CN104949779B - 一种压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种压力传感器的制备方法，首先将氧化石墨烯溶液滴于衬底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；再采用激光在氧化石墨烯薄膜上分别进行光刻，得到激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层；最后将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层与所述激光还原氧化石墨烯导电层分别切割下来，将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与激光还原氧化石墨烯的导电层交叠放置，得到压力传感器。本申请还提供了压力传感器，包括：激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层，所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分设置有激光还原氧化石墨烯导电层。本申请的压力传感器能够检测1kPa以下的压力，且灵敏度高。

Description

一种压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及表皮传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术
固体受到作用力后电阻率会发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。利用半导体材料制备的压阻式传感器有两种类型，一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片，一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称为扩散型压阻传感器。目前应用较多的压阻型压力传感器的主要材料是扩散硅半导体，结构以膜片型为主。压阻型压力传感器对压力探测的原理主要基于膜片在压力作用下由于应力产生应变，应变导致体电阻变化，将电阻变化转化为电信号，从而实现传感特性。压阻型器件工艺虽然与半导体工艺兼容，但是结构复杂，生产成本较高，而且其探测灵敏度低，工作于大压力范围，对于<1kPa的压力无法探测。
随着可穿戴式设备的发展，人们需要更加灵敏的柔性压力传感器以探测人体皮肤上微小的压力变化，从而实时测量监测从关节运动到脉搏的压力刺激。人们开始关注可贴于皮肤的柔性压力传感器，许多原型器件已经制备出来了，其主要材料是柔性压阻材料，结构以薄膜型为主。这类器件虽然在小压力范围内(<1kPa)具有高的灵明度，但是其需要在柔性衬底上制作金属电极，制造工艺复杂，从而限制了它们的实用性。
柔性压力传感器件只是应用了压阻效应这一特点，虽然它们在小压力范围内(<1kPa)灵敏度比扩散硅压力传感器得到了明显增强，但它们要求材料必需具有显著的压阻效应，并且此种柔性压力传感器件生产工艺复杂。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种灵敏度较高且制备方法简单的压力传感器。
有鉴于此，本申请提供了一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯溶液滴于衬底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；
采用激光在氧化石墨烯薄膜上分别进行光刻，得到激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层；
将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层与所述激光还原氧化石墨烯导电层分别切割下来，再将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与激光还原氧化石墨烯的导电层交叠放置，得到压力传感器。
优选的，所述激光还原氧化石墨烯导电层为立方体或长方体。
优选的，所述交叠的面积＝所述激光还原氧化石墨烯导电层的宽度×所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层中叉指电极的宽度×所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层中叉指电极的叉指对数×2。
优选的，所述衬底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
优选的，所述激光的波长为650nm，功率为200～250mW。
优选的，所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指电极的对数为2～4对。
本申请还提供了一种压力传感器，包括：激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层，所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分设置有激光还原氧化石墨烯导电层；
所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层包括叠加设置的激光还原氧化石墨烯叉指图形与远离激光还原氧化石墨烯导电层端的第一衬底，所述激光还原氧化石墨烯导电层包括叠加设置的激光还原氧化石墨烯导电图形与远离激光还原氧化石墨烯叉指电极层端的第二衬底。
优选的，所述导电图形为长方形或正方形。
优选的，所述第一衬底与第二衬底均为柔性衬底，所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
