CN107966586A - 基于石墨烯氧化物的气流传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

基于石墨烯氧化物的气流传感器及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯氧化物的气流传感器及其制备方法与应用。所述的气流传感器包括：还原氧化石墨烯薄膜；以及，设置在所述还原氧化石墨烯薄膜上的若干电极，且各电极彼此间隔设置。所述制备方法包括：提供氧化石墨烯薄膜；在所述氧化石墨烯薄膜上设置彼此间隔的若干电极；以及，将所述氧化石墨烯薄膜还原为还原度较低的还原氧化石墨烯薄膜，从而制得所述气流传感器。本发明提供的基于石墨烯氧化物的气流传感器具有结构简单、高灵敏度、微型化等特点，能检测流速在mm/s级别的微弱气流，且还具有加工方便，成本低廉等优点。

Description

基于石墨烯氧化物的气流传感器及其制备方法与应用
技术领域
本发明特别涉及一种基于石墨烯氧化物的气流传感器及其制备方法与应用，属于传感器技术领域。
背景技术
气流传感器是一种能够将气体流速或流量转换成电信号的一种转换器，普遍存在于机器人操控系统，生物医药工程，环境监测和工业生产等领域。气流传感器除了在这些传统领域外，也能在智能皮肤和可穿戴智能电子设备等新兴领域上作为关键器件用于目标识别和环境监测。近几年纳米技术飞快发展，尤其在纳米机器人上更需要集成纳米微米级别的传感器件。石墨烯和石墨烯氧化物是一种最薄原子层材料，具有强的机械强度，高的比表面积等优点，在理论上是一种制备传感器的理想材料。使用石墨烯等纳米材料能有效降低器件尺寸，纳米微米机械系统需要微型化的传感器，微型化气流传感器在医疗设备和纳米生物分析等纳米微米机械系统中具有广泛应用。而传统的气流传感器如热丝传感器，仿生头发传感器等器件制备工艺繁琐，设备昂贵，器件结构复杂，这些因素都阻碍了气流传感器的大规模生产和应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于石墨烯氧化物的气流传感器及其制备方法与应用，从而克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种基于石墨烯氧化物的气流传感器的制备方法，包括：
提供氧化石墨烯薄膜；
在所述氧化石墨烯薄膜上设置彼此间隔的两个以上电极；
以及，对所述氧化石墨烯薄膜进行还原处理，使其中的氧化石墨烯被部分还原，形成还原氧化石墨烯薄膜，从而制得所述气流传感器。
在一些较佳实施方案中，所述的制备方法包括：采用自组装法或溶液法，并通过物理吸附和/或共价键结合的方式在基底上制备形成所述氧化石墨烯薄膜。
进一步的，所述氧化石墨烯薄膜的厚度优选为1nm～40nm。
在一些较佳实施方案中，所述的制备方法包括：对所述氧化石墨烯薄膜进行还原处理，直至所述氧化石墨烯薄膜的导电率为0.05～10S/cm，从而制得所述气流传感器。
进一步的，所述还原氧化石墨烯的片层之间存在纳米级间隙。
本发明实施例还提供了一种基于石墨烯氧化物的气流传感器，其包括：还原氧化石墨烯薄膜；以及，设置在所述还原氧化石墨烯薄膜上的两个以上电极，且该两个以上电极彼此间隔设置。
进一步的，所述还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～40nm。
进一步的，所述还原氧化石墨烯薄膜的导电率为0.05～10S/cm。
进一步的，所述还原氧化石墨烯的片层之间存在纳米级间隙。
本发明实施例还提供了所述基于石墨烯氧化物的气流传感器的用途。
例如，本发明实施例还提供了一种气体测试系统，其包括：
所述的基于石墨烯氧化物的气流传感器；
以及，与所述气流传感器连接的半导体特性分析系统。
例如，本发明实施例还提供了一种气体测试方法，其包括：
提供所述的气体测试系统；
将所述气流传感器的电极与半导体特性分析系统的探针电连接，并使待测气体通过所述气流传感器，同时通过所述半导体特性分析系统至少测定所述气流传感器的电流变化情况，进而至少实现对待测气体流速的检测。
进一步的，所述气体测试方法包括：在以所述半导体特性分析系统测定所述气流传感器的电流变化情况后，探知所述气流传感器的开关曲线及电流变化率，从而实现对待测气体流速的检测。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)提供的基于石墨烯氧化物的气流传感器结构简单，具有高灵敏度、微型化的特点，能测试mm/s级别的微弱气流，适用的气流流速测试范围为26mm/s～6.9m/s；
