CN104819804B - 一种压阻式真空计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压阻式真空计，其中包括石墨烯传感元件、柔性载体以及导线，所述石墨传感元件中包括石墨烯中空管道。所述柔性载体包覆所述石墨烯传感元件，并将所述石墨烯中空管道密封，所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，以使所述柔性载体产生形变时，所述石墨烯传感元件随所述柔性载体一同形变。所述导线与所述石墨烯传感元件连接，用于构成监测电流回路。本发明提供的真空计形变能力强、压敏系数高，量程和灵敏度与现有压阻式真空计相比具有显著提升。另一方面，本发明还提供了一种压阻式真空计的制造方法。

Description

一种压阻式真空计及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于测量环境气压的真空计。

背景技术

真空计是在科研和工业生产中广泛使用的一类测量真空度或气压的仪器。按其测量过程中利用的物理原理可分为三大类：利用力学性能、利用气体动力学效应和利用带电粒子效应的真空计。由于机制所限，每一类真空计仅能测量一定的范围，具有有限的量程，且在相互衔接的区域，往往造成较大的误差。

利用力学性能的真空计是目前最常用的一类真空计，其中，压阻式真空计作为利用力学性能真空计的典型代表，其原理是在不同压力下压敏元件膜片受力不同会有不同尺度的变形，导致压敏元件电阻发生变化，通过测量电阻的变化量，可以获得气压变化。压敏元件通常采用金属或者掺杂的半导体材料制成。金属压阻式真空计具有量程大，使用便捷的优点，但是形变能力差，压敏系数较低。半导体压阻式真空计具有优异的压敏系数，但是形变能力差限制了其实际应用。相对的，薄膜电容式真空计的灵敏度很高，能够克服压阻式真空计的缺点，但是薄膜式真空计的量程较小，且对使用环境有一定要求。

所以，综上所述，有必要提供一种新型的压阻式真空计，既具有优秀的形变能力和压敏系数，又具有使用便捷、不受环境限制的特点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种应变能力强、压敏系数高的真空计。

根据本发明的一个方面，提供了一种压阻式真空计，其中包括：

石墨烯传感元件，所述石墨烯传感元件包括石墨烯中空管道；

柔性载体，所述柔性载体包覆所述石墨烯传感元件，并将所述石墨烯中空管道密封，所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，以使所述石墨烯传感元件在所述柔性载体产生形变时随所述柔性载体一同形变；

至少两支导线，所述导线与所述石墨烯传感元件连接。

所述石墨烯传感元件包括沿不同方向延伸的石墨烯中空管道，且不同方向的石墨烯中空管道相互贯通，形成具有网络状管道结构的石墨烯传感元件。所述导线可以与所述石墨烯中空管道的端部连接。所述石墨烯中空管道内部可以抽真空也可以充入一定量的气体。

所述石墨烯传感元件可以位于所述柔性载体的力学中性位置，所述柔性载体的材料可以是聚二甲基硅氧烷或者环氧树脂。

所述压阻式真空计中还可以包括金属互连，所述金属互连设置在所述石墨烯中空管道的端部，所述导线通过所述金属互连与所述石墨烯中空管道连接。

另一方面，本发明还提供了一种制造上述压阻式真空计的方法，其中包括：

步骤1、提供生长衬底，在所述生长衬底表面进行化学气相沉积，生长石墨烯传感元件；

步骤2、在所述生长衬底和石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述柔性载体将所述石墨烯传感元件密封，并与石墨烯传感元件紧密接合；

步骤3、在所述柔性载体上设置刻蚀开口，刻蚀去除所述生长衬底；

步骤4、在所述石墨烯传感元件上连接导线，并密封所述刻蚀开口。

所述制造方法还包括在所述步骤1与步骤2之间进行的在所述石墨烯传感元件上形成金属互连的步骤；

所述步骤2还包括，所述柔性载体将所述金属互连密封；

所述步骤3还包括，所述刻蚀开口避开所述金属互连；

所述步骤4还包括，所述导线连接在所述金属互连上，导线通过金属互连与所述石墨烯传感元件连接。

或者，所述步骤3可以包括，保留部分所述生长衬底作为金属互连；

所述步骤4还包括，所述导线连接在所述金属互连上，导线通过金属互连与所述石墨烯传感元件连接。

本发明提供的压阻式真空计中使用石墨烯作为压敏传感元件，石墨烯材料具有管道状宏观结构，能够对管道内外的压差作出形变响应，从而引起电阻变化。本发明的真空计灵敏度和量程均能够得到极大提高。此外，柔性载体提供了密封腔室，保护传感元件不被外界环境污染，器件的稳定性得到极大提升。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明具体实施例中所述压阻式真空计的立体结构示意图；

