CN113199155B - 精密扭秤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密扭秤，其包括一根扭丝和一反射镜，所述扭丝为一根悬空的碳纳米管，所述反射镜悬挂固定于所述碳纳米管上，所述反射镜包括一薄膜和两反射层，所述薄膜包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜具有相对的第一表面和第二表面，所述两反射层分别形成于所述薄膜的第一表面和第二表面。本发明还涉及一种精密扭秤的制备方法。所述精密扭秤可以用于微小力或力矩的测量，具有极高的灵敏度和测量精度。

Description

精密扭秤及其制备方法

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，特别涉及一种精密扭秤及其制备方法。

背景技术

精密扭秤为一种扭摆结构，可以作为测量微小力和力矩的工具，其主要包括一根可以扭转的扭丝和具有转动惯量的旋转体。目前，精密扭秤的扭丝多采用金属纤维如钨纤维或二氧化硅纤维，然而这些纤维的制备较繁锁复杂，且这些纤维的直径多为几十微米甚至几百微米，导致扭秤的测量精度及灵敏度较低；而且，精密扭秤的旋转体多采用金属块或镀金属熔融石英块，这样的旋转体，质量大、体积小，转动惯量大，不易旋转，同样会降低扭秤的测量精度和灵敏度。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有较高测量精度和灵敏度的精密扭秤及其制备方法。

一种精密扭秤，其包括一根扭丝和一反射镜，所述扭丝为一根悬空的碳纳米管，所述反射镜悬挂固定于所述碳纳米管上，所述反射镜包括一薄膜和两反射层，所述薄膜包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜具有相对的第一表面和第二表面，所述两反射层分别形成于所述薄膜的第一表面和第二表面。

一种精密扭秤的制备方法，其具体包括以下步骤：

步骤一，提供一基底，所述基底的表面具有一凹陷部；

步骤二，在所述基底的表面形成一第一薄膜预制体，所述第一薄膜预制体覆盖所述基底的凹陷部并在所述凹陷部的位置悬空设置，所述第一薄膜预制体包括两层或两层以上层叠设置的二维材料；

步骤三，使用激光切割所述第一薄膜预制体，得到一第二薄膜预制体，所述第二薄膜预制体具有相对的第一部分和第二部分以及位于所述第一部分和第二部分之间的中间部分，所述第一部分和第二部分分别设置于所述基底的表面由所述基底支撑，所述第二薄膜预制体的中间部分设置于所述凹陷部的上方而悬空；

步骤四，提供一根碳纳米管，将所述碳纳米管转移至所述基底的表面，所述碳纳米管横跨所述通孔并与所述第二薄膜预制体接触交叉，所述碳纳米管的两端与所述基底的表面接触；

步骤五，使用所述激光切割所述第二薄膜预制体，得到具有预定形状的薄膜，所述薄膜悬挂固定于所述碳纳米管的表面；以及

步骤六，所述薄膜具有相对的两个第一表面和第二表面，分别在所述第一表面和第二表面形成一反射层。

与现有技术相比，本发明中，单根碳纳米管具有纳米级的直径，且二维纳米材料质量轻及表面积大从而具有小的转动惯量，则采用单根碳纳米管做精密扭秤的扭丝及采用二维纳米材料制备精密扭秤的反射镜，可以使该精密扭秤具有极高的灵敏度和测量精度，且可以用于微小力或力矩的测量。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的精密扭秤的主视结构示意图。

图2为本发明实施例所提供的精密扭秤的俯视结构示意图。

图3为本发明实施例所提供的精密扭秤的立体结构的示意图。

图4为本发明实施例所提供的制备精密扭秤的工艺流程图。

图5为本发明实施例所提供的精密扭秤的光学显微镜照片。

图6为本发明实施例所提供的精密扭秤在光功率电流分别为10mA、15mA、20mA、25mA的激光照射下的光学显微镜照片。

主要元件符号说明

精密扭秤 10

碳纳米管 101

碳纳米管的第一端 1011

碳纳米管的第二端 1012

碳纳米管的中间部 1013

反射镜 102

薄膜 1021

薄膜的第一表面 10211

薄膜的第二表面 10212

反射层 1022

第一薄膜预制体 1023

第二薄膜预制体 1024

所述第二薄膜预制体的第一部分 10241

所述第二薄膜预制体的第二部分 10242

所述第二薄膜预制体的中间部分 10243

基底 103

凹陷部 1031

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的精密扭秤及其制备方法。

请参阅图1及图2，本发明实施例提供一种精密扭秤10。所述精密扭秤10包括一根扭丝和一反射镜102，所述扭丝为一根悬空的碳纳米管101，所述反射镜102悬挂固定于所述碳纳米管101上，所述反射镜102包括一薄膜1021和两反射层1022，所述薄膜1021包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜1021具有相对的第一表面10211和第二表面10212，所述两反射层分别形成于所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212。

