CN108332888B - 一种全碳气凝胶压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全碳气凝胶压力传感器，属于传感器技术领域。其主体基于碳材料制备，组成单元包括：碳或碳基气凝胶弹性体；碳或碳基电极；碳或碳基导线；和电信号测量装置；所述的电信号测量为测量所述电极与碳气凝胶弹性体之间接触电信号及其变化。其中，所述碳气凝胶为弹性导电碳气凝胶；所述弹性导电碳气凝胶材料具有一定的导电性、具有良好的弹性并具有多孔网络结构。本发明提供的碳气凝胶压力传感器探测下限低、高灵敏度、可探测全向压力、质量轻、耐酸碱和盐腐蚀、使用温度范围宽，可应用于极端环境和空天领域。

Description

一种全碳气凝胶压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种全碳气凝胶压力传感器。
背景技术
压力是生产和生活中常需要进行测量或者进行动态监测的物理量，现有的常见的压力传感器有金属应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电压力传感器以及半导体压力传感器等。这些压力传感器采用的敏感材料，比如钢铁、硅等具有高的杨氏模量和低的灵敏系数，从而导致这几类传感器对小压力的探测能力弱，也就是探测下限较高，高达数个kPa。近些年来发展的采用杨氏模量较小的掺入碳或者金属颗粒的导电橡胶作为敏感材料的新型压力传感器与传统的压力传感器相比，具有更低的探测下限，约100Pa，而10Pa左右对应人触觉上的轻轻的触碰，所此类传感器也无法和人的自然皮肤触觉探测下限相比拟。同时，传统的压力传感器结构单一；电极和敏感材料之间需要银胶等粘结剂来固定以减少界面接触电阻的影响，所以电极不能活动的，不能测量任意方向上的压力；尤其是传统的压力传感器有质量较重、对酸碱盐等恶劣环境、使用温度范围窄、无法在极端条件和航空领域应用等缺点，难以满足压力探测领域的需求的飞速发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种探测下限低的、高灵敏度的、可探测全向压力、质量轻、耐腐蚀、使用温度范围宽和面向空间应用的压力传感器。
特别地，本发明提供的一种碳基气凝胶压力传感器，其特征在于，其主体基于碳材料制备，组成单元包括：
碳或碳基气凝胶弹性体(简称为碳气凝胶)；
碳或碳基电极；
碳或碳基导线；和
电信号测量装置；
所述的电信号测量为测量所述电极与所述气凝胶之间接触电信号及其变化。
其中，所述碳或碳基气凝胶弹性体为弹性导电的碳或碳基气凝胶，具有一定的导电性、具有良好的弹性并具有多孔网络结构。
其中，所述的碳气凝胶包括碳海绵；其中，所述的碳基气凝胶包括碳基复合气凝胶或碳基复合海绵。
进一步地，当所述的传感器的测量电路导通时，所述电极和碳气凝胶之间直接接触；所述电极和碳气凝胶之间不存在任何粘结剂或者机械连接固定。
进一步地，所述碳或碳基气凝胶(简称为碳气凝胶)的导电性良好；
优选地，所述碳气凝胶的电导率大于0.01S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括0.01S/m-0.05S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括0.05S/m-0.1S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括0.1S/m-1S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括1S/m-45S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括45S/m-55S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括55S/m-100S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括100S/m-1000S/m。
可选地，碳气凝胶的电导率范围包括大于1000S/m。
进一步地，所述碳气凝胶在加载一定的压缩应变后能完全回复或者部分回复；
优选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例可调。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括0.1-20％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括20-40％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括40％-60％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括小于60％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括大于等于60％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括60-80％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括70-90％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括90-95.9％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括96-99.9％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括98.5-100％。
