CN104569064A - 一种石墨烯气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种石墨烯气体传感器及其制备方法。该方法首先在衬底上依次沉积牺牲层和应变薄膜，接着，直接在应变薄膜上制备石墨烯层或将已制备好的石墨烯层转移至应变薄膜上，通过光刻和腐蚀形成台面，同时将牺牲层暴露出来；然后在石墨烯层上继续沉积金属电极；最后，侧向腐蚀掉牺牲层，使得应变薄膜与衬底脱离自卷曲成管，从而得到附着在管内壁上的卷曲石墨烯气体传感器。该石墨烯气体传感器对多种气体分子都具有较高的灵敏度且为三维结构，器件尺寸小，制备方法简单，适于大批量、低成制备。此外，直径可调控的管状结构不仅提供了待测气体的天然输运通道，还可与其它片上微纳功能单元集成构筑芯片实验室。

Description

一种石墨烯气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种石墨烯气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，气体传感器在国防安全、工业生产、食品安全、医药卫生、环境监测等领域发挥着越来越重要的作用。传统的气体传感器具有检测性能差、芯片部件多、体积大、不易于集成等缺点，特别是随着微纳技术的不断发展，研究人员越来越希望将多个具有特定功能的分立器件集成在一个微小芯片上，制成“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)。因此，制备稳定性好、可重复使用、易于集成在芯片实验室中的微纳气体传感器越来越引起人们的巨大兴趣。

石墨烯，作为一种新兴的碳纳米材料，其独特的二维单原子层蜂窝结构，使它具有优良的电学、热学、光学和机械性能，自从2004年被发现以来，已经引起科学界和产业界的极大关注。利用石墨烯独特的二维平面结构及优异的机械性能和电学特性制作石墨烯气体传感器，具有广阔的应用前景。

通过石墨烯层对气体分子的吸附作用，吸附在石墨烯层表面的气体分子会充当石墨烯层的电子的施主或是受主，从而改变石墨烯层的导电特性，以实现气体传感的功能。这种工作原理与碳纳米管等其它微纳气体传感器相同。然而，由于石墨烯具有以下主要性质，使其探测性能要优于现有的微纳气体传感器。

首先，石墨烯作为一种经典的二维材料，其表面可以完全暴露于待测气体中，提高了其探测面积；其次，石墨烯的半导体半金属特性使得其电导率较高，有效减少了约翰逊噪声；第三，石墨烯的晶体缺陷少，可以减小其热噪声。

根据已有报道，石墨烯对NH₃、NO₂、H₂O、Cl₂和CO等均有良好的监测效果。尽管石墨烯气体传感器获得了迅速的发展，然而，能够集成在“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)中的石墨烯气体传感器至今为止未见报道，将其组装入自卷曲微米管或纳米管之中，就可以实现将气体传感器集成在“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)中。

如今，自组装卷曲成管方式已被广泛应用于不同尺度的复杂结构制作中。采用微纳自卷曲技术制备的自卷曲微米管与纳米管作为一种特殊的三维(3D)微纳功能结构，具有中空通道、与衬底脱离悬空及其尺寸、形貌可控等结构特性，非常容易与功能材料(如量子阱/量子点、金属纳米颗粒、发光染料)结合，因此在微纳机电系统(MEMS/NEMS)、光学谐振腔、生物医学传感以及微流控等领域中具有广阔的应用前景，自然引起了各国学者的广泛关注和极大的研究兴趣。

早在1909年，这种自组装方式已经被报道，Stoney发现在衬底上释放应变双层金属薄膜可以自发的卷曲成管[Stoney,G.G.Proc.R.Soc.London,Ser.A1909,82,172.]。然而直到十几年前，人们才充分认识到这种方法可以用于微纳领域制作新型器件的巨大应用前景[Schmidt,O.G.；Eberl,K.Nature 2001,410,168.]。此后，自卷曲微米管与纳米管研究就如火如荼地快速发展起来，并取得了诸多令人欣喜的重要进展。自卷曲微米管与纳米管已表现出许多优异的光学和电学特性，有望在光电子(如光子晶体、波导、谐振器、激光器、太阳能电池)、微电子(如MEMS、晶体管)、微机械系统、生物医学、传感等方面获得重要应用。

