CN113074806B - 一种自供电声波传感装置、碳纳米管阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于声波传感器领域，并具体公开了一种自供电声波传感装置、碳纳米管阵列及其制备方法，其对生长基底上的催化剂层进行刻蚀，使催化剂层的粗糙度增加，然后在该催化剂层上沉积碳纳米管阵列。自供电声波传感装置包括传感组件和信号处理组件，传感组件包括依次堆叠固定的工作电极、电极接触板、多孔陶瓷片和对电极，工作电极的材料为上述碳纳米管阵列或其复合材料等；工作电极通过外部电解液与对电极形成闭合回路；信号处理组件用于检测、处理传感部件产生的电流信号。本发明工作电极可用电化学有效面积大且碳纳米管间接触电阻低，能对声波信号进行灵敏响应，进而声波传感装置可实现在水下多角度监测水上声音信号，灵敏度高且无需额外供电。

Description

一种自供电声波传感装置、碳纳米管阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于声波传感器领域，更具体地，涉及一种自供电声波传感装置、碳纳米管阵列及其制备方法。

背景技术

电磁波在水中有着不同于空气中的传播特性，海水对电磁波能量的吸收作用很强，波长越短、频率越高，在海水中的衰减就越厉害，因此短波在水中的衰减是很快的，几乎无法穿过海水传播。

声波不同于电磁波，其波长短，频率低，在海水中能量衰减较少，是目前已知唯一能在水中远距离传播的能量辐射形式，所以水下无线通信主要通过声波来传递信息。水下声波的收集与翻译离不开声波传感器，其能够通过对水下声音的收集为人类的海洋勘探、水下救援、水下环境监测提供重要的信息。

声波传感器是一种可将在气体液体或固体中传播的机械振动转化为电信号的装置，其检测信号的方式可分为接触式或非接触式。声波传感器按照其原理可分为压电式、电致伸缩式、电磁感应式等。传统的压电式声波传感器常用材料为压电陶瓷，该种声波传感器在空气中具有较高的灵敏度和量程，但由于压电陶瓷的特性，其与水下环境的声阻抗不相匹配，会使得声波信号检测效果较差且会产生较大的回声，对噪声的抗干扰能力较低，其输出的声波转化电信号比较杂乱，接收信号效果不理想。电致伸缩式以及电磁感应式声波传感装置在水下需要进行器件上的封装处理，其封装结构会对声波的传输范围产生进一步的削减，对信号大小产生一定的影响，且基于电致伸缩效应以及电磁感应声波传感装置在工作时需要外接电源，长期的水下工作需要大量的能源，频繁更换电源极大地限制了其应用场景。

由于水空介质的非连续性，目前水下声波传感装置大多应用于单一介质中的声波接收与处理，对于跨介质传递的声波监测性能较差，导致不同介质间难以实现有效通信，例如从空气传播到水下。当水上声源位置与水下传感装置完全对准时，声压在水面垂直方向分量较大，能够利用毫米波雷达对水面的微扰进行检测，当水上声源位置与水下传感装置位置不完全对准时，声压在水面垂直方向分量较小，检测声波信号较为困难。因此亟需一种能够在水下使用并多角度监测水上声音信号的自供电传感装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自供电声波传感装置、碳纳米管阵列及其制备方法，其目的在于，采用反应离子刻蚀法对碳纳米管制备过程进行前处理，得到了一种取向度位于阵列碳纳米管与非阵列碳纳米管之间的碳纳米管电极材料，相较于阵列碳纳米管具有更高的可用电化学有效面积，相较于非阵列碳纳米管具有更低的管间接触电阻，因此具有更高的信号灵敏度，能够对声波信号进行灵敏响应。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种碳纳米管阵列的制备方法，包括如下步骤：

