專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于一維納米材料的熱線式流速傳感器及測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱線式流速傳感器，特別是涉及一種基于一維納米材料的微型熱
線式流速傳感器及其利用該一維納米材料的微型熱線式流速傳感器測(cè)試的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱線式流速測(cè)量是利用熱平衡原理，通過(guò)測(cè)量熱量的傳遞，來(lái)求得流體流動(dòng)速度。 即利用被加熱物體的冷卻率和流體流速之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量被加熱物體的溫度來(lái)得到流 速值。熱線式流速測(cè)量方法的空間和時(shí)間分辨率高、通頻帶寬、背景噪音低、價(jià)格相對(duì)便宜、 信號(hào)連續(xù)、能夠準(zhǔn)確地對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行頻譜分析，適合于各種流場(chǎng)，特別是在低速流和低湍流場(chǎng) 研究中顯示了較大的優(yōu)越性。因此，熱線式流速測(cè)量方法至今仍是湍流和流動(dòng)測(cè)量的經(jīng)典 儀器和得力工具。 傳統(tǒng)的熱線式流速傳感器的結(jié)構(gòu)模型可以參考文獻(xiàn)[1] :Chen J， Liu C. Development and Characterization of Surface Micromachined， Out_of_Plane Hot-Wire Anemometer J Microelectromech S， 2003， 12 :979-988所介紹，如圖1所示傳 統(tǒng)的熱線式流速傳感器由熱線、支撐體、基底三部分組成；其中熱線通常由鎢絲、鉬絲或鍍 鉑鴇絲來(lái)制作。典型熱線直徑為0.5微米-10微米，長(zhǎng)度為l毫米-3毫米。如果將支撐體 之間的金屬線換成金屬薄膜，便成了熱膜式流速傳感器。
熱線式流速傳感器的基本原理可用King公式描述
/X如r/")(t;—r,) (1) [oooe] 式中，i,為加熱電流(A)， R,為熱線溫度為i;時(shí)熱線的電阻(Q) ;i;是熱線溫度
(°c)，tf是流體溫度rc)，u流體流過(guò)熱線的速度。x、y是由熱線的尺寸、流體物性和流動(dòng) 條件決定的系數(shù)，對(duì)于給定的熱線流量傳感器和給定的被測(cè)流體，可以認(rèn)為它們?yōu)槌?shù)。 令rf為溫度為tf時(shí)熱線的電阻(q ) ， 13是熱線材料在tf時(shí)的電阻溫度系數(shù)，則 有下面的關(guān)系 Rw = Rf[l+e (Tw—Tf)] (2) 由(1) 、 (2)兩式可得熱線的靜態(tài)方程式
w w , , + y局 (3) 凡_& 該式表明，在熱平衡狀態(tài)下，熱線的加熱電流乙，熱線的電阻K、 Rf和流體的平均 速度U之間存在著確定的關(guān)系。 現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)熱線式流速測(cè)量提出了越來(lái)越高的要求，除了要求高靈敏度和
高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還需盡量減小探頭尺寸以減小對(duì)流場(chǎng)的影響，以及高強(qiáng)度的探頭材料 以提高壽命和耐用性等。
根據(jù)熱線式流速傳感器的工作原理，要提高熱線式流速傳感器的靈敏度和響應(yīng)速 度，一方面應(yīng)盡量減小熱線(膜)的尺寸；另一方面應(yīng)盡量提高熱線的表面積與長(zhǎng)徑比。
近年來(lái)，碳納米管、納米線等一維納米材料的出現(xiàn)為進(jìn)一步提高熱線式流速傳感 器的性能提供了新的思路。例如，碳納米管、納米線等一維納米材料具有超小的尺寸、超高 的表面體積比、較高的電阻溫度系數(shù)，這些特點(diǎn)都有利于提高熱線式流速傳感器的靈敏度。 同時(shí)，納米材料具有超高的強(qiáng)度使其能承受較高流速?zèng)_擊并具有較高的壽命和耐用性。因 此，利用一維納米材料作為敏感元件將會(huì)有效地提高熱線式流速傳感器的性能和耐用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了滿(mǎn)足現(xiàn)代科技的需要，使熱線式流速傳感器既具有高靈敏度
和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還需盡量減小探頭尺寸以減小對(duì)流場(chǎng)的影響；從而提供一種利用一維