尽管石墨烯气体传感器的研究已经取得了很大的进展，然而，已经报道的石墨烯气体传感器，所用石墨烯都直接暴露于环境中，容易破损和污染，严重影响了器件的稳定性和可重复使用性，同时还有体积大，不易集成，工作时需要真空测试腔室的缺点。另外，可以用来构筑芯片实验室的石墨烯气体传感器未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种石墨烯气体传感器，该石墨烯气体传感器以自卷曲微米管或纳米管为载体，要解决的技术问题是：如何用简单的工艺、低廉的成本，实现石墨烯气体传感器的批量制备，同时显著减小石墨烯气体传感器尺寸、实现石墨烯气体传感器与其它片上微纳功能单元的多功能集成，用石墨烯气体传感器构筑芯片实验室，而且器件在工作时可无需真空测试腔室。

本发明的另一目的是提出一种以自卷曲微米管或纳米管为载体的石墨烯气体传感器的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

S1：在衬底上沉积牺牲层；

S2：在牺牲层上沉积应变薄膜，得到晶片；

S3：直接在晶片上制备石墨烯层或将已制备好的石墨烯层转移到晶片上；

S4：对晶片进行第一次光刻和腐蚀，在表面已具有石墨烯层的应变薄膜上形成一定几何形状的台面，并使腐蚀掉石墨烯层和应变薄膜处的牺牲层暴露出来；

S5：对晶片进行第二次光刻，用光刻胶在石墨烯层上形成正负电极孔，并使电极孔内的石墨烯层没有被光刻胶覆盖；

S6：沉积金属电极，并用带胶剥离方法去除电极孔外的光刻胶和金属；

S7：进行热退火，使石墨烯层和金属电极间形成良好的欧姆接触；

S8：通过选择性腐蚀对牺牲层进行侧向腐蚀，逐渐将牺牲层腐蚀掉，使得应变薄膜从衬底上释放并与石墨烯层和金属电极一同自卷曲成管。

本发明中，步骤S1所述沉积方式可以为化学气相沉积(CVD)、液相外延(LPE)、化学束外延(CBE)、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、电子束蒸发(electron beamevaporation)、旋转涂覆中的一种或多种。

本发明中，步骤S1所述衬底材料包括但不限于玻璃、Si、Ge、SOI、GeOI、GaN、AlN、InN、ZnO、MgO、LiAlO₂、LiGaO₂、MgAl₂O₄、SiC、Al₂O₃、GaAs、InP、GaP、InAs、GaSb。所述衬底包括普通衬底及利用异变外延制备的虚拟衬底，所述衬底包括无偏角和有偏角衬底，可以是n型杂、p型掺杂或半绝缘，所述衬底可选择不同晶向。

S2中，所述牺牲层的材料包括但不限于AlGaAs、AlAs、InGaP、AlInP、AlP、AlN、AlGaN、GaAs、InP、InAlAs、Ge、SiO₂、光刻胶(photoresist)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

S2中，所述应变薄膜为应变双层或应变多层(三层及三层以上)薄膜，应变薄膜的材料由IV族半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、金属、SiO_x、SiN_x、聚合物材料中的一类或多类组成，其中，x＝0～2。