所述碳纳米管101可以是一根单壁碳纳米管或一根多壁碳纳米管；所述碳纳米管101也可以由一多壁碳纳米管去掉外壁而制备得到，这样所述碳纳米管的外表面超级干净，有利于所述反射镜102悬挂固定于所述碳纳米管101的表面。所述碳纳米管101的直径不限，但是所述碳纳米管101的直径越小，所述精密扭秤10的灵敏度和精度越高，优选地，所述碳纳米管101的直径小于10纳米。所述碳纳米管101的悬空长度不限，所述碳纳米管101的悬空长度越长，所述精密扭秤10的测量精度越高。本实施例中，所述碳纳米管101为一根单壁碳纳米管，所述碳纳米管101的直径为7纳米，所述碳纳米管101的悬空长度为300微米。单根碳纳米管具有纳米级的直径，采用单根碳纳米管做为精密扭秤的扭丝，可以提高扭秤的灵敏度和检测精度。

所述薄膜1021为一自支撑膜结构，所谓“自支撑”是指该膜结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。所述薄膜1021的形状不限，具体地，可以是长方形、圆形、三角形、其它规则或不规则的图形。优选地，所述薄膜1021为一中心对称结构，所述薄膜1021以所述碳纳米管101为轴中心对称。本实施例中，所述薄膜1021的形状为一长方形，所述薄膜1021的宽为80微米，长为120微米。

所述薄膜1021包括两层或两层以上的二维材料，该两层或两层以上的二维材料层叠设置。所述二维材料为一具有一定面积的整体结构，所谓整体结构是指该二维材料层在其所在的平面上是连续的。所述二维材料的种类不限，具体地，可以是碳纳米管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨等中的一种或多种。所述薄膜中二维材料的种类可以相同，也可以不相同。需要注意地是，所述碳纳米管膜往往具有多个微孔，如果所述薄膜1021仅由碳纳米管膜层叠设置而成，所述薄膜1021表面的反射层1022的厚度必须较大，才能保证反射镜102的表面平整，从而利于激光的反射，但是反射层1022的厚度增大，将不可避免地的降低所述精密扭秤10的灵敏度和测量精度，因此，优选地，所述碳纳米管膜可以作为其它二维材料的支撑体，与石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨等其它二维材料共同存在且层叠设置。

其中，所述碳纳米管膜包括多根均匀分布的碳纳米管，相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。所述多根碳纳米管无序排列或有序排列。这里的无序指碳纳米管的排列方向无规律，这里的有序指至少多数碳纳米管的排列方向具有一定的规律。具体地，当所述碳纳米管膜包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕且紧密结合，该无序排列的碳纳米管形成的碳纳米管膜各向同性。当所述碳纳米管膜包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。所谓择优取向是指碳纳米管膜中大部分碳纳米管在某一方向上具有较大的取向几率，即碳纳米管膜中大部分碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸。所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜。

所述碳纳米管拉膜直接从一碳纳米管阵列中拉取获得。所述碳纳米管拉膜包括多个基本沿同一方向择优取向排列且通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管基本沿拉伸方向排列并平行于该碳纳米管拉膜表面。具体地，每一碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。当所述薄膜1021包括多层碳纳米管拉膜层叠设置时，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成一夹角α，α大于0度小于等于90度(0°<α≤90°)。所述碳纳米管拉膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请(碳纳米管膜结构及其制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请的所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管结构具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一一体的自支撑结构。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0≤β≤15°)，该夹角β与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选地，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米管阵列获得，依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。当沿不同方向碾压时，碳纳米管沿不同方向择优取向排列。当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。另外，当碾压方向为垂直该碳纳米管阵列表面时，该碳纳米管可以无序排列。

