CN211346684U - 石墨烯温度应变传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种石墨烯温度应变传感器，其中石墨烯传感器中的第一应变电阻栅和第二应变电阻栅的形状相同、交替对称排布且两者材料的电阻温度系数比值与两者材料的电阻应变系数比值不相等。第一应变电阻栅和第二应变电阻栅的实时电压通过四个电极组成的信号输出电路输出至检测电路。检测电路可以检测第一应变电阻栅两端的第一电压和第二应变电阻栅两端的第二电压，并根据第一电压和第二电压计算第一实时电阻和第二实时电阻，最后根据第一实时电阻和第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。因此，本申请提供的石墨烯温度应变传感器可以在无需任何温度或者应变补偿元件的前提下实现对温度和应变的准确测量，同时可以实现电路的有效简化。

Description

石墨烯温度应变传感器

技术领域

本申请涉及温度及应变检测技术领域，特别是涉及一种石墨烯温度应变传感器。

背景技术

在现有技术中，通常采用热电偶对待测物体的温度进行检测，采用电阻应变片对待检测物体的应变进行检测。

然而，使用热电偶测量得到的温度可能受热电偶应变影响产生较大误差，而电阻应变片测量得到的应变同时受到环境温度的影响。因此，现有技术中的热电偶和电阻应变片均受外界影响较大，且无法同时对待检测物体的温度和应变进行准确测量。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有技术中热电偶和电阻应变片均受外界影响较大，且无法同时对待检测物体的温度和应变进行准确测量的问题，提供一种石墨烯温度应变传感器。

本申请提供一种石墨烯温度应变传感器，包括：

石墨烯传感器，包括第一应变电阻栅和第二应变电阻栅，所述第一应变电阻栅和所述第二应变电阻栅的形状相同且交替对称排布，所述第一应变电阻栅材料与所述第二应变电阻栅材料的电阻温度系数的比值不等于所述第一应变电阻栅与所述第二应变电阻栅的电阻应变系数的比值；

信号输出电路，包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一应变电阻栅串联于所述第一电极和所述第二电极之间，所述第二应变电阻栅串联于所述第三电极和所述第四电极之间，所述信号输出电路用于输出电压信号；以及

检测电路，与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极分别电连接，用于检测所述第一应变电阻栅两端的第一电压和所述第二应变电阻栅两端的第二电压，根据所述第一电压计算所述第一应变电阻栅的第一实时电阻，根据所述第二电压计算所述第二应变电阻栅的第二实时电阻，并根据所述第一实时电阻和所述第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。

在其中一个实施例中，所述第一应变电阻栅包括：

过渡层，与所述待检测物体表面贴合设置，用于提高所述石墨烯传感器与待测物体表面的结合力；

底端功能层，覆盖所述过渡层远离所述待检测物体表面的一侧，用于提供绝缘保护；

结构层，覆盖所述底端功能层远离所述过渡层的一侧，用于形成石墨烯应变电阻栅；以及

顶端功能层，覆盖所述结构层远离所述底端功能层的一侧，用于提供绝缘保护，所述第一电极和所述第二电极暴露于所述顶端功能层外。

在其中一个实施例中，所述结构层的图案为呈蜿蜒曲折分布的长条形或圆形。

在其中一个实施例中，所述底端功能层和/或所述顶端功能层为多层复合薄膜结构。

在其中一个实施例中，所述检测电路包括：

第一电压检测电路，其第一端与所述第一电极连接，其第二端与所述第二电极连接，用于检测所述第一应变电阻栅两端的所述第一电压；

第二电压检测电路，其第一端与所述第三电极连接，其第二端与所述第四电极连接，用于检测所述第二应变电阻栅两端的所述第二电压；

信号放大电路，其第一端与所述第一电压检测电路的第三端连接，其第二端所述第二电压检测电路的第三端连接，用于经所述第一端接收所述第一电压，经所述第二端接收所述第二电压，并对所述第一电压和所述第二电压分别进行放大；以及

信号处理电路，其输入端与所述信号放大电路的第三端连接，用于接收放大后的所述第一电压和放大后的所述第二电压，根据所述第一电压计算所述第一应变电阻栅的所述第一实时电阻，根据所述第二电压计算所述第二应变电阻栅的第二实时电阻，并根据所述第一实时电阻和所述第二实时电阻计算所述待检测物体的温度和应变。

