專利名稱：一種基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米振子及納米機(jī)器領(lǐng)域，特別涉及一種基于對(duì)納米管局部進(jìn)行加熱，以使管內(nèi)所封裝的氣流產(chǎn)生熱聲振蕩的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其振動(dòng)膜端可輸出GHz-MHz范圍的超高頻率的激振力。
背景技術(shù)：
近年來，由于納米振子技術(shù)在感知納米世界方面的重大價(jià)值，國內(nèi)外在其相關(guān)研究上投入大量力量，顯示了一個(gè)有重大發(fā)展前景的前沿科技領(lǐng)域。已經(jīng)逐步清楚的是，在納米尺度上的振子如碳/納米管或硅微懸臂上粘附上原子或分子，即可能導(dǎo)致其振動(dòng)頻率發(fā)生明顯改變。若對(duì)該頻率予以監(jiān)測(cè)，即可探知出納米世界中極為豐富的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)及熱學(xué)等信息。此類技術(shù)在微/納米科技領(lǐng)域中的許多場(chǎng)合如發(fā)展與掃描力顯微鏡、MEMS、力學(xué)測(cè)量及生物檢測(cè)芯片等結(jié)合的超靈敏度傳感器上均有重要用途。
目前，納米振子主要是采用碳/納米管作為微懸臂梁實(shí)現(xiàn)的，外界物理因素通過影響梁體內(nèi)在的應(yīng)力，使之頻率及振幅發(fā)生變化；而為使懸臂梁持續(xù)不斷地振動(dòng)，必須予以適當(dāng)?shù)募?lì)。目前所提出的典型微結(jié)構(gòu)激振技術(shù)主要包括壓電激勵(lì)、電磁激勵(lì)、電容激勵(lì)、熱激勵(lì)等，其中，熱激勵(lì)方法又顯得更為簡單高效，因而為眾多研究者所關(guān)注。但現(xiàn)有的熱激勵(lì)主要是對(duì)固體懸臂梁實(shí)施局部加熱，以誘發(fā)其振動(dòng)，由于受空間加熱精度的限制，由此實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)頻率不會(huì)太高(因需要極大的溫度梯度)，特別是，振子的振動(dòng)頻率主要受加熱頻率決定，因此在納米尺度上要進(jìn)一步提高其性能存在很大困難。
眾所周知，聲功轉(zhuǎn)換是一種新的動(dòng)力技術(shù)。其原理在于，只需對(duì)一個(gè)中空或部分填充有多孔材料如板疊的共振管(無論開口與否，但其內(nèi)存在有氣體工質(zhì))的一端進(jìn)行加熱，則管內(nèi)會(huì)形成周期疏密相間的聲波，管內(nèi)的工質(zhì)氣體在這種壓力波的驅(qū)動(dòng)下，在板疊中來回運(yùn)動(dòng)，即形成往復(fù)變化的壓力和密度波，從而帶動(dòng)管的另一端發(fā)生流體激振，產(chǎn)生動(dòng)力?；谔囟ǖ臒釋W(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，現(xiàn)有的所有熱聲學(xué)裝置均建立在宏觀的概念上，即其整體尺寸至少在厘米量級(jí)以上，也就是說，迄今未有整體尺寸在毫/微米以下的熱聲機(jī)械被提出，相關(guān)的研究工作也就未有開展，原因當(dāng)然也不難理解，從傳統(tǒng)的觀念看，在此尺寸下，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)沒有實(shí)用價(jià)值。
為此，本發(fā)明從新的技術(shù)途徑出發(fā)，提供一種基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，借助于納米管、納米加熱結(jié)構(gòu)及管內(nèi)封裝氣流之間的熱聲功轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)在GHz-MHz范圍的超高頻率的熱聲激振，從而大大擴(kuò)展了現(xiàn)有熱激勵(lì)懸臂梁的概念，同時(shí)，這種微/納米熱聲激振器也是對(duì)傳統(tǒng)熱聲裝置形式及用途的一個(gè)突破，并首次提出了微/納米熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于從有別于現(xiàn)有的納米振子原理的技術(shù)途徑出發(fā)，提供一種基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，可作為探測(cè)納米對(duì)象物理化學(xué)信息的納米振子。
