CN105067016A - 基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，包括柔性基板、下金属电极、第一氧化石墨烯层、第一金属电极、第二金属电极和第二氧化石墨烯层；柔性基板固定连接在下金属电极的上表面，柔性基板中设有通孔；第一氧化石墨烯层位于柔性基板的通孔中，且第一氧化石墨烯层充满柔性基板的通孔；第一金属电极和第二金属电极分别与柔性基板的上表面相连接，第一金属电极和第二金属电极之间有间隙，第二氧化石墨烯层连接在第一金属电极和第二金属电极的上表面，且延伸到第一金属电极和第二金属电极之间的间隙中，与柔性基板的上表面连接。本发明还公开了柔性集成传感器的制备方法。该温湿度传感器具有结构简单、加工方便、灵敏度高、重量轻，柔性和生物兼容性好等优点，同时温度敏感电容可以用于对湿度敏感电容进行温度补偿。

Description

基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体来说，涉及一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器及其制备方法。

背景技术

由于环境的温湿度与人们的实际生活和工业生产有着密切的关系，因此近些年来，出现了集成一体化的温湿度传感器。一体化的温湿度传感器将环境中的温度值和湿度值通过敏感材料转化为易于测量的电信号。市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。现有的温湿度集成传感器一般采用金属或硅等刚性材料制成，导致温湿度集成传感器不具有可弯曲变形的特点，从而使得其使用范围大大缩小。

发明内容

技术问题：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器及其制备方法，该温湿度传感器具有结构简单、加工方便、灵敏度高、重量轻，柔性和生物兼容性好，同时解决了氧化石墨烯的温湿度交叉敏感的问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：

一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，该传感器包括柔性基板、下金属电极、第一氧化石墨烯层、第一金属电极、第二金属电极和第二氧化石墨烯层；柔性基板固定连接在下金属电极的上表面，柔性基板中设有通孔；第一氧化石墨烯层位于柔性基板的通孔中，且第一氧化石墨烯层充满柔性基板的通孔；第一金属电极和第二金属电极分别与柔性基板的上表面相连接，第一金属电极和第二金属电极之间有间隙，且第一金属电极覆盖第一氧化石墨烯层；第二氧化石墨烯层连接在第一金属电极和第二金属电极的上表面，且延伸到第一金属电极和第二金属电极之间的间隙中，与柔性基板的上表面连接；第一金属电极和第二金属电极之间的间隙和柔性基板的通孔错位布设。

作为优选，所述的第一金属电极的顶面和第二金属电极的顶面分别设有引线连接区，第二氧化石墨烯层位于引线连接区的外侧。

作为优选，所述的第二氧化石墨烯层覆盖在第一金属电极除了引线连接区以外的整个顶面，第二氧化石墨烯层覆盖在第二金属电极除了引线连接区以外的整个顶面。

作为优选，所述的柔性基板采用LCP制成。

作为优选，所述的柔性基板通过激光打孔制成通孔。

一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：对柔性基板进行激光打孔，形成通孔结构；

第二步：利用层压法将柔性基板与金属箔粘合，金属箔为下金属电极；

第三步：在柔性基板上旋涂一层氧化石墨烯层，氧化石墨烯层填充柔性基板的通孔中，形成第一氧化石墨烯层；

第四步：在柔性基板的上表面涂上光刻胶层；

第五步：在柔性基板、第一氧化石墨烯层和光刻胶层上表面溅射一金属层；

第六步：去除光刻胶层以及位于光刻胶层上的金属层，形成第一金属电极和第二金属电极；

第七步：在第一金属电极上表面的一端和第二金属电极上表面的一端分别贴上胶布；

第八步：在第一金属电极、第二金属电极和胶布上旋涂氧化石墨烯薄膜；

第九步：撕去胶布及位于胶布上的氧化石墨烯薄膜，露出第一金属电极的端部和第二金属电极的端部，余下的氧化石墨烯薄膜形成第二氧化石墨烯层，制成传感器。

作为优选，所述的柔性基板采用LCP制成。

有益效果：与现有的温湿度传感器相比，本发明实施例的传感器具有以下有益效果：本实施例的传感器可弯曲变形，在弯曲变形的情况下依然能够很好的工作，可安装在任意形状的物体表面检测温度。利用第一氧化石墨烯层和第二氧化石墨烯层分别制成温湿度传感器的温度敏感电容和湿度敏感电容，实现了温度和湿度的同时测量。其中温度传感器结构具有自封装功能，使得通孔中的温敏氧化石墨烯层与湿气隔离，因此相对应的温度敏感电容只对温度敏感；此外温度敏感电容的测量结果可以对湿度敏感电容的温度漂移进行修正，由此获得准确的温湿度测量结果。本实施例可以广泛使用在工农业生产和医疗卫生等领域。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视图；

