CN108519190B - 一种石墨烯压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯压力传感器，包括封装外壳，封装外壳的内部为中空安装夹层，中空安装夹层的内部设置有压力传感装置，压力传感装置包括合金钢弹性衬底，合金钢弹性衬底的下方设置有信号处理单元，且信号处理单元与合金钢弹性衬底之间设置有缓冲部，合金钢弹性衬底的上表面设置有绝缘保护层，绝缘保护层的上方设置有压力应变装置，压力应变装置包括导电层和石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与导电层之间设置有若干绝缘颗粒，结构简单，对温度的变化比较敏感，能够保证该压力传感器在高温条件对压力测量结果的准确可靠性，使得压力传感器的通用性大大增强，良好的柔性和较强的机械强度，也使得该压力传感器的使用寿命延长。

Description

一种石墨烯压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种石墨烯压力传感器。
背景技术
压力传感器是指能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成，按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器，按工作环境温度不同，压力传感器可分为高温压力传感器和低温压力传感器，其中，高温压力传感器是工业实践中最为常用的一种压力变送器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
高温压力传感器是为了解决在高温环境下对各种气体、液体的压力进行测量，主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等领域，目前，研究比较多的高温压力传感器主要有蓝宝石上硅(SOS)、绝缘体上硅(SOI)、碳化硅(SiC)等半导体高温压力传感器，这类半导体高温压力传感器的芯片易于批量制作，但是在工作过程中，仍存在一些问题：
蓝宝石上硅压力传感器是通过在蓝宝石晶体上异质外延生长的单晶硅薄膜，可以工作在350℃的高温环境下，但蓝宝石与硅材料晶格失配严重，难以保障高温下长期稳定工作，对温度的变化也不敏感；绝缘体上硅压力传感器是利用绝缘埋氧层隔离来取代PN结隔离，将器件的使用温度提升到了500℃，但基于硅材料本身的限制，无法应用于更高的温度环境；碳化硅压力传感器是目前世界上主流的研究方向，样机使用温度高达600℃，但器件制备过程中需要对碳化硅进行高能离子注入等工艺，所引入的损伤大、缺陷多，导致器件非线性温漂严重，可重复性差。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种石墨烯压力传感器，结构简单，能够保证该压力传感器在高温条件对压力测量结果的准确可靠性，使得压力传感器的通用性大大增强，且能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种石墨烯压力传感器，包括封装外壳，所述封装外壳的内部为中空安装夹层，所述中空安装夹层的内部设置有压力传感装置，所述压力传感装置包括合金钢弹性衬底，所述合金钢弹性衬底的下方设置有信号处理单元，且所述信号处理单元与合金钢弹性衬底之间设置有缓冲部，合金钢弹性衬底的上表面设置有绝缘保护层，所述绝缘保护层的上方设置有压力应变装置，所述压力应变装置与信号处理单元连接，压力应变装置包括导电层和石墨烯薄膜，所述导电层设置在绝缘保护层的上表面，所述石墨烯薄膜设置在导电层的上方，且石墨烯薄膜与导电层之间设置有若干绝缘颗粒。
进一步地，所述信号处理单元包括压力传感器芯片、集成电路芯片和用于固定设置压力传感器芯片、集成电路芯片的安装板，所述安装板设置在合金钢弹性衬底的下端，安装板上设置有凹槽，所述压力传感器芯片和集成电路芯片均焊接在凹槽内，且压力传感器芯片通过第一金属导线与集成电路芯片连接，压力传感器芯片两端通过两个穿过缓冲部的第二金属导线分别与导电层、石墨烯薄膜连接。
进一步地，所述缓冲部包括橡胶缓冲层和两个安装通孔，两个所述安装通孔设置在橡胶缓冲层上，且所述第二金属导线穿过安装通孔。
进一步地，所述绝缘保护层的外表面设置有若干玻纤加强条，且相邻两个所述玻纤加强条之间设置有散热通孔。
进一步地，所述绝缘颗粒为纳米级，也可为微米级。
进一步地，所述导电层采用的是任一金属导电材料。
