電磁波信號檢測方法及檢測裝置的製作方法

2023-10-06 01:00:44

專利名稱：電磁波信號檢測方法及檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁波信號檢測方法及檢測裝置，尤其涉及一種基於碳 納米管的電磁波信號檢測方法及檢測裝置。
背景技術：
偏振方向及強度是電磁波具有的兩個重要性質。現有技術中檢測可見光 信號的偏振方向的方法一般為在一束光的傳播路徑上放置一偏振片，旋轉該 偏振片並觀察通過偏振片的光信號的投影的亮度變化。當亮度最大時，光信 號的偏振方向與偏振片的偏振方向平行，當亮度最小時，光信號的偏振方向 與偏振片方向垂直。現有技術中檢測可見光信號的強度一般通過直接觀察該 可見光信號的亮度判斷。然而，對於人眼無法感知的紅外光、紫外光或其他 波長的電磁波信號的偏振方向，則無法直接通過觀察光信號投影的亮度變化 對其進行檢測。該不可見光或其他波長的電磁波信號的強度也無法通過直接 觀察法判斷。 一般的，當被檢測的光信號為紅外光、紫外光或其他波長的電 磁波時，須經過在偏振片偏振後的光路上設置一光電傳感器，從而將光信號 轉變為電信號，進而得到光隨偏振片旋轉角度變化產生的強度變化。然而這 種方法需要涉及大量光學及電子器件，較為複雜。另外，現有的偏振片一般 只對某一波段的電磁波(如微波、紅外光、可見光、紫外光等)具有良好的 偏振性能，無法對各種波長的電磁波具有均一的偏振吸收特性。因此，當待 測電磁波信號的波長變化時，需要使用不同的偏振片對其進行檢測。
光聲效應是指當物質受到周期性強度調製的光照射時，會產生聲音信號 的現象。當物質受到光照射時，物質因吸收光能而受激發，並通過非輻射使 吸收的光能全部或部分轉變為熱。如果照射的光束經過周期性的強度調製， 則在物質內產生周期性的溫度變化，使這部分物質及其鄰近的媒質熱脹冷縮 而產生應力(或壓力)的周期性變化，因而產生聲音信號，此種聲音信號也 稱為光聲信號。光聲信號的頻率與光調製頻率相同，其強度和相位則決定於 物質的光學、熱學、彈性和幾何的特性。目前，利用光聲效應製造的光聲譜儀及光聲顯微鏡已經被廣泛應用於物質組分分析;險測領域。然而，普通材料受到光吸收能力的限制，產生的光聲信號強度較弱，且頻率範圍在兆赫茲以上，只能通過麥克風或壓電傳感器等換能裝置探測其強度的變化，因此，現有技術中還沒有利用光聲效應對電磁波信號的強度及偏振方向進行直接檢測的方法。
自九十年代初以來，以石友納米管(請參見Helical microtubules of graphiticcarbon, Nature, Sumio Iijima， vol 354, p56(1991))為代表的納米材料以其獨特的結構和性質引起了人們極大的關注。近幾年來，隨著碳納米管及納米材料研究的不斷深入，其廣闊的應用前景不斷顯現出來。例如，由於碳納米管所具有的獨特的電磁學、光學、力學、化學等性能，大量有關其在場發射電子源、傳感器、新型光學材料、軟鐵磁材料等領域的應用研究不斷被報導。然而，現有技術中卻尚未發現碳納米管作為發聲元件用於電磁波信號檢測領域。

發明內容
因此，確有必要提供一種電磁波信號檢測方法及檢測裝置，該電磁波信號檢測方法簡單，可直接通過檢測裝置發出的聲音判斷電磁波信號的強度和偏振方向。
一種電;茲波信號檢測方法，包括以下步驟提供一碳納米管結構，該石友納米管結構包括多個碳納米管；通過該碳納米管結構吸收一電磁波信號，使該碳納米管結構發熱，並加熱周圍介質發出聲波；以及根據所述碳納米管結構發出聲波的強度判斷所述電磁波信號的強度。
一種電磁波信號檢測裝置，其包括 一聲電轉換裝置； 一電信號測量裝置，該電信號測量裝置與該聲電轉換裝置電連接；其中，該電磁波信號檢測裝置進一步包括一碳納米管結構，該碳納米管結構包括多個碳納米管，該碳納米管結構通過吸收一電磁波信號加熱介質發出聲波，該聲電轉換裝置設置於碳納米管結構附近，將碳納米管結構產生的聲波轉換為電信號，該電信號測量裝置測量所述電信號。
一電磁波信號檢測裝置，其包括一碳納米管結構，該碳納米管結構包括多個碳納米管，該碳納米管結構通過吸收一電磁波信號加熱介質發出聲波。
與現有技術相比較，所述電碌波信號檢測方法及檢測裝置具有以下優點其一，所述電磁波信號檢測方法將碳納米管結構作為電磁波信號檢測裝置，僅通過改變碳納米管結構的角度，即可判斷待測電磁波信號的偏振方向，僅通過該碳納米管結構發聲強弱，即可判斷待測電磁波信號的強度，因此，該電磁波信號的檢測方法簡單易行。其二，由於所述電磁波信號檢測檢測裝置可僅由碳納米管結構組成，結構簡單，有利於降低電磁波信號檢測的成本。其三，由於碳納米管對於各種波長的電磁波有均一的吸收特性，故採用碳納米管結構作為電磁波信號檢測裝置，可以用於檢測各種波長的電磁波的偏振方向。其四，所述電磁波信號檢測裝置可將所述碳納米管結構發出的聲波轉
換為電信號，並測定該電信號的電壓變化，從而可以精確的測定該電磁波信號的強度及偏振方向。


圖1是本發明實施例電》茲波信號檢測方法的流程圖。圖2是本發明實施例電磁波信號檢測方法的過程示意圖。圖3是本發明實施例電磁波信號檢測裝置中採用的一種碳納米管膜的掃描電鏡照片。
圖4是圖3的碳納米管膜中碳納米管片段的結構示意圖。圖5是本發明實施例電磁波信號檢測裝置中採用的另 一種碳納米管膜的掃描電鏡照片。
圖6是本發明實施例電磁波信號檢測裝置中非扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。
