CN107101760A - 一种精密扭秤的制备方法、精密扭秤及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种精密扭秤的制备方法、精密扭秤及使用方法，精密扭秤的制备方法包括：在基底上设置狭缝；以金属纳米颗粒作催化剂，向所述基底通入碳源气体与惰性气体组成的混合气体，在所述基底的所述狭缝上，生成悬空碳纳米管；使芳香族有机分子在所述悬空碳纳米管上外延生长晶体，在所述悬空碳纳米管上形成有机旋转体，得到由所述悬空碳纳米管与所述有机旋转体组成的精密扭秤。本方案能实现精密扭秤的制备，从而可利用该精密扭秤实现对微小力和力矩的精确测量。

Description

一种精密扭秤的制备方法、精密扭秤及使用方法

技术领域

本发明涉及仪器技术领域，特别涉及一种精密扭秤的制备方法、精密扭秤及使用方法。

背景技术

精密扭秤作为一种测量微小力和力矩的测量工具，其主要结构为一根可以扭转的扭丝和具有转动惯量的旋转体组成的扭摆结构。扭秤精度的表达式如下所示：

其中，M表征扭秤的精度，F表征扭秤所受的力，b表征扭秤的力臂长度，G表征重力系数，R表征扭丝的半径，Δθ表征旋转体的偏转角度，L表征扭丝的长度。

由此可以看出，当扭转角度一定时，要提高扭秤的精度，则需降低扭丝的半径并提高扭丝的长度，或者减少扭秤所受的力并增加扭秤的力臂长度。

现有的微纳加工方法可以制备出单根碳纳米管(扭丝)连接金属旋转体的扭摆结构，即先在基底上生长水平碳纳米管，然后在生成的碳纳米管上沉积金属，而后将基底除去一部分，使得生成的碳纳米管处于悬空状态，沉积的金属作为旋转体连接在悬空的碳纳米管上，构成扭摆结构。

由于在去除基底时，会对碳纳米管造成损伤，导致生成的碳纳米管长度较短，且力学性能有一定程度的下降。为了保证碳纳米管在扭转时不发生断裂，受碳纳米管力学性能的限制，同时由于金属的密度较大，生成的金属旋转体体积较小，这直接导致生成的扭摆结构的力矩较小。由此，生成的扭摆结构由于尺寸过小，操作困难，从而难以作为精密扭秤使用。

发明内容

本发明实施例提供了一种精密扭秤的制备方法、精密扭秤及使用方法，能实现精密扭秤的制备。

本发明提供了一种扭秤的制备方法，包括：

在基底上设置狭缝；

以纳米金属颗粒作催化剂，向所述基底通入碳源气体与惰性气体组成的混合气体，在所述基底的所述狭缝上，生成悬空碳纳米管；

使芳香族有机分子在所述悬空碳纳米管上外延生长晶体，在所述悬空碳纳米管上形成有机旋转体，得到由所述悬空碳纳米管与所述有机旋转体组成的精密扭秤。

上述制备方法中，在生成碳纳米管时，采用bottom-up方法，利用气流导向和顶端生长机理，在基底的狭缝上原位生长悬空碳纳米管，相较于现有技术中采用的top-down的微纳加工方法，维持了悬空碳纳米管的长度，使生成的悬空碳纳米管具有较高的长径比，同时提高了碳纳米管的力学性能，使悬空碳纳米管的弹性模量较高，并保持了碳纳米管一致的手性。同时，由于通过芳香族有机分子形成有机旋转体，有机旋转体较金属旋转体的密度小，从而在碳纳米管力学性能一定时，可适当增大有机旋转体的尺寸。由此，由悬空碳纳米管和有机旋转体组成的扭秤尺寸适当，利于操作，可作为精密扭秤对微小力和力矩进行测量，且测量精度较高。

