一種精密扭秤的制備方法、精密扭秤及使用方法與流程
本發(fā)明涉及儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種精密扭秤的制備方法、精密扭秤及使用方法。
背景技術(shù)：
精密扭秤作為一種測(cè)量微小力和力矩的測(cè)量工具，其主要結(jié)構(gòu)為一根可以扭轉(zhuǎn)的扭絲和具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的旋轉(zhuǎn)體組成的扭擺結(jié)構(gòu)。扭秤精度的表達(dá)式如下所示：
其中，m表征扭秤的精度，f表征扭秤所受的力，b表征扭秤的力臂長(zhǎng)度，g表征重力系數(shù)，r表征扭絲的半徑，δθ表征旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，l表征扭絲的長(zhǎng)度。
由此可以看出，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度一定時(shí)，要提高扭秤的精度，則需降低扭絲的半徑并提高扭絲的長(zhǎng)度，或者減少扭秤所受的力并增加扭秤的力臂長(zhǎng)度。
現(xiàn)有的微納加工方法可以制備出單根碳納米管(扭絲)連接金屬旋轉(zhuǎn)體的扭擺結(jié)構(gòu)，即先在基底上生長(zhǎng)水平碳納米管，然后在生成的碳納米管上沉積金屬，而后將基底除去一部分，使得生成的碳納米管處于懸空狀態(tài)，沉積的金屬作為旋轉(zhuǎn)體連接在懸空的碳納米管上，構(gòu)成扭擺結(jié)構(gòu)。
由于在去除基底時(shí)，會(huì)對(duì)碳納米管造成損傷，導(dǎo)致生成的碳納米管長(zhǎng)度較短，且力學(xué)性能有一定程度的下降。為了保證碳納米管在扭轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生斷裂，受碳納米管力學(xué)性能的限制，同時(shí)由于金屬的密度較大，生成的金屬旋轉(zhuǎn)體體積較小，這直接導(dǎo)致生成的扭擺結(jié)構(gòu)的力矩較小。由此，生成的扭擺結(jié)構(gòu)由于尺寸過(guò)小，操作困難，從而難以作為精密扭秤使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種精密扭秤的制備方法、精密扭秤及使用方法，能實(shí)現(xiàn)精密扭秤的制備。
本發(fā)明提供了一種扭秤的制備方法，包括：
在基底上設(shè)置狹縫；
以納米金屬顆粒作催化劑，向所述基底通入碳源氣體與惰性氣體組成的混合氣體，在所述基底的所述狹縫上，生成懸空碳納米管；
使芳香族有機(jī)分子在所述懸空碳納米管上外延生長(zhǎng)晶體，在所述懸空碳納米管上形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體，得到由所述懸空碳納米管與所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體組成的精密扭秤。
上述制備方法中，在生成碳納米管時(shí)，采用bottom-up方法，利用氣流導(dǎo)向和頂端生長(zhǎng)機(jī)理，在基底的狹縫上原位生長(zhǎng)懸空碳納米管，相較于現(xiàn)有技術(shù)中采用的top-down的微納加工方法，維持了懸空碳納米管的長(zhǎng)度，使生成的懸空碳納米管具有較高的長(zhǎng)徑比，同時(shí)提高了碳納米管的力學(xué)性能，使懸空碳納米管的彈性模量較高，并保持了碳納米管一致的手性。同時(shí)，由于通過(guò)芳香族有機(jī)分子形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體，有機(jī)旋轉(zhuǎn)體較金屬旋轉(zhuǎn)體的密度小，從而在碳納米管力學(xué)性能一定時(shí)，可適當(dāng)增大有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的尺寸。由此，由懸空碳納米管和有機(jī)旋轉(zhuǎn)體組成的扭秤尺寸適當(dāng)，利于操作，可作為精密扭秤對(duì)微小力和力矩進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)量精度較高。
本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例中，所述芳香族有機(jī)分子可以包括：蒽、萘或其他聯(lián)苯有機(jī)分子中的任意一種。
優(yōu)選地，所述使芳香族有機(jī)分子在所述懸空碳納米管上外延生長(zhǎng)晶體，在所述懸空碳納米管上形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體，包括：
將所述芳香族有機(jī)分子加熱至65℃～75℃，以使所述芳香族有機(jī)分子的狀態(tài)為蒸汽狀態(tài)；
