CN109827700A - 一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，包括第一纸张以及与其相粘合的第二纸张，所述第一纸张表面与第二纸张表面均涂覆有石墨薄膜，所述第二纸张的上表面设有石墨微纳结构以及与石墨微纳结构相连的微电极。当压力作用在传感器上表面时，上层石墨薄膜会与带有微纳结构的石墨薄膜接触，从而引起其电阻率发生的变化，此外，石墨微纳结构还会受到压缩作用引起其能带变化，从而进一步引起其电阻率发生明显的变化（压阻特性），从而实现了高灵敏度的力传感。相比现有的柔性压力传感器，本发明利用低成本的石墨作为功能材料制作柔性压力传感器并通过微纳结构及微纳接触敏感的方式实现高灵敏的压力传感，降低其响应时间。

Description

一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作工艺。

背景技术

柔性压力传感器是建立在可弯曲或可延展基板上的用于检测两个接触面之间表面作用力大小的电子器件。因具有柔韧性较强、可穿戴性强、结构简单、重量轻等特点，使得柔性压力传感器在人体健康监测、医疗器械、柔性电子皮肤、柔性触摸屏、工业机器人、可穿戴电子产品等领域具有广泛的应用价值，比如在健康监测领域，柔性压力传感器可以贴合在人身体的各个部位，实现人体的呼吸、脉搏跳动、吞咽和眼压等人体生理信息的监测，从而使医生或患者方便地分析健康状态。

常见的柔性压力传感器有压阻式柔性压力传感器、电容柔性压力传感器和压电式柔性压力传感器。其中，压阻式柔性压力传感器是一种将外部刺激所引起的器件活性层电阻值变化转换为电信号输出的传感器。由于压阻式柔性压力传感器具有结构简单、集成和输出数据容易等特点，是目前研究最为广泛的一种柔性压力传感器之一。压阻式柔性压力传感器通常包括基板、活性层和电极三个部分。其中，活性层是柔性压力传感器最重要的组成部分，活性层的压阻特性、导电能力等性能直接决定着传感器的传感性能。目前，活性层一般是由敏感材料结合相关加工工艺制作而成的。因此，研究合适的敏感材料或微纳结构以及相关制作工艺是压阻式柔性压力传感器发展的关键。

目前，压阻式柔性压力传感器一般是基于金属纳米材料、碳基材料和复合材料等敏感材料结合气相沉积法、印刷法、溶液浸泡法等工艺制作而成的。虽然基于金属纳米材料、石墨烯、碳纳米管以及它们的复合材料制作的柔性压力传感器具有导电性好、灵敏度高等优点，但这些功能材料价格昂贵，从而一定程度上限制了柔性压力传感器批量化制造和更广泛的应用。

发明内容

基于上述问题，本发明目的在于提供一种低成本、高灵敏的石墨基柔性压力传感器及其制作工艺。

针对以上问题，提供了如下技术方案：一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，包括第一纸张以及与其相粘合的第二纸张，所述第一纸张表面与第二纸张表面均涂覆有石墨薄膜，所述第二纸张的上表面设有石墨微纳结构以及与石墨微纳结构相连的微电极。

本发明进一步设置为，所述石墨薄膜由铅笔直写或石墨溶液沉积得到。

本发明进一步设置为，所述石墨微纳结构表面带有一层二氧化硅薄膜。

本发明进一步设置为，所述二氧化硅薄膜通过化学气相沉积法(PECVD)在石墨表面沉积。

本发明进一步设置为，所述石墨微纳结构为微纳米量级。

本发明进一步设置为，所述石墨薄膜和石墨微纳结构的接触面积为微米量级。

本发明进一步设置为，所述第一纸张和第二纸张通过胶带或胶水粘合。

本发明进一步设置为，所述电极的材料采用银或铜或导电银浆。

一种传感器的制作工艺，步骤如下：

步骤一，取两张纸张，在第一纸张与第二纸张表面涂覆石墨薄膜；

步骤二，将第二纸张进行光刻和刻蚀等微纳加工方法制作石墨微纳结构；

步骤三，在第二纸张上制备与石墨微纳结构相连的微电极；

步骤四，将第一纸张粘合在第二纸张上。

一种石墨微纳结构制作工艺，步骤如下：

步骤一，用机械剥离等方法在高定向热解石墨（HOPG）片上获得新鲜平整的石墨表面，并用PECVD设备和参数在HOPG表面沉积厚度为300nm的二氧化硅薄膜；

步骤二，在二氧化硅薄膜上甩光刻胶薄膜作为光学曝光的掩模材料；

步骤三，利用带有微纳图案的掩模版进行接触式掩模，并以紫外线作为光源利用光学光刻技术在二氧化硅薄膜表面加工得到光刻胶掩模图形；

步骤四，用反应离子刻蚀的方法刻蚀未被光刻胶掩模的二氧化硅薄膜，从而得到了相应的二氧化硅加光刻胶图形；

步骤五，用氧等离子刻蚀步骤四后暴露出来的石墨，同时光刻胶也会同时被刻蚀掉，最后得到表面带有一层二氧化硅保护薄膜的石墨微纳结构。

本发明的有益效果：当压力作用在传感器上表面时，上层石墨薄膜会与带有微纳结构的石墨薄膜接触，从而引起其电阻率发生的变化，此外，石墨微纳结构还会受到压缩作用引起其能带变化，从而进一步引起其电阻率发生明显的变化（压阻特性），从而实现了高灵敏度的力传感。通过上述过程，压力的微小变化信号被石墨及微纳结构转换为电阻等电信号，然后通过微电极中传输到接收模块。相比现有的柔性压力传感器，本发明利用低成本的石墨作为功能材料制作柔性压力传感器并通过微纳结构及微纳接触敏感的方式实现高灵敏的压力传感，降低其响应时间。该传感器在人体健康监测、医疗器械、柔性电子皮肤、柔性触摸屏、工业机器人、可穿戴电子产品等领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A处的结构放大图。

