紅外光激勵的CNF復(fù)合微懸臂梁穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性

林 成

(內(nèi)江師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，四川 內(nèi)江 641199)

紅外光激勵的CNF復(fù)合微懸臂梁穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性

林 成

(內(nèi)江師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，四川 內(nèi)江 641199)

研究了紅外光源激勵下，以碳納米管薄膜為吸光層的復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁的光熱響應(yīng)特性﹒建立了溫度分布理論模型和光熱撓曲理論模型，進(jìn)而得到其一維溫度分布與激光照射位置的關(guān)系﹒由光熱撓曲模型，對碳納米管薄膜的厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最后計算得到微懸臂梁的撓曲量隨激光功率線性增加，結(jié)果表明以碳納米管薄膜作為吸光層的復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁使光熱探測靈敏度提高了1.2倍﹒研究結(jié)果表明，該類碳納米管薄膜為吸光層的復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁作為高靈敏度光熱傳感器的可能性﹒

光熱響應(yīng)；微懸臂梁；碳納米管薄膜；紅外光源

作為一種重要的微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于能夠?qū)崿F(xiàn)10-5K溫度變化、20 fJ能量變化以及10 pW功率變化探測[1-3]，復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁廣泛應(yīng)用于光熱傳感器和驅(qū)動器﹒復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁一般由Si或者SiNx懸臂梁和其表面沉積的一層熱膨脹系數(shù)較大的金屬膜構(gòu)成﹒微懸臂梁吸收光能后溫度升高，材料熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)部熱應(yīng)力使微懸臂梁發(fā)生撓曲或振動，從而實現(xiàn)紅外激勵光的探測﹒通過對微懸臂梁對紅外光源的響應(yīng)特性分析和研究實現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計，可以有效的提高其探測靈敏度和應(yīng)用范圍﹒

微懸臂梁的紅外探測靈敏度主要受限于其紅外吸光效率和光熱轉(zhuǎn)換效率﹒碳納米管(Carbon nanotube, CNT)作為一種新型納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械特性，光熱轉(zhuǎn)化效率極高[4]﹒盡管碳納米管陣列顯示出近似黑體效應(yīng)，其紅外吸光效率高達(dá) 90%以上[5]，但是其制備工藝和過程復(fù)雜﹒相反，無序碳納米管薄膜(Carbon nanotube film, CNF)的制備相當(dāng)簡單，而且具有極高的紅外光和熱輻射源吸收效率[6-7]﹒本文結(jié)合納米技術(shù)，選擇碳納米管薄膜作為紅外光吸收材料，從而極大地提高了紅外探測靈敏度﹒

首先基于COMSOL 5.0 分析軟件，對CNF-復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁的溫度分布進(jìn)行了仿真計算，建立微懸臂梁穩(wěn)態(tài)溫度分布一維物理模型，得到沿長度方向溫度分布規(guī)律；基于材料力學(xué)熱力學(xué)理論，建立了微懸臂梁撓曲物理模型，得到其撓度與激光參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)一步對碳納米管薄膜的厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最后比較了碳納米管薄膜修飾的微懸臂梁與傳統(tǒng)微懸臂梁的探測靈敏度﹒

1 理論模型

如圖1所示為CNF復(fù)合微懸臂梁的結(jié)構(gòu)和微懸臂梁熱流分析示意圖，其長、寬和厚度分別為l、w和t，由厚度分別為t1、t2和t3的碳納米管薄膜、Si基底以及金屬鍍膜 Al膜構(gòu)成，紅外激光照射范圍為l1到l1+2R，其中R為微懸臂梁表面光斑半徑﹒紅外光源照射到CNF表面，分子動能增加，碳納米管內(nèi)部溫度增加并快速將熱能傳遞到Si和Al層﹒構(gòu)成各層材料的熱膨脹系數(shù)差異較大，不同的熱膨脹量在層間產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力，微懸臂梁發(fā)生撓曲﹒

圖1 CNF復(fù)合微懸臂梁模型

假設(shè)微懸臂梁的長寬和厚度分別為800 μm、200 μm 和 8.5 μm，CNF、Si和 Al層的厚度分別為2 μm、5 μm和1.5 μm﹒微懸臂梁左端為固定端，端面溫度與空氣溫度相同且保持不變；右端為自由端，端面與空氣之間產(chǎn)生對流換熱﹒理論分析中各層材料的物理參數(shù)如表1所示﹒溫度增量較小時，根據(jù)Nusselt Number、Prandtl Number和Grashof Number[8]計算得到微懸臂梁與空氣之間的熱對流系數(shù)為 350 W·m-2·K-1﹒