將所述懸空碳納米管與所述芳香族有機(jī)分子的蒸汽進(jìn)行接觸，在溫度65℃～75℃以及濕度40％～50％的條件下，反應(yīng)0.5h～10h，以使所述芳香族有機(jī)分子的蒸汽在所述懸空碳納米管上成核并生長(zhǎng)，形成所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體。
上述制備過(guò)程中，通過(guò)控制芳香族有機(jī)分子加熱的溫度為65℃～75℃，以及反應(yīng)環(huán)境的濕度為40％～50％，使芳香族有機(jī)分子在碳納米管上進(jìn)行單核生長(zhǎng)，并且生成的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體具有分子級(jí)平整的表面，從而有利于在使用此扭秤時(shí)，精確確定有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，從而提高扭秤的檢測(cè)精度。
其中，成核過(guò)程可采用熱蒸發(fā)自組裝法或化學(xué)氣相沉積法，以蒽分子為例，當(dāng)采用熱蒸發(fā)自組裝法時(shí)，將蒽粉末放置于坩堝中，將盛有蒽粉末的坩堝加熱至65℃～75℃，控制環(huán)境濕度為40％～50％，然后將載有懸空碳納米管的基底(載玻片等)蓋在坩堝頂部，使基底上的懸空碳納米管與坩堝中蒽的熱蒸氣接觸，從而使蒽在懸空碳納米管上成核并生長(zhǎng)，形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體。
當(dāng)采用化學(xué)氣相沉積法時(shí)，有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的生成過(guò)程可在管式爐中進(jìn)行，具體過(guò)程如下：將盛有蒽粉末的坩堝置于石英管中，將載有懸空碳納米管的基底放置在距離坩堝10cm左右的地方，在惰性氣體(氬氣等)的保護(hù)條件下，加熱管式爐至80℃左右，使蒽在懸空碳納米管上進(jìn)心生長(zhǎng)，形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體。
本發(fā)明提供了由上述任一所述的扭秤的制備方法制得的精密扭秤，包括：
懸空碳納米管以及生長(zhǎng)于所述懸空碳納米管上的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體，其中，所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體由芳香族有機(jī)分子組成。
優(yōu)選地，
所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的直徑包括：10～100μm；
所述懸空碳納米管的長(zhǎng)度包括：0.1mm～2mm；
所述懸空碳納米管的直徑包括：2nm～4nm。
由于制備出的扭秤尺寸較大，有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的尺寸達(dá)到百微米級(jí)，從而使得在檢測(cè)過(guò)程中，可利用金屬探針對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行操縱。具體地，可利用金屬探針(鎢探針等)與有機(jī)旋轉(zhuǎn)體之間的毛細(xì)力將兩者粘在一起，進(jìn)行接觸式操縱；也可在金屬探針上施加電壓，利用金屬探針與有機(jī)旋轉(zhuǎn)體之間的靜電力或范德華力，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的非接觸式操縱。而現(xiàn)有技術(shù)中主要利用電驅(qū)動(dòng)法對(duì)小尺度金屬旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行操縱，即通過(guò)在金屬旋轉(zhuǎn)體兩端分別設(shè)置電極，利用兩個(gè)電極間的電場(chǎng)使金屬旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。由此，采用金屬探針對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行操縱的方法更簡(jiǎn)單方便，且精準(zhǔn)可控，從而可提高扭秤的檢測(cè)精度。
本發(fā)明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，包括：
向有機(jī)旋轉(zhuǎn)體通入水平氣流，使所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體成為所述水平氣流的受力面；
利用所述水平氣流在所述受力面上的作用力拉動(dòng)懸空碳納米管，以使與所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體相連的所述懸空碳納米管發(fā)生形變；
確定所述懸空碳納米管產(chǎn)生的形變值，并記錄所述水平氣流的流速；
