CN105067160A - 基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器及其制备方法，其包括柔性基底、石墨烯电极、氧化石墨烯海绵介电层，所述石墨烯电极通过喷涂的方式沉积在所述柔性基底的外侧面，通过掩膜形成长条状电极阵列；所述柔性基底为两片，所述氧化石墨烯海绵介电层设置在两片柔性基底的内侧面之间。本发明的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器具有可弯曲，灵敏度高，响应时间快，空间分辨能力高，稳定性好的优点。

Description

基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性电子器件领域，尤其涉及一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，微电子领域的发展开始在柔性电子领域聚焦，众多柔性电子器件应用在无线健康监测(Mannoor,M.S.etal.Graphene-basedwirelessbacteriadetectionontoothenamel.Nat.Commun.3:763doi:10.1038/ncomms1767)，传感器网络(Zeng,W.etal.Fiber-basedwearableelectronics:Areviewofmaterials,fabrication,devices,andapplications.Adv.Mater.26,5310-5336)，电子皮肤(Kim,D.H.etal.EpidermalElectronics.Science333,838-843)，人工肌肉(Hu,W.L.,Niu,X.F.,Zhao,R.&Pei,Q.B.Elastomerictransparentcapacitivesensorsbasedonaninterpenetratingcompositeofsilvernanowiresandpolyurethane.Appl.Phys.Lett.102,083303)等领域。在这些应用中，电子皮肤可以将许多自然皮肤能感受到的物理量，如压力，温度，湿度等转换为电信号，因此电子皮肤被普遍认为具有极大的应用潜力并引起了极大的研究热情。在电子皮肤能感知的众多参数中，压力是极其重要的一个物理量。而基于电容式的压力传感器，因为其制造简单，功耗低，成为了实现压力传感的一个重要设计方向。而电容式传感器中的介电层是实现传感性能的关键部位。氧化石墨烯由于其极高的介电系数(104,0.1～70Hz，Liu,J.Galpaya,D.Notarianni,M.Yan,C.&Motta,N.Graphene-basedthinfilmsupercapacitorwithgrapheneoxideasdielectricspacer.Appl.Phys.Lett.103,063108)，而泡沫状的氧化石墨烯海绵有比较低的杨氏模量，这便使得基于氧化石墨烯海绵的传感器，即便实在比较小的外界压力下，也会有比较可观电容的相应。基于这些特性使得氧化石墨烯海绵能够成为一种柔性电容式传感器的介电层。因此基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，便可以拥有优良的传感性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，该柔性压力传感器可弯曲，灵敏度高，响应时间快，空间分辨能力高，稳定性高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，包括柔性基底、石墨烯电极、氧化石墨烯海绵介电层，所述石墨烯电极通过喷涂的方式沉积在所述柔性基底的外侧面，通过掩膜形成长条状电极阵列；所述柔性基底为两片，所述氧化石墨烯海绵介电层设置在两片柔性基底的内侧面之间。
优选的，所述柔性基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对二甲苯的其中之一。
优选的，所述石墨烯电极的厚度为10～60μm。
优选的，所述石墨烯电极的宽度为6～10mm。
优选的，相邻两个所述石墨烯电极的间距为6～10mm。
本发明的另一个目的是提供一种上述基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其技术方案如下：
一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、配置氧化石墨烯乙醇分散液；
S2、将所述氧化石墨烯乙醇分散液喷涂在有条状电极掩膜版的柔性基底上制成条状氧化石墨烯电极；
S3、将步骤S2所制备的氧化石墨烯电极用碘化氢水溶液进行还原；
S4、配置氧化石墨烯水溶液，并用滴涂的方式将氧化石墨烯水溶液覆盖在柔性石墨烯电极上，冷冻，随后进行冷冻干燥，制得氧化石墨烯海绵介电层；
S5、将制得的氧化石墨烯海绵介电层夹在两片有条状石墨烯电极的柔性基底之间，并用PDMS在四周进行封装。
优选的，步骤S1中，所述氧化石墨烯乙醇分散液的浓度为0.5mg/ml。
优选的，步骤S3中，所述碘化氢水溶液的质量分数为35％，还原时间为1～3h。
优选的，步骤S4中，所述氧化石墨烯水溶液浓度为1～10mg/ml。
优选的，步骤S4中，所述冷冻温度为-40℃～-70℃。
本发明的有益效果是：
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明所制备出的柔性压力传感器，比传统聚合物传感器有更高的灵敏度，能感受到比以前器件中更小的静态压强。本发明采用氧化石墨烯作为介电层，其介电系数高于传统聚合物材料的介电系数，在制备过程中可以通过调节作为介电层的氧化石墨烯海绵的密度，从而调节介电层的杨氏模量，使得本柔性压力传感器能感知到微小的静态压力，同时本发明所制备出的柔性压力传感器还具有响应时间快，空间分辨能力高，稳定性好的优点。
附图说明
图1是氧化石墨烯海绵柔性压力传感器的示意图。
图2是氧化石墨烯海绵介电层的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，包括柔性基底、石墨烯电极、氧化石墨烯海绵介电层，石墨烯电极通过喷涂的方式沉积在柔性基底的外侧面，通过掩膜形成长条状电极阵列；柔性基底为两片，氧化石墨烯海绵介电层设置在两片柔性基底的内侧面之间。
柔性基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(PA)的其中之一。
石墨烯电极的厚度为10～60μm，宽度为6～10mm；相邻两个所述石墨烯电极间的间距为6～10mm。
本发明制备毫米尺度石墨烯球的方法，包括以下步骤：
首先将1g氧化石墨粉末加入到100ml去离子水中，使用功率为40w的超声机超声分散成10mg/ml的粘稠的分散液。通过调节氧化石墨和去离子水的配比可以制得不同浓度的分散液(1mg/ml，2mg/ml，3mg/ml，4mg/ml，5mg/ml，6mg/ml，7mg/ml，8mg/ml，9mg/ml)。同时配置0.5mg/ml的氧化石墨烯乙醇分散液；