納米材料高表面體積比、高電阻溫度系數(shù)、高強(qiáng)度和低功耗的特點(diǎn)，將其作為熱線式流速傳
感器中的敏感元件，制作的基于一維納米材料熱線式流速傳感器。該基于一維納米材料熱
線式流速傳感器具有高靈敏度和高響應(yīng)速度、超小尺寸、高耐用性等特點(diǎn)。 本發(fā)明的另一目的是為了提供一種利用該一維納米材料的微型熱線式流速傳感
器制作的流速傳感器測(cè)試的系統(tǒng)。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明提供的納米材料熱線式流速傳感器(參考圖2)，包括熱敏感元件(熱線 1)、支撐體、和固定支撐體的基底，其中，所述的熱敏感元件設(shè)置在所述的支撐體的頂部；其 特征在于所述的熱敏感元件為單根納米材料、一束一維納米材料、由2根以上納米材料組 成的陣列或由N根一維納米材料構(gòu)成的薄膜。 在上述的技術(shù)方案中，所述的單根納米材料的直徑為lnm-lmm，長(zhǎng)度范圍 lnm—lcm。 在上述的技術(shù)方案中，所述的N為100根以上。 在上述的技術(shù)方案中，所述的由2根以上納米材料組成的陣列為兩根或兩根以上
的納米材料平行排列構(gòu)成，陣列中納米材料之間的間距范圍lnm-lmm。 在上述的技術(shù)方案中，所述的由2根以上納米材料組成的一束，可由單根納米材
料平行緊密排列或絞成股狀組成。 在上述的技術(shù)方案中，所述的由N根一維納米材料構(gòu)成的薄膜狀，其中薄膜的厚 度以達(dá)到lnm-lmm為宜。 在上述的技術(shù)方案中，還包括在支撐體和熱敏感元件的表面包裹或涂敷絕緣層， 使支撐體和納米材料與被測(cè)介質(zhì)絕緣。所述的絕緣層的材料包括石英、玻璃、三氧化二鋁、 各種陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂等，其絕緣層的厚度從10埃到100微米。 本發(fā)明提供的一維納米材料熱線式流速傳感測(cè)試系統(tǒng)(參考圖3)，包括一維納米 材料熱線式流速傳感器、信號(hào)處理電路、微調(diào)節(jié)架、電壓表或監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)、電源和電纜； 其特征在于， 一維納米材料熱線式流速傳感器安裝在微調(diào)節(jié)架上，熱敏感元件與信號(hào)處理 電路和電壓表或監(jiān)視器顯示電連接；通過(guò)微調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)熱線式流速傳感器中的熱敏感元件 與流體流速之間的角度；流速引起熱敏感元件的變化經(jīng)信號(hào)處理電路放大處理后由電壓表 或監(jiān)視器顯示，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)后通過(guò)屏幕顯示。
在上述的技術(shù)方案中，所述的信號(hào)處理電路可以是恒流源電路，其電流輸出范圍 為1皮安-1安培，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整； 在上述的技術(shù)方案中，所述的信號(hào)處理電路可以是恒溫電路，其功能是通過(guò)調(diào)整 熱敏感元件的電流使其在不同流速下都保持在恒定的溫度下工作； 在上述的技術(shù)方案中，所述的微調(diào)節(jié)架可實(shí)現(xiàn)x方向、y方向、z方向以及繞x軸、 y軸、z軸六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)架。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 本發(fā)明利用一維納米材料作為敏感元件(熱線1)實(shí)現(xiàn)流速的測(cè)量，由于一維納米 材料具有高表面體積比、高電阻溫度系數(shù)、超小的尺寸、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因此該種熱線式流 速傳感器具有高靈敏度、高響應(yīng)速度、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明提供的一維納米材料熱線式流速傳感器達(dá)到如下主要技術(shù)指標(biāo)熱敏感 元件可由單根、陣列、一束或薄膜狀一維納米材料構(gòu)成。若采用單根或一束結(jié)構(gòu)，單根或一 束納米材料的直徑為lnm-lmm，長(zhǎng)度范圍lnm-lcm， 一束納米材料可由單根納米材料平行 緊密排列或絞成股狀組成；若采用薄膜結(jié)構(gòu)，則薄膜的厚度范圍lnm-lmm ;若采用陣列形 式，則陣列由兩根或兩根以上的納米材料平行排列構(gòu)成，陣列中納米材料之間的間距范圍 lnm_lmm。 