该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年6月1日申请的第200710074699.6号中国大陆专利申请(碳纳米管膜的制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕且均匀分布的碳纳米管。碳纳米管的长度大于10微米，优选为200～900微米，从而使碳纳米管相互缠绕在一起。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构，以形成一一体的自支撑的碳纳米管絮化膜。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，形成大量的孔隙结构，孔隙孔径约小于10微米。所述碳纳米管絮化膜的长度和宽度不限。由于在碳纳米管絮化膜中，碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年4月13日申请的第200710074027.5号中国大陆专利申请(碳纳米管膜的制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

由于单层二维材料的厚度非常薄，可以大大减少所述薄膜1021的厚度，即减少精密扭秤10中反光镜102的厚度，从而有利于提高所述精密扭秤10的灵敏度和测量精度。可以理解地，所述二维材料的层数不宜较多，当所述二维材料的层数较多时，所述反射镜102的质量和厚度较大，则所述反射镜102的转动惯量较大，不利于提高所述精密扭秤的灵敏度和测量精度，且所述反射镜102不易固定悬挂于所述碳纳米管101上，并可能导致所述碳纳米管101扭丝断裂。所述二维材料的层数为2～10层，优选地，为2～5层。

本发明实施例中，所述薄膜1021由两层碳纳米管拉膜和一单层石墨烯依次层叠设置而成，即所述薄膜1021为一碳纳米管-石墨烯复合膜。其中，两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成的夹角为90度；所述单层石墨烯为由多个碳原子通过sp²键杂化构成的单层的二维平面六边形密排点阵结构，所述单层石墨烯可以采用机械剥离法或化学气相沉积法制备。所述薄膜1021中的碳纳米管膜和单层石墨烯相互重叠。所谓重叠，是指所述碳纳米管膜与所述石墨烯膜具有完全相同的形状和面积，当将所述石墨烯膜设置于所述碳纳米管膜表面或将所述碳纳米管膜设置于所述石墨烯膜表面时，所述石墨烯膜可以完全覆盖所述碳纳米管膜或所述碳纳米管膜可以完全覆盖所述石墨烯膜。进一步地，所述单层石墨烯中的碳原子可与所述碳纳米管拉膜中的碳原子通过sp³杂化键合，从而使所述石墨烯膜稳定地固定于所述碳纳米管膜表面。

所述薄膜1021选自碳纳米管、石墨烯或其它的二维材料，密度小、质量轻，且薄膜的表面积较大，可以提高力矩的大小，有利于对微小力和力矩的测量，可以提高精密扭秤的灵敏度和测量精度。

所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212均形成有反射层1022。由于通常采用蒸镀、溅射等方法形成反射层，如果仅在所述薄膜1021的一个表面形成反射层，在形成反射层之后，所述薄膜1021往往发生卷曲，因此需要在所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212均形成反射层1022。所述反射层1022选用密度较小且具有较高反射率的材料。所述反射层1022的材料可以是金属材料。所述金属材料可以是铝、银、铜、铬、铂等。所述金属材料可以通过化学气相沉积法等化学方法或真空蒸镀、磁控溅射等物理方法形成在所述薄膜102的两个表面。所述反射层1022的厚度不宜过小，也不宜过大。如果所述反射层1022的厚度太小时，所述反射镜102的反射率低，不利于入射激光的反射；如果所述反射层1022的厚度太大，则所述反射镜102的质量较大，所述精密扭秤10的灵敏度会降低。优选地，所述反射层1022的厚度为5纳米～20纳米。本实施例中，所述反射层1022选用金属铝，铝层的厚度为10纳米。

可以通过控制反射层的形成条件，使所述反射层1022具有分子级平整的表面，从而在使用所述精密扭秤10时，有利于精确确定薄膜1021的偏转角度，从而提高扭秤的精度。

所述薄膜1021可以与所述碳纳米管101直接接触，或者所述薄膜102可以通过所述反射层1022与所述碳纳米管101接触，即所述薄膜1021与所述碳纳米管101之间设置有反射层1022。可以理解地，在制备所述精密扭秤10的过程中，可以先将所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101上，然后在所述薄膜1021的表面形成所述反射层1022，所述碳纳米管101直接与所述薄膜1021接触，这样所述反射层1022可以将所述碳纳米管101与所述薄膜1021包覆固定在一起。也可以先在所述薄膜1021的表面形成所述反射层1022，然后再将所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101上，这样所述单根碳纳米管101直接与所述反射层1022接触。

