CN107101752A - 一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度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具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器。该压力传感器是表面带有尖锥结构的石墨烯和其他绝缘且多孔的二维材料的复合结构。首先将绝缘多孔的其他二维材料覆盖于带有尖锥结构的石墨烯上并镀电极，然后将镀电极后的另一块带有尖锥结构的石墨烯置于绝缘多孔的二维材料之上得到具有类似三文治结构的压力传感器。石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的。绝缘多孔的二维材料的孔分布是均匀的，孔径和孔深都是可控的。本发明实现了一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，并提供了其简便、快速和大规模制备的方法，其可用于新型柔性电子器件如人工智能等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性电子器件，柔性电子器件的组装与应用技术领域，特别是涉及一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器，是应用于新型柔性电子器件的最重要组成部分之一。具有纳米量级超薄厚度的高灵敏度压力传感器正是目前的研究热点，以方便集成于可穿戴的柔性设备中。合适材料的选取和微观结构的设计是决定压力传感器性能的关键。因为具有良好的导电性，金、银和金属氧化物的纳米线等一维材料是目前使用率较高的作为制备压力传感器的基础材料，但相对较低(一般小于10kPa-1)的灵敏度还有待提高，以在实际应用中发挥更大的作用。石墨烯材料在现阶段虽然也已被应用于压力传感器的制备，但是主要是以厘米级的石墨烯三维块体结构的形式(A flexible and highly pressure‐sensitivegraphene–polyurethane sponge based on fractured microstructuredesign.Adv.Mater.2013,25,6692.)，为压力传感器在超薄柔性器件中的集成带来了不便。
另外，理论和实验研究都表明，在二维材料的表面构筑一些凸起的如柱子、尖锥、褶皱和半球的结构有利于大幅度提高基于这种材料的压力传感器的灵敏度和传感速度。无论是基于电阻式还是电容式的压力传感器，尖锥结构都可以使传感器在较小的压力下产生电流响应实现对压力的探测(Highly stretchable resistive pressure sensors usinga conductive elastomeric composite on a micropyramid array.Adv.Mater.2014,26,3451.)。
因此，在二维石墨烯中引入均匀可控的尖锥结构，是制备压力传感器的理想材料，而其超薄的厚度也有利于在柔性电子器件中的集成和应用。最重要的是，在两层导电的带有尖锥状结构石墨烯中插入绝缘的二维材料，不仅使压力传感器在非工作状态中不消耗额外的能量，而且从导通到不导通的开关效应可以大幅度地提高压力传感器的灵敏度。
但如何提供一种具有高灵敏度的压力传感器是本领域技术人员急需解决的的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，其在可穿戴电子器件如电子皮肤、柔性显示和健康监测等领域具有重要应用。
本发明的另一目的在于，提供一种组装上述具有类似三文治结构高灵敏度压力传感器的方法，通过调节石墨烯尖锥结构高度、宽度和分布密度和绝缘多孔二维材料阻挡层的厚度以及孔径，调控压力传感器的灵敏度和工作范围等性能。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，是带有尖锥结构的石墨烯和其他绝缘多孔二维材料的复合结构。石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的；绝缘多孔的二维材料的孔分布是均匀的，孔径和孔深是可控的，通过电化学方法制备形成。
本发明的高灵敏度压力传感器，所述石墨烯尖锥结构的高度为8-400nm。
本发明的高灵敏度压力传感器，所述绝缘多孔二维材料包括阳极氧化铝，氧化锌，二氧化钛。
本发明的高灵敏度压力传感器，所述绝缘多孔二维材料的孔径为50-300nm；厚度为100-400nm。
另外，本发明还提出了一种上述高灵敏度压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：
1)将两块带有尖锥结构的石墨烯分别转移到柔性透明基底上，并镀电极；
2)将用聚甲基丙烯酸甲酯为支撑材料的绝缘多孔二维材料贴在其中一块带有尖锥结构的石墨烯上后，在纯丙酮中浸泡15分钟，将PMMA层去掉，在烘箱中烘干；
3)将另一块带有尖锥结构的石墨烯面对面置于覆盖了绝缘多孔二维材料的带有尖锥结构的石墨烯上，得到组装好的高灵敏度压力传感器。
本发明的制备方法，步骤1)中，所述石墨烯尖锥结构的高度为8-400nm；所述柔性透明基底包括PDMS，PET，PVA。
