特定光波长的传感器的制作方法

本发明涉及一种用于识别特定波长的传感器，尤其涉及一种基于碳纳米管的识别特定波长的传感器。
背景技术：
：对于特定波长的光究竟有什么用途，一直是人们感兴趣的话题。例如，光的颜色因为波长不同而显示不同，从而可直接利用其作为生活的指示工具。当然，根据特定光具有的特定的波长值，还可应用于更多的领域，如特定波长可用于开锁装置，当波长为目标波长时，即可打开门锁。但在研究特定波长光的应用时，能够简单、准确地测量其波长是必要的前提条件。目前，对于特定光波长的测量方法主要有：光的干涉测波长，光的衍射测波长。但这些方法一般都需要人工操作，测量过程复杂，对操作者要求较高，测量误差较大，测量波长范围有限。上述测量波长的方法所使用的检测装置一般体积大，结构复杂。技术实现要素：有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、操作方便的用于识别特定波长的传感器。一种用于识别特定波长的传感器，其包括：一光波长分析器，用于接收入射的光线信号，对该光线信号进行分析处理，并根据处理结果发送工作指令；一存储器，用于存储光线信号数据，以提供初始信号数据作为标准数据；以及一调制器，用于向存储器中写入标准数据；其中，所述光波长分析器包括一光波长检测器和一信号处理模组，该光波长检测器包括一探测元件，一测量装置；所述探测元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述光线信号入射至该碳纳米管结构的部分表面，所述测量装置用于测量所述碳纳米管结构的电势差或温度差；所述信号处理模组与光波长检测器电连接，用于对该测量装置的测量值进行分析计算，并将计算得到的信号数据与存储器中初始信号数据作对比，并根据对比结果发送工作指令。与现有技术相比较，本发明提供的用于识别特定波长的传感器具有以下优点：应用于该传感器中的光波长检测器，可通过碳纳米管结构对入射光信号进行处理得到光波长，测量方法简单；由于碳纳米管经偏振光照射产生电势，起到电源作用，该光波长检测器无需设置专门的电源，结构简单，使得所述传感器轻便、体积小。附图说明图1为本发明提供的用于识别特定波长的传感器的结构示意图。图2为本发明第一实施例提供的光波长检测器的结构示意图。图3为本发明第一实施例提供的光波长检测器中碳纳米管拉膜的结构示意图。图4为本发明第一实施例提供的光波长检测器中碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。图5为本发明第一实施例提供的光波长检测器中非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。图6为本发明第一实施例提供的光波长检测器中扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。图7为本发明第一实施例提供的光波长检测器中碳纳米管结构的光的穿透率与波长之间的关系图。主要元件符号说明传感器10光波长分析器100探测元件102第一电极103第二电极104测量装置105绝缘基底106光波长检测器107信号处理模组108碳纳米管片段143碳纳米管145接收器110预处理器120调制器130存储器140工作器件150p型半导体碳纳米管层2021n型半导体碳纳米管层2022如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式下面将结合具体实施例，对本发明提供的用于识别特定波长的传感器作进一步详细说明。请参阅图1，本发明提供一种用于识别特定波长的传感器10，其包括：一接收器110，一预处理器120，一光波长分析器100，一调制器130，以及一存储器140。所述接收器110用于收集入射光线并将入射光线传递至所述预处理器120。所述预处理器120用于对入射光线进行预处理，并将处理后的光线信号传递至所述光波长分析器100。所述光波长分析器100用于将接受到的光线信号进行处理转换并分析计算，再将计算得到的信号数据与所述存储器140中初始信号数据进行对比，再根据对比结果发送工作指令。所述存储器140用于存储光线信号数据，该初始信号数据用于与所述光波长分析器100中计算得到的信号数据作对比。所述调制器130的作用是在存储器140中写入标准数据。具体地，所述接收器110用于收集入射光线，所述收集的入射光线用于入射到所述光波长分析器100。例如可将发散的光聚集成束再将此光束传递给预处理器120。可以理解，当入射光线聚集良好时，该接收器110为一可选择器件。该接收器110为所有可将光线聚集的设备，如凹面镜。