请参见图3，所述精密扭秤10可以进一步包括一基底103，所述基底103作为一固定元件，用于固定和支撑所述碳纳米管101。所述基底103的表面形成有一凹陷部1031，所述单根碳纳米管101横跨凹陷部1031设置。所述碳纳米管101包括相对的第一端1011和第二端1012以及位于第一端1011和第二端1012之间的中间部1013，所述第一端1011和所述第二端1012分别与所述基底103的表面接触并固定于所述基底103的表面，所述碳纳米管101的中间部1013在所述凹陷部1031的位置悬空，所述薄膜1021悬挂于悬空的碳纳米管表面。所述基底103的材料和尺寸不限，具体可以根据实际应用而设定。

所述凹陷部1031应该具有一定的深度和宽度，以便在所述薄膜1021受微小力的作用绕所述碳纳米管101转动时，为所述薄膜1021的转动提供空间。所述凹陷部1031的尺寸不限，具体的可以根据实际应用而设定。所述凹陷部1031可以为一通孔；所述凹陷部1031也可以为一盲孔。所述通孔或盲孔的形状不限，可以是圆形、方形或其它规则或不规则的图形。

所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101的表面，相对于凹陷部1031，所述薄膜1021的设置位置不限，比如所述薄膜1021可以设置于所述凹陷部1031的内部，或者也可以设置于所述凹陷部1031的外部。

本实施例中，所述基底103的表面形成有一通孔，所述通孔为一300微米*300微米的方形孔。

本发明实施例进一步提供一种所述精密扭秤10的制备方法。这里需要注意的是，所述精密扭秤10的制备方法不限，只要保证能够将所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101的表面即可。其中，在一实施例中，可以先将所述单根碳纳米管101固定于所述基底103的表面，再将所述薄膜转1021移至所述单根碳纳米管101的表面；在另一实施例中，可以先将一较大薄膜设置于所述基底103的表面，然后将所述碳纳米管转移至所述较大薄膜的表面，最后去除部分薄膜形成所述薄膜1021，使所述薄膜1021仅悬挂于悬空的碳纳米管101的表面，从而形成所述精密扭秤10。

请参照图4，本发明实施例所提供的精密扭秤10的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一，提供一基底103，所述基底103的表面具有一凹陷部1031；

步骤二，在所述基底103的表面形成一第一薄膜预制体1023，所述第一薄膜预制体1023覆盖所述基底103的凹陷部1031并在所述凹陷部1031的位置悬空设置，所述第一薄膜预制体1023包括两层或两层以上层叠设置的二维材料；

步骤三，使用激光切割所述第一薄膜预制体1023，得到一第二薄膜预制体1024，所述第二薄膜预制体1024具有相对的第一部分10241和第二部分10242以及位于所述第一部分10241和第二部分10242之间的中间部分10243，所述第一部分10241和第二部分10242分别设置于所述基底103的表面由所述基底103支撑，所述第二薄膜预制体1024的中间部分10243设置于所述凹陷部1031的上方而悬空；

步骤四，提供一根碳纳米管101，将所述碳纳米管101转移至所述基底103的表面，所述碳纳米管103横跨所述凹陷部1031并与所述第二薄膜预制体1024接触交叉，所述碳纳米管101的两端与所述基底103的表面接触；

步骤五，使用所述激光切割所述第二薄膜预制体1024，得到具有预定形状的薄膜1021，所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101的表面；

步骤六，所述薄膜1021具有相对的两个第一表面和第二表面，分别在所述第一表面和第二表面形成一层反射层1022，从而形成反射层102。

以下将详细描述步骤一～步骤六。

在步骤一中，提供一基底103，所述基底103的表面具有一凹陷部1031。

本实施例中，所述基底103为一硅基底，所述凹陷部1031为一通孔，所述通孔为一方形孔，该方形孔的宽度为300微米。

在步骤二中，在所述基底103的表面形成一第一薄膜预制体1023，所述第一薄膜预制体1023覆盖所述基底103的凹陷部1031并在所述凹陷部1031的位置悬空设置，所述第一薄膜预制体1023由两层或两层以上的二维材料层叠设置而成。

