一种热式风速风向传感器及石墨烯薄膜的制备方法
阅读说明：本技术 一种热式风速风向传感器及石墨烯薄膜的制备方法 (Thermal type wind speed and wind direction sensor and preparation method of graphene film ) 是由 毕恒昌 姚星晔 吴幸 蔡春华 王超伦 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种热式风速风向传感器及石墨烯薄膜的制备方法。所述传感器包括：石墨烯薄膜、风速风向计算模块和两个电阻模块；两个所述电阻模块的输出端均与所述风速风向计算模块的输入端连接；所述电阻模块包括两个电阻单元；同一电阻模块内的两个电阻单元串联；四个电阻单元以所述石墨烯薄膜呈中心对称分布设置在所述石墨烯薄膜四周。本发明的风速风向传感器在不改变衬底材料和增加隔热凹槽的基础上灵敏度更高且容易封装。(The invention relates to a thermal wind speed and wind direction sensor and a preparation method of a graphene film. The sensor includes: the device comprises a graphene film, a wind speed and direction calculation module and two resistance modules; the output ends of the two resistance modules are connected with the input end of the wind speed and direction calculation module; the resistance module comprises two resistance units; two resistance units in the same resistance module are connected in series; the four resistance units are arranged around the graphene film in a centrosymmetric distribution mode. The wind speed and direction sensor is higher in sensitivity and easy to package on the basis of not changing a substrate material and increasing the heat insulation groove.)
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种热式风速风向传感器及石墨烯薄膜的制备方法。
背景技术
在环境监测、空气调节和工农业的生产中，风速都具有十分重要的作用,快速并准确测量风速具有重要的实际意义，测量数据的正确与否与传感器的灵敏度、响应时间等都息息相关，目前基于MEMS制造工艺的热式风速风向传感器体积小、稳定性高，但目前大部分的风速传感器都在硅衬底上制备，虽然工艺成熟，但是硅导热系数高，导致传感器灵敏度下降，因此，如何减小风速传感器的横向热传递降低响应时间提高传感器的灵敏度一直是研究热点之一，目前降低横向热传递的方法有在硅衬底上制备隔热凹槽，使用低热导率的衬底如陶瓷、玻璃和PI膜等，但是隔热凹槽会使传感器变得脆弱，不易封装，因此需要一种容易封装且灵敏度高的传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种热式风速风向传感器及石墨烯薄膜的制备方法，在不改变衬底材料和增加隔热凹槽的基础上提高风速风向传感器的灵敏度且容易封装。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种热式风速风向传感器，包括：石墨烯薄膜、风速风向计算模块和两个电阻模块；两个所述电阻模块的输入端接电源；两个所述电阻模块的输出端均与所述风速风向计算模块的输入端连接；所述电阻模块包括两个电阻单元；同一电阻模块内的两个电阻单元串联；四个电阻单元以所述石墨烯薄膜呈中心对称分布设置在所述石墨烯薄膜的四周。
