CN105136873A - 一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，包括柔性基板、下金属电极、石墨烯薄膜、第一金属电极、第二金属电极和氧化石墨烯薄膜；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；石墨烯薄膜位于柔性基板的通孔中，且石墨烯薄膜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，氧化石墨烯薄膜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，与石墨烯薄膜的上表面连接。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。

Description

一种用于测量温度和湿度的柔性集成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，涉及一种用于测量温度和湿度的柔性集成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用于测量温度和湿度的柔性集成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等优点。

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：

一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，该传感器包括柔性基板、下金属电极、石墨烯薄膜、第一金属电极、第二金属电极和氧化石墨烯薄膜；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；石墨烯薄膜位于柔性基板的通孔中，且石墨烯薄膜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，氧化石墨烯薄膜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，与石墨烯薄膜的上表面连接。

作为优选方案，所述的第一金属电极延伸到石墨烯薄膜的上方，第二金属电极覆盖在柔性基板的上方。

作为优选方案，所述的第一金属电极、石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜相互连接，第二金属电极与氧化石墨烯薄膜连接。

作为优选方案，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，氧化石墨烯薄膜位于引线连接区的外侧。

作为优选方案，所述的氧化石墨烯薄膜覆盖在第一金属电极中除了引线连接区以外的整个顶面，氧化石墨烯薄膜覆盖在第二金属电极中除了引线连接区以外的整个顶面。

作为优选方案，所述的柔性基板为LCP制成。

作为优选方案，所述的柔性基板通过激光打孔制成通孔。

一种上述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器的制备方法，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；

第四步：进行高温加热，将氧化石墨烯层还原成石墨烯，构成石墨烯薄膜；

第五步：刮去柔性基板表面的石墨烯；

第六步：在柔性基板和石墨烯薄膜一连接处的上表面涂上光刻胶层，光刻胶层覆盖部分柔性基板和部分石墨烯薄膜；

第七步：在柔性基板、石墨烯薄膜和光刻胶层上表面溅射一金属层；

第八步：去除光刻胶，形成第一金属电极和第二金属电极；

第九步：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；

第十步：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；

第十一步：撕去胶布，露出第一金属电极的端部和第二金属电极的端部，制成传感器。

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。利用石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜分别制成温湿度传感器的温度敏感电阻和湿度敏感电容，实现了温度和湿度的同时测量。同时，该传感器结构简单紧凑，具有自封装功能，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11为本发明实施例中制备方法的第十步的结构示意图；

图12为本发明实施例中制备方法的第十一步的结构示意图。

图中有：柔性基板1、下金属电极2、石墨烯薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5、氧化石墨烯薄膜6、氧化石墨烯层7、光刻胶8、金属层9、胶布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用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，包括柔性基板1、下金属电极2、石墨烯薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5和氧化石墨烯薄膜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。石墨烯薄膜3位于柔性基板1的通孔中，且石墨烯薄膜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，氧化石墨烯薄膜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，与石墨烯薄膜3的上表面连接。

上述实施例的柔性集成传感器中，石墨烯薄膜3构成热敏电阻，氧化石墨烯薄膜6构成湿敏元件。集成传感器的工作过程是：

（1）测量温度：待测物体的表面温度由下金属电极2传给石墨烯薄膜3，导致石墨烯薄膜3的电阻发生变化。通过在第一金属电极4的顶面和下金属电极2的底面连接引线，输出石墨烯薄膜3电阻变化，最后达到测出物体表面温度值的目的。根据事先标定的环境温度与温度敏感元件的电阻变化对应关系，结合实际测得的温度敏感元件的电阻变化，查找对应的温度。

（2）测量湿度：当位于传感器表面的氧化石墨烯薄膜6吸收空气中的水蒸气时，导致氧化石墨烯薄膜6的介电常数发生变化，继而电容值也会发生相应的变化。通过在第一金属电极4和第二金属电极5输出电容，实现测量外在环境湿度的目的。根据事先标定的环境湿度与电容敏感元件的电容变化对应关系，结合实际测得的湿度敏感元件的电容变化，查找对应的湿度。

上述实施例的传感器中，柔性基板1、下金属电极2、石墨烯薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5和氧化石墨烯薄膜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，使得氧化石墨烯薄膜6与空气接触面积变大。尤其是：氧化石墨烯薄膜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，氧化石墨烯薄膜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，氧化石墨烯薄膜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，电阻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阻变化和电容变化输出。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通孔中的石墨烯薄膜3作为温度传感器的温度敏感元件。由于石墨烯薄膜3底面完全被下金属电极2掩盖住，并且二者很好的连接在一起；石墨烯薄膜3顶面则被第一金属电极4和氧化石墨烯薄膜6完全掩盖住，并且石墨烯薄膜3分别与第一金属电极4、氧化石墨烯薄膜6很好的连接在一起。这样的结构中，石墨烯薄膜3完全地被保护了起来，避免石墨烯薄膜3与外界环境接触，起到了一个自封装的作用，从而使得温度传感器受到外界影响较小，大大提高了温度传感器的可靠性。