本实施例中，所述接收器110为一凹面镜。所述预处理器120用于接收所述接收器110收集到的入射光线，并对入射光线进行预处理，并将预处理后的光线信号传输至所述光波长分析器100。对入射光线进行预处理包括对入射光线进行偏振，使入射光线成为偏振光；滤掉入射光线中特定波段的光；以及将相隔很短的光波段分为肉眼可区分的宽度等。根据所述预处理器120所起作用，该预处理器120可为偏振片，或者偏振片与滤波片、分光镜的组合。可以理解，当所述入射光线本身为一偏振光且无杂色光线，则该预处理器120为一可选择器件。本实施例中，所述预处理器120为偏振片，起到对入射光线进行偏振的作用。所述光波长分析器100用于将接受到的光线信号进行处理转换并分析计算，再将计算得到的信号数据与所述存储器140中初始信号数据进行对比，再根据对比结果发送工作指令。具体地，所述光波长分析器100可将光线信号转换为电势差或者温度差，这与该光波长分析器100的组成元件有关。所述电势差或者温度差再经过分析计算可得到光线的波长值。所述光波长分析器100包括一光波长检测器107和一信号处理模组108。进一步，请参阅图2，所述光波长检测器107包括一探测元件102，一第一电极103，一第二电极104，以及一测量装置105。所述第一电极103与第二电极104间隔设置。所述探测元件102通过所述第一电极103及第二电极104电连接至所述测量装置105。所述探测元件102包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述碳纳米管结构分别与所述第一电极103，第二电极104电连接。所述测量装置105与所述第一电极103和第二电极104电连接。具体地，所述碳纳米管结构中多个碳纳米管的延伸方向可为从第一电极103延伸至第二电极104。所述光线信号入射至该碳纳米管结构的部分表面，使得在碳纳米管结构中产生电势差或温度差。所述测量装置105用于测量所述碳纳米管结构的电势差或温度差，所述信号处理模组108将所述测量的电压值或温差值经计算得到待测光的穿透率，并根据该穿透率读取获得所述待测光的波长值。所述探测元件102包括一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述碳纳米管的延伸方向平行于所述碳纳米管结构的表面。进一步，所述探测元件102为一碳纳米管层，该碳纳米管层由所述多个碳纳米管组成，在所述延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管为n型碳纳米管和p型碳纳米管中的一种。所述碳纳米管可为一自支撑结构。所谓自支撑结构是指该碳纳米管结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑结构中的多个碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管结构具有特定的形状，可以理解，当所述碳纳米管为自支撑结构时，所述探测元件102可悬空设置。具体地，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。优选地，所述碳纳米管结构为多个碳纳米管平行排列组成的层状结构。所述碳纳米管膜包括碳纳米管拉膜、带状碳纳米管膜或长碳纳米管膜。所述碳纳米管拉膜通过拉取一碳纳米管阵列直接获得，优选为通过拉取一超顺排碳纳米管阵列直接获得。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管首尾相连地沿同一个方向择优延伸方向排列，请参阅图3及图4，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143，该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段143包括多个大致相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管拉膜的厚度为0.5纳米~100微米。所述碳纳米管拉膜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2010年5月26日公告的第cn101239712b号中国公告专利申请。所述带状碳纳米管膜为通过将一碳纳米管阵列沿垂直于碳纳米管生长的方向倾倒在一基底表面而获得。该带状碳纳米管膜包括多个择优延伸方向排列的碳纳米管。所述多个碳纳米管之间基本互相平行并排排列，且通过范德华力紧密结合，该多个碳纳米管具有大致相等的长度，且其长度可达到毫米量级。