CN110207867A - 一种石墨烯压力传感器及其结构和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体为一种石墨烯压力传感器及其制备方法。本发明的石墨烯压力传感器由叉指电极层、镶嵌石墨烯弹性衬底层、柔性封装层组成；镶嵌石墨烯弹性衬底层包含石墨烯压力感应层、弹性粘附层、柔性薄膜层；石墨烯压力感应层镶嵌在弹性黏附层上，弹性粘附层直接贴附在柔性薄膜层，且石墨烯压力感应层与叉指电极层的叉指区轻微接触；所述封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区。本发明的石墨烯压力传感器灵敏度高、结构简单，工艺简易，感应压力范围宽并且具有柔性，可用于可穿戴设备。

Description

一种石墨烯压力传感器及其结构和制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种石墨烯压力传感器及其制备方法。

背景技术

现在的工程设备和机器人上的机械臂仅仅是比较初级的抓取物品，它们只是简单地抓握和张开。使用这样的机械臂的一个缺陷是，通常它们并不能感知对所抓握物品施压大小的信息，而能够感知施压的大小可以使机械臂不会因施压过大而致物品损坏。

目前柔性传感器件中的柔性基质上大多采用导电高分子超薄膜，但是高分子材料导电性不佳，导致传感器件灵敏度较低。然而现在灵敏度较高的压力传感器大多采用金属氧化物纳米线阵列作为感应敏感元件，但是灵敏度仍然不高，且对酸碱敏感，传感器稳定性较差。

目前具有研究潜力的可穿戴设备以及电子皮肤对传感器阵列密度有较高要求，但是现在的石墨烯压力传感阵列系统大多不可拉伸，然而单个传感器面积无法做到很小，由单个传感器再排列构成阵列时无法满足高密度的要求。

专利CN206114156U公开了一种石墨烯压力传感器阵列系统，该传感器阵列包括阵列电路板以及阵列电路板上布置的阵列电路，所述阵列电路板上设置有若干与阵列电路连接的石墨烯压力传感单元。虽然这种传感器也可根据需要制作密集的石墨烯传感单元，但是这种传感器的电路板是刚性的，无法满足可穿戴设备和电子皮肤的柔性需求。

目前的石墨烯压力传感器大多工艺复杂，结构复杂并由多个部件构成。

专利CN105300574A公开了一种石墨烯压力传感器，该传感器至少由弹性衬底层、石墨烯压力感应层和封装层组成；其中弹性衬底层包含感应区、搭接区、电极区；石墨烯压力感应层附着在感应区上，当受到挤压或其他外界作用力时，刻蚀好感应图案的石墨烯与周围石墨烯压力感应层接触或接触面积发生变化，从而导致接触电阻发生变化。这种传感器中的石墨烯压力感应层需将石墨烯粉末经这个步骤制备成石墨烯薄膜，并且还需进行激光刻蚀。可见其工艺繁杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、结构简单、成本低廉、柔性的石墨烯压力传感器。

本发明提供的石墨烯压力传感器，由叉指电极层、镶嵌石墨烯弹性衬底层、柔性封装层组成；其中：

所述叉指电极层分为叉指区与平面区；

所述镶嵌石墨烯弹性衬底层包含石墨烯压力感应层、弹性粘附层、柔性薄膜层；所述石墨烯压力感应层镶嵌在弹性黏附层上，弹性粘附层直接贴附在柔性薄膜层，且石墨烯压力感应层与叉指电极层的叉指区轻微接触；

所述柔性封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区。

本发明中，所述石墨烯压力感应层厚度为1~3层碳原子厚度。

本发明中，所述叉指电极层在未覆盖石墨烯压力感应层时，叉指电极层不导电；所述石墨烯压力传感器的静态电阻与导电电极的接触面积有关，典型值为1~1000 Ω，可感应压力的范围与镶嵌石墨烯的弹性粘附层有关，典型值为10~2000 Pa。

本发明中，所述叉指电极层是为铟锡氧化物（ITO）或导电金属膜（例如为Au、Ag或Cu）与高分子膜（如聚对苯二甲酸乙二酯，PET）或者玻璃组成的刻蚀电路，叉指区电极电路为刻蚀或蒸镀成手指交叉状，故称叉指电极；叉指的形状可以是方条形、圆弧形、锥形等；叉指的个数可以是1对到20对（相对交叉的2个为1对）；参见图2所示。