這里，我們先對(duì)微/納米激振器的工作原理予以闡述。借助于傳統(tǒng)的熱聲轉(zhuǎn)換原理，可以知道，通過對(duì)納米管的一端進(jìn)行加熱，可在其內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫度梯度，管內(nèi)氣體受熱后膨脹，產(chǎn)生壓縮力，導(dǎo)致氣流運(yùn)動(dòng)，波動(dòng)的氣流不斷與管壁發(fā)生熱交換，由于氣流的急速運(yùn)動(dòng)及傳熱粘滯性、速度及溫度的滑移特性等，會(huì)導(dǎo)致壓力波及溫度波之間的相位差，從而激發(fā)氣體的振蕩。而且，氣流管的直徑越小或長徑比越大，則氣團(tuán)的熱聲振蕩效率越高，極高的比表面積使得氣流運(yùn)動(dòng)與傳熱之間的相位更易于形成。此時(shí)，像傳統(tǒng)熱聲裝置中所需填充的板疊結(jié)構(gòu)可能并非必要，也就是說，對(duì)封裝有特定氣體的納米管的一端實(shí)施加熱，即可在管內(nèi)形成熱聲振蕩，從而在管的振動(dòng)膜端輸出激振力，即成為納米振子。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，包括一納米管1；所述納米管1的一端封閉，另一端裝有振動(dòng)膜6，振動(dòng)膜6為由Cu、Au、Si或C材料制成的彈性膜；納米管1內(nèi)充有流體工質(zhì)4；一位于納米管1之外，并對(duì)納米管1進(jìn)行加熱的加熱器5。
所述納米管1之內(nèi)靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的通道中填充多孔板疊結(jié)構(gòu)3；所述多孔板疊結(jié)構(gòu)3由碳/硅納米管構(gòu)成或由納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成。所述納米多孔金屬顆粒為多孔Au顆粒或多孔Cu顆粒。
還可在所述納米管1外的靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的管壁上粘附一層金屬磁性納米顆粒層7；所述加熱器5為位于該層金屬磁性納米顆粒層7之外的對(duì)其施加電磁場(chǎng)的一對(duì)電極板51，所述電極板51尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之間，兩電極板之間電壓在1-300V之間，頻率在1Hz到1000MHz之間。
所述納米管1內(nèi)填充的流動(dòng)工質(zhì)4為空氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化氮或它們的組合；或者為水或酒精液體；或者為液態(tài)金屬稼與氣體的混合工質(zhì)，其氣體為空氣、氦氣、氮?dú)狻鍤?、一氧化氮?br> 所述加熱器5為激光器；或者為自帶電源的納米電加熱絲52。
所述納米管1為由金、銅、碳或硅材料制成；其橫截面形狀為正方形、三角形或圓形，其壁厚在1nm-1mm之間；納米管1的直徑及軸向長度在1nm-1mm范圍內(nèi)。
還可在所述納米管1靠近封閉端的管壁上連通一循環(huán)旁路，循環(huán)旁路內(nèi)填充多孔板疊結(jié)構(gòu)3，所述多孔板疊結(jié)構(gòu)3由碳、硅納米管構(gòu)成或由納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成；所述加熱器5為沉積在循環(huán)旁路通道外壁上的自帶電源的納米電加熱絲52。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于首次將熱聲轉(zhuǎn)換原理用于發(fā)展納米振子，從而提供了一種概念嶄新的微/納米熱聲激振器即微/納米熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，這是對(duì)傳統(tǒng)熱聲機(jī)械的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個(gè)拓展。目前，已有大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米管具有良好的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能，正被嘗試用于多種工業(yè)領(lǐng)域。納米管極小的尺寸使得其內(nèi)的熱聲轉(zhuǎn)換更易于發(fā)生，從而促成高性能微/納米振子的實(shí)現(xiàn)。雖然這種納米機(jī)器的原理系借助于已有的熱聲轉(zhuǎn)換原理，但在概念和內(nèi)涵乃至應(yīng)用領(lǐng)域上完全不同于以往，至今，此類微/納米熱聲激振器的概念在國內(nèi)外從未被提出過。
目前，納米技術(shù)的發(fā)展日新月異，但實(shí)用化器件仍較少。本發(fā)明提供的微/納米熱聲激振器可為此找到一個(gè)切入點(diǎn)。
本發(fā)明提供的微/納米熱聲激振器具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，由于該器件借助的是固體加熱及氣體的流動(dòng)傳熱，因而以一種簡單的方式促成了納米管內(nèi)的流體發(fā)生受激振動(dòng)；由于納米熱聲激振器的尺寸相當(dāng)小，可以產(chǎn)生極高的振動(dòng)頻率如GHz；基于這些綜合因素，本發(fā)明相比于以往單純對(duì)固體懸臂梁加熱的激振器，功能更全面，其振動(dòng)頻率可根據(jù)結(jié)構(gòu)、工質(zhì)材料及加熱的配合在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變動(dòng)。由于本微/納米熱聲激振器內(nèi)管道的比表面積極小，氣體與壁面的換熱效率更好，因而產(chǎn)生的熱聲振蕩特性更好。此外，在低溫下，許多納米振子很難正常工作，而本發(fā)明可在此種環(huán)境下工作，以用于對(duì)探測(cè)精度要求較高的物理化學(xué)問題的研究，此時(shí)可根據(jù)需要，將工質(zhì)選擇為空氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化氮等在特定溫度區(qū)間不發(fā)生相變的氣體。


