[发明专利]一种压力传感器及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；