本申请提供了一种压力传感器的制备方法，首先将氧化石墨烯溶液滴于衬底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；再采用激光在氧化石墨烯薄膜上分别进行光刻，得到激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层；最后将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层与所述激光还原氧化石墨烯导电层分别切割下来，将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与激光还原氧化石墨烯的导电层交叠放置，得到压力传感器。本申请采用激光光刻制备了还原氧化石墨烯，其具有突起的微观结构，形状类似半圆柱，在压力作用下变扁，从而使接触面积变大，接触电阻减小，使压力传感器在小压力范围下即具有灵敏度；且叉指电极层决定了不加压力接触电阻无穷大时压力传感器的电阻R0，导电层决定了接触电阻在压力作用下减小到0的理想条件下压力传感器的电阻R∞，而灵敏度＝d((R0-R)/R0)/dP，因此，激光还原氧化石墨烯叉指电极层、导电层以及其表面微观结构共同决定了压力传感器的灵敏度，使压力传感器在小压力范围内灵敏度较高，且本申请的制备过程简单。实验结果表明，本发明制备的压力传感器在压力小于1kPa时具有较高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明压力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例1制备的压力传感器电阻相对变化率随压力变化的曲线图；
图3为本发明实施例1制备的压力传感器瞬态响应特性曲线图；
图4为本发明实施例1制备的压力传感器瞬态恢复特性曲线图；
图5为本发明实施例1制备的压力传感器动态稳定特性曲线图；
图6为本发明实施例2制备的压力传感器电阻相对变化率随压力变化的曲线图；
图7为本发明实施例3制备的压力传感器电阻相对变化率随压力变化的曲线图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯溶液滴于衬底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；
采用激光在氧化石墨烯薄膜上分别进行光刻，得到激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层；
将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层与所述激光还原氧化石墨烯导电层分别切割下来，再将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与激光还原氧化石墨烯的导电层交叠放置，得到压力传感器。
本申请提供的压力传感器的制备方法是采用激光还原氧化石墨烯，利用了激光还原石墨烯微观结构特性，因此压力传感器具有较高的灵敏度，且本申请所述压力传感器可以贴于皮肤，可利用于电子皮肤领域。
在制备压力传感器的过程中，本申请首先采用激光在氧化石墨烯薄膜上分别进行光刻，氧化石墨烯吸收激光还原为石墨烯，且分别光刻出激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层。经过激光还原的氧化石墨烯具有突起的微观结构，形状类似半圆柱。本申请所述氧化石墨烯薄膜按照下述方式制备得到：
将氧化石墨烯溶于水中，将得到的氧化石墨烯溶液滴在柔性衬底上晾干。
本申请所述柔性衬底优选为聚二甲基硅氧烷薄膜。
本申请通过采用激光将氧化石墨烯还原成石墨烯的方法，制备了石墨烯叉指电极层与石墨烯导电层。激光光刻的叉指电极是如指状或梳状的面内有周期型图案的电极，其能够调节压力传感器的灵敏度。本申请所述叉指电极层的叉指电极的对数为2～4对。本申请所述导电层的形状优选为正方体或长方体。本申请采用激光光刻还原氧化石墨烯的过程中，可以在氧化石墨烯薄膜上光刻出很多不同的图形，一种为叉指型的，一种为导电型的，而得到多个激光还原氧化石墨烯叉指电极层与多个激光还原氧化石墨烯导电层。
本申请所述激光光刻的具体过程为本领域技术人员熟知的，此处不再进行赘述。按照本发明，所述激光光刻的过程中，激光的波长必须处于氧化石墨烯吸收范围内，功率必须足够大，本申请所述激光的波长优选为650nm，功率优选为200～250mW。
压力传感器的灵敏度＝d((R0-R)/R0)/dP，其中叉指电极层决定外加压力等于0时，器件初始电阻R0，由于激光还原石墨烯电阻远远小于氧化石墨烯电阻，因此R0由叉指电极间隔决定，R0较大；导电层决定接触电阻在压力作用下减小到0的理想条件下器件电阻，此处由激光还原石墨烯的电阻决定，R∞较小；而叉指电极层与导电层的微观结构决定了加多大压力，使接触电阻由无穷大变为0，因此压力电阻的灵敏度是由叉指电极层、导电层以及激光还原氧化石墨烯微观结构决定的。
本申请然后将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层与激光还原氧化石墨烯导电层分别切割下来，并将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与激光还原氧化石墨烯导电层交叠放置，而得到压力传感器。如上所述，本申请对在一块氧化石墨烯薄膜上光刻的激光还原氧化石墨烯叉指层与激光还原氧化石墨烯的导电层的数目没有限制，自然在此处两层交叠放置的过程中，只要保证其是上述两层交叠放置就可以，至于得到的压力传感器的数目主要取决于之前光刻的两层的数目。本申请激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与所述激光还原氧化石墨烯导电层是“面对面”的放置，即将叉指电极层的还原氧化石墨烯面与导电层的还原氧化石墨烯面相接触。按照本发明，所述交叠的面积＝所述激光还原氧化石墨烯导电层的宽度×所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层中叉指电极的宽度×所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层中叉指电极的叉指对数×2。所述叉指电极层与导电层的交叠区域是压力敏感区，其面积决定了压力传感器接触电阻的大小。
本申请还提供了一种压力传感器，包括：
一种压力传感器，其特征在于，包括：激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层，所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分设置有激光还原氧化石墨烯导电层；
所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层包括叠加设置的激光还原氧化石墨烯叉指图形与远离激光还原氧化石墨烯导电层端的第一衬底，所述激光还原氧化石墨烯导电层包括叠加设置的激光还原氧化石墨烯导电图形与远离激光还原氧化石墨烯叉指电极层端的第二衬底。
如图1所述，图1为本发明压力传感器的结构示意图，其中1为激光还原氧化石墨烯叉指电极，2为激光还原氧化石墨烯导电层，3为柔性衬底。
