一種壓阻式真空計(jì)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測(cè)量環(huán)境氣壓的真空計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]真空計(jì)是在科研和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一類測(cè)量真空度或氣壓的儀器。按其測(cè)量過(guò)程中利用的物理原理可分為三大類:利用力學(xué)性能、利用氣體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和利用帶電粒子效應(yīng)的真空計(jì)。由于機(jī)制所限，每一類真空計(jì)僅能測(cè)量一定的范圍，具有有限的量程，且在相互銜接的區(qū)域，往往造成較大的誤差。
[0003]利用力學(xué)性能的真空計(jì)是目前最常用的一類真空計(jì)，其中，壓阻式真空計(jì)作為利用力學(xué)性能真空計(jì)的典型代表，其原理是在不同壓力下壓敏元件膜片受力不同會(huì)有不同尺度的變形，導(dǎo)致壓敏元件電阻發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻的變化量，可以獲得氣壓變化。壓敏元件通常采用金屬或者摻雜的半導(dǎo)體材料制成。金屬壓阻式真空計(jì)具有量程大，使用便捷的優(yōu)點(diǎn)，但是形變能力差，壓敏系數(shù)較低。半導(dǎo)體壓阻式真空計(jì)具有優(yōu)異的壓敏系數(shù)，但是形變能力差限制了其實(shí)際應(yīng)用。相對(duì)的，薄膜電容式真空計(jì)的靈敏度很高，能夠克服壓阻式真空計(jì)的缺點(diǎn)，但是薄膜式真空計(jì)的量程較小，且對(duì)使用環(huán)境有一定要求。
[0004]所以，綜上所述，有必要提供一種新型的壓阻式真空計(jì)，既具有優(yōu)秀的形變能力和壓敏系數(shù)，又具有使用便捷、不受環(huán)境限制的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種應(yīng)變能力強(qiáng)、壓敏系數(shù)高的真空計(jì)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種壓阻式真空計(jì)，其中包括:
[0007]石墨烯傳感元件，所述石墨烯傳感元件包括石墨烯中空管道；
[0008]柔性載體，所述柔性載體包覆所述石墨烯傳感元件，并將所述石墨烯中空管道密封，所述柔性載體與所述石墨烯傳感元件緊密接合，以使所述石墨烯傳感元件在所述柔性載體產(chǎn)生形變時(shí)隨所述柔性載體一同形變；
[0009]至少兩支導(dǎo)線，所述導(dǎo)線與所述石墨稀傳感元件連接。
[0010]所述石墨烯傳感元件包括沿不同方向延伸的石墨烯中空管道，且不同方向的石墨烯中空管道相互貫通，形成具有網(wǎng)絡(luò)狀管道結(jié)構(gòu)的石墨烯傳感元件。所述導(dǎo)線可以與所述石墨烯中空管道的端部連接。所述石墨烯中空管道內(nèi)部可以抽真空也可以充入一定量的氣體。
[0011]所述石墨烯傳感元件可以位于所述柔性載體的力學(xué)中性位置，所述柔性載體的材料可以是聚二甲基硅氧烷或者環(huán)氧樹脂。
[0012]所述壓阻式真空計(jì)中還可以包括金屬互連，所述金屬互連設(shè)置在所述石墨烯中空管道的端部，所述導(dǎo)線通過(guò)所述金屬互連與所述石墨烯中空管道連接。
[0013]另一方面，本發(fā)明還提供了一種制造上述壓阻式真空計(jì)的方法，其中包括:
[0014]步驟1、提供生長(zhǎng)襯底，在所述生長(zhǎng)襯底表面進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，生長(zhǎng)石墨烯傳感元件；
[0015]步驟2、在所述生長(zhǎng)襯底和石墨烯傳感元件周圍形成柔性載體，所述柔性載體將所述石墨稀傳感元件密封，并與石墨稀傳感元件緊密接合；
[0016]步驟3、在所述柔性載體上設(shè)置刻蝕開口，刻蝕去除所述生長(zhǎng)襯底；
[0017]步驟4、在所述石墨稀傳感元件上連接導(dǎo)線，并密封所述刻蝕開口。
[0018]所述制造方法還包括在所述步驟I與步驟2之間進(jìn)行的在所述石墨烯傳感元件上形成金屬互連的步驟；
[0019]所述步驟2還包括，所述柔性載體將所述金屬互連密封；
[0020]所述步驟3還包括，所述刻蝕開口避開所述金屬互連；
