CN110186598A - 一种石墨烯薄膜压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种石墨烯薄膜压力传感器，所述传感器壳体（3）内以石墨烯支架（4）固定石墨烯薄膜（6）；所述石墨烯薄膜为矩形的薄的片状体，所述片状体包括以石墨烯往复弯折成形的石墨烯夹层（602）；所述石墨烯夹层上表面覆以氮化硼顶膜（601），下表面覆以氮化硼底膜（603）；所述氮化硼顶膜、氮化硼底膜均为绝缘体；本发明具有灵活的机械性能、可逆的形变性以及优异的耐温性，为耐高温、灵敏度高、质量轻、强度大的柔性压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其是一种石墨烯薄膜压力传感器。
背景技术
随着MEMS技术的快速发展，传感器的性能得到提高，特别是趋向于小型化、柔性化、智能化和多能化发展。与此同时，要求传感器的各项性能需得到进一步的提高，也是当前传感器研究的焦点。当前，结构简单、信号处理简便和灵敏度高压力传感器被广泛使用，但是传统的压力传感器在较低的压力下，上下电极容易饱和，当压力进一步增大时，灵敏度降低，偏离原来的线性。另外，传统压力传感器在灵敏度、响应时间、检测范围、稳定性及使用寿命等方面进一步改良的空间越来越小。故开发新型的压力传感器。
柔性压力传感器中采用的大量聚合物材料以及纳米材料不具有高的热稳定性，无法胜任高温环境压力探测任务，而且压力器件线性响应范围、灵敏度和重复性等方面存在不足。
石墨烯的强度约比钢大200倍，电导率和导热系数也高于传统材料，而且石墨烯非常轻，每平方米的重量不到1毫克，能使得传感器更易于高性能化、微型化、集成化、多功能化、低成本化。实现石墨烯薄膜压力传感器具有更高的灵敏度和更优异的稳定性能。此外，石墨烯薄膜压力传感器还具有灵活的机械性能、可逆的形变性以及优异的耐温性，更好运用于柔性电子器件。
发明内容
本发明提出一种石墨烯薄膜压力传感器，具有灵活的机械性能、可逆的形变性以及优异的耐温性，为耐高温、灵敏度高、质量轻、强度大的柔性压力传感器。
本发明采用以下技术方案。
一种石墨烯薄膜压力传感器，所述传感器壳体（3）内以石墨烯支架（4）固定石墨烯薄膜（6）；所述石墨烯薄膜为矩形的薄的片状体，所述片状体包括以石墨烯往复弯折成形的石墨烯夹层（602）；所述石墨烯夹层上表面覆以氮化硼顶膜（601），下表面覆以氮化硼底膜（603）；所述氮化硼顶膜、氮化硼底膜均为绝缘体。
所述传感器为压阻式压力传感器，包括低压腔（1）、高压腔（2）；所述低压腔位于石墨烯薄膜和壳体上端面之间；所述高压腔位于石墨烯薄膜和壳体下端面之间；所述低压腔或高压腔与外界相通。
所述石墨烯薄膜处设有多个压阻元件；所述压阻元件与壳体处的测量引线相接。
当传感器受压使低压腔与高压腔之间存在气压差时，所述石墨烯薄膜形变使石墨烯薄膜处的压阻元件的阻值产生可反映承载压差的阻值变化。
所述压阻元件的数量为四个。
所述高压腔的体积小于低压腔。
所述石墨烯夹层（602）为波浪形夹层或城垛形夹层。
本发明的优点在于：在传感器薄膜上使用石墨烯薄膜，使得传感器具有高性能化、微型化和多功能化。石墨烯薄膜表面喷涂氮化硼，降低外部电路模块功耗的效果；采用波浪形长方体表面形貌的石墨烯薄膜有利于承受更大的压力，提高可靠力学性能，维持石墨烯薄膜的稳定性。
本发明的设计优点在于：
（1）采用石墨烯薄膜。石墨烯薄膜非常薄，而且强度大、导热性好、质量轻，运用于压力传感器中，可使得传感器具有高性能化、微型化和多功能化。
（2）石墨烯表面喷涂氮化硼。石墨烯中不存在带隙，但氮化硼拥有非常宽的带隙。表面喷涂氮化硼，可实现石墨烯表面形成一种不错的绝缘体。避免外界影响输出电阻的变化范围，获得更准确的电阻变化范围和高的输出电阻值，从而达到降低外部电路模块功耗的效果。
（3）石墨烯薄膜内设波浪形或城垛形的石墨烯夹层，这样的夹层结构可以承受更大的压力，提高可靠力学性能，而且耐温性较好，维持石墨烯薄膜的稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构原理示意图；
附图2是本发明所述的石墨烯夹层、氮化硼顶膜、氮化硼底膜的分解及组合示意图；
图中：1-低压腔；2-高压腔；3-壳体；4-石墨烯支架；5-测量引线；6-石墨烯薄膜；601-氮化硼顶膜；602-石墨烯夹层；603-氮化硼底膜。
具体实施方式
如图1-2所示，一种石墨烯薄膜压力传感器，所述传感器壳体3内以石墨烯支架4固定石墨烯薄膜6；所述石墨烯薄膜为矩形的薄的片状体，所述片状体包括以石墨烯往复弯折成形的石墨烯夹层602；所述石墨烯夹层上表面覆以氮化硼顶膜601，下表面覆以氮化硼底膜603；所述氮化硼顶膜、氮化硼底膜均为绝缘体。
所述传感器为压阻式压力传感器，包括低压腔1、高压腔2；所述低压腔位于石墨烯薄膜和壳体上端面之间；所述高压腔位于石墨烯薄膜和壳体下端面之间；所述低压腔或高压腔与外界相通。
所述石墨烯薄膜处设有多个压阻元件；所述压阻元件与壳体处的测量引线相接。
当传感器受压使低压腔与高压腔之间存在气压差时，所述石墨烯薄膜形变使石墨烯薄膜处的压阻元件的阻值产生可反映承载压差的阻值变化。
所述压阻元件的数量为四个。
所述高压腔的体积小于低压腔。
所述石墨烯夹层603为波浪形夹层或城垛形夹层。
本例中，在测量压差时，可让低压腔或高压腔以不同的管口与外界的两个不同环境相通，从而测知两个环境之间的气压差。
Claims (7)
1.一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：所述传感器壳体（3）内以石墨烯支架（4）固定石墨烯薄膜（6）；所述石墨烯薄膜为矩形的薄的片状体，所述片状体包括以石墨烯往复弯折成形的石墨烯夹层（602）；所述石墨烯夹层上表面覆以氮化硼顶膜（601），下表面覆以氮化硼底膜（603）；所述氮化硼顶膜、氮化硼底膜均为绝缘体。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：所述传感器为压阻式压力传感器，包括低压腔（1）、高压腔（2）；所述低压腔位于石墨烯薄膜和壳体上端面之间；所述高压腔位于石墨烯薄膜和壳体下端面之间；所述低压腔或高压腔与外界相通。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：所述石墨烯薄膜处设有多个压阻元件；所述压阻元件与壳体处的测量引线相接。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：当传感器受压使低压腔与高压腔之间存在气压差时，所述石墨烯薄膜形变使石墨烯薄膜处的压阻元件的阻值产生可反映承载压差的阻值变化。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：所述压阻元件的数量为四个。
6.根据权利要求3所述的一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：所述高压腔的体积小于低压腔。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯薄膜压力传感器，其特征在于：所述石墨烯夹层（602）为波浪形夹层或城垛形夹层。
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