[发明专利]一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器

说明书

一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，包括石墨烯元件（6），阻尼基底（4），电路和信号灯（5）。所述阻尼基座上均布有单原子层石墨烯元件构成的点阵石墨烯组件；所述阻尼基底为中心高两端底的类三角体；所述电路和信号灯设置在单原子层石墨烯元件上。所述单原子层石墨烯元件由单原子层石墨烯（1）和支座（3）构成。单原子层石墨烯两端固定在支座上；支座为绝缘材料，倾角为5~10^o，支座固定在阻尼基座上。本发明提供了一种基于石墨烯的双稳态物理转换的加速度传感器设计方法，实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，即最危险载荷。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

传感器是一种监测装置，能够识别待测信息(如力、加速度、温度、浓度等)，并将检测到的信息经电学装置转换成电信号等形式传递及输出，以实现信息传输、储存、显示及控制等要求。

石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层低维材料，研究表明与传统材料弯曲变形时截面上产生拉压变形不同，该单原子层结构所有的原子都位于中轴面上，仅依靠键角变化抵抗外弯矩。因此，这一特性赋予了石墨烯超弹特性，在大弯曲变形加载后卸去载荷能够弹性恢复到初始状态。

现有电学传感器的工作机制是：受外力作用时传感器发生变形，通过设计的电学装置形成通路，将变形信息转换成电信号输出。外力变化引起传感器相应的变形并最终体现在输出电信号上。

上述传感器存在以下三方面的限制：

1)传感器变形信息是瞬时的，必须外接电学装置形成通路转换为电信号实时输出、记录和显示；2)传感器量程范围内，结构反复变形造成结构疲劳损伤会影响监测的精度；外载荷超出量程时，传感器变形进入到塑性变形及留有残余应变，影响监测数据的准度。3)传感器灵敏性、稳定性受压电材料的压电常数、居里点温度、机械耦合系数等影响，导致工艺成本高，市场价格高。

发明内容

本发明的目的是，为了解决现有传感器灵敏性和稳定性问题，实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，提出一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器。

本发明实现的技术方案如下，一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，包括单原子层石墨烯元件，阻尼基底，信号灯。所述阻尼基座上均布有单原子层石墨烯元件构成的点阵石墨烯组件；所述阻尼基底直接与待测物体相连；所述信号灯设置在单原子层石墨烯元件上。

所述单原子层石墨烯元件由单原子层石墨烯和支座构成，单原子层石墨烯两端固定在支座上；支座为绝缘材料，倾角为5～10o，支座固定在阻尼基座上，以保证石墨烯凸拱下翻转时与其接触形成通路。

所述单原子层石墨烯均匀分布于阻尼基底两侧。

所述阻尼基底呈中间高两端低的类三角体，由阻尼比为0.01～0.2的材料制成。

所述点阵石墨烯组件中，单原子层石墨烯元件之间的间距应小于石墨烯宽度，间距越窄则精度越高。

所述单原子层石墨烯的跨度应为100～10¹微米，呈向上凸拱型，当所受外部激励达到某一临界加速度值时，凸拱向下翻转，翻转后的单原子层石墨烯与电极接触使得电路接通，形成通路。

临界加速度值随跨度增加而减小。例如石墨烯跨度为10微米时，控制轴向位移0.05～1.2微米，可形成凸拱拱高范围为0.5～2.0微米，所识别的加速度范围为300～1800g，近似线性表达式y＝828x-84，其中x表示拱高，y为所识别加速度。所述信号灯通过电路一端与单原子层石墨烯固定在一起，并保持与单原子层石墨烯连接，另一端置于凸拱石墨烯正下方阻尼基底中部。