CN107941409A - 一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，所述压力计包括密封空腔和电导测量外电路；其中，密封空腔的一端设有电极引线，另一端设有高分子聚合物薄膜，高分子聚合物薄膜在密封空腔中的一侧涂覆有至少一对金属微电极，金属微电极之间设有金属纳米粒子点阵；电导测量外电路上设有电极，电极与电极引线相连，并对应地连接到金属微电极上。本发明所述压力计具有很高的分辨率，能够稳定工作于不同气压范围的大气环境中；所述压力计结构简单，成本低，能够模块化制备与封装，可用于便携式个人气象站，三维GPS，微机电系统等多种领域。

Description

一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计
技术领域
本发明属于自动检测仪器领域，涉及一种气体压力计的改良装置，具体为一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计。
背景技术
微小气压差的测量在工业过程控制，气体传输，化工自动化，气象测量，GPS三维定位等领域具有重要的意义。目前，根据压力范围、测量精度和成本的不同，已有数十种气压计被实际使用。包括利用U型管两端液面差来测量压力的静态液位真空计，利用与真空相连的容器表面受到压力的作用而产生弹性变形来测量压力值大小的弹性元件真空计，利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成的热偶真空计和皮喇尼(电阻)真空计,利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随压力变化的原理制成的电离真空计等。目前，并不存在能够覆盖从低气压到高气压全部压力范围的单一气压计。所有气压计都是在某一压力范围内才能给出显著的响应，超出这个范围，响应迅速变弱消失。其中，适合在大气压环境中进行测量的气压计，常用的有弹性元件真空计、U型管真空计等。弹性元件真空计灵敏度和精度都很低，U型管真空计精度较好，但尺寸庞大，使用不便。而且两者都不能直接实现数字式测量。近年来，出现了一种可工作于大气压环境下的压阻规，这种气压计响应压力变化的传感器件为附着在金属膜片上的硅片，膜片的内侧标准气压为10-3Pa。当被测的外侧压力大于内侧压力时，金属膜片发生弯曲形变。由于硅的压阻特性，在不同压力作用下，硅片的电阻值将发生变化。这种压阻规可直接实现数字式测量，但其成本甚高，分辨率较低，仅能用于100Pa以上的压差测量。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，本发明采用一种新的气压响应机制来有效提高传统气压计的响应灵敏度，用绝缘的有机高聚物薄膜代替传统压阻规采用的金属箔片，并在薄膜表面涂覆微电极用于测量纳米粒子点阵的电阻，而在微电极间沉积一定覆盖率的金属纳米粒子点阵。由于纳米粒子点阵的隧穿电导对于纳米粒子之间的面间距极度敏感，可通过改变点阵中纳米粒子的间距来改变纳米粒子点阵的电导，并对薄膜基底两侧不同气压导致的薄膜形变做出响应，以测量外部环境的气体压强变化。
技术方案：一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，所述压力计包括密封空腔和电导测量外电路；其中，密封空腔的一端设有电极引线，另一端设有高分子聚合物薄膜，高分子聚合物薄膜在密封空腔中的一侧涂覆有至少一对金属微电极，金属微电极之间设有金属纳米粒子点阵；电导测量外电路上设有电极，电极与电极引线相连，并对应地连接到金属微电极上。
优选的，所述密封空腔的材质为不锈钢、铜、铝、陶瓷或聚四氟乙烯，体积为1mL～100L。
优选的，所述高分子聚合物薄膜的厚度为0.05mm～0.5mm，电阻率在109Ω·m以上，弹性模量在4000MPa以内。
进一步的，所述高分子聚合物薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
优选的，所述金属微电极的材质为金或银，厚度为50nm～300nm，两极间宽度为4μm～30μm。
优选的，所述金属纳米粒子点阵的材质为金、银、钯、铬或铝，覆盖率为30％～90％，电导为10nS～10μS，纳米粒子的粒径为5nm～30nm。
优选的，所述密封空腔内充有空气、氮气、氩气或氦气。
优选的，所述高分子聚合物薄膜通过真空密封固定在密封空腔内，密封空腔一端用以密封固定高分子聚合物薄膜的开口孔径为3mm～50mm。
所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计的组装方式如下：