圖7是本發明實施例電磁波信號檢測裝置中扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。
圖8是本發明實施例電磁波信號檢測裝置結構示意圖。
圖9是本發明實施例電磁波信號產生聲波的聲壓曲線。
圖10是本發明實施例電磁波信號偏振方向與聲波強度的關係。
圖11是本發明實施例電磁波信號強度與聲波強度的關係。
具體實施方式
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的電^茲波信號4企測方法及檢測裝置。
請一併參閱圖l及圖2，本發明實施例電》茲波信號^r測方法主要包括以下幾個步驟
(一)製備一電磁波信號檢測裝置120，該電磁波信號檢測裝置120包括一碳納米管結構114以及一支撐結構116。該碳納米管結構114通過該支撐結構116支撐。該碳納米管結構114包括多個碳納米管基本平行於該碳納米管結構114表面。優選地，該碳納米管結構114由多個基本平行於碳納米管結構114表面的碳納米管組成。當該電^f茲波信號^r測裝置120用於4企測電》茲波信號118的偏振方向時，該碳納米管結構114中的碳納米管沿同一方向擇優取向排列。該碳納米管結構114與一介質接觸。該介質可以為氣體或液體。其具體包括以下步驟
首先，提供一支撐結構116;其次，提供一碳納米管結構114;
最後，將該碳納米管結構114設置於該支撐結構116上，並通過該支撐結構116支撐。
所述碳納米管結構114能夠通過吸收一電磁波信號發出聲音。具體地，該碳納米管結構114具有一較大的比表面積，以及一較小的單位面積熱容。優選地，該比表面積可大於50平方米每克，該單位面積熱容可以小於2xl(T4J/m、K。進一步地，該單位面積熱容可以小於1.7xl(T6 J/m2*K。該石友納米管結構114包括大量碳納米管通過範德華力相互吸引。該碳納米管結構114可為一膜狀結構，該膜狀結構的厚度為0.5納米 1毫米。該膜狀結構包括一個碳納米管膜，多個並排或層疊的碳納米管膜，或多個並排或編織的碳納米管線狀結構。該碳納米管結構114也可為一線狀結構，該線狀結構包括一個或多個碳納米管線。該多個碳納米管線可相互並排或相互扭轉。該線狀結構的直徑可以為0.5納米~1毫米。
上述碳納米管結構114中的碳納米管可為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種或多種。所述單壁^友納米管的直徑為0.5納米~50納米，所述雙壁石友納米管的直徑為1.0納米~50納米，所述多壁石友納米管的直徑為1.5納米~50納米。
所述具有大比表面積及小單位面積熱容的碳納米管結構114的製備方法包括但不限於以下幾種方法。
所述碳納米管結構114的製備方法一包括以下步驟
步驟一提供一碳納米管陣列，優選地，該陣列為超順排碳納米管陣列。
本發明實施例提供的碳納米管陣列為單壁碳納米管陣列、雙壁碳納米管陣列及多壁碳納米管陣列中的一種或多種。本實施例中，該超順排碳納米管陣列的製備方法採用化學氣相沉積法，其具體步驟包括(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；(b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在700 900。C的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740°C,然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到超順排碳納米管陣列，其高度為50納米~5毫米。該超順排碳納米管陣列為多個彼此平行且垂直於基底生長的碳納米管形成的純碳納米管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排碳納米管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該碳納米管陣列中的碳納米管彼此通過範德華力緊密接觸形成陣列。該碳納米管陣列的生長面積與上述基底面積基本相同。
本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、曱烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選的保護氣體為氬氣。
可以理解，本實施例提供的碳納米管陣列不限於上述製備方法。也可為石墨電極恆流電弧放電沉積法、雷射蒸發沉積法等。
步驟二採用一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取獲得至少一層碳納米管膜。其具體包括以下步驟(a)從所述超順排碳納米管陣列中選定一個或具有一定寬度的多個碳納米管，本實施例優選為釆用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸碳納米管陣列以選定一個或具有一定寬度的多個碳納米管；(b)以一定速度拉伸該選定的碳納米管，/人而形成首尾相連的多個碳納米管片段，進而形成一連續的碳納米管膜。該拉取方向沿基本垂直於碳納米管陣列的生長方向。