所述带状碳纳米管膜的宽度与碳纳米管的长度相等，故至少有一个碳纳米管从带状碳纳米管膜的一端延伸至另一端，从而跨越整个带状碳纳米管膜。带状碳纳米管膜的宽度受碳纳米管的长度限制，优选地，该碳纳米管的长度为1毫米~10毫米。该所述带状碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2008年5月28日申请的，于2013年2月13日公告的第cn101591015b号中国公告专利申请。所述长碳纳米管膜为通过放风筝法获得，该长碳纳米管膜包括多个平行于碳纳米管膜表面的超长碳纳米管，且该多个碳纳米管彼此基本平行排列。所述多个碳纳米管的长度可大于10厘米。所述碳纳米管膜中相邻两个超长碳纳米管之间的距离小于5微米，相邻两个超长碳纳米管之间通过范德华力紧密连接。所述长碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2008年2月1日申请的，于2015年6月3日公告的第cn101497436b号中国公告专利申请。可以理解，上述碳纳米管拉膜、带状碳纳米管膜或长碳纳米管膜均为一自支撑结构，可无需基底支撑，自支撑存在。且该碳纳米管拉膜、带状碳纳米管膜或长碳纳米管膜为多个时，可共面且无间隙铺设或/和层叠铺设，从而制备不同面积与厚度的碳纳米管结构。在由多个相互层叠的碳纳米管膜组成的碳纳米管结构中，相邻两个碳纳米管膜中的碳纳米管的排列方向相同。所述碳纳米管线状结构包括非扭转的碳纳米管线、扭转的碳纳米管线或其组合。所述碳纳米管线状结构可为单根或多根。当为多根时，该多根碳纳米管线状结构可共面且沿一个方向平行排列或堆叠且沿一个方向平行排列设置；当为单根时，该单根碳纳米管线状结构可在一平面内有序弯折成一膜状结构，且除弯折部分之外，该碳纳米管线状结构其它部分可看作并排且相互平行排列。请参阅图5，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，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并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。所述碳纳米管线状结构及其制备方法请参见范守善等人于2005年12月16日申请的，于2009年6月17日公告第cn100500556b号中国公告专利申请。所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图6，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列并沿线的一端向另一端延伸的碳纳米管，该多个碳纳米管也可看作为沿一个确定的方向延伸。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，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并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。若所述碳纳米管结构为碳纳米管膜或碳纳米管线状结构的组合时，所述碳纳米管膜中碳纳米管与碳纳米管线状结构沿相同方向排列。可以理解，上述碳纳米管结构均包括多个沿相同方向平行排列的碳纳米管、碳纳米管线状结构或其组合。所述碳纳米管结构厚度可以根据需要选择，以满足所述探测元件102能够检测所测光波长，又不会产生太大误差。优选地，所述碳纳米管结构的厚度为0.5纳米～5微米。若所述碳纳米管结构厚度太大（如超过5微米），所述碳纳米管结构中碳纳米管与光作用不完全，造成测量误差较大。具体地，对于一延伸方向确定的碳纳米管膜，当采用不同方向的偏振光或不同波长的偏振光照射该碳纳米管膜时，偏振光的穿透率是不同的。请参阅图7，当偏振光的方向与碳纳米管延伸方向夹角确定时，随着波长的增加，偏振光的穿透率呈单调上升趋势；当偏振光的波长确定时，改变其偏振方向，偏振光的穿透率会有明显改变。从图中可以看出，当偏振光的偏振方向与碳纳米管的延伸方向平行时，偏振光的穿透率最低；当偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向垂直时，偏振光的穿透率最高。光在穿过碳纳米管的过程中，未穿透的光的能量主要是被碳纳米管吸收。因此，当偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向平行时，碳纳米管对光的吸收最强烈，当偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向垂直时，碳纳米管对光的吸收最弱。