在其中一个实施例中，所述第一电压检测电路包括：

惠斯通电桥支路，其第一端与所述第一电极连接，其第二端与所述第二电极连接，其第三端形成所述第一电压检测电路的第三端；

桥臂电阻调整支路，其第一端与所述惠斯通电桥支路的第四端连接，其第二端与所述惠斯通电桥支路的第五端连接，用于调整所述惠斯通电桥支路中处于同一桥臂的电阻的阻值；

电压调零放大支路，其第一端与所述第一电极连接，其第二端与所述第二电极连接，其第三端与所述惠斯通电桥支路的第一端连接，其第四端与所述桥臂电阻调整支路的第三端连接，用于在所述第一应变电阻栅电阻变化时，将所述惠斯通电桥支路的第三端的电压调零。

在其中一个实施例中，所述信号放大电路包括：

电压同相放大支路，其第一端形成所述信号放大电路的第一端，其第二端形成所述信号放大电路的第二端，其第三端和第四端分别与所述信号处理电路的输入端连接，用于经其第一端接收所述第一电压，经其第二端接收所述第二电压，对所述第一电压和所述第二电压分别进行放大，并将放大后的所述第一电压和放大后所述第二电压传输至所述信号处理电路；以及

电流同相放大支路，其第一端与所述电压同相放大支路的第三端连接，其第二端与所述电压同相放大支路的第四端连接，其第三端和第四端分别与所述信号处理电路的输入端连接，用于经其第一端接收所述第一电压，经其第二端接收所述第二电压，对所述第一电压和所述第二电压分别进行放大，并将放大后的所述第一电压和放大后的所述第二电压传输至所述信号处理电路。

在其中一个实施例中，所述结构层为多层石墨烯金属复合薄膜材料。

在其中一个实施例中，所述第一应变电阻栅还包括：

保护层，覆盖所述顶端功能层远离所述结构层的一侧，用于保护所述第一应变电阻栅。

在其中一个实施例中，所述保护层为石墨烯改性涂层。

本申请提供的石墨烯温度应变传感器中，由于石墨烯传感器中的第一应变电阻栅和第二应变电阻栅的形状相同、交替对称排布且两者材料的电阻温度系数的比值与两者材料的电阻应变系数的比值不相等，故可以通过第一应变电阻栅和第二应变电阻栅的电阻变化反映待测物体的温度和应力的改变。在测量过程中，第一应变电阻栅和第二应变电阻栅的实时电压可以通过四个电极组成的信号输出电路输出至检测电路。检测电路可以检测第一应变电阻栅两端的第一电压和第二应变电阻栅两端的第二电压，并根据第一电压计算第一应变电阻栅的第一实时电阻，根据第二电压计算第二应变电阻栅的第二实时电阻，最后根据第一实时电阻和第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。因此，相比于现有技术，本申请提供的石墨烯温度应变传感器可以在无需任何温度或者应变补偿元件的前提下实现对温度和应变的单独测量，即解耦温度与应变，极大降低温度与应变之间互相影响程度，提高了测量的准确性。由于石墨烯温度应变传感器可以实现对温度和应变的一体化检测，故可以有效实现电路简化和体积缩小。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种石墨烯温度应变传感器应用示意图；

图2为本申请实施例提供的一种石墨烯温度应变传感器部分结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种石墨烯温度应变传感器的检测电路连接关系示意图；

图4为本申请实施例提供的一种石墨烯温度应变传感器的第一电压检测电路/第二电压检测电路连接关系示意图；

图5为本申请实施例提供的一种石墨烯温度应变传感器的第一应变电阻栅/第二应变电阻栅结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种石墨烯温度应变传感器部分结构示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种石墨烯温度应变传感器的石墨烯传感器排布方式结构示意图。

附图标号说明

100 石墨烯温度应变传感器

10 石墨烯传感器

110 第一应变电阻栅

111 过渡层

112 底端功能层

113 结构层

114 顶端功能层

115 保护层

120 第二应变电阻栅

20 信号输出电路

210 第一电极

220 第二电极

230 第三电极

240 第四电极

30 检测电路

310 第一电压检测电路

311 惠斯通电桥电路

312 桥臂电阻调整支路

313 电压调零放大支路

320 第二电压检测电路

330 信号放大电路

331 电压同相放大支路

332 电流同相放大支路

340 信号处理电路

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

可以理解，现有技术中通常采用热电偶对待测物体的温度进行检测，并采用电阻应变片对待检测物体的应变进行检测。使用热电偶测量得到的温度可能受热电偶应变影响产生较大误差，而电阻应变片测量得到的应变同时受到环境温度的影响也存在误差，即现有技术测量得到的结果为受到温度影响后的应变或者是受应变影响的温度，测量结果不准确。此外，现有技术还具有诸如热电偶需要冷端补偿以及温度和应变两种分离的传感器占地面积较大等问题。因此，本申请提供一种石墨烯温度应变传感器100，可以解决无法准确测量温度和应变，且测量精度低、灵敏度低、受外界干扰严重和适用环境及安装空间受限等多种问题。

