CN102564657A - 基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，其包括柔性衬底，所述柔性衬底上设有石墨烯薄膜阵列，所述石墨烯薄膜阵列内包括至少一个石墨烯导电体，所述石墨烯导电体与柔性衬底上的行电极及列电极电连接。本发明通过在柔性衬底上设置石墨烯薄膜阵列，石墨烯薄膜阵列内的石墨烯导电体与行电极、列电极电连接，当石墨烯导电体受到压力产生形变时，能通过行电极、列电极输出相应的检测信息，例如电压的变化，检测精度高；使用寿命更长；更加轻薄，使得做成的传感器更加轻薄；用于牙齿咬合压力分布、足底压力分布、轮胎压力分布等需要压力分布测量的领域；提高了使用范围，安全可靠。

Description

基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种分布传感器及其制备方法，尤其是一种基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，具体地说是用于牙齿咬合压力分布、足底压力分布、轮胎压力分布等压力分布测量的传感器及其制备，属于阵列式压力分布传感器的技术领域。

背景技术

石墨烯（graphene）是单层的碳原子组成的具有蜂窝状六边形的二维晶体结构，它具有特殊的能带结构，具有常温下可观测到的霍尔量子效应，导电性良好，理想情况下一平方米的石墨烯电阻只有31Ω。石墨烯的拉伸强度大，理想强度为110-130MPa。单层石墨烯非常薄，厚度不到0.335nm。透光性良好，吸光率只有2.3%。可应用于透明电极，新型半导体器件，光电感应器件，传感器等等。

石墨烯制作压力传感器的原理在于，当石墨烯受到压力时，自身的禁带宽度发生变化，使得载流子浓度发生变化，电阻发生变化，当力消失后这种变化是可恢复的。专利US8044472中就是利用这一原理利用石墨烯制作压力传感器，但是得到压力传感器的使用范围受限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器及其制备方法，其结构紧凑，能测量压力分布，测量精度高，提高适应范围，使用寿命长，更加轻薄，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设有石墨烯薄膜阵列，所述石墨烯薄膜阵列内包括至少一个石墨烯导电体，所述石墨烯导电体与柔性衬底上的行电极及列电极电连接。

所述柔性衬底的材料包括PET或聚酰亚胺。所述行电极与列电极在柔性衬底上呈纵横交错分布，且行电极与列电极通过绝缘层相绝缘隔离。

所述行电极、列电极在柔性衬底上采用银浆丝网印刷或CVD成膜方法形成。

一种基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，所述压力分布传感器的制备方法包括如下步骤：

a、在柔性衬底上形成石墨烯薄膜阵列，所述石墨烯薄膜阵列内的石墨烯导电体间通过行间隔、列间隔相隔离；

b、在柔性衬底上设置形成行电极或列电极，所述行电极、列电极分别位于行间隔、列间隔内；行电极、列电极与石墨烯导电体电连接；

c、在上述行电极或列电极上设置绝缘层，所述绝缘层位于行间隔与列间隔的交汇处；

d、在上述柔性衬底上设置形成列电极或行电极，所述列电极、行电极分别位于列间隔、行间隔内。

还包括步骤e、在上述石墨烯薄膜阵列、行电极及列电极上设置保护层。

所述步骤a中，在柔性衬底上形成石墨烯薄膜阵列包括如下步骤：

a1、提供基础衬底，在所述基础衬底上生长石墨烯薄膜；

a2、刻蚀上述基础衬底上的石墨烯薄膜，以形成石墨烯薄膜阵列，所述石墨烯薄膜阵列包括若干行间隔与列间隔分隔形成的石墨烯导电体；

a3、在上述石墨烯薄膜阵列上涂覆中间过渡层，所述中间过渡层填充于行间隔、列间隔内；干燥固化后，使得石墨烯薄膜阵列嵌置于中间过渡层内；

a4、去除上述基础衬底，得到石墨烯中间结合体；

a5、将上述石墨烯中间结合体转移到柔性衬底上，并去除石墨烯薄膜阵列上的中间过渡层。

所述中间过渡层的材料为PMMA。所述行电极、列电极及绝缘层通过丝网印刷或CVD方法形成。所述基础衬底包括铜箔。

本发明的优点：通过在柔性衬底上设置石墨烯薄膜阵列，石墨烯薄膜阵列内的石墨烯导电体与行电极、列电极电连接，当石墨烯导电体受到压力产生形变时，能通过行电极、列电极输出相应的检测信息（例如电压的变化），检测精度高；使用寿命更长；更加轻薄，使得形成的传感器更加轻薄；用于牙齿咬合压力分布、足底压力分布、轮胎压力分布等需要压力分布测量的领域；提高了使用范围，安全可靠。