采用偏振光照射碳纳米管结构的一端时，被碳纳米管结构吸收的光会转化为热能，并在碳纳米管结构中产生温差，继而产生温差电势。进一步，所述碳纳米管结构还可为p型半导体碳纳米管层2021和n型半导体碳纳米管层2022接触设置形成的具有p-n结的碳纳米管结构。所述p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022的排列方式可为层叠设置或在同一平面内并排设置。当所述p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022在同一平面内并排设置时，p型半导体碳纳米管层2021中碳纳米管的延伸方向与n型半导体碳纳米管层2022碳纳米管的延伸方向相同，且p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022两者的接触面与碳纳米管的延伸方向垂直；当所述p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022层叠设置时，p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022层的接触面与碳纳米管延伸方向平行。可以理解，当所述碳纳米管结构层叠排列时，也可形成p-n-p或n-p-n式“夹心”结构，但需要满足所述p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022分别与第一电极203，第二电极204电连接。本实施例中，所述p型半导体碳纳米管层2021与n型半导体碳纳米管层2022为在同一平面内并排设置。当采用入射光照射该碳纳米管结构时，在p-n结的作用下，入射光的光能并没有转化为热能，而是直接转化为电能。这时，碳纳米管结构中被入射光照射的部分和未被照射的部分的温度差异很小，可忽略不计。这时，入射光对碳纳米管的作用由热电效应转为光电效应，减少了中间能量的损失，同时，该结构增强了碳纳米管结构对入射光的敏感度，使得测量更加精确。所述探测元件102进一步包括一绝缘基底106，所述绝缘基底106用于支撑所述碳纳米管结构。所述碳纳米管结构设置于该绝缘基底106的其中一表面。所述绝缘基底106的材料不限，可选择为玻璃、石英、陶瓷、金刚石等硬性材料，也可选择塑料、树脂等柔性材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺等。本实施例中，该探测元件102包括一绝缘基底106，该绝缘基底106为聚对苯二甲酸乙二醇酯。进一步，所述探测元件102可为一旋转结构，即可在所处平面内任意旋转，使得当具有一固定方向的偏振光照射碳纳米管结构时，所述探测元件102可通过旋转，使碳纳米管结构中碳纳米管的延伸方向与偏振光的方向形成任意角度的取值。进一步，所述探测元件102与所述预处理器120分别在两个相互平行的平面内相对旋转设置，以调节偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向的夹角角度。所述第一电极103和第二电极104由导电材料组成，其形状结构不限。所述第一电极103和第二电极104可选择为金属、ito、导电胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。所述金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。具体地，所述第一电极103和第二电极104可选择为层状、棒状、块状或其它形状。本实施例中，所述第一电极103和第二电极104为间隔设置于所述碳纳米管结构在碳纳米管延伸方向上相对两端，且设置于碳纳米管结构表面的铜电极。所述测量装置105可为电压测量装置或热电偶装置中的一种，用于测量所述碳纳米管结构的电势变化或温差变化。该测量装置105通过该第一电极103、第二电极104与所述碳纳米管结构电连接，当所述碳纳米管结构由于温差产生电势时，这时该碳纳米管结构相当于一电源，在回路中即可产生电流，所述测量装置105进而可直接测得该碳纳米管结构的电势，而不需要额外设置其它任何电源装置。当所述测量装置105为热电偶装置时，该热电偶装置直接测量所述碳纳米管结构两端的温差。所述测量装置105在测量碳纳米管结构时，其测量位置可按照需要选择。优选地，当偏振光照射碳纳米管结构沿碳纳米管延伸方向的一端部表面时，所述测量装置105测量该端部表面与远离该端部表面的另一端部表面的温度差或电势差。