CN109425367A - 一种石墨烯传感器量程保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨烯传感器量程保护系统，包括：石墨烯敏感层、柔性基底层以及保护罩，石墨烯敏感层位于柔性基底层上，所述保护罩与柔性基底层封装成一体结构，从而形成形变区；所述形变区的高度能够容纳所述石墨烯敏感层的弯曲最大形变。通过设置合理高度的形变区，既保证了石墨烯敏感元件，又保证敏感元件发挥最大量程，并提高了传感器的使用寿命。

Description

一种石墨烯传感器量程保护系统

技术领域

本发明涉及石墨烯传感器领域，更具体地说，涉及一种石墨烯传感器量程保护系统。

背景技术

当前，柔性石墨烯传感器具有高精度、高灵敏度而广泛用于穿戴设备。这其中，作为二维结构材料的代表材料—石墨烯，其具有良好的机械和电子特性，被当作敏感元件用于测量多种物理参量，制作成各类传感器。例如：光传感器，电磁传感器，力传感器，形变传感器，质量传感器，化学以及电化学传感器。

石墨烯传感器的敏感材料石墨烯常设置在柔性基底上，其电阻值随着柔性基底形变而变化，理论上，柔性基底最大形变对应的石墨烯电阻值为传感器的最大量程。如专利(CN105708425A)公开的用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器，其最大形变对应电阻值为最大量程，但该量程受到外加PDMS薄膜覆盖方式的限制，不能达到最大的量程。另外，石墨烯本身的形变能力有限，尤其对石墨烯网格或薄膜，当柔性基底承受形变过大，超过石墨烯本身的形变，石墨烯网格或薄膜断裂，会导致传感器失效。

因此，提供一种既能保证石墨烯敏感元件，又能保证敏感元件发挥最大量程的石墨烯传感器量程保护系统，成为现有技术急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种石墨烯传感器量程保护系统，该传感器量程保护系统既能保证石墨烯敏感元件，又能发挥敏感元件的最大量程。

为解决上述技术问题，一方面，本发明采用一种石墨烯传感器量程保护系统，该量程保护系统包括：石墨烯敏感层、柔性基底层以及保护罩，所述石墨烯敏感层位于所述柔性基底层上，所述保护罩与所述柔性基底层封装成一体结构，从而在保护罩与石墨烯敏感层之间形成形变区；所述形变区的高度能够容纳所述石墨烯敏感层的弯曲最大形变。

作为优选，还包括与所述柔性基底层一体成型的基底。

作为优选，所述保护罩通过基底与柔性基底层进行封装。

作为优选，所述基底为左右对称结构，所述保护罩为层状结构，所述基底顶部表面具有能够容纳所述保护罩的凹槽。

作为优选，所述石墨烯敏感层为石墨烯薄膜。

作为优选，所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极。

作为优选，所述石墨烯传感器为石墨烯压力传感器。

另一方面，本发明采用一种石墨烯传感器量程保护系统的制备方法，该制备方法包括以下步骤：①.在所述柔性基底层上形成所述石墨烯敏感层；②.将所述保护罩与所述柔性基底层封装成一体，从而在保护罩与石墨烯敏感层之间形成形变区，所述形变区的高度能够容纳所述石墨烯敏感层的弯曲最大形变。

另一方面，本发明采用一种利用上述量程保护系统的石墨烯传感器制作的可穿戴设备。

本发明具有以下有益效果：由于采用在保护罩与石墨烯敏感层之间形成高度合理的形变区，其既能保证石墨烯敏感元件，又能保证敏感元件发挥最大量程，还提高了传感器的寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例一的石墨烯传感器量程保护系统的结构图。

图2为本发明实施例二的石墨烯传感器量程保护系统的结构图。

图3为本发明实施例三的石墨烯传感器量程保护系统的结构图。

图4a-4d为本发明实施例一至三柔性基底层的俯视图。

图5为本发明实制备方法第一步的结构示意图。

图6为本发明实制备方法第三步的结构示意图。

图中有：石墨烯敏感层1、柔性基底层2、镂空式形变灵敏区域3、金属导电电极4、保护罩5、形变区6、基底7。

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。

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。

实施例一

参见图1、4a-4d，本发明的石墨烯传感器包括石墨烯敏感层1、柔性基底层2以及保护罩5，所述石墨烯敏感层1位于柔性基底层2上，所述保护罩5与柔性基底层2封装成一体结构，从而在保护罩5与石墨烯敏感层1之间形成形变区6；所述形变区6的高度能够容纳所述石墨烯敏感层1的弯曲最大形变。

