CN110068596A - 基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件，属于二维材料器件及传感器领域。本发明利用石墨烯的非线性特性完成谐波产生，将气体传感器中的多层石墨烯贴片作为谐波发生器，在不增加器件结构难度的基础上，同时具有气体传感器与谐波产生器的功能，本发明利用谐波检测阅读器发送激发信号，多层石墨烯贴片接收到激发信号后，产生频率为3fc的谐波信号，RFID芯片识别到谐波中的方波信号后开始工作，进行气体浓度探测，并将结果以fc为载波频率形成载波信号，经多层石墨烯贴片产生3fc频率的谐波进行发送，发送到接收器。本发明充分利用了石墨烯的非线性特性与气敏特性，通过谐波进无线检测和信号传输，集成度高、功耗低、器件尺寸小。

Description

基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件及检测方法

技术领域

本发明涉及一种气体传感及谐波检测一体化设备，尤其涉及一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件及检测方法。

背景技术

石墨烯作为一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维晶体材料，拥有许多优异性能，在传感领域具有很大的应用潜力。在室温下超高的电子迁移率以及超大的比表面积这两个突出的特点，使石墨烯有希望成为一种具有超高灵敏度的气体传感器材料。作为一种典型的二维材料，石墨烯结构中的每个原子都可以被认为是表面原子，因此理想情况下每个原子都可以和气体发生相互作用，这使得基于石墨烯材料的气体传感器具有超高的传感响应以及超低检测限，甚至可以检测到1个分子。而且石墨烯由于其单原子层它的厚度大约为0.335um，石墨烯结构紧密，即使最小的气体分子也无法通穿透，保证了在不同气体条件下多层石墨烯的其它层石墨烯的基本特性（非线性特性）不会改变。所以石墨烯作为传感材料的气体传感器引起了人们的强烈关注。

石墨烯气体传感器的原理为：石墨烯吸附目标气体后其电导率发生变化，通过确定电导率变化及目标表气体浓度间的变化关系，就可以通过测量石墨烯的电导率变化从而测得目标气体的浓度。它属于一种电阻式传感器。虽然石墨烯气体传感器具有上述优点，可依然具有以下很多缺点：

第一、目前的石墨烯气体传感器将采集到的的电流电阻数据发送到上位机，由上位机根据上述数据计算目标气体的浓度，因此信号在传输中存在一定的数据损耗，造成上位机收到的数据不准确，从而计算出来的气体浓度不准确。

第二、石墨烯气体传感器采集到信号后需要进行发射，目前传统的无线气体浓度检测电路需要气体检测和信号发射两个部分电路，无线信号发射主要需要以下器件：振荡器、调制器、放大器、天线，电路结构较为复杂，完全没有将石墨烯的非线性特性利用到信号发射和传输中。

第三、信号无线发射需要用到天线，2009年，Li Y.等人采用喷墨打印技术在纸上打印出蝶形偶极子天线，并在天线的缝隙之间打印了碳纳米管，实现了无线气体传感的功能。单该设备没有进行传统的直流阻抗测电阻法，而是根据蝶形天线反射的无线信号进行简单的频率偏移测量。该电路无法准确测量待测气体浓度，且传输距离较短。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能将石墨烯的非线性特性利用到信号的发射和传输中，使气体检测和信号发射功能合二为一且结构简单、传输距离远、有自我识别功能、且探测结果精确的基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件，包括石墨烯气体传感器，所述石墨烯气体传感器包括从上到下依次设置的多层石墨烯贴片、介质基板、铜片层，三者均为共对角线设置的长方形，多层石墨烯贴片四边分别引出一铜质的微带连接线，共四根微带连接线；

还包括一谐波检测阅读器、RFID芯片和直流电源；

所述谐波检测阅读器包括发送器、接收器、双工器和双频天线，所述发射器用于产生频率为fc的检测激发信号，且检测激发信号内调制有方波信号，所述接收器用于接收3fc的谐波信号并进行检波处理，发送器、接收器均连接双工器，并经双工器连接第一天线，用于发送或接收信号；

所述石墨烯气体传感器中，两不相邻的微带连接线分别串联一电感构成直流电路，一微带连接线连接第二双频天线，一微带连接线经隔直电容连接到RFID芯片的射频前端，RFID芯片经一电阻与直流电路并联后连接直流电源，RFID芯片用于根据直流电路的电压和电流确定多层石墨烯贴片的电阻，并根据电阻大小确定待测气体浓度。

