CN105136326A - 一种可实现多点测量的柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现多点测量的柔性温度传感器，该温度传感器包括柔性基板、下金属电极、石墨烯阵列层和n个上金属电极；柔性基板中设有呈阵列式结构的n个通孔，石墨烯阵列层中含有n个石墨烯柱体；下金属电极固定连接在柔性基板的底面，上金属电极固定连接在柔性基板的顶面，且每个上金属电极覆盖柔性基板的一个通孔；石墨烯柱体位于柔性基板的通孔中，石墨烯柱体的顶面与上金属电极的底面连接，石墨烯柱体的底面与下金属电极的顶面连接；石墨烯柱体、上金属电极和柔性基板的通孔分别一一对应。该温度传感器一次可测多点温度，且结构简单、灵敏度高、柔性和生物兼容性好，实用价值极高。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器及其制备方法，具体来说，涉及一种可实现多点测量的柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
目前，人们为了检测温度已经发明了各种各样的温度传感器，尤其是基于材料温度——电阻变化特性的温度传感器。按照传感器材料及电子元件特性可分为热电阻式和热电偶式两类。其中热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。目前大部分热电阻式温度传感器是以金属制作的，最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻，而且大都是非柔性且生物兼容性不好。
单只温度传感器一次只能检测某一个点的温度，在需要同时检测一个面上各点的温度时，只能用若干这种分离的单只传感器来实现检测，给应用带来了不便。
发明内容
技术问题：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可实现多点测量的柔性温度传感器及其制备方法，该温度传感器一次可测多点温度，且结构简单、灵敏度高、柔性和生物兼容性好，实用价值极高。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种可实现多点测量的柔性温度传感器，该温度传感器包括柔性基板、下金属电极、石墨烯阵列层和n个上金属电极；柔性基板中设有呈阵列式结构的n个通孔，石墨烯阵列层中含有n个石墨烯柱体，n为整数，且n≥2；下金属电极固定连接在柔性基板的底面，上金属电极固定连接在柔性基板的顶面，且每个上金属电极覆盖柔性基板的一个通孔；石墨烯柱体位于柔性基板的通孔中，石墨烯柱体的顶面与上金属电极的底面连接，石墨烯柱体的底面与下金属电极的顶面连接；石墨烯柱体、上金属电极和柔性基板的通孔分别一一对应。
作为优选，所述的下金属电极覆盖整个柔性基板的底面。
作为优选，所述的柔性基板由LCP材料制成。
作为优选，所述的柔性基板通过激光打孔制作成阵列结构的通孔。
作为优选，所述的柔性基板中的通孔的直径在150微米到250微米之间，相邻通孔之间的而距离为0.5毫米到1毫米。
一种上述的可实现多点测量的柔性温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，构成阵列式结构的通孔；
第二步：利用层压法将柔性基板与金属箔粘合，金属箔构成下金属电极；
第三步：在柔性基板上旋涂氧化石墨烯层，氧化石墨烯覆盖在柔性基板的上表面，且填充柔性基板的通孔中；
第四步：进行高温加热，将氧化石墨烯层还原成石墨烯层；
第五步：刮去位于柔性基板上表面的石墨烯层，位于柔性基板中的石墨烯层构成石墨烯阵列层；
第六步：在柔性基板上表面涂上光刻胶，光刻胶位于柔性基板通孔外侧；
第七步：利用磁控溅射法，在LCP基板上表面和光刻胶上表面，溅射一层金属，形成金属薄层；
第八步：去除光刻胶以及位于光刻胶上表面的金属薄层，在LCP基板上表面形成上金属电极，制成传感器。
作为优选，所述的柔性基板由LCP材料制成。
作为优选，所述的第四步中，加热温度低于柔性基板的熔融温度。
