本實用新型涉及一種傳感器陣列系統(tǒng),尤其是一種石墨烯分布式多物理量傳感器陣列系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

智能傳感技術(shù)正積極地改變?nèi)藗冋J知、思考和行為的方式。可穿戴式設(shè)備、電子皮膚等可以像人體皮膚一樣感知外部壓力、溫度、氣流以及觸覺信號的傳感器件。特別地，在人體健康監(jiān)測、大型設(shè)備的健康管理、人機交互以及軍事領(lǐng)域，笨重的穿戴武器裝備和供能系統(tǒng)嚴重地限制了士兵的作戰(zhàn)靈活性，輕柔、多物理量傳感的集成技術(shù)成為迫切需求。

應變、溫度、濕度和壓力是各種監(jiān)測系統(tǒng)中的重要物理量，通常對這些物理量的測量采用的是分離傳感器。分離傳感器的缺陷是體積較大、功耗大，不能滿足目前快速發(fā)展的微系統(tǒng)對傳感器小體積、低功耗、高集成度、輕質(zhì)柔性等方面的要求，為此需要能滿足這些需求的集成傳感器?，F(xiàn)代微機電技術(shù)和半導體技術(shù)能夠在硅基片上制作微電子集成電路和多功能傳感器陣列，用于測量各種化學量和物理量參數(shù)。多物理量傳感器并不是一套簡單的單一功能的傳感器，而是為了減小芯片面積和分享數(shù)字或準數(shù)字輸出等結(jié)構(gòu)高度集成的傳感器。多物理量集成傳感器能同時探測各種參數(shù)如溫度、壓力、濕度、應變等物理量，并對多物理量進行綜合分析，獲取精準的感知信息。

公告號為CN1217157C的專利公開了一種集成溫/濕度、大氣壓力傳感器芯片，在該傳感器芯片的基片上制造出三個電阻和一個作為測壓電容下電極的平板電極。公告號為CN24420021C的專利也公開了一種基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片。公告號為CN 104034454B的專利也公開了一種用于多物理量測量的傳感器芯片和制備方法，該芯片包括基片以及在基片上集成的溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器中的至少兩種傳感器。

上述三個專利公開的傳感器芯片雖然能實現(xiàn)同時測量溫度、濕度和壓力等多物理量，但制備工藝相對比較復雜，使用了不同的薄膜來制作測溫濕度和壓力的元件。這些傳感器均為金屬薄膜類電阻傳感器，由于薄膜工藝等方面的限制，為了降低缺陷，膜一般做得比較厚(>1μm)，導致電阻變化率ΔR/R比較低，所以與其他類傳感器相比，靈敏度相對較低。而且，基于金屬薄膜的傳感器在柔性、可拉伸方面具有難以逾越的障礙，從而限制了它的應用。因此，必須發(fā)展基于其他材料或原理的多物理量傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的技術(shù)問題，本實用新型提供一種石墨烯分布式多物理量傳感器陣列系統(tǒng)，以石墨烯材料作為傳感材料，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)溫度、濕度、壓力及應變等物理量的高靈敏度傳感，進一步可實現(xiàn)陣列化的分布式多物理傳感器系統(tǒng)，并且可集成柔性電子工藝。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案為：一種石墨烯分布式多物理量傳感器陣列系統(tǒng)，包括陣列電路板以及陣列電路板上布置的陣列電路，所述陣列電路板上設(shè)置有若干與陣列電路連接的石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊；所述石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊包括石墨烯應變傳感器、石墨烯壓力傳感器、石墨烯溫度傳感器和石墨烯濕度傳感器四種物理量傳感器。石墨烯，目前最先進的二維納米材料，能夠賦予可穿戴設(shè)備嶄新的特性、嶄新的功能、嶄新的概念。它同時具備優(yōu)異的光學、電學、力學、熱學性能。石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，其斷裂強度為42N/m²，強度可達130 GPa，是鋼鐵強度的100多倍；其具有優(yōu)異的透光性，對可見光和紅外光的光學吸收率僅為2.3%；在常溫下電子遷移率超過15000 cm²/V?s，電阻率僅為10-6Ω/cm，比銅和銀更低，是目前世界上電阻率最小的材料；除此之外，石墨烯的碳原子之間的連接很柔韌，從而使得石墨烯具有相當?shù)娜犴g性和穩(wěn)定性，適當?shù)膹澢巫円膊粫绊懯┑男阅?。薄膜石墨烯化學穩(wěn)定，相對傳統(tǒng)的金屬材料擁有更好的生物兼容性，基于石墨烯的可穿戴式設(shè)備會更加智能綠色，生態(tài)友好，更富人體工學設(shè)計。石墨烯以其優(yōu)異而獨特的光學、電學以及力學特性吸引了科學界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，在可穿戴式設(shè)備、電子皮膚、智能傳感器、生物傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

作為一種改進，所述石墨烯應變傳感器包括兩塊縱橫交叉布置的應變感應薄膜和兩端電極；所述石墨烯壓力傳感器包括石墨烯力敏薄膜和兩端電極，所述石墨烯力敏薄膜下方的陣列電路板上設(shè)置有凹槽，石墨烯力敏薄膜上表面還設(shè)置有圓柱形的力敏觸點；所述石墨烯溫度傳感器包括石墨烯溫敏薄膜和兩端電極；所述石墨烯濕度傳感器包括石墨烯濕敏薄膜和兩端電極。石墨烯壓力傳感器下方設(shè)置凹槽，使得薄膜具更大的應變空間，在提高了薄膜應變極限的前提下，提高了傳感器的量程。凹槽最好為正方形，力敏觸其直徑為凹槽邊長的0.3~0.7倍，厚度為100μm~1mm。力敏觸點的材質(zhì)為PDMS、PET、TPU等聚合物材料。

