一种压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种结构简单的大量程和高精度的压力传感器及其制备方法。该方法利用表面存在大量褶皱的纳米厚度石墨材料，基于褶皱在垂直于表面的方向上的导电性会随着褶皱上承受的压力的增大而明显增大这一现象，设计了一个结构简单、易于实现的压力传感器结构。由于石墨材料表面的褶皱无处不在、密度较大，且高度各异，所以该压力传感器不仅可以在较大的量程范围内实现对压力的测量，而且对压力测量的精度也非常高，可以实现对微力的测量。另外，由于石墨材料为纳米厚度片状结构，该压力传感器还具有体积小的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种压力传感器及其制备方法
本专利技术属于压力传感器领域，具体涉及一种结构简单的大量程和高精度的压力传感器的制备方法。
技术介绍
压力传感器，是指将压力转换为可测电信号的器件。压力传感器的应用非常广泛，从风力测量等科学探测应用到自动化系统等工业需求、从精密天平等微力的精密测量到普通电子天平等一般物体测重，在各个领域都有着不可或缺的作用。而对于不同的领域，所需测量的压力的精度要求、量程范围等往往是不同的，因此根据不同的压力测量需求，所使用的压力传感系统(包括受力装置、压力传感器、转换元件等)都存在很大差异。对于如精密天平等微力的测量，主要使用激光位移式、光电式、电容式以及电磁力式等传感器作为压力传感部件，一般需配合光斑位置检测放大系统、光电放大系统或电学差动放大系统等来对压力传感器输出的信号进行放大，其测重范围主要在10-5～103g(即压力传感器所感知的压力范围为10-7～10N)；对于一般物体的测重，主要使用普通电子天平，其压力传感器一般为电阻应变式的压力传感器，精度相对较差，其测重范围一般在10-1～105g的范围(即压力传感器所感知的压力范围为10-3～103N)。一般来讲，测量量程较大的压力传感器精度较差；而精度较高的压力传感器无法测量较大的压力。另外，这些压力传感器需要进行精心设计，以便实现压力传感功能，并与压力测量系统中的其他部件(如检测电路、信号处理单元等)兼容，因此结构往往比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种结构简单的大量程和高精度的压力传感器，其主要工作原理为：对于表面存在大量褶皱的石墨材料(该石墨材料的平均厚度为10～500nm，以下简称石墨)，当使用导电模式原子力显微镜(c-AFM)在其表面进行纵向导电性测量(即在石墨表面施加其法线方向上的电压，并测量计算这一方向的微分电导)时发现，褶皱处的微分电导比平坦处的电导大得多。而且，当探针施加在褶皱上的压力不断增大时，由于褶皱处发生了越来越大的形变，同一个测量点的纵向微分电导会不断增加，最终到达一个饱和值，如图1。因此，若以石墨褶皱的纵向微分电导来表示石墨褶皱承受的压力，则表面存在大量褶皱的石墨便可作为一个结构简单的压力传感器。本专利技术提供压力传感器包括—表面存在褶皱的石墨材料，该石墨材料为纳米厚度片状结构；所述石墨材料粘附在一片硬质金属片上的中间区域；另一片硬质金属片覆盖在石墨材料上，上述两片硬质金属片的边缘使用柔性绝缘材料粘连并封装，其制备方法包含的主要步骤如下：1)制备表面存在褶皱的石墨材料，该石墨材料为纳米厚度片状结构；上述石墨材料是指平均厚度为10～500nm的纳米厚度石墨材料。上述石墨材料是指通过化学气相沉积法(CVD)制备的石墨材料。在制备石墨时，若制备的基底材料为金属，则该金属基底可以不用去除；而如果制备的基底材料为绝缘材料或导电性较差的材料，则该基底需要去除。2)计算所需石墨材料的最小面积和最大面积，并根据这一计算结果，在石墨合适的区域裁剪出一定面积的石墨材料；由于石墨的纵向微分电导有饱和值，所以要计算所需石墨材料的最小面积SG1。利用原子力显微镜(AFM)对石墨表面进行形貌测量，并根据压力传感器的不同用途，确定所需测量的力的量程范围，从而计算所需要石墨材料的面积最小面积SG1，计算方法为：a.使用AFM测量石墨上表面(即表面褶皱凸起的一面)的形貌图，如图2。根据该形貌图，计算石墨上褶皱的面积：为了计算的方便，褶皱的面积量化为一个矩形，其宽度以褶皱的半高宽计算，长度直接在形貌图上测量，计算得到褶皱的总面积为SW。而整个形貌图为正方形，其边长可以从图上直接读取，记为L，则整个扫描区域石墨的面积为L2。为了能准确反映褶皱占整个石墨材料的百分比，扫描的区域不宜过小(L≥10μm)；但是，为了减小褶皱面积的计算工作量，扫描区域也不宜过大(L≤30μm)。b.一般来讲，褶皱宽度远超过针尖的直径，可认为AFM探针针尖的面积即为针尖与石墨褶皱的接触面积，记为ST。对于导电模式AFM探针,针尖面积约为1200nm2。c.