进一步地，应变薄膜的材料为SiO_x时，x＝0～2；应变薄膜的材料为SiN_x时，x＝0～1.4。

其中，所述应变双层薄膜包括底层和顶层(命名方式为：底层材料在前、顶层材料在后；底层与顶层材料间存在晶格失配，底层材料产生压应变，从而在薄膜中产生内应力)，应变双层薄膜的材料选自InAs/GaAs、InAs/BGaAs、InGaAs/GaAs、InGaAs/BGaAs、InGaP/GaAs、InGaP/BGaAs、GaAsSb/GaAs、GaAsSb/BGaAs、InGaP/GaP、InGaP/BGaP、GaAsP/GaP、GaAsP/BGaP、In_x1Ga_1-x1As/In_x2Ga_1-x2As、Inx₁Ga_1-x1P/In_x2Ga_1-x2P、Al_x1In_1-x1P/Al_x2In_1-x2P、In_x1Ga_1-x1As_yP_1-y/In_x2Ga_1-x2As_yP_1-y、InGaAs/InGaAsP、InAsP/InGaAsP、SiGe/Si、SiO_x/SiO₂、SiN_x/SiO₂中的一种，其中x1＝0～1，x2＝0～1，y＝0～1，且x1>x2。进一步地，应变薄膜的材料为SiO_x时，x＝0～2；应变薄膜的材料为SiN_x/SiO₂时，x＝0～1.4。

S3所述的石墨烯层，其特征在于，石墨烯层仅包含石墨烯材料，且为由石墨烯粉末或石墨烯薄膜构成的一个整体结构，厚度为0.3-100nm；石墨烯层为单层或多层结构，多层结构采用层叠设置。石墨烯层包括非功能化石墨烯材料和功能化石墨烯材料。

S3所述直接在晶片上制备石墨烯层的方法，当直接制备的石墨烯层为石墨烯薄膜时，所述制备方法包括但不限于机械剥离法、碳化硅(SiC)热解法、化学气相沉积(CVD)法、静电沉积法、取向附生法、外延生长法等；当直接制备的石墨烯层为石墨烯粉末时，所述制备方法包括但不限于液相剥离法、插层剥离法、剖开碳纳米管法、溶剂热法、有机合成法等。

S3所述将已制备好的石墨烯层转移至晶片上的方法，当转移的石墨烯层为石墨烯薄膜时，所述转移方法包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)辅助转移法，聚二甲基硅氧烷(PDMS)辅助转移法等；当转移的石墨烯层为石墨烯粉末时，所述转移方法包括但不限于旋涂法。

步骤S4具体包括：

S41：清洗晶片和光刻版，并烘干；

S42：涂胶、匀胶、烘胶、曝光、显影、图形检查(光刻步骤使用本领域已有的技术，使用的光刻胶可采用AZ5214E型正胶；曝光和显影步骤后，在光刻胶上形成台面的形状)；

S43：腐蚀晶片至牺牲层形成台面，去胶、图形检查、清洗。

S4所述台面的几何形状为矩形或U形。

S5中所述正负电极孔的形状包括但不限于矩形、圆形、三角形。进一步地，当电极孔形状为矩形时，正负电极孔的宽度为1μm-500μm，电极孔长度为15μm-1mm，电极孔间距为8μm-2mm。

S6中，所述金属电极的材质为Au、Ag、Pt、Ti、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、Ge中的一种或其合金，包括但不限于Au、Au/Ge、Au/Ge/Ni、Au/Ge/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Pt/Ti/Pt/Au；所述金属电极通过热蒸发、磁控溅射、激光脉冲沉积方法中的一种或多种沉积在石墨烯层上；金属电极厚度为1-100nm。

S8中，腐蚀时间由所需侧向腐蚀深度决定，侧向腐蚀深度决定纳米管或微米管最终卷的圈数。

S8中，采用的湿法腐蚀溶液应具有非常高的腐蚀选择比(即对牺牲层的腐蚀速率较高，而对应变双层的腐蚀速率低甚至不腐蚀)，一般大于10。

上述技术方案中步骤S3、S4及S5所达到的效果也可以采用下述的步骤s3、s4、s5及s6来实现。

s3、s4、s5及s6分别为：

s3：对晶片进行第一次光刻和腐蚀，在应变薄膜上形成一定几何形状的台面，并使腐蚀掉应变薄膜处的牺牲层暴露出来；

s4：直接在刻蚀出台面的晶片上制备石墨烯层或将已制备好的石墨烯层转移到刻蚀出台面的晶片上；

s5：对晶片进行第二次光刻，用光刻胶在晶片上形成与s3步骤中台面形状和位置一样的图形窗口，并使图形窗口内的石墨烯层被光刻胶覆盖；接着，腐蚀掉图形窗口外未被光刻胶覆盖的石墨烯层；