附圖1為本發(fā)明(一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明(另一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明(又一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4為本發(fā)明(再一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖5為本發(fā)明(帶循環(huán)旁路以構(gòu)成行波型熱聲激振器的實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中納米管1 諧振腔2 多孔板疊結(jié)構(gòu)3流體工質(zhì)4加熱激光5振動(dòng)膜6磁性納米顆粒層7 電極板51 電加熱絲52循環(huán)旁路8具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明附圖1為本發(fā)明(一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明(另一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明(又一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4為本發(fā)明(再一實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖5為本發(fā)明(帶循環(huán)旁路以構(gòu)成行波型熱聲激振器的實(shí)施例)的結(jié)構(gòu)示意圖。
由圖可知，本發(fā)明提供的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，包括一納米管1；所述納米管1的一端封閉，另一端裝有振動(dòng)膜6，振動(dòng)膜6為由Cu、Au、Si或C材料制成的彈性膜；納米管1內(nèi)充有流體工質(zhì)4；一位于納米管1之外，并對(duì)納米管1進(jìn)行加熱的加熱器5。
所述納米管1之內(nèi)靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的通道中填充多孔板疊結(jié)構(gòu)3；所述多孔板疊結(jié)構(gòu)3由碳/硅納米管構(gòu)成或由納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成。所述納米多孔金屬顆粒為多孔Au顆粒或多孔Cu顆粒。
還可在所述納米管1外的靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的管壁上粘附一層金屬磁性納米顆粒層7；所述加熱器5為位于該層金屬磁性納米顆粒層7之外的對(duì)其施加電磁場(chǎng)的一對(duì)電極板51，所述電極板51尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之間，兩電極板之間電壓在1-300V之間，頻率在1Hz到1000MHz之間。
所述納米管1內(nèi)填充的流動(dòng)工質(zhì)4為空氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化氮或它們的組合；或者為水或酒精液體；或者為液態(tài)金屬稼與氣體的混合工質(zhì)，其氣體為空氣、氦氣、氮?dú)狻鍤?、一氧化氮?br> 所述加熱器5為激光器；或者為自帶電源的納米電加熱絲52。
所述納米管1為由金、銅、碳或硅材料制成；其橫截面形狀為正方形、三角形或圓形，其壁厚在1nm-1mm之間；納米管1的直徑及軸向長度在1nm-1mm范圍內(nèi)。
還可在所述納米管1靠近封閉端的管壁上連通一循環(huán)旁路，循環(huán)旁路內(nèi)填充多孔板疊結(jié)構(gòu)3，所述多孔板疊結(jié)構(gòu)3由碳、硅納米管構(gòu)成或由納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成；所述加熱器5為沉積在循環(huán)旁路通道外壁上的自帶電源的納米電加熱絲52。
圖1所示實(shí)施例1中的加熱器5為激光加熱器(光束直徑在1nm-1mm)，放在納米管1之外對(duì)納米管1進(jìn)行加熱；納米管1為金制制做的圓形納米管，其直徑及軸向長度在1nm-1mm之間均可，壁厚在1nm-1mm之間；振動(dòng)膜6為由Cu、Au、Si或C等材料制成的彈性膜；流體工質(zhì)4為氦氣(當(dāng)然也可以根據(jù)需要為空氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化氮或它們的組合)。