本发明一个可选实施例中，所述芳香族有机分子可以包括：蒽、萘或其他联苯有机分子中的任意一种。

优选地，所述使芳香族有机分子在所述悬空碳纳米管上外延生长晶体，在所述悬空碳纳米管上形成有机旋转体，包括：

将所述芳香族有机分子加热至65℃～75℃，以使所述芳香族有机分子的状态为蒸汽状态；

将所述悬空碳纳米管与所述芳香族有机分子的蒸汽进行接触，在温度65℃～75℃以及湿度40％～50％的条件下，反应0.5h～10h，以使所述芳香族有机分子的蒸汽在所述悬空碳纳米管上成核并生长，形成所述有机旋转体。

上述制备过程中，通过控制芳香族有机分子加热的温度为65℃～75℃，以及反应环境的湿度为40％～50％，使芳香族有机分子在碳纳米管上进行单核生长，并且生成的有机旋转体具有分子级平整的表面，从而有利于在使用此扭秤时，精确确定有机旋转体的偏转角度，从而提高扭秤的检测精度。

其中，成核过程可采用热蒸发自组装法或化学气相沉积法，以蒽分子为例，当采用热蒸发自组装法时，将蒽粉末放置于坩埚中，将盛有蒽粉末的坩埚加热至65℃～75℃，控制环境湿度为40％～50％，然后将载有悬空碳纳米管的基底(载玻片等)盖在坩埚顶部，使基底上的悬空碳纳米管与坩埚中蒽的热蒸气接触，从而使蒽在悬空碳纳米管上成核并生长，形成有机旋转体。

当采用化学气相沉积法时，有机旋转体的生成过程可在管式炉中进行，具体过程如下：将盛有蒽粉末的坩埚置于石英管中，将载有悬空碳纳米管的基底放置在距离坩埚10cm左右的地方，在惰性气体(氩气等)的保护条件下，加热管式炉至80℃左右，使蒽在悬空碳纳米管上进心生长，形成有机旋转体。

本发明提供了由上述任一所述的扭秤的制备方法制得的精密扭秤，包括：

悬空碳纳米管以及生长于所述悬空碳纳米管上的有机旋转体，其中，所述有机旋转体由芳香族有机分子组成。

优选地，

所述有机旋转体的直径包括：10～100μm；

所述悬空碳纳米管的长度包括：0.1mm～2mm；

所述悬空碳纳米管的直径包括：2nm～4nm。

由于制备出的扭秤尺寸较大，有机旋转体的尺寸达到百微米级，从而使得在检测过程中，可利用金属探针对有机旋转体进行操纵。具体地，可利用金属探针(钨探针等)与有机旋转体之间的毛细力将两者粘在一起，进行接触式操纵；也可在金属探针上施加电压，利用金属探针与有机旋转体之间的静电力或范德华力，实现对有机旋转体的非接触式操纵。而现有技术中主要利用电驱动法对小尺度金属旋转体进行操纵，即通过在金属旋转体两端分别设置电极，利用两个电极间的电场使金属旋转体产生旋转。由此，采用金属探针对有机旋转体进行操纵的方法更简单方便，且精准可控，从而可提高扭秤的检测精度。

本发明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，包括：

向有机旋转体通入水平气流，使所述有机旋转体成为所述水平气流的受力面；

利用所述水平气流在所述受力面上的作用力拉动悬空碳纳米管，以使与所述有机旋转体相连的所述悬空碳纳米管发生形变；

确定所述悬空碳纳米管产生的形变值，并记录所述水平气流的流速；

根据所述形变值和所述流速，确定所述悬空碳纳米管的弹性模量和断裂伸长率。

在这里，可利用光学显微镜观察悬空碳纳米管产生的形变，从而确定出悬空碳纳米管的形变值。由于光学显微镜简单易操作，从而使得确定悬空碳纳米管形变的过程简单方便。

本发明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，包括：

确定悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量；

利用金属探针对有机旋转体进行操纵，以使所述有机旋转体发生偏转，并确定所述有机旋转体的偏转角度；

根据所述悬空碳纳米管的半径、长度、所述弹性模量以及所述有机旋转体的偏转角度，利用下述计算公式，计算所述有机旋转体所受的力矩；

其中，M表征所述有机旋转体所受的力矩，G表征重力系数，R表征所述碳纳米管的半径，ΔR表征所述碳纳米管管壁之间厚度，Δθ表征所述有机旋转体的偏转角度，L表征所述碳纳米管的长度。