s6：对晶片进行第三次光刻，用光刻胶在石墨烯层上形成正负电极孔，使电极孔内的石墨烯层没有被光刻胶覆盖。

本发明借助应变薄膜与衬底脱离发生的自卷曲行为，制备出附着在自卷曲微米管或纳米管管壁上的三维卷曲石墨烯气体传感器，显著降低了石墨烯气体传感器的尺寸，制备方法简单、重复性好，适于批量制备；

同时，本发明制备的三维卷曲石墨烯气体传感器，自卷曲微米管或纳米管提供了待测气体的天然输运通道，传感器在工作时可无需真空测试腔室。此外，该传感器可与其它片上微纳功能单元实现多功能集成，构筑芯片实验室(Lab-on-a-chip)或管内实验室(Lab-in-a-tube)。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种石墨烯气体传感器的结构示意图；

图2是将石墨烯层和应变薄膜刻蚀出台面的晶片显微镜图像和以自卷曲微米管为载体的石墨烯气体传感器的器件实物图，其中图2(a)是将铜箔上化学气相沉积(CVD)法生长的单层石墨烯和III-V族InGaAs/GaAs应变双层薄膜刻蚀出U形台面，图2(b)是在Si(100)衬底上制备的以III-V族InGaAs/GaAs自卷曲微米管为载体的石墨烯气体传感器的器件实物图；

图3是在Si基Si/SiO₂自卷曲微米管中卷入石墨烯薄膜的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。其中，图1是本发明实施例提供的石墨烯气体传感器结构示意图，该传感器由应变薄膜1自卷曲形成的微米管或纳米管4与带有正负金属电极3的石墨烯层2共同组成，石墨烯层2附着在微米管或纳米管4的内壁上，管4的外部留有金属电极3。待测气体由管4的一端注入，从管4的另外一端排出。以下用具体实施例说明上述石墨烯气体传感器的制备方法，需要说明的是，下述各实施例只用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：在Si(100)衬底上制备以III-V族InGaAs/GaAs自卷曲微米管为载体的石墨烯气体传感器

S1：在Si衬底上沉积AlAs牺牲层；

对Si片进行清洗后将衬底放入MOCVD反应室中；750℃，在H₂氛围下烘烤Si片30分钟，接着通入AsH₃钝化30分钟；降温至420℃，生长低温GaAs成核层，厚度70nm；升温至630℃，生长中间温度GaAs缓冲层，厚度300nm；升温至685℃，生长高温GaAs外延层，厚度2μm；

对GaAs外延层进行热循环退火(TCA)；降温至685℃，生长AlAs牺牲层，厚度50nm。

S2：在AlAs牺牲层上沉积InGaAs/GaAs应变薄膜，得到晶片；

在685℃，生长In_xGa_1-xAs/GaAs应变双层薄膜(InGaAs为底层，GaAs为顶层)。其中，In的组分x控制在0.2，In_xGa_1-xAs/GaAs的厚度为15nm/35nm。

S3：将铜箔上化学气相沉积(CVD)法生长的单层石墨烯转移到晶片上；

将铜箔上化学气相沉积(CVD)法生长的单层石墨烯表面悬涂PMMA后，用FeCl₃溶液腐蚀掉单层石墨烯底部的铜箔，在去离子水中漂洗3-4次后，用生长得到的晶片捞取表面带有PMMA的单层石墨烯，室温晾20分钟，接着70℃烘烤30分钟，随后放入第一份丙酮溶剂中浸泡30分钟，然后放入第二份丙酮中浸泡10分钟，经酒精清洗、去离子水清洗后，去除PMMA完毕，石墨烯层转移到晶片上。