所述第一薄膜预制体1023为一二维的自支撑膜结构。所述二维材料为碳纳米管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨中的一种或多种。本实施例中，所述第一薄膜预制体1023为由两层碳纳米管拉膜与一单层石墨烯依次层叠而成的复合膜，所述两层碳纳米管拉膜交叉层叠设置，且所述两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成的夹角为90度。

本实施例中，所述步骤二具体可以包括以下步骤：(1)提供一铜箔，所述铜箔表面生长有单层石墨烯；(2)将一碳纳米管膜覆盖所述单层石墨烯；(3)用腐蚀液去除所述铜箔，得到由碳纳米管膜与单层石墨烯层叠设置的第一薄膜预制体1023，并将所述第一薄膜预制体1023转移至一清洗液中清洗；(4)利用所述基底103从清洗液中捞起所述第一薄膜预制体1023，所述第一薄膜预制体1023与所述基底103的表面贴合并覆盖所述基底103的凹陷部1031。

在步骤(1)中，可以通过化学气相沉积法在所述铜箔的表面生长单层石墨烯。

在步骤(2)中，所述碳纳米管膜可以通过范德华力与所述单层石墨烯贴合在一起。进一步地，可以采用有机溶剂处理所述碳纳米管膜与所述单层石墨烯，利用有机溶剂挥发的表面张力增强所述碳纳米管膜与所述单层石墨烯之间的结合力。

在步骤(3)中，可以将表面覆盖有所述碳纳米管膜的铜箔放置于一腐蚀液表面，待腐蚀液将所述铜箔腐蚀干净后，将单层石墨烯与碳纳米管膜形成的第一薄膜预制体1023从腐蚀液中取出，并将所述第一薄膜预制体1023放置于一清洗液表面，清洗掉第一薄膜预制体1023表面残留的杂质。所述腐蚀液可以为酸溶液、碱溶液或盐溶液，所述清洗液可以为酸溶液或水。

在步骤(4)中，将所述基底103插入清洗液中，利用所述基底103捞起所述第一薄膜预制体1023。在捞起的过程中该第一薄膜预制体1023转移至所述基底103的表面，这样可以减少第一薄膜预制体1023表面的褶皱和裂纹。所述第一薄膜预制体1023包括周边部和由所述周边部围绕的中间部，所述第一薄膜预制体1023的周边部与所述基底103的表面接触并固定于所述基底103的表面，所述第一薄膜预制体1023的中间部在所述通孔的位置悬空。

可以理解地，当所述第一薄膜预制体1023由氮化硼、二硫化钼或二硫化钨等其它二维材料层叠设置时，同样可以采用上述方法制备得到并转移至所述基底103的表面。

在步骤三中，使用激光切割所述第一薄膜预制体1023，得到一第二薄膜预制体1024。

利用一高功率密度的激光束照射所述第一薄膜预制体1023，在激光照射过程中，由于激光束所具有的高能量被所述第一薄膜预制体1023吸收，产生的高温将处于激光照射路径处的第一薄膜预制体1023全部烧蚀，从而完成对第一薄膜预制体1023的切割。可以根据所需要制备的第二薄膜预制体1024的形状预先在电脑中设定该激光束的扫描线路，从而得到精确控制。

经激光切割后，得到第二薄膜预制体1024。所述第二薄膜预制体1024的形状不限，具体地，可以为一长方形、椭圆形、平行四边形、梯形等。所述第二薄膜预制体1024横跨所述通孔，即所述第二薄膜预制体1024具有相对的第一部分10241和第二部分10242以及位于所述第一部分10241和第二部分10242之间的中间部分10243，所述相对的第一部分10241和第二部分10242分别设置于所述基底103的表面由所述基底103支撑，所述第二薄膜预制体1024的中间部分设置于所述凹陷部1031的上方而悬空。本实施例中，经过激光切割得到的第二薄膜预制体1024为一长方形，该第二薄膜预制体1024的两个相对的短边设置于所述基底103的表面，两个相对的长边横跨所述凹陷部1031而悬空设置，该第二薄膜预制体1024的长度与所述第一薄膜预制体1023的长度相同，该第二薄膜预制体1024的宽度为80微米。