在本发明一个可选实施例中，在所述计算所述有机旋转体所受的力矩之后，可以进一步包括：

根据所述有机旋转体的形状和大小，确定所述精密扭秤的力臂长度；

根据所述力臂长度以及所述力矩，利用下述计算公式，计算所述金属探针对所述有机旋转体施加的力的大小；

其中，F表征所述金属探针对所述有机旋转体施加的力，M表征所述有机旋转体所受的力矩，b表征所述力臂长度。

在本发明一个可选的实施例中，为了提高检测结果的精确性，确定所述有机旋转体的偏转角度，可以包括：

向所述有机旋转体发射激光，以使所述有机旋转体的平整表面反射所述激光；

记录所述有机旋转体发生偏转前的反射激光的光斑位置，以及所述有机旋转体发生偏转后的发射激光的光斑位置；

根据所述偏转前的反射激光的光斑位置和偏转后的反射激光的光斑位置，确定所述有机旋转体的偏转角度。

本发明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，包括：

将载有扭秤的基底放置在待检测平面上；

向有机旋转体发射激光，以使所述有机旋转体反射所述激光；

根据所述有机旋转体的反射激光的光斑位置，确定所述有机旋转体是否发生偏转；

当所述有机旋转体发生偏转时，根据所述有机旋转体偏转前的反射激光的光斑位置和偏转后的反射激光的光斑位置，确定所述待检测平面的倾斜角度。

本发明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，应用于微推力传感器或加速度传感器，包括：

将所述精密扭秤与外部的推进器相连；

利用所述推进器向精密扭秤施加推力，以使所述精密扭秤中的有机旋转体发生偏转；

确定所述有机旋转体的偏转角度，并根据所述有机旋转体的形状和大小，确定所述精密扭秤的力臂长度；

确定所述精密扭秤中的悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量；

根据所述力臂长度、所述有机旋转体的偏转角度、所述悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量，确定所述推进器向所述精密扭秤施加的所述推力的大小。

本发明实施例提供了一种扭秤的制备方法、扭秤及使用方法，利用芳香族有机分子在悬空碳纳米管上形成有机旋转体，由于有机旋转体由芳香族有机分子构成，而有机分子比金属的密度小，从而使得生成的有机旋转体比金属旋转体的密度小，从而在碳纳米管力学性能一定时，可增大有机旋转体的尺寸。由此，制成的扭秤尺寸较大，利于操作，可作为精密扭秤对微小力和力矩进行测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的一种有机旋转体的生长示意图；

图2是本发明一个实施例提供的一种有机旋转体的光学显微镜图；

图3是本发明一个实施例提供的一种利用精密扭秤对微小力进行检测的方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中，所使用的各类设备、试剂和材料若无特别说明，均为常规市售可得。

下面通过几个具体的实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1用以阐述利用蒽粉末，采用热蒸发自组装法在悬空碳纳米管上制备单核有机旋转体的方法，得到由悬空碳纳米管和蒽片组成的精密扭秤。

在该实施例1中，制备精密扭秤的方法可以包括：

步骤A1：利用光刻法在基底上设置毫米级狭缝，以金属纳米颗粒为催化剂，向具有毫米级狭缝的基底通入碳源气体与惰性气体组成的混合气体，利用气流导向和顶端生长机理，在基底上跨缝生长得到毫米级长度的悬空碳纳米管。此步骤可得到长度在0.1mm～2mm范围内的悬空碳纳米管。

