CN108254107A - 一种石墨烯压力传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明克服传统压力传感器特别是石墨烯压力传感系统的缺陷，提供了一种量程范围大，灵敏度高的石墨烯压力传感系统。传感器具有灵活性高，制作工艺简单，生产规模大，成本低等优点。本文提出的石墨烯压力传感器具有出色的灵敏度和较大的工作范围，在较低压和较高压范围内都能有良好的线性度。

Description

一种石墨烯压力传感系统
技术领域
本发明属于压力传感器领域，具体涉及一种石墨烯压力传感系统。
背景技术
柔性力学器件近些年来受到了学术界和产业界的广泛关注。相比传统硬质基底器件，柔性力学器件在不牺牲性能的基础上，大大提升了器件的可变形性，从而使其能够适应更为复杂的应用场景，尤其适合可穿戴应用。石墨烯，是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。石墨烯虽然很薄，但却是非常强韧的材料，同时，它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。石墨烯材料自2004年被发现以来，得益于其独特的电学、力学等特性，被广泛应用于柔性力学器件中，石墨烯力学器件具有很高的灵敏度。然而，现有石墨烯力学传感器存在制备工艺复杂、重复性与一致性较差、良品率低等缺点与问题。传统的压力传感器不能同时实现高灵敏度和大的工作范围，导致其在的应用有限。迫切需要开发新型的压力传感器，在灵敏度和工作范围两方面同时取得突破。
目前已有多种采用石墨烯的压力传感器，2012年，A.D.Smith等人完整提出了悬浮石墨烯压力传感器的结构，如图1所示，而该压力传感器中，由于二氧化硅与碳化硅基底的性质远不如石墨烯的内在性质，这对传感器的结构与功能会产生局限性。且受薄膜厚度影响，其通常为单层石墨烯厚度的几千倍，传感器灵敏度也受影响，低压领域不适用。
O.K.Kwon等人提出了改进型悬浮石墨烯压力传感器，如图所示，这种压力传感器增加了一个带有圆柱形支腿的顶板，通过支腿传递作用在石墨烯薄膜上的压力将迅速变大。这种改进型的压力传感器可用于低压检测环境，灵敏度极高，且低压范围线性度很好，但其缺点是高压范围线性度较差，并且结构尺寸大于一般悬浮石墨烯压力传感器。
J.Ma等人研究了一种光纤石墨烯压力传感器，其是通过熔融石英毛细管到单模光纤的末端，在内部施加气压后毛细管逐渐变细，然后熔融毛细管形成气腔。石墨烯薄膜覆盖在圆柱形空腔上，不但可以检测外部压力变化，而且可以对空腔起到密封作用。这种压力传感器结构紧凑，机械强度良好。但缺点是工作压力较低，压力灵敏度不高，密封空腔内气体会有轻微泄漏。
发明内容
鉴于以上分析，本发明的主要目的在于提供一种克服上述缺陷的量程范围大，灵敏度高的石墨烯压力传感系统。此外，传感器具有灵活性高，制作工艺简单，生产规模大，成本低等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种石墨烯压力传感系统，其中包括多层结构，由上至下依次是基板层、压敏材料层、基底层。
进一步地，在所述基板层和压敏材料层中还设置有第一压感电极层，在所述压敏材料层和基底层中还设置有第二压感电极层。
进一步地，所述压敏材料层由石墨烯制成。
进一步地，所述压感电极层为金属氧化物导电层。
进一步地，所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
进一步地，所述压敏材料层的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层。
本发明的技术方案具有以下优点：
本文提出的石墨烯压力传感器具有出色的灵敏度和较大的工作范围，在较低压和较高压范围内都能有良好的线性度。经实测表明，本发明的压力传感器在压力范围为20kPa，超高灵敏度为17.2kPa-1(0-2kPa)时具有显著的性能。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的石墨烯压力传感系统的结构图。
其中1为基板层，2为第一压感电极层，3为压敏材料层，4为第二压感电极层，5为基底层。
具体实施方式
实施例一
参见图1，为本发明的一种石墨烯压力传感系统结构图，其中包括多层结构，由上至下依次是基板层、压敏材料层、基底层。
在所述基板层和压敏材料层中还设置有第一压感电极层，在所述压敏材料层和基底层中还设置有第二压感电极层。
所述压敏材料层由石墨烯制成。
所述压感电极层由有机高分子材料制成。
所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
所述压敏材料层的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层材料。
所述第一、第二压感电极层为叉指垂直设置，通过这样的设置，通过压力作用时，测量电极之间的变化，以及石墨烯层电阻的变化，可以综合测量出所作用的压力大小，并且，如果事先对电极层进行坐标标定，还可以测量出具体压力作用点，可以增大该压力感测系统的适用范围。
实施例二
与实施例一相同，实施例二的石墨烯压力传感系统也为多层结构。该压力传感系统由上至下依次是基板层、第一压敏材料层、压感电极层、第二压敏材料层、基底层。
所述第一压敏材料层和第二压敏材料层均由石墨烯制成。
所述压感电极层为有机高分子材料。
所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
所述石墨烯的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯压力传感系统，其中包括多层结构，由上至下依次是基板层、压敏材料层、基底层。
2.如权利要求1所述的石墨烯压力传感系统，其中在所述基板层和压敏材料层中还设置有第一压感电极层，在所述压敏材料层和基底层中还设置有第二压感电极层。
3.如权利要求2所述的石墨烯压力传感系统，其中所述压敏材料层由石墨烯制成。
4.如权利要求3所述的石墨烯压力传感系统，其中所述压感电极层为金属氧化物导电层。
5.如权利要求4所述的石墨烯压力传感系统，其中所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
6.如权利要求5所述的石墨烯压力传感系统，其中所述压敏材料层的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mLpH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层。
7.一种石墨烯压力传感系统，其为多层结构，该压力传感系统由上至下依次是基板层、第一压敏材料层、压感电极层、第二压敏材料层、基底层，所述第一压敏材料层和第二压敏材料层均由石墨烯制成，所述压感电极层为有机高分子材料，所述基板层和基底层为弹性孔状织物层，所述石墨烯的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层材料。
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