有益效果：与现有的温度传感器相比，本发明实施例具有以下有益效果：温度传感器可弯曲变形，安装在任意形状的物体表面，对物体表面不同位置实现温度分布测量。当温度传感器在外力的作用下弯曲变形的时候，石墨烯阵列层不会随之发生弯曲变形，也就不会使得石墨烯电阻增大，很好地避免了外界因素的干扰，确保了温度传感器工作的可靠性。该温度传感器可以广泛适用于生物医学、可穿戴设备等领域。另外，该温度传感器包括柔性基板、下金属电极、石墨烯阵列层和n个上金属电极，柔性基板中设有呈阵列式结构的n个通孔，石墨烯阵列层中含有n个石墨烯柱体。柔性温度传感器中布设了多个石墨烯柱体和上金属电极，也就相当于布设了多个温度传感器，可实现对待测温度物体表面的不同点进行温度测量。
附图说明
图1为本发明实施例中的传感器的剖视图；
图2为本发明实施例中制备方法第一步的结构示意图；
图3为本发明实施例中制备方法第二步的结构示意图；
图4为本发明实施例中制备方法第三步的结构示意图；
图5为本发明实施例中制备方法第四步的结构示意图；
图6为本发明实施例中制备方法第五步的结构示意图；
图7为本发明实施例中制备方法第六步的结构示意图；
图8为本发明实施例中制备方法第七步的结构示意图；
图9为本发明实施例中制备方法第八步的结构示意图。
图中有：柔性基板1、下金属电极2、石墨烯阵列层3、上金属电极4、氧化石墨烯层5、光刻胶6、金属薄层7、石墨烯层8。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例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可实现多点测量的柔性温度传感器，包括柔性基板1、下金属电极2、石墨烯阵列层3和n个上金属电极4。柔性基板1中设有呈阵列式结构的n个通孔，石墨烯阵列层3中含有n个石墨烯柱体，n为整数，且n≥2。下金属电极2固定连接在柔性基板1的底面，上金属电极4固定连接在柔性基板1的顶面，且每个上金属电极4覆盖柔性基板1的一个通孔；石墨烯柱体位于柔性基板1的通孔中，石墨烯柱体的顶面与上金属电极4的底面连接，石墨烯柱体的底面与下金属电极2的顶面连接；石墨烯柱体、上金属电极4和柔性基板1的通孔分别一一对应。
使用上述实施例的柔性温度传感器时，下金属电极2与待测物体接触。该柔性温度传感器的工作过程为：待测物体表面温度由下金属电极2传给石墨烯阵列层3，导致石墨烯阵列层3的电阻发生变化，电阻变化由下金属电极2和上金属电极4输出，最后实现对物体表面温度的测量。根据事先对物体表面温度与温度敏感元件的电阻进行数据拟合标定，获得电阻温度关系，然后根据实际测得的温度敏感元件的电阻变化，得到所需测量点的温度值。
上述实施例的柔性温度传感器中，石墨烯阵列层3中含有多个石墨烯柱体，每个石墨烯柱体及位于其上的上金属电极4，以及下金属电极2，构成一个温度传感器，对待测温度物体表面的一点进行温度测量。柔性温度传感器中布设了多个石墨烯柱体和上金属电极4，也就相当于布设了多个温度传感器，对待测温度物体表面的不同点进行温度测量。
在许多应用领域都需要对表面温度分布不均匀的物体进行温度分布的测量，例如生物医学领域中在超声切除肿瘤细胞过程中，为了避免皮肤和脂肪层的热损伤，有必要获得皮肤层表面的温度场分布。本实施例的柔性温度传感器，包括柔性基板1、下金属电极2、石墨烯阵列层3和上金属电极4。柔性基板1和下金属电极2具有柔性，能够弯曲成与待测物体同样的曲率，直接贴在待测物体表面，测量物体的温度场分布，实现对于温度场分布不均匀的物体温度测量。利用本实施例的柔性温度传感器，分别测出各石墨烯柱体的电阻值变化，继而通过上金属电极4和下金属电极2输出，实现测量物体表面温度分布的目的。当然对于表面平整的待测物体，采用本实施例的柔性温度传感器，也可以实现不同位置的温度测量。
上述实施例的柔性温度传感器中，下金属电极2、石墨烯阵列层3中的一个石墨烯柱体和位于该石墨烯柱体正上方的上金属电极4，构成一个温度传感器。每一个温度传感器独立进行工作，各个温度传感器之间在工作时互不影响，所以当其中一只温度传感器损坏后，仍然可以使用其他温度传感器来替代测量。现在的温度传感器大多都是单只的，一旦损坏，温度传感器将不能再使用。而本专利发明的温度传感器阵列很好的解决了这个问题。