本发明中，所述叉指电极层叉指区的手指交叉状的间隙宽度优选为15-25μm。

本发明中，所述柔性薄膜层为聚酰亚胺（PI）或聚丙烯（PP）等柔性薄膜。

本发明中，所述柔性薄膜层厚度优选为10~50μm。

本发明中，所述弹性粘附层和柔性封装层可为各种弹性有机硅胶（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）），或热塑性弹性体（如氢化苯乙烯异戊二烯共聚物（SEPS）），但不限于此。且所述弹性粘附层通过涂布在柔性薄膜层上而形成。

本发明中，所述弹性粘附层厚度优选为10~100μm。

本发明还提供上述石墨烯压力传感器的方法，具体步骤为：

（1）在柔性薄膜层一面涂布弹性粘附层；

（2）制备石墨烯压力感应层，使石墨烯粉末镶嵌在弹性粘附层上且镶嵌范围和叉指电极层叉指区范围相同；

（3）将叉指电极层转移至镶嵌石墨烯的弹性衬底层上，并确保叉指电极层的叉指范围与石墨烯镶嵌范围重合；

（4）在叉指电极层叉指区背面覆盖柔性薄膜层；

（5）修剪叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层；

（6）对叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层进行封装，形成柔性封装层。

进一步，步骤（2）中，所述制备石墨烯压力感应层，是使用石墨烯粉末经风扇鼓吹或直接洒落到弹性粘附层上，并且使得所形成的石墨烯镶嵌范围与叉指电极叉指区范围相同。

进一步，步骤（6）中，所述形成柔性封装层，其操作流程为：对叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层表面和四周接口处涂覆封装材料，经烘干形成封装层，或者将覆盖石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层的部分竖直浸入封装材料中，烘干凝固后，将石墨烯压力传感器连同一部分已凝固封装材料挖出，根据封装厚度需要切割掉封装材料多余部分。

本发明还提供上述石墨烯压力传感器的应用，包括：以传感阵列的形式，用作脉搏感应器；以传感阵列的形式，作为机械臂用于传感施压大小；以传感阵列的形式用于可穿戴电子设备。

本发明的石墨烯压力传感器灵敏度高、结构简单、工艺简易、制作成本低，且体积小、具有柔性。

附图说明

图1为一种石墨烯压力传感器整体结构界面图。

图2为叉指电极层结构俯视图。

图3为石墨烯压力传感器在3 V电压下测量手腕脉搏时电流随时间的变化。

图中标号：1-柔性封装层；2-镶嵌石墨烯弹性衬底层；3-PI膜；4-叉指电极层； 21-柔性薄膜层；22-弹性粘附层；23-石墨烯压力感应层；41-叉指电极导电面；42-叉指电极非导电面；43-叉指电极叉指区；431-叉指电极叉指区无填充ITO缝隙。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本发明技术方案作进一步具体描述。所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于解释本发明，而不是全部的实施例，不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的石墨烯压力传感器，由叉指电极层、镶嵌石墨烯弹性衬底层、柔性封装层组成；其中，所述镶嵌石墨烯弹性衬底层包含石墨烯压力感应层、弹性粘附层、柔性薄膜层；所述石墨烯压力感应层镶嵌在弹性黏附层上，弹性粘附层直接贴附在柔性薄膜层，且石墨烯压力感应层与叉指电极层的叉指区轻微接触；封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区。

本发明中，所述叉指电极层是为ITO与PET高分子膜组成的刻蚀电路，叉指区电极电路为刻蚀成手指交叉状；柔性薄膜层用于在其上聚集所需形状的弹性粘附层和石墨烯层。

其中所述弹性粘附层所用材料不限于有机硅胶PDMS、热塑性弹性体SEPS。

本发明中，所述叉指电极层的电路是沉积在一层PET膜上并刻蚀成所需图形的，是一体的，无需进行两电极绑定的工序，而且叉指电极层一体的结构还有利于保护叉指电极层与弹性粘附层之间的石墨烯。

封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区,这样有助于最终产品的稳定和保护，确保产品的长期使用。

本发明提供的石墨烯压力传感器的方法，具体步骤为：

（1）在柔性薄膜层一面涂布弹性粘附层；

（2）制备石墨烯压力感应层，使石墨烯粉末镶嵌在弹性粘附层上且镶嵌范围和叉指电极层叉指区范围相同；

（3）将叉指电极层转移至镶嵌石墨烯弹性衬底层上，并确保叉指电极层的叉指范围与石墨烯镶嵌范围重合；

（4）在叉指电极层背面覆盖柔性薄膜层；

（5）修剪叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层；

（6）对叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层进行封装形成柔性封装层。

步骤（1）中，所述柔性薄膜层可为PI（聚酰亚胺）、PP（聚丙烯）等柔性薄膜，厚度为10~50μm，其中，柔性薄膜层使得弹性粘附层和石墨烯层的制作更加简单，有助于聚集所需形状的弹性粘附层和石墨烯层，在制作过程中可以避免弹性粘附层的变形而致使石墨烯粉末黏成一团。