S4：第一次光刻和腐蚀，使单层石墨烯和In_0.2Ga_0.8As/GaAs应变双层形成台面，并使腐蚀掉单层石墨烯和应变双层处的AlAs牺牲层暴露出来；S4具体可以包括：

S41：清洗外延片和光刻版，并烘干；

S42：在外延片上涂胶并匀胶：光刻胶为AZ5214E正胶；匀胶机1000转/分钟转5s，4000转/分钟转30s；

烘胶：温度85℃、时间100s；

光刻：曝光时间40s；为保证光刻后晶片上U形图形的底沿<100>方向分布，放置晶片时应保证晶片切边与光刻版呈45°角；

在显影液中显影55s，去离子水中浸泡2分钟后在光刻胶上形成U形图形，并用光学显微镜观察；

S43：利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀单层石墨烯和In_0.2Ga_0.8As/GaAs应变双层结构。腐蚀最终停止在AlAs牺牲层上，这样在受光刻胶掩膜保护的区域上形成了U形台面结构；去离子水清洗后；分别利用丙酮、酒精、去离子水清洗晶片，去除台面上的光刻胶。

常用的微管的制备方法有三种：独立小方块、光刻胶束缚、U形撕裂成管，本实施例优选U形撕裂方式制备微管。其中，光刻板U形尺寸是固定的，如图2(a)所示，U形底长度为200μm，宽度为40μm；U形臂长度为200μm，宽度为40μm。

S5：对晶片进行第二次光刻，用光刻胶在单层石墨烯上形成正负电极孔，并使电极孔内的单层石墨烯没有被光刻胶覆盖；

清洗光刻版，并烘干；

在外延片上涂胶并匀胶：光刻胶为AZ5214E负胶；匀胶机1000转/分钟转5s，4000转/分钟转30s；

一次烘烤：温度85℃、时间100s；

一次曝光：对准，为保证光刻后晶片上电极孔落在台面上，放置晶片时应保证晶片与一次光刻时方向相同，曝光时间8s；

二次烘烤：温度115℃，时间80s；

二次曝光：泛曝光80s；

在显影液中显影55s，去离子水中浸泡2分钟后在光刻胶上形成电极孔，并用光学显微镜观察；

其中，光刻板中电极孔的长度为190μm，宽度为40μm，落在U形图形的臂上。

S6：放入磁控溅射设备内镀5nm厚金电极，之后用光学显微镜初步观察蒸镀效果；放入丙酮溶剂内，剥离图形窗口以外的金，酒精清洗，去离子水清洗后用光学显微镜观察。

S7：500℃下进行快速热退火(RTA)1分钟，使单层石墨烯和金属电极间形成良好的欧姆接触；

S8：利用HF:H₂O＝1:40(体积比)溶液侧向腐蚀AlAs牺牲层(室温无搅拌，腐蚀时间由所需侧向腐蚀深度决定，侧向腐蚀深度决定微米管卷的圈数)，使得In_0.2Ga_0.8As/GaAs应变双层结构逐渐与Si衬底脱离，最终通过释放应力而自弯曲成管，将两端镀有电极的单层石墨烯卷入管内，如图2(b)所示。

晶片在去离子水中浸泡约2分钟后取出，取出过程中应保持晶片平稳，待晶片自然晾干后分别用光学显微镜和扫描电镜观察器件形貌。经测试，本实施例对CO₂气体有较好的探测灵敏度。

实施例2：在Si衬底上制备以Si/SiO₂自卷曲微米管为载体的石墨烯气体传感器

S1：使用MBE在Si(100)衬底上先后生长40nm厚Ge牺牲层和20nm厚Si。

S2：放入PECVD中，蒸镀25nm厚SiO₂，得到具有Si/SiO₂应变双层结构的晶片。

S3：将采用Hummers法制备得到的氧化石墨烯和酚酞啉组装剂分散于乙醇和水的混合溶剂中，45kHz频率下超声处理1.5小时，得到氧化石墨烯和酚酞啉的混合溶液。将所得的混合溶液在晶片上成膜，经60℃加热处理24小时，还原自组装成膜，从而得到还原氧化石墨烯薄膜。