附图说明

图1为本发明柔性衬底上设置单个石墨烯导电体的结构示意图。

图2为图1中在压力作用下的形变示意图。

图3~图11为本发明具体实施工艺步骤的流程图，其中：

图3~图8为本发明石墨烯薄膜阵列转移到柔性衬底上的步骤流程图。

图3为在基础衬底上生长石墨烯薄膜后的示意图。

图4为刻蚀石墨烯薄膜得到石墨烯薄膜阵列后的示意图。

图5为涂覆形成中间过渡层后的示意图。

图6为去除基础衬底并转移到柔性衬底上的示意图。

图7为转移到柔性衬底上后的示意图。

图8为去除中间过渡层后的示意图。

图9为形成行电极后的示意图。

图10为形成绝缘层后的示意图。

图11为形成列电极后的示意图。

图12为本发明得到的分布传感器的等效电路图。

附图标记说明：000-基础衬底、001-中间过渡层、100-柔性衬底、110-石墨烯中间结合体、201-行间隔、202-列间隔、210-行电极、220-列电极、300-石墨烯薄膜、301-石墨烯薄膜阵列、310-石墨烯导电体及400-绝缘层。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图11所示：所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器包括柔性衬底100及位于所述柔性衬底100上的石墨烯薄膜阵列301，所述石墨烯薄膜阵列301内包括至少一个石墨烯导电体310，石墨烯导电体310与柔性衬底100上的行电极210及列电极220电连接；所述石墨烯薄膜阵列301由石墨烯薄膜300通过电子束刻蚀得到，并形成若干相互独立的石墨烯导电体310。其中，图1中示出了柔性衬底1上设置单个石墨烯导电体310的结构，即石墨烯薄膜阵列301内只有一个石墨烯导电体310，图11中示出了柔性衬底100上设置若干石墨烯导电体310的结构。石墨烯导电体310在柔性衬底100上呈纵横交错的行列分布，行电极210、列电极220在柔性衬底100上也呈纵横交错分布，且行电极210与列电极220间通过绝缘层400相绝缘隔离，所述绝缘层400可以采用绝缘树脂材料。柔性衬底100的材料包括PET（聚对苯二甲酸乙二酯、Polyethylene terephthalate）薄膜、聚酰亚胺（Polyimide）薄膜；也可以应用在其他等柔性衬底上，当石墨烯薄膜阵列301设置在柔性衬底100上后，能够适应复杂弯曲的表面应用，提高压力分布传感器的使用范围。

柔性衬底100上的石墨烯薄膜阵列301包括若干石墨烯导电体310时，石墨烯导电体310与行电极210、列电极220电连接后形成分布式传感器的连接电极，能够将相应的检测信号输出。由于石墨烯的极好的导电性，拉伸强度，轻薄等特点，使得这种分布式压力传感器具有以下优点：更好的压力敏感度；压力发生变化使得石墨烯能带结构发生变化，电阻发生变化，由于载流子在石墨烯中运动速度很快，所以石墨烯对压力变化的反应更加敏感；更长的使用寿命，因为石墨烯的拉伸强度大，可重复使用的次数多，使用寿命更长；更加轻薄，单层石墨烯不到0.335nm，使得做成的传感器更加轻薄。

如图3~图11所示：上述结构的压力分布传感器通过下述工艺步骤制备，具体地：

a、在柔性衬底100上形成石墨烯薄膜阵列301，所述石墨烯薄膜阵列301内的石墨烯导电体310间通过行间隔201、列间隔202相隔离；

目前，由于不能在柔性衬底100上直接得到石墨烯薄膜阵列301，因此需要通过下述工艺步骤实现，在柔性衬底100上形成石墨烯薄膜阵列301包括如下步骤：

a1、提供基础衬底000，在所述基础衬底000上生长石墨烯薄膜300；

如图3所示：所述基础衬底000包括铜箔，在基础衬底000上通过CVD（chemical vapor deposition，化学汽相淀积）方法生长石墨烯薄膜300，所述石墨烯薄膜300可以为单层，也可以为多层；

a2、刻蚀上述基础衬底000上的石墨烯薄膜300，以形成石墨烯薄膜阵列301，所述石墨烯薄膜阵列301包括若干行间隔201与列间隔202分隔形成的若干石墨烯导电体310；

