CN104316086A - 一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器，包括柔性衬底、设置在柔性衬底上的石墨烯纳米墙和设置在石墨烯纳米墙上的电极，所述柔性衬底会因气体流动而产生微小震动，从而导致石墨烯纳米墙的电阻发生改变；与此同时，本发明还提供一种制作前述气流传感器的方法。本发明所提供的气流传感器对气体流动有优良的探测特性，并且体积小巧，功耗低，性能稳定；同时柔性较好，可穿戴性能佳。

Description

一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种气流传感器，特别涉及一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器及制作该传感器的方法。 

背景技术

随着社会的进步和科技的发展，人们对气流传感器的要求也越来越高。气流传感器能够感知外界气体的流动，并能将这种信息转变成电信号。目前一种广泛使用的气流传感器是基于橡胶膜带动机械结构或磁控开关的结构。气体的流动会带动橡胶膜的震动，引起机械结构或磁控开关的运动，从而将气体的流动转变成电信号。虽然这种传感器结构简单，但是体积大，功耗高。现有技术中也存在其他的气流传感器，例如有基于热敏电阻，热敏晶体，压电晶体的传感器。然而这类传感器受敏感材料灵敏度的限制，体积也较大，成本较高。因此，迫切需要一种体积小，功耗低，性能稳定的气流传感器。 

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器，该传感器对气体流动有优良的探测特性，与此同时本发明还提供一种制作该气流传感器的方法。 

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器，包括柔性衬底、设置在柔性衬底上的石墨烯纳米墙和设置在石墨烯纳米墙上的电极，所述柔性衬底会因气体流动而产生微小震动，从而导致石墨烯纳米墙的电阻发生改变。 

本发明的目的之二是通过这样的技术方案来实现的，一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤： 

S1.通过化学气相沉积方法在基底上生长石墨烯得到石墨烯纳米墙； 

石墨烯纳米墙的生长条件为45～55托，生长温度为600-750℃，通入氢气与甲烷的比例 

为氢气：甲烷＝1:2～3:4，生长时间控制在5-90min； 

S2.用湿法刻蚀法腐蚀掉基底上的非石墨烯区域，再将带有石墨烯纳米墙的衬底取出放入稀盐酸、去离子水清洗，清洗完后取出自然晾干； 

S3.通过复形转移的方法将石墨烯纳米墙转移至柔性衬底上； 

转移方法如下：在柔性衬底上设置一层粘结层，将石墨烯纳米墙转移在粘结层上，对粘结层进行固化直到粘结层结实凝固。 

进一步，所述氢气：甲烷＝2：3。 

进一步，所述石墨烯生长条件为50托。 

进一步，所述石墨烯纳米墙的生长温度为700℃。 

进一步，所述石墨烯纳米墙的生长时间为20min。 

进一步，在进行步骤S1前还包括基底清洁步骤，具体为先将基材铜箔置于丙酮、95vol％乙醇、纯水中各超声清洗2min，用氮气吹干，得到干净的基底。 

进一步，所述步骤S3后还包括电极制作步骤，具体为：采用银浆刷涂法将银或其他金属导线与石墨烯纳米墙两端连接起来作为电极。 

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点： 

本发明所提供的气流传感器对气体流动有优良的探测特性，并且体积小巧，功耗低，性能稳定；同时柔性较好，适用于可穿戴式设备。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中： 

图1为石墨烯纳米墙气流传感器结构示意图； 

图2为利用化学气相沉积法制备出的石墨烯纳米墙电子扫描显微图； 

图3该传感器的性能测试结果。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。 

石墨烯是一种新型的二维晶体材料，是由单层碳原子按照正六角型呈蜂巢状排布而成。由于石墨烯低维量子特性和独特sp2杂化形成的化学键，其自由电子气行为类似于无质量狄拉克费米子，因而表现非常优异的力，热，光，电性能。石墨烯纳米墙是结构化的多层石墨烯，研究发现石墨烯纳米墙的电阻对基底的振动非常敏感。气体流动会引起柔性衬底的微小震动，从而导致石墨烯纳米墙敏感层的电阻发生改变，使得通过电极的电流或电压信号也随之发生变化，因此可以通过电信号的变化来感知气体的流动。基于上述思想，本发明提供一 种基于石墨烯纳米墙的气流传感器。 

如图1所示，一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器，包括柔性衬底1、设置在柔性衬底上的石墨烯纳米墙2和设置在石墨烯纳米墙上的电极3，所述柔性衬底1会因气体流动而产生微小震动，从而导致石墨烯纳米墙的电阻发生改变。 