根據(jù)所述形變值和所述流速，確定所述懸空碳納米管的彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率。
在這里，可利用光學(xué)顯微鏡觀察懸空碳納米管產(chǎn)生的形變，從而確定出懸空碳納米管的形變值。由于光學(xué)顯微鏡簡(jiǎn)單易操作，從而使得確定懸空碳納米管形變的過(guò)程簡(jiǎn)單方便。
本發(fā)明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，包括：
確定懸空碳納米管的半徑、長(zhǎng)度和彈性模量；
利用金屬探針對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行操縱，以使所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并確定所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度；
根據(jù)所述懸空碳納米管的半徑、長(zhǎng)度、所述彈性模量以及所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，利用下述計(jì)算公式，計(jì)算所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體所受的力矩；
其中，m表征所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體所受的力矩，g表征重力系數(shù)，r表征所述碳納米管的半徑，δr表征所述碳納米管管壁之間厚度，δθ表征所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，l表征所述碳納米管的長(zhǎng)度。
在本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例中，在所述計(jì)算所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體所受的力矩之后，可以進(jìn)一步包括：
根據(jù)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的形狀和大小，確定所述精密扭秤的力臂長(zhǎng)度；
根據(jù)所述力臂長(zhǎng)度以及所述力矩，利用下述計(jì)算公式，計(jì)算所述金屬探針對(duì)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體施加的力的大??；
其中，f表征所述金屬探針對(duì)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體施加的力，m表征所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體所受的力矩，b表征所述力臂長(zhǎng)度。
在本發(fā)明一個(gè)可選的實(shí)施例中，為了提高檢測(cè)結(jié)果的精確性，確定所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，可以包括：
向所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)射激光，以使所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的平整表面反射所述激光；
記錄所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)前的反射激光的光斑位置，以及所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)后的發(fā)射激光的光斑位置；
根據(jù)所述偏轉(zhuǎn)前的反射激光的光斑位置和偏轉(zhuǎn)后的反射激光的光斑位置，確定所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，包括：
將載有扭秤的基底放置在待檢測(cè)平面上；
向有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)射激光，以使所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體反射所述激光；
根據(jù)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的反射激光的光斑位置，確定所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
當(dāng)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體偏轉(zhuǎn)前的反射激光的光斑位置和偏轉(zhuǎn)后的反射激光的光斑位置，確定所述待檢測(cè)平面的傾斜角度。
本發(fā)明提供了上述任一所述的精密扭秤的使用方法，應(yīng)用于微推力傳感器或加速度傳感器，包括：
將所述精密扭秤與外部的推進(jìn)器相連；