进一步地，所述的碳气凝胶弹性应变的范围可调；
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括0.01-10％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括10-20％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括20％-40％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括40-60％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括小于60％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括大于等于60％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括60-90％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括90-95％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括96-99.9％。
可选地，所述的碳气凝胶弹性应变范围包括98.5-100％。
所述的碳气凝胶压力传感器，其特征在于，所述传感器的弹性体、电极和导线的材质的组成主体元素为碳元素；
可选地，所述的弹性体、电极和导线材质为碳材料；
可选地，所述的弹性体、电极和导线材质为碳基复合材料；。
进一步地，所述碳气凝胶为有弹性的导电碳气凝胶；
所述的弹性导电碳气凝胶的材质不限；
可选地，所述碳气凝胶包括具有弹性的碳纳米管及其复合碳气凝胶；
可选地，所述碳气凝胶包括具有弹性的石墨烯其复合碳气凝胶；
可选地，所述碳气凝胶包括具有弹性的碳纤维及其复合碳气凝胶；
可选地，所述的碳气凝胶包括具有弹性的其他碳材料的气凝胶及其复合气凝胶。
进一步地,所述的碳气凝胶的孔隙率大于60％。
可选地，所述碳气凝胶的孔隙率范围包括60％-70％。
可选地，所述碳气凝胶的孔隙率范围包括60％-70％。
可选地，所述碳气凝胶的孔隙率范围包括70％-80％。
可选地，所述碳气凝胶的孔隙率范围包括80％-85％。
可选地，所述碳气凝胶的孔隙率范围包括85％-90％。
可选地，所述碳气凝胶的孔隙率范围包括大于90％。
进一步地，所述碳气凝胶可为任意形状。优选的，可为球体、立方体、圆柱体、多边形柱体；不规则的几何体；任意形状的薄片、薄膜或者纤维等。弹性导电碳气凝胶尺寸上不限，最薄可达1纳米。弹性导电碳气凝胶维度上不限，可以为三维的块体状、二维的纳米片状和一维的纳米线状。
进一步地，所述碳电极和碳导线为材质为碳材料，可为碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或者几种的复合材料。
进一步地，所述位于碳气凝胶上的电极的位置和数目可任意改变；
可选地，所述电极固定放置；
可选地，所述电极自由放置；
可选地，所述电极对称放置；
可选地，所述电极不对称放置。
可选地，所述电极可以放在碳气凝胶的内部，也可以放在碳气凝胶的外表面。
进一步地，所述碳气凝胶压力传感器能探测一个或者多个方向上的压力。
进一步地，所述电极的形态可以不限；
可选地，电极为平板型；
可选地，电极为探针型；
可选地，电极可以直接用探测装置的电极，不需要外加新的电极。
进一步地，所述碳气凝胶压力传感器输出的电信号是电流、电阻或者电压中的一种或几种。
进一步地，所述的接触电信号为碳气凝胶和电极的接触界面的电信号，为接触面上的压力导致的电流、电阻或者电压及其变化中的一种或几种。
所述的碳气凝胶和电极的接触界面个数可变；
1)界面个数为0，当传感器处于初始状态时，电极和碳气凝胶可以暂时没产生接触，即0个接触面；
2)界面个数为1，探测单个方向上的压力时，只存在一个接触面；
3)界面个数为N(N>1，N为正整数)，探测N个方向上的压力，存在N个接触面。
所述的碳气凝胶和电极的接触界面可根据实际需要，选择是否连入探测电路，即导通或者不导通；连入探测电路的界面可以测量压力；连入探测电路的界面数目小于等于接触界面数目。
所述的探测的压力的施加方式不限；
可选地，所述的压力可以通过和压力传感器接触的方式施加；
优选地，所述的压力可以由外界通过碳气凝胶传递到界面；
优选地，所述的压力可以直接通过电极传递到界面；
可选地，所述的压力可以通过和压力传感器非接触的方式施加；
所述的压力可以通过其它介质传递到压力传感器；
优选地，所述的压力可以通过气体作为介质传递到压力传感器；
优选地，所述的压力可以通过液体作为介质传递到压力传感器；
优选地，所述的压力可以通过固体作为介质传递到压力传感器。
进一步地，通过采用不同的弹性导电碳气凝胶作为工作材料控制所述碳气凝胶压力传感器的探测下限和工作范围。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，其探测力下限可达小于等于15Pa(10Pa左右对应人触觉上的轻轻的触碰)；灵敏度可调，可大于10/kPa；能耗可控，优选地，低于30μW。
可选地，所述的传感器包括针对小压力，探测下限小于等于0.8Pa的触觉传感器。
可选地，所述的传感器包括针对小压力，探测下限小于等于5Pa的触觉传感器。
可选地，所述的传感器包括针对小压力，探测下限小于等于15Pa的触觉传感器。