图2是本发明具体实施例中所述压阻式真空计的俯视结构示意图；

图3是本发明具体实施例中所述压阻式真空计的正视截面示意图；

图4是本发明具体实施例中所述压阻式真空计制造方法的流程框图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种压阻式真空计，其中包括：石墨烯传感元件、柔性载体以及导线，所述石墨烯传感元件中包括至少一条石墨烯中空管道。所述柔性载体形成在所述石墨烯传感元件周围，与所述石墨烯传感元件紧密结合并将其密封。所述石墨烯中空管道在所述柔性载体内部形成中空结构，其紧贴在柔性载体的内壁上，当所述柔性载体受到外部的压力而产生压缩变形时，所述柔性载体会将受力载荷传递给石墨烯传感元件，所述石墨烯中空管道会一同发生压缩变形；由于石墨烯中空管道被所述柔性载体密封，所以其中封入的空气量恒定，当外部压力减小时，石墨烯中空管道内的压力会使石墨烯中空管道和柔性载体产生膨胀变形。所述石墨烯传感元件的具有较高的电阻应变灵敏系数，当自身产生形变时，电阻会随之产生变化。所述导线与所述石墨烯传感元件连接，在本发明所述的压阻式真空计中，至少包括两支导线分别连接在石墨烯传感元件上的导线，以构成监测电流的导通回路。当所述石墨烯传感元件的电阻产生变化时，通过测量监测电流的变化程度，可以获得环境气压的大小。所述石墨烯传感元件除包括石墨烯中空管道外，还可以包括其它用于连接电路、限制自身位置的部件。

优选的，为了提高所述压阻式真空计对各个方向气压变化的监测能力，所述石墨烯传感元件2可以包括多条不同方向的石墨烯中空管道21，所述石墨烯中空管道21相互贯通，构成具有网络状管道结构的石墨烯传感元件2。如图1所示，方向不同的石墨烯中空管道21相互连通交错，形成管道网络。特别的，这种结构能够对平行于管道网络方向的压力变化具有更灵敏的响应，在外部载荷的作用下，石墨烯中空管道21的电阻呈现指数级变化趋势，并且具有优异的形变能力，能够使真空计实现高灵敏度、大量程的特点。在本发明的其他实施方式中，所述石墨烯传感元件2中还可以包括多个方向的石墨烯中空管道21，所述石墨烯中空管道21可以组成立体的网络状管道结构，能够对更多方向实现更灵敏的响应。

特别的，为了使监测所述石墨烯传感元件2的整体形变情况，所述导线3可以连接在所述石墨烯中空管道21的两端。本发明所述的压阻式真空计中可以设置多支导线3，用于监测所述石墨烯传感元件2不同位置的形变情况。例如，所述石墨烯中空管道21为网络状管道结构时，可选的，导线3可以连接在各个中空管道的端部。本发明并不限制所述导线3连接在石墨烯传感元件2上的位置，本领域技术人员可以根据实际需要在所述石墨烯传感元件2的各个位置连接导线3。另外，用于连接导线3的位置可以不被所述柔性载体1密封，但是，仍需保证石墨烯中空管道21的内部是密封状态。

根据所述石墨烯传感元件2的结构特点，所述柔性载体1的外形可以呈立方体结构，也可以呈薄膜状。如图2、3所示，所述柔性载体1作为本发明真空计的受力件，其外壁可以与所述石墨烯中空管道21的端面平行，以使自身的受力形变方式与所述石墨烯传感元件2相匹配。另外，所述柔性载体1可以将所述石墨烯传感元件2容纳在自身的力学中性位置，以避免除气压差之外的其它作用力干扰石墨烯传感元件2正常工作。

优选的，根据本发明所述压阻式真空计的使用情况，所述石墨烯中空管道21中可以密封一定量的气体，也可以抽成真空。调节所述石墨烯中空管道21内的气压可以改变管道内外压差，从而起到调节本发明真空计量程的作用。另外，为了保护所述石墨烯传感元件2、提高真空计的精确度，本领域技术人员可以将所述石墨烯中空管道21中的空气抽出后充入惰性气体。所述压阻式真空计的量程还可以通过改变石墨烯中空管道21的直径、柔性载体1的厚度和弹性模量等方法进行调整。

