[发明专利]一种基于石墨烯传感器的压力测量方法

说明书

本发明涉及了一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，包括建立压力敏感结构‑石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构‑石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构变形，石墨烯周围空间光场分布改变，采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化，进而得到压力敏感结构‑石墨烯接触面积与有效折射率的关系；有效折射率改变，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱，计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。本发明结合石墨烯特有的传输特性和马赫曾德尔光波导结构的相位变化原理，提出了一种新颖的压力测量方法。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，基于石墨烯独特的光学特性，能够实现高灵敏度、高环境适应性的高精度压力测量，属于压力测量技术领域。

背景技术

现代社会的智能化、信息化发展趋势对传感器的性能参数提出了越来越高的要求，比如检测精度要高、环境适应性要好、稳定性要好、长的使用时间等。例如医疗机器人与物体接触时，要避免破坏接触到的物体，而且能够免疫多元干扰，并易于集成在智能系统中。人机交互中的柔性压力传感器要求高灵敏度、小型化、宽检测范围、稳定性好。传统的压力传感器容易受到环境的干扰，而且体积较大，严重限制了传感器的环境适用性。为了让压力传感器更好的满足智慧医疗、人机交互、智能制造等新应用场景，压力测量方法需要引进新的技术、材料甚至检测方法，这是目前压力测量技术领域的一个新的挑战，因此，新型测量方法在未来有广阔的应用前景和较大的发展空间。

目前根据压力测量方法可根据传感器类型分为电阻式、电容式以及压电式。压阻式压力测量方法为：压力作用在传感器上，敏感元件形状改变，进而导致电阻发生变化，再通过电路将电阻变化信号转换为电压信号。压阻式测量原理简单，传感器能够在表面不规则的物体表面进行测量。但是压阻式传感器的测量范围有限，容易受到多元误差的干扰。压电式压力测量方法基于压电效应，压力沿一定方向作用在压电材料上时，压电材料发生变形，偶极子重定向进而压电材料内部极化，表面出现正负相反的电荷，进而电流值发生改变。压电式传感器灵敏度高，精度高。但是由于压电材料的表面生成的正负电荷不能长时间保存，因此智能用于动态压力测量，不能测量静态压力。电容式测量方法为：传感器加载压力，两个电极板中间的电介质发生形变，进而电介质的特有电学性能改变，从而改变传感器的电容值。常见的电容式传感器能耗低，但是同样受限于电介质材料的特性限制，检测极限较低。

石墨烯非常薄，具有超高的电子迁移率，并且常见环境中不受温度的影响。由于导带与狄拉克点相切，石墨烯的电子特性很稳定。并且强度高，拉伸性好，能承受30Gpa的强度拉力。石墨烯的优异特性能够在压力测量方法上带来新的突破。

发明内容

针对现有压力测量技术的不足，本发明基于石墨烯独特的光学性质，提出一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，能够有效检测压力，精度较高，灵敏度高。

一种基于石墨烯传感器的压力测量方法。包括建立压力敏感结构-石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构-石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构在压力作用下变形，压力敏感结构-石墨烯的接触面积发生改变。采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化。有效折射率发生变化，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱。计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。

本发明的采用如下技术方案：

一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，包括建立压力敏感结构-石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构-石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构在压力作用下变形，采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化，有效折射率发生变化，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱，计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。

进一步地，具体包括如下步骤：