[0021]所述步驟4還包括，所述導(dǎo)線連接在所述金屬互連上，導(dǎo)線通過(guò)金屬互連與所述石墨稀傳感元件連接。
[0022]或者，所述步驟3可以包括，保留部分所述生長(zhǎng)襯底作為金屬互連；
[0023]所述步驟4還包括，所述導(dǎo)線連接在所述金屬互連上，導(dǎo)線通過(guò)金屬互連與所述石墨稀傳感元件連接。
[0024]本發(fā)明提供的壓阻式真空計(jì)中使用石墨烯作為壓敏傳感元件，石墨烯材料具有管道狀宏觀結(jié)構(gòu)，能夠?qū)艿纼?nèi)外的壓差作出形變響應(yīng)，從而引起電阻變化。本發(fā)明的真空計(jì)靈敏度和量程均能夠得到極大提高。此外，柔性載體提供了密封腔室，保護(hù)傳感元件不被外界環(huán)境污染，器件的穩(wěn)定性得到極大提升。
[0025]通過(guò)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0026]被結(jié)合在說(shuō)明書中并構(gòu)成說(shuō)明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同其說(shuō)明一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0027]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述壓阻式真空計(jì)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述壓阻式真空計(jì)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述壓阻式真空計(jì)的正視截面示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述壓阻式真空計(jì)制造方法的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]現(xiàn)在將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到:除非另外具體說(shuō)明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。
[0032]以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說(shuō)明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0033]對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為說(shuō)明書的一部分。
[0034]在這里示出和討論的所有例子中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它例子可以具有不同的值。
[0035]應(yīng)注意到:相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0036]本發(fā)明提供了一種壓阻式真空計(jì)，其中包括:石墨烯傳感元件、柔性載體以及導(dǎo)線，所述石墨烯傳感元件中包括至少一條石墨烯中空管道。所述柔性載體形成在所述石墨烯傳感元件周圍，與所述石墨烯傳感元件緊密結(jié)合并將其密封。所述石墨烯中空管道在所述柔性載體內(nèi)部形成中空結(jié)構(gòu)，其緊貼在柔性載體的內(nèi)壁上，當(dāng)所述柔性載體受到外部的壓力而產(chǎn)生壓縮變形時(shí)，所述柔性載體會(huì)將受力載荷傳遞給石墨烯傳感元件，所述石墨烯中空管道會(huì)一同發(fā)生壓縮變形；由于石墨烯中空管道被所述柔性載體密封，所以其中封入的空氣量恒定，當(dāng)外部壓力減小時(shí)，石墨烯中空管道內(nèi)的壓力會(huì)使石墨烯中空管道和柔性載體產(chǎn)生膨脹變形。所述石墨烯傳感元件的具有較高的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)，當(dāng)自身產(chǎn)生形變時(shí)，電阻會(huì)隨之產(chǎn)生變化。所述導(dǎo)線與所述石墨烯傳感元件連接，在本發(fā)明所述的壓阻式真空計(jì)中，至少包括兩支導(dǎo)線分別連接在石墨烯傳感元件上的導(dǎo)線，以構(gòu)成監(jiān)測(cè)電流的導(dǎo)通回路。當(dāng)所述石墨烯傳感元件的電阻產(chǎn)生變化時(shí)，通過(guò)測(cè)量監(jiān)測(cè)電流的變化程度，可以獲得環(huán)境氣壓的大小。所述石墨烯傳感元件除包括石墨烯中空管道外，還可以包括其它用于連接電路、限制自身位置的部件。