利用所述推進(jìn)器向精密扭秤施加推力，以使所述精密扭秤中的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
確定所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的形狀和大小，確定所述精密扭秤的力臂長(zhǎng)度；
確定所述精密扭秤中的懸空碳納米管的半徑、長(zhǎng)度和彈性模量；
根據(jù)所述力臂長(zhǎng)度、所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度、所述懸空碳納米管的半徑、長(zhǎng)度和彈性模量，確定所述推進(jìn)器向所述精密扭秤施加的所述推力的大小。
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種扭秤的制備方法、扭秤及使用方法，利用芳香族有機(jī)分子在懸空碳納米管上形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體，由于有機(jī)旋轉(zhuǎn)體由芳香族有機(jī)分子構(gòu)成，而有機(jī)分子比金屬的密度小，從而使得生成的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體比金屬旋轉(zhuǎn)體的密度小，從而在碳納米管力學(xué)性能一定時(shí)，可增大有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的尺寸。由此，制成的扭秤尺寸較大，利于操作，可作為精密扭秤對(duì)微小力和力矩進(jìn)行測(cè)量。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的生長(zhǎng)示意圖；
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的光學(xué)顯微鏡圖；
圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種利用精密扭秤對(duì)微小力進(jìn)行檢測(cè)的方法的示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中，所使用的各類設(shè)備、試劑和材料若無(wú)特別說(shuō)明，均為常規(guī)市售可得。
下面通過(guò)幾個(gè)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1用以闡述利用蒽粉末，采用熱蒸發(fā)自組裝法在懸空碳納米管上制備單核有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法，得到由懸空碳納米管和蒽片組成的精密扭秤。
在該實(shí)施例1中，制備精密扭秤的方法可以包括：
步驟a1：利用光刻法在基底上設(shè)置毫米級(jí)狹縫，以金屬納米顆粒為催化劑，向具有毫米級(jí)狹縫的基底通入碳源氣體與惰性氣體組成的混合氣體，利用氣流導(dǎo)向和頂端生長(zhǎng)機(jī)理，在基底上跨縫生長(zhǎng)得到毫米級(jí)長(zhǎng)度的懸空碳納米管。此步驟可得到長(zhǎng)度在0.1mm～2mm范圍內(nèi)的懸空碳納米管。
步驟b1：將恩粉末放置在坩堝中，并利用加熱裝置加熱盛有蒽粉末的坩堝加熱至70℃。由于蒽易升華，則經(jīng)過(guò)此步驟后，可使蒽粉末升華為蒽蒸汽。
步驟c1：將生長(zhǎng)有懸空碳納米管的基底蓋在坩堝頂部，以使基底上的懸空碳納米管與坩堝中蒽的熱蒸氣接觸，并控制環(huán)境濕度為50％，反應(yīng)10h。在相對(duì)低溫(65℃～75℃)下長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)，可以控制單根碳納米管上只生長(zhǎng)單個(gè)微米級(jí)蒽片，由此得到由懸空碳納米管和單個(gè)蒽片組成的精密扭秤。并且生成的蒽片具有規(guī)整的六邊形層狀結(jié)構(gòu)和分子級(jí)平整的表面，蒽片的生長(zhǎng)示意圖如圖1所示。由于蒽的密度較低(1.283kg/m3)，則可使生成的蒽片尺寸較大，達(dá)到10～100μm，從而利于操作，生成的蒽片在顯微鏡下的結(jié)構(gòu)如圖2所示。同時(shí)，生成的蒽片表面平整，則有利于檢測(cè)過(guò)程中，利于光學(xué)系統(tǒng)精確確定蒽片的偏轉(zhuǎn)角度，從而提高精密扭秤的檢測(cè)精度。
實(shí)施例2仍然采用熱蒸汽自組裝法在懸空碳納米管上制備單核有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法，制備條件與實(shí)施例1有所差異，由此也得到由懸空碳納米管和蒽片組成的精密扭秤。
在該實(shí)施例2中，制備精密扭秤的方法可以包括：
步驟a2：利用粘接法在基底上設(shè)置毫米級(jí)狹縫，以金屬納米顆粒為催化劑，向具有毫米級(jí)狹縫的基底通入碳源氣體與惰性氣體組成的混合氣體，利用氣流導(dǎo)向和頂端生長(zhǎng)機(jī)理，在基底上跨縫生長(zhǎng)得到毫米級(jí)長(zhǎng)度的懸空碳納米管。此步驟可得到長(zhǎng)度在0.1mm～2mm范圍內(nèi)的懸空碳納米管。
