CN107764466A - 一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力传感器领域,公开了一种基于石墨烯的压阻式真空计,若干个石墨烯传感元件,包括多个堆叠的石墨烯片;载体,包括柔性载体,柔性载体包覆于石墨烯传感元件的外表面,并与石墨烯传感元件紧密贴合;电极,电极与石墨烯传感元件的外表面连接,构成监测电流的回路。本发明还公开一种基于石墨烯的压阻式真空计的制作方法,包括制作石墨烯传感元件,连接电极和载体包裹。本发明提供的一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法,利用石墨烯传感元件的方式进行真空度的测量,其具有灵敏度高、成本低、响应速度快、测量误差小等优点,具有广阔的市场应用价值和前景。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器领域,特别是涉及一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法。
背景技术
真空技术是广泛应用于许多行业和科学研究的技术,例如半导体技术、表面工程和空间科学等。因此,精确测量真空压力对于先进的研究和生产至关重要。行业通常采用的真空计包括电容式、导热式和电离式。对于电容式直接测量真空计,可以很精确测量在真空和大气环境之间的压力差,但其可测量的真空范围仅限于真空范围的三到四个数量级(例如,10-3-1,1-1000,10-1-100Torr),而很难测量低于10-5Torr的压力。另外最常用的两种真空计是导热式和电离式,其压力测量范围分别为1-10-4Torr和10-2-10-12Torr。这些真空计的测量误差非常高,导热型真空计的误差约为30%,而电离式真空计超过10%。另外,当前真空传感器的尺寸较大,功率高,很难实现无线测量或对小型腔体的测量。目前的真空计不能直接测量气体分子从腔外扩散至腔内的速度。因此发展一种具有微纳结构、低成本和高灵敏度的真空压力计显得十分迫切。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法,解决现有技术中真空计测量灵敏度低,误差大,成本高,占地面积大,能耗大的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,包括:
若干个石墨烯传感元件,包括多个堆叠的石墨烯片;
载体,包括柔性载体,所述柔性载体包覆于所述石墨烯传感元件的外表面,并与所述石墨烯传感元件紧密贴合;
电极,所述电极与所述石墨烯传感元件的外表面连接,构成监测电流的回路。
其中,所述载体还包括刚性载体,所述柔性载体粘附于所述刚性载体或放置于两片所述刚性载体之间。
其中,所述电极包括通过金属互连引出的导线或溅射的金属电极。
其中,所述石墨烯传感元件位于所述柔性载体的力学中心位置。
其中,所述石墨烯传感元件为一个或多个阵列。
其中,所述多个石墨烯片上下对齐堆叠或错开堆叠。
其中,所述石墨烯片为微纳结构。
其中,所述石墨烯传感元件还包括定位装置和引线引出装置,所述定位装置用于定位所述石墨烯片,所述电极通过所述引线引出装置与所述石墨烯传感元件的外表面连接,构成监测电流的回路。
本发明还公开一种基于石墨烯的压阻式真空计的制作方法,其特征在于,包括:
S1、利用化学法以及激光直写法制备堆叠的石墨烯片,构成石墨烯传感元件;
S2、由金属互连引出的导线和溅射的金属电极制作电极,并连接在石墨烯传感元件的外表面;
S3、将柔性载体包覆于石墨烯传感元件的外表面,并与石墨烯传感元件紧密贴合。
其中,还包括:
S4、将柔性载体粘附于刚性载体或放置于两片所述刚性载体之间。
(三)有益效果
本发明提供的一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法,利用石墨烯传感元件的方式进行真空度的测量,其具有灵敏度高、成本低、响应速度快、测量误差小等优点,具有广阔的市场应用价值和前景。本发明可以准确、快速地测量真空压力;并且采用石墨烯片状结构可以大大减小响应时间的拖尾;还可以提高真空计的耐久性,功率损耗也更低;适用于薄而小的装置中。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于石墨烯的压阻式真空计的立体结构示意图;