请参见图1-图2，本申请提供一种石墨烯温度应变传感器100。石墨烯温度应变传感器100包括石墨烯传感器10、信号输出电路20和检测电路30。石墨烯传感器10包括第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的形状相同且交替对称排布，所述第一应变电阻栅110材料与所述第二应变电阻栅120材料的电阻温度系数的比值不等于所述第一应变电阻栅110与所述第二应变电阻栅120的电阻应变系数的比值。信号输出电路20包括第一电极210、第二电极220、第三电极230和第四电极240，第一应变电阻栅110串联于第一电极210和第二电极220之间，第二应变电阻栅120串联于第三电极230和第四电极240之间，信号输出电路20用于输出电压信号。检测电路30与第一电极210、第二电极220、第三电极230和第四电极240分别电连接，用于检测第一应变电阻栅110两端的第一电压和第二应变电阻栅120两端的第二电压，根据第一电压计算第一应变电阻栅110的第一实时电阻，根据第二电压计算第二应变电阻栅120的第二实时电阻，并根据第一实时电阻和第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。

可以理解，石墨烯温度应变传感器100可以包括一个或多个石墨烯传感器10，且每个石墨烯传感器10包括第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120。在本实施例中，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的形状相同可以理解为内部用于感知温度和应变的电阻栅的图形相同，例如电阻栅均为尺寸相同的方波状。另外，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120交替对称排列可以参见图2，即两个电阻栅互相交错穿插且对称排布。可以理解，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的形状相同且交替对称排布可以保证两个电阻栅所处环境完全相同，且产生的形变量完全相同，即保证感知得到的温度和应变完全相同，从而提高测量结果的准确性。

可以理解，本申请对第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120中电阻栅的具体结构(尺寸、形状和布局)不作限定，只要其可以满足对待测物体温度和应变的测量即可。第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的结构可以根据实际测量环境进行设置，从而可以提高石墨烯温度应变传感器100对环境的适应能力，以适用于局部温度或应变分布不均匀等多变环境。由于第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的具体结构选择，石墨烯温度应变传感器100可以消除或者减小温度对应变测量产生的影响，从而避免测量环境中温度变换导致应变测量结果误差较大的问题，当然，也可以消除或减小应变对温度测量产生的影响。

在其中一个实施例中，第一应变电阻栅110与第二应变电阻栅120可以为石墨烯薄膜电阻栅。由于石墨烯的含量不同可以导致电阻温度系数不同，故第一应变电阻栅110与第二应变电阻栅120的电阻温度系数不同可以直接理解为其分别包括的石墨烯薄膜含量不同，具体可以为石墨烯薄膜的厚度不同。当然，上述实施例并不构成对本申请的限定，也可以采用其它方式使第一应变电阻栅110与第二应变电阻栅120电阻温度系统不同，只要其可以满足测量需要即可。在本实施例中，由于石墨烯薄膜散热性较强，采用石墨烯薄膜电阻栅形成第一应变电阻栅110与第二应变电阻栅120可以增加石墨烯温度应变传感器100的散热能力，进一步提高测量精度，延长使用寿命。

可以理解，由于第一应变电阻栅110串联于第一电极210和第二电极220之间，第二应变电阻栅120串联于第三电极230和第四电极240之间，故第一电极210、第二电极220构成了第一应变电阻栅110的信号输出端，第三电极230和第四电极240共同构成了第二应变电阻栅120的信号输出端。在其中一个实施例中，第一电极210、第二电极220、第三电极230和第四电极240可以为薄膜电极，且每个电极处可以同时引出两个外接导线与检测电路30电连接，具体的连接关系参见后续实施例，在此不再赘述。

在本实施例中，石墨烯温度应力传感器100的工作原理如下：若待测物体的表面温度发生变化且同时产生应变，此时待测物体表面安装的石墨烯传感器10中的第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的阻值发生改变。可以理解，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的阻值变化为温度和应变共同作用导致，两者的电阻值可以表示为：

其中，ΔR₁、R₀₁、k₁、α₁与ΔR₂、R₀₂、k₂、α₂分别为第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120实时阻值改变量、初始阻值、电阻应变系数以及电阻温度系数。其中初始阻值可以在ε＝0、T＝0℃条件下测量得到，ε、T分别为第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120产生的实时应变与实时温度。