表1 理論分析中各層材料的物理參數(shù)

結(jié)合圖1所示的微懸臂梁結(jié)構(gòu)和表1中的材料參數(shù)，假設(shè)照射到微懸臂梁表面的激光光斑半徑R=100 μm，激光功率P=8 mW，激光照射位置l1=0.2 mm，微懸臂梁吸光率為0.85，初始溫度為20℃，利用有限元計算軟件 COMSOL得到微懸臂梁的溫度分布如圖2所示，其中大圖為長度方向的溫度分布，插圖(a)和(b)表示灰色圓點(長度方向溫度最大值所對應(yīng)的位置)處寬度方向和厚度方向的溫度﹒從圖中可以看到，長度方向溫度最大為29.16 ℃，對應(yīng)位置距離固定端377 μm；灰色圓點處寬度方向的最高和最低溫度約為29.16 ℃和28.98 ℃，溫差約為初始溫度的0.9%；圓點處微懸臂梁下表面到上表面沿厚度方向的溫度逐漸增加，其最高和最低溫度約為29.16 ℃和29.13 ℃，溫差約為初始溫度的0.15%﹒因此沿寬度和厚度方向的溫度變化可忽略不計﹒

圖2 微懸臂梁溫度分布

采用上述參數(shù)，可以計算得到畢渥數(shù)(Biot number)[12]，Bi= 1.0402×10-5(lt;lt;1)，因此可以忽略厚度方向的溫度變化；研究證明，當(dāng)照射到微懸臂梁表面的激光光斑直徑與其寬度相當(dāng)時，其寬度方向的溫度分布可以忽略不計[13]，因此結(jié)合COMSOL結(jié)果，可以將該復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁的三維溫度分布簡化為一維方程﹒根據(jù)能量守恒，由圖1(b)可以得到微懸臂梁穩(wěn)態(tài)溫度微分方程為

其中k和h分別為微懸臂梁的熱導(dǎo)率和換熱系數(shù)，β為CNF的吸光率，P為激光功率﹒其邊界條件可以表示為

由于構(gòu)成微懸臂梁各層材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，溫度升高所產(chǎn)生的內(nèi)部熱應(yīng)力使微懸臂梁發(fā)生撓曲﹒根據(jù)材料力學(xué)熱力學(xué)理論[14]可以得到微懸臂梁撓曲度與溫度分布之間的關(guān)系

其中，Ei、αi和ti(i=1, 2, 3)分別表示 CNF、Si和Al膜的彈性模量、熱膨脹系數(shù)和厚度﹒其邊界條件可以表示為

2 結(jié)果與分析

采用COMSOL仿真中的參數(shù)，根據(jù)式(1)-式(2)得到沿長度方向微懸臂梁的溫度分布見圖 3﹒從圖中可以看到，長度方向微懸臂梁的溫度先增加后減小，且最高溫度位置偏離激光光斑中心，主要是因為微懸臂梁固定端與外界溫度一致，端面與空氣之間的表面對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于自由端端面與空氣之間的對流換熱系數(shù)﹒通過計算可以得到，微懸臂梁最高溫度為29.4 ℃，對應(yīng)的位置距離固定端385 μm；自由端的溫度為28.95 ℃﹒從圖中可以看出計算結(jié)果與 COMSOL仿真結(jié)果變化趨勢相同且存在一定偏差，主要是因為由式(1)-式(2)得到的結(jié)果是把 COMSOL三維仿真得到的數(shù)值解簡化到一維引起的﹒

圖3 沿長度方向微懸臂梁溫度分布

改變激光照射位置，由式(1)-式(2)可以得到微懸臂梁最高溫度隨激光照射位置的變化曲線如圖4所示﹒由圖可知，隨著激光光斑位置從固定端(x=0)移動到自由端(x=600)，微懸臂梁的溫度先增大后減小﹒這主要是因為微懸臂梁固定端可以近似為散熱器，對流換熱系數(shù)接近無限大，而自由端的對流換熱系數(shù)為有限值﹒因此激光光斑位置距離固定端越遠(yuǎn)，對流換熱所損失的熱量越??；但是光斑位置越靠近自由端，通過自由端對流換熱所損失的熱量也增加﹒