步驟b2：將蒽粉末放置在坩堝中，并加熱盛有蒽粉末的坩堝加熱至90℃。由于蒽易升華，則經(jīng)過(guò)此步驟后，可使蒽粉末升華為蒽蒸汽。
步驟c2：將生長(zhǎng)有懸空碳納米管的基底蓋在坩堝頂部，以使基底上的懸空碳納米管與坩堝中蒽的熱蒸氣接觸，并控制環(huán)境濕度為40％，反應(yīng)1h。在相對(duì)高溫(90℃～120℃)下短時(shí)間快速生長(zhǎng)，可使在單根碳納米管上產(chǎn)生多個(gè)蒽片。由此，這可作為單根碳納米管的一種有效的光學(xué)可視化方法，即利用生長(zhǎng)在碳納米管上的蒽片使碳納米管實(shí)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)，以利于對(duì)碳納米管進(jìn)行操控或移動(dòng)。
步驟d2：加熱生長(zhǎng)有懸空碳納米管的基底至80～120℃。這可使生長(zhǎng)在懸空碳納米管上的小體積的蒽片先升華，即從懸空碳納米管上被除去，而較大片的蒽片還存留可見(jiàn)。由此，可除去懸空碳納米管上的多余蒽片，僅在懸空碳納米管上保留一個(gè)蒽片，保留的蒽片為尺寸較大的蒽片，可達(dá)到10～100μm，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒽片的可控去除，由此得到由懸空碳納米管和單個(gè)蒽片組成的精密扭秤。
實(shí)施例3仍然采用熱蒸汽自組裝法在懸空碳納米管上制備單核有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法，制備條件與實(shí)施例1和實(shí)施例2有所差異，由此也得到由懸空碳納米管和蒽片組成的精密扭秤。
在該實(shí)施例3中，制備有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法可以包括：
步驟a3：將蒽粉末放置在坩堝中，并加熱盛有蒽粉末的坩堝加熱至75℃。由于蒽易升華，則經(jīng)過(guò)此步驟后，可使蒽粉末升華為蒽蒸汽。
步驟b3：將生長(zhǎng)有懸空碳納米管的基底蓋在坩堝頂部，以使基底上的懸空碳納米管與坩堝中蒽的熱蒸氣接觸，并控制環(huán)境濕度為45％，反應(yīng)8h。由此，也可在懸空碳納米管上生成單核蒽片，得到由懸空碳納米管和單核蒽片組成的扭秤。
實(shí)施例4用以闡述化學(xué)氣象沉積法在懸空碳納米管上制備單核有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法。
在該實(shí)施例4中，制備有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法可以包括：
步驟a4：將蒽粉末放置在坩堝中，并將盛有蒽粉末的坩堝放置于石英管中。
步驟b4：將生長(zhǎng)有懸空碳納米管的基底放置在距離坩堝10cm左右的位置，在流速為50sccm的氬氣保護(hù)下，以80℃加熱管式爐中，反應(yīng)1h。由此，也可在懸空碳納米管上生成單核蒽片，得到由懸空碳納米管和單核蒽片組成的扭秤。
實(shí)施例5仍然采用化學(xué)氣象沉積法在懸空碳納米管上制備單核有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法，制備條件與實(shí)施例4有所不同。
在該實(shí)施例5中，制備有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的方法可以包括：
步驟a5：將蒽粉末放置在坩堝中，并將盛有蒽粉末的坩堝放置于石英管中。
步驟b5：將生長(zhǎng)有懸空碳納米管的基底放置在距離坩堝10cm左右的位置，在流速為50sccm的氬氣保護(hù)下，以75℃加熱管式爐中，反應(yīng)2h。由此，也可在懸空碳納米管上生成單核蒽片，得到由懸空碳納米管和單核蒽片組成的扭秤。
實(shí)施例6：利用萘在懸空碳納米管上制備單核有機(jī)旋轉(zhuǎn)體
該實(shí)施例6的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的制備方法與實(shí)施例1基本類似，只是將實(shí)施例1中的蒽換為萘，由此得到由懸空碳納米管和單個(gè)萘片組成的扭秤。
實(shí)施例7：利用制備出的精密扭秤精確檢測(cè)懸空碳納米管的力學(xué)性能
該實(shí)施例7中，檢測(cè)懸空碳納米管的力學(xué)性能的方法可以包括：
步驟a7：向扭秤中的蒽片通入水平氣流，使所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體成為所述水平氣流的受力面。在水平氣流的作用下，蒽片作為受力面，水平氣流如同一根無(wú)形的探針對(duì)蒽片進(jìn)行操縱，從而拉動(dòng)懸空碳納米管發(fā)生形變，隨著氣速的變化，懸空碳納米管受到的拉力也發(fā)生變化。
