[實用新型]一種基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202020083612.2
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN211717678U
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李孟委;王俊強;李明浩;梁海堅
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;B82Y15/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京惠智天成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11681
• 代理人: 劉瑩瑩

一種基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器，傳感器包括：封裝外殼，以及設(shè)置在封裝外殼頂端的不銹鋼端蓋和設(shè)置在封裝外殼內(nèi)部底端的基板，不銹鋼端蓋上設(shè)置有多個圓孔，基板上設(shè)置有襯底，襯底中心設(shè)置有納米孔；壓力檢測單元，壓力檢測單元設(shè)置在襯底上；互連組件，互連組件設(shè)置在壓力檢測單元兩側(cè)，互連組件一端與壓力檢測單元連接，互連組件另一端與外部連接。本實用新型在在納米孔中充入惰性氣體，通過將納米薄膜排布在納米孔結(jié)構(gòu)上，襯底與基板通過金屬鍵合形成惰性氣體密封腔，利用石墨烯的性質(zhì)，可長期穩(wěn)定工作在400MPa的高壓環(huán)境中且響應(yīng)時間低于1μs，并且耐酸堿、抗腐蝕，適用于各種高壓測試環(huán)境，具有很高的實用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及高壓測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在眾多領(lǐng)域?qū)τ趬毫Φ臏y量要求日益增大，尤其對于長時間高壓惡劣環(huán)境下的壓力測量是目前面臨的重要問題之一。例如在航空航天發(fā)動機內(nèi)、火炮膛內(nèi)等環(huán)境中，就需要用壓力傳感器對這些設(shè)備的承壓部件的壓力參數(shù)進行測量，從而準(zhǔn)確的評估承壓部件的健康狀況，有利于設(shè)計出耐高壓的關(guān)鍵部件。

由于石墨烯具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能，是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。同時石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm²/ (V·s)，這一數(shù)值超過了硅材料的10倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦(InSb)的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達250000cm²/(V·s)。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50～500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm²/(V·s)左右，是良好的納米傳感器材料。故其對于壓力的響應(yīng)時間極短。

目前硅壓阻式壓力傳感器在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但其測壓范圍較小，響應(yīng)時間較長。無法達到膛壓400MPa的測試需求、精度高且性能穩(wěn)定；但其熱慣性大、響應(yīng)時間長。如某型火炮發(fā)射過程中，膛內(nèi)壓力達到 300～400MPa，響應(yīng)時間小于50ms。本實用新型所述的基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器與傳統(tǒng)硅壓阻式壓力傳感器相比，基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器可用于高壓惡劣環(huán)境下的壓力測量。

使用納米孔作為敏感結(jié)構(gòu)，利用石墨烯材料代替金屬材料和其它半導(dǎo)體材料，從而開發(fā)一種響應(yīng)時間快且體積小的高性能高壓壓力傳感器是目前急需解決的一項科學(xué)技術(shù)。

實用新型內(nèi)容

為了有效解決上述背景技術(shù)問題的不足，利用石墨烯材料代替金屬材料和其它半導(dǎo)體材料，通過將石墨烯覆蓋于納米孔結(jié)構(gòu)上，設(shè)計了一種基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器。石墨烯薄膜受壓力影響，電學(xué)特性發(fā)生改變，具體是壓力導(dǎo)致石墨烯薄膜發(fā)生形變，引起石墨烯的電導(dǎo)率發(fā)生變化，然后通過外部檢測電路檢測石墨烯薄膜電導(dǎo)率的變化來實現(xiàn)對壓力的測量。

一種基于納米孔的石墨烯高壓壓力傳感器，可長期穩(wěn)定工作在400MPa的高壓環(huán)境中且響應(yīng)時間低于1μs，所述傳感器包括：

封裝外殼，以及設(shè)置在所述封裝外殼頂端的不銹鋼端蓋和設(shè)置在封裝外殼內(nèi)部底端的基板，所述不銹鋼端蓋上設(shè)置有多個圓孔，

所述基板上設(shè)置有襯底，所述襯底中心設(shè)置有納米孔；

壓力檢測單元，所述壓力檢測單元設(shè)置在所述襯底上；

互連組件，所述互連組件設(shè)置在所述壓力檢測單元兩側(cè)，所述互連組件一端與所述壓力檢測單元連接，所述互連組件另一端與外部連接導(dǎo)出壓力檢測單元的電學(xué)響應(yīng)。