作为优选：介质基板、铜片层大小相同，介质基板材料为环氧树脂，厚度为0.6mm，铜片层和铜质微带连接线厚度为35um，多层石墨烯贴片的原子层厚度为4-8层。

一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件的检测方法，包括以下步骤：

（1）发送器发送频率为fc的检测激发信号，所述检测激发信号内调制有方波信号；

（2）多层石墨烯贴片接收到频率为fc的检测激发信号，产生频率为3fc的第一谐波信号，经隔直电容传递给RFID芯片，RFID芯片识别第一谐波信号中的方波信号后开始工作；

（3）RFID芯片获取直流电路中的电压和电流确定多层石墨烯贴片的电阻，由电阻大小确定待测气体浓度；

（4）RFID芯片将检测到的待测气体浓度数据以fc为载波频率，形成载波信号发送到多层石墨烯贴片；

（5）载波信号经多层石墨烯贴片产生频率为3fc的第二谐波信号发送至接收器；

（6）接收器接收第二谐波信号，进行检波处理得到待测气体浓度数据。

本发明中：所述接收器用于接收3fc的谐波信号并进行检波处理；检波通常称为解调，是调制的逆过程，即从已调波提取调制信号的过程。接收器检测到频率为3fc的调制信号后，利用非线性器件产生新的频率分量，用低通滤波器选出所需信号。

本发明在述石墨烯气体传感器中，通过两不相邻的微带连接线分别串联一电感构成直流电路，通过一微带连接线经隔直电容连接到RFID芯片的射频前端，目的是形成保护电路，当谐波产生或信号发射部分的射频电路工作时，石墨烯气体传感器连接的电感起到隔绝交流信号的作用，保护了气体传感器的直流电路；当直流电路工作，与RFID芯片相连的隔直电容可以隔绝直流信号，保护加载信号的高频电路的正常传输同时确保气体传感器数据的准确。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

第一、介质基板上方的多层石墨烯贴片具有非线性特性和气敏特性，在石墨烯气体传感器后端增设一RFID芯片，配合直流电路和隔直电容等电路，使本发明将谐波发生与气体传感的功能进行有效的结合，既具有了气体传感器的功能，又具有谐波发生器的功能。能简化了电路结构，减小了电路尺寸，降低了电路功耗。

第二、RFID芯片具有以下几种功能：

（1）、石墨烯气体传感器连接，用于接收现场石墨烯气体传感器的信号，并现场计算其待测气体浓度，保证了数据的时效性和准确性；

（2）、与石墨烯气体传感器中的多层石墨烯贴片构成了谐波产生电路，用于将包含有待测气体浓度信息的载波进行发送；

（3）与谐波检测阅读器匹配，内含方波检测，只有谐波检测阅读器发射的激发信号，才能被其识别，并激发RFID芯片工作、探测气体浓度和进行数据回传等，该功能使本发明具有了有自我识别的功能。

第三、本发明在将将谐波发生功能与气体传感的功能相结合时，设计了直流电路和隔直电容等旁路电路，这样，当本发明作为气体传感器使用时，其利用的是直流电路，不会影响和干扰加载信号的高频电路正常传输而当本发明需要作为谐波发生器使用的时候，谐波利用的是高频交流电路，好处是可以方便的加载要传输的信息，这样可以保证本发明中直流信号与无线信号的稳定传输，确保气体数据的准确性，整体电路的抗干扰性较强。

附图说明

图1为本发明实施例的整体电路结构示意图；

图2为石墨烯气体传感及谐波产生一体化器件的具体结构图；

图3为本发明信号传输原理图。

图中：1、铜片层；2、介质基板；3、多层石墨烯贴片；4、微带连接线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图3，一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件，包括石墨烯气体传感器，所述石墨烯气体传感器包括从上到下依次设置的多层石墨烯贴片3、介质基板2、铜片层1，三者均为共对角线设置的长方形，多层石墨烯贴片3四边分别引出一铜质的微带连接线4，共四根微带连接线4；

还包括一谐波检测阅读器、RFID芯片和直流电源；

所述谐波检测阅读器包括发送器、接收器、双工器和双频天线，所述发射器用于产生频率为fc的检测激发信号，且检测激发信号内调制有方波信号，所述接收器用于接收3fc的谐波信号并进行检波处理，发送器、接收器均连接双工器，并经双工器连接第一天线，用于发送或接收信号；

所述石墨烯气体传感器中，两不相邻的微带连接线4分别串联一电感构成直流电路，一微带连接线4连接第二双频天线，一微带连接线4经隔直电容连接到RFID芯片的射频前端，RFID芯片经一电阻与直流电路并联后连接直流电源，RFID芯片用于根据直流电路的电压和电流确定多层石墨烯贴片3的电阻，并根据电阻大小确定待测气体浓度。