步骤B1：将恩粉末放置在坩埚中，并利用加热装置加热盛有蒽粉末的坩埚加热至70℃。由于蒽易升华，则经过此步骤后，可使蒽粉末升华为蒽蒸汽。

步骤C1：将生长有悬空碳纳米管的基底盖在坩埚顶部，以使基底上的悬空碳纳米管与坩埚中蒽的热蒸气接触，并控制环境湿度为50％，反应10h。在相对低温(65℃～75℃)下长时间生长，可以控制单根碳纳米管上只生长单个微米级蒽片，由此得到由悬空碳纳米管和单个蒽片组成的精密扭秤。并且生成的蒽片具有规整的六边形层状结构和分子级平整的表面，蒽片的生长示意图如图1所示。由于蒽的密度较低(1.283kg/m³)，则可使生成的蒽片尺寸较大，达到10～100μm，从而利于操作，生成的蒽片在显微镜下的结构如图2所示。同时，生成的蒽片表面平整，则有利于检测过程中，利于光学系统精确确定蒽片的偏转角度，从而提高精密扭秤的检测精度。

实施例2仍然采用热蒸汽自组装法在悬空碳纳米管上制备单核有机旋转体的方法，制备条件与实施例1有所差异，由此也得到由悬空碳纳米管和蒽片组成的精密扭秤。

在该实施例2中，制备精密扭秤的方法可以包括：

步骤A2：利用粘接法在基底上设置毫米级狭缝，以金属纳米颗粒为催化剂，向具有毫米级狭缝的基底通入碳源气体与惰性气体组成的混合气体，利用气流导向和顶端生长机理，在基底上跨缝生长得到毫米级长度的悬空碳纳米管。此步骤可得到长度在0.1mm～2mm范围内的悬空碳纳米管。

步骤B2：将蒽粉末放置在坩埚中，并加热盛有蒽粉末的坩埚加热至90℃。由于蒽易升华，则经过此步骤后，可使蒽粉末升华为蒽蒸汽。

步骤C2：将生长有悬空碳纳米管的基底盖在坩埚顶部，以使基底上的悬空碳纳米管与坩埚中蒽的热蒸气接触，并控制环境湿度为40％，反应1h。在相对高温(90℃～120℃)下短时间快速生长，可使在单根碳纳米管上产生多个蒽片。由此，这可作为单根碳纳米管的一种有效的光学可视化方法，即利用生长在碳纳米管上的蒽片使碳纳米管实现肉眼可见，以利于对碳纳米管进行操控或移动。

步骤D2：加热生长有悬空碳纳米管的基底至80～120℃。这可使生长在悬空碳纳米管上的小体积的蒽片先升华，即从悬空碳纳米管上被除去，而较大片的蒽片还存留可见。由此，可除去悬空碳纳米管上的多余蒽片，仅在悬空碳纳米管上保留一个蒽片，保留的蒽片为尺寸较大的蒽片，可达到10～100μm，由此实现了对蒽片的可控去除，由此得到由悬空碳纳米管和单个蒽片组成的精密扭秤。

实施例3仍然采用热蒸汽自组装法在悬空碳纳米管上制备单核有机旋转体的方法，制备条件与实施例1和实施例2有所差异，由此也得到由悬空碳纳米管和蒽片组成的精密扭秤。

在该实施例3中，制备有机旋转体的方法可以包括：

步骤A3：将蒽粉末放置在坩埚中，并加热盛有蒽粉末的坩埚加热至75℃。由于蒽易升华，则经过此步骤后，可使蒽粉末升华为蒽蒸汽。

步骤B3：将生长有悬空碳纳米管的基底盖在坩埚顶部，以使基底上的悬空碳纳米管与坩埚中蒽的热蒸气接触，并控制环境湿度为45％，反应8h。由此，也可在悬空碳纳米管上生成单核蒽片，得到由悬空碳纳米管和单核蒽片组成的扭秤。