可选的，所述电阻单元均包括：第一电阻和第二电阻；同一所述电阻模块内的两个第一电阻串联，同一所述电阻模块内的两个第二电阻串联。
可选的，同一所述电阻单元内的所述第一电阻与所述第二电阻之间的距离等于所述第一电阻与所述石墨烯薄膜之间的距离；所述第一电阻位于所述石墨烯薄膜与所述第二电阻之间。
可选的，所述热式风速风向传感器，还包括：分别与所述电阻模块和所述风速风向计算模块连接的差分电压放大模块。
可选的，所述差分电压放大模块为运算放大器。
可选的，所述电阻模块的输出端包括第一输出口和第二输出口；所述运算放大器的正极输入端与所述电阻模块的第一输出口连接，所述运算放大器的负极输入端与所述电阻模块的第二输出口连接。
一种石墨烯薄膜的制备方法，用于制备如上所述的石墨烯薄膜，所述方法包括：
制备氧化石墨烯溶液；
将所述氧化石墨烯溶液抽滤成膜并冷冻干燥形成多孔氧化石墨烯膜；
将所述多孔氧化石墨烯膜加热到设定温度冷却后取出形成石墨烯薄膜。
可选的，所述氧化石墨烯溶液的浓度具体为：0.5mg/ml-5mg/ml。
可选的，所述将所述多孔氧化石墨烯膜加热到设定温度冷却后取出形成石墨烯薄膜，具体包括：
将所述多孔氧化石墨烯膜以5℃/min-20℃/min速率升温加热到500℃～800℃后维持1h，然后以5℃/min-20℃/min的速率升温，加热到2800℃～3000℃后维持1h后，冷却后取出形成石墨烯薄膜。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明从加热元件的角度入手，在不改变衬底材料和增加隔热凹槽的基础上，将加热元件设置成石墨烯薄膜，利用石墨烯薄膜优秀的导热系数和均匀性，一方面降低发热元件在相同电压下提高到某一温度所需的时间，以此来提高传感器的灵敏度和响应时间，另一方面，利用发热元件高的热扩散性能，提高发热元件的均匀性，提高灵敏度，此装置在提高灵敏度的同时，并不会造成结构变脆弱导致封装困难。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的热式风速风向传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的热式风速风向传感器的结构框图；
图3为本发明实施例提供的热式风速风向传感器的电路图。
符号说明：
RT1-上内侧电阻、RT2-下内侧电阻、RT3-左内侧电阻、RT4-右内测电阻、RTO1-上外侧电阻、RTO2-下外侧电阻、RTO3-左外侧电阻、RTO4-右外侧电阻。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供了一种热式风速风向传感器，如图1和图2所示，所述热式风速风向传感器包括：石墨烯薄膜(热式风速风向传感器的加热元件)、风速风向计算模块和两个电阻模块；两个所述电阻模块的输入端接电源；两个所述电阻模块的输出端均与所述风速风向计算模块的输入端连接；所述电阻模块包括两个电阻单元；同一电阻模块内的两个电阻单元串联；四个电阻单元以所述石墨烯薄膜呈中心对称分布设置在所述石墨烯薄膜的四周，石墨烯薄膜和两个电阻模块组成电压采样模块，收集电压输出信号，石墨烯薄膜外接3.3V电压。
作为一种可选的实施方式，石墨烯薄膜可以通过导电胶固定在衬底上。
作为一种可选的实施方式，所述电阻单元均包括：第一电阻和第二电阻；同一所述电阻模块内的两个第一电阻串联，同一所述电阻模块内的两个第二电阻串联；即上下四个电阻以内侧两个温敏电阻(上内侧电阻RT1、下内侧电阻RT2)串联后与外侧串联的电阻(上外侧电阻RTO1、下外侧电阻RTO2)并联构成惠斯通电桥输出，左右四个电阻以内侧两个温敏电阻(左内侧电阻RT3、右内侧电阻RT4)串联后与外侧串联的电阻(左外侧电阻RTO3、右外侧电阻RTO4)并联构成惠斯通电桥输出，如图1所示，利用RT1-RT4内侧四个温敏电阻和RTo1-RTo4外侧四个温敏电阻构成图3左侧所示的惠斯通电桥，其中RT1与RT2串联后与串联的RTo1与RTo2并联构成上下的惠斯通电桥；左右电阻以相同方式连接形成另外一个惠斯通电桥。