对生长基底上的催化剂层进行刻蚀，使催化剂层的粗糙度增加，然后在该催化剂层上沉积碳纳米管阵列，完成碳纳米管阵列的制备。

作为进一步优选的，所述催化剂层为铁催化剂层，并采用氩原子或CF2⁺基团或SF5⁺基团对铁催化剂层进行刻蚀。

作为进一步优选的，刻蚀功率为5W～160W，刻蚀时间为3min～30min。

作为进一步优选的，在刻蚀前，先在生长基底上镀氧化铝膜或铝膜作为缓冲层，然后在缓冲层上镀催化剂层。

作为进一步优选的，采用水辅助化学气相沉积在催化剂层上制备碳纳米管阵列。

作为进一步优选的，制备碳纳米管阵列时以乙烯为碳源，控制碳纳米管阵列生长温度为700℃～800℃。

作为进一步优选的，所述生长基底为晶向100的单面抛光P型硅片或二氧化硅片。

按照本发明的第二方面，提供了一种碳纳米管阵列，其采用上述碳纳米管阵列的制备方法制备而成。

按照本发明的第三方面，提供了一种自供电声波传感装置，包括传感组件和信号处理组件，其中：

所述传感组件包括依次堆叠固定的工作电极、电极接触板、多孔陶瓷片和对电极，所述工作电极的材料为上述碳纳米管阵列或该碳纳米管阵列的复合材料或石墨烯或活性炭；工作时，所述工作电极通过外部电解液与所述对电极形成闭合回路，实现电解液中离子的回路传输，进而产生电流信号；所述信号处理组件用于检测、处理传感部件产生的电流信号。

作为进一步优选的，所述电极接触板为箔片，所述对电极为活性炭膜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明采用反应离子刻蚀法对碳纳米管制备过程进行前处理，由此得到了一种全新结构的取向度位于阵列碳纳米管与非阵列碳纳米管之间的碳纳米管电极材料，反应离子刻蚀使生长基底上的催化剂层变粗糙从而降低催化剂的密度，由于催化剂密度的降低，碳纳米管生长过程中管与管之间存在更大的可用空间从而导致管间的拥挤效应下降，进而使得该结构相较于阵列碳纳米管具有更高的可用电化学有效面积，相较于非阵列碳纳米管具有更低的管间接触电阻，因此具有更高的信号灵敏度，能够对声波信号进行灵敏响应。

2.本发明采用氩原子/CF2⁺基团/SF5⁺基团对铁催化剂层进行刻蚀，并对反应离子刻蚀功率和时间进行研究和设定，从而保证铁催化剂被均匀且有限地刻蚀，铁催化剂颗粒在生长基底上实现有间距地均匀分布，从而使得生长出的碳纳米管的管间距离被扩大，管与管之间的拥挤效应下降，得到取向度位于阵列碳纳米管与非阵列碳纳米管之间的全新结构杂化碳纳米管，且随着反应离子刻蚀功率与时间的加大，碳纳米管的取向度从高向低改变，能够实现碳纳米管取向度的可控调节。

3.本发明对生长基底进行处理，进而利用水辅助化学气相沉积法合成了长且纯净的碳纳米管，具体的，采用射频溅射在生长基底上镀氧化铝/铝膜作为缓冲层，该缓冲层能够保证催化剂铁在奥斯瓦尔德熟化状态下能够形成大小均匀的铁催化剂颗粒；然后采用直流溅射在缓冲层上镀铁催化剂层，铁催化剂能够催化碳纳米管的生长，即使乙烯中的碳原子在奥斯瓦尔德熟化状态下的铁颗粒中达到过饱和状态，使得碳以碳纳米管的形式析出，生长出的碳纳米管长度较长且较为纯净。

4.本发明将工作电极与多孔陶瓷片和对电极组装得到声波传感装置，其在海水中使用时，能够将声波导致的电解质介质波动使得碳材料的电势发生改变，进而产生响应声波变化的电流信号，实现在水下多角度监测水上声音信号；且本发明碳纳米管阵列制备的工作电极，使声波传感装置能能够明显区分人发出不同单词，监测距离为水下0～1米，声源在水上0～1米，响应速度快、灵敏度高且无需额外供电。