在实际测量过程中，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120中的初始电阻、电阻应变系数以及电阻温度系数均为已知量。检测电路30可以检测第一应变电阻栅110两端的第一电压和第二应变电阻栅120两端的第二电压，并根据第一电压计算第一应变电阻栅110的第一实时电阻，根据第二电压计算第二应变电阻栅120的第二实时电阻，根据第一实时电阻和第二实时电阻可以分别计算得到对应的实时阻值改变量。因此，上述方程中仅应变量ε与温度T为未知量。可以理解，本申请对第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120两者的具体材料不作限定，只要其可满足k₁/k₂≠α₁/α₂即可，此时应变量ε与温度T两个未知量具有唯一解，即检测电路30可以根据第一实时电阻和第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。在其中一个实施例中，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的材料可以不同且满足k₁/k₂≠α₁/α₂。在另外一个实施例中，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的材料可以相同，即均采用石墨烯，但石墨烯的含量不同以保证k₁/k₂≠α₁/α₂。

可以理解，由于应力与应变成正比线性关系，故还可以通过石墨烯温度应变传感器100实现对应力以及载荷等参数的测量。可以理解，相比于现有技术中仅可以测量受到温度影响的应变或者受到应力影响温度，本申请提供的石墨烯温度应变传感器100可以同时实现对温度和应变的单独测量，即解耦温度与应变，以使温度与应变之间的相互影响减弱，从而保证测量得到的温度结果几乎不受应变影响，应变结果几乎不受温度影响，极大提高了测量的准确性。

在其中一个实施例中，可以采用微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)设计制造石墨烯温度应变传感器100。可以理解，MEMS结合微电子和微加工技术，可以制造各种性能优、价格低、微型化的传感器。因此，与传统的电磁式互感器相比，基于MEMS的石墨烯温度应变传感器100具有测量精度高、体积小、重量轻、功耗低、成本低、可集成、有利于批量化生产等优点。本申请中的检测电路30等其他电路或器件均可以基于MEMS技术，以减小石墨烯电流传感器100的体积、重量和功耗，并提高石墨烯温度应变传感器100的测量精度。

综上所述，在本申请提供的石墨烯温度应变传感器100中，由于石墨烯传感器10中的第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的形状相同、交替对称排布且电阻温度系数不同，故可以通过第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的电阻变化反映待测物体的温度和应力的改变。在测量过程中，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的实时电压可以通过四个电极组成的信号输出电路20输出至检测电路30。检测电路30可以检测第一应变电阻栅110两端的第一电压和第二应变电阻栅120两端的第二电压，并根据第一电压计算第一应变电阻栅110的第一实时电阻，根据第二电压计算第二应变电阻栅120的第二实时电阻，最后根据第一实时电阻和第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。因此，相比于现有技术，本申请提供的石墨烯温度应变传感器100可以在无需任何温度或者应变补偿元件的前提下实现对温度和应变的准确测量，同时可以实现电路的有效简化。此外，由于本申请提供的石墨烯温度应变传感器100采用了一体式温度及应变监测技术，故具有侵入空间小的优点。本申请提供的石墨烯温度应变传感器100适用于实验室、生产车间等多种场合，可以实时在线监测零部件或设备中的温度和应力，具体可以应用于轴承、车刀刀具、钢铁冶炼、石油提取以及化工压力容器等过程中温度与应力的监测。

请一并参见图3，在其中一个实施例中，检测电路30包括第一电压检测电路310、第二电压检测电路320、信号放大电路330和信号处理电路340。第一电压检测电路310，其第一端与第一电极210连接，其第二端与第二电极220连接，用于检测第一应变电阻栅110两端的第一电压。第二电压检测电路320，其第一端与第三电极230连接，其第二端与第四电极240连接，用于检测第二应变电阻栅120两端的第二电压。信号放大电路330，其第一端与第一电压检测电路310的第三端连接，其第二端第二电压检测电路320的第三端连接，用于经第一端接收第一电压，经第二端接收第二电压，并对第一电压和第二电压分别进行放大。信号处理电路340，其输入端与信号放大电路330的第三端连接，用于接收放大后的第一电压和放大后的第二电压，根据第一电压计算第一应变电阻栅110的第一实时电阻，根据第二电压计算第二应变电阻栅120的第二实时电阻，并根据第一实时电阻和第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。

在本实施例中，第一电压检测电路310的第一端可以通过两根外接导线与第一电极210连接，第二端可以通过两根根外接导线与第二电极220连接。同理，第二电压检测电路320的第一端可以通过两根外接导线与第三电极230连接，第二端可以通过两根外接导线与第四电极240连接。因此，每个电极均通过两根外接导线与其对应的电压检测电路连接，以实现对第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的实时电压的测量。在其中一个实施例中，信号处理电路340可以包括数模转换与信号处理电路和单片机。石墨烯温度应变传感器100还可以包括数码显示屏或PC终端，此时，石墨烯温度应变传感器100可以直接显示电流改变量、阻值改变量、实时阻值、温度、应力或应变等参数。