信號(hào)處理電路采用恒溫或恒流電路，其電流輸出范圍為l皮安-l安培，并可根據(jù) 實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整；微調(diào)節(jié)架在x， y， z方向的定位精度，可達(dá)0. 1微米-100微米，繞x軸、 y軸、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度o.or -r 。 本發(fā)明提供的利用本發(fā)明制作的一維納米材料熱線式傳感器所組成的流速測(cè)量 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)0.001-50m/s的流速測(cè)量。該系統(tǒng)不僅具有傳感器尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速 度快、功耗低、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，并且一維納米材料熱線(膜)具有較高的強(qiáng)度，可對(duì)較高的流 速進(jìn)行測(cè)試。該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于流速、流量、流場(chǎng)的測(cè)試和分析等領(lǐng)域。


圖1是文獻(xiàn)[1]給出的傳統(tǒng)的熱線式流速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 圖2(a)-圖2(d)是本發(fā)明提出的一維納米材料熱線式流速傳感器示意圖 圖3是本發(fā)明提出的一維納米材料熱線式流速傳感系統(tǒng)組成示意圖 圖面說(shuō)明 1、金屬絲(熱線) 2、支撐體； 3、基底； 4、單根一維納米材料5、一維納米材料陣列；6、一束一維納米材料； 7、一維納米材料薄膜；8、微調(diào)節(jié)架； 9、信號(hào)處理電路； 10、計(jì)算機(jī)；
具體實(shí)施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)
一步詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例1 參考圖2 (a)，制作基于單根一維納米材料熱線式流速傳感器。
5
本實(shí)施例采用的單根一維納米材料4為碳納米管或納米線，該碳納米管或納米線 的直徑，例如為lnm、100nm、500nm-lmm，長(zhǎng)度范圍lnm、 100nm、 1000nm-lcm，用該碳納米管、 納米線作為熱敏感元件均可以?；?采用常規(guī)絕緣材料制作的；支撐體2由2根導(dǎo)電材 料制作的(本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員公知的導(dǎo)電材料)，2根支撐體的間距為10納米到10毫米；該 支撐體2的底部固定在基底3上，2根支撐體2的頂部固定單根一維納米材料4，即用單根 一維納米材料4代替已有技術(shù)中的金屬絲1 (熱線)。將一根或一束碳納米管、納米線等一 維納米材料固定的方式，是采用焊接、粘接或鍵合的方法固定于支撐體的端部，這些都是本 專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員可以勝任的。這種傳感器結(jié)構(gòu)主要用于氣體流速的一維、二維或三維測(cè)量，也 可以測(cè)量絕緣的液體。
實(shí)施例2 參考圖2 (c)，制作有一維納米材料一束熱線式流速傳感器。 具體組成同實(shí)施例1，只是熱敏感元件采用一束一維納米材料6，該一束一維納 米材料6是由2根，6根或者16根直徑為lnm、100nm、500nm-lmm，長(zhǎng)度范圍lnm、100nm、 1000nm-lcm的碳納米管、或納米線組成一束，并且將2根，6根或者16根碳納米管或納米線 平行緊密排列而成，或?qū)⑻技{米管或納米線絞成一股而組成；再固定在2根支撐體2的頂 部，2根支撐體2的另一端固定在絕緣的基底3上。制作2根支撐體的導(dǎo)電材料，例如金屬 銅制作的支撐體，支撐體的間距100納米。
實(shí)施例3 參考圖2 (b)，制作陣列式一維納米材料熱線式流速傳感器。 具體組成同實(shí)施例l，只是熱敏感元件采用一維納米材料陣列5，該一維納米材料 陣列5是由4、6或8根的碳納米管、碳納米線平行排列構(gòu)成，陣列中碳納米管、碳納米線之 間的間距范圍lnm-lmm之間均可以。在絕緣(本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員常規(guī)使用的塑料材料)的 基底上制作2根由導(dǎo)電材料制作的支撐體2，支撐體的間距5毫米。將碳納米管、碳納米線 陣列采用焊接、粘接或鍵合的方法固定于支撐體的端部。這種傳感器結(jié)構(gòu)主要用于氣體流 速的一維、二維或三維測(cè)量，也可以測(cè)量絕緣的液體。