如图4所示：利用电子束刻蚀石墨烯薄膜300，从而在石墨烯薄膜300上得到若干交错分布的行间隔201及列间隔202，所述行间隔210及列间隔202从石墨烯薄膜300表面向下延伸到基础衬底000的表面，通过行间隔201及列间隔202能够将石墨烯薄膜300分隔出若干石墨烯薄膜导电体310，从而形成石墨烯薄膜阵列301；行间隔201及列间隔202在基础衬底000上呈纵横交错分布；

a3、在上述石墨烯薄膜阵列301上涂覆中间过渡层001，所述中间过渡层001填充于行间隔201、列间隔202内；干燥固化后，使得石墨烯薄膜阵列301嵌置于中间过渡层001内；

如图5所示：利用匀胶机等旋涂设备，在基础衬底100对应设置石墨烯薄膜阵列301表面涂覆一层中间过渡层110，所述中间过渡层001采用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，PolymethylMethacrylate）；涂覆中间过渡层110后，所述中间过渡层001同时填充相应的行间隔201及列间隔202内；中间过渡层001干燥后，石墨烯薄膜阵列301与中间过渡层110相互嵌置形成石墨烯中间结合体110；

a4、去除上述基础衬底000，得到石墨烯中间结合体110；

如图6所示：当上述基础衬底000采用铜箔时，利用电化学方法去除基础衬底000；例如利用过硫酸铵溶液去除铜箔，使得过硫酸铵溶液内只剩下石墨烯中间结合体110；当基础衬底000采用其他材料时，可以采用相应的电化学方法去除基础衬底000，且所述基础衬底000的去除方法为常规操作，即使用过硫酸铵溶液去除铜箔为常规的操作步骤，此处不再详述；

a5、将上述石墨烯中间结合体110转移到柔性衬底100上，并去除石墨烯薄膜阵列301上的中间过渡层001。

如图7和图8所示：将基础衬底000利用电化学方法去除后，将柔性衬底100放入上述过硫酸铵溶液内，经过相应时间后，中间结合体110会自动转移到柔性衬底100上，且中间结合体100的石墨烯薄膜阵列301的表面与柔性衬底100保持相应的连接强度；最后，利用热的丙酮溶液去除中间过渡层001，以使得石墨烯薄膜阵列301完全转移到柔性衬底100上，完成在柔性衬底100上制作石墨烯薄膜阵列301的过程；

b、在柔性衬底100上设置形成行电极210或列电极220，所述行电极210、列电极220分别位于行间隔201、列间隔202内；行电极210、列电极220与石墨烯导电体310电连接；

如图9所示：示出了在柔性衬底100上先设置形成行电极210的示意图；通过丝网印刷或CVD等成膜方法印刷银浆形成行电极201，所述行电极201设置在相应的行间隔201内，并与相应的石墨烯导电体310电连接；此处，在相应的行电极201包括支电极，所述支电极平行于列间隔202，行电极201通过支电极与石墨烯导电体310电连接，通过支电极的连接方式不仅能起到电气连接作用而且能固定相应的石墨烯导电体310；

c、在上述行电极210或列电极220上设置绝缘层400，所述绝缘层400位于行间隔201与列间隔202的交汇处；

如图10所示：所述绝缘层400可以采用绝缘胶或树脂材料，由于需要将形成的行电极210与列电极220绝缘隔离，需要在行电极210与列电极220的结合部设置绝缘层400，一般而言，行电极210与列电极220的结合部位于行间隔201与列间隔202的交汇处；绝缘层400通过丝网印刷或CVD成膜方法设置；

d、在上述柔性衬底100上设置形成列电极220或行电极210，所述列电极220、行电极210分别位于列间隔202、行间隔201内。

如图11所示：当上述形成行电极210及绝缘层400后，再通过丝网印刷或CVD成膜等方法设置列电极220，所述列电极220与对应的石墨烯导电体310电连接；列电极220、行电极210与石墨烯导电体310电连接后，能够形成两个输出的电极，当相应的石墨烯导电体310受到压力产生形变时，通过行电极210及列电极220能够将形变产生的信息通过输出，例如电压的变化，得到的压力分布式传感器等效电路如图12所示。如图12所示：所述传感器等效为电阻网络。

还包括步骤e、在上述石墨烯薄膜阵列301、行电极210及列电极220上设置保护层。为了能够保护上述压力分布式传感器，还需要设置保护层，所述保护层可以采用绝缘的柔性材料制备，设置保护层后不应影响柔性衬底100与石墨烯间的柔性结构，同时具有绝缘保护能力。所述保护层也通过丝网印刷或CVD成膜方法设置形成。