所述柔性载体1具有可塑性、弹性形变能力优异、绝缘等特点。在具体实施中，所述柔性载体1可以采用聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。聚二甲基硅氧烷可以通过浇注的方式形成在所述石墨烯传感元件2周围，并紧密包覆在石墨烯传感元件2上，以将气压变化产生的载荷传递到石墨烯传感元件2中。调整所述柔性材料的成分配比可以改变其自身的弹性模量，从而调节所述真空计的量程。本领域技术人员可以根据所述真空计的实际使用情况，选择柔性载体1的材料，本发明并不对此进行限制。

特别的，所述压阻式真空计中还可以包括金属互连4。所述金属互连4用于为石墨烯传感元件与导线3之间提供良好的连接条件。所述金属互连4具有良好的导电能力，通常可以由导电银胶、铜质材料等材料构成。所述金属互连4可以形成在所述石墨烯传感元件上任何需要连接导线3的位置，优选的，如图1、2所示，所述金属互连4可以设置在所述石墨烯中空管道21的端部。根据对金属互连4的不同性能要求和工艺步骤，所述金属互连4可以填充在所述石墨烯中空管道21端部的内部，也可以形成在所述石墨烯中空管道21端部的外表面。例如，通过涂覆导电银胶的方式形成的金属互连4，可以位于中空管道端部的外表面和内部。

本发明提供的压阻式真空计极大的提高了压阻式真空计的灵敏度和量程，而且，测量不受待测气体的影响，不必在测试前根据气体种类设置设备的工作参数。另一方面，被柔性载体密封的传感元件能够避免污染，真空计的可靠性和使用寿命得到了提升。

本发明还提供了制造上述压阻式真空计的方法，如图4所示，其中包括：

步骤1、提供元件生长衬底，在所述生长衬底表面进行化学气相沉积，生长石墨烯传感元件。

在所述步骤1中，所述生长衬底的宏观结构决定所述石墨烯传感元件的结构形状。例如，需要制作具有网络状管道结构的石墨烯传感元件时，可以采用交叉的铜丝网作为生长衬底，铜丝的直径决定所述石墨烯中空管道的内径，铜丝网的大小决定所述石墨烯传感元件的大小。在其它实施方式中，如果只需要平行设置的石墨烯中空管道，则可以使用铜丝作为生长衬底。

所述化学气相沉积可以在反应炉中进行。将所述生长衬底放入反应炉中，并向反应炉内通入碳源气体，通过工艺控制可以是所述碳源气体中的碳原子以石墨烯的形式沉积在所述生长衬底表面上。特别的，经过一定的沉积过程后，可以快速将所述生长衬底从反应炉中取出，对沉积在生长衬底上的石墨烯进行急冷处理，以使石墨烯材料在微观上呈鳞片式结构，石墨烯晶片之间相互搭接，堆叠排列构成整体的石墨烯结构。鳞片式结构的石墨烯材料在产生形变时，晶片之间的搭接部分会增大或减小，从而大幅提高自身电阻的应变灵敏系数，电阻随形变程度呈指数级变化。

其后，进入步骤2、在所述生长衬底和石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述柔性载体将所述石墨烯传感元件密封，并与石墨烯传感元件紧密接合。

在具体的实施例中，可以将所述生长衬底放入浇注模具中，在模具中注入聚二甲基硅氧烷，使所述生长衬底完全浸在聚二甲基硅氧烷中。聚二甲基硅氧烷具有注塑成型的特点，凝固后即形成柔性载体，所述柔性载体将所述生长衬底及其上的石墨烯传感元件密封在内部，并与其紧密贴合。

在步骤3中，可以在所述柔性载体上设置至少一个刻蚀开口，暴露其中的生长衬底，然后将柔性载体浸入刻蚀液中，刻蚀去除所述生长衬底。例如所述生长衬底为铜，则可以将柔性衬底放入氯化铁溶液中。由于所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，所以去除生长衬底后，所述石墨传感元件仍附着在所述柔性载体的内壁中，形成所述石墨烯中空管道。特别的，通过控制刻蚀液的浓度、刻蚀时间等因素，可以完全刻蚀去除生长衬底或保留部分生长衬底。为了控制刻蚀步骤的情况，本领域技术人员可以在所述柔性载体上开设多个刻蚀开口，本发明对此不做具体限制。

而后进入步骤4，在所述石墨烯传感元件上连接导线，并将所述刻蚀开口密封。所述导线可以直接从刻蚀开口中穿入，连接在所述石墨烯传感元件上，也可以连接在预先设定的其它位置上。如果导线的直接连接在刻蚀开口的位置，则连接完导线后在将连接处的柔性载体密封。如果导线连接在预先设定的其它位置上，需要将连接导线位置处的柔性载体刮开，露出其中的传感元件或其它连接部件。在连接完导线后，可以将刻蚀开口和连接导线的位置一同密封。