请一并参见图4，在其中一个实施例中，第一电压检测电路310包括惠斯通电桥支路311、桥臂电阻调整支路312和电压调零放大支路313。惠斯通电桥支路311，其第一端

与第一电极210连接，其第二端

与第二电极220连接，其第三端形成第一电压检测电路310的第三端(V_out)，即检测电路310的信号输出端。桥臂电阻调整支路312，其第一端与惠斯通电桥支路311的第四端连接，其第二端与惠斯通电桥支路311的第五端连接，用于调整惠斯通电桥支路311中处于同一桥臂的电阻的阻值。电压调零放大支路313，其第一端(+V)与第一电极210连接，其第二端(-V)与第二电极220连接，其第三端与惠斯通电桥支路311的第一端

连接，其第四端与桥臂电阻调整支路312的第三端连接，用于在第一应变电阻栅110电阻变化时，将惠斯通电桥支路311的第三端的电压调零。在其中一个实施例中，电压调零放大支路313可以包括电压调零放大器。

在本实施例中，以第一电极210为例，根据本实施例的电路连接关系，第一电极210可以通过一根外接导线与惠斯通电桥支路311的第一端连接，第一电极210可以通过另外一根外接导线与电压调零放大支路313的第一端连接，即每个电极均通过两根外接导线与其对应的电压检测电路连接，其它电极的具体连接方式在此不再赘述。在其中一个实施例中，第二电压检测电路320可以与第一电压检测电路310完全相同。同时第一电压检测电路310和第二电压检测线路320可以共用一个差分稳压电压源。

在其中一个实施例中，惠斯通电桥支路311可以为惠斯通1/4桥，惠斯通电桥支路311在正常运行时需要保证电桥平衡，此时需满足R1/R3＝R2/RT。而通常惠斯通电桥的设定为R1＝R2＝R3，此时需要满足RT＝R3。由于第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120在制备过程中可能与期望阻值存在一定误差，此时，为了满足惠斯通电桥支路311的工作条件，进一步提高第一电压和第二电压的测量精度，可以通过桥臂电阻调整支路312调整R3，以使R3＝RT。因此，在无需通过复杂过程调节两个电阻栅的阻值的前提下，仅通过设置桥臂电阻调整支路312即可实现对惠斯通电桥支路311的调整，可以避免第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120制备导致的温度和应变误差，进一步提高石墨烯温度应变传感器100的温度和应变测量准确度。

在其中一个实施例中，信号放大电路330包括电压同相放大支路331和电流同相放大支路332。电压同相放大支路331，其第一端形成信号放大电路330的第一端，其第二端形成信号放大电路330的第二端，其第三端和第四端分别与信号处理电路340的输入端连接，用于经其第一端接收第一电压，经其第二端接收第二电压，对第一电压和第二电压分别进行放大，并将放大后的第一电压和放大后第二电压传输至信号处理电路340。电流同相放大支路332，其第一端与电压同相放大支路331的第三端连接，其第二端与电压同相放大支路331的第四端连接，其第三端和第四端分别与信号处理电路340的输入端连接，用于经其第一端接收第一电压，经其第二端接收第二电压，对第一电压和第二电压分别进行放大，并将放大后的第一电压和放大后的第二电压传输至信号处理电路340。

可以理解，在实际测量过程中，温度、应变或应力可以导致第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的阻值发生改变。以第一应变电阻栅110为例，与其连接的电压调零放大支路313可以将第一应变电阻栅110所在的桥臂输出端电压调零，此时惠斯通电桥支路311的固定桥臂的输出端(第三端)电压信号可以发生改变。该电压信号可以经电压同相放大支路331放大，随后输入信号处理电路340。在其中一个实施例中，若传输距离较远、需要穿墙或中间存在其他障碍物，即电压载波可能会被屏蔽或干扰，此时可以使用电流同向放大支路332来传输模拟信号。在本实施例中，惠斯通电桥支路311的第三端可以输出电压信号，该电压信号可以首先经电压同相放大支路331放大后，输入电流同相放大支路332，最后输入信号处理电路340。此时，由于采用电流回路传输模拟信号，可以实现对石墨烯温度应变传感器100的远距离监控。