作为优选方案，所述的第一金属电极4延伸到石墨烯薄膜3的上方，第二金属电极5覆盖在柔性基板1的上方。第一金属电极4、石墨烯薄膜3和氧化石墨烯薄膜6相互连接，第二金属电极5与氧化石墨烯薄膜6连接。第二金属电极5与石墨烯薄膜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，氧化石墨烯薄膜6位于引线连接区的外侧。氧化石墨烯薄膜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、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。

一种上述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：如图2所示，对柔性基板1进行激光打孔，形成通孔结构；

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，金属箔为下金属电极2；

第三步：如图4所示，在柔性基板1上旋涂一层氧化石墨烯层7，氧化石墨烯层7填充柔性基板1的通孔；

第四步：如图5所示，进行高温加热，将氧化石墨烯层7还原成石墨烯，构成石墨烯薄膜3；

第五步：如图6所示，刮去柔性基板1表面的石墨烯；

第六步：如图7所示，在柔性基板1和石墨烯薄膜3一连接处的上表面涂上光刻胶层8，光刻胶层8覆盖部分柔性基板1和部分石墨烯薄膜3；

第七步：如图8所示，在柔性基板1、石墨烯薄膜3和光刻胶层8上表面溅射一金属层9；

第八步：如图9所示，去除光刻胶8，形成第一金属电极4和第二金属电极5；

第九步：如图10所示，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10；

第十步：如图11所示，在第一金属电极4、第二金属电极5和胶布10上旋涂氧化石墨烯薄膜6；

第十一步：如图12所示，撕去胶布10，露出第一金属电极4的端部和第二金属电极5的端部，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基板中的石墨烯薄膜作为温度敏感电阻，当温度从下金属电极2传到石墨烯薄膜3，石墨烯薄膜3的电阻发生相应的变化，继而从第一金属电极4和下金属电极2将电阻变化输出，达到测出物体表面温度值的目的。当表面的氧化石墨烯薄膜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和第二金属电极5输出，最后达到测出外在环境湿度的目的。

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 (9)

1.一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，该传感器包括柔性基板（1）、下金属电极（2）、石墨烯薄膜（3）、第一金属电极（4）、第二金属电极（5）和氧化石墨烯薄膜（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；石墨烯薄膜（3）位于柔性基板（1）的通孔中，且石墨烯薄膜（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，氧化石墨烯薄膜（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，与石墨烯薄膜（3）的上表面连接。

2.按照权利要求1所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，所述的第一金属电极（4）延伸到石墨烯薄膜（3）的上方，第二金属电极（5）覆盖在柔性基板（1）的上方。

3.按照权利要求2所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，所述的第一金属电极（4）、石墨烯薄膜（3）和氧化石墨烯薄膜（6）相互连接，第二金属电极（5）与氧化石墨烯薄膜（6）连接。

4.按照权利要求1所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，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，氧化石墨烯薄膜（6）位于引线连接区的外侧。

5.按照权利要求4所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，所述的氧化石墨烯薄膜（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，氧化石墨烯薄膜（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。

6.按照权利要求1至5中任何一项所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）采用LCP制成。

7.按照权利要求6所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，所述的柔性基板（1）通过激光打孔制成通孔。

8.一种权利要求1所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器的制备方法，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（7），氧化石墨烯层（7）填充柔性基板（1）的通孔；

第四步：进行高温加热，将氧化石墨烯层（7）还原成石墨烯，构成石墨烯薄膜（3）；

第五步：刮去柔性基板（1）表面的石墨烯；

第六步：在柔性基板（1）和石墨烯薄膜（3）一连接处的上表面涂上光刻胶层（8），光刻胶层（8）覆盖部分柔性基板（1）和部分石墨烯薄膜（3）；

第七步：在柔性基板（1）、石墨烯薄膜（3）和光刻胶层（8）上表面溅射一金属层（9）；

第八步：去除光刻胶（8），形成第一金属电极（4）和第二金属电极（5）；

第九步：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（10）；

第十步：在第一金属电极（4）、第二金属电极（5）和胶布（10）上旋涂氧化石墨烯薄膜（6）；

第十一步：撕去胶布（10），露出第一金属电极（4）的端部和第二金属电极（5）的端部，制成传感器。

9.按照权利要求8所述的用于测量温度和湿度的柔性集成传感器的制备方法，其特征在于，所述的柔性基板（1）采用LCP制成。