可选地，所述的传感器包括针对中等压力，探测下限小于等于50Pa的触觉传感器。还可以包括针对较小压力，工作范围为15Pa-200Pa压力传感器。
可选地，所述的传感器包括针对中等压力，工作范围为200Pa-10kPa的压力传感器。还可以包括针对中等压力，工作范围为100Pa-5kPa的压力传感器。
可选地，所述的传感器包括针对大压力，工作范围为大于10kPa的压力传感器。
可选地，所述的传感器包括针对大压力，工作范围为大于15kPa的压力传感器。
可选地，所述的传感器包括针对大压力，工作范围为大于20kPa的压力传感器。
可选地，所述的传感器包括针对大压力，工作范围为大于20kPa的压力传感器。
可选地，所述的传感器包括针对大压力，工作范围为大于100kPa的压力传感器。
所述的压力传感器具有优异的的重复性和稳定性；在若干次重复测试下输出电信号曲线保持不变；
可选地，所述的压力传感器在小于1万次的重复测试下输出电信号曲线保持不变；
可选地，所述的压力传感器在1万次到10万次的重复测试下输出电信号曲线保持不变；
可选地，所述的压力传感器在大于10万次的重复测试下输出电信号曲线保持不变；
所述的压力传感器的原理为：碳气凝胶的多孔结构决定了碳气凝胶表面粗糙度很大，当在界面处施加电场时，界面处的接触电阻远大于碳气凝胶的体电阻。根据测量到界面处的电信号的值来计算接触电阻的大小，再根据接触电阻随压力的变化关系即可知压力的大小。
本发明和现有技术相比具有的有益效果：
所述的基于碳气凝胶传感器各组成部分的主体材质为碳材料或碳基复合材料，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维等具有导电性好、质量轻、工作温度范围宽、耐酸碱和盐腐蚀的特点。由这些材料构成的压力传感器具有碳材料的这些特点，在极端条件、恶劣环境和空天领域有潜在的应用前景。
所述的基于碳气凝胶的可以探测沿任意方向上压力的触觉和压力传感器，不仅扩大了传感器的工作范围和提高了工作能力，降低传感器的布置成本。其探测下限低，灵敏度高，重复性和稳定性好，适合作为人体健康信号的监测和机械仿生手的触觉传感器。
所述的基于碳气凝胶传感器具有弹性和柔性；各组成部分复合防辐射材料，或者用防辐射材料封装，可在空间应用。
所述的压力传感器和传统的压力结构的传感器相比，不限于电极—敏感材料—电极的结构，材料和结构灵活可变，可随待探测的压力的具体情况选择合适的结构和材料达到最佳的探测效果。所述的碳气凝胶和电极的材料可选范围大，碳气凝胶可以加工和切割形状不限于规则的立方体，所述的电极的形态不限与平板电极，电极和碳气凝胶之间不存在粘结和固定，这些特性给予所述的压力传感器材料和结构灵活性。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为具体实施例1中能探测多个方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图2为具体实施例2中能探测任意方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图3为具体实施例3中能探测任意方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图4为具体实施例4中能探测八个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图5为具体实施例5中能探测六个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图6为具体实施例6中能探测八个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图7为具体实施例7中能探测六个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图8为具体实施例8中能探测两个不同方向上触觉和压力的压力传感器的示意图。
图9为具体实施例9中能探测六个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图10为具体实施例10中能探测两个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图11为具体实施例11中能探测两个不同方向上触觉和压力的压力传感器的截面示意图。
图中标号：1、碳气凝胶；2、电信号测量装置；3a-h、活动电极；4、固定电极；5、任意方向的一个方向矢量；6、方向矢量在XOY平面内的投影；7、方向矢量和Z轴的夹角；8、方向矢量在XOY平面内投影和X轴正方向的夹角；
具体实施方式
通过实施实例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，其他人根据上述发明的内容做出一些非本质性的改变和调整，均属于本发明的保护范围。
本发明的发明人发现：碳气凝胶具有比表面积大、孔隙率大、密度小、热导率低等特点，在电子工业、航空航天、能源、化工、工业催化、环保等领域有着巨大的应用潜力。最常见的碳气凝胶是二氧化硅碳气凝胶，被广泛应用于隔热、隔音和减震等领域。近年来，碳气凝胶尤其是导电弹性碳气凝胶获得了科研人员和工业界的广泛关注。例如，石墨烯为主体构筑的碳气凝胶能兼具石墨烯和碳气凝胶的优异性能，实现耐压缩、电导率高等特性。弹性导电的碳气凝胶因其具有良好的弹性，在较小压力压缩下结构发生变化，电阻也发生变化；而压力撤去时结构能回复，电阻也回复到原始大小。而且其多孔结构赋予其表面独特的特性，和电极的接触电阻较大。结合弹性导电碳气凝胶的这两个优点来合理设计传感器结构，可以获得具有优异性能的传感器。