实施例4用以阐述化学气象沉积法在悬空碳纳米管上制备单核有机旋转体的方法。

在该实施例4中，制备有机旋转体的方法可以包括：

步骤A4：将蒽粉末放置在坩埚中，并将盛有蒽粉末的坩埚放置于石英管中。

步骤B4：将生长有悬空碳纳米管的基底放置在距离坩埚10cm左右的位置，在流速为50sccm的氩气保护下，以80℃加热管式炉中，反应1h。由此，也可在悬空碳纳米管上生成单核蒽片，得到由悬空碳纳米管和单核蒽片组成的扭秤。

实施例5仍然采用化学气象沉积法在悬空碳纳米管上制备单核有机旋转体的方法，制备条件与实施例4有所不同。

在该实施例5中，制备有机旋转体的方法可以包括：

步骤A5：将蒽粉末放置在坩埚中，并将盛有蒽粉末的坩埚放置于石英管中。

步骤B5：将生长有悬空碳纳米管的基底放置在距离坩埚10cm左右的位置，在流速为50sccm的氩气保护下，以75℃加热管式炉中，反应2h。由此，也可在悬空碳纳米管上生成单核蒽片，得到由悬空碳纳米管和单核蒽片组成的扭秤。

实施例6：利用萘在悬空碳纳米管上制备单核有机旋转体

该实施例6的有机旋转体的制备方法与实施例1基本类似，只是将实施例1中的蒽换为萘，由此得到由悬空碳纳米管和单个萘片组成的扭秤。

实施例7：利用制备出的精密扭秤精确检测悬空碳纳米管的力学性能

该实施例7中，检测悬空碳纳米管的力学性能的方法可以包括：

步骤A7：向扭秤中的蒽片通入水平气流，使所述有机旋转体成为所述水平气流的受力面。在水平气流的作用下，蒽片作为受力面，水平气流如同一根无形的探针对蒽片进行操纵，从而拉动悬空碳纳米管发生形变，随着气速的变化，悬空碳纳米管受到的拉力也发生变化。

步骤B7：确定悬空碳纳米管产生的形变值，并记录水平气流的流速。根据水平气流的流速，可确定悬空碳纳米管所受的拉力，并根据悬空碳纳米管原始的长度和半径，以及悬空碳纳米管发生的形变，利用公式计算出悬空碳纳米管的杨氏模量，其中，E表征悬空碳纳米管的弹性模量，F表征悬空碳纳米管受到水平气流施加的拉力，L表征悬空碳纳米管的原始长度，R表征悬空碳纳米管的半径，ΔL表征悬空碳纳米管发生的形变，例如，检测出悬空碳纳米管的杨氏模量为1.3MPa。在这里，可利用光学显微镜观察悬空碳纳米管产生的形变，从而确定出悬空碳纳米管的形变值。由于光学显微镜简单易操作，从而使得确定悬空碳纳米管形变的过程简单方便。

实施例8：利用制备出的精密扭秤检测微小力矩

该实施例8中，检测微小力矩的方法可以包括：

A8：利用标定的方法确定悬空碳纳米管的弹性模量，例如，检测出悬空碳纳米管的剪切模量为0.5MPa；

B8：利用激光发射装置向蒽片发射激光，蒽片反射接收到的激光到光斑位置检测器上。

C8：利用测力探针(钨针)对蒽片进行操纵，使蒽片发生偏转，并利用光斑位置检测器记录蒽片发射激光的位置变化。由于蒽片的尺寸能达到百微米级，因此可直接用钨针对蒽片进行接触式操纵，使蒽片发生偏转。具体地，可利用金属探针(钨探针等)与有机旋转体之间的毛细力将两者粘在一起，进行接触式操纵；也可在金属探针上施加电压，例如，为金属探针施加1～5V的电压，利用金属探针与有机旋转体之间的静电力或范德华力，实现对有机旋转体的非接触式操纵。