图2为本发明实施例中制备方法的第一步的结构示意图；

图3为本发明实施例中制备方法的第二步的结构示意图；

图4为本发明实施例中制备方法的第三步的结构示意图；

图5为本发明实施例中制备方法的第四步的结构示意图；

图6为本发明实施例中制备方法的第五步的结构示意图；

图7为本发明实施例中制备方法的第六步的结构示意图；

图8为本发明实施例中制备方法的第七步的结构示意图；

图9为本发明实施例中制备方法的第八步的结构示意图；

图10为本发明实施例中制备方法的第九步的结构示意图。

图中有：柔性基板1、下金属电极2、第一氧化石墨烯层3、第一金属电极4、第二金属电极5、第二氧化石墨烯层6、光刻胶层7、金属层8、胶布9、氧化石墨烯薄膜10。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，包括柔性基板1、下金属电极2、第一氧化石墨烯层3、第二氧化石墨烯层6、第一金属电极4和第二金属电极5。柔性基板1固定连接在下金属电极2的上表面，柔性基板1中设有通孔。第一氧化石墨烯层3位于柔性基板1的通孔中，且第一氧化石墨烯层3充满柔性基板1的通孔。第一金属电极4和第二金属电极5分别与柔性基板1的上表面相连接，第一金属电极4和第二金属电极5之间有间隙，且第一金属电极4覆盖第一氧化石墨烯层3；第二氧化石墨烯层6连接在第一金属电极4和第二金属电极5的上表面，且延伸到第一金属电极4和第二金属电极5之间的间隙中，与柔性基板1的上表面连接。第一金属电极4和第二金属电极5之间的间隙和柔性基板1的通孔错位布设。

上述实施例的柔性集成传感器中，第一氧化石墨烯层3构成温度敏感电容，第二氧化石墨烯层6构成湿度敏感电容。集成传感器的工作过程是：测量时，第一金属电极4接地，首先通过温度敏感电容测量温度，接着通过湿度敏感电容获得未补偿的湿度输出，然后利用温度测量结果对湿度输出进行温度补偿，获得准确的湿度测量结果。因为温度敏感电容被柔性基板1、下金属电极2和第一金属电极4完全保护封装起来，所以温度敏感电容的变化只是由温度作用引起的，下金属电极2和第一金属电极4输出的电容变化也只是温度作用的。而第一金属电极4和第二金属电极5输出的湿度电容变化却是温度和湿度共同作用造成的，所以在湿度电容变化输出里，利用温度传感器的温度电容变化对其进行补偿，就得到完全由湿度作用的电容变化输出了。

氧化石墨烯既是一种感湿材料，又是一种感温材料，基于氧化石墨烯的电容式温度传感器和电容式湿度传感器都具有优异的性能，但温湿度交叉敏感的问题需要解决。本实施例利用温度测量结果对湿度敏感电容获得未补偿的湿度输出进行温度补偿，解决温湿度交叉敏感的问题。

上述实施例的传感器中，柔性基板1、下金属电极2、第一氧化石墨烯层3、第一金属电极4、第二金属电极5和第二氧化石墨烯层6，都是可以弯曲变形的，都具备一定的柔韧性，所以使得传感器整体可以弯曲变形，继而可使用到可穿戴设备领域。因为人体的手腕、脖子等皮肤表面都有一定的弧度，传感器整体可弯曲变形，这样便满足了可穿戴设备的要求。