[0037]優(yōu)選的，為了提高所述壓阻式真空計(jì)對(duì)各個(gè)方向氣壓變化的監(jiān)測(cè)能力，所述石墨烯傳感元件2可以包括多條不同方向的石墨烯中空管道21，所述石墨烯中空管道21相互貫通，構(gòu)成具有網(wǎng)絡(luò)狀管道結(jié)構(gòu)的石墨烯傳感元件2。如圖1所示，方向不同的石墨烯中空管道21相互連通交錯(cuò)，形成管道網(wǎng)絡(luò)。特別的，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)ζ叫杏诠艿谰W(wǎng)絡(luò)方向的壓力變化具有更靈敏的響應(yīng)，在外部載荷的作用下，石墨烯中空管道21的電阻呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)變化趨勢(shì)，并且具有優(yōu)異的形變能力，能夠使真空計(jì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、大量程的特點(diǎn)。在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，所述石墨烯傳感元件2中還可以包括多個(gè)方向的石墨烯中空管道21，所述石墨烯中空管道21可以組成立體的網(wǎng)絡(luò)狀管道結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Ω喾较驅(qū)崿F(xiàn)更靈敏的響應(yīng)。
[0038]特別的，為了使監(jiān)測(cè)所述石墨烯傳感元件2的整體形變情況，所述導(dǎo)線3可以連接在所述石墨烯中空管道21的兩端。本發(fā)明所述的壓阻式真空計(jì)中可以設(shè)置多支導(dǎo)線3，用于監(jiān)測(cè)所述石墨烯傳感元件2不同位置的形變情況。例如，所述石墨烯中空管道21為網(wǎng)絡(luò)狀管道結(jié)構(gòu)時(shí)，可選的，導(dǎo)線3可以連接在各個(gè)中空管道的端部。本發(fā)明并不限制所述導(dǎo)線3連接在石墨烯傳感元件2上的位置，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要在所述石墨烯傳感元件2的各個(gè)位置連接導(dǎo)線3。另外，用于連接導(dǎo)線3的位置可以不被所述柔性載體I密封，但是，仍需保證石墨烯中空管道21的內(nèi)部是密封狀態(tài)。
[0039]根據(jù)所述石墨烯傳感元件2的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所述柔性載體I的外形可以呈立方體結(jié)構(gòu)，也可以呈薄膜狀。如圖2、3所示，所述柔性載體I作為本發(fā)明真空計(jì)的受力件，其外壁可以與所述石墨烯中空管道21的端面平行，以使自身的受力形變方式與所述石墨烯傳感元件2相匹配。另外，所述柔性載體I可以將所述石墨烯傳感元件2容納在自身的力學(xué)中性位置，以避免除氣壓差之外的其它作用力干擾石墨烯傳感元件2正常工作。
[0040]優(yōu)選的，根據(jù)本發(fā)明所述壓阻式真空計(jì)的使用情況，所述石墨烯中空管道21中可以密封一定量的氣體，也可以抽成真空。調(diào)節(jié)所述石墨烯中空管道21內(nèi)的氣壓可以改變管道內(nèi)外壓差，從而起到調(diào)節(jié)本發(fā)明真空計(jì)量程的作用。另外，為了保護(hù)所述石墨烯傳感元件2、提高真空計(jì)的精確度，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將所述石墨烯中空管道21中的空氣抽出后充入惰性氣體。所述壓阻式真空計(jì)的量程還可以通過(guò)改變石墨烯中空管道21的直徑、柔性載體I的厚度和彈性模量等方法進(jìn)行調(diào)整。
[0041]所述柔性載體I具有可塑性、彈性形變能力優(yōu)異、絕緣等特點(diǎn)。在具體實(shí)施中，所述柔性載體I可以采用聚二甲基硅氧烷或環(huán)氧樹脂。聚二甲基硅氧烷可以通過(guò)澆注的方式形成在所述石墨烯傳感元件2周圍，并緊密包覆在石墨烯傳感元件2上，以將氣壓變化產(chǎn)生的載荷傳遞到石墨烯傳