[发明专利]一种基于石墨烯导电特性的气体压力传感器装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明可以广泛应用于气象、化工等领域的气体压力检测工作。

发明内容

本发明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。

本发明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，U_g为电压表显示值，a为圆形单晶硅板的半径，γ为泊松比，U_s为电源电压。

本发明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