柔性基底层2可采用液晶高分子聚合物LCP、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的至少一种材料制成，在此以LCP材料为例进行说明。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。液晶高分子聚合物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，这完全满足了基底层可弯曲变形的石墨烯传感器对基底层的要求。在柔性基底层2上设置垂直贯穿柔性基底层2的镂空式形变敏感区域3能够使得石墨烯敏感层1发生最大纵向位移形变，从而使得石墨烯敏感层1整体形变加大，继而导致其电阻变化显著，最后使得传感器的灵敏度得到提高。由于LCP的柔韧性很好，杨氏模量在5-20Gpa之间，远远低于单晶硅和多晶硅，在相同压力的作用下，柔性基底层2的弯曲形变会更大，加之柔性基底层2还具有垂直贯穿其本身的镂空式形变敏区域3，从而进一步导致促进其上的石墨烯敏感层1的形变，因此起到增大灵敏度的作用。其中，镂空式形变敏感区3可以为多种形状和样式，例如围绕石墨烯敏感层1设置的若干个“L”型、矩形、椭圆形或圆形镂空图案等等，在此并不做特殊限定。

石墨烯传感器可采用保护罩5进行封装保护。所述保护罩5与柔性基底层2封装成一体结构，以形成密闭的形变区6，并且所述镂空式形变敏感区3位于封装结构内部。所述形变区6的高度能够容纳石墨烯敏感层1的弯曲最大形变，从而保证当石墨烯传感器受力形变时，石墨烯敏感层1具有足够的空间，保证测量的准确性。

实施例二

如图2所示，与实施例一基本相同，所不同的是实施例一中的石墨烯传感器为凸盖式结构。为了进一步加强对传感器的石墨烯敏感层1进行保护，所述的石墨烯传感器还包括基底7，所述保护罩5通过基底7与柔性基底层2进行封装。所述基底7为左右对称结构，所述保护罩5为层状结构，所述基底7顶部表面具有能够容纳所述保护罩5的凹槽。基于上述结构，保护罩5能够完全嵌入至基底7的顶部表面，从而进一步提高密封效果。另外，所述基底7与柔性基底层2可以为一体成型结构，在此并不做特殊限定。

实施例三

如图3所示，与实施例一相同，实施例三进一步限定了所述石墨烯敏感层为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜为单原子层石墨烯薄膜、双原子层石墨烯薄膜或多原子层石墨烯薄膜；并且所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极4，所述金属导电电极4的材料为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种。通过上述限定，进一步保证了石墨烯传感器具有体积小、重量轻、响应速度快和灵敏度高的特点。

石墨烯薄膜的制备可以采用低压化学气相沉积法(CVD)、微机械剥离法、液相超声剥离法、SiC外延生长法、化学氧化还原法、电弧放电法和“自下而上”有机合成法中的至少一种方法获得，在此并不做特殊限定。以CVD方法为例，其可以为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种金属催化的低压化学气相沉积法。

另外，关于单原子层石墨烯薄膜及多原子层石墨烯薄膜的生长方法，在此同样不做特殊限定。作为优选方式，可以通过甲烷作为碳源气体，氢气作为载流气体，选择Cu箔作为生长衬底，在高温管式炉中生长石墨烯薄膜；其中生长温度为1000℃，气压维持在1×103Pa，生长时间为20分钟，生长所述单原子层石墨烯薄膜；通过甲烷作为碳源气体，氢气作为载流气体，选择Ni箔作为生长衬底，在高温管式炉中生长石墨烯薄膜；其中生长温度为950℃，气压维持在1×103Pa，生长时间为30分钟，生长所述多原子层石墨烯薄膜。

实施例四

上述石墨烯传感器的制备方法，包括以下步骤：

①.如图5所示，在所述柔性基底层2上形成所述石墨烯敏感层1；

②.如图1所示，将所述保护罩5与所述柔性基底层2封装成一体，从而在保护罩5与石墨烯敏感层1之间形成形变区6，所述形变区6的高度能够容纳石墨烯敏感层1的弯曲最大形变。

作为优选方案，在步骤①与步骤②之间还包括对所述柔性基底层2进行激光切割，得到若干个垂直贯穿柔性基底层2的所述镂空式形变敏感区3，其中镂空式形变敏感区3围绕石墨烯敏感层1设置；所述镂空式形变敏感区3位于封装结构内部，如图6所示。通过设置镂空式形变敏感区3，能够使得石墨烯敏感层1发生最大纵向位移形变，从而使得石墨烯敏感层1整体形变加大，继而导致其电阻变化显著，最后使得传感器的灵敏度得到提高。

作为优选方案，镂空式形变敏感区3可以为多种形状和样式，例如围绕石墨烯敏感层1设置的若干个“L”型、矩形、椭圆形或圆形镂空图案等等，在此并不做特殊限定，如图4a-4d所示。

作为优选方案，为了进一步加强对传感器的石墨烯敏感层1进行保护，所述的石墨烯传感器还包括基底7，所述保护罩5通过基底7与柔性基底层2进行封装。所述基底7为左右对称结构，所述保护罩5为层状结构，所述基底7顶部表面具有能够容纳所述保护罩5的凹槽，如图2所示。基于上述结构，保护罩5能够完全嵌入至基底7的顶部表面，从而进一步提高密封效果。另外，所述基底7与柔性基底层2可以为一体成型结构，在此并不做特殊限定。