如图1所示，本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，是基于碳气凝胶材料制备，一般性地，可以包括：碳气凝胶1、与碳气凝胶1接触的电极3a-h和测量电极3与碳气凝胶1之间电信号变化的的电信号测量装置2。其中，碳气凝胶1为弹性导电碳气凝胶。弹性导电碳气凝胶材料具有一定的导电性、具有良好的弹性并具有多孔网络结构，孔隙率大于60％。
具体地，电极3和碳气凝胶1之间直接接触。优选地，电极3和碳气凝胶1之间不存在任何粘结剂。碳气凝胶1具有一定的导电性。优选地，碳气凝胶4的电导率大于0.01S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括0.01S/m-0.05S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括0.05S/m-0.1S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括0.1S/m-1S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括1S/m-45S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括55S/m-100S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括100S/m-1000S/m。
可选地，碳气凝胶1的电导率范围包括大于1000S/m。
进一步地,所述的碳气凝胶1的空隙率大于60％。
可选地，所述碳气凝胶1的空隙率范围包括60％-70％。
可选地，所述碳气凝胶1的空隙率范围包括60％-70％。
可选地，所述碳气凝胶1的孔隙率范围包括70％-80％。
可选地，所述碳气凝胶1的孔隙率范围包括80％-85％。
可选地，所述碳气凝胶1的孔隙率范围包括85％-90％。
可选地，所述碳气凝胶1的孔隙率范围包括大于90％。
进一步地，碳气凝胶1具有一定的弹性。碳气凝胶1在加载一定的压缩应变后能完全回复或者部分回复。优选地，碳气凝胶1回复应变占加载应变的比例可调。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括0.1-20％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括20-40％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括40％-60％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括60-80％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括70-90％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括90-95.9％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括96-99.9％。
可选地，所述的碳气凝胶回复应变占加载应变的比例包括98.5-100％。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，采用的碳气凝胶1为有弹性的导电碳气凝胶；所述的弹性导电碳气凝胶的材质不限；
可选地，所述碳气凝胶包括具有弹性的碳纳米管及其复合碳气凝胶；
可选地，所述碳气凝胶包括具有弹性的石墨烯其复合碳气凝胶；
可选地，所述碳气凝胶包括具有弹性的碳纤维及其复合碳气凝胶。
进一步地，所述碳气凝胶1可为任意形状。优选的，可为球体、立方体、圆柱体、多边形柱体；不规则的几何体；任意形状的薄片、薄膜或者纤维等。弹性导电碳气凝胶1尺寸上不限，最薄可达1纳米。弹性导电碳气凝胶1维度上不限，可以为三维的块体状、二维的纳米片状和一维的纳米线状。
本发明提供的一个实施例中的一种碳气凝胶压力传感器，如图2所示，采用的电极3a-h是指与碳电极和碳导线为材质为碳材料，可为碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或者几种的复合材料。
位于碳气凝胶1上的电极的位置和数目可任意改变。电极可以固定也可以自由放置，可以是对称放置或者不对称放置。位于弹性导电碳气凝胶1上的电极和弹性导电碳气凝胶之间的接触界面不存在任何粘结剂或者机械连接固定。
进一步地，电极的形态可以不限；
可选地，电极为平板型；
可选地，电极为探针型；
可选地，电极为球型；
可选地，电极可以直接用探测装置的电极，不需要外加新的电极。
进一步的，所述的接触电信号为碳气凝胶和电极的接触界面的电信号，为接触导致的电流、电阻或者电压及其变化中的一种或几种。
所述的碳气凝胶和电极的接触界面个数可变；
1)界面个数为0，当传感器处于初始状态时，电极和碳气凝胶可以暂时没产生接触，即0个接触面；
2)界面个数为1，探测单个方向上的压力时，只存在一个接触面；
3)界面个数为N(N>1，N为正整数)，探测N个方向上的压力，存在N个接触面。
所述的碳气凝胶和电极的接触界面中可根据实际需要，选择是否连入探测电路，即导通或者不导通；连入探测电路界面可以测量压力；连入探测电路的界面数目小于等于接触界面数目。
所述的探测的压力的施加方式不限；
可选地，所述的压力可以通过和压力传感器接触的方式施加；
优选地，所述的压力可以由外界通过碳气凝胶传递到界面；
优选地，所述的压力可以直接通过电极传递到界面；
可选地，所述的压力可以通过和压力传感器非接触的方式施加；
优选地，所述的压力可以通过气体作为介质传递到压力传感器；