请一并参见图5，在其中一个实施例中，第一应变电阻栅110包括过渡层111、底端功能层112、结构层113和顶端功能层114。过渡层111与待检测物体表面贴合设置，用于提高石墨烯传感器10与待测物体表面的结合力。底端功能层112覆盖过渡层111远离待检测物体表面的一侧，用于提供绝缘保护。结构层113覆盖底端功能层112远离过渡层111的一侧，用于形成石墨烯应变电阻栅。顶端功能层114覆盖结构层113远离底端功能层112的一侧，用于提供绝缘保护，第一电极210和第二电极220暴露于顶端功能层114外。在其中一个实施例中，第一电极210和第二电极220可以为薄膜电极，其材料可以为Au、Ag或Cu。

在本实施例中，过渡层111可以为薄膜结构，其材料可以为Ni、Ci或其合金，可以提高待测物体表面与底端功能层112之间的结合力。作为石墨烯温度应变传感器100的底端与顶端，底端功能层112和/或顶端功能层114可以采用耐高温绝缘复合陶瓷材料，其可以满足一定的酸碱腐蚀及高低温环境的需求，同时材料本身属性也可以在一定程度上减轻外界振动与冲击对石墨烯温度应变传感器100造成的伤害。在其中一个实施例中，底端功能层112和/或顶端功能层114可以为Si₃N₄、Al₂O₃、SiO₂、SiC中两种或多种材料复合而成。

在其中一个实施例中，第一应变电阻栅110还包括保护层115。保护层115覆盖顶端功能层114远离结构层113的一侧，用于保护第一应变电阻栅110。保护层115为石墨烯改性涂层。石墨烯改性涂层为在环氧、聚氨酯、聚苯胺等涂层中分散有石墨烯的涂层，其可以利用石墨烯的化学惰性及阻挡性能，延长腐蚀组分在防护涂层中的传输通道，适用于盐雾、海水等低温环境下的水汽接触防护及抗腐蚀。可以理解，保护层115的抗氧化及抗腐蚀防护与底端功能层112和顶端功能层114的高温非接触防护相结合，可以进一步提高石墨烯温度应变传感器100的环境适应能力。

请一并参见图6-图7，在其中一个实施例中，结构层113为多层石墨烯金属复合薄膜材料，可以根据待检测物体表面的温度和应变发生形变或断裂，以使其自身阻值发生改变。结构层113的图案为呈蜿蜒曲折分布的长条形或圆形。可以理解，第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120分别对应一个敏感栅，即每个石墨烯传感器10中的结构层113中可以包含两个敏感栅，以实现对温度和应变的测量。在本实施例中，结构层113的图案可以是蜿蜒曲折的矩形长条状或者是圆形，本申请对结构层113的图案的具体形状和布局方式不作限定，其可以根据测量环境及测量种类进行设计。

在其中一个实施例中，图2所示部分石墨烯温度应变传感器100(结构层113的形状和布局)可以实现对温度和单轴应力的测量。图6所示石墨烯温度应变传感器100除了可以实现对温度和应变的测量外，还可以实现对平膜压力和/或压强的测量。图7为应变花式石墨烯温度应变传感器100，其可以包括两个、三个或者更多个石墨烯传感器10。应变花是一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅的电阻应变计，其可以确定平面应力场中主应变的大小和方向。在本实施例中，可以包括三个石墨烯传感器10，该应变花具有三个不同轴向敏感栅，可以测量三个方向的应变和大小，相比于单向的电阻栅则对单方向的拉力或压力的测量，扩大了应变的测量范围，从而进一步扩大了石墨烯温度应变传感器100的应用范围。

可以理解，根据待测物体体的不同，石墨烯温度应变传感器100的制备方法可以不同，主要包括分离式和一体式。分离式可以通过机械连接方式(螺钉固定)、物理融合方式(扩散焊接)、胶粘方式(粘接剂)将制备好的石墨烯温度应变传感器100固定安装在待测物体表面。在其中一个实施例中，若待测物体可以允许开槽或者打孔等内部结构改变，也可以将石墨烯温度应变传感器100直接嵌入待测物体内部。若待测物体为液体或气体，也可以直接则将石墨烯温度应变传感器100安装固定于与待测物体可接触的附近。

若待测物体适合直接在其表面制备石墨烯温度应变传感器100，则可以直接将传感器与待测物体制备为一体式传感器。在其中一个实施例中，待测物体的材料可以为45钢，此时具体制备过程可以如下：首先对用来制备薄膜传感器的待测物体表面进行打磨清洗，通过磁控溅射方法在处理好的表面生长一层Cr薄膜，厚度可以为1-1000nm。随后，可以通过化学气相沉积方法生长1-3000nm的底端功能层112。其中底端功能层112的材料可以为多层复合薄膜，具体为Al₂O₃、Si₃N₄、SiO₂、SiC中的两种或多种。继续通过磁控溅射方法以及标准光刻工艺依次制备四个薄膜电极(第一电极210、第二电极220、第三电极230和第四电极240)，并可以同时通过磁控溅射方法、化学气相沉积生长以及标准光刻工艺制备结构层113，其中薄膜电极材料可以为Au、Ag或Cu，结构层113可以为多层薄膜结构，具体材料为Pt、NiCr、Ni、石墨烯、CuCr、Cu中的两种或多种。