然后利用光斑位置检测器记录蒽片在偏转前发射激光光斑位置以及偏转后反射激光光斑位置，由此确定出蒽片的偏转角度。然后根据所述悬空碳纳米管的半径和长度，以及悬空碳纳米管的剪切模量与所述有机旋转体的偏转角度，利用计算公式计算蒽片所受的微小力矩；其中，M表征蒽片所受的微小力矩，G表征重力系数，R表征碳纳米管的半径，ΔR表征碳纳米管管壁之间厚度，Δθ表征蒽片的偏转角度，L表征碳纳米管的长度。采用光斑位置检测器记录反射激光的光斑位置变化，可将蒽片发生的微小偏转进行放大，从而更精确的确定出蒽片的偏转角度，从而使力矩的检测结果更精准。相较于传统扭秤，纳米级扭丝直径能极大提高扭丝灵敏度和检测精度。测量出的力矩可提高五个数量级，达到10^-22N·m级别。

实施例9：利用制备出的精密扭秤对微小的力进行检测，该检测过程的示意图如图3所示。

在该实施例9中，对微小的力进行检测的方法包括：

A9：利用实施例8中提供的方法确定出蒽片所受的微小力矩；

B9：根据蒽片的形状和大小，确定出扭秤的力臂长度。利用公式可计算出钨针对蒽片施加的力的大小，其中，F表征钨针对蒽片施加的力，M表征蒽片所受的力矩，b表征力臂长度。由于蒽片的尺寸较大，因此力臂长度较大，根据上述公式，当力矩一定时，利用此扭秤对力的大小进行检测时，可检测到更微小的力，即检测下限更低，从而实现对微小的力的精确检测，百微米级蒽片能够测到的最小力可以达到10^-17N。

实施例10：利用制备出的精密扭秤检测平面倾斜角度

在该实施例10中，检测平面倾斜角度的方法包括：

A10：将载有扭秤的基底放置在待检测平面上。

B10：利用激光发射装置向蒽片发射激光，蒽片反射接收到的激光到光斑位置检测器上。光斑位置检测器可记录蒽片反射激光的光斑位置变化，若平面保持水平，蒽片不会发生偏转，从而光斑位置检测器检测到的反射激光的光斑不会发生位置偏移；反之，当待检测平面倾斜时，蒽片反射激光会发生位置偏移，此时可通过蒽片偏转前的反射激光的光斑位置和蒽片偏转后的反射激光的光斑位置，确定待检测平面的倾斜角度。由此，可利用制备出的精密扭秤检测平面的微小角度变化。并基于此，还可将载有碳纳米管和有机旋转体的基底与小型光斑位置检测器以及激光发射装置封装在一起。形成新原理的微型水平仪。

实施例11：利用制备出的精密扭秤检测低频振动信号

在该实施例11中，检测低频振动信号的方法包括：

A11：利用激光发射装置向蒽片发射激光，蒽片反射接收到的激光到光斑位置检测器上。

B11：向载有扭秤的基底施加设定频率和振幅的机械振动。基底的振动带动蒽片的振动，从而使蒽片发生偏转。通过光斑位置检测器记录蒽片发生偏转前反射激光的光斑位置信息以及偏转后反射激光的位置信息，由此，振动信号转变为反射激光的光斑位移信号，并被光斑位置检测器记录下来，从而由位移信号可确定出振动信号的频率和振幅。

实施例12：利用制备出的精密扭秤作为微推力传感器或加速度传感器

在该实施例12中，检测微小推力的方法包括：

步骤A12：将精密扭秤与外部的推进器相连。精密扭秤与推进器相连时，可将推进器安装在精密扭秤上，通过测量推进器反作用于精密扭秤的作用力大小，得到推进器的推力大小。也可将推进器安装在精密扭秤外部，利用推进器尾气的作用力作用在精密扭秤上，通过对尾气的作用力来间接得到推进器推力的大小。

