流管内或导流管的气流出口处，将气流流速测定装置的两导线连接电压表，现用已知流速的气流测得相对应的电压，制得气流流速与电压关系的标准曲线，然后测出所需测定的气流流速。

本发明利用石墨烯流致生电效应测量气流流速有以下优点和效果：

1. 本发明首次公开了一种基于石墨烯的新型气流生电或气流流速测定方法。

2. 本发明公开的装置，制备方法简单，适合于表面贴装等大规模生产。

3. 本发明方法得到的装置，结构稳定，使用方便、灵活。

4. 本发明无运动部件、工作可靠、量程大、能胜任高流速气流的测量。

5. 本发明由气流激励电压信号，与常规基于热敏电阻和热丝的流速测定装置相比，石墨烯器件部分可以无源工作。

附图说明

图1 为本发明结构示意图，图1A石墨烯气流生电装置置于导流管出口处，图1B石墨烯气流生电装置置于导流管内；

图2为气流流速与流致生电电压的关系，流速的平方用马赫数平方(M²)表示，M=流速/声速；

图3为实施实例1中转移到石英基底上的石墨烯；

图4为对石墨烯的拉曼表征，可以看到石墨烯主要为单层结构；

图5为实施例1测量得到的石墨烯流致生电装置流速-电压关系；

图6为实施例2测量得到的石墨烯流致生电装置流速-电压关系；

图7为实施例3测量得到的石墨烯流致生电装置流速-电压关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明，但本发明并不限于以下实例。

下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1.

第一步，制作石墨烯流致生电装置

1. 准备石英基底：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗石英基底各10分钟，然后烘干。

2. 气相化学沉积石墨烯：以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000℃,通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25sccm，氢气10sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯材料。

3. 石墨烯转移到石英基底：将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.1M氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到石英基底上，结合牢固后依次用稀盐酸、去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到转移到石英基底上的石墨烯层结构（10mm×50mm），见图3。图4为对石墨烯的拉曼表征，可以看到石墨烯主要为单层结构。

4. 在石墨烯长边两端涂布导电银胶，并引出导线，烘干固化。

5. 用密封硅胶对石墨烯两端银电极包封。

6. 将石墨烯器件结构固定于距导流口处4mm处，导流管与石墨烯平面呈45度角。

第二步，石墨烯流致生电和流速测定装置测试

将石墨烯两端电极接电压表表头，控制气流流速并同时测量电压。不同流速下，电压的大小变化见表1和图5。可以看到流致生电的电压与流速平方有很好的双段线性关系，标定后，可以通过电压读数得到气流流速值。多次测量后，该装置的读数没有明显变化，说明本装置有很好的稳定性。本实例中测量气流流速范围为5米/秒~140米/秒，但本发明可以适用更大的范围。

表1

实施例2

按照实施实例1的方法制备，但与实施实例1的不同之处在于

1. 所用基底为PET塑料；

2. 制备石墨烯过程中，气体流量为甲烷40sccm，氢气10sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下较慢速冷却到室温，得到石墨烯为1-3层；

3. 由于为柔性基底，石墨烯转移清洗后再裁减为1cm*2cm；

控制气流流速并同时测量流致电压，得到的流速-电压关系见表2和图6，该关系与实施实例1结果类似，在数值上有10%以内的偏移，标定后，可以做快速的流速测定。

表2

实施例3

按照实施实例1的方法制备，两者不同之处在于

1. 所用基底为带有300nm二氧化硅绝缘层的硅片，石墨烯器件大小1mm×3mm；

2. 电极材料为金，采用真空蒸镀方法沉积电极；

3. 器件固定于导流管内壁上。

控制气流流速并同时测量流致电压，得到的流速-电压关系与实施实例1类似，见表3和图7。

表3

实施例4

按照实施实例1的方法制备，两者不同之处在于

1. 所用基底为带有氧化铝基片，分划后石墨烯器件大小1.5mm*3mm，即贴片器件所用的1206尺寸；

2. 端电极为银，采用丝网印刷方法制备；

3. 器件固定于导流管内壁上。

4. 控制气流流速并同时测量流致电压，得到的流速-电压关系与实施实例3类似。

Claims

1.一种基于石墨烯的气流生电或气流流速测定的装置，其特征是：它是在绝缘的基底上结合有一层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端分别有相同导电材料制作的电极，两电极上分别引出导线，两导线连接电负载，构成气流生电装置；或者两导线连接电压表，构成气流流速测定装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述的绝缘的基底是带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体；或是高分子柔性材料；或是不导电的无机材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是：所述的半导体是硅或锗；所述的高分子柔性材料是塑料或橡胶；所述的不导电的无机材料是玻璃、石英、氮化硼、氧化镁或云母。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述的金属电极是金、银、铜、铬、钛、铝或铂，或者是其它高导电薄膜。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是：所述的其它高导电薄膜是铟锡氧化物半导体透明导电膜。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是：多个该装置可串联连接，获得增强的流致生电信号，提高流速测定灵敏度。

7.一种制备权利要求1所述的气流生电装置或气流流速测定装置的方法，其特征是它包括以下步骤：

1). 准备基底，清洗，然后烘干；

2). 气相化学沉积石墨烯：以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000℃, 通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25sccm，氢气10sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯薄膜；

3). 石墨烯薄膜转移到基底上：将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂聚甲基丙烯酸甲酯)溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.1Mol/L的氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到基底上，结合牢固后依次用稀盐酸、去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到衬底上结合的石墨烯层；

4). 在石墨烯两端制备电极，并引出导线；

5). 用密封硅胶对石墨烯两端电极包封。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤1所述的基底是带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体；或是高分子柔性材料；或是不导电的无机材料。

9.一种利用权利要求1所述装置气流生电的方法，其特征是：它是将气流引入导流管，将上述的气流生电装置置于气流出口处，将气流生电装置的两导线连接所需的电负载，气流吹向石墨烯薄层即产生电流，使负载运行。

10.一种利用权利要求1所述装置测定气流流速的方法，其特征是：它是将气流引入导流管，将上述的气流流速测定装置置于导流管内或导流管的气流出口处，将气流流速测定装置的两导线连接电压表，现用已知流速的气流测得相对应的电压，制得气流流速与电压关系的标准曲线，然后测出所需测定的气流流速。