(2)提供的基于石墨烯氧化物的气流传感器的制备工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种基于石墨烯氧化物的气流传感器的结构示意图；
图2为本发明一实施例中一种还原氧化石墨烯薄膜的拉曼光谱；
图3为本发明一实施例中一种还原氧化石墨烯薄膜的原子力形貌图(AFM)；
图4为本发明一实施案例中一种基于石墨烯氧化物的气流传感器的气流传感特性测试图；
附图标记说明：1—硅层，2—二氧化硅层，3—还原氧化石墨烯薄膜，4—金属电极。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供的一种基于石墨烯氧化物的气流传感器的制备方法包括：
提供氧化石墨烯薄膜；
在所述氧化石墨烯薄膜上设置彼此间隔设置的两个以上电极；
以及，对所述氧化石墨烯薄膜进行还原处理，使其中的氧化石墨烯被部分还原，形成还原度较低的还原氧化石墨烯薄膜，从而制得所述气流传感器。
进一步的，所述的制备方法包括：采用溶液法，并通过物理吸附和/或共价键结合的方式在基底上制备形成所述氧化石墨烯薄膜。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：以氧化石墨烯水分散液作为原料，并至少通过自主装法或者旋涂、滴注、提拉中的任意一种或多种溶液法的组合使氧化石墨烯物理吸附和/或共价键结合于基底表面，从而形成所述氧化石墨烯薄膜。
在一些较为具体的实施方案中，可以将适量的氧化石墨烯加入到去离子水中，超声一段时间以得到均匀的氧化石墨烯水分散液。进一步的，所述氧化石墨烯水分散液的浓度可以为0.05mg/ml～5mg/ml。
进一步的，所述基底采用绝缘基底，其可由无机材料和/或有机材料组成。
在一些较为具体的实施方案中，可以将氧化石墨烯水分散液用自主装或溶液法(如滴注法、旋涂法或提拉法等方法)制备形成氧化石墨烯薄膜，并以金属作为电极而形成所述气流传感器。
进一步的，所述氧化石墨烯薄膜为超薄氧化石墨烯薄膜，其厚度为1nm～40nm，优选为1nm～10nm。
进一步优选的，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～2nm，并且其中氧化石墨烯的片层数为1～3层。
在一些较佳实施方案中，所述的制备方法包括：对所述氧化石墨烯薄膜进行还原处理，直至所获还原氧化石墨烯薄膜的导电率为0.05～10S/cm，优选为0.5～3S/cm，从而制得所述气流传感器。
进一步的，所述还原氧化石墨烯的片层之间存在尺寸为0.6～1.4nm的间隙。
进一步的，所述的制备方法包括：至少采用热蒸镀、磁控溅射或光刻中的任意一种或多种的组合方式在所述氧化石墨烯薄膜上形成作为所述电极的金属层。
前述金属层的材质可以为金、银等，且不限于此。
进一步的，所述的制备方法包括：至少采用热还原法、化学还原法中的任意一种或多种的组合方式将所述氧化石墨烯薄膜还原形成还原氧化石墨烯薄膜。
在一些较为具体的实施案例中，所述的制备方法包括：
提供表面覆盖有二氧化硅层的硅片作为基底，
以氧等离子体对所述基底表面进行处理，其中氧等离子体的功率为50～300W，处理时间为30s～5min；
采用溶液法在基底表面制备形成所述氧化石墨烯薄膜。
进一步的，所述制备方法可以包括以下步骤：
(1)制备氧化石墨烯薄膜：在覆盖有厚约300纳米二氧化硅的硅片或其他基底上通过自主装、旋涂、滴注、提拉等溶液法制备氧化石墨烯薄膜；
(2)制作电极：在氧化石墨烯薄膜上制备金属电极，通过热蒸镀，磁控溅射等方法制备金属电极。
(3)通过热还原或化学还原法将氧化石墨烯薄膜中的氧化石墨烯部分还原为还原氧化石墨烯。
本发明实施例的另一个方面提供的一种基于石墨烯氧化物的气流传感器可由前述方法制备形成，其可以包括：还原氧化石墨烯薄膜；以及，设置在所述还原氧化石墨烯薄膜上的两个以上电极，且该两个以上电极彼此间隔设置。
进一步的，所述还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～40nm，优选为1nm～10nm。
进一步优选的，所述还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～2nm，并且其中还原氧化石墨烯的片层数为1～3层。
进一步的，所述还原氧化石墨烯薄膜的导电率为0.05～10S/cm，优选为0.5～3S/cm。
进一步的，所述还原氧化石墨烯的片层之间存在纳米级间隙，特别是尺寸为0.6～1.4nm的间隙。
