一种多功能传感器及信号检测系统

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种多功能传感器及信号检测系统。


背景技术：

2.微型力传感器与加速度传感器在微纳机械系统、可穿戴设备、手机，无人机、机器人等领域都有重要的应用。其中，传统的力传感器的工作原理一般是内部配置的弹性元件在力的作用下产生相应的位移，转换为电容、电感、电阻等电信号，对该电信号进行测量后获得对应作用力的信息。传统加速度传感器通常由质量块、弹性元件、形变-信号转换模块等构成。在加速过程中，质量块在惯性力的作用下发生移动，改变器件的电容、电感、电阻等，经过电路分析得到物体的加速度。
3.这两类传感器虽然都能较好的实现测量目的，但是都存在体积大、不利于集成的问题。基于微纳机械系统的力传感器和加速度传感器可以有效的降低器件的尺寸，但由于其工作原理仍然是通过测量电容、电感、电阻等电信号来进一步得到测量目标，器件中需要外接电极和电源，尺寸难以进一步缩小。尤其是植入人体内部需要定时取出更换电池。且信号不能远距离直接探测，需要通过配套的电路和天线转换为电磁波信号后才能实现非接触式探测和处理。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种多功能传感器及信号检测系统，有效解决现有传感器尺寸难以缩小、需要定期更换电池、无法远距离探测等技术问题。
5.本发明提供的技术方案如下：一方面，本发明提供了一种多功能传感器，包括：传感器底座、荧光发光层、石墨烯条带、立柱、透明载荷及石墨烯片，其中，所述荧光发光层配置于所述底座上表面，所述立柱于荧光发光层的两侧垂直设置于所述底座上，所述透明载荷通过石墨烯条带悬挂于立柱之上，所述石墨烯片吸附于透明载荷的下表面。
6.在本技术方案中，基于石墨烯诱导的非辐射跃迁对间距非常敏感的特点，通过将力或加速度引起的石墨烯片位移直接转换为荧光光强信号，实现对力或加速度的探测。该多功能传感器无需与信号探测器和信号处理模块电连接，可以通过远距离的方式直接探测；且无需外接电极和电源，进而无需定时更换电池；灵敏度高，响应速度快。
7.进一步优选地，所述石墨烯片与荧光发光层之间的距离为5~100nm。
8.在本技术方案中，由于无辐射跃迁在对5~100nm距离的变化最敏感，将石墨烯片与荧光发光层之间的距离设定在该范围内，大大提高了该多功能传感器对力或加速度的灵敏度。
9.进一步优选地，所述荧光发光层由掺铕的铝酸锶材料制备而成。
10.在本技术方案中，由于掺铕的铝酸锶材料具备衰减慢的特性，尤其是紫外光短时间激活后可以使用寿命较长，因此将其作为荧光发光层的材料可以大大提高荧光发光层的
使用寿命。
11.进一步优选地，所述石墨烯条带为双层石墨烯条带。
12.在本技术方案中，由于双层石墨烯条带力学性能好、振幅大、不易断裂，因此将其作为透明载荷的支撑条，可以大大提高器件的稳定性。
13.进一步优选地，所述立柱由汝铁硼磁性材料制备而成。
14.在本技术方案中，由汝铁硼磁性材料制备而成的立柱产生的磁场能够在石墨烯条带增加一个电磁阻尼力，以减小石墨烯条带的无规则自发振动，提高器件的稳定性。
15.进一步优选地，所述多功能传感器的厚度小于1nm，长度或宽度小于10nm。
16.在本技术方案中，小尺寸的多功能传感器应用广泛，尤其可以植入人体内进行使用。
17.另一方面，本发明提供了一种信号检测系统，包括：上述多功能传感器、光电探测器及信号处理模块；其中，所述光电探测器，配置于所述多功能传感器中透明载荷的上方，用于探测荧光发光层的发光强度；所述信号处理模块，与所述光电探测器连接，用于对所述光电探测器的探测信号进行处理，得到所述透明载荷的振幅，进而得到目标物理量；所述目标物理量为作用于所述多功能传感器上的力或所述多功能传感器的加速度。
18.在本技术方案中，在对多功能传感器中的信号进行检测时，只需配置光电探测器和信号处理模块即可，其中，光电探测器通过远程的方式对多功能传感器中荧光发光测的发光强度变化进行探测，进而通过信号处理模块处理得到相应的物理量。这种远距离的探测能够大大扩展多功能传感器的应用领域，且对透明载荷振幅分辨率小于1nm，使得传感器具备高精度。
附图说明
19.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种环境感测实现方法、智能移动设备和存储介质的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
20.图1是本发明多功能传感器结构示意图；图2是本发明一实例中功能传感器性能示意图。
