一种基于石墨烯导电特性的气体压力传感器装置制造方法及图纸

本发明专利技术针对密闭容器内气体压力难以测量的现状，提出一种密闭容器内气体压力测量装置。压力传感器密闭容器装置由圆柱型容器、低压气体、圆形单晶硅板和石墨烯薄膜组成。所述桥式电路信号提取装置由电源、电阻、电流表、电压表、开关和导线组成。圆形单晶硅板及石墨烯薄膜在低压气体的作用下向容器内方向弯曲，石墨烯薄膜长度发生变化，石墨烯薄膜的电阻随长度变化，在桥式电路信号提取回路上就会形成相应的电流和电压变化，采集该变化信号，经过转化就能得到石墨烯薄膜的电阻变化，得到容器内气体压力。

A gas pressure sensor device based on electrical conductivity of graphene

Aiming at the present situation that the gas pressure in a closed container is difficult to measure, a device for measuring gas pressure in a closed container is proposed. The pressure sensor sealed container device consists of cylindrical vessel, low pressure gas, circular monocrystalline silicon plate and graphene film. The bridge circuit signal extraction device is composed of a power supply, a resistance, an ammeter, a voltmeter, a switch and a conducting wire. The circular monocrystalline silicon plate and graphene film bend in the direction of the container under the action of low pressure gas. The length of the graphene film changes. The resistance of the graphene film varies with the length. The corresponding current and voltage changes will be formed on the circuit signal extraction circuit of the bridge type circuit, and the change signal will be collected and the transformation can be obtained. The resistance of the graphene film changes, and the gas pressure inside the container is obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯导电特性的气体压力传感器装置
本专利技术专利是一种气体压力检测装置，特别是一种用于气体压力测量装置，属于压力传感器领域。
技术介绍
压力传感器广泛应用于汽车系统、工业过程控制、医疗诊断与监控以及环境监测中。在压力传感器中，薄膜厚度是决定压力传感器灵敏度的主要因素。单晶硅可形变薄膜是应用最广泛的材料之一。但是，在单晶硅薄膜上集成压阻传感器存在加工复杂、成本高的问题。压阻传感器的电阻一致性难以精确保证，成为制约单晶硅薄膜压力传感器技术提高的难题。石墨烯薄膜具有超薄、强度超大的优点，具有优异的导电性和电阻随长度变化的特性。现有石墨烯加工技术可以制造大面积、一致性好的薄膜，是压力传感器和压阻传感器的良好替代材料。桥式电路是一种具有高灵敏度和准确度的测量电路，利用非平衡电桥可以准确测量变化的电阻，进而间接测量气体的压强。本专利技术可以广泛应用于气象、化工等领域的气体压力检测工作。
技术实现思路
本专利技术针对密闭容器内气体压力难以测量的现状，提出一种密闭容器内气体压力测量装置。本专利技术专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于石墨烯导电特性的气体压力测量装置，包括压力传感器密闭容器装置、桥式电路信号提取装置两部分。所述压力传感器密闭容器装置，其特征在于：所述压力传感器密闭容器装置由圆柱型容器、低压气体、圆形单晶硅板和石墨烯薄膜组成。所述圆柱型容器中充入低压气体，使得圆形单晶硅板总是向内弯曲；所述圆形单晶硅板半径为2mm，厚度为20μm，固结于圆柱型容器上方开口部位，与圆柱型容器一起组成密闭容器；所述石墨烯薄膜长度为1mm，宽度为500μm，厚度为0.35nm，通过范德瓦耳斯力粘接于圆形单晶硅板下表面；所述石墨烯薄膜两端接上导线，分别连接桥式电路的a、b两端。所述桥式电路信号提取装置由电源、电阻、电流表、电压表、开关和导线组成，其特征在于：所述电源负极通过导线与开关右端连接，开关左端通过导线与桥式电路左端连接，桥式电路上端通过导线与电流表左端连接，电流表右端通过导线与电压表上端连接，电压表下端通过导线与桥式电路下端连接，桥式电路右端通过导线与电源正极连接；所述石墨烯薄膜作为桥式电路上的一个电阻，桥式电路上的a、b两端分别连接石墨烯薄膜的a、b两端，石墨烯薄膜未发生变形时的初始电阻值即为桥式电路上其它三个定值电阻的阻值。