步驟b7：確定懸空碳納米管產(chǎn)生的形變值，并記錄水平氣流的流速。根據(jù)水平氣流的流速，可確定懸空碳納米管所受的拉力，并根據(jù)懸空碳納米管原始的長(zhǎng)度和半徑，以及懸空碳納米管發(fā)生的形變，利用公式
實(shí)施例8：利用制備出的精密扭秤檢測(cè)微小力矩
該實(shí)施例8中，檢測(cè)微小力矩的方法可以包括：
a8：利用標(biāo)定的方法確定懸空碳納米管的彈性模量，例如，檢測(cè)出懸空碳納米管的剪切模量為0.5mpa；
b8：利用激光發(fā)射裝置向蒽片發(fā)射激光，蒽片反射接收到的激光到光斑位置檢測(cè)器上。
c8：利用測(cè)力探針(鎢針)對(duì)蒽片進(jìn)行操縱，使蒽片發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并利用光斑位置檢測(cè)器記錄蒽片發(fā)射激光的位置變化。由于蒽片的尺寸能達(dá)到百微米級(jí)，因此可直接用鎢針對(duì)蒽片進(jìn)行接觸式操縱，使蒽片發(fā)生偏轉(zhuǎn)。具體地，可利用金屬探針(鎢探針等)與有機(jī)旋轉(zhuǎn)體之間的毛細(xì)力將兩者粘在一起，進(jìn)行接觸式操縱；也可在金屬探針上施加電壓，例如，為金屬探針施加1～5v的電壓，利用金屬探針與有機(jī)旋轉(zhuǎn)體之間的靜電力或范德華力，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的非接觸式操縱。
然后利用光斑位置檢測(cè)器記錄蒽片在偏轉(zhuǎn)前發(fā)射激光光斑位置以及偏轉(zhuǎn)后反射激光光斑位置，由此確定出蒽片的偏轉(zhuǎn)角度。然后根據(jù)所述懸空碳納米管的半徑和長(zhǎng)度，以及懸空碳納米管的剪切模量與所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，利用計(jì)算公式
實(shí)施例9：利用制備出的精密扭秤對(duì)微小的力進(jìn)行檢測(cè)，該檢測(cè)過(guò)程的示意圖如圖3所示。
在該實(shí)施例9中，對(duì)微小的力進(jìn)行檢測(cè)的方法包括：
a9：利用實(shí)施例8中提供的方法確定出蒽片所受的微小力矩；
b9：根據(jù)蒽片的形狀和大小，確定出扭秤的力臂長(zhǎng)度。利用公式
實(shí)施例10：利用制備出的精密扭秤檢測(cè)平面傾斜角度
在該實(shí)施例10中，檢測(cè)平面傾斜角度的方法包括：
a10：將載有扭秤的基底放置在待檢測(cè)平面上。
b10：利用激光發(fā)射裝置向蒽片發(fā)射激光，蒽片反射接收到的激光到光斑位置檢測(cè)器上。光斑位置檢測(cè)器可記錄蒽片反射激光的光斑位置變化，若平面保持水平，蒽片不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而光斑位置檢測(cè)器檢測(cè)到的反射激光的光斑不會(huì)發(fā)生位置偏移；反之，當(dāng)待檢測(cè)平面傾斜時(shí)，蒽片反射激光會(huì)發(fā)生位置偏移，此時(shí)可通過(guò)蒽片偏轉(zhuǎn)前的反射激光的光斑位置和蒽片偏轉(zhuǎn)后的反射激光的光斑位置，確定待檢測(cè)平面的傾斜角度。由此，可利用制備出的精密扭秤檢測(cè)平面的微小角度變化。并基于此，還可將載有碳納米管和有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的基底與小型光斑位置檢測(cè)器以及激光發(fā)射裝置封裝在一起。形成新原理的微型水平儀。
實(shí)施例11：利用制備出的精密扭秤檢測(cè)低頻振動(dòng)信號(hào)
在該實(shí)施例11中，檢測(cè)低頻振動(dòng)信號(hào)的方法包括：
a11：利用激光發(fā)射裝置向蒽片發(fā)射激光，蒽片反射接收到的激光到光斑位置檢測(cè)器上。
b11：向載有扭秤的基底施加設(shè)定頻率和振幅的機(jī)械振動(dòng)。基底的振動(dòng)帶動(dòng)蒽片的振動(dòng)，從而使蒽片發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過(guò)光斑位置檢測(cè)器記錄蒽片發(fā)生偏轉(zhuǎn)前反射激光的光斑位置信息以及偏轉(zhuǎn)后反射激光的位置信息，由此，振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷浼す獾墓獍呶灰菩盘?hào)，并被光斑位置檢測(cè)器記錄下來(lái)，從而由位移信號(hào)可確定出振動(dòng)信號(hào)的頻率和振幅。
實(shí)施例12：利用制備出的精密扭秤作為微推力傳感器或加速度傳感器
在該實(shí)施例12中，檢測(cè)微小推力的方法包括：
步驟a12：將精密扭秤與外部的推進(jìn)器相連。精密扭秤與推進(jìn)器相連時(shí)，可將推進(jìn)器安裝在精密扭秤上，通過(guò)測(cè)量推進(jìn)器反作用于精密扭秤的作用力大小，得到推進(jìn)器的推力大小。也可將推進(jìn)器安裝在精密扭秤外部，利用推進(jìn)器尾氣的作用力作用在精密扭秤上，通過(guò)對(duì)尾氣的作用力來(lái)間接得到推進(jìn)器推力的大小。
