基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器及系统的制作方法

本发明涉及压力测量领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器及系统。

背景技术：

压力是造成结构变形、损坏的主要原因，过大的压力不仅使结构产生较大的形变，降低结构的承载力，还会缩短结构的使用寿命。因此，工程中通过压力传感器对结构所受的压力进行监测来评估结构的安全性。

现有技术中，通过光纤光栅传感技术测量压力，光纤光栅具有传输损耗小、耐腐蚀、抗电磁干扰等优良性能。

但是，光纤光栅传感器只能用于工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的应用场合，在环境恶略的情况下极易损坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器及系统，以解决现有技术中光纤光栅传感器只能用于工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的应用场合，在环境恶略的情况下极易损坏的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器，压力传感器包括：柔性材料层、第一石墨烯层、第一纳米管部、受力部、第一电极和第二电极；

第一石墨烯层设置在柔性材料层的一侧，第一电极、第二电极和第一纳米管部分别设置在第一石墨烯层远离柔性材料层的一侧，其中，第一电极和第二电极分别设置在第一石墨烯层的两端，第一纳米管部包括多个碳纳米管，多个碳纳米管设置在第一电极和第二电极之间，受力部覆盖在多个碳纳米管远离柔性材料层的一侧。

可选地，该压力传感器还包括第二石墨烯层，第二石墨烯层设置第一纳米管部与受力部之间。

可选地，该第二石墨烯层靠近第一纳米管部的面设置为粗糙面。

可选地，该第二石墨烯层的两端分别与第一石墨烯层连接。

可选地，该压力传感器还包括第二纳米管部，第二纳米管部设置在第一石墨烯层和柔性材料层之间。

可选地，该第一纳米管部和第二纳米管部内掺杂有石墨烯碎片。

可选地，该第一石墨烯层靠近第一纳米管部的面上设置有多个凹坑。

可选地，该多个碳纳米管相互平行设置。

第二方面，本发明实施例提供了另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感系统，压力传感系统包括：电流表和第一方面任意一项的压力传感器，电流表的正极与负极压力传感器的第一电极电连接，电流表的与压力传感器的第二电极电连接，用于检测压力传感器的输出电流。

本发明的有益效果是：

本申请通过将第一石墨烯层设置在柔性材料层的一侧，第一电极、第二电极和第一纳米管部分别设置在第一石墨烯层远离柔性材料层的一侧，其中，第一电极和第二电极分别设置在第一石墨烯层的两端，第一纳米管部包括多个纳米管，多个碳纳米管设置在第一电极和第二电极之间，受力部覆盖在多个碳纳米管远离柔性材料层的一侧，当压力作用于该受力板，受力板挤压该第一纳米管部，使得该第一纳米管部发生形变，使得该第一纳米管部与第一石墨烯层之间的接触面积改变，使得该第一石墨烯层和第二纳米管部之间的隧穿效应变化明显，进而改变该第一电极和第二电极之间的电阻，通过测量第一电极和第二电极之间的电阻，可以得到该压力传感器的输出电压，进而得到该压力传感器的电阻，通过电阻的变化与压力的对应关系得到待测电阻，并且由于本申请压力传感器结构稳定，则该压力传感器可以应用于环境较为恶略的场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图。

图标：10-柔性材料层；20-第一石墨烯层；30-第一电极；40-第二电极；50-第一纳米管部；60-受力部；70-第二石墨烯层；80-第二纳米管部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器，压力传感器包括：柔性材料层10、第一石墨烯层20、第一纳米管部50、受力部60、第一电极30和第二电极40；第一石墨烯层20设置在柔性材料层10的一侧，第一电极30、第二电极40和第一纳米管部50分别设置在第一石墨烯层20远离柔性材料层10的一侧，其中，第一电极30和第二电极40分别设置在第一石墨烯层20的两端，第一纳米管部50包括多个碳纳米管，多个碳纳米管设置在第一电极30和第二电极40之间，受力部60覆盖在多个碳纳米管远离柔性材料层10的一侧。

该柔性材料层10和第一石墨烯层20的形状、体积根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，一般的，该柔性材料层10和第一石墨烯层20的形状一般为长方体，且该柔性材料层10和第一石墨烯层20行对面的表面积相同，该柔性材料层10的材料为柔性材料，即在压力的作用下具有一定弹性形变的材料，该柔性材料层10的具体材料选择，根据实际需要进行选择，在此不做限定，该压力传感器的结构中柔性材料层10之上设置有第一石墨烯层20，该第一石墨烯层20之上设置有第一纳米管部50、第一电极30和第二电极40，该第一电极30和第二电极40分别设置在第一石墨烯层20之上的两端，该第一纳米管部50设置在第一电极30和第二电极40之间，该第一纳米管部50可以周期设置在该第一石墨烯层20上表面，也可以不规则的设置在该第一石墨烯层20的上表面，在此不做具体限定，该受力部60覆盖在该第一纳米管部50之上，用于接收外界的压力，该受力部60的形状可以为片状，也可以为板状在此不做限定，该受力部60用于接收外界的压力，并将压力传递到该第一纳米管部50上，当压力作用于该受力板，受力板挤压该第一纳米管部50，使得该第一纳米管部50发生形变，使得该第一纳米管部50与第一石墨烯层20之间的接触面积改变，使得该第一石墨烯层20和第二纳米管部80之间的隧穿效应变化明显，进而改变该第一电极30和第二电极40之间的电阻，通过测量第一电极30和第二电极40之间的电阻，可以得到该压力传感器的输出电压，进而得到该压力传感器的电阻，通过电阻的变化与压力的对应关系得到待测电阻，并且由于本申请压力传感器结构稳定，则该压力传感器可以应用于环境较为恶略的场合，需要说明的是，该电阻的变化与压力的对应关根据实验测量得到在此不做具体限定。