在上述拉伸過程中，該多個碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由於範德華力作用，該選定的多個碳納米管片斷分別與其它碳納米管片斷首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的碳納米管膜。該碳納米管膜包括多個擇優取向排列的碳納米管。具體地，該碳納米管膜包括多個沿同一方向擇優取向且基本平行於碳納米管膜表面排列的碳納米管。所述碳納米管通過範德華力首尾相連，以形成一自支
撐的碳納米管膜。具體地，請參閱圖3及圖4，每一碳納米管膜包括多個連續且定向排列的碳納米管片段143。該多個碳納米管片段143通過範德華力首尾相連。每一碳納米管片段143包括多個相互平行的碳納米管145，該多個相互平行的碳納米管145通過範德華力相互吸引。該碳納米管片段143具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。所述碳納米管膜的厚度為0.5納米~100微米，寬度與拉取該碳納米管膜的碳納米管陣列的尺寸有關，長度不限。該碳納米管膜的比表面積大於100平方米每克。
可以理解，該碳納米管膜可單獨作為該碳納米管結構114使用，另外，可以重複上述碳納米管膜的製備過程，獲得多個碳納米管膜，並將該多個碳納米管膜相互層疊從而形成一自支撐的碳納米管結構114。當該電磁波信號檢測裝置120用於檢測電磁波信號118的偏振方向時，該多個碳納米管膜應沿同一方向相互層疊，從而^f吏該^暖納米管結構114中的碳納米管沿相同方向擇優取向排列。
所述碳納米管結構114的製備方法二具體包括以下步驟
步驟一提供一基底。
所述基底為一耐高溫基板，其材料不限，只要確保其熔點高於所述碳納米管的生長溫度即可。本發明實施例中，所述基底為一方形矽基底，該矽基底的長度和寬度均為30釐米。
步驟二在所述基底表面形成至少一帶狀催化劑薄膜。所述帶狀催化劑薄膜用於生長碳納米管。該帶狀催化劑薄膜的材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一。本實施例中，所述帶狀催化劑薄膜的材料為鐵。所述帶狀催化劑薄膜可通過熱沉積法、電子束沉積法或濺射法形成於所述基底表面。可以理解，可以在基底表面形成多個平行排列的帶狀催化劑薄膜，相鄰兩個帶狀催化劑薄膜的間距小於或等於在帶狀催化劑薄膜上生長的碳納米管陣列的高度。優選地，所述多個帶狀催
ii化劑薄膜之間的間距為IO微米-IO毫米，所述帶狀催化劑薄膜的寬度為l微 米-20微米。
步驟三釆用化學氣相沉積法生長至少一帶狀碳納米管陣列，其具體包 括以下步驟
將上述形成有至少一帶狀催化劑薄膜的基底放入一反應室中； 通入保護氣體，將反應室內的空氣排出；
在保護氣體環境下將反應室加熱至600°C~900°C,並保持恆溫； 通入流量比為1:30 1:3的碳源氣及載氣，反應5 30分鐘，生長碳納米
管；
停止通入碳源氣，碳納米管停止生長，同時停止加熱，並降溫，待降至 室溫後，將形成有至少 一帶狀碳納米管陣列的基底從反應室中取出。
所述保護氣體為氮氣或惰性氣體。所述碳源氣可選用乙醇、乙炔、乙烯 等化學性質較活潑的碳氫化合物。所述載氣為氫氣。通入碳源氣的流量為
20 200sccm,載氣的流量為50 600sccm。在停止通入碳源氣後，要繼續通 入保護氣體，直到反應室溫度降為室溫，以防止生長的碳納米管被氧化。
本實施例中，所述保護氣體為氬氣，碳源氣為乙炔，反應溫度為800°C， 碳納米管的生長時間為60分鐘。
所述帶狀碳納米管陣列的生長高度隨生長時間的延長而增加。本發明實 施例中，所述帶狀碳納米管陣列的生長高度可達1毫米~10毫米。所述帶狀 碳納米管陣列為由多個長度較長的碳納米管形成的純碳納米管陣列。通過控 制生長條件，如生長溫度，碳源氣和載氣的流量比等，該帶狀碳納米管陣列 中的碳納米管基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。
步驟四沿垂直於所述帶狀碳納米管陣列的長度方向對該帶狀碳納米管 陣列施加一力的作用，使帶狀碳納米管陣列中的碳納米管沿垂直於所述帶狀 碳納米管陣列的長度方向傾倒，在基底表面形成一碳納米管膜。所述帶狀碳 納米管陣列的長度方向即上述帶狀催化劑薄膜的長度方向。
步驟四可通過以下三種方式實現方式一，採用有機溶劑處理法處理所 述帶狀碳納米管陣列，形成一個或多個帶狀碳納米管膜。方式二，使用機械 外力處理法處理所述帶狀碳納米管陣列，形成一個或多個帶狀碳納米管膜。 方式三，使用氣流處理法處理所述帶狀碳納米管陣列，形成一個或多個帶狀
12碳納米管膜。
方式一具體包括以下步驟提供一盛有有機溶劑的容器；將形成有帶狀 碳納米管陣列的基底浸入盛有有機溶劑的容器中；以及將所述基底沿垂直於 所述帶狀碳納米管陣列的長度方向從有機溶劑中取出，所述碳納米管陣列在 有機溶劑表面張力的作用下傾倒，粘附在所述基底表面；使有機溶劑揮發， 形成帶狀碳納米管膜。所述有機溶劑可選用揮發性有機溶劑，如乙醇、曱醇、 丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。所形成的帶狀碳納米管膜在 揮發性有機溶劑的表面張力的作用下，可貼附在所述基底表面，且表面體積 比減小，粘性降低，具有良好的機械強度及韌性。
方式二具體包括以下步驟提供一壓頭；以及將該壓頭沿垂直於所述帶
狀碳納米管陣列的長度方向碾壓所述碳納米管陣列，碳納米管沿垂直於所述 帶狀碳納米管陣列的長度方向傾倒，形成帶狀碳納米管膜。所述壓頭為滾軸 狀壓頭。所述機械外力的施加裝置不限於上述壓頭，也可為一具有一定平整 表面的其它裝置，只要能使所述碳納米管陣列中的碳納米管沿垂直於所述帶 狀碳納米管陣列的長度方向傾倒即可。在壓力的作用下，所述碳納米管陣列 可與生長的基底分離，從而形成由多個碳納米管組成的具有自支撐結構的帶 狀碳納米管膜。