圖2所示實(shí)施例2納米管1內(nèi)靠近封閉端的管壁內(nèi)填充多孔板疊結(jié)構(gòu)3，多孔板疊結(jié)構(gòu)3由碳納米管(當(dāng)然也可為硅納米管)；多孔板疊結(jié)構(gòu)3也納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成；納米管1封閉端與多孔板疊結(jié)構(gòu)3之間構(gòu)成諧振腔2；其余部件同實(shí)施例1。
圖3所示實(shí)施例3在納米管1外的靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的管壁上粘附一層金屬磁性納米顆粒層7(如Fe3O4顆粒層)；加熱器5為位于該層金屬磁性納米顆粒層7之外的對(duì)其施加電磁場(chǎng)的一對(duì)電極板51，所述電極板51的尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之間均可，兩電極板之間電壓在1-300V之間，頻率在1Hz到1000MHz之間；納米管1內(nèi)靠近封閉端的管壁內(nèi)填充多孔板疊結(jié)構(gòu)3，多孔板疊結(jié)構(gòu)3由碳納米管；納米管1封閉端與多孔板疊結(jié)構(gòu)3之間構(gòu)成諧振腔2；該電極板51產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)諧振腔2進(jìn)行誘發(fā)生熱，來達(dá)到激振的目的。
圖4所示實(shí)施例4其加熱器5為沉積在納米管1管壁上的自帶電源的納米電加熱絲52；屬于接觸加熱，在通電的情況下即可對(duì)納米管1實(shí)現(xiàn)局部加熱，而誘發(fā)其內(nèi)流體的熱聲振蕩，從而帶動(dòng)振動(dòng)膜6有規(guī)律的振蕩。
圖5所示實(shí)施例5在靠近納米管1封閉端的管壁上連通一循環(huán)旁路8，循環(huán)旁路8內(nèi)填充有多孔板疊結(jié)構(gòu)3，所述多孔板疊結(jié)構(gòu)3由納米多孔金屬顆粒堆積而成；所述加熱器5為沉積在循環(huán)旁路8的通道外壁上的自帶電源的納米電加熱絲52。
振動(dòng)膜6用于探測(cè)微/納米對(duì)象的物理化學(xué)性能，可以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。
本發(fā)明提供的納米管1及其多孔板疊結(jié)構(gòu)3的材料，除采用最常見的碳納米管或顆粒外，也可采用金屬(如Au、Cu等)。目前，已可根據(jù)需要制成及組裝出各種納米結(jié)構(gòu)(張立德，牟季美，納米材料和納米結(jié)構(gòu)，北京科學(xué)出版社，2001)，比如碳納米管已可實(shí)現(xiàn)定向生長，且達(dá)到超長量級(jí)(毫米級(jí))，并在今后還會(huì)得到繼續(xù)提高，這使得本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)。流體介質(zhì)4可采用與納米管壁材料相容的工質(zhì)，如空氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化氮等惰性氣體或它們的組合，此外，也可選用液體工質(zhì)如水、酒精等充填到納米管中，對(duì)之實(shí)施局部加熱來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的熱激振蕩。甚至，一些液態(tài)金屬與部分氣體混合后充填到納米管1中，通過局部加熱也可實(shí)現(xiàn)功能各異的微/納米熱聲激振器。
本發(fā)明提供的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器工作時(shí)，只需對(duì)納米管1的一端進(jìn)行加熱，受熱后的流體介質(zhì)4與納米管1及多孔板疊結(jié)構(gòu)3進(jìn)行復(fù)雜的熱交換；與此同時(shí)，周圍空氣則對(duì)納米管1的其余部分起到冷卻作用，于是，在上述復(fù)雜的加熱、流體誘發(fā)振動(dòng)及聲功轉(zhuǎn)換下，即在納米管1的另一端振動(dòng)膜6處形成規(guī)律形的振動(dòng)，此時(shí)，本發(fā)明的微/納米熱聲激振器即成為一種納米振子。
本發(fā)明所提供的一種微/納米熱聲激振器的具體制作方式如下1.納米管1的加工要求所制成的納米管尺寸盡可能小(如管道1的內(nèi)徑在數(shù)百納米以下)，則需采用納米加工技術(shù)制成有一定長徑比的納米管或孔道，如圖1所示。該孔道也可直接制作在一基底上。
2.多孔板疊結(jié)構(gòu)3的制作及管道封裝取一定量碳納米管(其制作已有現(xiàn)成方法，可參見[張立德，牟季美，納米材料和納米結(jié)構(gòu)，北京科學(xué)出版社，2001]，將其沿軸向填充到納米管1的內(nèi)壁上，并采用粘附劑使之與納米管1管道融合(這在各種化工領(lǐng)域是成熟技術(shù)，不難實(shí)現(xiàn))，即形成納米管內(nèi)的板疊結(jié)構(gòu)3(板疊結(jié)構(gòu)3位于納米管1內(nèi)靠近封閉端10-300nm部位處)。