特别的，为了强化所述导线与石墨烯传感元件的连接可靠性，可以在所述石墨烯传感元件上设置金属互连，所述导线与所述金属互连连接，通过金属互连与所述石墨烯传感元件产生电连接。具体的，在所述步骤1与步骤2之间，还可以包括在所述石墨烯传感元件上需要连接导线的位置设置金属互连的步骤。例如图2所示，在所述石墨烯中空管道的两端设置金属互连。在步骤2中，所述柔性载体应将所述金属互连一同密封，步骤3中设置的刻蚀开口应尽量避开所述金属互连，方式刻蚀过程损坏金属互连。在步骤4中，可以将所述金属互连外的柔性载体刮开，将所述导线连接在金属互连上，导线通过金属互连与石墨烯传感元件电连接。所述金属互连可以是涂覆在石墨烯中空管道端部的导电银胶或其它材料，本发明不对此进行具体限制。这种设置金属互连的工艺步骤较多，但实施方便，金属互连的设置位置不受限制。

在另一种实施方式中，所述生长衬底为铜等导电性能良好的材料时，在步骤3中，通过刻蚀控制，在需要连接导线的位置保留部分生长衬底，以作为金属互连。具体的，可以在无需形成金属互连的位置处设置刻蚀开口，并通过控制刻蚀液的浓度、量以及刻蚀时间，使预设金属互连位置处的生长衬底不被刻蚀去除。在步骤4中，可以将设置有金属互连处的柔性载体刮去，从而露出金属互连，以供连接导线。这种设置金属互连的工艺步骤较少，且由于金属互连即为保留的生长衬底，所以金属互连与石墨烯传感元件具有良好的接触。但是，由于需要对刻蚀步骤进行精确控制，且金属互连的位置受到刻蚀开口位置、石墨烯传感元件结构等因素的影响，所以这种工艺方法实施难度稍大。

以上是本发明提供的压阻式真空计及其制造方法，虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种压阻式真空计，其特征在于，包括：

石墨烯传感元件(2)，所述石墨烯传感元件(2)包括石墨烯中空管道(21)；

柔性载体(1)，所述柔性载体(1)包覆所述石墨烯传感元件(2)，并将所述石墨烯中空管道(21)密封，所述柔性载体(1)与所述石墨烯传感元件(2)紧密接合，以使所述石墨烯传感元件(2)在所述柔性载体(1)产生形变时随所述柔性载体(1)一同形变；以及，

至少两支导线(3)；

金属互连(4)，所述金属互连(4)设置在所述石墨烯中空管道(21)的端部，所述导线(3)通过所述金属互连(4)与所述石墨烯中空管道(21)的端部连接。

2.根据权利要求1所述的压阻式真空计，其特征在于，所述石墨烯传感元件(2)包括沿不同方向延伸的石墨烯中空管道(21)，且不同方向的石墨烯中空管道(21)相互贯通形成具有网络状管道结构的石墨烯传感元件(2)。

3.根据权利要求1所述的压阻式真空计，其特征在于，所述导线(3)与所述石墨烯中空管道(21)的端部连接。

4.根据权利要求1所述的压阻式真空计，其特征在于，所述石墨烯传感元件(2)位于所述柔性载体(1)的力学中性位置。

5.根据权利要求1所述的压阻式真空计，其特征在于，所述石墨烯中空管道(21)内部真空。

6.根据权利要求1所述的压阻式真空计，其特征在于，所述柔性载体(1)的材料为聚二甲基硅氧烷。

7.一种压阻式真空计的制造方法，其中包括：

步骤1、提供生长衬底，在所述生长衬底表面进行化学气相沉积，生长石墨烯传感元件，在所述石墨烯传感元件上形成金属互连；

步骤2、在所述生长衬底和石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述柔性载体将所述石墨烯传感元件和金属互连密封，并与石墨烯传感元件紧密接合；

步骤3、在所述柔性载体上设置刻蚀开口，所述刻蚀开口避开所述金属互连，刻蚀去除所述生长衬底；

步骤4、在所述金属互连上连接导线，导线通过金属互连与所述石墨烯传感元件连接，密封所述刻蚀开口。

8.根据权利要求7所述的压阻式真空计制造方法，其特征在于，所述步骤3包括，保留部分所述生长衬底作为金属互连；

所述步骤4还包括，所述导线连接在所述金属互连上，导线通过金属互连与所述石墨烯传感元件连接。