方式三具體包括以下步驟提供一風機，該風機可產生一氣流；以及將 該風機沿垂直於所述帶狀碳納米管陣列的長度方向施加一氣流於所述帶狀 碳納米管陣列，碳納米管沿垂直於所述帶狀碳納米管陣列的長度方向傾倒， 形成帶狀碳納米管膜。所述氣流的施加裝置不限於上述風機，可為任何可產 生氣流的裝置。
請參閱圖5，該帶狀碳納米管膜中的碳納米管為相互平行且並排設置， 相鄰兩個碳納米管之間通過範德華力緊密結合。所述多個碳納米管具有大致 相等的長度，且其長度可達到毫米量級。該帶狀碳納米管膜的長度可與碳納 米管的長度相等，故至少有一個碳納米管從帶狀碳納米管膜的一端延伸至另 一端，從而跨越整個帶狀碳納米管膜。該帶狀碳納米管膜的長度受碳納米管 的長度的限制。本實施例中，碳納米管的長度為1毫米至IO毫米。
可以理解，該一個帶狀碳納米管膜可作為所述碳納米管結構114使用， 另外，當在所述基底表面形成多個相互平行的催化劑薄膜，從而生長多個相互平行的碳納米管陣列時，由於碳納米管陣列間的距離小於或等於碳納米管 陣列的高度，經過步驟四對所述碳納米管陣列的處理後形成的多個帶狀碳納
米管膜相互並列或部分交疊設置，從而形成一碳納米管結構114。
本實施例中，所製備的帶狀碳納米管膜的密度，即單位面積上含有碳納 米管的量，與上述帶狀催化劑薄膜的寬度有關。所述帶狀催化劑薄膜的寬度 越大，所製備的帶狀碳納米管膜的密度則越大；反之，所述帶狀催化劑薄膜 的寬度越小，所製備的帶狀碳納米管膜的密度則越小。可以理解，通過控制 帶狀催化劑薄膜的寬度，即可控制所製備的帶狀碳納米管膜的密度。本實施 例中，所述帶狀催化劑薄膜的寬度為1微米-20微米。當碳納米管膜的密度 較大時，上述碳納米管結構1M可以為一自支撐的碳納米管結構114。 所述碳納米管結構114的製備方法三具體包括以下步驟 首先，提供一生長基底及一接收基底，該生長基底表面形成有一單分散 性催化劑層；其次，將所述生長基底和接收基底放入一反應室中，且使所述 生長基底和接收基底間隔並排設置，在保護氣體環境下將生長基底加熱到碳 納米管的生長溫度，通入碳源氣，沿著碳源氣的氣流的方向生長碳納米管， 在所述接收基底表面形成一碳納米管結構114。
所述催化劑的材料可為鐵、鈷、鎳或其任意組合的合金材料，或金屬鹽 的單分散性溶液或者金屬的單分散性溶液。當選用鐵、鈷、鎳或其任意組合 的合金材料製備單分散性催化劑層時，可採用沉積方法將催化劑材料沉積到 生長基底表面；當選用金屬鹽的單分散性溶液或者金屬的單分散性溶液製備 單分散性催化劑層，可將金屬鹽或者金屬的單分散性溶液塗敷於生長基底 上，烘乾後即形成所述催化劑層。
所述生長基底為一耐高溫基板，其材料不限，只要確保其熔點高於所述 碳納米管的生長溫度即可。所述接收基底為一具有平整表面的硬性基底，其 材料不限，且應具有一定耐高溫性能。所述生長基底及接收基底的形狀不限， 可為方形、圓形等任何形狀。
所述碳納米管的生長溫度為600°C~1000°C。所述碳源氣的氣流方向與 接收基底表面平行，並且，所述氣流沿生長基底至接收基底流動。當通入碳 源氣後，在生長基底表面催化劑顆粒的作用下開始生長碳納米管。碳納米管 一端固定於生長基底上，另一端不斷生長。由於催化劑層包括多個單分散性
14催化劑顆粒，所以生長的碳納米管不會很密，從而使得部分碳納米管可以長 成為長度較長的碳納米管。將所述碳源氣從靠近生長基底處通入，隨著碳源 氣的不斷通入，生長的碳納米管隨著碳源氣漂浮於接收基底上空。該生長機 理稱作"放風箏機理"。所述碳納米管的生長時間與所要製備的碳納米管的
長度有關。本實施例中，生長時間為30分鐘時，所生長出的碳納米管的長 度可達8釐米。當停止通入碳源氣，碳納米管停止生長，平行且間隔的形成 於接收基底上，形成一碳納米管膜。
通過方法三形成的碳納米管膜包括多個基本相互平行且並排設置的碳 納米管。相鄰兩個碳納米管之間的距離為0~50微米。所述碳納米管膜的長 度為碳納米管的長度，優選地，所述碳納米管膜的長度為l微米 30毫米。
進一步地，為了提高所生長出的碳納米管膜中碳納米管的密度，可通過 更換新的生長基底或將原生長基底取出清洗後沉積新的催化劑薄膜的方式 來實現碳納米管的多次生長，在已經形成有碳納米管膜的接收基底上再次形 成多個碳納米管膜，進而提高接收基底上的碳納米管膜的密度。所述碳納米 管膜包括多個沿同一方向排列的碳納米管，且碳納米管之間通過範德華力緊 密結合形成一自支撐的碳納米管結構114。
由於碳納米管本身的比表面積非常大，故以上述步驟形成的碳納米管膜 本身具有較強的粘性。因此，可以將碳納米管膜直接黏附於支撐結構116表 面。進一步地，所述支撐結構116與所述碳納米管膜間還可以通過粘結劑相 互黏結，從而使所述碳納米管膜更好地固定在支撐結構116上。
可以理解，可將多層碳納米管膜沿相同的方向層疊黏附於所述支撐結構 116上。該多層碳納米管膜之間由於範德華力緊密連接形成一穩定的碳納米 管結構114。該碳納米管膜的層數不限，具體可依據實際需求製備。另外， 當該多層碳納米管膜相互層疊從而形成一自支撐的碳納米管結構114時，所 述提供一支撐結構116，以及黏附碳納米管結構114於支撐結構116的步驟 可以省略。當所述碳納米管膜為通過方法二形成時，則可將所述接收基底作 為一支撐結構116，此時，所述提供一支撐結構116，以及黏附碳納米管結 構114於支撐結構116的步驟也可以省略。