5.本发明的水下自供电声波传感装置具有一定的水下稳定性，能够长期在水下工作且无需额外的封装材料，能够直接与海水等电解质接触，具有一定的防腐蚀性能和耐用性，水下工作稳定性和抗杂声干扰性能较强，能够适应海水等电解质溶液的复杂环境。

6.本发明的水下自供电声波传感装置能够对水空跨介质或水中同介质不同角度的声源信号进行接收，同时水下人员通过按压该声波传感装置能够实现对水上信号的回应以及呼救功能，使该水空跨介质通信具有双向性；同时，该装置具有广适性，可根据需求改变传感部件尺寸大小，且可与人体皮肤直接接触，实现人体可穿戴性能，用于实现水上对水下的救援喊话、水中声音监测等功能。

附图说明

图1为本发明实施例水下自供电声波传感装置结构爆炸图；

图2为本发明实施例水下自供电声波传感装置结构示意图；

图3a～图3c分别为本发明实施例声波传感装置对人口述单词help、stop、attention时产生的电流响应曲线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-工作电极，2-电极接触板，3-多孔陶瓷片，4-对电极，5-信号导出线，6-外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种碳纳米管阵列(即工作电极)的制备方法，包括如下步骤：

S1、在生长基底上依次镀制缓冲层和催化剂层，并对催化剂层进行刻蚀；

S2、在镀制、刻蚀后的生长基底上沉积碳纳米管阵列，然后将该碳纳米管阵列从生长基底上剥离，并切割成所需尺寸及形状作为工作电极。

进一步的，步骤S1中对生长基底的处理具体包括如下步骤：

S11、将晶向为(100)的单面抛光P型硅片或二氧化硅片作为碳纳米管的生长基底，先将其放入乙醇中，利用超声波清洗仪进行清洗，再将其放入丙酮中再次清洗。

S12、采用射频溅射在生长基底上镀氧化铝膜或铝膜作为缓冲层，缓冲层能够保证催化剂铁在奥斯瓦尔德熟化状态下能够形成大小均匀的铁催化剂颗粒，镀缓冲层时通入10sccm～120sccm的氩气，溅射功率为10W～200W，镀膜时间为30s～120s，镀膜速率为1nm/s～5nm/s；然后采用直流溅射在缓冲层上镀铁催化剂层，铁催化剂能够催化碳纳米管的生长，且生长出的碳纳米管长度较高，较为纯净，镀催化剂层时，通入10sccm～120sccm的氩气，直流溅射功率为5W～50W，镀膜时间为15s～240s，镀膜速率为1nm/s～5nm/s。

S13、反应离子刻蚀调整催化剂层：将镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片或二氧化硅片放入反应离子刻蚀机中，通入氩气/三氟甲烷/六氟化硫，采用氩原子/CF2⁺基团/SF5⁺基团对铁催化剂层进行刻蚀，腐蚀气体在强电场的作用下，被高频电场加速的杂散电子与气体分子或原子进行碰撞产生等离子体，具有很强的化学活性，可与铁原子产生化学反应，形成挥发性物质，从而减少铁催化剂层的活性位点；优选的，刻蚀功率为5W～160W，刻蚀时间为3min～30min，进一步优选的，刻蚀功率为50W～120W，刻蚀时间为6min～26min；通过反应离子刻蚀，使生长基底上的催化剂层变粗糙从而降低催化剂的密度，降低碳纳米管生长过程中的拥挤效应，从而改变碳纳米管的轴向取向度。

进一步的，步骤S2中将镀制和刻蚀后的生长基底放入管式炉中，通过水辅助化学气相沉积在生长基底上制备碳纳米管阵列，具体包括如下步骤：

S21、升温阶段：并逐渐升温至700℃～800℃，同时通入400sccm～1600sccm氢气和100sccm～400sccm氩气，控制升温阶段时间为500s～1000s；