置于懸空盲孔上方的石墨烯力敏薄膜通常會發(fā)生變形，向下凹陷，導致難以有效感知壓力的變化；設(shè)置力敏觸點，可以有效感知壓力的變化，提高壓力傳感器陣列的靈敏度和響應速度。

作為一種改進，所述應變感應薄膜由石墨烯層和彈性聚合物層復合而成；所述應變感應薄膜具有石墨烯層一面有若干微納米結(jié)構(gòu)。微納米結(jié)構(gòu)指的是在薄膜表面形成的連續(xù)的凹陷。這種微納米結(jié)構(gòu)讓薄膜產(chǎn)生一定的折疊效應，增加了薄膜的柔韌性。

作為一種改進，所述石墨烯力敏薄膜是石墨烯與彈性聚合物的復合薄膜；石墨烯置于聚合物表面形成石墨烯層；或者石墨烯與聚合物共混，石墨烯嵌于聚合物內(nèi)部。

作為一種改進，所述凹槽位于石墨烯壓力傳感器正中，其面積為石墨烯壓力傳感器面積的25%~81%?？梢蕴岣呤毫鞲衅鞯撵`敏度。

作為一種改進，所述石墨烯溫敏薄膜由石墨烯層與彈性聚合物的復合而成；所述石墨烯濕敏薄膜由石墨烯層與彈性聚合物的復合而成。

作為一種改進，所述彈性聚合物層由聚二甲基硅氧烷或者聚氨酯橡膠或者有機硅橡膠中的一種制造；其厚度為10~1000 μm。

作為一種改進，所述石墨烯層為三維石墨烯納米墻、二維石墨烯薄膜或者石墨烯粉末，其厚度為10nm~10μm。

作為一種改進，所述陣列電路分布于各個石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊之間，與各個石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊電極連接；并通過模擬開關(guān)控制石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊的選通。便于布線，減小電路板的體積。

作為一種優(yōu)選，所述若干石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊可組成1×1～100×100的陣列；所述石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊的長為1mm～20mm，寬為1mm～20mm。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊的FPC電路示意圖。

圖4為石墨烯應變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為石墨烯溫度傳感器。

圖6為石墨烯濕度傳感器。

圖7為石墨烯壓力傳感器。

圖中標記：101為石墨烯應變傳感器，102為石墨烯溫度傳感器，103為石墨烯濕度傳感器，104為石墨烯壓力傳感器，105為陣列電路板；201-204為兩端電極，205為凹槽；301應變感應薄膜，302為應變感應薄膜；401為石墨烯溫敏薄膜；501為石墨烯濕敏薄膜；601為石墨烯力敏薄膜；602為力敏觸點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本實用新型作詳細的說明。

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

實施例1為一個3×3陣列系統(tǒng)，如圖1-7所示，包括陣列電路板105以及陣列電路板105上布置的陣列電路，所述陣列電路板105上設(shè)置有若干與陣列電路連接的石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊；陣列電路分布于各個石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊之間，與各個石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊電極連接；并通過模擬開關(guān)控制石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊的選通。所述石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊包括石墨烯應變傳感器101、石墨烯壓力傳感器104、石墨烯溫度傳感器102和石墨烯濕度傳感器103四種物理量傳感器。所述石墨烯應變傳感器101包括兩塊縱橫交叉布置的應變感應薄膜301和應變感應薄膜302以及兩端電極201；所述石墨烯壓力傳感器104包括石墨烯力敏薄膜601和兩端電極204；所述石墨烯力敏薄膜601下方的陣列電路板105上設(shè)置有凹槽205，石墨烯力敏薄膜601上表面還設(shè)置有圓柱形的力敏觸點602；凹槽205位于石墨烯壓力傳感器104正中，其面積為石墨烯壓力傳感器104面積的25%~81%。所述石墨烯溫度傳感器102包括石墨烯溫敏薄膜401和兩端電極202；所述石墨烯濕度傳感器103包括石墨烯濕敏薄膜501和兩端電極203。

應變感應薄膜301和應變感應薄膜302由石墨烯層和彈性聚合物層復合而成；應變感應薄膜301和應變感應薄膜302具有石墨烯層一面有若干微納米結(jié)構(gòu)。

石墨烯力敏薄膜601是石墨烯與彈性聚合物的復合薄膜；石墨烯置于聚合物表面形成石墨烯層；或者石墨烯與聚合物共混，石墨烯嵌于聚合物內(nèi)部。

石墨烯溫敏薄膜401由石墨烯層與彈性聚合物的復合而成。

石墨烯濕敏薄膜501由石墨烯層與彈性聚合物的復合而成。

彈性聚合物層由聚二甲基硅氧烷或者聚氨酯橡膠或者有機硅橡膠中的一種制造；其厚度為10~1000 um。

石墨烯層為三維石墨烯納米墻、二維石墨烯薄膜或者石墨烯粉末，其厚度為10nm~10um。

除了實施例1中3×3陣列系統(tǒng)，石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊可組成1×1～100×100的陣列；所述石墨烯分布式多物理量傳感器子模塊的長為1mm～20mm，寬為1mm～20mm。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。