所述碳納米管結構114的製備方法四包括以下步驟
步驟一，提供一從碳納米管陣列中拉取獲得的碳納米管膜。該從碳納米管陣列中拉取獲得碳納米管膜的方法與方法一相同。進一步 地，可進一 步將多個從碳納米管陣列中拉取獲得的碳納米管膜沿相同的方向 相互層疊。
步驟二，處理該碳納米管膜，獲得一碳納米管線。 該碳納米管線可以為扭轉的碳納米管線或非扭轉的碳納米管線。 當該碳納米管線為非扭轉的碳納米管線時，該步驟二進一 步包括一將所 述碳納米管膜通過有機溶劑處理的步驟。具體地，將有機溶劑浸潤所述碳納 米管膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，碳 納米管膜中的相互平行的多個碳納米管通過範德華力緊密結合，從而使碳納 米管膜收縮為一非扭轉的碳納米管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙
醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。請參閱圖6，該 非扭轉的碳納米管線包括多個基本平行於碳納米管線長度方向排列的碳納
米管，該多個碳納米管通過範德華力首尾相連。
當該碳納米管線為扭轉的碳納米管線時，該步驟二進一步包括一採用將 所述碳納米管膜兩端沿相反方向相對扭轉的步驟。請參閱圖7，該扭轉的碳 納米管線包括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管。
可以理解，該碳納米管線可單獨作為一碳納米管結構114使用，另外， 本方法四可進一步包括將多個碳納米管線相互並排，扭轉或編織形成一碳納 米管結構114的步驟。
另外，在通過上述各種方法形成碳納米管結構114後，可進一步包括使 用有才幾溶劑處理上述碳納米管結構114的步驟。具體地，可通過試管將有枳i 溶劑滴落在碳納米管結構114的表面浸潤整個碳納米管結構114。該有機溶 劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中 採用乙醇。該碳納米管結構114經有機溶劑浸潤處理後，在揮發性有機溶劑 的表面張力的作用下，該碳納米管結構114可牢固地貼附在支撐結構116表 面，且表面體積比減小，粘性降低，具有良好的機械強度及韌性。
可以理解，當該碳納米管結構114為膜狀時，其厚度不能太厚，太厚則 影響碳納米管與周圍氣體介質進行熱交換，從而影響該碳納米管結構114的 發聲效果。另外，該碳納米管結構114的厚度不能太薄，太薄則該碳納米管 結構114強度較差，在發聲過程中容易損壞。本發明實施例中，所述> 友納米管結構114為一從碳納米管陣列拉取獲得的碳納米管膜，其長度為3釐米， 寬度為3釐米，厚度為2納米。
所述支撐結構116主要起支撐作用，其形狀不限。具體地，該支撐結構 116可以為一平面或曲面結構，並具有一表面。此時，該>暖納米管結構114 直接設置並貼合於該支撐結構116的表面上。由於該碳納米管結構114整體 通過支撐結構116支撐，因此該碳納米管結構114可以承受強度較高的電磁 波信號118輸入，從而具有較高的發聲強度。另外，該支撐結構116也可以 為一框架結構、杆狀結構或不規則形狀結構。此時，該^暖納米管結構114部 分與該支撐結構116相接觸，其餘部分懸空設置。此種設置方式可以使該碳 納米管結構114與空氣或周圍介質更好地進行熱交換。該碳納米管結構114 與空氣或周圍介質接觸面積更大，熱交換速度更快，因此具有更好的發聲效 率。
該支撐結構116的材料不限，可以為一硬性材料，如金剛石、玻璃或石 英。另外，所述支撐結構116還可為一柔性材料，如塑料或樹脂。優選地， 該支撐結構116的材料應具有較好的絕熱性能，從而防止該碳納米管結構 114產生的熱量過度的被該支撐結構116吸收，無法達到加熱周圍氣體或液 體介質發聲的目的。另外，該支撐結構U6可具有一較為粗糙的表面，從而 可以使設置於上述支撐結構116表面的碳納米管結構114與空氣或其他外界 介質具有更大的接觸面積。或者，該支撐結構116表面可具有一凹部，如一 通孔或盲孔，該碳納米管結構114覆蓋該凹部處懸空，從而增加與空氣或其 它介質的4妄觸面積。
可以理解，上述碳納米管結構114為一自支撐結構時，該支撐結構116 為一可選擇結構。
(二)通過該^談納米管結構吸收一電i茲波信號，〗吏該^暖納米管結構114 發熱，並加熱周圍介質發出聲波。
具體地，可以提供一電磁波信號源112，並發射一電磁波信號118傳遞 至所述碳納米管結構114表面，該碳納米管結構114通過吸收該電/ 茲波信號 118發熱，加熱介質發出聲波。
該電^f茲波信號源112與所述電》茲波信號檢測裝置120間隔設置。進一步 地，該電磁波信號源112應與該電磁波信號檢測裝置120相對設置，從而使
17/人該電石茲波信號源112產生的電,茲波信號118可以傳遞至電i茲波信號4全測裝 置120的碳納米管結構114表面。優選地，該電》茲波信號118正對)暖納米管 結構114入射，該電i茲波信號118的前進方向與該^暖納米管結構114的表面 垂直。當該電磁波信號源112與該電》茲波信號4全測裝置120間隔較遠距離且 電磁波，特別是光波的傳輸受物體阻擋時，該電磁波信號源112發出的電磁 波信號112可進一步通過一光纖傳遞至電磁波信號檢測裝置120的碳納米管 結構114表面。