上述也可采用碳納米管的制作方法由化學(xué)反應(yīng)途徑實(shí)現(xiàn)，比如在碳納米管1內(nèi)的籠狀結(jié)構(gòu)中直接生成納米結(jié)構(gòu)，由此也可實(shí)現(xiàn)納米管內(nèi)的板疊結(jié)構(gòu)。目前的技術(shù)已能保證上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，納米熱聲激振器也可不填充此類板疊結(jié)構(gòu)，此時(shí)它充當(dāng)一種中空的熱聲轉(zhuǎn)換管，也能達(dá)到熱聲激振的目的。甚至，納米管可為開口結(jié)構(gòu)，只是此時(shí)采用的工質(zhì)為環(huán)境中天然存在的空氣。
3.流體工質(zhì)的填充將上述半封閉結(jié)構(gòu)置于真空室內(nèi)，進(jìn)行抽真空，以除去納米管1內(nèi)的空氣，從而填充特定功能的工質(zhì)。之后，將待填充的流體介質(zhì)4加入到該真空室內(nèi)，并對(duì)之進(jìn)行加熱，經(jīng)過一定時(shí)間后，隨著壓力的升高，真空室內(nèi)的流體介質(zhì)4即進(jìn)入納米管1的孔道及板疊材料3中，視需要，調(diào)整真空室內(nèi)的溫度及壓力，則可改變進(jìn)入納米熱聲激振器管內(nèi)的工質(zhì)數(shù)量。此時(shí)，需對(duì)納米管的開口端進(jìn)行封裝，如鍍膜后形成振動(dòng)膜6。之后，將納米管1從真空室內(nèi)取出，在室溫下冷卻一定時(shí)間后，即制作出本發(fā)明的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器。
4.本發(fā)明提供的管中流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來自納米管外的局部加熱，由于該納米管具有極高的比表面積，因而所提供的外界熱量易于驅(qū)動(dòng)流體介質(zhì)4在管內(nèi)發(fā)生振蕩，因而采用如圖1-3所示的幾類微/納米熱聲激振器結(jié)構(gòu)均可。除上述駐波形結(jié)構(gòu)外，微/納米熱聲激振器也可采用行波型等熱聲轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，只需對(duì)流道作相應(yīng)設(shè)計(jì)即可?？傊景l(fā)明提供的是最基本的熱聲激振單元結(jié)構(gòu)，由此概念可以引申出其他類型的微/納米激振器，此處不一而足。
5.本發(fā)明提供的微/納米熱聲激振器可組裝成多種形式。整個(gè)微/納米熱聲激振器既可為一個(gè)整體；也可制作成陣列組合，甚至采用多級(jí)熱聲轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。而且，還可在納米管外壁特定部位引入局部制冷，配合以上闡述的加熱途徑，可實(shí)現(xiàn)最好的熱聲激振方式。
應(yīng)該指出的是，一般用作本發(fā)明的流體工質(zhì)4應(yīng)滿足如下要求不燃燒，無毒，應(yīng)與結(jié)構(gòu)材料相容，且不能造成對(duì)納米管產(chǎn)生腐蝕和銹化等影響使用壽命的不利因素，高溫下不分解，低溫下不發(fā)生相變；易于獲取；具有一定的熱穩(wěn)定性。此外，工質(zhì)還應(yīng)具有合適的粘性系數(shù)。
本發(fā)明提供的微/納米熱聲激振器具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，由于該器件借助的是固體加熱及氣體的流動(dòng)傳熱，因而以一種簡單的方式促成了納米管內(nèi)的流體發(fā)生受激振動(dòng)；由于本微/納米熱聲激振器的尺寸相當(dāng)小，可以產(chǎn)生極高的振動(dòng)頻率如GHz；基于這些綜合因素，本發(fā)明相比于以往單純對(duì)固體懸臂梁加熱的激振器，功能更全面，其振動(dòng)頻率可根據(jù)結(jié)構(gòu)、工質(zhì)材料及加熱的配合在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變動(dòng)。由于本微/納米熱聲激振器內(nèi)管道的比表面積極小，氣體與壁面的換熱效率更好，因而產(chǎn)生的熱聲振蕩特性更好。此外，在低溫下，許多納米振子很難正常工作，而本發(fā)明可在此種環(huán)境下工作，以用于對(duì)探測(cè)精度要求較高的物理化學(xué)問題的研究，此時(shí)可根據(jù)需要，將工質(zhì)選擇為空氣、氦氣、氮?dú)狻鍤?、一氧化氮等在特定溫度區(qū)間不發(fā)生相變的氣體。
還可將本發(fā)明的微/納米熱聲激振器緊貼于特定的基底上，根據(jù)所需達(dá)到的振動(dòng)頻率和幅度，選擇特定功率及尺寸的激光器，在顯微鏡的引導(dǎo)下對(duì)準(zhǔn)納米熱聲激振器的一端進(jìn)行加熱，即可在其另一端振動(dòng)膜6處誘發(fā)出熱聲振動(dòng)，由此完成進(jìn)一步的測(cè)試工作。