优选的，所述的压力可以通过固体作为介质传递到压力传感器。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器的原理为：碳气凝胶的多孔结构决定了碳气凝胶表面粗糙度很大，当在界面处施加电场时，界面处的接触电阻远大于碳气凝胶的体电阻。根据测量到界面处的电信号的值来计算接触电阻的大小，再根据接触电阻随压力的变化关系即可知压力的大小。本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器的探测力下限可达小于等于0.7Pa(10Pa左右对应人触觉上的轻轻的触碰)，灵敏度可大于100/kPa，能耗低于30μW。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，能探测一个或者多个方向上的压力。优选地，当采用具有全向可压缩超弹性的导电碳气凝胶作为敏感材料时，能探测任意方向上的压力。
如图2所示，全向可压缩超弹性指碳气凝胶沿其三维坐标系(X-Y-Z)的任意方向压缩后撤掉压力时能恢复到原始长度。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，其输出的电信号不限。其输出的电信号可为电流、电压、电阻。电信号测量装置2通过测量输出的电信号的变化，再根据接触电阻随压力的变化关系即可知压力的大小。
进一步地，通过采用不同的弹性导电碳气凝胶作为工作材料控制所述碳气凝胶压力传感器的探测下限和工作范围。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，包括针对小压力，探测下限小于等于15Pa的触觉传感器。还包括针对中等压力，探测下限小于等于50Pa的触觉传感器。还可以包括针对较小压力，工作范围为15Pa-200Pa压力传感器。还可以包括针对中等压力，工作范围为200Pa-10kPa的压力传感器。还可以包括针对中等压力，工作范围为100Pa-5kPa的压力传感器。还可以包括针对大压力，工作范围为大于10kPa的压力传感器。还可以包括针对大压力，工作范围为大于100kPa的压力传感器。
本发明提供的一种碳气凝胶压力传感器，其具体实施例如下：
具体实施例1
如图1所示，在立方体弹性导电石墨烯复合碳纳米管气凝胶1上布置石墨烯电极3a-c，碳气凝胶也可以为其它的弹性导电碳气凝胶，石墨烯电极可以为其他碳材料的电极，示意图中电极为平板状，形状可以不限。采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线，能探测三维空间上任意方向上的压力。压力的可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对小压力，探测下限小于等于15Pa的触觉传感器；也可为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa；也可针对中等压力，工作范围为200Pa-10kPa的压力传感器，也可为针对大压力，工作范围为大于10kPa的压力传感器；也可为针对大压力的压力传感器，工作范围为大于100kPa，灵敏度可大于100/kPa，能耗低于30μW。
本实施例中所述的基于碳气凝胶的主体部分材质为为碳材料，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维等具有导电性好、质量轻、工作温度范围宽、耐酸碱和盐腐蚀的特点。由这些材料组成构成的压力传感器具有碳材料的这些特点，在恶劣环境和太空领域有潜在的应用前景。
所述的基于碳气凝胶的可以探测沿任意方向上压力的触觉和压力传感器，不仅扩大了传感器的工作范围和提高了工作能力，降低传感器的布置成本。其探测下限低，灵敏度高，重复性和稳定性好，适合作为人体健康信号的监测和机械仿生手的触觉传感器。
所述的压力传感器和传统的压力结构的传感器相比，不限于电极—敏感材料—电极的结构，材料和结构灵活可变，可随待探测的压力的具体情况选择合适的结构和材料达到最佳的探测效果。所述的碳气凝胶和电极的材料可选范围大，碳气凝胶可以加工和切割形状不限于规则的立方体，所述的电极的形态不限与平板电极，电极和碳气凝胶之间不存在粘结和固定，这些特性给予所述的压力传感器材料和结构灵活性。
具体实施例2
如图2所示，在球状弹性导电石墨烯复合纳米管碳气凝胶1上布置可以任意方向活动的碳纳米管自由电极3，能探测三维空间上任意方向上的压力碳气凝胶也可以为其它的弹性导电碳气凝胶，碳纳米管电极可以为其他材料的电极，示意图中电极为探针状，形状可以不限，采用的导线为碳纳米管纤维，也可以为其他碳材料的导线。如示意图所示，压力的可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对小压力，探测下限小于等于15Pa的触觉传感器；也可为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa；也可针对中等压力，工作范围为200Pa-10kPa的压力传感器，也可为针对大压力，工作范围为大于10kPa的压力传感器；也可为针对大压力的压力传感器，工作范围为大于100kPa，灵敏度可大于100/kPa，能耗低于30μW，可探测三维空间上任意方向上的压力。
本实施例的有益效果为：所述的基于碳气凝胶的主体部分材质为为碳材料，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维等具有导电性好、质量轻、工作温度范围宽、耐酸碱和盐腐蚀的特点。由这些材料组成构成的压力传感器具有碳材料的这些特点，在恶劣环境和太空领域有潜在的应用前景。