在步骤四中，提供一根碳纳米管101，将所述碳纳米管101转移至所述基底103的表面，所述碳纳米管101横跨所述凹陷部1031并与所述第二薄膜预制体1024接触交叉，所述碳纳米管101的两端与所述基底103的表面接触。

所述碳纳米管101可以是一根单壁碳纳米管或一根多壁碳纳米管。所述碳纳米管101也可以由一多壁碳纳米管去掉外壁而制备得到。所述碳纳米管101可以通过化学气相沉积法、物理气相沉积法等制备得到。本实施例中，根据“放风筝机理”，采用化学气相沉积法生长超长碳纳米管，其具体包括提供一生长基底和一接收基底，所述生长基底表面形成有单分散型催化剂，然后通入碳源气，生长出的碳纳米管沿气流方向定向漂浮，最终落在接收基底表面；其具体生长方法请参见范守善等人于2008年2月1日申请的第

200810066048.7号中国大陆专利申请(碳纳米管薄膜结构及其制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，在此不做详细描述，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

将所述碳纳米管101转移至所述基底103表面的方法不限，只要将所述碳纳米管101转移至所述基底101表面即可。本实施例中，将所述碳纳米管101转移至所述基底103表面的方法包括以下步骤：(1)提供两根钨尖，使所述碳纳米管101吸附转移至所述两根钨尖之间；(2)利用两根钨尖，将所述碳纳米管101转移至所述基底103的表面。

具体地，在步骤(1)中，分别使用两根钨尖轻轻触碰所述碳纳米管101的两端，所述碳纳米管101在范德华力的作用下粘在钨尖上。由于单根碳纳米管太细，只有在扫描电子显微镜、透射电子显微镜等下才能观察到，在光学显微镜下无法观察到单根碳纳米管。为便于在光学显微镜下操作，进一步地，在进行步骤(1)之前，在所述碳纳米管101的表面形成纳米颗粒，利用纳米颗粒对光的散射，使表面形成有纳米颗粒的碳纳米管可以在光学显微镜下被观测到，其中，所述纳米颗粒的材料不限，可以是二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒、硫(S)纳米颗粒等。

在步骤(2)中，轻轻移动两根钨尖，吸附于两根钨尖之间的碳纳米管101随着钨尖的移动而移动，从而将所述碳纳米管101转移至所述基底103的表面。所述碳纳米管101横跨所述基底103的凹陷部1031，并与所述第二薄膜预制体1024交叉设置。所述碳纳米管101具有相对的第一端和第二端及位于所述第一端和第二端之间的中间部，所述碳纳米管101的第一端和第二端设置于所述基底103的表面，所述碳纳米管101的中间部设置于所述凹陷部1031的上方且相对于所述凹陷部1031悬空设置，所述碳纳米管101的中间部与所述第二薄膜预制体1024的中间部分10243在范德华力的作用下接触并吸附在一起。

在步骤五中，使用激光切割所述第二薄膜预制体1024，得到具有预定形状的薄膜1021，所述薄膜1021仅悬挂固定于所述碳纳米管101的表面，且所述薄膜1021不与所述基底103接触。本实施例中，所述薄膜1021为一长方形，该薄膜1021的宽度与所述第二薄膜预制体1024的宽度相同，为80微米，所述薄膜1021的长度为120微米，所述薄膜1021关于所述碳纳米管101中心对称。

在步骤六中，所述薄膜1021具有相对的第一表面和第二表面，分别在所述薄膜1021的第一表面和第二表面形成反射层1022。本实施例中，通过热蒸镀的方法分别在所述薄膜1021的第一表面和第二表面形成铝层，所述铝层的厚度为10nm。

请参见图5，为本发明实施例所制备的精密扭秤10的光学显微镜照片，由于碳纳米管的管径只有7纳米，因此碳纳米管并没有在照片中显现出来。

具体应用时，所述精密扭秤10的使用原理如下所述：首先提供一激光光源，向所述反射镜的表面发射激光；所述激光由所述反射镜的表面反射，并记录最初反射光斑的位置；待反射镜表面受微小力的作用而发生偏转后，记录偏转后反射光斑的位置；根据反射镜发生偏转前后，反射光斑的位置，计算出微小力的大小。

