[发明专利]基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量机械形变的传感器，尤其是涉及一种基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器。

背景技术

张力计可以用于检测物体表面在受外力或内力时的形变，在机械和土木工程等方面有着广泛的应用。衡量张力计的指标包括灵敏度，稳定性以及测量范围。新兴材料的采用，使得因为应力所产生的形变越来越小，因此，新型的更灵敏和应用范围更广的张力计是未来发展的趋势。

传统的张力计基于固体材料形变后性质的改变，这些性质包括电阻，光学反射率等。金属箔张力计仍然是应用最广的张力计。典型的金属箔张力计由特定形状的金属箔以及与之相连的接触电极构成，接触电极可以用来测量特定形状的金属箔的电阻。

当金属箔受到外来而产生形变时，其电阻也会发生改变。

金属箔可以被模拟成一块长宽高如图2所示的金属导体。

图2所示的金属在L方向上的电阻为

                                                                      (1)

其中ρ是该金属的电阻率。不管如何形变，金属的总体积将保持恒定，

          (2)

将2式代入1式

                                 (3)

其中ΔL 是沿L方向上也就是应力方向上的形变。通过测量电阻，张力计的灵敏度，可以表示成

                                       (4)

因此灵敏度跟沿受力方向的形变大小正线性相关。如果最大形变为b，则张力计最大灵敏度出现在

                                                     (5)

从相关分析可以看出，传统的张力计形变越大时，灵敏度才越高，因此最大灵敏度以及测量范围都有最大形变b决定，b则取决于材料本身的性质。

如果材料的电阻率在形变范围内不变，如等式4所示，灵敏度只能通过缩小W和H来提高，因此，大部分张力计采用了薄而窄的金属薄片。但如此一来，也使得材料在承受机械力是更加脆弱，或是随温度的变化更快，因此也限制了张力计在许多场合的应用。

利用半导体的压电性质的张力计的灵敏度一般会比金属箔张力计灵敏度更高，但同样，因为半导体的固态属性，灵敏度和形变范围都受到了局限。张力计通过测量建筑物表面的裂缝和结构的相对位移来检测其质量，但目前的张力计形变范围一般在毫米级别左右，或者无法满足更高形变测量范围，或者在形变过小的范围内无法满足足够的精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种能够实现更高精度测量的基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器，使用低维纳米材料作为实现传感器电学性质的部分。

本发明的改进方案可以是，使用低维纳米材料作为实现传感器电学性质的部分，并使用绝缘的衬底材料作为实现传感器机械性质的部分。

本发明所述低维纳米材料包括纳米管，纳米线，纳米颗粒，石墨烯。

本发明的改进方案是所述低维纳米材料的密度较高。

本发明的有益效果在于，基于低维纳米材料的测量机械形变的传感器的灵敏度和稳固度有较高的提升，灵敏度与测量范围的关系可以根据使用场合灵活地进行调节。

附图说明

图1是典型张力计上的金属图案。

图2是金属箔可以模拟为一个长宽高分别为L 、W、 H的导体。

图3是碳纳米管网络原理图。

图4是基于碳纳米管网络的张力计。

图5是在不同拉伸尺度下，电阻的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

用碳纳米管来举例。碳纳米管拥有优异的机械强度，低电阻率，高电子迁移率以及一定程度上可控的纵宽比。碳纳米管可以用各种方法制成薄膜或者网络结构。当碳纳米管的这种结构被被掺入绝缘材料的衬底时，便在衬底表面或者内部形成了小尺度的随机或者有序排列的网状结构，如图3所示。

当在网络两边加上电势时，电流便会从碳纳米管网络中寻找路径贯穿整个网络，这个路径包括通过碳纳米管本身以及他们之间的节点，一般而言，电子将会通过电阻最小的路径到达另一端。