名词解释，隧穿效应属于量子力学的研究领域，量子力学研究在量子尺度所发生的事件。设想一个运动中的粒子遭遇到一个位势垒，试图从位势垒的一边(区域a)移动到另一边(区域c)，这可以被类比为一个圆球试图滚动过一座小山。量子力学与经典力学对于这问题给出不同的解答。经典力学预测，假若粒子所具有的能量低于位势垒的位势，则这粒子绝对无法从区域a移动到区域c。量子力学不同地预测，这粒子可以概率性地从区域a穿越到区域c。

图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图，如图2所示，可选地，该压力传感器还包括第二石墨烯层70，第二石墨烯层70设置第一纳米管部50与受力部60之间。

该第二石墨烯层70设置在第一纳米管部50和受力部60之间，当压力作用在该压力部时，压力先通过该第二石墨烯层70，然后在将压力作用在该第一碳纳米管上，该第一纳米管部50发生形变，并与第一石墨烯层20和第二石墨烯层70的接触面积发生改变，同时改变第一石墨烯层20和第二石墨烯层70的隧穿效应，进而增加该压力传感器的导电特性，从而使得对压力的测量更加准确，该第二石墨烯层70的体积、设置面积在此不做具体限定。

可选地，该第二石墨烯层70靠近第一纳米管部50的面设置为粗糙面。

将该第二石墨烯层70靠近第一纳米管部50的面设置为粗糙面，不施加压力的时候，第一纳米管部50不与第二石墨烯层70粗糙面的底部相接触，当施加压力的时候，第一纳米管部50与第二石墨烯层70粗糙面的底部相接触，进而提高了该压力传感器测量压力的准确性。

图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图，如图3所示，可选地，该第二石墨烯层70的两端分别与第一石墨烯层20连接。

该第二石墨烯层70的两端分别延伸至与第一石墨烯层20连接，即该第二石墨烯层70将该第一纳米管部50包裹起来，当压力作用在该压力部时，该第一纳米管部50发生形变，与第一石墨烯层20和第二石墨烯层70的接触面积进一步发生改变，进一步的改变第一石墨烯层20和第二石墨烯层70的隧穿效应，进而增加该压力传感器的导电特性，从而使得对压力的测量更加准确。

图4为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感器的结构示意图，如图4所示，可选地，该压力传感器还包括第二纳米管部80，第二纳米管部80设置在第一石墨烯层20和柔性材料层10之间。

该第二纳米管部80设置在第一石墨烯层20和柔性材料层10之间，这样一来，同时存在第一石墨烯层20和第二石墨烯层70分别与第一纳米管部50和第二纳米管部80相结合的面，从而进一步的提高探测压力灵敏度，该第二纳米管部80的体积、设置面积在此不做具体限定。

可选地，该第一纳米管部50和第二纳米管部80内掺杂有石墨烯碎片。

该第一纳米管部50和第二纳米管部80内分别掺杂有石墨烯碎片，第一纳米管部50和第二纳米管部80通过石墨烯碎片与第一石墨烯层20和第二石墨烯层70进行连接，从而增加第一纳米管部50和第二纳米管部80与第一石墨烯层20和第二石墨烯层70在测量压力的时候的接触面积，进而使得该压力传感器的电性改变更加敏感，对压力的测量更加准确。

可选地，该第一石墨烯层20靠近第一纳米管部50的面上设置有多个凹坑。

将该第一石墨烯层20靠近第一纳米管部50的面上设置有多个凹坑，不施加压力的时候，第一纳米管部50不与第二石墨烯层70多个凹坑的底部相接触，当施加压力的时候，第一纳米管部50与第二石墨烯层70多个凹坑的底部相接触，进而提高了该压力传感器测量压力的准确性。

可选地，该多个碳纳米管相互平行设置。

该第一纳米管部50上的多个碳纳米管相互平行设置，且相邻的两个碳纳米管之间的距离根据实际需要而定，在此不做具体限定。

本申请通过将第一石墨烯层20设置在柔性材料层10的一侧，第一电极30、第二电极40和第一纳米管部50分别设置在第一石墨烯层20远离柔性材料层10的一侧，其中，第一电极30和第二电极40分别设置在第一石墨烯层20的两端，第一纳米管部50包括多个纳米管，多个碳纳米管设置在第一电极30和第二电极40之间，受力部60覆盖在多个碳纳米管远离柔性材料层10的一侧，当压力作用于该受力板，受力板挤压该第一纳米管部50，使得该第一纳米管部50发生形变，使得该第一纳米管部50与第一石墨烯层20之间的接触面积改变，使得该第一石墨烯层20和第二纳米管部80之间的隧穿效应变化明显，进而改变该第一电极30和第二电极40之间的电阻，通过测量第一电极30和第二电极40之间的电阻，可以得到该压力传感器的输出电压，进而得到该压力传感器的电阻，通过电阻的变化与压力的对应关系得到待测电阻，并且由于本申请压力传感器结构稳定，则该压力传感器可以应用于环境较为恶略的场合。

本发明实施例还提供了另一种基于石墨烯薄膜和碳纳米管的压力传感系统，压力传感系统包括：电流表和上述任意一项的压力传感器，电流表的正极与负极压力传感器的第一电极30电连接，电流表的与压力传感器的第二电极40电连接，用于检测压力传感器的输出电流。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。