步骤（1）中，所述弹性粘附层可为化学性质稳定的各种弹性有机硅胶（如PDMS）和热塑性弹性体（如SEPS），例如其可选自道康宁SYLGARD184硅橡胶。其厚度为10~100μm，优选为20~50μm。

在一个优选实施方案中，在步骤（1）中，将柔性薄膜层贴附在具有叉指电极层叉指区范围形状的的孔的挡板上，将弹性有机硅胶真空除气泡后涂布在挡板孔范围中的柔性薄膜层上，这样所形成的弹性粘附层的涂布形状和大小与叉指电极叉指区的形状和大小一致。

在一个优选实施方案中，在步骤（2）中，紧接着步骤（1）中的柔性薄膜层依然贴附在挡板上，不要取下，所述石墨烯压力感应层使用石墨烯粉末经风扇鼓吹或直接洒落到挡板孔范围中的弹性粘附层上，从而形成的石墨烯镶嵌在弹性粘附层上且范围与叉指区范围相同。

在步骤（2）中，所述石墨烯压力感应层厚度为1~3层碳原子厚度。

在步骤（3）中，所述叉指电极叉指区的手指交叉状的间隙宽度约为20μm。

在步骤（4）中，所述柔性薄膜层覆盖在叉指电极叉指区对应的电极背面位置，使叉指电极叉指区夹在柔性薄膜层和镶嵌石墨烯弹性衬底层之间。

在一个优选实施方案中，在步骤（6）中，对叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层表面和四周接口处涂覆封装材料，经烘干形成封装层。

在另一个优选实施方案中，在步骤（6）中，将覆盖石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层的部分竖直浸入封装材料中，烘干凝固后，将石墨烯压力传感器连同一部分已凝固封装材料挖出，根据封装厚度需要切割掉封装材料多余部分。

下面将结合附图对本发明作进一步说明，但不意图限制本发明。

实施例

本实施例中以叉指区为5×5 mm大小的叉指电极4为例。准备一个厚度不超过2mm的挡板，材质可为PP或PET等塑料，在挡板中切割出和叉指电极叉指区范围形状大小相同的孔，即5×5 mm的孔。

撕开ITO叉指电极4两面的保护膜，借助万用表分辨ITO叉指电极的导电面41和非导电面42，即ITO叉指电极的ITO面41和非ITO面42。

取道康宁SYLGARD184的基本组分与其固化剂按10:1重量比完全混合，其中的气泡可以抽真空去除。

将PI膜21贴在挡板的孔上，将孔覆盖。可使用极小的刷子蘸取刚刚使用道康宁SYLGARD184配成的硅胶，透过孔将硅胶在PI膜遮挡孔的区域薄薄地刷一层，所形成的弹性粘附层22同样为5×5 mm的大小形状。弹性粘附层22厚度要薄，注意蘸取时的硅胶取用量，所涂厚度不超过100μm。

将挡板盖在装有单层石墨烯粉末和风扇的容器上，挡板上孔的位置处在容器口范围内。打开风扇，单层石墨烯粉末会在容器中快速飞舞，接触到弹性粘附层22的石墨烯会粘附即镶嵌在上面。风扇开启约2分钟后关闭,拍打挡板，将附着在弹性粘附层22上面多余的单层石墨烯粉末拍打掉，镶嵌在弹性粘附层22上的一层单层石墨烯粉末就是石墨烯压力感应层23。目前，我们便制备好了镶嵌石墨烯弹性衬底层2。

将镶嵌石墨烯弹性衬底层2从挡板上轻轻揭下，石墨烯压力感应层23朝上放置于实验台上，在石墨烯压力感应层23上放置叉指电极4，使叉指电极ITO面41的叉指区43与石墨烯压力感应层23重合。

在叉指电极叉指区非ITO面42的对应位置贴PI膜3，并且要与叉指电极ITO面的的PI膜2即柔性薄膜层2重合。沿着叉指电极4边剪去多余的PI膜，并进行修剪。轻捏叉指电极4两面的PI膜四周边缘，使其贴合。