在其中一个实施例中，第一应变电阻栅110的结构层113和第二应变电阻栅120的结构层113中至少有一个结构层113为多层薄膜结构，且此多层薄膜结构中包括石墨烯薄膜，由于石墨烯薄膜上下需要粘结层，故包括石墨烯薄膜的结构层113为多层薄膜结构。具体可以有以下三种情况，第一，第一应变电阻栅110的结构层113为包括石墨烯薄膜的多层薄膜结构，第二应变电阻栅120的结构层113为非石墨烯单层薄膜结构。第二，第一应变电阻栅110的结构层113为非石墨烯单层薄膜结构，第二应变电阻栅120的结构层113为包括石墨烯薄膜的多层薄膜结构。第三，第一应变电阻栅110的结构层113和第二应变电阻栅120的结构层113均为包括石墨烯薄膜的多层薄膜结构，但其中的石墨烯含量不同，即石墨烯薄膜层的厚度不同。上述三种情况均可以保证第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120的作用，即保证石墨烯温度应变传感器100的正常工作。其中，石墨烯薄膜层可以通过磁控溅射法进行制备。

在上述实施例中，单层薄膜结构的结构层113的制备方法可以为：首先，在底端功能层112上表面喷涂光刻胶，经掩膜版曝光并显影后，溅射一层薄膜，其厚度可以为1nm～1000nm。随后，置入装有丙酮溶液的超声波机器内进行剥离残余的光刻胶，形成一个敏感栅图案。而多层薄膜结构的结构层113可以在上述步骤的基础上执行以下步骤：溅射第一粘结层，随后采用化学气象沉积生长并光刻石墨烯薄膜，最后在远离第一粘结层的一侧溅射第二粘结层。可以理解，另一个电阻栅中结构层113中的敏感栅制备方法可以根据其选择的多层薄膜结构或单层薄膜结构，选择上述制备方法。需要说明的是，若两个电阻栅结构层113均为多层薄膜结构，则两个电阻栅结构层113的石墨烯层厚度可以不同，以确保第一应变电阻栅110和第二应变电阻栅120之间的电阻温度系数比值与电阻应变系数比值不同。在结构层113的上表面采用化学气相沉积方法制备顶端功能层114，顶端功能层114可以为多层薄膜结构，其可以为Si₃N₄、Al₂O₃、SiO₂、SiC中的两种或多种材料复合而成，但顶端功能层114最上面为石墨烯改性涂层形成的保护层115。石墨烯改性涂层是在环氧、聚氨酯、聚苯胺等涂层中分散石墨烯的涂层的材料，将涂层材料通过旋转涂覆的方式均匀喷涂于顶端功能层114的上表面，通过热处理后可以增加石墨烯改性涂层与顶端功能层114的结合力，并将石墨烯改性涂层固定于顶端功能层114。可以理解，底端功能层112、顶端功能层114以及保护层115的设置，可以进一步提高石墨烯温度应变传感器100对恶劣环境的适应能力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种石墨烯温度应变传感器，其特征在于，包括：

石墨烯传感器(10)，包括第一应变电阻栅(110)和第二应变电阻栅(120)，所述第一应变电阻栅(110)和所述第二应变电阻栅(120)的形状相同且交替对称排布，所述第一应变电阻栅(110)材料与所述第二应变电阻栅(120)材料的电阻温度系数的比值不等于所述第一应变电阻栅(110)与所述第二应变电阻栅(120)的电阻应变系数的比值；

信号输出电路(20)，包括第一电极(210)、第二电极(220)、第三电极(230)和第四电极(240)，所述第一应变电阻栅(110)串联于所述第一电极(210)和所述第二电极(220)之间，所述第二应变电阻栅(120)串联于所述第三电极(230)和所述第四电极(240)之间，所述信号输出电路(20)用于输出电压信号；以及

检测电路(30)，与所述第一电极(210)、所述第二电极(220)、所述第三电极(230)和所述第四电极(240)分别电连接，用于检测所述第一应变电阻栅(110)两端的第一电压和所述第二应变电阻栅(120)两端的第二电压，根据所述第一电压计算所述第一应变电阻栅(110)的第一实时电阻，根据所述第二电压计算所述第二应变电阻栅(120)的第二实时电阻，并根据所述第一实时电阻和所述第二实时电阻计算待检测物体的温度和应变。