上述实施例的传感器，构成电容的第一金属电极4和第二金属电极5采用左右水平布设的方式，使得第二氧化石墨烯层6与空气接触面积变大。尤其是：第二氧化石墨烯层6覆盖在第一金属电极4中除了引线连接区以外的整个顶面，第二氧化石墨烯层6覆盖在第二金属电极5中除了引线连接区以外的整个顶面。这样，第二氧化石墨烯层6可以吸收更多空气中的水蒸气，从而使氧化石墨烯薄膜6的介电常数变化更大，继而达到了增大湿度传感器的灵敏度的目的。

上述实施例的传感器将温度传感器与湿度传感器很好地集成在一起。其中，电容式温度传感器与电容式湿度传感器都分别需要两个金属电极将电容变化输出。本实施例中，第一金属电极4既充当了温度传感器的上金属电极，又充当了电容式湿度传感器的一个电极板。这使得传感器结构简单，同时制备工艺也大大简化了。

上述实施例的传感器中，利用柔性基板1通孔中的第一氧化石墨烯层3作为温度传感器的温度敏感电容。由于第一氧化石墨烯层3填充柔性基板1中的通孔，而柔性基板1由LCP制成，LCP在众多柔性材料中具有优异的低吸湿性，对第一氧化石墨烯层起到了很好的保护作用且第一氧化石墨烯层3底面完全被下金属电极2掩盖住，二者很好的连接在一起；第一氧化石墨烯层3顶面则被第一金属电极4完全掩盖住，并且第一氧化石墨烯层3分别与第一金属电极4很好的连接在一起。这样的结构中，第一氧化石墨烯层3完全地被保护了起来，避免第一氧化石墨烯层3与外界环境中的湿气接触，起到了一个自封装的作用，从而使得温度敏感电容在工作时只受温度作用，不受环境中的湿气影响，这大大提高了温度传感器的精度与可靠性。同时由于湿度传感器的湿度敏感电容受到温度与湿度的交叉影响，但温度传感器的温度敏感电容只受温度作用，所以温度传感器的温度敏感电容可以起到补偿湿度敏感电容的湿度输出，从而提高湿度传感器的精度与可靠性。

作为优选方案，所述的第一金属电极4延伸到第一氧化石墨烯层3的上方，第二金属电极5覆盖在柔性基板1的上方。第一氧化石墨烯层3通过第一金属电极4和第二氧化石墨烯层6连接。第二金属电极5与第二氧化石墨烯层6连接。第二金属电极5与第一氧化石墨烯层3不连接。第二氧化石墨烯层6与第一氧化石墨烯层3不连接。

作为优选方案，所述的第一金属电极4的顶面和第二金属电极5的顶面分别设有引线连接区，第二氧化石墨烯层6位于引线连接区的外侧。第二氧化石墨烯层6覆盖更多的面积，使得其与空气接触的面积更大，其介电常数变化更大，进而提高湿度传感器的灵敏度。

作为优选，本实施例中的柔性基板1为LCP制成。液晶高分子聚合物（文中简称LCP）是一种由刚性分子链构成的、在一定物理条件下既有液体的流动性又有晶体的物理性能各向异性（此状态称为液晶态）的高分子物质。LCP具有许多独特的优点，例如损耗小、成本低、使用频率范围大、强度高、重量轻、耐热性和阻燃性强、线膨胀系数小、低吸湿性、耐腐蚀性和耐辐射性能好、CP薄膜的成型温度低，具有可弯曲性和可折叠性的优良成型加工性能，可用于各种带弧形和弯曲等复杂形状的制品。这完全满足了柔性温湿度传感器对材料的要求。柔性基板1上的通孔通过激光打孔制成。

