CN1821048B - 一种基于热声转换的微/纳米热声激振器 - Google Patents

一种基于热声转换的微/纳米热声激振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于热声转换的微/纳米热声激振器，也是一种纳米热声发动机，包括：一端封闭另一端装有振动膜其内充有流体工质的纳米管和设在纳米管之外并对其进行加热的加热器；纳米管内可填充多孔板叠结构；纳米管壁上也可粘附金属磁性纳米颗粒层；加热器可为激光器、电极板对或自带电源的纳米电加热丝。加热器对纳米管加热，诱发内部热声功的相互转换，而在振动膜端输出各种频率及振幅的高频信号。本发明具有结构紧凑，操作简便，响应频率高，成本低等特点，在纳米测量领域具有重要的应用价值。

Description

一种基于热声转换的微/纳米热声激振器
技术领域
本发明属于纳米振子及纳米机器领域，特别涉及一种基于对纳米管局部进行加热，以使管内所封装的气流产生热声振荡的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其振动膜端可输出GHZ-MHZ范围的超高频率的激振力。
背景技术
近年来，由于纳米振子技术在感知纳米世界方面的重大价值，国内外在其相关研究上投入大量力量，显示了一个有重大发展前景的前沿科技领域。已经逐步清楚的是，在纳米尺度上的振子如碳/纳米管或硅微悬臂上粘附上原子或分子，即可能导致其振动频率发生明显改变。若对该频率予以监测，即可探知出纳米世界中极为丰富的力学、电学、磁学及热学等信息。此类技术在微/纳米科技领域中的许多场合如发展与扫描力显微镜、MEMS、力学测量及生物检测芯片等结合的超灵敏度传感器上均有重要用途。
目前，纳米振子主要是采用碳/纳米管作为微悬臂梁实现的，外界物理因素通过影响梁体内在的应力，使之频率及振幅发生变化；而为使悬臂梁持续不断地振动，必须予以适当的激励。目前所提出的典型微结构激振技术主要包括：压电激励、电磁激励、电容激励、热激励等，其中，热激励方法又显得更为简单高效，因而为众多研究者所关注。但现有的热激励主要是对固体悬臂梁实施局部加热，以诱发其振动，由于受空间加热精度的限制，由此实现的振动频率不会太高(因需要极大的温度梯度)，特别是，振子的振动频率主要受加热频率决定，因此在纳米尺度上要进一步提高其性能存在很大困难。
众所周知，声功转换是一种新的动力技术。其原理在于，只需对一个中空或部分填充有多孔材料如板叠的共振管(无论开口与否，但其内存在有气体工质)的一端进行加热，则管内会形成周期疏密相间的声波，管内的工质气体在这种压力波的驱动下，在板叠中来回运动，即形成往复变化的压力和密度波，从而带动管的另一端发生流体激振，产生动力。基于特定的热学及结构设计，可以实现性能优良的热声发动机。然而，现有的所有热声学装置均建立在宏观的概念上，即其整体尺寸至少在厘米量级以上，也就是说，迄今未有整体尺寸在毫/微米以下的热声机械被提出，相关的研究工作也就未有开展，原因当然也不难理解，从传统的观念看，在此尺寸下，热声发动机会没有实用价值。
为此，本发明从新的技术途径出发，提供一种基于热声转换的微/纳米热声激振器，借助于纳米管、纳米加热结构及管内封装气流之间的热声功转换，实现在GHZ-MHZ范围的超高频率的热声激振，从而大大扩展了现有热激励悬臂梁的概念，同时，这种微/纳米热声激振器也是对传统热声装置形式及用途的一个突破，并首次提出了微/纳米热声发动机的概念。
发明内容
本发明的目的在于：从有别于现有的纳米振子原理的技术途径出发，提供一种基于热声转换的微/纳米热声激振器，可作为探测纳米对象物理化学信息的纳米振子。
这里，我们先对微/纳米激振器的工作原理予以阐述。借助于传统的热声转换原理，可以知道，通过对纳米管的一端进行加热，可在其内外产生较大的温度梯度，管内气体受热后膨胀，产生压缩力，导致气流运动，波动的气流不断与管壁发生热交换，由于气流的急速运动及传热粘滞性、速度及温度的滑移特性等，会导致压力波及温度波之间的相位差，从而激发气体的振荡。而且，气流管的直径越小或长径比越大，则气团的热声振荡效率越高，极高的比表面积使得气流运动与传热之间的相位更易于形成。此时，像传统热声装置中所需填充的板叠结构可能并非必要，也就是说，对封装有特定气体的纳米管的一端实施加热，即可在管内形成热声振荡，从而在管的振动膜端输出激振力，即成为纳米振子。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的基于热声转换的微/纳米热声激振器，包括：
一纳米管1；所述纳米管1的一端封闭，另一端装有振动膜6，振动膜6为由Cu、Au、Si或C材料制成的弹性膜；纳米管1内充有流体工质4；
一位于纳米管1之外，并对纳米管1进行加热的加热器5。