實(shí)施例4 參考圖2 (d)，制作薄膜式一維納米材料熱線式流速傳感器。 具體組成同實(shí)施例1，只是熱敏感元件采用一維納米材料薄膜7，該一維納米材料 薄膜7是由60根或100根的碳納米管做成厚度lnm-lmm的薄膜；。在絕緣的基底3上制 作2根由導(dǎo)電材料制作的支撐體，支撐體2的間距10納米或10毫米。將厚度lnm-lmm的 碳納米管、納米線薄膜7采用焊接、粘接或鍵合的方法固定于支撐體2的端部。這種傳感結(jié) 構(gòu)主要用于氣體流速的一維、二維或三維測(cè)量，也可以測(cè)量絕緣的液體。
實(shí)施例5 參考圖l，參考圖2(a)-(d)，制作薄膜式一維納米材料熱線式流速傳感器，其結(jié)構(gòu) 同實(shí)施例l-4，只是具有以下的區(qū)別 在實(shí)施例1、2、3和4的基礎(chǔ)上在支撐體和納米材料的表面包裹或涂敷絕緣層，使 支撐體和納米材料與被測(cè)介質(zhì)絕緣。絕緣層的材料可以是石英、玻璃、三氧化二鋁、各種陶 瓷或環(huán)氧樹(shù)脂等均可以，其絕緣層的厚度可以從10埃到100微米之間均可以。這種傳感結(jié) 構(gòu)不僅可用于氣體流速的測(cè)量，也可用于液體流速的測(cè)量。
實(shí)施例6 參考圖3，利用實(shí)施例1、2、3、4和5所提供的本發(fā)明一維納米材料熱線式流速傳感 器，來(lái)制作流速傳感器測(cè)量系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如下 本實(shí)施例的流速傳感器測(cè)量系統(tǒng)，可以采用實(shí)施例1、2、3、4和5制作的任何一種 一維納米材料熱線式流速傳感器；將圖2(a)-(d)任何一種一維納米材料熱線式流速傳感 器安裝在微調(diào)節(jié)架8上，熱敏感元件與信號(hào)處理電路和電壓表或監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)電連接；通過(guò) 微調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)熱線式流速傳感器中的熱敏感元件與流體流速之間的角度；流速引起熱敏感 元件的變化經(jīng)信號(hào)處理電路9放大處理后由電壓表或監(jiān)視器顯示。還可以包括一計(jì)算機(jī) IO，通過(guò)計(jì)算機(jī)10采集數(shù)據(jù)后通過(guò)屏幕顯示。 其中，所述的信號(hào)處理電路可以是恒流源電路，其電流輸出范圍為l皮安-l安培， 可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整；或者是恒溫電路，其功能是通過(guò)調(diào)整熱敏感元件的電流使其在 不同流速下都保持在恒定的溫度下工作； 其中，所述的微調(diào)節(jié)架可以采用光學(xué)試驗(yàn)中使用的精密光學(xué)調(diào)節(jié)架或其他的能夠 實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械調(diào)節(jié)架9 ;即能實(shí)現(xiàn)x方向、y方向、z方向以及繞x軸、y軸、 z軸六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)架都可以。 應(yīng)該注意到并理解，在不脫離后附的權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的精神和范圍的情 況下，能夠?qū)ι鲜鲈敿?xì)描述的本發(fā)明做出各種修改和改進(jìn)。因此，要求保護(hù)的技術(shù)方案的范 圍不受所給出的任何特定示范教導(dǎo)的限制。
權(quán)利要求
一種基于納米材料的熱線式流速傳感器，包括熱敏感元件、支撐體和固定支撐體的基底，其中，所述的熱敏感元件設(shè)置在所述的支撐體的頂部；其特征在于所述的熱敏感元件為單根納米材料、一束一維納米材料、由2根以上納米材料組成的陣列或由N根一維納米材料構(gòu)成的薄膜。
2. 按權(quán)利要求1所述的納米材料的熱線式流速傳感器，其特征在于，所述的陣列是由 納米材料平行排列構(gòu)成，陣列中納米材料之間的間距范圍lnm-lmm。
3. 按權(quán)利要求1所述的納米材料的熱線式流速傳感器，其特征在于，所述的一束一維 納米材料是由單根納米材料平行緊密排列或絞成股狀組成。