本发明的制备方法，步骤1)中，所述镀电极的电极材料包括金，银，铜。
本发明的制备方法，步骤2)中，所述绝缘多孔二维材料包括阳极氧化铝(AAO)，氧化锌，二氧化钛。
本发明的制备方法，步骤2)中，所述绝缘多孔二维材料的孔径为50-300nm；厚度为100-400nm。
借由上述技术方案，本发明具有的优点和有益效果如下：
1)石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的；
2)绝缘多孔二维材料阻挡层的孔分布是均匀的，厚度和孔径是可控的；
3)通过改变石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度，以及绝缘多孔二维材料阻挡层的厚度和孔径，以调控该压力传感器的灵敏度和工作范围；
4)方法简单、可控操作性强，适于放大生产。
本发明实现了一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，并提供了该结构的简便、快速、大规模制备的方法，其可用于柔性触摸屏、电子皮肤以及健康监测等领域。
附图说明
图1是为基于带有高度为80nm尖锥结构的石墨烯和厚度为200nm、孔径为80nm的AAO的高灵敏度压力传感器的结构示意图；
1：柔性透明基底 2：带有尖锥结构的石墨烯 3：绝缘多孔二维材料 4：电极
图2a和2b分别为石墨烯尖锥结构的AFM三维照片和厚度为200nm、孔径为80nm的AAO的SEM照片；
图3是基于带有高度为80nm尖锥结构的石墨烯和厚度为200nm、孔径为80nm的压力传感器对300Pa和1kPa压力的电流响应序列；
图4为基于带有高度为80nm尖锥结构的石墨烯和厚度为250nm、孔径为85nm的AAO的高灵敏度压力传感器的光学显微镜照片；
图5是基于带有高度为80nm尖锥结构的石墨烯和厚度为250nm、孔径为85nm的压力传感器对1.6kPa和2kPa压力的电流响应序列；
图6为基于带有高度为80nm尖锥结构的石墨烯和厚度为300nm、孔径为85nm的AAO的高灵敏度压力传感器的光学显微镜照片；
图7是基于带有高度为80nm尖锥结构的石墨烯和厚度为300nm、孔径为85nm的压力传感器对4kPa压力的电流响应序列。
具体实施方式
本发明是组装具有类似三文治结构的基于石墨烯尖锥结构与其他绝缘多孔二维材料复合结构的高灵敏度压力传感器。石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的。绝缘多孔的二维材料的孔分布是均匀的，孔径和孔深是可控的，通过电化学方法制备形成。两层石墨烯的尖锥结构穿过孔接触形成导电通路产生电流响应，实现对压力的灵敏探测。
如图1所示，本发明一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，是柔性透明基底1上表面带有尖锥结构的石墨烯2和其他绝缘且多孔二维材料3的复合结构。首先将绝缘多孔的其他二维材料覆盖于柔性透明基底1上带有尖锥结构的石墨烯2上并镀电极4，然后将镀电极4后的另一块柔性透明基底1上带有尖锥结构的石墨烯2置于绝缘多孔的二维材料3之上，得到具有类似三文治结构的压力传感器。石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的。绝缘多孔的二维材料的孔分布是均匀的，孔径和孔深都是可控的。由于绝缘阻挡层的存在，使压力传感器在非受力状态下不导通；而在受到压力时，两层石墨烯的尖锥结构穿过孔接触形成导电通路产生电流响应，实现对压力的灵敏探测。
本发明实现了一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，并提供了其简便、快速和大规模制备的方法，其可用于新型柔性电子器件如人工智能等领域。
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
实施例1
一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将两块表面带有高度约为80nm的尖锥结构石墨烯转移到柔性PDMS基底上，再在石墨烯的一端用银胶镀上直径为60μm的银电极。
2)将带有PMMA支撑层的具有200nm厚和80nm孔径的AAO紧密贴在得到的其中一块PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯上，再在纯丙酮溶液中浸泡15min以去掉PMMA层，得到在PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯和AAO。
3)再将另一块在PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯面对面置于AAO上，得到高灵敏度压力传感器，在受到不同压力的条件下，有不同的电流响应。
图1是为该工艺条件下制备的基于石墨烯尖锥结构的高灵敏度压力传感器的结构式示意图。图2a和2b分别为带有尖锥状结构的石墨烯的AFM和AAO的SEM照片。可以观察到石墨烯尖锥结构和AAO的孔分布均匀。图3是压力传感器对300Pa和1kPa压力的电流响应序列。
由实施例1制备的压力传感器在受到300Pa和1kPa的外力作用时，两层石墨烯的尖锥结构通过AAO的孔接触，形成通路，传感器随之产生相应的电流响应信号，如图3所示。
