一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器，核心部件包括传感器芯片(6)，其中，所述传感器芯片(6)组成主要包括：有机玻璃基底(1)，基底上的一层聚氯代对二甲苯(2)，金电极(3)和连接金电极的导线(7)以及纳米碳管束(5)。该传感器用于测量宏观湍流边界层摩擦力，本发明专利技术根据上述部件组成，主要集中于该传感器加工工艺过程，优化制作工艺来提高传感器空间和时间分辨率，从而提高其应用性，扩大其应用范围，以便将其应用于测量复杂的湍流边界层摩擦力，其测量精度和指标均高于目前现有的壁面剪切应力测量产品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术航空材料
，具体设计一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器及其制备方法。
技术介绍
中国作为国际大国，航空、航天乃至国防应用中，各种高速飞行器的研发迫切需要准确和实时测量壁面空气摩擦力。而壁面摩擦力测量方法可分为直接或间接两大类。直接型壁面摩擦力传感器可通过一个微型弹簧(或其它方式)支持的浮动块去平衡壁面摩擦力，平衡力可以通过弹簧变形量并换算得到。该变形量可以通过电子或者光学手段测量。浮动块有相对较高的灵敏度以及很高的响应频率。间接测量壁面摩擦力的方法分为三种：(1)基于热学原理，即基于经过标定的局部壁面摩擦力与敏感元件对流传热的关系，比如热膜和壁面热线；(2)非热学方法，如普雷斯顿管及斯坦顿管、薄油膜干涉测量法、液晶塗层法、微柱壁面摩擦力传感器、以及壁面脉动线等；(3)平均速度梯度外插法，速度梯度的测量可以使用粒子图像测速仪或热线。在湍流边界层控制(如以减小摩擦阻力为目的)中，通常需要从流动中提取壁面摩擦力及其分布的实时反馈信息。湍流边界层闭环控制实验研究表明，相比于其它流动参数，采用壁面流向或展向摩擦力为反馈信号更有利于湍流边界层的闭环控制。测量壁面摩擦力不仅能够预测下游近壁面的流动拟序结构，而且能够直接评估闭环控制效果。因此，实现对湍流边界层壁面摩擦力的准确和实时测量，并对非定常湍流边界层复杂流动机理深入理解以及满足实时控制的需要，成为当今流体力学学科发展最有挑战性、最前沿的方向。而这一方向研究工作的突破，关键在于研发出新型的、切实可用的具有高时空分辨率的壁面摩擦力测试系统，设计该系统的关键在于制作出满足于该系统运行的敏感元件。近年来，利用微型传感器研究和控制湍流边界层已成为一主要趋势。但国内关于湍流边界层壁面摩擦力的测量方法的研究不多，传感器的研发亦较少。壁面空气摩擦力测量技术在逐步发展和完善的过程中，其应用范围也变得越来越广。但是在应用现有测量技术测量高雷诺数湍流壁面摩擦力时，暴露了各种各样的缺陷，如普雷斯顿管及斯坦顿管、薄油膜干涉测量法、液晶层法、平均速度梯度法等都只能测得壁面摩擦力的平均值，无法分辨湍流边界层中壁面摩擦力的脉动量。热膜法的动态响应不超过400Hz。基于浮动块的直接型传感器加工和安装都非常困难。在大量使用此类传感器进行测量的情况下，浮动块与壁面之间的缝隙对流动的影响亦不可忽略。微机电传感器虽然具有高时空分辨率，但敏感元件需要通过极其复杂的工艺过程并在非常严格的条件(如温度和时间)下进行制造，因而限制了其广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对传统壁面摩擦力传感器空间分辨率低、动态响应频率低、传统传感器的加工和安装困难等缺陷，一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器及其制备方法。本专利技术通过以下技术方案来实现：一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器，核心部件包括传感器芯片(6)，其中，所述传感器芯片(6)组成主要包括：有机玻璃基底(1)，基底上的一层聚氯代对二甲苯(2)，聚氯代对二甲苯层上设置有金电极(3)和连接金电极的导线(7)，所述金电极(3)为两个以上，以及位于金电极(3)之间的纳米碳管束(5)。进一步的，所述金电极(3)上设置有曝光的光刻胶层，光刻胶层上优选设置有显影层。优选有机玻璃基底2mm厚，聚氯代对二甲苯0.5μm厚，优选0.7μm厚的金电极，以及纳米碳管束直径约为10-30nm，长度为1-10μm。属于一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器各部件的最优尺寸，并最好的发挥预实现的性能。本专利技术中，传感器敏感元件材料用的是纳米碳管，具体使用时为纳米碳管束。