S4：第一次光刻和腐蚀，使还原氧化石墨烯薄膜和Si/SiO₂应变双层形成台面，并使腐蚀掉还原氧化石墨烯薄膜和Si/SiO₂应变双层处的牺牲层暴露出来；

清洗晶片和光刻版，并烘干；

在晶片上涂胶并匀胶：光刻胶为AZ5214E正胶；匀胶机1000转/分钟转5s，4000转/分钟转30s；

烘胶：温度85℃、时间100s；

光刻：曝光时间40s；为保证光刻后晶片上长方形条状图形沿<100>方向分布，放置晶片时应保证晶片切边与光刻版呈45°角；

在显影液中显影55s，去离子水中浸泡2分钟后在光刻胶上形成长方形条状图形，并用光学显微镜观察；

利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)无光刻胶保护的还原氧化石墨烯薄膜和Si/SiO₂应变双层结构。腐蚀最终停止在Ge牺牲层上，这样在受光刻胶掩模保护的区域上形成了小方块台面结构；去离子水清洗后；分别利用丙酮、酒精、去离子水清洗晶片，去除台面上的光刻胶。

常用的微管的制备方法有三种：独立小方块、光刻胶束缚、U形撕裂成管，本实施例优选独立小方块方式制备微管。其中，光刻板中长方形图形的尺寸和长宽比都是变化的，长度在60～100μm范围内渐变，宽度在10～50μm范围内渐变。

S5：对晶片进行第二次光刻，用光刻胶在石墨烯层上形成正负电极孔，并使电极孔内的石墨烯层没有被光刻胶覆盖；

清洗光刻版，并烘干；

在外延片上涂胶并匀胶：光刻胶为AZ5214E负胶；匀胶机1000转/分钟转5s，4000转/分钟转30s；

烘胶：温度85℃、时间100s；

一次曝光：对准，为保证光刻后晶片上电极孔落在台面上，放置晶片时应保证晶片与一次光刻时方向相同，曝光时间8s；

二次烘烤：温度115℃，时间80s；

二次曝光：泛曝光80s

在显影液中显影55s，去离子水中浸泡2分钟后在光刻胶上形成电极孔，并用光学显微镜观察。

光刻板中电极孔的形状为矩形，矩形电极孔的尺寸是变化的，长度在100～300μm范围内渐变，宽度在10～30μm范围内渐变。矩形电极孔的长边与台面的长边垂直。

S6：放入磁控溅射设备内镀10nm厚金电极，之后用光学显微镜初步观察蒸镀效果；

放入丙酮溶剂内，剥离电极窗口外的金，酒精清洗，去离子水清洗后用光学显微镜观察；

S7：500℃下进行快速热退火(RTA)1分钟，使还原氧化石墨烯薄膜和金属电极间形成良好的欧姆接触；

S8：利用体积分数30％的H₂O₂溶液侧向腐蚀Ge牺牲层(90摄氏度无搅拌，腐蚀时间由所需侧向腐蚀深度决定，侧向腐蚀深度决定微米管卷的圈数)，使得Si/SiO₂应变双层结构逐渐与Si衬底脱离，最终通过释放应力而自卷曲成管，将两端镀有电极的还原氧化石墨烯卷入管内，取出过程中应保持晶片平稳，待晶片自然晾干后分别用光学显微镜和扫描电镜观察器件形貌。

如图3所示，在Si基Si/SiO₂自卷曲微米管内卷入石墨烯层，为此实施例的初步探索。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种以自卷曲微米管或纳米管为载体的石墨烯气体传感器，其特征在于，传感器由应变薄膜自卷曲形成的微米管或纳米管与带有正负金属电极的石墨烯层共同组成，石墨烯层附着在微米管或纳米管的内壁上，管的外部留有金属电极。待测气体由管的一端注入，从管的另外一端排出。