如图1~图12所示：使用时，将压力分布传感器塑形到所需的形状，以适应相应的检测使用要求，并连接相应的行电极210与列电极220。连接后，当有压力作用于传感器上的石墨烯薄膜阵列301时，石墨烯薄膜阵列301会产生形变，石墨烯自身的禁带发生变化，使得载流子浓度发生变化，石墨烯导电体310电阻发生变化，从而行电极210、列电极220将相应的信息输出；当上述压力消失时，石墨烯薄膜阵列301能复位，便于下一次使用。由于压力分布传感器能根据需要塑形，因此本发明的压力分布传感器能适用复杂弯曲的表面。

本发明通过在柔性衬底100上设置石墨烯薄膜阵列301，石墨烯薄膜阵列301内的石墨烯导电体310与行电极210、列电极220电连接，当石墨烯导电体310受到压力产生形变时，能通过行电极210、列电极220输出相应的检测信息，例如电压的变化，检测精度高；使用寿命更长；更加轻薄，使得形成的传感器更加轻薄；用于牙齿咬合压力分布、足底压力分布、轮胎压力分布等需要压力分布测量的领域；提高了使用范围，安全可靠。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，其特征是：包括柔性衬底（100），所述柔性衬底（100）上设有石墨烯薄膜阵列（301），所述石墨烯薄膜阵列（301）内包括至少一个石墨烯导电体（310），所述石墨烯导电体（310）与柔性衬底（100）上的行电极（210）及列电极（220）电连接。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，其特征是：所述柔性衬底（100）的材料包括PET或聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，其特征是：所述行电极（210）与列电极（220）在柔性衬底（100）上呈纵横交错分布，且行电极（210）与列电极（220）通过绝缘层（400）相绝缘隔离。

4.根据权利要求1或3所述的基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器，其特征是：所述行电极（210）、列电极（220）在柔性衬底（100）上采用银浆丝网印刷或CVD成膜方法形成。

5.一种基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，其特征是，所述压力分布传感器的制备方法包括如下步骤：

（a）、在柔性衬底（100）上形成石墨烯薄膜阵列（301），所述石墨烯薄膜阵列（301）内的石墨烯导电体（310）间通过行间隔（201）、列间隔（202）相隔离；

（b）、在柔性衬底（100）上设置形成行电极（210）或列电极（220），所述行电极（210）、列电极（220）分别位于行间隔（201）、列间隔（202）内；行电极（210）、列电极（220）与石墨烯导电体（310）电连接；

（c）、在上述行电极（210）或列电极（220）上设置绝缘层（400），所述绝缘层（400）位于行间隔（201）与列间隔（202）的交汇处；

（d）、在上述柔性衬底（100）上设置形成列电极（220）或行电极（210），所述列电极（220）、行电极（210）分别位于列间隔（202）、行间隔（201）内。

6.根据权利要求5所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，其特征是：还包括步骤（e）、在上述石墨烯薄膜阵列（301）、行电极（210）及列电极（220）上设置保护层。

7.根据权利要求5所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，其特征是：所述步骤（a）中，在柔性衬底（100）上形成石墨烯薄膜阵列（301）包括如下步骤：

（a1）、提供基础衬底（000），在所述基础衬底（000）上生长石墨烯薄膜（300）；

（a2）、刻蚀上述基础衬底（000）上的石墨烯薄膜（300），以形成石墨烯薄膜阵列（301），所述石墨烯薄膜阵列（301）包括若干行间隔（201）与列间隔（202）分隔形成的石墨烯导电体（310）；

（a3）、在上述石墨烯薄膜阵列（301）上涂覆中间过渡层（001），所述中间过渡层（001）填充于行间隔（201）、列间隔（202）内；干燥固化后，使得石墨烯薄膜阵列（301）嵌置于中间过渡层（001）内；

（a4）、去除上述基础衬底（000），得到石墨烯中间结合体（110）；

（a5）、将上述石墨烯中间结合体（110）转移到柔性衬底（100）上，并去除石墨烯薄膜阵列（301）上的中间过渡层（001）。

8.根据权利要求7所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，其特征是：所述中间过渡层（001）的材料为PMMA。

9.根据权利要求5所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，其特征是：所述行电极（210）、列电极（220）及绝缘层（400）通过丝网印刷或CVD方法形成。

10.根据权利要求6所述基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器制备方法，其特征是：所述基础衬底（000）包括铜箔。

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