權(quán)利要求
1.一種基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，包括一納米管(1)；所述納米管(1)的一端封閉，另一端裝有振動(dòng)膜(6)，其內(nèi)充有流體工質(zhì)(4)；一位于納米管(1)之外，并對(duì)納米管(1)進(jìn)行加熱的加熱器(5)。
2.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米管(1)之內(nèi)靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的通道中填充多孔板疊結(jié)構(gòu)(3)；所述多孔板疊結(jié)構(gòu)(3)由碳/硅納米管或納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求2所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米多孔金屬顆粒為多孔Au顆粒或多孔Cu顆粒。
4.按權(quán)利要求1或2所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米管(1)外的靠近封閉端10nm-300nm范圍內(nèi)的管壁上粘附一層金屬磁性納米顆粒層(7)；所述加熱器(5)為位于該層金屬磁性納米顆粒層(7)之外的對(duì)其施加電磁場(chǎng)的一對(duì)電極板(51)，所述電極板(51)尺寸在1mm×1mm×1mm到10cm×10cm×10cm之間，兩電極板之間電壓在1-300V之間，頻率在1Hz到1000MHz之間。
5.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米管(1)內(nèi)填充的流動(dòng)工質(zhì)(4)為空氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化氮或它們的組合；或者為水或酒精液體；或者為液態(tài)金屬稼與氣體的混合工質(zhì)，其氣體為空氣、氦氣、氮?dú)狻鍤?、一氧化氮?br> 6.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述加熱器(5)為激光器；或者為自帶電源的納米電加熱絲(52)。
7.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米管(1)為由金、銅、碳或硅材料制成。
8.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米管(1)的橫截面形狀為正方形、三角形或圓形；其壁厚在1nm-1mm；納米管(1)的直徑及軸向長度在1nm-1mm范圍內(nèi)。
9.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述納米管(1)靠近封閉端的管壁上連通一循環(huán)旁路(8)，循環(huán)旁路(8)內(nèi)填充多孔板疊結(jié)構(gòu)(3)，所述多孔板疊結(jié)構(gòu)(3)由碳/硅納米管構(gòu)成或由納米多孔金屬顆粒堆積構(gòu)成；所述加熱器(5)為沉積在循環(huán)旁路通道外壁上的自帶電源的納米電加熱絲(52)。
10.按權(quán)利要求1所述的基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，其特征在于，所述振動(dòng)膜(6)為由Cu、Au、Si或C材料制成的彈性膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于熱聲轉(zhuǎn)換的微/納米熱聲激振器，也是一種納米熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一端封閉另一端裝有振動(dòng)膜其內(nèi)充有流體工質(zhì)的納米管和設(shè)在納米管之外并對(duì)其進(jìn)行加熱的加熱器；納米管內(nèi)可填充多孔板疊結(jié)構(gòu)；納米管壁上也可粘附金屬磁性納米顆粒層；加熱器可為激光器、電極板對(duì)或自帶電源的納米電加熱絲。加熱器對(duì)納米管加熱，誘發(fā)內(nèi)部熱聲功的相互轉(zhuǎn)換，而在振動(dòng)膜端輸出各種頻率及振幅的高頻信號(hào)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，響應(yīng)頻率高，成本低等特點(diǎn)，在納米測(cè)量領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B82B1/00GK1821048SQ20051000842
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2005年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月18日
發(fā)明者劉靜, 羅二倉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所