石墨烯温度应变传感器制造技术

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。

Graphene temperature strain sensor

【技术实现步骤摘要】
石墨烯温度应变传感器
本申请涉及温度及应变检测
，特别是涉及一种石墨烯温度应变传感器。
技术介绍
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。
技术实现思路
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯温度应变传感器，其特征在于，包括：/n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；/n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/n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。/n...

【技术特征摘要】
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(32...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学瑞，李文博，李炯利，王旭东，张宝勋，于公奇，
申请(专利权)人：北京石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11