进一步地，所述绝缘颗粒采用的是二氧化硅颗粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过石墨烯薄膜的设置，由于石墨烯材料具有良好的导电性、柔性和较高的机械强度，一方面，可使得该压力传感器的使用寿命大大延长，有效避免在进行压力测量时，压力作用对该压力传感器造成的损坏；另一方面，使得该压力传感器相比较蓝宝石上硅、绝缘体上硅和碳化硅这类半导体高温压力传感器来说，不仅具有温度灵敏度高的特点，而且还能够使得该压力传感器应用于较高的温度环境，使得该压力传感器的实用性能增强，能够保证该压力传感器在高温条件下正常的工作性能；通过缓冲部的设置，有效避免了外部应力对信号处理单元的挤压损坏，提高了该石墨烯压力传感器的精度，使得该压力传感器性能稳定，保证其性能良好。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中标号：
1-合金钢弹性衬底；2-绝缘保护层；3-压力应变装置；4-玻纤加强条；5-散热通孔；6-信号处理单元；7-缓冲部；8-封装外壳；9-中空安装夹层；10-压力传感装置；
301-导电层；302-石墨烯薄膜；303-绝缘颗粒；
601-压力传感器芯片；602-集成电路芯片；603-安装板；604-凹槽；605-第一金属导线；606-第二金属导线；
701-橡胶缓冲层；702-安装通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种石墨烯压力传感器，包括封装外壳8，所述封装外壳8的内部为中空安装夹层9，所述中空安装夹层9的内部设置有压力传感装置10，所述压力传感装置10包括合金钢弹性衬底1，合金钢是指钢里除铁、碳外，加入其他的合金元素，具有高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐高温等特殊性能，作为该石墨烯压力传感器的弹性衬底材料，能够大大延长石墨烯压力传感器的使用寿命，所述合金钢弹性衬底1的下方设置有信号处理单元6，且所述信号处理单元6与合金钢弹性衬底1之间设置有缓冲部7，在该压力传感器工作过程中，外部应力传递至合金钢弹性衬底1，后由缓冲部7缓冲卸掉，不作用于信号处理单元6上，从而有效避免了外部应力对信号处理单元6产生影响而导致信号处理单元6数据误差，提高了该石墨烯压力传感器的精度，使得该压力传感器性能稳定，保证其性能良好，合金钢弹性衬底1的上表面设置有绝缘保护层2，所述绝缘保护层2的上方设置有压力应变装置3，通过压力应变装置3的设置，可实现石墨烯压力传感器对压力的检测功能。
所述压力应变装置3与信号处理单元6连接，压力应变装置3包括导电层301和石墨烯薄膜302，所述导电层301设置在绝缘保护层2的上表面，所述石墨烯薄膜302设置在导电层301的上方，且石墨烯薄膜302与导电层301之间设置有若干绝缘颗粒303，所述绝缘颗粒303为纳米级，也可为微米级。
该压力应变装置3的工作原理如下：
当压力改变时，导电层301与石墨烯薄膜302之间由绝缘颗粒303导致的间隙体积会随之发生改变，导致接触面积的变化，进而产生电阻的变化。
石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优良的导电性和光学性能，而且，石墨烯是目前已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，可以弯曲，石墨烯薄膜302的设置，相比较蓝宝石上硅、绝缘体上硅和碳化硅这类半导体高温压力传感器来说，使得该压力传感器的温度灵敏度大大提高，采用石墨烯薄膜302作为导电本体，使该压力传感器的导电性能以及压力传感器的机械强度都大大增加，在承受压力作用时，可有效避免压力对该压力传感器的挤压、损坏。
该石墨烯薄膜302是通过化学气相沉积法制备的，化学气相沉积法(CVD)是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法，这是目前生产石墨烯薄膜最有效的方法，这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点。
所述信号处理单元6包括压力传感器芯片601、集成电路芯片602和用于固定设置压力传感器芯片601、集成电路芯片602的安装板603，所述安装板603设置在合金钢弹性衬底1的下端，安装板603上设置有凹槽604，所述压力传感器芯片601和集成电路芯片602均焊接在凹槽604内，且压力传感器芯片601通过第一金属导线605与集成电路芯片602连接，压力传感器芯片601两端通过两个穿过缓冲部7的第二金属导线606分别与导电层301、石墨烯薄膜302连接。