同时本发明还提供一种制作上述气流传感器的方法，具体包括： 

S1.通过化学气相沉积方法在基底上生长石墨烯得到石墨烯纳米墙(如图2所示)；石墨烯纳米墙的生长条件为45～55托，生长温度为600-750℃，通入氢气与甲烷的比例为氢气：甲烷＝1:2～3:4，生长时间控制在5-30min； 

S2.用湿法刻蚀法腐蚀掉基底上的非石墨烯区域，再将带有石墨烯纳米墙的衬底取出放入稀盐酸、去离子水清洗，清洗完后取出自然晾干； 

S3.通过复形转移的方法将石墨烯纳米墙转移至柔性衬底上； 

转移方法如下：在柔性衬底上设置一层粘结层，将石墨烯纳米墙转移在粘结层上，对粘结层进行固化直到粘结层结实凝固； 

S4采用银浆刷涂法将银或其他金属导线与石墨烯纳米墙两端连接起来作为电极。 

优选地，所述氢气：甲烷＝2：3。此条件下生长的石墨烯纳米墙更为致密，电学性能好。 

优选地，所述石墨烯生长条件为50托。此条件下生长的石墨烯纳米墙的质量更佳。 

优选地，所述石墨烯纳米墙的生长温度为700℃。此条件下生长的石墨烯纳米墙气流传感器具有更好的稳定性。 

优选地，所述石墨烯纳米墙的生长时间为20min。此条件下生长的石墨烯纳米墙的厚度和致密度使得气流传感器具有更优的灵敏度。作为对本实施例的进一步改进，在进行步骤S1前还包括基底清洁步骤，具体为先将基材铜箔置于丙酮、95vol％乙醇、纯水中各超声清洗2min，用氮气吹干，得到干净的基底。 

在本实施例中，可以选择Au、Ag、Cu、Ni、Pd、Ru等金属催化的化学气相沉积方法，也可以是在硅、石英等非催化基底上生长。 

在本实施例中，柔性衬底材料包括：聚氨酯(PU)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、有机玻璃(PMMA)、硅橡胶(PDMS)、UV固化胶。 

在本实施例中，所述电极制备方法有：蒸镀法、溅射镀膜法、丝网印刷法、喷墨打印法，以及光刻方法等。 

将上述所得的石墨烯纳米墙气流传感器与电化学工作站测试平台连接，利用风机在传感器上方形成气流扰动。图3是该传感器的性能测试结果，可以看出该传感器能够灵敏的感知 外界气流的变化。与此同时，本发明还具有体积小巧，功耗低，性能稳定、柔性较好等特点。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器，其特征在于：包括柔性衬底、设置在柔性衬底上的石墨烯纳米墙和设置在石墨烯纳米墙上的电极，所述柔性衬底会因气体流动而产生微小震动，从而导致石墨烯纳米墙的电阻发生改变。

2.一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.通过化学气相沉积方法在基底上生长石墨烯得到石墨烯纳米墙；

石墨烯纳米墙的生长条件为45～55托，生长温度为600-750℃，通入氢气与甲烷的比例为氢气：甲烷＝1:2～3:4，生长时间控制在5-90min；

S2.用湿法刻蚀法腐蚀掉基底上的非石墨烯区域，再将带有石墨烯纳米墙的衬底取出放入稀盐酸、去离子水清洗，清洗完后取出自然晾干；

S3.通过复形转移的方法将石墨烯纳米墙转移至柔性衬底上；

转移方法如下：在柔性衬底上设置一层粘结层，将石墨烯纳米墙转移在粘结层上，对粘结层进行固化直到粘结层结实凝固。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：所述氢气：甲烷＝2：3。

4.根据权利要求3所述的基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：所述石墨烯生长条件为50托。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：所述石墨烯纳米墙的生长温度为700℃。

6.根据权利要求5所述的基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：所述石墨烯纳米墙的生长时间为20min。

7.根据权利要求2所述的基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：在进行步骤S1前还包括基底清洁步骤，具体为先将基材铜箔置于丙酮、95vol％乙醇、纯水中各超声清洗2min，用氮气吹干，得到干净的基底。

8.根据权利要求2所述的基于石墨烯纳米墙的气流传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤S3后还包括电极制作步骤，具体为：采用银浆刷涂法将银或其他金属导线与石墨烯纳米墙两端连接起来作为电极。