实施例2
一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将两块表面带有高度约为80nm的尖锥结构石墨烯转移到柔性PDMS基底上，再在石墨烯的一端用银胶镀上直径为60μm的银电极。
2)将带有PMMA支撑层的具有250nm厚和85nm孔径的AAO紧密贴在得到的其中一块PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯上，再在纯丙酮溶液中浸泡15min以去掉PMMA层，得到在PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯和AAO。
3)再将另一块在PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯面对面置于AAO上，得到高灵敏度压力传感器，在受到不同压力的条件下，有不同的电流响应。
图4为该工艺条件下制备的高灵敏度压力传感器的光学显微镜照片。图5是压力传感器对1.6kPa和2kPa压力的电流响应序列。
由实施例2制备的压力传感器在受到1.6Pa和2kPa的外力作用时，两层石墨烯的尖锥结构通过AAO的孔接触，形成通路，传感器随之产生相应的电流响应信号，如图5所示。
实施例3
一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将两块表面带有高度约为80nm的尖锥结构石墨烯转移到柔性PDMS基底上，再在石墨烯的一端用银胶镀上直径为60μm的银电极。
2)将带有PMMA支撑层的具有300nm厚和85nm孔径的AAO紧密贴在得到的其中一块PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯上，再在纯丙酮溶液中浸泡15min以去掉PMMA层，得到在PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯和AAO。
3)再将另一块在PDMS基底上的带有尖锥状结构的石墨烯面对面置于AAO上，得到高灵敏度压力传感器，在受到不同压力的条件下，有不同的电流响应。
图6是为该工艺条件下制备的高灵敏度压力传感器的光学显微镜照片。图7是压力传感器对4kPa压力的电流响应序列。
由实施例3制备的压力传感器在受到4kPa的外力作用时，两层石墨烯的尖锥结构通过AAO的孔接触，形成通路，传感器随之产生相应的电流响应信号，如图7所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，其特征在于：该压力传感器采用三文治结构，两层柔性透明基底上导电的具有尖锥结构的石墨烯作为电极层，绝缘多孔二维材料被夹在两层具有尖锥结构的石墨烯之间。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度压力传感器，其特征在于：该压力传感器为层叠式结构，自上而下分别是柔性透明基底、具有尖锥结构的石墨烯、金属电极层、绝缘多孔的二维材料、金属电极层、具有尖锥结构的石墨烯、柔性透明基底。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度压力传感器，其特征在于：所述石墨烯尖锥结构的高度为8-400nm；所述绝缘多孔二维材料包括阳极氧化铝(AAO)，氧化锌，二氧化钛。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度压力传感器，其特征在于：所述绝缘多孔二维材料的孔径为50-300nm；厚度为100-400nm。
5.一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
1)将两块带有尖锥结构的石墨烯分别转移到柔性透明基底上，并镀电极；
2)将用聚甲基丙烯酸甲酯为支撑材料的绝缘多孔二维材料贴在其中一块带有尖锥结构的石墨烯上后，在纯丙酮中浸泡，将PMMA层去掉，在烘箱中烘干；
3)将另一块带有尖锥结构的石墨烯面对面置于覆盖了绝缘多孔二维材料的带有尖锥结构的石墨烯上，得到组装好的高灵敏度压力传感器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述石墨烯尖锥结构的高度为8-400nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述柔性透明基底包括PDMS，PET，PVA；所述镀电极的电极材料包括金，银，铜。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述绝缘多孔二维材料包括阳极氧化铝(AAO)，氧化锌，二氧化钛。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述绝缘多孔二维材料的孔径为50-300nm；其厚度为100-400nm。
10.权利要求5-9所述的制备方法制备的基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，其特征在于：其在可穿戴电子器件如电子皮肤、柔性显示和健康监测等领域的应用。
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