步骤B12：利用所述推进器向精密扭秤施加推力，以使所述精密扭秤中的有机旋转体发生偏转。

步骤C12：确定所述有机旋转体的偏转角度，并根据所述有机旋转体的形状和大小，确定所述精密扭秤的力臂长度。在这里，可采用实施例8中提供的通过光斑位置检测器确定有机旋转体(蒽片)的偏转角度的方法。

步骤D12：利用标定的方法确定所述精密扭秤中的悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量；

步骤E12：根据所述力臂长度、所述有机旋转体的偏转角度、所述悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量，确定所述推进器向所述精密扭秤施加的所述推力的大小。具体地，可利用计算公式计算蒽片所受的微小力矩；其中，M表征蒽片所受的微小力矩，G表征重力系数，R表征碳纳米管的半径，ΔR表征碳纳米管管壁之间厚度，Δθ表征蒽片的偏转角度，L表征碳纳米管的长度。再利用计算公式可计算出推进器向蒽片施加的推力的大小，其中，F表征推力的大小，M表征蒽片所受的力矩，b表征力臂长度。利用精密扭秤对推进器的推力进行检测时，由于精密扭秤的检测精度较高，可检测到更微小的力，从而实现对微小推力的精确检测。另外，精密扭秤作加速度传感器的原理和检测方法与微推力传感器相同，在此不详细赘述。

根据上述方案，本发明的各实施例，至少具有如下有益效果：

1、本发明实施例提供的扭秤制备方法可制备出由悬空碳纳米管和有机旋转体组成的精密扭秤。由于有机旋转体的密度较小，使得生成的有机旋转体尺寸较大，从而利于操作，可对微小力和力矩进行精确测量。

2、本发明实施例通过控制生长条件，使芳香族有机分子在悬空碳纳米管上进行单核生长，形成有机旋转体，并使生成的有机旋转体具有分子级平整的表面，从而在利用制备出的扭秤进行检测时，可通过有机旋转体的表面发射激光，精准确定出有机旋转体的偏转角度，从而提高扭秤的检测精度。

3、本发明实施例在制备扭秤过程中，使用的悬空碳纳米管的原料、有机旋转体的原料和反应器具有普遍性，工艺简单，原料易得，有利于精密扭秤的制作及推广应用。

4、本发明实施例制备出的有机旋转体尺寸达到百微米级，从而可利用金属探针直接对其进行操纵，既可利用金属探针与有机旋转体之间的毛细力将两者粘在一起，进行接触式操纵；也可在金属探针上施加1V～5V的电压，利用金属探针与有机旋转体之间的静电力或范德华力，实现对有机旋转体的非接触式操纵。从而使得对有机旋转体的操纵精准可控，进而提高扭秤的检测精度。

5、本发明实施例通过向有机旋转体通入水平气流，使有机旋转体成为气流受力面，使气流在受力面上的作用力拉动碳纳米管，从而使悬空碳纳米管发生形变，并根据碳纳米管的形变和水平气流的流速，精准确定悬空碳纳米管的力学性能。

6、本发明实施例通过将载有扭秤的基底放置在平面上，然后向有机旋转体发射激光，使有机旋转体反射激光，即可通过反射激光的光斑位移量确定检测平面的微小角度变化，从而构成新原理的微型水平仪。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种精密扭秤的制备方法，其特征在于，包括：

在基底上设置狭缝；

以金属纳米颗粒作催化剂，向所述基底通入碳源气体与惰性气体组成的混合气体，在所述基底的所述狭缝上，生成悬空碳纳米管；

使芳香族有机分子在所述悬空碳纳米管上外延生长晶体，在所述悬空碳纳米管上形成有机旋转体，得到由所述悬空碳纳米管与所述有机旋转体组成的精密扭秤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述使芳香族有机分子在所述悬空碳纳米管上外延生长晶体，在所述悬空碳纳米管上形成有机旋转体，包括：

