[发明专利]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

说明书

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Inpil Kang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。