从图1中可知。发送器和接收器，发送器的作用是将方波信号和微波源进行调制，形成频率为fc的激发信号，而接收器是接收频率为3fc的信号进行检波处理，也就是解调。

一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件的检测方法，包括以下步骤：

（1）发送器发送频率为fc的检测激发信号，所述检测激发信号内调制有方波信号；

（2）多层石墨烯贴片3接收到频率为fc的检测激发信号，产生频率为3fc的第一谐波信号，经隔直电容传递给RFID芯片，RFID芯片识别第一谐波信号中的方波信号后开始工作；

（3）RFID芯片获取直流电路中的电压和电流确定多层石墨烯贴片3的电阻，由电阻大小确定待测气体浓度；

（4）RFID芯片将检测到的待测气体浓度数据以fc为载波频率，形成载波信号发送到多层石墨烯贴片3；

（5）载波信号经多层石墨烯贴片3产生频率为3fc的第二谐波信号发送至接收器；

（6）接收器接收第二谐波信号，进行检波处理得到待测气体浓度数据。

本发明的工作原理为，将石墨烯气体传感器与RFID芯片连接，利用RFID芯片作为上位机来计算待测气体浓度，在利用石墨烯气体传感器中的多层石墨烯贴片3与RFID芯片形成谐波发生器，能完成信号的调制。另外，这个谐波发生器能与谐波检测阅读器配合工作，谐波检测阅读器发送频率为fc的信号，经多层石墨烯贴片3后形成频率为3fc的第一谐波信号到RFID芯片，RFID芯片能解调该信号，并将计算出来的待测气体浓度信号，重新以频率fc进行调制，再经多层石墨烯贴片3形成频率为3fc的第二谐波信号，经谐波检测阅读器接收并进行解调，获取其中信息。

本实施例中，利用石墨烯气体传感器中多层石墨烯贴片3的非线性特性和气敏特性，将谐波发生功能与气体传感的功能相结合。又设计了电感、隔直电容等旁路电路，本发明作为气体传感器使用时，其利用的是直流电路，不会影响和干扰加载信号的高频电路正常传输，本发明需要作为谐波发生器使用的时候，谐波利用的是高频交流电路，方便加载要传输的信息，二者互不干扰，传输稳定，能确保气体数据的准确性，整体电路的抗干扰性较强。

RFID芯片一方面为作为上位机来计算待测气体浓度信息，一方面用来进行信号的调制解调，还具有自我识别的功能。

实施例2：本实施例中：介质基板2、铜片层1大小相同，介质基板2材料为环氧树脂，厚度为0.6mm，铜片层1和铜质微带连接线4厚度为35um，多层石墨烯贴片3的原子层厚度为4-8层。其余与实施例1相同。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件，包括石墨烯气体传感器，所述石墨烯气体传感器包括从上到下依次设置的多层石墨烯贴片、介质基板、铜片层，三者均为共对角线设置的长方形，多层石墨烯贴片四边分别引出一铜质的微带连接线，共四根微带连接线；

其特征在于：还包括一谐波检测阅读器、RFID芯片和直流电源；

所述谐波检测阅读器包括发送器、接收器、双工器和双频天线，所述发射器用于产生频率为fc的检测激发信号，且检测激发信号内调制有方波信号，所述接收器用于接收3fc的谐波信号并进行检波处理，发送器、接收器均连接双工器，并经双工器连接第一天线，用于发送或接收信号；

所述石墨烯气体传感器中，两不相邻的微带连接线分别串联一电感构成直流电路，一微带连接线连接第二双频天线，一微带连接线经隔直电容连接到RFID芯片的射频前端，RFID芯片经一电阻与直流电路并联后连接直流电源，RFID芯片用于根据直流电路的电压和电流确定多层石墨烯贴片的电阻，并根据电阻大小确定待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件，其特征在于：介质基板、铜片层大小相同，介质基板材料为环氧树脂，厚度为0.6mm，铜片层和铜质微带连接线厚度为35um，多层石墨烯贴片的原子层厚度为4-8层。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的气体传感及谐波检测一体化器件的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）发送器发送频率为fc的检测激发信号，所述检测激发信号内调制有方波信号；

（2）多层石墨烯贴片接收到频率为fc的检测激发信号，产生频率为3fc的第一谐波信号，经隔直电容传递给RFID芯片，RFID芯片识别第一谐波信号中的方波信号后开始工作；

（3）RFID芯片获取直流电路中的电压和电流确定多层石墨烯贴片的电阻，由电阻大小确定待测气体浓度；

（4）RFID芯片将检测到的待测气体浓度数据以fc为载波频率，形成载波信号发送到多层石墨烯贴片；

（5）载波信号经多层石墨烯贴片产生频率为3fc的第二谐波信号发送至接收器；

（6）接收器接收第二谐波信号，进行检波处理得到待测气体浓度数据。