本发明实施例的另一个方面提供了所述基于石墨烯氧化物的气流传感器的用途。
例如，本发明实施例提供了一种气体测试系统，其包括：
所述的基于石墨烯氧化物的气流传感器；
以及，与所述气流传感器连接的半导体特性分析系统。
进一步的，所述半导体特性分析系统的探针通过导电银胶与所述气流传感器的电极电连接。
其中，所述半导体特性分析系统可选用Keithley4200或其它型号的合适设备等等。
例如，本发明实施例还提供了一种气体测试方法，其包括：
提供所述的气体测试系统；
将所述气流传感器的电极与半导体特性分析系统的探针电连接，并使待测气体通过所述气流传感器，通过所述半导体特性分析系统至少测定所述气流传感器的电流变化情况，进而至少实现对待测气体流速的检测。
进一步的，在以所述半导体特性分析系统测定所述气流传感器的电流变化情况后，可探知所述气流传感器的开关曲线及电流变化率，从而实现对待测气体流速的检测。
前述待测气体可以由与气流传感器连接的气体源供给。
本发明提供的基于石墨烯氧化物的气流传感器在工作时，因石墨烯薄膜中的还原氧化石墨烯片层之间存在纳米级间隙，且由于还原氧化石墨烯的优异机械性能以及相对弱的层间相互作用，使得气流可以填充和膨胀还原氧化石墨烯片层之间的间隙(该间隙随气流流速增大而增加)，这使得上一层还原氧化石墨烯层被抬升，而具有较大层间距离的还原氧化石墨烯层会增加石墨烯膜的电阻，而一旦气流停止，则抬升的上一层还原氧化石墨烯层将倾向于恢复到初始状态，并且因此降低石墨烯的电阻，如此通过观察所述气流传感器的电流变化情况后，可探知所述气流传感器的开关曲线及电流变化率，进而可实现对气流流速的精确监测。
本发明提供的基于石墨烯氧化物的气流传感器具有结构简单，高灵敏度，微型化等特点，能测在流速在mm/s级别的微弱气流，且其还具有加工方便，成本低廉等优点。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1：本实施例涉及一种基于共价键自组装制备的基于石墨烯氧化物的气流传感器、其制备工艺及传感性能测试
所述气流传感器的结构可以参阅图1所示，其制备工艺包括：
步骤1：自主装氧化石墨烯薄膜的制备
先将表面覆盖有二氧化硅的硅片用功率约100W的氧等离子体处理2分钟，在处理完的硅片上修饰一层3-氨丙基三乙氧基硅烷；然后用乙醇超声清洗，用氮气吹干，然后将硅片放入浓度为0.1mg/ml的氧化石墨烯水分散液中浸泡1小时，之后取出硅片，在去离子水中超声清洗10分钟，用氮气吹干，从而于硅片上形成氧化石墨烯薄膜，其中的石墨烯片层数在1-3层，薄膜厚度约为1-2nm。
步骤2：制作电极
在带有氧化石墨烯薄膜的硅片上通过掩模，用热蒸发法蒸镀上一层金电极，金电极沟道长度约为50微米。
步骤3：还原氧化石墨烯
将蒸镀完电极的器件，放入170℃的真空干燥箱中，热处理2分钟，取出，即为所述的气流传感器，其中还原氧化石墨烯薄膜的拉曼光谱可参阅图2，原子力图(AFM图)可参阅图3。
将所述气流传感器的电极通过导电银胶与Keithley4200系统电连接，并将待测气体的气路与气流传感器连接，通过改变输入气流传感器的气体来测试其传感性能。该气流传感器主要可以用于对氮气，氧气，空气等气体进行检测。
参阅图4是本实施例的气流传感器用氮气在200ml/min流量下的开关曲线及相应的电流变化率，可以看到，该气流传感器的灵敏度可以达到38％(灵敏度表示为(I-I初始)/I初始*100％)。
实施例2：本实施例涉及一种基于溶液法制备的基于石墨烯氧化物的气流传感器、其制备工艺及传感性能测试
本实施例的气流传感器的制备工艺包括如下步骤：
步骤1：制备用溶液法制备的氧化石墨烯薄膜
先将表面覆盖有二氧化硅的硅片用功率约100W的氧等离子体处理2分钟，再在硅片上滴注上非常稀的氧化石墨烯水分散液(浓度约0.1mg/ml)，再放置于室温下，使溶剂挥发，得到氧化石墨烯薄膜，其厚度约为4～40nm。
步骤2：制作电极
在带有氧化石墨烯的硅片上通过掩模，用热蒸发法蒸镀上一层金电极，金电极沟道长度约为50微米。
步骤3：还原氧化石墨烯
将蒸镀完电极的器件，放入170℃的真空干燥箱中，热处理2分钟，取出，形成所述的气流传感器(结构可参阅图1)，其中还原氧化石墨烯薄膜的形貌等与图2、图3示出的相似。
将所述气流传感器的电极通过导电银胶与Keithley4200系统电连接，并将待测气体气路与气流传感器连接，通过改变输入气流传感器的气体来测试其传感性能。本实施例的气流传感器在同一气流下的开关曲线及相应的电流变化率与图4所示基本相似。