圆形单晶硅板及石墨烯薄膜在低压气体的作用下向容器内方向弯曲，石墨烯薄膜长度发生变化，石墨烯薄膜的电阻随长度变化，在桥式电路信号提取回路上就会形成相应的电流和电压变化，采集该变化信号，经过转化就能得到石墨烯薄膜的电阻变化，得到容器内气体压力。当圆形单晶硅板发生形变时，读取电压表的数值，得到圆板中心处的压力差为其中，P为容器内外压力差，E为圆形单晶硅板材料的弹性模量，b为石墨烯薄膜的宽度，l为石墨烯薄膜的长度，h为圆形单晶硅板的厚度，Ug为电压表显示值，a为圆形单晶硅板的半径，γ为泊松比，Us为电源电压。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.石墨烯薄膜超薄、强度超大，对测量结果的影响小，具有优异的导电性。2.基于石墨烯压阻传感器的桥式电路是一种具有高灵敏度和准确度特点，利用非平衡电桥可以准确测量变化的电阻，间接测量气体的压力。附图说明图1压力传感器密闭容器示意图；图2桥式电路信号提取示意图；图3薄膜圆形单晶硅板示意图；图中，1、圆形单晶硅板2、石墨烯薄膜3、圆柱型容器4、低压气体5、电流表6、电压表7、电阻8、电源9、开关10、电阻11、电阻具体实施方式以下结合附图做作进一步详述：本实施例的主体结构包括压力传感器密闭容器装置、桥式电路信号提取装置两部分。所述压力传感器密闭容器装置由圆柱型容器3、低压气体4、圆形单晶硅板1和石墨烯薄膜2组成。所述圆柱型容器3中充入低压气体4，使得圆形单晶硅板1总是向内弯曲；所述圆形单晶硅板1半径为2mm，厚度为20μm，固结于圆柱型容器3上方，与圆柱型容器3一起组成密闭容器；所述石墨烯薄膜2长度为1mm，宽度为500μm，厚度为0.35nm，固结于圆形单晶硅板1下表面，在密闭容器内部；所述石墨烯薄膜2两端接上导线，分别连接桥式电路的a、b两端。所述桥式电路信号提取装置由电源8、电阻7、电阻10、电阻11、电流表5、电压表6、开关9和导线组成，其特征在于：所述电源8负极通过导线与开关9右端连接，开关9左端通过导线与桥式电路左端连接，桥式电路上端通过导线与电流表5左端连接，电流表5右端通过导线与电压表6上端连接，电压表6下端通过导线与桥式电路下端连接，桥式电路右端通过导线与电源8正极连接；所述石墨烯薄膜2作为桥式电路上的一个电阻，桥式电路上的a、b两端分别连接石墨烯薄膜2的a、b两端，石墨烯薄膜2未发生变形时的初始电阻值即为桥式电路上电阻7、电阻10和电阻11三个定值电阻的阻值。圆形单晶硅板1及石墨烯薄膜2在低压气体4的作用下向容器内方向弯曲，石墨烯薄膜2长度发生变化，进而石墨烯薄膜2的电阻随长度变化，在桥式电路信号提取回路上就会形成相应的电流和电压变化，采集该变化信号，经过转化就能得到石墨烯薄膜2的电阻变化，得到容器内气体压力。当圆形单晶硅板1发生形变时，读取电压表6的数值，得到圆板中心处的压力差为其中，P为容器内外压力差，E为圆形单晶硅板材料的弹性模量，b为石墨烯薄膜的宽度，l为石墨烯薄膜的长度，h为圆形单晶硅板的厚度，Ug为电压表显示值，a为圆形单晶硅板的半径，γ为泊松比，Us为电源电压。实例1：石墨烯薄膜的长度为1mm，宽度为500μm，厚度为0.35nm，圆形单晶硅板的半径为2mm，圆形单晶硅板材料泊松比为0.35，圆形单晶硅板的弹性模量为190GPa，外接电源为2V。圆形单晶硅板发生弯曲时，带动石墨烯薄膜弯曲，读取电压表数值为920mV，计算得到压力差为13280Pa，已知容器外部是大气压，则容器内部压力为88045Pa。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本专利技术所述的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.所述压力传感器密闭容器装置由圆柱型容器(3)、低压气体(4)、圆形单晶硅板(1)和石墨烯薄膜(2)组成；所述圆柱型容器(3)中充入低压气体(4)，使得圆形单晶硅板(1)总是向内弯曲；所述圆形单晶硅板(1)半径为2mm，厚度为20μm，固结于圆柱型容器(3)上方，与圆柱型容器(3)一起组成密闭容器；所述石墨烯薄膜(2)长度为1mm，宽度为500μm，厚度为0.35nm，固结于圆形单晶硅板(1)下表面，在密闭容器内部；所述石墨烯薄膜(2)两端接上导线，分别连接桥式电路的a、b两端；圆形单晶硅板(1)及石墨烯薄膜(2)在低压气体(4)的作用下向容器内方向弯曲，石墨烯薄膜(2)长度发生变化，石墨烯薄膜(2)的电阻随长度变化，在桥式电路信号提取回路上就会形成相应的电流和电压变化，采集该变化信号，经过转化就能得到石墨烯薄膜(2)的电阻变化，得到容器内气体压力；当圆形单晶硅板(1)发生形变时，读取电压表(6)的数值，得到圆板中心处的压力差为

【技术特征摘要】
1.所述压力传感器密闭容器装置由圆柱型容器(3)、低压气体(4)、圆形单晶硅板(1)和石墨烯薄膜(2)组成；所述圆柱型容器(3)中充入低压气体(4)，使得圆形单晶硅板(1)总是向内弯曲；所述圆形单晶硅板(1)半径为2mm，厚度为20μm，固结于圆柱型容器(3)上方，与圆柱型容器(3)一起组成密闭容器；所述石墨烯薄膜(2)长度为1mm，宽度为500μm，厚度为0.35nm，固结于圆形单晶硅板(1)下表面，在密闭容器内部；所述石墨烯薄膜(2)两端接上导线，分别连接桥式电路的a、b两端；圆形单晶硅板(1)及石墨烯薄膜(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘灿昌，万磊，孔维旭，刘文晓，秦志昌，周长城，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37