步驟b12：利用所述推進(jìn)器向精密扭秤施加推力，以使所述精密扭秤中的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
步驟c12：確定所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的形狀和大小，確定所述精密扭秤的力臂長(zhǎng)度。在這里，可采用實(shí)施例8中提供的通過(guò)光斑位置檢測(cè)器確定有機(jī)旋轉(zhuǎn)體(蒽片)的偏轉(zhuǎn)角度的方法。
步驟d12：利用標(biāo)定的方法確定所述精密扭秤中的懸空碳納米管的半徑、長(zhǎng)度和彈性模量；
步驟e12：根據(jù)所述力臂長(zhǎng)度、所述有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度、所述懸空碳納米管的半徑、長(zhǎng)度和彈性模量，確定所述推進(jìn)器向所述精密扭秤施加的所述推力的大小。具體地，可利用計(jì)算公式
根據(jù)上述方案，本發(fā)明的各實(shí)施例，至少具有如下有益效果：
1、本發(fā)明實(shí)施例提供的扭秤制備方法可制備出由懸空碳納米管和有機(jī)旋轉(zhuǎn)體組成的精密扭秤。由于有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的密度較小，使得生成的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體尺寸較大，從而利于操作，可對(duì)微小力和力矩進(jìn)行精確測(cè)量。
2、本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)控制生長(zhǎng)條件，使芳香族有機(jī)分子在懸空碳納米管上進(jìn)行單核生長(zhǎng)，形成有機(jī)旋轉(zhuǎn)體，并使生成的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體具有分子級(jí)平整的表面，從而在利用制備出的扭秤進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可通過(guò)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的表面發(fā)射激光，精準(zhǔn)確定出有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的偏轉(zhuǎn)角度，從而提高扭秤的檢測(cè)精度。
3、本發(fā)明實(shí)施例在制備扭秤過(guò)程中，使用的懸空碳納米管的原料、有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的原料和反應(yīng)器具有普遍性，工藝簡(jiǎn)單，原料易得，有利于精密扭秤的制作及推廣應(yīng)用。
4、本發(fā)明實(shí)施例制備出的有機(jī)旋轉(zhuǎn)體尺寸達(dá)到百微米級(jí)，從而可利用金屬探針直接對(duì)其進(jìn)行操縱，既可利用金屬探針與有機(jī)旋轉(zhuǎn)體之間的毛細(xì)力將兩者粘在一起，進(jìn)行接觸式操縱；也可在金屬探針上施加1v～5v的電壓，利用金屬探針與有機(jī)旋轉(zhuǎn)體之間的靜電力或范德華力，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的非接觸式操縱。從而使得對(duì)有機(jī)旋轉(zhuǎn)體的操縱精準(zhǔn)可控，進(jìn)而提高扭秤的檢測(cè)精度。
5、本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)向有機(jī)旋轉(zhuǎn)體通入水平氣流，使有機(jī)旋轉(zhuǎn)體成為氣流受力面，使氣流在受力面上的作用力拉動(dòng)碳納米管，從而使懸空碳納米管發(fā)生形變，并根據(jù)碳納米管的形變和水平氣流的流速，精準(zhǔn)確定懸空碳納米管的力學(xué)性能。
6、本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)將載有扭秤的基底放置在平面上，然后向有機(jī)旋轉(zhuǎn)體發(fā)射激光，使有機(jī)旋轉(zhuǎn)體反射激光，即可通過(guò)反射激光的光斑位移量確定檢測(cè)平面的微小角度變化，從而構(gòu)成新原理的微型水平儀。
需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同因素。
最后需要說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，僅用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
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