S22、铁催化剂退火阶段：保持通入氢气和氩气的量不变，温度保持在700℃～800℃，时间保持180s～350s；

S23、X-time阶段：将氢气通入量逐渐降低至0，乙烯通入量从0逐渐升至100sccm～200sccm，同时通入50sccm～200sccm携水氩气，该阶段时间持续40s～120s；

S24、生长阶段：保持通入乙烯100sccm～200sccm，氩气100sccm～400sccm，携水氩气50sccm～200sccm，温度700℃～800℃，时间持续200s～1500s，乙烯中的碳原子在奥斯瓦尔德熟化状态下的铁颗粒中达到过饱和状态，使得碳以碳纳米管的形式析出，经过一定时间纳米管阵列完成生长；

S25、降温阶段：将温度逐渐降至0，同时仅通入500sccm～2000sccm氩气，完成碳纳米管阵列制备。

进而将由碳纳米管阵列制成的工作电极与电极接触板、多孔陶瓷片、对电极依次堆叠固定，并分别将电极接触板、对电极与信号处理器连接，得到跨介质水下自供电声波传感装置；此外，该工作电极也可由石墨烯及其复合材料或活性炭及其复合材料制成，但其对声波的感应灵敏性要弱于碳纳米管阵列。

具体的，该跨介质水下自供电声波传感装置，如图1和图2所示，包括传感组件和信号处理组件，其中：

所述传感组件包括依次堆叠固定的工作电极1、电极接触板2、多孔陶瓷片3和对电极4，所述电极接触板与多孔陶瓷片之间，以及多孔陶瓷片和对电极之间均设有信号导出线5，该信号导出线与所述信号处理器连接；同时通过外壳6从四周对传感组件进行固定，同时外壳上下均与外部连通，以使传感组件能与外部海水或含有电解质的液体接触；

优选的，所述电极接触板2为纯铂片，铂具有不活泼性，具有一定的稳定性和防腐蚀性，其能够将信号响应导出线5与工作电极1间的线接触改为面接触，使输出信号更为稳定；所述对电极4为活性炭膜，其与工作电极1、外部电解液构成闭合回路，实现电解液中离子的回路传输；所述信号导出线5为纯铂丝，用于实现将传感部件所输出的电流信号传导至电流信号处理组件；外壳6采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成。

所述信号处理组件安装在所述外壳6下方，用于实时检测传感组件产生的电流信号并对信号进行处理，实现信号的传输与接收。具体的，所述信号处理组件包括信号处理器、信号发射与接受器，所述信号处理器优选为电化学工作站，所述信号发射与接收器用于实现信号的接收和传输，以电信号的形式输出声波内容，具有较好的声音识别性能及水下自供电性能。

工作时，将上述声波传感装置浸入到电解液(如浓度为0.6M/L的氯化钠溶液)中，实际应用是将装置浸入到海水中，此时，装置表面会对电解液中的电荷进行吸附；外部声波信号通过带动电解液的波动传输到装置表面，即在水下利用外界声波产生的波动使得装置本身吸附的电解液中的中性电荷产生偏移，进而使得工作电极电化学可用面积发生变化，继而导致工作电极电容发生变化，工作电极自身发生电势的变化，产生电信号的输出。输出的电信号波形会随着发声的音节的改变而产生改变，即电流信号的大小与声波信号的大小相对应，即实现了声波信号向电信号形式的转变，从而达到声波识别的功能。该水下自供电声波传感装置在工作时，能够通过器件对声波的响应产生相应的电势，该电势能够满足小型信号接收存储装置的供电需求，且所述水下自供电声波传感装置无需额外的电源供能，保证了其水下长期工作的有效性。

具体的，该声波传感装置能够实现对人发出的声音的响应，声波传感装置会输出不同波形的电流信号从而对不同的词句进行区分，并产生一定的电势变化，同时该装置能够实现对人手指按压压力的响应，当用手指对装置工作电极按压时，能够输出较大电流，大小为30μA，实现对声波及压力信号的双重响应。该声波传感装置能够利用自身产生的电势进行工作无需额外供电，且该装置的灵敏度较高，能够明显区分人发出不同单词，并通过人手指的按压产生反馈信号，且响应速度快。