本发明制备的压力传感器是利用接触电阻随压力变化，实现对压力的检测的，由于激光光刻的石墨烯具有突起的微观结构，形状类似半圆柱，石墨烯表面微观的半圆柱在压力作用下变扁，从而使接触面积变大，接触电阻减小，使压力传感器对小压力范围具有较高的灵敏度，同时由于叉指电极层与导电层的设置，使压力在有效的接触面积下能够产生接触电阻，而使压力传感器实现对压力的检测。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的压力传感器及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1)将直径90mm的原型甲基硅氧烷(PDMS)薄膜平铺在直径120mm的玻璃培养皿内；
2)配置2mg/mL氧化石墨烯水溶液，量取30mL导入1)中玻璃培养皿内，待水自然挥发后氧化石墨烯就形成了覆盖PDMS表面的薄膜；
3)利用激光在氧化石墨烯薄膜上光刻出叉指电极和导电图形，其中叉指电极宽1.2mm，间距1.2mm，共2对，导电图形为长方体长10mm，宽8mm；
4)将上述图形剪下来，面对面接触，得到压力传感器。
将压力传感器的石墨烯叉指电极与测试仪器连接，对压力传感器进行测量，结果如图2、图3、图4、图5所示，其中图2为本实施例制备的压力传感器电阻相对变化率随压力变化的曲线图，其中■曲线为检测的电阻相对变化率随压力变化的曲线，﹉为拟合的灵敏度曲线，根据灵敏度曲线可得，前半段的灵敏度为2kPa-1，后半段的灵敏度为0.16kPa-1；图3为本实施例制备的压力传感器瞬态响应特性曲线图，图4为本实施例制备的压力传感器瞬态恢复特性曲线图，图5为本实施例制备的压力传感器动态稳定特性曲线图；由图可知，本实施例制备的压力传感器响应及恢复时间短，稳定性高，据此实现压力的传感探测。
实施例2
1)将直径90mm的原型甲基硅氧烷(PDMS)薄膜平铺在直径120mm的玻璃培养皿内；
2)配置1mg/mL氧化石墨烯水溶液，量取30mL导入1)中玻璃培养皿内，待水自然挥发后氧化石墨烯就形成了覆盖PDMS表面的薄膜；
3)利用激光在氧化石墨烯薄膜上光刻出叉指电极和导电图形；其中叉指电极宽0.4mm，间距1.2mm，共3对，导电图形为长方体，长10mm，宽8mm；
4)将上述图形剪下来，面对面接触，得到压力传感器。
将压力传感器的石墨烯叉指电极与测试仪器连接，对压力传感器进行测量，如图6所示，图6为为本实施例制备的压力传感器电阻相对变化率随压力变化的曲线图，其中■曲线为检测的电阻相对变化率随压力变化的曲线，﹉为拟合的灵敏度曲线，根据灵敏度曲线可得，前半段的灵敏度为0.7kPa-1，后半段的灵敏度为0.08kPa-1。根据图6可知，本实施例制备的压力传感器灵敏度高，据此实现压力的传感探测。
实施例3
1)将直径90mm的原型甲基硅氧烷(PDMS)薄膜平铺在直径120mm的玻璃培养皿内；
2)配置2mg/mL氧化石墨烯水溶液，量取30mL导入1)中玻璃培养皿内，待水自然挥发后氧化石墨烯就形成了覆盖PDMS表面的薄膜；
3)利用激光在氧化石墨烯薄膜上光刻出叉指电极和导电图形，其中叉指电极宽0.4mm，间距1.2mm，共3对，导电图形为长方体长10mm，宽8mm；
4)将上述图形剪下来，面对面接触，得到压力传感器。
将压力传感器的石墨烯叉指电极与测试仪器连接，对压力传感器进行测量，如图7所示，图7为本实施例制备的压力传感器电阻相对变化率随压力变化的曲线图，其中■曲线为检测的电阻相对变化率随压力变化的曲线，﹉为拟合的灵敏度曲线，根据灵敏度曲线可得，前半段的灵敏度为0.8kPa-1，后半段的灵敏度为0.05kPa-1。根据图7可知，本实施例制备的压力传感器灵敏度高，据此实现压力的传感探测。
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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯溶液滴于衬底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；
采用激光在氧化石墨烯薄膜上分别进行光刻，得到激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层；
将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层与所述激光还原氧化石墨烯导电层分别切割下来，再将所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分与激光还原氧化石墨烯的导电层交叠放置，得到压力传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光还原氧化石墨烯导电层为立方体或长方体。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述交叠的面积＝所述激光还原氧化石墨烯导电层的宽度×所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层中叉指电极的宽度×所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层中叉指电极的叉指对数×2。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光的波长为650nm，功率为200～250mW。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指电极的对数为2～4对。
7.一种压力传感器，其特征在于，包括：激光还原氧化石墨烯叉指电极层和激光还原氧化石墨烯导电层，所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层的叉指部分设置有激光还原氧化石墨烯导电层；
所述激光还原氧化石墨烯叉指电极层包括叠加设置的激光还原氧化石墨烯叉指图形与远离激光还原氧化石墨烯导电层端的第一衬底，所述激光还原氧化石墨烯导电层包括叠加设置的激光还原氧化石墨烯导电图形与远离激光还原氧化石墨烯叉指电极层端的第二衬底。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述导电图形为长方形或正方形。
9.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述第一衬底与第二衬底均为柔性衬底，所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
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