将所述芳香族有机分子加热至65℃～120℃，以使所述芳香族有机分子的状态为蒸汽状态；

将所述悬空碳纳米管与所述芳香族有机分子的蒸汽进行接触，在温度65℃～120℃以及湿度40％～50％的条件下，反应0.5h～10h，以使所述芳香族有机分子的蒸汽在所述悬空碳纳米管上成核并生长，形成所述有机旋转体。

和/或，

所述芳香族有机分子包括：蒽、萘或其他联苯有机分子中的任意一种。

3.一种利用上述权利要求1或2所述的精密扭秤的制备方法制得的精密扭秤，其特征在于，包括：

悬空碳纳米管以及生长于所述悬空碳纳米管上的有机旋转体，其中，所述有机旋转体由芳香族有机分子组成。

4.根据权利要求3所述的精密扭秤，其特征在于，

所述有机旋转体的直径包括：10～100μm；

和/或，

所述悬空碳纳米管的长度包括：0.1mm～2mm；

所述悬空碳纳米管的直径包括：2nm～4nm。

5.一种上述权利要求3或4所述的精密扭秤的使用方法，其特征在于，包括：

向有机旋转体通入水平气流，使所述有机旋转体成为所述水平气流的受力面；

利用所述水平气流在所述受力面上的作用力拉动悬空碳纳米管，以使与所述有机旋转体相连的所述悬空碳纳米管发生形变；

确定所述悬空碳纳米管产生的形变值，并记录所述水平气流的流速；

根据所述形变值和所述流速，确定所述悬空碳纳米管的弹性模量和断裂伸长率。

6.一种上述权利要求3或4所述的精密扭秤的使用方法，其特征在于，包括：

确定悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量；

利用金属探针对有机旋转体进行操纵，以使所述有机旋转体发生偏转，并确定所述有机旋转体的偏转角度；

根据所述悬空碳纳米管的半径、长度、所述弹性模量以及所述有机旋转体的偏转角度，确定所述有机旋转体所受的力矩。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，

在所述确定所述有机旋转体所受的力矩之后，进一步包括：

根据所述有机旋转体的形状和大小，确定所述精密扭秤的力臂长度；

根据所述力臂长度以及所述力矩，确定所述金属探针对所述有机旋转体施加的力的大小。

8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，

所述确定所述有机旋转体的偏转角度，包括：

向所述有机旋转体发射激光，以使所述有机旋转体的平整表面反射所述激光；

记录所述有机旋转体发生偏转前的反射激光的光斑位置，以及所述有机旋转体发生偏转后的反射激光的光斑位置；

根据所述偏转前的反射激光的光斑位置和偏转后的反射激光的光斑位置，确定所述有机旋转体的偏转角度。

9.一种上述权利要求3或4所述的精密扭秤的使用方法，其特征在于，包括：

将载有扭秤的基底放置在待检测平面上；

向有机旋转体发射激光，以使所述有机旋转体反射所述激光；

根据所述有机旋转体的反射激光的光斑位置，确定所述有机旋转体是否发生偏转；

当所述有机旋转体发生偏转时，根据所述有机旋转体偏转前的反射激光的光斑位置和偏转后的反射激光的光斑位置，确定所述待检测平面的倾斜角度。

10.一种上述权利要求3或4所述的精密扭秤的使用方法，其特征在于，应用于微推力传感器或加速度传感器，包括：

将所述精密扭秤与外部的推进器相连；

利用所述推进器向精密扭秤施加推力，以使所述精密扭秤中的有机旋转体发生偏转；

确定所述有机旋转体的偏转角度，并根据所述有机旋转体的形状和大小，确定所述精密扭秤的力臂长度；

确定所述精密扭秤中的悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量；

根据所述力臂长度、所述有机旋转体的偏转角度、所述悬空碳纳米管的半径、长度和弹性模量，确定所述推进器向所述精密扭秤施加的所述推力的大小。