采用该水下自供电声波传感装置能够实现水下对水上人发出的声音的识别响应。如图3a～图3c所示，水下自供电声波传感装置对人发出的不同单词的输出电流变化曲线的峰形有明显区别，且峰值的增大或减小会随着人声的大小发生改变。利用信号分析装置对峰形进行识别，例如“help”“stop”“attention”等单词的识别能够实现水上人员对水下人员的危险提醒、救援等工作，同时，水下人员能够通过敲击或按压该声波传感装置对收到的信号进行反馈或者发出求救信号等，实现水上水下的双向通信，且该水下自供电声波传感装置响应时间约为50ms，响应距离为水下0～1m，声源距离水面0～1m，响应速度快，信号反应及时，能够应对水下突发危险情况等。

以下为具体实施例：

实施例1

制备一种高灵敏度的水下声波传感装置，具体制备步骤如下：

将晶向为(100)的单面抛光P型硅片作为碳纳米管的生长基底，首先将其放入乙醇中，利用超声波清洗仪清洗30min，再将其放入丙酮中，再次清洗30min。将清洗好的硅片吹干，放入磁控溅射仪中完成碳纳米管生长所需的氧化铝缓冲层及铁催化层的镀膜工艺。镀膜工艺中，首先使用功率为50W偏压溅射对磁控溅射仪氧化铝靶材及高纯铁靶材进行清洗，以清除靶材表面氧化物及杂质，偏压溅射时需通入20sccm的氩气，预溅射时间为100s，溅射时间为15s。之后进行氧化铝缓冲层的镀膜，采用射频溅射模式，射频溅射时需通入15sccm的氩气，溅射功率为200W，镀膜时间为60s，镀膜速率为1.5nm/s。氧化铝缓冲层镀制完成后进行铁催化剂层镀制，采用直流溅射模式，直流溅射时需通入12sccm的氩气，直流溅射功率为20W，镀膜时间为45s，镀膜速率为1.5nm/s；

将镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片放入反应离子刻蚀机中，通入氩气，对铁催化剂层进行刻蚀，刻蚀功率调节为50W，刻蚀时间为26min。通过反应离子刻蚀技术，使生长基底上的催化剂层变粗糙从而降低催化剂的密度，降低碳纳米管生长过程中的拥挤效应，从而改变碳纳米管的轴向取向度。

将刻蚀后的镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片放入管式炉中，利用水辅助化学气相沉积法制备碳纳米管阵列。制备过程包括：1.升温阶段。将管式炉温度逐步从0升至750℃，同时通入800sccm氢气和200sccm氩气，并将升温阶段控制在1000s。2.铁催化剂退火阶段。保持氢气和氩气的量不变，温度保持在750℃，时间保持225s。3.X-time阶段，该阶段氢气通入量逐渐从800sccm降低至0，乙烯通入量从0逐渐升至150sccm，同时通入200sccm携水氩气，该阶段时间持续80s。4.生长阶段。保持通入乙烯150sccm，氩气650sccm，携水氩气200sccm，温度750℃，时间持续700s。碳纳米管在该阶段完成生长。5.降温阶段。将温度从750℃降至0，同时只通入1000sccm氩气，防止碳纳米管在降温过程中发生氧化；

将硅片或氧化硅片基底上生长的碳纳米管阵列利用高碳钢刀片剥离，将剥离下的碳纳米管阵列切割成1×1×0.5cm³，将该碳纳米管阵列作为声波传感装置的工作电极。将工作电极与箔片、多孔陶瓷片堆叠，将活性炭膜贴附在多孔陶瓷片背面作为对电极，箔片与多孔陶瓷片之间、活性炭膜与多孔陶瓷片之间分别放置一根高纯铂丝作为信号导出线。利用PMMA外壳将所有结构件固定成整体，信号导出线连接电化学工作站用作为信号的接收与处理。