本发明实施例中，分别采用光功率电流为10mA、15mA、20mA、25mA的激光照射所述精密扭秤10的反射镜102，得到的光学显微镜照片如图6所示。请参见图6，在激光照射下，所述精密扭秤10的反射镜102发生偏转，且激光的光功率越大，反射镜102偏转的角度越大。由此可知，本发明实施例所提供的精密扭秤10能够感受到激光的光压，且在激光光压的作用下能够发生扭转，即所述精密扭秤10能够对光压进行测量。

本发明中，单根碳纳米管具有纳米级的直径，且二维纳米材料质量轻及表面积大从而具有小的转动惯量，则采用单根碳纳米管做精密扭秤的扭丝及采用二维纳米材料制备精密扭秤的反射镜，可以使该精密扭秤具有极高的灵敏度和测量精度，且可以用于微小力或力矩的测量。本发明所提供的精密扭秤的制备方法简单，容易操作，且在制备过程中，所述反射镜的尺寸可以根据实际应用而调控。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种精密扭秤，其包括一根扭丝和一反射镜，所述扭丝为一根悬空的碳纳米管，所述反射镜悬挂固定于所述碳纳米管上，所述反射镜包括一薄膜和两反射层，所述薄膜包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜具有相对的第一表面和第二表面，所述两反射层分别形成于所述薄膜的第一表面和第二表面。

2.如权利要求1所述的精密扭秤，其特征在于，所述薄膜为一自支撑膜结构。

3.如权利要求1所述的精密扭秤，其特征在于，所述二维材料为碳纳米管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨中的一种或多种。

4.如权利要求3所述的精密扭秤，其特征在于，所述碳纳米管膜所述碳纳米管膜包括多根碳纳米管，相邻碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。

5.如权利要求1所述的精密扭秤，其特征在于，所述薄膜两层碳纳米管拉膜和一单层石墨烯依次层叠设置而成，其中，两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成一夹角α，α大于0度小于等于90度。

6.如权利要求1所述的精密扭秤，其特征在于，所述薄膜为一中心对称结构，所述薄膜以所述碳纳米管为轴中心对称。

7.如权利要求1所述的精密扭秤，其特征在于，所述精密扭秤进一步包括一基底，所述基底用于固定和支撑所述碳纳米管，所述基底的表面形成有一凹陷部，所述碳纳米管横跨所述凹陷部，所述碳纳米管包括一第一端和一第二端以及位于第一端和第二端之间的中间部，所述碳纳米管的第一端和第二端与所述基底的表面接触，所述碳纳米管的中间部位于所述基底的凹陷部的上方且相对于所述基底的凹陷部悬空设置。

8.如权利要求7所述的精密扭秤，其特征在于，所述基底的凹陷部为一通孔或一盲孔。

9.如权利要求1所述的精密扭秤，其特征在于，所述反射层的材料为金属材料，所述反射层的厚度为5～20纳米。

10.一种精密扭秤的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一，提供一基底，所述基底的表面具有一凹陷部；

步骤二，在所述基底的表面形成一第一薄膜预制体，所述第一薄膜预制体覆盖所述基底的凹陷部并在所述凹陷部的位置悬空设置，所述第一薄膜预制体包括两层或两层以上层叠设置的二维材料；

步骤三，使用激光切割所述第一薄膜预制体，得到一第二薄膜预制体，所述第二薄膜预制体具有相对的第一部分和第二部分以及位于所述第一部分和第二部分之间的中间部分，所述第一部分和第二部分分别设置于所述基底的表面由所述基底支撑，所述第二薄膜预制体的中间部分设置于所述凹陷部的上方而悬空；

步骤四，提供一根碳纳米管，将所述碳纳米管转移至所述基底的表面，所述碳纳米管横跨所述凹陷部并与所述第二薄膜预制体接触交叉，所述碳纳米管的两端与所述基底的表面接触；

步骤五，使用所述激光切割所述第二薄膜预制体，得到具有预定形状的薄膜，所述薄膜悬挂固定于所述碳纳米管的表面；以及

步骤六，所述薄膜具有相对的两个第一表面和第二表面，分别在所述第一表面和第二表面形成一反射层。

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