上述实施例的柔性温度传感器中，作为传感器温度敏感电阻的石墨烯阵列层3填充在柔性基板1的通孔中，且被下金属电极2和上金属电极4覆盖。因此，石墨烯阵列层3被很好的保护起来。除此之外，该温度传感器其他部件不需要额外的封装保护。本实施例的温度传感器具有自封装功能。
上述实施例的柔性温度传感器中，上金属电极4、下金属电极2、柔性基板1都具有一定的柔韧性，从而使得该温度传感器整体具有柔韧性，可随着被测物体表面而弯曲形变。如人体皮肤和一些表面不平整的物体，都可弯曲形变的贴在被测物体表面，测量其表面温度场分布。石墨烯阵列层3虽然也具有一定柔性，但是由于通孔的直径小，且间距大，使得在传感器弯曲变形时，石墨烯阵列层3不会弯曲变形。
作为优选方案，所述的下金属电极2覆盖整个柔性基板1的底面。下金属电极2可以如上金属电极4那样分为多个，但是本实施例优选下金属电极2为一块，整体覆盖整个柔性基板1的底面。因为每个独立的温度传感器都需要两个金属电极将温度敏感电阻的阻值变化输出，而温度传感器阵列中的每个温度传感器的电阻变化输出又不能互相影响。本实施例采用下金属电极2统一做每个温度传感器的下金属电极，而对于上金属电极，采用各个温度传感器的上金属电极互相分开、彼此互不影响的结构。这便达到了每个温度传感器的电阻变化输出互不影响的要求，从而使该柔性温度传感器可以精确的测量物体表面多点温度分布的目的。下金属电极2整体覆盖，而不分开，在满足了温度传感器阵列技术的要求后，也大大简化了制作工艺，使温度传感器的结构简单。
作为优选方案，所述的柔性基板1由LCP材料制成。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、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。柔性基板1上的通孔通过激光打孔制成。
作为优选方案，所述的柔性基板1中的通孔的直径在150微米到250微米之间，相邻通孔之间的距离在0.5毫米到1毫米之间。本实施例中，柔性基板1的通孔直径较小，在150微米到250微米之间；而通孔之间的距离较大，在0.5毫米到1毫米之间。下金属电极2是金属薄层，其本身具有一定的柔韧性，会随着柔性基板1的变形而变形。石墨烯柱体由于是填充在柔性基板1中的通孔里的，而通孔直径很小，在150微米到250微米之间，所以当柔性基板1发生变形时，通孔中的石墨烯柱体并不会随着柔性基板1发生相应的变形。这也就避免了柔性基板1弯曲时，导致石墨烯柱体发生形变，继而导致石墨烯柱体的电阻发生变化，影响温度传感器的工作性能与可靠性。柔性基板1的通孔直径较小，而每个通孔之间的距离较大（0.5毫米到1毫米），使得石墨烯阵列层3不会随着柔性基板1的变形而变形，只随温度变化而变化，从而提高温度传感器阵列的工作性能与可靠性。
一种上述实施例的可实现多点测量的柔性温度传感器的制备方法，法包括以下步骤：
第一步：如图2所示，对柔性基板1进行激光打孔，构成阵列式结构的通孔；优选柔性基板1由LCP材料制成。
第二步：如图3所示，利用层压法将柔性基板1与金属箔粘合，金属箔构成下金属电极2。
第三步：如图4所示，在柔性基板1上旋涂氧化石墨烯层5，氧化石墨烯5覆盖在柔性基板1的上表面，且填充柔性基板1的通孔中。
第四步：如图5所示，进行高温加热，将氧化石墨烯层5还原成石墨烯层8；加热温度低于柔性基板1的熔融温度。
第五步：如图6所示，刮去位于柔性基板1上表面的石墨烯层8，位于柔性基板1中的石墨烯层8构成石墨烯阵列层3。
第六步：如图7所示，在柔性基板1上表面涂上光刻胶6，光刻胶6位于柔性基板1通孔外侧。
第七步：如图8所示，利用磁控溅射法，在LCP基板1上表面和光刻胶6上表面，溅射一层金属，形成金属薄层7。
第八步：如图9所示，去除光刻胶6以及位于光刻胶6上表面的金属薄层7，在LCP基板1上表面形成上金属电极4，制成传感器。