再将所述乙醇分散液喷涂在有条状电极掩膜版的柔性基底上制成条状氧化石墨烯电极。
将上述所制备的氧化石墨烯电极用质量分数35％碘化氢水溶液进行还原，还原时间1～3h；
然后将配置好的氧化石墨烯水溶液，以滴涂的方式覆盖在柔性石墨烯电极上，在-40℃～-70℃下进行冷冻，随后进行冷冻干燥，制得氧化石墨烯海绵介电层。
最后将制得的氧化石墨烯海绵夹在两片有条状石墨烯电极柔性基底之间，并用PDMS在四周进行封装好。
下面通过实施例对本发明做进一步具体说明。
实施例1
第一步，取0.5mg/ml的氧化石墨烯乙醇分散液100ml，将这些分散液用喷枪在覆盖着条状掩膜版的PET上进行喷涂，制备出氧化石墨烯条状电极。
第二步，将上述制备的条状氧化石墨烯电极用质量分数为35％的碘化氢溶液进行还原，还原时间为1～3h，制得导电的石墨烯电极。
第三步，然后将配置好的氧化石墨烯水溶液，滴涂在柔性石墨烯电极上，在-40℃下进行冷冻，随后进行冷冻干燥，制得氧化石墨烯海绵介电层。
第四步，将制得的氧化石墨烯海绵介电层夹在两片有条状石墨烯电极的PET衬底之间，并用PDMS在四周进行封装好。
实施例2
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用9mg/ml的分散液，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例3
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为8mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例4
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为7mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例5
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为6mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例6
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为5mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例7
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为4mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例8
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为3mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例9
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为2mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例10
制备方法基本同实施例1，不同之处为：采用分散液的浓度为1mg/ml，所制得的氧化石墨烯海绵的表面结构类似于图2。
实施例11
制备方法基本同实施例1，不同之处为：所用的冷冻温度为-50℃，所制得的氧化石墨烯海绵的微观表面结构类似于图2。
实施例12
制备方法基本同实施例1，不同之处为：所用的冷冻温度为-60℃，所制得的氧化石墨烯海绵的微观表面结构类似于图2。
实施例13
制备方法基本同实施例1，不同之处为：所用的冷冻温度为-70℃，所制得的氧化石墨烯海绵的微观表面结构类似于图2。
实施例14
制备方法基本同实施例1，不同之处为：使用的柔性基底为PDMS。
实施例15
制备方法基本同实施例1，不同之处为：使用的柔性基底为PI。
实施例16
制备方法基本同实施例1，不同之处为：使用的柔性基底为PA。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，其特征在于：包括柔性基底、石墨烯电极、氧化石墨烯海绵介电层，所述石墨烯电极通过喷涂的方式沉积在所述柔性基底的外侧面，通过掩膜形成长条状电极阵列；所述柔性基底为两片，所述氧化石墨烯海绵介电层设置在两片柔性基底的内侧面之间。
2.如权利要求1所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对二甲苯的其中之一。
3.如权利要求1所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，其特征在于：所述石墨烯电极的厚度为10～60μm。
4.如权利要求1或3所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，其特征在于：所述石墨烯电极的宽度为6～10mm。
5.如权利要求1所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，其特征在于：相邻两个所述石墨烯电极的间距为6～10mm。
6.一种如权利要求1-5任一所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、配置氧化石墨烯乙醇分散液；
S2、将所述氧化石墨烯乙醇分散液喷涂在有条状电极掩膜版的柔性基底上制成条状氧化石墨烯电极；
S3、将步骤S2所制备的氧化石墨烯电极用碘化氢水溶液进行还原；
S4、配置氧化石墨烯水溶液，并用滴涂的方式将氧化石墨烯水溶液覆盖在柔性石墨烯电极上，冷冻，随后进行冷冻干燥，制得氧化石墨烯海绵介电层；
S5、将制得的氧化石墨烯海绵介电层夹在两片有条状石墨烯电极的柔性基底之间，并用PDMS在四周进行封装。
7.如权利要求6所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述氧化石墨烯乙醇分散液的浓度为0.5mg/ml。
8.如权利要求6所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述碘化氢水溶液的质量分数为35％，还原时间为1～3h。
9.如权利要求6所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述氧化石墨烯水溶液浓度为1～10mg/ml。
10.如权利要求6所述的基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述冷冻温度为-40℃～-70℃。
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