(1)选择洁净的，表面光滑无划痕的高分子聚合物薄膜，高分子聚合物薄膜可选用聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯等，薄膜的厚度为0.05mm～0.5mm；
(2)在高分子聚合物薄膜上涂覆金属微电极，金属层的厚度为50nm～300nm，电极正负两极之间的间隔控制在4μm～30μm；
(3)在电极之间沉积具有一定覆盖率的金属纳米粒子点阵，金属纳米粒子的粒径可控制在5nm～30nm，覆盖率可以通过调控沉积时间限制在30％～90％，金属纳米粒子的材料可以选择为：金、银、钯、铬、铝等金属；
(4)将沉积好金属纳米粒子点阵的高分子聚合物薄膜通过橡胶圈和法兰密封在内部充有一定气压气体的密封空腔上，并将电极两极连接到密封空腔上带有的电极引线上。密封空腔一端用以密封固定高分子聚合物薄膜的开口孔径可选择为5mm～50mm，密封空腔体的体积为1毫升～100升，腔体内部预先充入空气或纯氮、氩、氦等气体，其气压与气压计的预定工作环境气压相平衡；
(5)将密封空腔上电极引线连接的电极接入测量电导的外电路，并将气压计放置于不同气压环境中标定。
本发明所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计的工作原理在于：本发明采用一种新的气压响应机制以有效提高传统气压计的响应灵敏度，这种响应机制本质上也是一种压力-电阻变化机制。所不同处在于，本发明并非利用传统的金属箔片或半导体薄膜的经典电阻随应变的变化机制，而是利用纳米粒子点阵的量子隧穿电导来响应应变变化。在纳米粒子点阵当中，相邻纳米粒子之间的面间距在1nm量级，故而在点阵两侧施加高于阈值的偏压，纳米粒子点阵就会存在一个隧穿电导。因为电子在两相邻纳米粒子间的隧穿概率随着其面间距的增大而指数衰减，所以纳米粒子点阵的隧穿电导对于发生于衬底上的微小形变的响应是极其灵敏的。由此可以实现用纳米粒子点阵的电导变化来响应因压力变化而引起的柔性衬底的微小形变，进而表征大气环境中气压的微弱变化。
有益效果：(1)本发明所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计能够通过测量金属纳米粒子点阵隧穿电导得到气压的变化值，因此所述气压计可以灵敏地响应引起柔性高分子聚合物薄膜微小形变的气压变化；(2)本发明所述压力计能够稳定工作于不同气压范围的大气环境中；(3)本发明所述压力计具有高电阻、体积小、微能耗的优点；(4)本发明所述压力计具有很高的分辨率，结构简单，成本低，能够模块化制备与封装，可用于便携式个人气象站，三维GPS，微机电系统等多种领域。
附图说明
图1是本发明所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计的结构示意图；
其中，1为密封空腔，2为电极引线，3为高分子聚合物薄膜，4为金属微电极，5为金属纳米粒子点阵，6为电导测量外电路，7为电极；
图2是实施例1中本发明所述压力计在响应20Pa的微小气压变时电导变化曲线；
图3是实施例1中本发明所述压力计的标定曲线；
图4是实施例2中本发明所述压力计的标定曲线；
图5是实施例3中本发明所述压力计在响应0.5Pa的微小气压变化是电导变化曲线；
图6是实施例4中本发明所述压力计中随沉积时间调控纳米粒子点阵的电导和覆盖率关系曲线。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图1所示，一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，所述压力计包括密封空腔1和电导测量外电路6；其中，密封空腔1的一端设有电极引线2，另一端设有高分子聚合物薄膜3，高分子聚合物薄膜3在密封空腔1中的一侧涂覆有至少一对金属微电极4，金属微电极4之间设有金属纳米粒子点阵5；电导测量外电路6上设有电极7，电极7与电极引线2相连，并对应地连接到金属微电极4上。
所述密封腔1的材质为铜、铝、陶瓷或聚四氟乙烯，体积为50mL。
所述高分子聚合物薄膜3的厚度为0.25mm，电阻率为1×109Ω·m，弹性模量为4000MPa。
所述高分子聚合物薄膜3为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述金属微电极4的材质为金，厚度为100nm，两极间宽度为30μm。
所述金属纳米粒子点阵5的材质为钯，覆盖率为47％，电导为100nS，纳米粒子的粒径为15nm。
所述密封空腔1内充有空气。
所述高分子聚合物薄膜3通过橡胶圈和法兰固定在密封空腔1内，密封空腔1一端用以密封固定高分子聚合物薄膜3的开口孔径为16mm。
所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计的组装方式如下：