图3为本发明的传感器原理示意图。

图4为本发明的石墨微纳结构制作工艺示意图。

图中标号含义：1-胶带；2-第一纸张；3-第二纸张；4-石墨薄膜；5-石墨微纳结构；6-微电极；7-二氧化硅薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至图4所示的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，包括第一纸张2以及与其相粘合的第二纸张3，所述第一纸张2表面与第二纸张3表面均涂覆有石墨薄膜4，所述第二纸张3的上表面设有石墨微纳结构5以及与石墨微纳结构5相连的微电极6。

本实施例中，所述石墨薄膜4由铅笔直写或石墨溶液沉积得到。

本实施例中，所述石墨微纳结构5表面带有一层二氧化硅薄膜7。

本实施例中，所述二氧化硅薄膜7通过化学气相沉积法(PECVD)在石墨表面沉积。

本实施例中，所述石墨微纳结构5为微纳米量级。

本实施例中，所述石墨薄膜4和石墨微纳结构5的接触面积为微米量级。

本实施例中，所述第一纸张2和第二纸张3通过胶带1或胶水粘合。

本实施例中，所述电极的材料采用银或铜或导电银浆。

如图1至图2所示的一种传感器的制作工艺，步骤如下：

步骤一，取两张纸张，在第一纸张2与第二纸张3表面涂覆石墨薄膜4；

步骤二，将第二纸张3进行光刻和刻蚀等微纳加工方法制作石墨微纳结构5；

步骤三，在第二纸张3上制备与石墨微纳结构5相连的微电极6；

步骤四，将第一纸张2粘合在第二纸张3上。

如图4所示的一种石墨微纳结构制作工艺，步骤如下：

步骤一，用机械剥离等方法在高定向热解石墨（HOPG）片上获得新鲜平整的石墨表面，并用PECVD设备和参数在HOPG表面沉积厚度为300nm的二氧化硅薄膜7；

步骤二，在二氧化硅薄膜7上甩光刻胶薄膜作为光学曝光的掩模材料；

步骤三，利用带有微纳图案的掩模版进行接触式掩模，并以紫外线作为光源利用光学光刻技术在二氧化硅薄膜7表面加工得到光刻胶掩模图形；

步骤四，用反应离子刻蚀的方法刻蚀未被光刻胶掩模的二氧化硅薄膜7，从而得到了相应的二氧化硅加光刻胶图形；

步骤五，用氧等离子刻蚀步骤四后暴露出来的石墨，同时光刻胶也会同时被刻蚀掉，最后得到表面带有一层二氧化硅保护薄膜的石墨微纳结构5。

当压力作用在传感器上表面时，上层石墨薄膜4会与带有微纳结构的石墨薄膜4接触，从而引起其电阻率发生的变化，此外，石墨微纳结构5还会受到压缩作用引起其能带变化，从而进一步引起其电阻率发生明显的变化（压阻特性），从而实现了高灵敏度的力传感。通过上述过程，压力的微小变化信号被石墨及微纳结构转换为电阻等电信号，然后通过微电极6中传输到接收模块。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：包括第一纸张以及与其相粘合的第二纸张，所述第一纸张表面与第二纸张表面均涂覆有石墨薄膜，所述第二纸张的上表面设有石墨微纳结构以及与石墨微纳结构相连的微电极。

2.根据权利要求1所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述石墨薄膜由铅笔直写或石墨溶液沉积得到。

3.根据权利要求1所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述石墨微纳结构表面带有一层二氧化硅薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述二氧化硅薄膜通过化学气相沉积法(PECVD)在石墨表面沉积。

5.根据权利要求3所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述石墨微纳结构为微纳米量级。

6.根据权利要求1所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述石墨薄膜和石墨微纳结构的接触面积为微米量级。

7.根据权利要求1所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述第一纸张和第二纸张通过胶带或胶水粘合。

8.根据权利要求1所述的一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述电极的材料采用银或铜或导电银浆。

9.一种传感器的制作工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一，取两张纸张，在第一纸张与第二纸张表面涂覆石墨薄膜；

步骤二，将第二纸张进行光刻和刻蚀等微纳加工方法制作石墨微纳结构；

步骤三，在第二纸张上制备与石墨微纳结构相连的微电极；

步骤四，将第一纸张粘合在第二纸张上。

10.一种石墨微纳结构制作工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一，在高定向热解石墨（HOPG）片上获得新鲜平整的石墨表面，并在HOPG表面沉积厚度为300nm的二氧化硅薄膜；

步骤二，在二氧化硅薄膜上甩光刻胶薄膜作为光学曝光的掩模材料；

步骤三，利用带有微纳图案的掩模版进行接触式掩模，并以紫外线作为光源利用光学光刻技术在二氧化硅薄膜表面加工得到光刻胶掩模图形；

步骤四，刻蚀未被光刻胶掩模的二氧化硅薄膜，从而得到了相应的二氧化硅加光刻胶图形；

步骤五，用氧等离子刻蚀步骤四后暴露出来的石墨，同时光刻胶也会同时被刻蚀掉，最后得到表面带有一层二氧化硅保护薄膜的石墨微纳结构。