进一步，当碳纳米管结构包括一p型半导体碳纳米管层和一n型半导体碳纳米管层设置形成一p-n结时，偏振光照射至该p-n结，这时，所述测量装置测量该碳纳米管结构远离该p-n结两端部的电势差。所述信号处理模组108与光波长检测器107电连接，具体地，所述信号处理模组108与测量装置105相连，用于对该测量装置105的测量值进行分析计算，再将计算得到的信号数据与所述存储器140中初始信号数据进行对比，再根据对比结果发送工作指令。具体地，所述信号处理模组108对所述测量装置105测量的碳纳米管结构的电势差或温度差进行分析计算，所述电势差或温度差经过计算转换为光线的波长值。进一步，所述信号处理模组108读取存储器140中的初始信号数据，将计算得到的光线的波长值与初始信号数据比较，并根据对比结果发送工作指令。使用中，进一步对所述光波长分析器100测量光波长的原理作详细说明。提供一束入射光，该入射光的功率确定，设为p，波长设为λ。由图7可知，延伸方向确定的碳纳米管对于不同方向的偏振光的穿透率是不同的，当碳纳米管的延伸方向的与偏振光的方向的夹角确定时，光线的穿透率与波长值一一对应，形成光线穿透率-夹角-波长值的数据库。现将穿透率记为t，碳纳米管延伸方向与偏振光方向平行时的穿透率记为tλii，碳纳米管延伸方向与偏振光方向垂直时的穿透率记为tλ⊥。当所述偏振光入射所述碳纳米管结构时，碳纳米管结构内产生温差，继而转化为电能，设能量转化效率为β，其中β只和制备的碳纳米管器件有关，和碳纳米管的延伸方向无关。这时，所述碳纳米管结构两端的电势差u满足公式(1)，u=(1)其中，r为碳纳米管结构的电阻，需要说明的是，本发明中在温度变化范围不大的情况下，碳纳米管结构的电阻近似恒定。同时，对于结构已经确定的碳纳米管结构，其电阻为定值，与光的偏振方向和波长等其他外界因素无关。现以碳纳米管延伸方向与偏振光方向平行和垂直为例，进一步进行推导说明：碳纳米管延伸方向与偏振光的方向平行时，碳纳米管结构的电势差为uii，则uii=；碳纳米管延伸方向与偏振光的方向垂直时，碳纳米管结构的电势差为u⊥，则u⊥=；定义k=，则k====，从图7中可以看出，当碳纳米管延伸方向与偏振光方向的两夹角值为定值时，当取任意波长的入射光，其穿透率差值也是近似固定的。所以，tλ⊥－tλii＝ｃ，c为一定值。则，k==(2)从公式(2)中可以看出，k值与tλ⊥的值是单调对应的，又tλ⊥在碳纳米管延伸方向与偏振光方向的夹角确定时，随波长的增加而增加。因此，k值同入射光的波长是单调对应的。将公式(2)变换形式可得，tλ⊥=1-(3)由公式(3)可知，tλ⊥的值可通过k计算得到，而通过碳纳米管结构在不同条件下的电势差uii和u⊥可计算得到k值，又当碳纳米管延伸方向与偏振光方向的夹角确定时，偏振光穿透率的数值对应唯一波长值。因此，可通过在穿透率-夹角-波长值的数据库中，根据穿透率的数值对应得到光的波长值。又，由塞贝克效应可得，u=ρδt，其中，ρ为塞贝克系数，与材料本身有关。由此可知，当所述碳纳米管结构的电压值变化时，其温差也在相应变化，因此，当在碳纳米管两端连接热电偶时，可相应根据温差计算得到入射光的波长值。所述存储器140内存储有光线波长值数据，其中，所述光线的波长值大于等于300nm的光线数据。具体地，在所述光线波长值数据中可确立初始信号数据为标准数据，为后续的测量数据提供比对标准。所述调制器130的作用是向存储器140中写入标准数据。具体地，所述调制器130按需要将光波长检测器中测量的信号数据经过处理后写入存储器140，并成为标准数据，该标准数据可为后续的测量数据提供标准。当写入存储器140中的标准数据需要重新校正时，可通过所述调制器130重新处理测量数据并写入存储器140中，以确立新的标准数据。所述初始信号数据为调制器130写入存储器140中的标准数据，可通过调制器130按需要进行设定和更改校正。进一步，所述传感器10包括一工作器件150，所述工作器件150用于接收来自光波长分析器100的工作指令，并根据比较结果执行相应动作。当接收到的工作指令为执行时，则工作器件150开启并运行相应动作；当接收到的工作指令为不执行时，则工作器件150不执行任何动作。本发明提供的用于识别特定波长的传感器具有以下优点：通过碳纳米管结构对入射光信号进行处理得到光波长，测量方法简单；由于碳纳米管经偏振光照射产生电势，起到电源作用，该光波长检测器无需设置专门的电源，结构简单，使得所述传感器轻便、体积小。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。当前第1页12