(1)选择洁净的，表面光滑无划痕的高分子聚合物薄膜3，高分子聚合物薄膜3选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，薄膜的厚度为0.25mm；
(2)在高分子聚合物薄膜3上涂覆金属微电极4，金属层的厚度为100nm，电极正负两极之间的间隔控制在30μm；
(3)在金属微电极4之间沉积具有一定覆盖率的金属纳米粒子点阵5，金属纳米粒子的粒径可控制在15nm，覆盖率通过调控沉积时间限制在47％，金属纳米粒子的材料选择为：钯；
(4)将沉积好金属纳米粒子点阵5的高分子聚合物薄膜3通过橡胶圈和法兰密封在内部充有一定气压气体的密封空腔1上，并将电极7两极连接到密封空腔上带有的电极引线2上。密封空腔1一端用以密封固定高分子聚合物薄膜3的开口孔径选择为16mm，密封空腔1体的体积为50mL，腔体内部预先充入空气，其气压与气压计的预定工作环境气压相平衡；
(5)将密封空腔1上电极引线2连接的电极接入测量电导的外电路，并将气压计放置于不同气压环境中标定。
将气压计首先放置于标准大气压环境中，然后又将其置于比标准大气低20Pa的环境中，测量出了纳米粒子点阵电导实时响应气压变化曲线如附图2所示。
将气压计置于不同的气压环境中所得的标定曲线如附图3所示。
实施例2
实施例2作为补充，以通过改变部分结构，展示出该种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计对微小气压变化响应的不同性能。
结构如图1所示。
所述密封空腔1的材质为不锈钢，体积100mL。
所述高分子聚合物薄膜3的厚度为0.05mm，电阻率为1×109Ω·m，弹性模量为4000MPa。
所述高分子聚合物薄膜3为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述金属微电极4的材质为银，厚度为100nm，两极间宽度为30μm。
所述金属纳米粒子点阵5的材质为银，覆盖率为60％，电导为250nS，纳米粒子的粒径为10nm。
所述密封空腔1内充有空气。
所述高分子聚合物薄膜3通过橡胶圈和法兰固定在密封空腔1内，密封空腔1一端用以密封固定高分子聚合物薄膜3的开口孔径为35mm。
所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计的组装方式如下：
(1)选择洁净的，表面光滑无划痕的高分子聚合物薄膜3，高分子聚合物薄膜3选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，薄膜的厚度为0.05mm；
(2)在高分子聚合物薄膜3上涂覆金属微电极4，金属层的厚度为100nm，电极正负两极之间的间隔控制在30μm；
(3)在金属微电极4之间沉积具有一定覆盖率的金属纳米粒子点阵5，金属纳米粒子的粒径控制在10nm，覆盖率通过调控沉积时间限制在60％，金属纳米粒子的材料选择为：银；
(4)将沉积好金属纳米粒子点阵5的高分子聚合物薄膜3通过橡胶圈和法兰密封在内部充有一定气压气体的密封空腔1上，并将电极7两极连接到密封空腔上带有的电极引线2上。密封空腔1一端用以密封固定高分子聚合物薄膜3的开口孔径选择为35mm，密封空腔1的体积为100mL，腔体内部预先充入空气，其气压与气压计的预定工作环境气压相平衡；
(5)将密封空腔1上电极引线2连接的电极接入测量电导的外电路，并将气压计放置于不同气压环境中标定。
将气压计置于不同的气压环境中所得的标定曲线如附图4所示。
实施例3
实施例3作为补充，以通过改变部分结构，展示出该种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计对微小气压变化响应的不同性能。
结构如图1所示。
所述密封空腔1的材质为不锈钢，体积10L。
所述高分子聚合物薄膜3的厚度为0.05mm，电阻率为1×109Ω·m，弹性模量为4000MPa。
所述高分子聚合物薄膜3为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述金属微电极4的材质为银，厚度为50nm，两极间宽度为15μm。
所述金属纳米粒子点阵5的材质为金，覆盖率为70％，电导为450nS，纳米粒子的粒径为8nm。
所述密封空腔1内充有空气。
所述高分子聚合物薄膜3通过橡胶圈和法兰固定在密封空腔1内，密封空腔1一端用以密封固定高分子聚合物薄膜3的开口孔径为5mm。
所述基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计的组装方式如下：
(1)选择洁净的，表面光滑无划痕的高分子聚合物薄膜3，高分子聚合物薄膜3选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，薄膜的厚度为0.05mm；