将叉指电极叉指区部分全部没入配好的道康宁SYLGARD184的硅胶中，取出后刮掉流动的多余部分，并使粘附在两面PI膜上的硅胶要均匀，从而在镶嵌石墨烯弹性衬底层2、叉指电极层4和PI膜3周围形成柔性封装层1。

将制备好的石墨烯传感器悬挂于烘箱中，温度可为25~150 ℃，待柔性封装层1固化后即可取出。所得石墨烯压力传感器静态电阻约为0.1~10 kΩ。

该石墨烯压力传感器的工作原理如下：

当对石墨烯压力传感器施压时，镶嵌石墨烯弹性衬底层2被向叉指电极层4按压，石墨烯压力感应层23与叉指电极叉指区的无填充ITO缝隙431接触量增多，或者可以说石墨烯压力感应层23与叉指电极叉指区43接触面积增大，致使叉指电极层4上的通电线路增多，石墨烯压力传感器的电阻下降。

当压力改变时，由于弹性粘附层22具有很好的弹性，弹性粘附层22会根据压力的改变而携带镶嵌在其上的石墨烯压力感应层23起伏。这样，该石墨烯压力传感器阻值就能随着压力的改变而改变。

如图3所示为石墨烯压力传感器在3 V电压下测量手腕脉搏时电流随时间的变化。

Claims (10)

1.一种石墨烯压力传感器，其特征在于，由叉指电极层、镶嵌石墨烯弹性衬底层、柔性封装层组成；其中：

所述叉指电极层分为叉指区与平面区；

所述镶嵌石墨烯弹性衬底层包含石墨烯压力感应层、弹性粘附层、柔性薄膜层；

所述石墨烯压力感应层镶嵌在弹性黏附层上，弹性粘附层直接贴附在柔性薄膜层，且石墨烯压力感应层与所述叉指电极层的叉指区轻微接触；

所述封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区。

2.根据权利要求1所述的石墨烯压力传感器，其特征在于，所述石墨烯压力感应层厚度为1~3层碳原子厚度。

3. 根据权利要求2所述的石墨烯压力传感器，其特征在于，所述石墨烯压力传感器的静态电阻为1~1000 Ω，与导电电极的接触面积有关；可感应压力的范围为10~2000 Pa，与镶嵌石墨烯的弹性粘附层有关。

4.根据权利要求3所述的石墨烯压力传感器，其特征在于，所述叉指电极层是为铟锡氧化物或导电金属膜，与高分子膜或者玻璃组成的刻蚀电路，叉指区电极电路为刻蚀或蒸镀成手指交叉状。

5.根据权利要求4所述的石墨烯压力传感器，其特征在于，所述柔性薄膜层为聚酰亚胺或聚丙烯柔性薄膜。

6.根据权利要求5所述的石墨烯压力传感器，其特征在于，所述弹性粘附层和柔性封装层为各种弹性有机硅胶或热塑性弹性体，且所述弹性粘附层通过涂布在柔性薄膜层上而形成。

7.如权利要求1~6之一所述的石墨烯压力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）在柔性薄膜层一面涂布弹性粘附层；

（2）制备石墨烯压力感应层，使石墨烯粉末镶嵌在弹性粘附层上且镶嵌范围和叉指电极层叉指区范围相同；

（3）将叉指电极层转移至镶嵌石墨烯的弹性衬底层上，并确保叉指电极层的叉指范围与石墨烯镶嵌范围重合;

（4）在叉指电极层叉指区背面覆盖柔性薄膜层；

（5）修剪叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层；

（6）对叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层进行封装，形成柔性封装层。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述制备石墨烯压力感应层，是使用石墨烯粉末经风扇鼓吹或直接洒落到弹性粘附层上，并且使得所形成的石墨烯镶嵌范围与叉指电极叉指区范围相同。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中所述形成柔性封装层，其操作流程为：对叉指电极层叉指区两面的镶嵌石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层表面和四周接口处涂覆封装材料，经烘干形成封装层，或者将覆盖石墨烯弹性衬底层和柔性薄膜层的部分竖直浸入封装材料中，烘干凝固后，将石墨烯压力传感器连同一部分已凝固封装材料挖出，根据封装厚度需要切割掉封装材料多余部分。

10.如权利要求1~6之一所述的石墨烯压力传感器的用途，包括：以传感阵列的形式，用作脉搏感应器；作为机械臂用于传感施压大小；用于可穿戴电子设备。