还可在所述纳米管1外的靠近封闭端10nm-300nm范围内的管壁上粘附一层金属磁性纳米颗粒层7；所述加热器5为位于该层金属磁性纳米颗粒层7之外的对其施加电磁场的一对电极板51，所述电极板51尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之间，两电极板之间电压在1-300V之间，频率在1Hz到1000MHz之间。
所述纳米管1内填充的流动工质4为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮或它们的组合；或者为水或酒精液体；或者为液态金属稼与气体的混合工质，其气体为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮。
所述加热器5为激光器；或者为自带电源的纳米电加热丝52。
所述纳米管1为由金、铜、碳或硅材料制成；其横截面形状为正方形、三角形或圆形，其壁厚在1nm-1mm之间；纳米管1的直径及轴向长度在1nm-1mm范围内。
还可在所述纳米管1靠近封闭端的管壁上连通一循环旁路，循环旁路内填充多孔板叠结构3，所述多孔板叠结构3由碳、硅纳米管构成或由纳米多孔金属颗粒堆积构成；所述加热器5为沉积在循环旁路通道外壁上的自带电源的纳米电加热丝52。
本发明的关键之处在于首次将热声转换原理用于发展纳米振子，从而提供了一种概念崭新的微/纳米热声激振器即微/纳米热声发动机，这是对传统热声机械的实现方法及应用领域研究的一个拓展。目前，已有大量实验发现纳米管具有良好的力学、热学、电学和磁学性能，正被尝试用于多种工业领域。纳米管极小的尺寸使得其内的热声转换更易于发生，从而促成高性能微/纳米振子的实现。虽然这种纳米机器的原理系借助于已有的热声转换原理，但在概念和内涵乃至应用领域上完全不同于以往，至今，此类微/纳米热声激振器的概念在国内外从未被提出过。
目前，纳米技术的发展日新月异，但实用化器件仍较少。本发明提供的微/纳米热声激振器可为此找到一个切入点。
本发明提供的微/纳米热声激振器具有很多优点，首先，由于该器件借助的是固体加热及气体的流动传热，因而以一种简单的方式促成了纳米管内的流体发生受激振动；由于纳米热声激振器的尺寸相当小，可以产生极高的振动频率如GHz；基于这些综合因素，本发明相比于以往单纯对固体悬臂梁加热的激振器，功能更全面，其振动频率可根据结构、工质材料及加热的配合在一个较宽范围内变动。由于本微/纳米热声激振器内管道的比表面积极小，气体与壁面的换热效率更好，因而产生的热声振荡特性更好。此外，在低温下，许多纳米振子很难正常工作，而本发明可在此种环境下工作，以用于对探测精度要求较高的物理化学问题的研究，此时可根据需要，将工质选择为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮等在特定温度区间不发生相变的气体。
附图说明
附图1为本发明(一实施例)的结构示意图；
附图2为本发明(另一实施例)的结构示意图；
附图3为本发明(又一实施例)的结构示意图；
附图4为本发明(再一实施例)的结构示意图；
附图5为本发明(带循环旁路以构成行波型热声激振器的实施例)的结构示意图；
其中：纳米管1          谐振腔2      多孔板叠结构3
      流体工质4        加热激光5    振动膜6
      磁性纳米颗粒层7  电极板51     电加热丝52
      循环旁路8
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：
附图1为本发明(一实施例)的结构示意图；附图2为本发明(另一实施例)的结构示意图；附图3为本发明(又一实施例)的结构示意图；附图4为本发明(再一实施例)的结构示意图；附图5为本发明(带循环旁路以构成行波型热声激振器的实施例)的结构示意图。
由图可知，本发明提供的基于热声转换的微/纳米热声激振器，包括：
一纳米管1；所述纳米管1的一端封闭，另一端装有振动膜6，振动膜6为由Cu、Au、Si或C材料制成的弹性膜；纳米管1内充有流体工质4；
一位于纳米管1之外，并对纳米管1进行加热的加热器5。
还可在所述纳米管1外的靠近封闭端10nm-300nm范围内的管壁上粘附一层金属磁性纳米颗粒层7；所述加热器5为位于该层金属磁性纳米颗粒层7之外的对其施加电磁场的一对电极板51，所述电极板51尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之间，两电极板之间电压在1-300V之间，频率在1Hz到1000MHz之间。
所述纳米管1内填充的流动工质4为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮或它们的组合；或者为水或酒精液体；或者为液态金属稼与气体的混合工质，其气体为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮。