該電磁波信號源112可以發出強度或頻率可變的電磁波，形成一電磁波 信號118。該電磁波信號118的強度或頻率可不斷變化，從而能夠使碳納米 管結構114吸收該電磁波信號118間歇加熱空氣，使空氣不斷膨脹收縮，進 而持續發出聲音。該電磁波信號118的頻率範圍包括無線電波、紅外線、可 見光、紫外線、微波、X射線及Y射線等。優選的，該電磁波信號源112為 一光信號源，所發出的電磁波信號118可以為一光信號，該光信號的波長包 括從紫外至遠紅外波長的各種光波。該電磁波信號118的平均功率密度在1 jLiW/mml20W/mm2範圍內。可以理解，該電》茲波信號118的強度不能太弱， 太弱則無法使碳納米管結構114充分加熱周圍空氣發出聲音，並且，該電磁 波信號118的強度不能太強，太強使碳納米管結構114與空氣中的氧發生反 應，/人而^皮壞該碳納米管結構114。優選地，該電f茲波信號源112為一脈沖 雷射發生器。
由於碳納米管對電磁波的吸收接近絕對黑體，從而使碳納米管對於各種 波長的電磁波具有均一的吸收特性，故碳納米管結構114對於各種波長的電 磁波也有均一的偏振吸收性能。另外，該碳納米管結構114具有較小的單位 面積熱容和較大的散熱表面積。因此，碳納米管結構114在吸收了如雷射等 電磁波的能量後溫度迅速升高，並和周圍的空氣或其他介質進行迅速的熱交 換。當電磁波強度周期性變化時，碳納米管結構114的溫度相應周期性變化， 從而使其周圍的氣體或液體介質也產生周期性的溫度變化，造成周圍空氣或 其他介質迅速的膨脹和收縮，從而發出聲音。所述碳納米管結構114由大量 碳納米管組成，具有較大的比表面積及較小的單位面積熱容，故該碳納米管 結構114發出的聲音可以直接被人耳感知。
(三)根據所述碳納米管結構114發出聲波的強度判斷所述電磁波信號118的強度。
當該電磁波信號120的平均功率密度越大，該碳納米管結構114的發聲 強度越強。故可以根據該碳納米管結構114發出聲音的大小判斷該電^f茲波信 號118的強度。
(四)旋轉所述電磁波信號檢測裝置120中的碳納米管結構114，根據 所述碳納米管結構114發出聲波的強度變化判斷所述電磁波信號118的偏振 方向。
可以理解，該電;茲波信號118為一偏振信號，如一偏振光，該碳納米管 結構114中的碳納米管平行於碳納米管結構114表面，且沿同一方向擇優取 向排列。
該碳納米管結構114於碳納米管結構114所在平面內進行旋轉，通過旋 轉改變碳納米管結構114中的碳納米管的排列方向與電磁波信號118的偏振 方向的夾角。具體地，所述電磁波信號檢測裝置120可以放置於一轉盤上， 通過轉動該轉盤，使所述電磁波信號檢測裝置120產生轉動。由於所述碳納 米管結構114中的碳納米管沿同一方向擇優取向排列，當電磁波信號118入 射時，振動方向平行於碳納米管長度方向的電磁波信號118被吸收，垂直於 碳納米管長度方向的電磁波信號118能透過。當該電磁波信號118為偏振的 電磁波信號118時，當偏振方向平行於碳納米管長度方向時，該碳納米管結 構114對該電磁波信號118的吸收最強烈，發出的聲音強度最大；當偏振方 向垂直於碳納米管長度方向時，該碳納米管結構114對該電-茲波信號118的 吸收最微弱，發出聲音強度最小。因此，在偏振的電磁波信號118照射至該 碳納米管結構114的同時，通過連續轉動該電/f茲波信號檢測裝置120時，可 以聽到一強弱交替連續周期性變化的聲音。為檢測該電磁波信號118的偏振 方向，該碳納米管結構114的旋轉角度最小為90度。當該聲音強度達到最 大時，根據此時碳納米管結構114中碳納米管的方向即可判斷所述電^茲波信 號118的偏振方向。當該聲音強度達到最小時，該電磁波信號118的偏振方 向與此時^f灰納米管的方向垂直。
本發明上述實施例提供了 一種簡易的定性判斷電磁波信號118強度及偏 振方向的方法。進一步地，為了定量的測定該電i茲波信號118的偏振方向及 電磁波信號118的強度，可進一步包括一能夠定量測量該聲波強度及其變化的步驟。
具體地，可以包括以下步驟首先，在該碳納米管結構114附近i殳置一 聲電轉換裝置130,並將該聲電轉換裝置130與一電信號測量裝置140電連 接；其次，通過標準聲源的電信號標定所述聲波的強度。
該聲電轉換裝置130可以將所述碳納米管結構114發出的聲音信號轉換 成電信號。該聲電轉換裝置130應具有較高的靈敏度，具體可以為電容式傳 聲器、聲音信號探測器、高靈敏度麥克風、壓力傳感器等。本實施例中，該 聲電轉換裝置130為一電容式傳聲器。該電信號測量裝置140可以對所述聲 電轉換裝置130產生的電信號的強度，如電壓或電流，進行測量。
為定量測量該電^f茲波信號118，可以通過一已知強度的電^f茲波信號標定 待測的電磁波信號118，進而得到待測電磁波信號118的強度。具體地，可 以提供一強度I。已知的電磁波信號，即標準聲源，使所述碳納米管結構114 發聲；通過上述聲電轉換裝置130及電信號測量裝置140測量碳納米管結構 114發出的聲音對應產生的電信號的電壓(標準電壓Vo);提供待測電^f茲波 信號118，使碳納米管結構114發聲，並通過聲電轉換裝置130及電信號測 量裝置140測量碳納米管結構114發出的聲音對應產生的電信號的電壓(待 測電壓V);將待測電壓與標準電壓進行比較，即可換算出待測電磁波信號 118的強度I。換算公式為V/Vo=I/I0。
本發明中，該電信號測量裝置140為一示波器。另外，該電信號測量裝 置140也可以為一電壓表。可以理解，上述碳納米管結構114、聲電轉換裝 置130及電信號測量裝置140可以集成設置。