通过压力传感器芯片601采集外部压力变化并转化为电信号，然后将信号传递给集成电路芯片602，集成电路芯片602将压力传感器芯片601采集的信号进行初步处理并传递至外部电子电路。
所述缓冲部7包括橡胶缓冲层701和两个安装通孔702，两个所述安装通孔702设置在橡胶缓冲层701上，且所述第二金属导线606穿过安装通孔702，使得第二金属导线606设置在橡胶缓冲层701的内部，避免暴露在外面的金属导线容易受到挤压损坏，保证了该石墨烯压力传感器的正常工作性能。
所述绝缘保护层2的外表面设置有若干玻纤加强条4，且相邻两个所述玻纤加强条4之间设置有散热通孔5，玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，玻纤加强条4的设置，使得该绝缘保护层2表面的机械强度大大增加，从而有效延长了该压力传感器的使用寿命；散热通孔5的设置，起到了良好的散热作用，由于小型化电子设备的发展，使得电子设备的电路结构越来越集中，导致电子设备的散热性能也越来越差，通过散热通孔5的设置，可加快该石墨烯压力传感器内部的热量散失，保证了石墨烯压力传感器的正常工作性能，提高了该石墨烯压力传感器测量结果的准确可靠性。
所述导电层301采用的是任一金属导电材料，在此，只实现导电功能，所以，不能作为限制本发明的条件，在本发明中不作具体说明。
补充说明的是，导电层301也可以为石墨烯薄膜。
所述绝缘颗粒303采用的是二氧化硅颗粒，二氧化硅(SiO2)材料具有良好的稳定性和绝缘性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种石墨烯压力传感器，包括封装外壳(8)，其特征在于：所述封装外壳(8)的内部为中空安装夹层(9)，所述中空安装夹层(9)的内部设置有压力传感装置(10)，所述压力传感装置(10)包括合金钢弹性衬底(1)，所述合金钢弹性衬底(1)的下方设置有信号处理单元(6)，且所述信号处理单元(6)与合金钢弹性衬底(1)之间设置有缓冲部(7)，合金钢弹性衬底(1)的上表面设置有绝缘保护层(2)，所述绝缘保护层(2)的上方设置有压力应变装置(3)，所述压力应变装置(3)与信号处理单元(6)连接；
所述压力应变装置(3)包括导电层(301)和石墨烯薄膜(302)，所述导电层(301)设置在绝缘保护层(2)的上表面，所述石墨烯薄膜(302)设置在导电层(301)的上方，且石墨烯薄膜(302)与导电层(301)之间设置有若干绝缘颗粒(303)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于：所述信号处理单元(6)包括压力传感器芯片(601)、集成电路芯片(602)和用于固定设置压力传感器芯片(601)、集成电路芯片(602)的安装板(603)，所述安装板(603)设置在合金钢弹性衬底(1)的下端，安装板(603)上设置有凹槽(604)。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于所述压力传感器芯片(601)和集成电路芯片(602)均焊接在凹槽(604)内，且压力传感器芯片(601)通过第一金属导线(605)与集成电路芯片(602)连接，压力传感器芯片(601)两端通过两个穿过缓冲部(7)的第二金属导线(606)分别与导电层(301)、石墨烯薄膜(302)连接。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于：所述缓冲部(7)包括橡胶缓冲层(701)和两个安装通孔(702)，两个所述安装通孔(702)设置在橡胶缓冲层(701)上，且所述第二金属导线(606)穿过安装通孔(702)。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于：所述绝缘保护层(2)的外表面设置有若干玻纤加强条(4)，且相邻两个所述玻纤加强条(4)之间设置有散热通孔(5)。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于：所述绝缘颗粒(303)为纳米级或为微米级。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于：所述导电层(301)采用的是任一金属导电材料。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于：所述绝缘颗粒(303)采用的是二氧化硅颗粒。
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