实施例2

制备一种高灵敏度的水下声波传感装置，具体制备步骤如下：

将晶向为(100)的单面抛光P型氧化硅片作为碳纳米管的生长基底，首先将其放入乙醇中，利用超声波清洗仪清洗30min，再将其放入丙酮中，再次清洗30min。将清洗好的硅片吹干，放入磁控溅射仪中完成碳纳米管生长所需的氧化铝缓冲层及铁催化层的镀膜工艺。镀膜工艺中，首先使用功率为50W偏压溅射对磁控溅射仪氧化铝靶材及高纯铁靶材进行清洗，以清除靶材表面氧化物及杂质，偏压溅射时需通入20sccm的氩气，预溅射时间为100s，溅射时间为15s。之后进行氧化铝缓冲层的镀膜，采用射频溅射模式，射频溅射时需通入50sccm的氩气，溅射功率为150W，镀膜时间为45s，镀膜速率为1nm/s。氧化铝缓冲层镀制完成后进行铁催化剂层镀制，采用直流溅射模式，直流溅射时需通入50sccm的氩气，直流溅射功率为15W，镀膜时间为30s，镀膜速率为1nm/s；

将镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片放入反应离子刻蚀机中，通入氩气，对铁催化剂层进行刻蚀，刻蚀功率调节为160W，刻蚀时间为6min。通过反应离子刻蚀技术，使生长基底上的催化剂层变粗糙从而降低催化剂的密度，降低碳纳米管生长过程中的拥挤效应，从而改变碳纳米管的轴向取向度。

将刻蚀后的镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片放入管式炉中，利用水辅助化学气相沉积法制备碳纳米管阵列。制备过程包括：1.升温阶段。将管式炉温度逐步从0升至780℃，同时通入1600sccm氢气和400sccm氩气，并将升温阶段控制在1000s。2.铁催化剂退火阶段。保持氢气和氩气的量不变，温度保持在780℃，时间保持300s。3.X-time阶段，该阶段氢气通入量逐渐从1600sccm降低至0，乙烯通入量从0逐渐升至200sccm，同时通入100sccm携水氩气，该阶段时间持续80s。4.生长阶段。保持通入乙烯200sccm，氩气700sccm，携水氩气100sccm，温度780℃，时间持续1200s。碳纳米管在该阶段完成生长。5.降温阶段。将温度从780℃降至0，同时只通入1000sccm氩气，防止碳纳米管在降温过程中发生氧化；

将硅片或氧化硅片基底上生长的碳纳米管阵列利用高碳钢刀片剥离，将剥离下的碳纳米管阵列切割成2×2×1cm³，将该碳纳米管阵列作为声波传感装置的工作电极。将工作电极与箔片、多孔陶瓷片堆叠，将活性炭膜贴附在多孔陶瓷片背面作为对电极，箔片与多孔陶瓷片之间、活性炭膜与多孔陶瓷片之间分别放置一根高纯铂丝作为信号导出线。利用PMMA外壳将所有结构件固定成整体，信号导出线连接电化学工作站用作为信号的接收与处理。

实施例3

制备一种高灵敏度的水下声波传感装置，具体制备步骤如下：

将晶向为(100)的单面抛光P型氧化硅片作为碳纳米管的生长基底，首先将其放入乙醇中，利用超声波清洗仪清洗30min，再将其放入丙酮中，再次清洗30min。将清洗好的硅片吹干，放入磁控溅射仪中完成碳纳米管生长所需的氧化铝缓冲层及铁催化层的镀膜工艺。镀膜工艺中，首先使用功率为50W偏压溅射对磁控溅射仪氧化铝靶材及高纯铁靶材进行清洗，以清除靶材表面氧化物及杂质，偏压溅射时需通入20sccm的氩气，预溅射时间为100s，溅射时间为15s。之后进行氧化铝缓冲层的镀膜，采用射频溅射模式，射频溅射时需通入50sccm的氩气，溅射功率为150W，镀膜时间为45s，镀膜速率为1nm/s。氧化铝缓冲层镀制完成后进行铁催化剂层镀制，采用直流溅射模式，直流溅射时需通入50sccm的氩气，直流溅射功率为15W，镀膜时间为30s，镀膜速率为1nm/s；

将镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片放入反应离子刻蚀机中，通入三氟甲烷，对铁催化剂层进行刻蚀，刻蚀功率调节为5W，刻蚀时间为3min。通过反应离子刻蚀技术，使生长基底上的催化剂层变粗糙从而降低催化剂的密度，降低碳纳米管生长过程中的拥挤效应，从而改变碳纳米管的轴向取向度。

将刻蚀后的镀有氧化铝缓冲层及铁催化层的硅片放入管式炉中，利用水辅助化学气相沉积法制备碳纳米管阵列。制备过程包括：1.升温阶段。将管式炉温度逐步从0升至700℃，同时通入1600sccm氢气和400sccm氩气，并将升温阶段控制在1000s。2.铁催化剂退火阶段。保持氢气和氩气的量不变，温度保持在700℃，时间保持300s。3.X-time阶段，该阶段氢气通入量逐渐从1600sccm降低至0，乙烯通入量从0逐渐升至100sccm，同时通入100sccm携水氩气，该阶段时间持续80s。4.生长阶段。保持通入乙烯100sccm，氩气700sccm，携水氩气100sccm，温度700℃，时间持续1200s。碳纳米管在该阶段完成生长。5.降温阶段。将温度从700℃降至0，同时只通入1000sccm氩气，防止碳纳米管在降温过程中发生氧化；

将硅片或氧化硅片基底上生长的碳纳米管阵列利用高碳钢刀片剥离，将剥离下的碳纳米管阵列切割成1×1×0.2cm³，将该碳纳米管阵列作为声波传感装置的工作电极。将工作电极与箔片、多孔陶瓷片堆叠，将活性炭膜贴附在多孔陶瓷片背面作为对电极，箔片与多孔陶瓷片之间、活性炭膜与多孔陶瓷片之间分别放置一根高纯铂丝作为信号导出线。利用PMMA外壳将所有结构件固定成整体，信号导出线连接电化学工作站用作为信号的接收与处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

对生长基底上的催化剂层进行刻蚀，使催化剂层的粗糙度增加，然后在该催化剂层上沉积碳纳米管阵列，完成碳纳米管阵列的制备；

所述催化剂层为铁催化剂层，并采用氩原子或CF2⁺基团或SF5⁺基团对铁催化剂层进行刻蚀，使生长基底上的催化剂层变粗糙从而降低催化剂的密度，进而导致管间的拥挤效应下降，得到取向度位于阵列碳纳米管与非阵列碳纳米管之间的碳纳米管材料。

2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，刻蚀功率为5W～160W，刻蚀时间为3 min～30min。

3.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，在刻蚀前，先在生长基底上镀氧化铝膜或铝膜作为缓冲层，然后在缓冲层上镀催化剂层。

4.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，采用水辅助化学气相沉积在催化剂层上制备碳纳米管阵列。

5.如权利要求4所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，制备碳纳米管阵列时以乙烯为碳源，控制碳纳米管阵列生长温度为700℃～800℃。

6.如权利要求1-5任一项所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述生长基底为晶向100的单面抛光P型硅片或二氧化硅片。

7.一种碳纳米管阵列，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的碳纳米管阵列的制备方法制备而成。

8.一种自供电声波传感装置，其特征在于，包括传感组件和信号处理组件，其中：

所述传感组件包括依次堆叠固定的工作电极、电极接触板、多孔陶瓷片和对电极，所述工作电极的材料为如权利要求7所述的碳纳米管阵列或该碳纳米管阵列的复合材料；工作时，所述工作电极通过外部电解液与所述对电极形成闭合回路，实现电解液中离子的回路传输，进而产生电流信号；所述信号处理组件用于检测、处理传感部件产生的电流信号。

9.如权利要求8所述的自供电声波传感装置，其特征在于，所述电极接触板为箔片，所述对电极为活性炭膜。

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