可以理解，如圖8所示，所述電磁波信號檢測裝置120可進一步包括上 述聲電轉換裝置130及電信號測量裝置140,從而形成一可定量測量所述電 磁波信號的強度及偏振方向的電磁波信號檢測裝置120。上述聲電轉換裝置 130設置於碳納米管結構114附近，並將該碳納米管結構114發出的聲音波 轉換成電信號。上述電信號測量裝置140與聲電轉換裝置130電連接，並測 量聲電轉換裝置130產生的電信號的電壓值。該聲電轉換裝置130應具有較 高的靈敏度，具體可以為電容式傳聲器、聲音信號探測器、高靈敏度麥克風 或壓力傳感器等。本實施例中，所述聲電轉換裝置130為一電容式傳聲器， 所述電信號測量裝置140為一電壓表或示波器。本發明實施例定量測量了所述碳納米管結構114發出的聲音信號的強度 與所述碳納米管結構114中碳納米管的排列方向及電磁波信號118強度及偏 振方向的關係。所述電磁波信號檢測裝置120中，碳納米管結構114為一單 層的從碳納米管陣列中拉取的碳納米管膜。
請參閱圖9，當該電磁波信號118為一單脈沖飛秒雷射時，該碳納米管 結構114吸收雷射後產生的聲音的聲壓-時間曲線如圖9所示。該飛秒雷射 的波長為800納米，該碳納米管結構114發出的聲壓信號寬度約為IO微秒 ~20微秒。
請參閱圖IO,當採用一偏振的脈衝雷射照射至該碳納米管結構114，並 同時旋轉該碳納米管結構114時，該碳納米管結構114發出的聲音隨旋轉角 度的改變而改變。圖10中的橫坐標為碳納米管結構114中碳納米管的排列 方向與雷射偏振方向的夾角。從圖IO中可以看出，當碳納米管的排列方向 與雷射的偏振方向平行時，碳納米管結構114發出的聲音強度最大，當碳納 米管的排列方向與雷射的偏振方向垂直時，碳納米管結構114發出的聲音強 度最小。
請參閱圖11，當採用不同強度的脈衝雷射照射至該碳納米管結構114 時，該碳納米管結構114發出聲音的強度隨雷射功率的改變而改變。圖11 的橫坐標為所述雷射的脈衝功率。從圖11中可以看到，當雷射強度越強， 碳納米管結構114發出的聲音的聲壓越大。
本發明實施例提供的電磁波信號檢測方法及檢測裝置具有以下優點其 一，所述電磁波信號檢測方法將碳納米管結構作為電磁波信號檢測裝置，僅 通過該碳納米管結構發聲強弱，即可判斷待測電磁波信號的強度，當該碳納 米管結構中的碳納米管擇優取向排列時，僅通過旋轉該碳納米管結構，即可 判斷待測電^茲波信號的偏振方向，因此，該電》茲波信號的;險測方法簡單易行。 其二，由於所述電磁波信號檢測裝置可僅由碳納米管結構組成，結構簡單， 有利於降低電磁波信號檢測的成本。其三，由於碳納米管對於各種波長的電 磁波有均一的吸收特性，故採用碳納米管結構作為電磁波信號檢測裝置，可 以用於4企測各種波長的電》茲波的偏振方向。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依
據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。
2權利要求
1.一種電磁波信號檢測方法，包括以下步驟提供一碳納米管結構，該碳納米管結構包括多個碳納米管；通過該碳納米管結構吸收一電磁波信號，使該碳納米管結構發熱，並加熱周圍介質發出聲波；以及根據所述碳納米管結構發出聲波的強度判斷所述電磁波信號的強度。
2. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管結構 的製備方法包括以下步驟提供一碳納米管陣列；以及採用一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取獲得至少一層碳納米管膜，進而形成 一碳納米管結構。
3. 如權利要求2所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管結構 的製備方法進一步包括將該多層碳納米管膜沿同 一方向層疊設置，形成一碳 納米管結構。
4. 如權利要求2所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管結構 的製備方法進一步包括將所述碳納米管膜通過一支撐結構支撐。
5. 如權利要求2所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管結構 的製備方法進一步包括一採用有機溶劑處理所述碳納米管結構的步驟。
6. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管結構 的製備方法包括以下步驟提供一生長基底及一接收基底，該生長基底表面形成有一單分散性催化劑 層；將所述生長基底和接收基底放入一反應室中，且使所述生長基底和接收基底 間隔並排設置；以及在保護氣體環境下將生長基底加熱到600°C~1000°C，通入碳源氣，沿著碳 源氣的氣流的方向生長碳納米管，在所述接收基底表面形成一碳納米管結 構。
7. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管結構的製備方法包括以下步驟 提供一基底；在所述基底表面形成至少一個帶狀催化劑薄膜； 採用化學氣相沉積法生長至少一個帶狀碳納米管陣列；以及 處理所述至少一個帶狀碳納米管陣列，使所述帶狀碳納米管陣列中碳納米管 沿垂直於帶狀碳納米管陣列長度方向傾倒，在基底表面形成一碳納米管結 構。