所述加热器5为激光器；或者为自带电源的纳米电加热丝52。
所述纳米管1为由金、铜、碳或硅材料制成；其横截面形状为正方形、三角形或圆形，其壁厚在1nm-1mm之间；纳米管1的直径及轴向长度在1nm-1mm范围内。
还可在所述纳米管1靠近封闭端的管壁上连通一循环旁路，循环旁路内填充多孔板叠结构3，所述多孔板叠结构3由碳、硅纳米管构成或由纳米多孔金属颗粒堆积构成；所述加热器5为沉积在循环旁路通道外壁上的自带电源的纳米电加热丝52。
图1所示实施例1中的加热器5为激光加热器(光束直径在1nm-1mm)，放在纳米管1之外对纳米管1进行加热；纳米管1为金制制做的圆形纳米管，其直径及轴向长度在1nm-1mm之间均可，壁厚在1nm-1mm之间；振动膜6为由Cu、Au、Si或C等材料制成的弹性膜；流体工质4为氦气(当然也可以根据需要为空气、氮气、氩气、一氧化氮或它们的组合)。
图2所示实施例2：纳米管1内靠近封闭端的管壁内填充多孔板叠结构3，多孔板叠结构3由碳纳米管(当然也可为硅纳米管)；多孔板叠结构3也纳米多孔金属颗粒堆积构成；纳米管1封闭端与多孔板叠结构3之间构成谐振腔2；其余部件同实施例1。
图3所示实施例3：在纳米管1外的靠近封闭端10nm-300nm范围内的管壁上粘附一层金属磁性纳米颗粒层7(如Fe3O4颗粒层)；加热器5为位于该层金属磁性纳米颗粒层7之外的对其施加电磁场的一对电极板51，所述电极板51的尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之间均可，两电极板之间电压在1-300V之间，频率在1Hz到1000MHz之间；纳米管1内靠近封闭端的管壁内填充多孔板叠结构3，多孔板叠结构3由碳纳米管；纳米管1封闭端与多孔板叠结构3之间构成谐振腔2；该电极板51产生的电磁场对谐振腔2进行诱发生热，来达到激振的目的。
图4所示实施例4：其加热器5为沉积在纳米管1管壁上的自带电源的纳米电加热丝52；属于接触加热，在通电的情况下即可对纳米管1实现局部加热，而诱发其内流体的热声振荡，从而带动振动膜6有规律的振荡。
图5所示实施例5：在靠近纳米管1封闭端的管壁上连通一循环旁路8，循环旁路8内填充有多孔板叠结构3，所述多孔板叠结构3由纳米多孔金属颗粒堆积而成；所述加热器5为沉积在循环旁路8的通道外壁上的自带电源的纳米电加热丝52。
振动膜6用于探测微/纳米对象的物理化学性能，可以实现较高的分辨率。
本发明提供的纳米管1及其多孔板叠结构3的材料，除采用最常见的碳纳米管或颗粒外，也可采用金属(如Au、Cu等)。目前，已可根据需要制成及组装出各种纳米结构(张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，北京：科学出版社，2001)，比如碳纳米管已可实现定向生长，且达到超长量级(毫米级)，并在今后还会得到继续提高，这使得本发明易于实现。流体介质4可采用与纳米管壁材料相容的工质，如空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮等惰性气体或它们的组合，此外，也可选用液体工质如水、酒精等充填到纳米管中，对之实施局部加热来实现相应的热激振荡。甚至，一些液态金属与部分气体混合后充填到纳米管1中，通过局部加热也可实现功能各异的微/纳米热声激振器。
本发明提供的基于热声转换的微/纳米热声激振器工作时，只需对纳米管1的一端进行加热，受热后的流体介质4与纳米管1及多孔板叠结构3进行复杂的热交换；与此同时，周围空气则对纳米管1的其余部分起到冷却作用，于是，在上述复杂的加热、流体诱发振动及声功转换下，即在纳米管1的另一端振动膜6处形成规律形的振动，此时，本发明的微/纳米热声激振器即成为一种纳米振子。
本发明所提供的一种微/纳米热声激振器的具体制作方式如下：
1.纳米管1的加工：要求所制成的纳米管尺寸尽可能小(如管道1的内径在数百纳米以下)，则需采用纳米加工技术制成有一定长径比的纳米管或孔道，如图1所示。该孔道也可直接制作在一基底上。
2、上述也可采用碳纳米管的制作方法由化学反应途径实现，比如在碳纳米管1内的笼状结构中直接生成纳米结构，由此也可实现纳米管内的板叠结构。目前的技术已能保证上述目标的实现。当然，纳米热声激振器也可不填充此类板叠结构，此时它充当一种中空的热声转换管，也能达到热声激振的目的。甚至，纳米管可为开口结构，只是此时采用的工质为环境中天然存在的空气。
3.流体工质的填充：将上述半封闭结构置于真空室内，进行抽真空，以除去纳米管1内的空气，从而填充特定功能的工质。之后，将待填充的流体介质4加入到该真空室内，并对之进行加热，经过一定时间后，随着压力的升高，真空室内的流体介质4即进入纳米管1的孔道及板叠材料3中，视需要，调整真空室内的温度及压力，则可改变进入纳米热声激振器管内的工质数量。此时，需对纳米管的开口端进行封装，如镀膜后形成振动膜6。之后，将纳米管1从真空室内取出，在室温下冷却一定时间后，即制作出本发明的基于热声转换的微/纳米热声激振器。