4. 按權(quán)利要求1所述的納米材料的熱線式流速傳感器，其特征在于，所述的由N根一 維納米材料構(gòu)成的薄膜狀，其中，N為所使用的一維納米材料的根數(shù)，以達(dá)到薄膜厚度在 lnm_lmm為準(zhǔn)。
5. 按權(quán)利要求1、2、3或4所述的納米材料的熱線式流速傳感器，其特征在于，所述的單 根納米材料為碳納米管或納米線，所述的碳納米管或納米線的直徑為lnm-lmm，長(zhǎng)度范圍 lnm-lcm。
6. 按權(quán)利要求1所述的納米材料的熱線式流速傳感器，其特征在于，還包括在支撐體 和熱敏感元件的表面包裹或涂敷絕緣層；所述的絕緣層的材料為石英、玻璃、三氧化二鋁、 各種陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂，其絕緣層的厚度從10埃到100微米。
7. —種一維納米材料熱線式流速傳感測(cè)試系統(tǒng)，包括納米材料熱線式流速傳感器、信 號(hào)處理電路、微調(diào)節(jié)架、電壓表或監(jiān)視器、電源和電纜；其特征在于，納米材料熱線式流速傳 感器安裝在微調(diào)節(jié)架上，熱敏感元件通過(guò)電纜與信號(hào)處理電路和電壓表或監(jiān)視器電連接； 通過(guò)微調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)熱線式流速傳感器中的熱敏感元件與流體流速之間的角度，流速引起熱 敏感元件的變化經(jīng)信號(hào)處理電路放大處理后由電壓表或監(jiān)視器顯示；所述的納米材料的熱線式流速傳感器為熱敏感元件設(shè)置在支撐體的頂部，支撐體的另 一端固定在基底上；所述的熱敏感元件為單根納米材料、一束一維納米材料、由2根以上納 米材料組成的陣列或由N根一維納米材料構(gòu)成的薄膜。
8. 按權(quán)利要求7所述的一維納米材料熱線式流速傳感測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，還包括 計(jì)算機(jī)，所述的計(jì)算機(jī)分別與信號(hào)處理電路和監(jiān)視器電連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)后通過(guò) 屏幕顯示。
9. 按權(quán)利要求7所述的一維納米材料熱線式流速傳感測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的 信號(hào)處理電路是恒流源電路，其電流輸出范圍為1皮安-1安培；或者是恒溫電路。
10. 按權(quán)利要求7所述的一維納米材料熱線式流速傳感測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的 微調(diào)節(jié)架是一種實(shí)現(xiàn)x方向、y方向、z方向，以及繞x軸、y軸、z軸六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的調(diào) 節(jié)架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于一維納米材料的熱線式流速傳感器，包括熱敏感元件、支撐體和基底，熱敏感元件設(shè)置在支撐體的頂部；熱敏感元件為單根納米材料、由2根以上納米材料組成的陣列或一束，或由N根一維納米材料構(gòu)成的薄膜組成。還提供利用本發(fā)明的納米材料熱線式流速傳感器制作的測(cè)量系統(tǒng)，納米材料熱線式流速傳感器安裝在微調(diào)節(jié)架上，通過(guò)微調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)熱線式流速傳感器中的熱敏感元件與流體流速之間的角度。流速引起熱敏感元件的變化經(jīng)恒流式(或恒溫式)信號(hào)處理電路放大處理后由電壓表或監(jiān)視器顯示。該納米材料熱線式傳感器所組成的流速測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)0.001-50m/s的流速測(cè)量。該系統(tǒng)具有傳感器尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、功耗低和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P5/10GK101769935SQ20091007607
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者劉小麗, 周兆英, 楊興, 王鼎渠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)