所述的基于碳气凝胶的可以探测沿任意方向上压力的触觉和压力传感器，不仅扩大了传感器的工作范围和提高了工作能力，降低传感器的布置成本。其探测下限低，灵敏度高，重复性和稳定性好，适合作为人体健康信号的监测和机械仿生手的触觉传感器。
所述的压力传感器和传统的压力结构的传感器相比，不限于电极—敏感材料—电极的结构，材料和结构灵活可变，可随待探测的压力的具体情况选择合适的结构和材料达到最佳的探测效果。所述的碳气凝胶和电极的材料可选范围大，碳气凝胶可以加工和切割形状不限于规则的立方体，所述的电极的形态不限与平板电极，电极和碳气凝胶之间不存在粘结和固定，这些特性给予所述的压力传感器材料和结构灵活性。
具体实施例3
如图3所示，在球状球状弹性导电石墨烯复合碳纳米管气凝胶1表面布置两个均可以任意方向活动的自由碳纳米管电极3a，b，碳气凝胶也可以为其它的弹性导电碳气凝胶，碳纳米管电极可以为其他材料的电极，示意图中电极为探针状，形状可以不限，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线。能探测三维空间上任意方向上的压力。压力的可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，工作范围为大于100kPa，灵敏度可达2/kPa，能耗低于30μW，可探测三维空间上任意方向上的压力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例4
如图4所示，在圆柱形弹性导电碳纳米管气凝胶1上布置碳纤维电极3a-h，碳气凝胶也可以为其它的弹性导电碳气凝胶，碳纤维电极可以为其他碳材料的电极，示意图中电极为扇面装，形状可以不限，采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线。面积略小于碳气凝胶1的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共八个，中心部位有一个电极做为固定电极4，能探测8个方向上的压力。压力的可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测8个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例5
如图5所示，在圆柱形弹性导电碳纳米管气凝胶1上布置石墨烯电极3a-f，碳气凝胶也可以为其它的弹性导电碳气凝胶，石墨烯电极可以为其他碳材料的电极，示意图中电极为扇面状，形状可以不限，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线。面积略小于碳气凝胶4的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共六个，中心部位有一个电极做为固定电极4，能探测6个方向上的压力。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测6个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例6
如图6所示，在圆柱形弹性导电碳纳米管气凝胶1上布置碳纳米管电极3a-h，面积略小于碳气凝胶1的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共八个，能探测8个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测8个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例7
如图7所示，在圆柱形弹性导电碳纳米管气凝胶1上布置碳纳米管电极3a-f，面积略小于碳气凝胶1的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共六个，能探测6个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纳米管纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测6个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例8
如图8所示，在薄膜弹性导电的碳纳米管复合石墨烯气凝胶1上布置碳纳米管薄膜电极(叉指电极)3，面积略小于碳气凝胶4的表面，上下各对称放置一个左右各对称放置一个，，能探测两个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对较小压力的触觉传感器，工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测两个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例9
如图9所示，在立方体形弹性导电碳纳米管复合石墨烯气凝胶1上布置石墨烯电极3a-f，面积略小于碳气凝胶的表面，相互之间有一定间隔，包在立方体的表面，一共六个，能探测6个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对较小压力的触觉传感器，工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测6个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例10