從圖4可看出，微懸臂梁自由端撓曲隨激光功率的增加而線性增加，因此CNF復(fù)合微懸臂梁可以在激光光熱光譜痕量物質(zhì)探測系統(tǒng)中作為光熱傳感器或是微光熱驅(qū)動系統(tǒng)中作為驅(qū)動器件﹒撓曲-激光功率曲線的斜率反映了微懸臂梁的探測靈敏度，從圖中可以看出CNF修飾的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁比兩層結(jié)構(gòu)微懸臂梁的靈敏度提高了1.2倍﹒

圖4 微懸臂梁最高溫度隨激光照射位置的關(guān)系曲線

由于構(gòu)成微懸臂梁各層材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，溫度升高所產(chǎn)生的內(nèi)部熱應(yīng)力使之發(fā)生撓曲﹒激光照射位置l1=0.385 mm時，根據(jù)式(3)和(4)計算得到 CNF修飾的復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁以及無 CNF修飾的微懸臂梁自由端撓曲隨激光功率變化如圖5所示﹒

圖5 復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁撓曲對比曲線

定義微懸臂梁的光強(qiáng)靈敏度為單位激光功率作用下自由端產(chǎn)生的撓曲，由式(3)和式(4)計算得到不同CNF厚度時，微懸臂梁光強(qiáng)靈敏度隨Al-Si厚度比的關(guān)系曲線如圖6所示﹒

圖6 光強(qiáng)靈敏度隨Al-Si厚度比變化曲線

從圖6可看出，CNF厚度越小其光強(qiáng)靈敏度越大，但是CNF厚度越小其制備越困難且吸光效率越低，而且典型CNF厚度為2 μm[15]，因此在后續(xù)實驗中的CNF厚度為2 μm，且光強(qiáng)靈敏度最大所是對應(yīng)的Al-Si厚度比約為0.38，結(jié)合微機(jī)械加工工藝，在后續(xù)實驗中優(yōu)選Si基底、Al膜以及CNF厚度分別為5 μm，1.5 μm和2 μm﹒

3 結(jié)論

提出以碳納米管薄膜作為吸光層的復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁﹒采用有限元分析軟件 COMSOL仿真計算了微懸臂梁的溫度分布，由此建立了穩(wěn)態(tài)溫度分布一維微分方程和撓曲微分方程﹒計算結(jié)果表明：COMSOL仿真和理論計算結(jié)果一致；激光光斑靠近微懸臂梁中心(約為300 μm)時其溫度達(dá)到最大值；微懸臂梁撓曲隨激光功率線性變化，CNF修飾的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁的光強(qiáng)探測靈敏度比雙層結(jié)構(gòu)微懸臂梁提高了 1.2倍；微懸臂梁光強(qiáng)靈敏度最大時所對應(yīng)的 Al-Si厚度比為0.38，CNF的最優(yōu)厚度為2 μm，由此確定后續(xù)實驗中各層材料的厚度(即 CNF、Al、Si的厚度分別為 2 μm、1.5 μm 和 5 μm)．

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(責(zé)任編校：蔣冬初)

Response of CNF Composite Micro-cantilever to Infrared Excitation

LIN Cheng
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641199, China)

Photothermal-mechanical response of a composite micro-cantilever modified by carbon nanotube film(CNF) illuminated by an infrared laser source is investigated. The physical model of temperature distribution and photothermal deflection under infrared laser excitation are established. The temperature distribution along the length direction as function of the heat zone is obtained. The thickness of CNF is optimized based on the photothermal deflection model. Last, the deflection of micro-cantilever is calculated and the linear relationship between the deflection and laser power is obtained. The theoretical results show that the photothermal sensitivity of composite micro-cantilever modified by CNF is higher than the usual one, and the sensitivity is increased 1.2 times. The study results demonstrate the feasibility of composite micro-cantilever modified by CNF as photothermal sensor.

photothermal response; micro-cantilever; carbon nanotube film; infrared laser

TH744.1

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0012

1672–7304(2017)02–0055–04

2017-02-14

四川省教育廳科研項目(16ZA0313)；內(nèi)江師范學(xué)院專利科研項目(15ZL06)

林成(1981-)，男，四川簡陽人，講師，博士，主要從事痕量物質(zhì)激光光譜檢測、微納米光子學(xué)研究，E-mail: lchylinchy@126.com.