需要说明的是，本实施例的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明的实施例。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种基于石墨烯氧化物的气流传感器的制备方法，其特征在于包括：
提供氧化石墨烯薄膜；
在所述氧化石墨烯薄膜上设置彼此间隔的两个以上电极；
以及，对所述氧化石墨烯薄膜进行还原处理，使其中的氧化石墨烯被部分还原，形成还原氧化石墨烯薄膜，从而制得所述气流传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：采用自组装法或溶液法，并通过物理吸附和/或共价键结合的方式在基底上制备形成所述氧化石墨烯薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于包括：以氧化石墨烯水分散液作为原料，并至少通过自主装法或旋涂、滴注、提拉中的任意一种溶液法使氧化石墨烯物理吸附和/或共价键结合于基底表面，从而形成所述氧化石墨烯薄膜；优选的，所述基底采用绝缘基底。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～40nm，优选为1nm～10nm；进一步优选的，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～2nm，并且其中氧化石墨烯的片层数为1～3层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：对所述氧化石墨烯薄膜进行还原处理，直至所获还原氧化石墨烯薄膜的导电率为0.05～10S/cm，优选为0.5～3S/cm，从而制得所述气流传感器。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述还原氧化石墨烯的片层之间存在尺寸为0.6～1.4nm的间隙。
7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于包括：至少采用热还原法、化学还原法中的任意一种方式对所述氧化石墨烯薄膜进行所述的还原处理。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：至少采用热蒸镀、磁控溅射或光刻中的任意一种方式在所述氧化石墨烯薄膜上形成作为所述电极的金属层。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于包括：
提供表面覆盖有二氧化硅层的硅片作为基底；
以氧等离子体对所述基底表面进行处理，其中氧等离子体的功率为50～300W，处理时间为30s～5min；
采用溶液法在基底表面制备形成所述氧化石墨烯薄膜。
10.一种基于石墨烯氧化物的气流传感器，其特征在于包括：
还原氧化石墨烯薄膜；
以及，设置在所述还原氧化石墨烯薄膜上的两个以上电极，且该两个以上电极彼此间隔设置。
11.根据权利要求10所述的气流传感器，其特征在于：所述还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～40nm，优选为1nm～10nm；进一步优选的，所述还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1nm～2nm，并且其中还原氧化石墨烯的片层数为1～3层。
12.根据权利要求10所述的气流传感器，其特征在于包括：所述还原氧化石墨烯薄膜的导电率为0.05～10S/cm，优选为0.5～3S/cm。
13.根据权利要求10所述的气流传感器，其特征在于：所述还原氧化石墨烯的片层之间存在尺寸为0.6～1.4nm的间隙。
14.一种气体测试系统，其特征在于包括：
如权利要求1-9中任一项所述方法制备的基于石墨烯氧化物的气流传感器或者如权利要求10-13中任一项所述的基于石墨烯氧化物的气流传感器；
以及，与所述气流传感器连接的半导体特性分析系统。
15.根据权利要求14所述的气体测试系统，其特征在于：所述半导体特性分析系统的探针通过银胶与所述气流传感器的电极电连接。
16.一种气体测试方法，其特征在于包括：
提供权利要求14或15所述的气体测试系统；
将所述气流传感器的电极与半导体特性分析系统的探针电连接，并使待测气体通过所述气流传感器，同时通过所述半导体特性分析系统至少测定所述气流传感器的电流变化情况，进而至少实现对待测气体流速的检测。
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