2.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，所述应变薄膜为应变双层或应变多层薄膜，其中，所述应变多层薄膜为三层及三层以上的应变薄膜；应变薄膜的材料由IV族半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、SiO_X、SiN_X、聚合物材料中的一类或多类组成，应变薄膜厚度为1-100nm。

3.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，自卷曲微米管或纳米管为圆柱形中空管状结构，内径为1nm-100μm，长度为5μm-3mm，管壁的总厚度为3-1200nm。卷曲圈数为n，n≥1，n＝1时为单圈管，n＞1时为多圈管。

4.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，所述石墨烯层仅包含石墨烯材料，且为由石墨烯粉末或石墨烯薄膜构成的一个整体结构，厚度为0.3-100nm。

5.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，所述石墨烯层为单层或多层结构，其中，所述多层结构采用层叠设置。

6.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，所述石墨烯层包括非功能化石墨烯材料和功能化石墨烯材料。

7.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，所述正负金属电极的宽度为1-500μm，长度为15μm-1mm，电极间距为3μm-2mm，电极厚度为1-100nm。

8.如权利要求1所述的石墨烯气体传感器，其特征在于，所述正负金属电极的材质为Au、Ag、Pt、Ti、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、Ge中的一种或其组合，优选为Au、Au/Ge、Au/Ge/Ni、Au/Ge/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Pt/Ti/Pt/Au中的一种；所述正负金属电极通过热蒸发、磁控溅射、激光脉冲沉积方法中的一种或多种沉积在石墨烯层上。

9.权利要求1-8中任一权利要求所述的一种石墨烯气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在衬底上沉积牺牲层；

S2：在牺牲层上沉积应变薄膜，得到晶片；

S3：直接在晶片上制备石墨烯层或将已制备好的石墨烯层转移到晶片上；

S4：对晶片进行第一次光刻和腐蚀，用于在表面已具有石墨烯层的应变薄膜上形成一定几何形状的台面，并使腐蚀掉石墨烯层和应变薄膜处的牺牲层暴露出来；

S5：对晶片进行第二次光刻，其中，用光刻胶在石墨烯层上形成正负电极孔，使电极孔内的石墨烯层没有被光刻胶覆盖；

S6：沉积金属电极，并用带胶剥离方法去除电极孔外的光刻胶和金属；

S7：进行热退火，使石墨烯层和金属电极间形成良好的欧姆接触；

S8：通过选择性腐蚀对牺牲层进行侧向腐蚀，逐渐将牺牲层腐蚀掉，使得应变薄膜从衬底上释放并与石墨烯层和金属电极一同自卷曲成管。

10.权利要求1-8中任一权利要求所述的一种石墨烯气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：在衬底上沉积牺牲层；

s2：在牺牲层上沉积应变薄膜，得到晶片；

s3：对晶片进行第一次光刻和腐蚀，在应变薄膜上形成一定几何形状的台面，并使腐蚀掉应变薄膜处的牺牲层暴露出来；

s4：直接在刻蚀出台面的晶片上制备石墨烯层或将已制备好的石墨烯层转移到刻蚀出台面的晶片上；

s5：对晶片进行第二次光刻，用光刻胶在晶片上形成与s3步骤中台面形状和位置一样的图形窗口，并使图形窗口内的石墨烯层被光刻胶覆盖；接着，腐蚀掉图形窗口外未被光刻胶覆盖的石墨烯层；

s6：对晶片进行第三次光刻，用光刻胶在石墨烯层上形成正负电极孔，使电极孔内的石墨烯层没有被光刻胶覆盖；

s7：沉积金属电极，并用带胶剥离方法去除电极孔外的光刻胶和金属；

s8：进行热退火，使石墨烯层和金属电极间形成良好的欧姆接触；

s9：通过选择性腐蚀对牺牲层进行侧向腐蚀，逐渐将牺牲层腐蚀掉，使得应变薄膜从衬底上释放并与石墨烯层和金属电极一同自卷曲成管。3 -->