2.根据权利要求1所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述第一应变电阻栅(110)包括：

过渡层(111)，与所述待检测物体表面贴合设置，用于提高所述石墨烯传感器(10)与待测物体表面的结合力；

底端功能层(112)，覆盖所述过渡层(111)远离所述待检测物体表面的一侧，用于提供绝缘保护；

结构层(113)，覆盖所述底端功能层(112)远离所述过渡层(111)的一侧，用于形成石墨烯应变电阻栅；以及

顶端功能层(114)，覆盖所述结构层(113)远离所述底端功能层(112)的一侧，用于提供绝缘保护，所述第一电极(210)和所述第二电极(220)暴露于所述顶端功能层(114)外。

3.根据权利要求2所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述结构层(113)的图案为呈蜿蜒曲折分布的长条形或圆形。

4.根据权利要求2所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述底端功能层(112)和/或所述顶端功能层(114)为多层复合薄膜结构。

5.根据权利要求1所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述检测电路(30)包括：

第一电压检测电路(310)，其第一端与所述第一电极(210)连接，其第二端与所述第二电极(220)连接，用于检测所述第一应变电阻栅(110)两端的所述第一电压；

第二电压检测电路(320)，其第一端与所述第三电极(230)连接，其第二端与所述第四电极(240)连接，用于检测所述第二应变电阻栅(120)两端的所述第二电压；

信号放大电路(330)，其第一端与所述第一电压检测电路(310)的第三端连接，其第二端所述第二电压检测电路(320)的第三端连接，用于经所述第一端接收所述第一电压，经所述第二端接收所述第二电压，并对所述第一电压和所述第二电压分别进行放大；以及

信号处理电路(340)，其输入端与所述信号放大电路(330)的第三端连接，用于接收放大后的所述第一电压和放大后的所述第二电压，根据所述第一电压计算所述第一应变电阻栅(110)的所述第一实时电阻，根据所述第二电压计算所述第二应变电阻栅(120)的第二实时电阻，并根据所述第一实时电阻和所述第二实时电阻计算所述待检测物体的温度和应变。

6.根据权利要求5所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述第一电压检测电路(310)包括：

惠斯通电桥支路(311)，其第一端与所述第一电极(210)连接，其第二端与所述第二电极(220)连接，其第三端形成所述第一电压检测电路(310)的第三端；

桥臂电阻调整支路(312)，其第一端与所述惠斯通电桥支路(311)的第四端连接，其第二端与所述惠斯通电桥支路(311)的第五端连接，用于调整所述惠斯通电桥支路(311)中处于同一桥臂的电阻的阻值；

电压调零放大支路(313)，其第一端与所述第一电极(210)连接，其第二端与所述第二电极(220)连接，其第三端与所述惠斯通电桥支路(311)的第一端连接，其第四端与所述桥臂电阻调整支路(312)的第三端连接，用于在所述第一应变电阻栅(110)电阻变化时，将所述惠斯通电桥支路(311)的第三端的电压调零。

7.根据权利要求5所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述信号放大电路(330)包括：

电压同相放大支路(331)，其第一端形成所述信号放大电路(330)的第一端，其第二端形成所述信号放大电路(330)的第二端，其第三端和第四端分别与所述信号处理电路(340)的输入端连接，用于经其第一端接收所述第一电压，经其第二端接收所述第二电压，对所述第一电压和所述第二电压分别进行放大，并将放大后的所述第一电压和放大后所述第二电压传输至所述信号处理电路(340)；以及

电流同相放大支路(332)，其第一端与所述电压同相放大支路(331)的第三端连接，其第二端与所述电压同相放大支路(331)的第四端连接，其第三端和第四端分别与所述信号处理电路(340)的输入端连接，用于经其第一端接收所述第一电压，经其第二端接收所述第二电压，对所述第一电压和所述第二电压分别进行放大，并将放大后的所述第一电压和放大后的所述第二电压传输至所述信号处理电路(340)。

8.根据权利要求2所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述结构层(113)为多层石墨烯金属复合薄膜材料。

9.根据权利要求2所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述第一应变电阻栅(110)还包括：

保护层(115)，覆盖所述顶端功能层(114)远离所述结构层(113)的一侧，用于保护所述第一应变电阻栅(110)。

10.根据权利要求9所述的石墨烯温度应变传感器，其特征在于，所述保护层(115)为石墨烯改性涂层。

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