作为优选方案，所述的柔性基底层2可采用液晶高分子聚合物LCP、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的至少一种材料制成。

作为优选方案，所述石墨烯敏感层为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜为单原子层石墨烯薄膜、双原子层石墨烯薄膜或多原子层石墨烯薄膜；并且所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极4，如图3所示。所述金属导电电极4的材料为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种。其中石墨烯薄膜的制备可以采用低压化学气相沉积法(CVD)、微机械剥离法、液相超声剥离法、SiC外延生长法、化学氧化还原法、电弧放电法和“自下而上”有机合成法中的至少一种方法获得，在此并不做特殊限定。以CVD方法为例，其可以为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种金属催化的低压化学气相沉积法。另外，关于单原子层石墨烯薄膜及多原子层石墨烯薄膜的生长方法，在此同样不做特殊限定。作为优选方式，可以通过甲烷作为碳源气体，氢气作为载流气体，选择Cu箔作为生长衬底，在高温管式炉中生长石墨烯薄膜；其中生长温度为1000℃，气压维持在1×103Pa，生长时间为20分钟，生长所述单原子层石墨烯薄膜；通过甲烷作为碳源气体，氢气作为载流气体，选择Ni箔作为生长衬底，在高温管式炉中生长石墨烯薄膜；其中生长温度为950℃，气压维持在1×103Pa，生长时间为30分钟，生长所述多原子层石墨烯薄膜。

作为优选方案，所述石墨烯传感器为石墨烯压力传感器。

实施例五

一种利用上述的石墨烯传感器制作的触摸屏，相较于常用的ITO触摸屏，能够提供高稳定性，成本明显降低；另外采用了石墨烯作为主要构成材料的触摸屏具有很高的透光率，这样通过触摸屏显示出来的图像会更逼真，颜色也会更真实；再者由于石墨烯材料具有很高的挠曲度，这样就大大减少了像ITO材料因弯折过度而造成功能不良的情况。

实施例六

一种利用上述的石墨烯传感器制作的可穿戴设备，例如可将上述石墨烯传感器封装在护腕中，佩戴在被测试人的手腕处，能够准确的监视被测人脉搏的变化情况，进而可实时监测被测人的身体健康状况。石墨烯传感器在人体脉搏的作用力下会输出特征电信号波形，通过信号滤波、AD转换、放大电路，将上述波形处理成特征数字信号，该数字信号可以直接在配套的显示屏上显示，也可以通过蓝牙芯片或者GPRS芯片发射出去，这时用户可以通过配备蓝牙的设备接收到信号或者通过Wifi远程传输给GPRS接收端。上述护腕利用石墨烯能够侦测到微弱振动信号的特性，监测手腕的脉搏跳动，通过长期对脉搏信号监测的数据收集、分析，区分出各种信号代表的人体信息，进而能够直观的直观了解人体现在的身体状况。

上述结构的石墨烯传感器的工作过程是：当外界压力作用在柔性基底层2上时，外力通过形变灵敏区域3传到石墨烯敏感层1上，使其发生形变，继而导致其电阻的变化。石墨烯敏感层1电阻的变化通过石墨烯薄膜两端分别设有的金属导电电极4将信号引出，对输出的电阻值与外界施加的压力值进行标定，最后达到测出外在压力值的目的

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯传感器量程保护系统，包括：石墨烯敏感层(1)、柔性基底层(2)以及保护罩(5)，所述石墨烯敏感层(1)位于所述柔性基底层(2)上，所述保护罩(5)与所述柔性基底层(2)封装成一体结构，从而在保护罩(5)与石墨烯敏感层(1)之间形成形变区(6)；其特征在于：所述形变区(6)的高度能够容纳所述石墨烯敏感层(1)的弯曲最大形变。

2.如权利要求1所述的量程保护系统，其特征在于：还包括与所述柔性基底层(2)一体成型的基底(7)。

3.如权利要求2所述的量程保护系统，其特征在于：所述保护罩(5)通过基底(7)与所述柔性基底层(2)进行封装。

4.如权利要求3所述的量程保护系统，其特征在于：所述基底(7)为左右对称结构，所述保护罩(5)为层状结构，所述基底(7)顶部表面具有能够容纳所述保护罩(5)的凹槽。

5.如权利要求1所述的量程保护系统，其特征在于：所述石墨烯敏感层(1)为石墨烯薄膜。

6.如权利要求5所述的量程保护系统，其特征在于：所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极(4)。

7.如权利要求1所述的量程保护系统，其特征在于：所述石墨烯传感器为石墨烯压力传感器。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的量程保护系统的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：

①.在所述柔性基底层(2)上形成所述石墨烯敏感层(1)；

②.将所述保护罩(5)与所述柔性基底层(2)封装成一体，从而在保护罩(5)与石墨烯敏感层(1)之间形成形变区(6)，所述形变区(6)的高度能够容纳所述石墨烯敏感层(1)的弯曲最大形变。

9.一种采用具有权利要求1-7中任一项所述的量程保护系统的石墨烯传感器制作的可穿戴设备。