本专利技术的再一目的在于提供一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器的制备方法：包括以下8个步骤：(a)用异丙醇对有机玻璃基底(1)进行冲洗，然后用去离子水对其表面进行清洗，以达到去除表面杂质的目的；(b)将有机玻璃基底(1)吹干，在有机玻璃基底(1)上放置一层聚氯代对二甲苯(2)涂层；其中，所述聚氯代对二甲苯(2)用来保护有机玻璃基底(1)以及加强金电极(3)和基底(1)之间的粘合；(c)采用离子溅射镀膜法，在聚氯代对二甲苯涂层(2)上铺置一层金电极(3)；(d)在金电极上旋涂光刻胶并使用软烘，进行预处理；(e)利用光刻机通过掩膜版对光刻胶进行曝光，然后在光刻胶(4)上喷涂显影液，最后用去离子水冲洗；(f)用金蚀刻剂对金电极(3)进行蚀刻，然后用去离子水冲洗，去除杂质；(g)将未完成曝光的光刻胶(4)用丙酮和去离子水冲洗，得到所需图案；(h)通过交流介电泳(DEP)技术，操纵布置纳米碳管束(5)连接成对金电极(3)，最后形成传感器芯片(6)；通过热退火处理，移除其中不纯的杂质，起到稳定传感器电阻的作用，最后完成纳米碳管束的布置。进一步，采用前述方法纳米碳管传感器芯片通过与印刷电路板相连最后接入测量电路。传感器芯片(6)与电路集成后，对传感器进行测试，得到I-V(电流-电压)曲线。本专利技术所述的传感器中，在室温状态下，确定纳米碳管传感器芯片(6)的I-V曲线。通过I-V曲线得到纳米碳管传感器芯片(6)电阻温度系数，计算纳米碳管传感器芯片(6)能量消耗。本专利技术所述的传感器的工作原理如下：由于自发热，纳米传感器芯片(6)的工作温度(T)高于环境温度(T0)。纳米传感器芯片(6)的电阻过热比αR定义为：αR＝(R-R0)/R0(a)其中R0和R分别为未发热和自发热下纳米传感器芯片(6)的电阻值。通过公式(a)能计算得到的纳米传感器芯片(6)αR随着电压V的变化曲线。得到的测量结果可用二阶多项式表达，即I≈AV2+BV，A和B分别为拟合后得到的曲线系数。该式表明自发热的敏感元件电流I的增加比电压V的增加快一个数量级。由此得到αR≈[(AV+B)R0]-1-1(b)式(b)表明，αR与电压V成反比。αR的选择取决于两个因素：1.输入电流不能太大，否则纳米传感器芯片(6)结构会被破坏。2.纳米传感器芯片(6)自加热温度不能过高，否则会在其周围产生自然对流现象，对周围流场产生干扰。所以，αR必须限制在某个范围内，αR的最小取值将取决于测量结果。本专利技术所述的传感器中，电阻的温度系数α用来描述纳米传感器芯片(6)的电阻随着温度改变而改变的特性，定义为：α=R-R0R0(T-T0)---(c)]]>由此得到温度和电阻过热比的关系：αR＝ααTT0(d)本专利技术所述的传感器中，纳米碳管敏感元件(R-R0)/R0(％)随着T0(℃)的变化。本专利技术所述的传感器中，传感器的灵敏度S由敏感元件输出电压与测得的平均壁面剪切应力(摩擦力)的定量关系确定，即：S=∂V‾/∂τ‾w=(AR)/(6V‾τ‾w2/3)=(A)/(6I‾τ‾w2/3)---(e)]]>随着近壁面处对流传热的增加，参数A值增大，其灵敏度随之加强。通过标定传感器，即确定和的定量关系，可获得传感器在不同过热比情况下的灵敏度S。本专利技术相对于现有技术的有益效果包括：本专利技术所述的传感器用于测量宏观湍流边界层摩擦力。所述传感器追踪湍流脉动的能力依赖于其动态响应频率也就是时间响应特征。所述传感器使用单壁纳米碳管(5)作为敏感元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器，其特征在于：核心部件包括传感器芯片(6)，其中，所述传感器芯片(6)组成主要包括：有机玻璃基底(1)，基底上的一层聚氯代对二甲苯(2)，聚氯代对二甲苯层上设置有金电极(3)和连接金电极的导线(7)，所述金电极(3)为两个以上，以及位于金电极(3)之间的纳米碳管束(5)。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器，其特征在于：核心部件包括传感器芯片(6)，其中，所述传感器芯片(6)组成主要包括：有机玻璃基底(1)，基底上的一层聚氯代对二甲苯(2)，聚氯代对二甲苯层上设置有金电极(3)和连接金电极的导线(7)，所述金电极(3)为两个以上，以及位于金电极(3)之间的纳米碳管束(5)。2.根据权利要求1所述的一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器，其特征在于：所述金电极(3)上设置有曝光的光刻胶层，光刻胶层上优选设置有显影层。3.根据权利要求1所述的一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器，其特征在于：优选有机玻璃基底2mm厚，聚氯代对二甲苯0.5μm厚，优选0.7μm厚的金电极，以及纳米碳管束直径约为10-30nm，长度为1-10μm。4.一种权利要求1—3任一权利要求所述的一种纳米碳管壁面空气摩擦力传感器制备方法，其特征在于，包括。(a)用异丙醇对有机玻璃基底(1)进行冲洗，然后用去离子水对其表面进行清洗；...

【专利技术属性】
技术研发人员：周裕，李文荣，范德威，曹华丽，吴智，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44