如图10所示，在立方体弹性导电石墨烯气凝胶1上布置碳纳米管电极3a，b，面积略小于碳气凝胶1的表面，上下各对称放置一个左右各对称放置一个，能探测两个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，工作范围为200Pa-10kPa，灵敏度可达2/kPa，能耗低于30μW，可探测两个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例11
如图11所示，在薄膜型碳纤维气凝胶下表面上布置两个碳纳米薄膜电极，碳气凝胶、电极和导线都为碳材料。二个电极之间有间隙，面积略小于石墨烯海绵的表面，能探测垂直于薄膜平面方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对大压力的压力传感器，工作范围为0.7Pa-200kPa，灵敏度可达350/kPa，能耗低于30μW，可垂直于薄膜平面方向上的压力，输出的电信号为电阻。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例12
在圆柱形弹性导电碳纤维气凝胶上布置石墨烯电极，面积略小于碳气凝胶的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共八个，中心部位有一个电极做为固定电极，能探测8个方向上的压力。电极和碳气凝胶之间存在0.1N的预应力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对大压力的压力传感器，工作范围为＞10kPa，灵敏度可达0.02/kPa，能耗低于30μW，可探测8个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例13
在薄膜型弹性导电石墨烯气凝胶上布置薄膜碳纳米管电极，面积略小于石墨烯碳气凝胶的表面，上下各对称放置一个，能探测两个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，工作范围为200Pa-10kPa，灵敏度可达2/kPa，能耗低于30μW，可探测两个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例14
在球状球状弹性导电石墨烯复合碳纳米管碳气凝胶上布置中心石墨烯电极，在碳气凝胶表面布置一个可以任意方向活动的自由石墨烯电极，能探测三维空间上任意方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，工作范围为200Pa-10kPa，灵敏度可达2/kPa，能耗低于30μW，可探测三维空间上任意方向上的压力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例15
在立方体弹性导电石墨烯碳气凝胶上布置碳纳米管薄膜电极，面积略小于碳气凝胶的表面，上下各对称放置一个左右各对称放置一个，能探测两个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纳米管纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对小压力的触觉传感器，其探测下限≤15Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测两个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例16
在圆柱形弹性导电碳纳米管碳气凝胶上布置石墨烯薄膜电极，面积略小于碳气凝胶的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共八个，中心部位有一个电极做为固定电极，能探测8个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测8个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例17
在立方体弹性导电的碳纳米管复合石墨烯碳气凝胶上布置石墨烯薄膜电极，面积略小于碳气凝胶的表面，上下各对称放置一个左右各对称放置一个，能探测两个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对较小压力的触觉传感器，工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测两个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例18
在圆柱形弹性导电石墨烯气凝胶碳气凝胶上布置碳纤维电极，面积略小于碳气凝胶的表面，相互之间有一定间隔，包在圆柱体的表面，一共六个，中心部位有一个电极做为固定电极，能探测6个方向上的压力。本实施例中，碳气凝胶和电极的材料和形状可随探测力的具体情况改变，采用的导线为碳纳米管纤维，也可以为其他碳材料的导线，力的施加方式也不限，可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对较小压力的触觉传感器，工作范围为15Pa-200Pa，灵敏度可达10/kPa，能耗低于30μW，可探测8个方向上不同的力。
本实施例中的有益效果同实施例2。
具体实施例19
在立方体弹性导电石墨烯复合碳纳米管气凝胶上布置石墨烯电极，碳气凝胶也可以为其它的弹性导电碳气凝胶，石墨烯电极可以为其他碳材料的电极，电极可为平板状，形状也可可以不限。采用的导线为石墨烯纤维，也可以为其他碳材料的导线，在器件组装好后，通过化学气相沉积或者其他薄膜工艺在压力传感器上镀一层氮化硼薄膜。