21.附图标记：1.底座、2.立柱、3.荧光发光层、4.石墨烯条带、5.透明载荷、6.石墨烯片。
具体实施方式
22.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
23.本发明的第一种实施例，一种多功能传感器，如图1所示，包括：传感器底座1、荧光发光层3、石墨烯条带4、立柱2、透明载荷5及石墨烯片6，其中，荧光发光层3配置于底座1上表面，立柱2于荧光发光层3的两侧垂直设置于底座1上，透明载荷5通过石墨烯条带4悬挂于
立柱2之上，石墨烯片6吸附于透明载荷5的下表面，且石墨烯片6与荧光发光层3之间的距离为5~100nm（纳米）。立柱间距离为36~44μm（微米），高为1.05~1.15μm；石墨烯条带长度为54~66μm，宽度为0.8~1.2μm；透明载荷长宽均为9.95~10.05μm，厚度为0.8~1.2μm；石墨烯片长宽均为9.5~10.5μm，荧光发光层的厚度为1~3nm。
24.在本实施例中，该多功能传感器基于石墨烯诱导的非辐射跃迁对间距非常敏感的特点，通过将透明载荷5下方石墨烯片6的位移直接转换为荧光发光层3的发光强度，实现对目标物理量（包括作用于多功能传感器上的力或多功能传感器的加速度）的测量。因此，为了实现较佳的测量效果，荧光发光层3应与吸附于透明载荷5的下表面的石墨烯片6匹配设置，即大小形状匹配。实际应用中，透明载荷5的材料、形状、悬挂位置均可以根据实际情况进行调整，这里不做具体限定，只要透明载荷5的下表面平整，悬挂后下表面与底座1表面稳定平行（确保荧光发光层3和石墨烯片6相互平行设置）即可。
25.为了提高荧光发光层3的使用寿命，配置荧光发光层3由掺铕的铝酸锶材料制备而成。为了提高器件的稳定性和使用寿命，配置石墨烯条带4为双层石墨烯条带。为了减小石墨烯条带4的无规则自发振动，配置立柱2由汝铁硼磁性材料制备而成。整体上来说，该多功能传感器的厚度可小于1nm，长度或宽度可小于10nm，便于扩展应用，甚至植入人体。
26.工作过程中，当将该多功能传感器用于测量移动物体的加速度时，即作为加速度传感器使用，透明载荷5的振幅会随着加速度的变化而改变，使得透明载荷5下方的石墨烯片6和荧光发光层3之间的距离发生变化。由于荧光发光层3的无辐射跃迁几率和与石墨烯层之间的间距密切相关，因此通过测量荧光发光层3的发光强度变化即可得到载荷的振幅变化，进而实现对加速度的测量。当将该多功能传感器用于测量作用于多功能传感器上的力时，即作为力传感器使用，透明载荷5的振幅会在力的作用下发生改变，使得透明载荷5下方的石墨烯片6和荧光发光层3之间的距离发生变化。因此通过测量荧光发光层3的发光强度变化即可得到载荷的振幅变化，进而实现对作用力的测量。
27.本发明的另一实施例，一种信号检测系统，包括：上述多功能传感器、光电探测器及信号处理模块；其中，光电探测器，配置于多功能传感器中透明载荷的上方，用于探测荧光发光层的发光强度；信号处理模块，与光电探测器连接，用于对光电探测器的探测信号进行处理，得到透明载荷的振幅，进而得到目标物理量；目标物理量为作用于多功能传感器上的力或多功能传感器的加速度。
28.在本实施例中，通过光电探测器对多功能传感器中荧光发光层的发光强度进行探测，得到载荷的振幅变化，进而得到目标物理量。由于系统中通过光电探测器对荧光发光层的发光强度进行探测来检测目的，不需要多功能传感器与信号探测器和信号处理模块连接，使其无需外接电极和电源，可以通过远距离的方式直接探测。对于光电探测器和信号处理模块的具体选型，这里不做具体限定，只要能够实现本实施例的发明目的，均包括在本实施例的范围内。
29.一实例中，多功能传感器中包括底座、掺铕的铝酸锶的荧光发光层、石墨烯条带、汝铁硼立柱、二氧化硅透明载荷、单层石墨烯片、光电探测器，荧光发光层位于底座之上，立柱位于荧光发光层的两侧与底座相连，透明载荷通过石墨烯条带悬挂于立柱之上，石墨烯片吸附于载荷之下。
30.立柱间距离为40μm，石墨烯条带长度为60μm，宽度为1μm，二氧化硅透明载荷长宽
均为10μm，厚度为1μm，汝铁硼立柱高1.1μm，单层石墨烯片长宽均为10μm，掺铕的铝酸锶的荧光发光层的厚度为2。
31.多功能传感器作为力传感器的性能图如图2所示，在20nf（纳牛）的作用力下，发光强度就能变化解决100%。由于单光子计数器等光电探测器能探测发光强度变化小于1%，该多功能传感器的分辨能力小于1nf。
32.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。