而根据图1中压力与微分电导的关系，当针尖施加的压力大于40nN时，褶皱的电导将达到饱和值，这时褶皱将失去力的测量能力。因此，为了准确地实现力的测量，针尖的压力不宜超过一个固定值FT，这个值一般在10-8N的量级。d.因此，若需要测量的压力的最大值为FM，则所需石墨的最小面积SG1可以根据以下公式计算得到：其中，ST＝1200nm2，FT＝10-8N。另外，还要计算所需石墨材料的最大面积SG2，这是因为：根据图2中AFM对石墨表面形貌的表征结果，可以看出，石墨表面各个褶皱的高度是不同的，有一部分褶皱高度较高，有一部分褶皱高度较低。当施加的压力较小的时候，只有高的褶皱发生微小形变，较低的褶皱未发生任何形变，这一小部分形变的褶皱将使得压力传感器实现微力的精确测量。也就是说，为了能够实现微力的精确测量，所使用的石墨中较高的褶皱的总数量不宜过多，因此，所使用的石墨的最大面积SG2应满足：SG2＝10×SG1。对石墨上表面形貌进行表征时，使用的原子力显微镜模式可以是普通接触模式、普通轻敲模式、导电模式、静电力模式、磁力模式、开尔文力模式、峰值力模式或自动模式等。无论采用何种方法制备的石墨材料，其表面都存在杂质、破洞以及厚度不均匀等问题。因此，需要在石墨上选择洁净、厚度均一的石墨区域使用，以保证所制作的压力传感器所受的力均匀稳定地分散在石墨材料的各个区域。所裁剪的小片石墨需要不含破洞或破洞面积较小，而且还需裁剪的形状规则，以便能计算出石墨的总面积SG。裁剪的方法可以是使用剪刀、小刀等宏观工具进行直接裁剪，也可以是使用紫外光刻、电子束曝光、激光直写光刻、纳米压印光刻或聚焦离子束刻蚀等微加工工具进行加工。3)使用导电胶将裁剪出的石墨材料粘附在一片硬质金属片上的中间区域；使用的导电胶应其有较强的导电能力，且能保证石墨的下表面与硬质金属片有较大的接触面积，可以是导电银胶、银粉导电胶、碳导电胶带、铜粉导电胶、铜导电胶带、石墨填充型导电胶等。4)在石墨材料的另一面覆盖另一片硬质金属片，该金属片依靠重力与镍箔的上表面自然接触，两片硬质金属片的边缘使用柔性绝缘材料粘连，以将整个压力传感器连为一体，并实现封装；在覆盖硬质金属片之前，需要沿着金属片的边缘涂上一圈柔性绝缘材料，如图3。随后，将另一块硬质金属片覆盖到石墨的上表面。这块硬质金属片由于重力作用，既可以与石墨上的褶皱紧贴，又可以在柔性绝缘材料凝固后，通过该柔性绝缘材料与下表面的金属片形成粘附，该压力传感器的示意图如图4。石墨表面覆盖的两个硬质金属片，类似于两个电极，当在两个金属片上施加固定电压时，便可以测出垂直于石墨方向上的电流随压力的变化，从而计算出相应微分电导的变化。所使用的硬质金属片可以是一切种类的金属单质或者各类金属的合金化合物。用于覆盖的两个硬质金属片可以是相同类型的金属材料，也可以是不同类型的金属材料，但是均需比使用的石墨材料的面积大，这样方便在金属片上涂上一圈柔性绝缘材料。所使用的柔性绝缘材料应当具有较强的粘性、较强的柔性、较好的绝缘性以及较好的密封性，可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力传感器，其特征在于，包括—表面存在褶皱的石墨材料，该石墨材料为纳米厚度片状结构；所述石墨材料粘附在一片硬质金属片上的中间区域；另一片硬质金属片覆盖在石墨材料上，上述两片硬质金属片的边缘使用柔性绝缘材料粘连并封装。

【技术特征摘要】
1.一种压力传感器，其特征在于，包括—表面存在褶皱的石墨材料，该石墨材料为纳米厚度片状结构；所述石墨材料粘附在一片硬质金属片上的中间区域；另一片硬质金属片覆盖在石墨材料上，上述两片硬质金属片的边缘使用柔性绝缘材料粘连并封装。2.一种压力传感器的制备方法，包含如下步骤：1)制备表面存在褶皱的石墨材料，该石墨材料为纳米厚度片状结构；2)利用原子力显微镜对石墨材料表面进行形貌测量，选择洁净、厚度均一区域，根据压力传感器所需测量力的量程范围裁剪石墨材料；3)使用导电胶将上述石墨材料粘附在一片硬质金属片上的中间区域；4)将另一片硬质金属片覆盖在石墨材料的另一面上，两片硬质金属片的边缘使用柔性绝缘材料粘连并封装，形成如权利要求1所述的压力传感器；5)将该压力传感器接入到相应测量系统中，并在该测量系统中对该压力传感器进行校准。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述石墨材料的平均厚度为10～500nm。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述石墨材料为使用化学气相沉积法CVD制备的石墨材料。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王紫东，彭沛，田仲政，任黎明，傅云义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11