图2为本发明实施例一种基于石墨烯的压阻式真空计的正面结构示意图;
图3为本发明实施例一种基于石墨烯的压阻式真空计的俯视结构示意图;
图4为本发明实施例一种基于石墨烯的压阻式真空计的阵列结构示意图。
图中,1、石墨烯传感元件;2、载体;3、电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示,若干个石墨烯传感元件1,包括多个堆叠的石墨烯片;
载体2,包括柔性载体,柔性载体包覆于石墨烯传感元件1的外表面,并与石墨烯传感元件1紧密贴合;
电极3,电极3与石墨烯传感元件1的外表面连接,构成监测电流的回路。
具体的,采用多个堆叠的石墨烯片组成石墨烯传感元件1,当载体2受到外部压力时,载体2将受力载荷传递给石墨烯传感元件1,石墨烯传感元件1中的石墨烯片会受力使石墨烯片之间的间距发生改变,导致石墨烯传感元件压缩变形。由于石墨烯传感元件具有较高的电阻应变灵敏系数,石墨烯传感元件发生形变会导致其电阻发生变化。电极连接在石墨烯传感元件的两端,构成监测电流的回路。当石墨烯传感元件的电阻发生改变时,回路中的监测电流发生改变,从而测得环境气压。其中,石墨烯片堆叠的结构能够对压力产生更灵敏的响应,测量误差更小,尺寸也大大减小;柔性载体可以为立方体结构,也可为薄膜。柔性载体应当具有可塑性、绝缘、弹性形变能力优异等特点,柔性载体不仅可以传递受力载荷,还可以保护石墨烯传感元件不受外界环境污染,延长真空计的使用寿命。具体的,柔性载体可以选用PDMS(聚二甲基硅氧烷聚合物材料),织布等。石墨烯片状之间的缝隙可以密封一定量的空气,也可以抽成真空。调节石墨烯片状之间的气压可以起到调节本真空计量程的作用。
本发明采用石墨烯片状结构可以大大减小响应时间的拖尾,这是因为这种结构减小了气体分子的扩散途径,其途径是基于纳米级别的;采用石墨烯片状结构可以提高真空计的耐久性,功率损耗也更低,这是因为在石墨烯片状因气压改变而发生形变时,石墨烯片状的移动是基于纳米级别的。
本发明提供的一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法,利用石墨烯传感元件的方式进行真空度的测量,其具有灵敏度高、成本低、响应速度快、测量误差小等优点,具有广阔的市场应用价值和前景。本发明可以准确、快速地测量真空压力;并且采用石墨烯片状堆叠的方式,其反应响应速度很快,同时反应时间的拖尾也大大减小,灵敏度也有显著提升,量程的下限也显著减小,能够测到更低的气压,测量也更加准确;石墨烯片状堆叠的真空计的体积和功耗都很小,可以用于薄而小的装置中。
其中,载体2还包括刚性载体,柔性载体粘附于刚性载体或放置于两片刚性载体之间,刚性载体其既可以传递载荷,还可以给本发明的真空计提供支撑。具体的,刚性载体的材料为玻璃衬底,VCD盘等。
其中,电极3包括通过金属互连引出的导线或溅射的金属电极。
优选地,金属互连的材料为铜、银或金。
其中,石墨烯传感元件1位于柔性载体的力学中心位置,以便测量更加精准。
如图1、图2、图3和图4所示,石墨烯传感元件1为一个或多个阵列。优选地,多个石墨烯片上下对齐堆叠或错开堆叠。实施例1:如图1所示分为,左、中、右三个石墨烯传感元件1,其中,中间的石墨烯传感元件1均与在其左面和右面的石墨烯传感元件1有重叠部分,因此图1中为三个石墨烯传感元件1阵列排布,其石墨烯片具有上下对齐堆叠和错开堆叠的结构。实施例2:如图2所示,其为各石墨烯片错开堆叠的结构。实施例3:如图2所示,其为多个石墨烯传感元件1阵列排布,其石墨烯片具有上下对齐堆叠和错开堆叠的结构。实施例4:如图4所示,其为石墨烯传感元件1分为两排阵列,且每排具有五个石墨烯传感元件1。
其中,石墨烯传感元件1还包括定位装置和引线引出装置,定位装置用于定位石墨烯片,电极3通过引线引出装置与石墨烯传感元件1的外表面连接,构成监测电流的回路。
其中,石墨烯片为微纳结构。
本发明还公开一种基于石墨烯的压阻式真空计的制作方法,其特征在于,包括:
S1、利用化学法以及激光直写法制备堆叠的石墨烯片,构成石墨烯传感元件;
S2、由金属互连引出的导线和溅射的金属电极制作电极,并连接在石墨烯传感元件的外表面;
S3、将柔性载体包覆于石墨烯传感元件的外表面,并与石墨烯传感元件紧密贴合。
具体的,化学法制备堆叠的石墨烯片包括:
(1)在基底上溅射电极;
(2)在冰浴器中放入1g碳纳米管,之后加入150mlH2SO4(98%)和20mlH3PO4(85%),之后加入12gKMnO4;
(3)静置10分钟后,混合物加热到45℃,并搅动24h;
(4)加入30ml蒸馏水,静置30分钟,然后加入H2O2,直到混合物中的气泡消失;
(5)用离心机分离,用5%HCl清洗3次;
(6)之后残留物被适量HCl溶解,用离心机分离,一直重复,直到上层清液呈微黄棕色;
(7)用蒸馏水进行透析,移除杂质;
(8)将5ml的样品和1ml的联氨溶液混合,之后将混合物适量滴在衬底上的电极之间,在60℃下烘干,再在空气中200℃加热1h,在真空中450℃加热1h。
激光直写法制备堆叠的石墨烯片:
用溶液成膜法在基底上成膜,之后用适用功率的激光直写,刻画出一定的形状,之后用银浆等形成电极。
其中,还包括:
S4、将柔性载体粘附于刚性载体或放置于两片刚性载体之间。
本发明提供的一种基于石墨烯的压阻式真空计及其制作方法,利用石墨烯传感元件的方式进行真空度的测量,其具有灵敏度高、成本低、响应速度快、测量误差小等优点,具有广阔的市场应用价值和前景。本发明可以准确、快速地测量真空压力;并且采用石墨烯片状结构可以大大减小响应时间的拖尾;还可以提高真空计的耐久性,功率损耗也更低;适用于薄而小的装置中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,包括:
若干个石墨烯传感元件(1),包括多个堆叠的石墨烯片;
载体(2),包括柔性载体,所述柔性载体包覆于所述石墨烯传感元件(1)的外表面,并与所述石墨烯传感元件(1)紧密贴合;
电极(3),所述电极(3)与所述石墨烯传感元件(1)的外表面连接,构成监测电流的回路。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述载体(2)还包括刚性载体,所述柔性载体粘附于所述刚性载体或放置于两片所述刚性载体之间。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述电极(3)包括通过金属互连引出的导线或溅射的金属电极。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述石墨烯传感元件(1)位于所述柔性载体的力学中心位置。
5.如权利要求1所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述石墨烯传感元件(1)为一个或多个阵列。
6.如权利要求5所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述多个石墨烯片上下对齐堆叠或错开堆叠。
7.如权利要求1所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述石墨烯片为微纳结构。
8.如权利要求1所述的基于石墨烯的压阻式真空计,其特征在于,所述石墨烯传感元件(1)还包括定位装置和引线引出装置,所述定位装置用于定位所述石墨烯片,所述电极(3)通过所述引线引出装置与所述石墨烯传感元件(1)的外表面连接,构成监测电流的回路。
9.一种基于石墨烯的压阻式真空计的制作方法,其特征在于,包括:
S1、利用化学法以及激光直写法制备堆叠的石墨烯片,构成石墨烯传感元件;
S2、由金属互连引出的导线和溅射的金属电极制作电极,并连接在石墨烯传感元件的外表面;
S3、将柔性载体包覆于石墨烯传感元件的外表面,并与石墨烯传感元件紧密贴合。
10.如权利要求9所述的基于石墨烯的压阻式真空计的制作方法,其特征在于,还包括:
S4、将柔性载体粘附于刚性载体或放置于两片所述刚性载体之间。
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