能探测三维空间上任意方向上的压力。压力的可以通过和压力传感器直接接触的方式施加，也可以通过介质传导以非接触的方式施加。
得到的为针对小压力，探测下限小于等于15Pa的触觉传感器；也可为针对中等压力的触觉传感器，其工作范围为15Pa-200Pa；也可针对中等压力，工作范围为200Pa-10kPa的压力传感器，也可为针对大压力，工作范围为大于10kPa的压力传感器；也可为针对大压力的压力传感器，工作范围为大于100kPa，灵敏度可大于100/kPa，能耗低于30μW。
本实施例的有益效果为：所述的基于碳气凝胶的主体部分材质为为碳材料，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维等具有导电性好、质量轻、工作温度范围宽、耐酸碱和盐腐蚀的特点。由这些材料组成构成的压力传感器具有碳材料的这些特点，可用于极端条件、恶劣环境和空天领域。
特别地，氮化硼具有很好的抗太空辐射能力，当传感器表面覆盖一层氮化硼薄膜时，传感器具有很好的抗太空辐射能力，所述的传感器有望能直接应用在空间压力传感领域，在航空航天、强腐蚀环境等特殊的需要触觉和压力探测的场合具有广泛的应用前景。
所述的基于碳气凝胶的可以探测沿任意方向上压力的触觉和压力传感器，不仅扩大了传感器的工作范围和提高了工作能力，降低传感器的布置成本。其探测下限低，灵敏度高，重复性和稳定性好，适合作为人体健康信号的监测和机械仿生手的触觉传感器。
所述的压力传感器和传统的压力结构的传感器相比，不限于电极—敏感材料—电极的结构，材料和结构灵活可变，可随待探测的压力的具体情况选择合适的结构和材料达到最佳的探测效果。所述的碳气凝胶和电极的材料可选范围大，碳气凝胶可以加工和切割形状不限于规则的立方体，所述的电极的形态不限与平板电极，电极和碳气凝胶之间不存在粘结和固定，这些特性给予所述的压力传感器材料和结构灵活性。
本发明和现有技术相比具有的有益效果：
所述的基于碳气凝胶的主体部分材质为为碳材料和碳基复合材料，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维等具有导电性好、质量轻、工作温度范围宽、耐酸碱和盐腐蚀的特点。由这些材料及其复合材料构成的压力传感器具有碳材料的这些特点，在恶劣环境和空天领域有潜在的应用前景。
所述的基于碳气凝胶的可以探测沿任意方向上压力的触觉和压力传感器，不仅扩大了传感器的工作范围和提高了工作能力，降低传感器的布置成本。其探测下限低，灵敏度高，重复性和稳定性好，适合作为人体健康信号的监测和机械仿生手的触觉传感器。
所述的压力传感器和传统的压力结构的传感器相比，不限于电极—敏感材料—电极的结构，材料和结构灵活可变，可随待探测的压力的具体情况选择合适的结构和材料达到最佳的探测效果。所述的碳气凝胶和电极的材料可选范围大，碳气凝胶可以加工和切割形状不限于规则的立方体，所述的电极的形态不限与平板电极，电极和碳气凝胶之间不存在粘结和固定，这些特性给予所述的压力传感器材料和结构灵活性。
特别地，本发明也提供了一种镀有氮化硼保护层的碳基气凝胶，这种压力传感器除了具有以上所述的有益效果外，还具有很好的抗太空辐射能力，有望能直接应用在空间压力传感领域，在航空航天、强腐蚀环境等特殊的需要触觉和压力探测的场合具有广泛的应用前景。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，其主体基于碳材料制备，组成单元主要包括：
碳或碳基气凝胶弹性体；
碳或碳基电极；
碳或碳基导线；和
电信号测量装置；
所述的电信号测量装置为测量所述电极与所述气凝胶弹性体之间接触电信号及其变化；
当所述传感器的测量电路导通时，所述电极和碳气凝胶弹性体之间直接接触；
所述电极和碳气凝胶弹性体之间不存在任何粘结剂；
所述碳气凝胶弹性体可为任意形状；
所述电极的形态可以不限。
2.根据权利要求1所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，所述电极和碳气凝胶弹性体不存在机械连接固定。
3.根据权利要求1所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，所述传感器的碳气凝胶弹性体、电极和导线的材质的组成主体元素为碳元素。
4.根据权利要求3所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，
所述碳气凝胶弹性体、电极和导线材质为碳材料或者碳基复合材料，或者为二者的混合。
5.根据权利要求1所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，碳气凝胶弹性体为弹性导电的碳或碳基气凝胶，具有一定的导电性、良好的弹性和多孔网络结构；
其中，所述的碳气凝胶包括碳海绵；
其中，所述的碳基气凝胶包括碳基复合气凝胶或碳基复合海绵。
6.根据权利要求1所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，所述碳气凝胶在加载一定的压缩应变后能完全回复或者部分回复。
7.根据权利要求5所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，
所述电极位于所述碳气凝胶上，所述电极的位置和数目可任意改变。
8.根据权利要求5所述的全碳气凝胶压力传感器，其特征在于，所述的接触电信号为碳气凝胶和电极的接触界面的电信号，所述的接触电信号为所述碳气凝胶和电极接触面上的由压力导致的电流、电阻或者电压及其变化中的一种或几种。
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