(2)在高分子聚合物薄膜3上涂覆金属微电极4，金属层的厚度为50nm，电极正负两极之间的间隔控制在15μm；
(3)在金属微电极4之间沉积具有一定覆盖率的金属纳米粒子点阵5，金属纳米粒子的粒径控制在8nm，覆盖率通过调控沉积时间限制在70％，金属纳米粒子的材料选择为：金；
(4)将沉积好金属纳米粒子点阵5的高分子聚合物薄膜3通过橡胶圈和法兰密封在内部充有一定气压气体的密封空腔1上，并将电极7两极连接到密封空腔上带有的电极引线2上。密封空腔1一端用以密封固定高分子聚合物薄膜3的开口孔径选择为5mm，密封空腔1的体积为10L，腔体内部预先充入空气，其气压与气压计的预定工作环境气压相平衡；
(5)将密封空腔1上电极引线2连接的电极接入测量电导的外电路，并将气压计放置于不同气压环境中标定。
将气压计与一个可调量程的U型管气压计连接后，微小调动环境气压，测量气压计的时间响应曲线如附图5所示。
实施例4
实施例4作为补充，通过调控金属纳米粒子的沉积时间，展示出对该种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计中的纳米粒子点阵的覆盖率以及电导的调控。
将图1所述结构中的高分子聚合物薄膜附带金属微电极取下。
所述高分子聚合物薄膜的厚度为0.05mm，电阻率为1×109Ω·m，弹性模量为4000MPa。
所述高分子聚合物薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述金属微电极的材质为银，厚度为50nm，两极间宽度为15μm。
所述金属纳米粒子点阵的材质为钯，纳米粒子的粒径为10nm。
所述调控该种电阻式气体压力计中的纳米粒子点阵覆盖率与电导的方式如下：
(1)选择洁净的，表面光滑无划痕的高分子聚合物薄膜，高分子聚合物薄膜选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，薄膜的厚度为0.05mm；
(2)在高分子聚合物薄膜上涂覆金属微电极，金属层的厚度为50nm，电极正负两极之间的间隔控制在15μm；
(3)在金属微电极之间沉积具有一定覆盖率的金属纳米粒子点阵，通过控制沉积时间，获得在不同沉积时间下，不同覆盖率和电导的金属纳米粒子点阵，纳米粒子点阵电导与覆盖率随沉积时间的变化关系如附图6所示。

Claims (8)

1.一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述压力计包括密封空腔(1)和电导测量外电路(6)；其中，密封空腔(1)的一端设有电极引线(2)，另一端设有高分子聚合物薄膜(3)，高分子聚合物薄膜(3)在密封空腔(1)中的一侧涂覆有至少一对金属微电极(4)，金属微电极(4)之间设有金属纳米粒子点阵(5)；电导测量外电路(6)上设有电极(7)，电极(7)与电极引线(2)相连，并对应地连接到金属微电极(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述密封空腔(1)的材质为不锈钢、铜、铝、陶瓷或聚四氟乙烯，体积为1mL～100L。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述高分子聚合物薄膜(3)的厚度为0.05mm～0.5mm，电阻率在109Ω·m以上，弹性模量在4000MPa以内。
4.根据权利要求3所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述高分子聚合物薄膜(3)为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述金属微电极(4)的材质为金或银，厚度为50nm～300nm，两极间宽度为4μm～30μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述金属纳米粒子点阵(5)的材质为金、银、钯、铬或铝，覆盖率为30％～90％，电导为10nS～10μS，纳米粒子的粒径为5nm～30nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述密封空腔(1)内充有空气、氮气、氩气或氦气。
8.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计，其特征在于，所述高分子聚合物薄膜(3)通过真空密封固定在密封空腔(1)内，密封空腔(1)一端用以密封固定高分子聚合物薄膜(3)的开口孔径为3mm～50mm。
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