一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：对柔性基板1进行激光打孔，形成通孔结构；

第二步：利用层压法将柔性基板1与金属箔粘合，金属箔为下金属电极2；

第三步：在柔性基板1上旋涂一层氧化石墨烯层，氧化石墨烯层填充柔性基板的通孔形成第一氧化石墨烯层3，即温度传感器的温度敏感元件；

第四步：在柔性基板的上表面涂上光刻胶层7；

第五步：在柔性基板1、第一氧化石墨烯层3和光刻胶层7上表面溅射一金属层8；

第六步：去除光刻胶层7以及位于其上的金属层，形成第一金属电极4和第二金属电极5；

第七步：在第一金属电极4上表面的一端和第二金属电极5上表面的一端分别贴上胶布9；

第八步：在第一金属电极4、第二金属电极5和胶布9上旋涂氧化石墨烯薄膜10；

第九步：撕去胶布9以及位于其上的氧化石墨烯薄膜10，露出第一金属电极4的端部和第二金属电极5的端部，余下的氧化石墨烯薄膜10形成第二氧化石墨烯层6，制成传感器。

本发明实施例采用有机柔性材料LCP作为集成传感器的中间基板，利用LCP基板1通孔中的第一氧化石墨烯层3作为温度敏感电容，当温度从下金属电极2传到第一氧化石墨烯层3，第一氧化石墨烯层3的电容发生相应的变化，继而从第一金属电极4和下金属电极2将电容变化输出，达到测出物体表面温度值的目的。当表面的第二氧化石墨烯层6吸收空气中的水蒸气时，导致其介电常数发生变化，继而电容值也会发生相应的变化通过第一金属电极4和第二金属电极5输出，测出未补偿的外在环境湿度，然后利用温度测量结果对湿度输出进行温度补偿，获得准确的湿度测量结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，其特征在于，该传感器包括柔性基板（1）、下金属电极（2）、第一氧化石墨烯层（3）、第一金属电极（4）、第二金属电极（5）和第二氧化石墨烯层（6）；

柔性基板（1）固定连接在下金属电极（2）的上表面，柔性基板（1）中设有通孔；第一氧化石墨烯层（3）位于柔性基板（1）的通孔中，且第一氧化石墨烯层（3）充满柔性基板（1）的通孔；第一金属电极（4）和第二金属电极（5）分别与柔性基板（1）的上表面相连接，第一金属电极（4）和第二金属电极（5）之间有间隙，且第一金属电极（4）覆盖第一氧化石墨烯层（3）；第二氧化石墨烯层（6）连接在第一金属电极（4）和第二金属电极（5）的上表面，且延伸到第一金属电极（4）和第二金属电极（5）之间的间隙中，与柔性基板（1）的上表面连接；第一金属电极（4）和第二金属电极（5）之间的间隙和柔性基板（1）的通孔错位布设。

2.按照权利要求1所述的基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，其特征在于，所述的第一金属电极（4）的顶面和第二金属电极（5）的顶面分别设有引线连接区，第二氧化石墨烯层（6）位于引线连接区的外侧。

3.按照权利要求1或2所述的基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，其特征在于，所述的第二氧化石墨烯层（6）覆盖在第一金属电极（4）除了引线连接区以外的整个顶面，第二氧化石墨烯层（6）覆盖在第二金属电极（5）除了引线连接区以外的整个顶面。

4.按照权利要求1所述的基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）采用LCP制成。

5.按照权利要求4所述的基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）通过激光打孔制成通孔。

6.一种权利要求1所述的基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

第一步：对柔性基板（1）进行激光打孔，形成通孔结构；

第二步：利用层压法将柔性基板（1）与金属箔粘合，金属箔为下金属电极（2）；

第三步：在柔性基板（1）上旋涂一层氧化石墨烯层，氧化石墨烯层填充柔性基板（1）的通孔中，形成第一氧化石墨烯层（3）；

第四步：在柔性基板的上表面涂上光刻胶层（7）；

第五步：在柔性基板（1）、第一氧化石墨烯层（3）和光刻胶层（7）上表面溅射一金属层（8）；

第六步：去除光刻胶层（7）以及位于光刻胶层（7）上的金属层（8），形成第一金属电极（4）和第二金属电极（5）；

第七步：在第一金属电极（4）上表面的一端和第二金属电极（5）上表面的一端分别贴上胶布（9）；

第八步：在第一金属电极（4）、第二金属电极（5）和胶布（9）上旋涂氧化石墨烯薄膜（10）；

第九步：撕去胶布（9）及位于胶布（9）上的氧化石墨烯薄膜（10），露出第一金属电极（4）的端部和第二金属电极（5）的端部，余下的氧化石墨烯薄膜（10）形成第二氧化石墨烯层（6），制成传感器。

7.按照权利要求6所述的基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述的柔性基板（1）采用LCP制成。