作为一种可选的实施方式，风速风向计算模块：通过电压信号的变化来计算风速大小和方向，由Arduino开发板的A/D转换模块和计算机组成，Arduino开发板进行A/D转换后以串口通信方式与计算机连接监测风速方向和大小。
作为一种可选的实施方式，同一所述电阻单元内的所述第一电阻与所述第二电阻之间的距离等于所述第一电阻与所述石墨烯薄膜之间的距离；所述第一电阻位于所述石墨烯薄膜与所述第二电阻之间，八个电阻以石墨烯薄膜为中心对称分布。
作为一种可选的实施方式，所述热式风速风向传感器，还包括：分别与所述电阻模块和所述风速风向计算模块连接的差分电压放大模块，用来放大采集到的弱信号。
作为一种可选的实施方式，所述差分电压放大模块为运算放大器，型号为AD623，可以放大500倍，工作电压为5V。
作为一种可选的实施方式，所述差分电压放大模块还包括：外接负载，与运算放大器的输出端连接。
作为一种可选的实施方式，所述电阻模块的输出端包括第一输出口和第二输出口；所述运算放大器的正极输入端与所述电阻模块的第一输出口连接，所述运算放大器的负极输入端与所述电阻模块的第二输出口连接。
本实施例还提供了一种石墨烯薄膜的制备方法，可以用于制备上述实施例中石墨烯薄膜，所述方法包括：
制备氧化石墨烯溶液；
将所述氧化石墨烯溶液抽滤成膜并冷冻干燥形成多孔氧化石墨烯膜；
将所述多孔氧化石墨烯膜加热到设定温度冷却后取出形成石墨烯薄膜。
在实际应用中，所述氧化石墨烯溶液的浓度具体为：0.5mg/ml-5mg/ml。
在实际应用中，所述将所述多孔氧化石墨烯膜加热到设定温度冷却后取出形成石墨烯薄膜，具体包括：
将所述多孔氧化石墨烯膜以5℃/min-20℃/min速率升温加热到500℃～800℃后维持1h，然后以5℃/min-20℃/min的速率升温，加热到2800℃～3000℃后维持1h后，冷却后取出形成石墨烯薄膜。由于高温使得石墨烯的缺陷得到修复，sp3转变为sp2，石墨晶体化使得导热性能大幅提高，相比于常用的铂金属(24.86mm2/s)和镍金属(21.98mm2/s)来说，此种方法制备的石墨烯薄膜的热扩散系数可以达到759mm2/s以上，远远提高了加热元件部分的响应能力。
在实际应用中，石墨烯薄膜可以由0.5mg/ml的溶液制备，再经过抽滤成膜，立即进行冷冻干燥得到多孔氧化石墨烯膜，然后以5℃/min升温速率升到加热到500℃后并维持1h，接着继续以每分钟5℃/min的速度升温，达到2800℃时并维持1h后，自然冷却取出。也可以由2mg/ml的溶液制备，再经过抽滤成膜，立即进行冷冻干燥得到多孔氧化石墨烯膜，然后以10℃/min升温速率升温加热到600℃后并维持1h，接着继续以每分钟10℃/min的速度升温，达到2900℃时并维持1h后，自然冷却取出。还可以由5mg/ml的溶液制备，再经过抽滤成膜，立即进行冷冻干燥得到多孔氧化石墨烯膜，然后以20℃/min升温速率升温加热到800℃后并维持1h，接着继续以每分钟20℃/min的速度升温，达到3000℃时并维持1h后，自然冷却取出。第三方检测如表1，三种方法制备的石墨烯薄膜热扩散系数为759.261±10mm2/s，热导率均为56w/mk。
表1
本传感器为温差型风速传感器，工作原理为：当有风吹过时会在石墨烯薄膜表面产生热流，热流会引起周围电阻的阻值变化从而产生电压信号，风速风向计算模块根据电压信号的变化计算得到风速和风向，在无风条件下没有温差时差分电压为0，风速不为0时产生温差，从而产生的差分电压输出至AD623放大电路，经500倍放大后输出至Arduino的模拟输入口，Arduino开发板通过串口通信方式与计算机相连，在计算机上通过对放大信号的处理得到风速的大小和方向。
本发明有以下技术效果：
1、上下左右各两个电阻等距离排列避免热流经过距离不一样产生零漂。
2、石墨烯膜的优势在于，热扩散系数高，因此发热均匀；同时，热导率低，保温好，因此升温速率高，中间加热元件使用石墨烯薄膜制成，提高了灵敏度，降低了响应时间，并且节能环保在提高灵敏度的同时，并不会造成结构变脆弱导致封装困难。
3、利用八个温敏电阻提高了差分电压的输出幅值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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