4.本发明提供的管中流体流动的驱动力来自纳米管外的局部加热，由于该纳米管具有极高的比表面积，因而所提供的外界热量易于驱动流体介质4在管内发生振荡，因而采用如图1-3所示的几类微/纳米热声激振器结构均可。除上述驻波形结构外，微/纳米热声激振器也可采用行波型等热声转换结构，只需对流道作相应设计即可。总之，本发明提供的是最基本的热声激振单元结构，由此概念可以引申出其他类型的微/纳米激振器，此处不一而足。
5.本发明提供的微/纳米热声激振器可组装成多种形式。整个微/纳米热声激振器既可为一个整体；也可制作成阵列组合，甚至采用多级热声转换实现。而且，还可在纳米管外壁特定部位引入局部制冷，配合以上阐述的加热途径，可实现最好的热声激振方式。
应该指出的是，一般用作本发明的流体工质4应满足如下要求：不燃烧，无毒，应与结构材料相容，且不能造成对纳米管产生腐蚀和锈化等影响使用寿命的不利因素，高温下不分解，低温下不发生相变；易于获取；具有一定的热稳定性。此外，工质还应具有合适的粘性系数。
本发明提供的微/纳米热声激振器具有很多优点，首先，由于该器件借助的是固体加热及气体的流动传热，因而以一种简单的方式促成了纳米管内的流体发生受激振动；由于本微/纳米热声激振器的尺寸相当小，可以产生极高的振动频率如GHz；基于这些综合因素，本发明相比于以往单纯对固体悬臂梁加热的激振器，功能更全面，其振动频率可根据结构、工质材料及加热的配合在一个较宽范围内变动。由于本微/纳米热声激振器内管道的比表面积极小，气体与壁面的换热效率更好，因而产生的热声振荡特性更好。此外，在低温下，许多纳米振子很难正常工作，而本发明可在此种环境下工作，以用于对探测精度要求较高的物理化学问题的研究，此时可根据需要，将工质选择为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮等在特定温度区间不发生相变的气体。
还可将本发明的微/纳米热声激振器紧贴于特定的基底上，根据所需达到的振动频率和幅度，选择特定功率及尺寸的激光器，在显微镜的引导下对准纳米热声激振器的一端进行加热，即可在其另一端振动膜6处诱发出热声振动，由此完成进一步的测试工作。

Claims (8)

1.一种基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，包括：
一纳米管（1）；所述纳米管（1）的一端封闭，另一端装有振动膜（6），其内充有流体工质（4）；
一位于纳米管（1）之外，并对纳米管（1）进行加热的加热器（5）。
2.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述纳米管（1）外的靠近封闭端10nm-300nm范围内的管壁上粘附一层金属磁性纳米颗粒层（7）；所述加热器（5）为位于该层金属磁性纳米颗粒层（7）之外的对其施加电磁场的一对电极板（51），所述电极板（51）尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之间，两电极板之间电压在1-300V之间，频率在1Hz到1000MHz之间。
3.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述纳米管（1）内填充的流动工质（4）为空气、氦气、氮气、氩气、一氧化氮或它们的组合；或者为水或酒精液体；或者为液态金属稼与气体的混合工质，其气体为空气、氦气、氮气、氩气或一氧化氮。
4.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述加热器（5）为激光器；或者为自带电源的纳米电加热丝（52）。
5.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述纳米管（1）为由金、铜、碳或硅材料制成。
6.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述的纳米管（1）的横截面形状为正方形、三角形或圆形。
7.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述纳米管（1）靠近封闭端的管壁上连通一循环旁路（8），循环旁路（8）内填充多孔板叠结构（3），所述多孔板叠结构（3）由碳/硅纳米管构成或由纳米多孔金属颗粒堆积构成；所述加热器（5）为沉积在循环旁路通道外壁上的自带电源的纳米电加热丝（52）。
8.按权利要求1所述的基于热声转换的微/纳米热声激振器，其特征在于，所述振动膜（6）为由Cu、Au、Si或C材料制成的弹性膜。
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