8. 如權利要求7所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述在基底表面形 成至少一個帶狀催化劑薄膜的步驟進一步包括在基底表面形成多個平行且 間隔的帶狀催化劑薄膜，所述多個帶狀催化劑薄膜之間的間距為IO微米-IO 毫米，所述帶狀催化劑薄膜的寬度為l微米-20微米。
9. 如權利要求7所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述處理至少一個 帶狀碳納米管陣列的方法包括有機溶劑處理法、機械外力處理法或者氣流處 理法。
10. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述碳納米管為單 壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種或多種，所述單壁碳納 米管的直徑為0.5納米~50納米，所述雙壁碳納米管的直徑為1.0納米~50 納米，所述多壁碳納米管的直徑為1.5納米 50納米。
11. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述電磁波信號為 無線電波、紅外線、可見光、紫外線、微波、X射線及Y射線中的一種或多 種。
12. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述電磁波信號為 光信號，該光信號的波長範圍為從紫外區至遠紅外區之間。
13. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述電磁波信號為 脈衝雷射。
14. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述電磁波信號的 平均功率密度為1 u W/mm2~20W/mm2。
15. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述聲波越大則電 磁波信號的強度越強。
16. 如權利要求1所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，進一步包括旋轉所 述電磁波信號檢測裝置中的碳納米管結構，根據所述碳納米管結構發出聲波 的強度變化判斷所述電磁波信號的偏振方向，其中，該碳納米管結構中的碳 納米管沿相同方向擇優取向排列。
17. 如權利要求16所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述旋轉過程中， 當所述聲波強度達到最大時，所述電磁波信號的偏振方向平行於所述碳納米 管的排列方向。
18. 如權利要求16所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述旋轉過程中， 當所述聲波強度達到最小時，所述電磁波信號的偏振方向垂直於所述碳納米 管的排列方向。
19. 如權利要求16所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述旋轉的角度 至少為90度。
20. 如權利要求1或16所述的電磁波信號檢測方法，其特徵在於，所述電磁波 信號檢測方法進一步包括以下步驟設置一聲電轉換裝置於所述碳納米管結構附近，將聲波轉換為電信號； 將該聲電轉換裝置與一電信號測量裝置電連接，測量該電信號；以及 通過標準聲源的電信號標定所述聲波的強度。
21. —種電磁波信號檢測裝置，其包括 一聲電轉換裝置；一電信號測量裝置，該電信號測量裝置與該聲電轉換裝置電連接； 其特徵在於，該電磁波信號檢測裝置進一步包括一碳納米管結構，該碳納米 管結構包括多個碳納米管，該碳納米管結構通過吸收一電^茲波信號加熱介質 發出聲波，該聲電轉換裝置設置於碳納米管結構附近，將碳納米管結構產生 的聲波轉換為電信號，該電信號測量裝置測量所述電信號。
22. 如權利要求21所述的電磁波信號檢測裝置，其特徵在於，所述聲電轉換裝 置包括電容式傳聲器、聲音信號探測器、高靈敏度麥克風或壓力傳感器，所 述電信號測量裝置包括電壓表或示波器。
23. 如權利要求21所述的電磁波信號檢測裝置，其特徵在於，該碳納米管結構 中的碳納米管基本平行於該碳納米管結構表面且沿同一方向擇優取向排列。
24. —電磁波信號檢測裝置，其包括一碳納米管結構，該碳納米管結構包括多個碳納米管，該碳納米管結構通過吸收一電磁波信號加熱介質發出聲波。
25. 如權利要求24所述的電磁波信號檢測裝置，其特徵在於，該碳納米管結構 中的碳納米管沿同一方向擇優取向排列。
全文摘要
本發明涉及一種電磁波信號檢測方法，包括以下步驟提供一碳納米管結構，該碳納米管結構包括多個碳納米管；通過該碳納米管結構吸收一電磁波信號，使該碳納米管結構發熱，並加熱周圍介質發出聲波；以及根據所述碳納米管結構發出聲波的強度判斷所述電磁波信號的強度。另外本發明還涉及一種電磁波信號檢測裝置。
文檔編號G01R29/08GK101634676SQ20091016144
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月21日 優先權日2008年7月25日
發明者姜開利, 林 肖, 範守善, 卓 陳 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司