整个制备过程简单易行。制备的温度传感器阵列结构也简单可靠。该方法制备的温度传感器，采用有机柔性材料LCP作为温度传感器阵列的中间基板，利用石墨烯阵列层作为热敏电阻元件，当温度从下金属电极传到石墨烯阵列层，石墨烯柱体的电阻发生相应的变化，继而从上金属电极和下金属电极将电阻变化输出，达到测出物体表面温度值的目的。
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 (8)
1.一种可实现多点测量的柔性温度传感器，其特征在于，该温度传感器包括柔性基板（1）、下金属电极（2）、石墨烯阵列层（3）和n个上金属电极（4）；柔性基板（1）中设有呈阵列式结构的n个通孔，石墨烯阵列层（3）中含有n个石墨烯柱体，n为整数，且n≥2；
下金属电极（2）固定连接在柔性基板（1）的底面，上金属电极（4）固定连接在柔性基板（1）的顶面，且每个上金属电极（4）覆盖柔性基板（1）的一个通孔；石墨烯柱体位于柔性基板（1）的通孔中，石墨烯柱体的顶面与上金属电极（4）的底面连接，石墨烯柱体的底面与下金属电极（2）的顶面连接；石墨烯柱体、上金属电极（4）和柔性基板（1）的通孔分别一一对应。
2.按照权利要求1所述的可实现多点测量的柔性温度传感器，其特征在于，所述的下金属电极（2）覆盖整个柔性基板（1）的底面。
3.按照权利要求1所述的可实现多点测量的柔性温度传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）由LCP材料制成。
4.按照权利要求1所述的可实现多点测量的柔性温度传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）通过激光打孔制作成阵列结构的通孔。
5.按照权利要求1所述的可实现多点测量的柔性温度传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）中的通孔的直径在150微米到250微米之间，相邻通孔之间的而距离为0.5毫米到1毫米。
6.一种权利要求1所述的可实现多点测量的柔性温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，构成阵列式结构的通孔；
第二步：利用层压法将柔性基板（1）与金属箔粘合，金属箔构成下金属电极（2）；
第三步：在柔性基板（1）上旋涂氧化石墨烯层（5），氧化石墨烯（5）覆盖在柔性基板（1）的上表面，且填充柔性基板（1）的通孔中；
第四步：进行高温加热，将氧化石墨烯层（5）还原成石墨烯层（8）；
第五步：刮去位于柔性基板（1）上表面的石墨烯层（8），位于柔性基板（1）中的石墨烯层（8）构成石墨烯阵列层（3）；
第六步：在柔性基板（1）上表面涂上光刻胶（6），光刻胶（6）位于柔性基板（1）通孔外侧；
第七步：利用磁控溅射法，在LCP基板（1）上表面和光刻胶（6）上表面，溅射一层金属，形成金属薄层（7）；
第八步：去除光刻胶（6）以及位于光刻胶（6）上表面的金属薄层（7），在LCP基板（1）上表面形成上金属电极（4），制成传感器。
7.按照权利要求6所述的可实现多点测量的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的柔性基板（1）由LCP材料制成。
8.按照权利要求6所述的可实现多点测量的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的第四步中，加热温度低于柔性基板（1）的熔融温度。
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| CN110702248A (zh) * | 2019-09-17 | 2020-01-17 | 江苏大学 | 一种基于石墨烯材料的热电传感器及其制备方法 |
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| CN105136326B (zh) | 2018-06-15 |
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