CN111537116B - 一种石墨烯压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯压力传感器及其制备方法，所述石墨烯压力传感器包括：聚二甲基硅氧烷基底、主电极对、辅电极对和石墨烯薄膜；所述聚二甲基硅氧烷基底上加工有空腔；所述主电极对和所述辅电极对设置于所述聚二甲基硅氧烷基底上，分别处于所述空腔的两侧；所述主电极对和所述辅电极对均设置有引线；所述石墨烯薄膜覆盖在所述空腔以及主电极对和辅电极对的引线上；其中，所述石墨烯薄膜通过所述聚二甲基硅氧烷基底的恢复势能实现张紧。本发明中，通过弯曲聚二甲基硅氧烷基底恢复平坦的势能，能够对聚二甲基硅氧烷基底空腔上方区域的石墨烯敏感薄膜进行预应力调节，使其张紧。

Description

一种石墨烯压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯压力传感器技术领域，具体涉及一种石墨烯压力传感器及其制备方法。
背景技术
石墨烯薄膜具有高强度、2D属性、高电子迁移率，且对压力敏感、对气体具有不可穿透性等一系列的优点；与传统Si薄膜结构的压力传感器相比，0.335nm超薄的厚度赋予石墨烯压力传感器高灵敏度的优势，同时石墨烯又可以作为压阻敏感材料通过电桥输出其感知的压力信号的变化。
应变的产生是致使石墨烯六边形晶格结构发生变化、改变石墨烯电子迁移率和产生电阻变化的关键。目前，现有的悬浮式石墨烯压力传感器的结构普遍是单层或者多层石墨烯薄膜直接覆盖在基底的空腔上；例如，石墨烯薄膜直接转移到有空腔的二氧化硅结构表面上，但石墨烯薄膜的预张紧力大小无法控制，很多情况下转移到空腔上的石墨烯薄膜都是处于松弛状态，无法有效实现压力的测量。
综上，亟需一种新的石墨烯压力传感器及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯压力传感器及其制备方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明中，通过弯曲聚二甲基硅氧烷(PDMS,Polydimethylsiloxane)基底恢复平坦的势能，能够对聚二甲基硅氧烷基底空腔上方区域的石墨烯敏感薄膜进行预应力调节，使其张紧。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种石墨烯压力传感器，包括：聚二甲基硅氧烷基底、主电极对、辅电极对和石墨烯薄膜；
所述聚二甲基硅氧烷基底上加工有空腔；
所述主电极对和所述辅电极对设置于所述聚二甲基硅氧烷基底上，分别处于所述空腔的两侧；所述主电极对和所述辅电极对均设置有引线；
所述石墨烯薄膜覆盖在所述空腔以及主电极对和辅电极对的引线上；
其中，所述石墨烯薄膜通过所述聚二甲基硅氧烷基底的恢复势能实现张紧。
本发明的进一步改进在于，所述空腔通过在硅片上倒模方式制成。
本发明的进一步改进在于，主电极对、辅助电极对通过电子束蒸发的方式沉积在聚二甲基硅氧烷基底上，通过剥离工艺进行图形化。
本发明的进一步改进在于，主电极对、辅助电极对的沉积厚度为50nm～100nm。
本发明的进一步改进在于，主电极对和辅电极对的引线将石墨烯薄膜分隔成3个大小相等的区域。
本发明的一种石墨烯压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备带有空腔的聚二甲基硅氧烷基底；
步骤2，在聚二甲基硅氧烷基底的空腔两侧，分别沉积获得主电极对和辅电极对；其中，所述主电极对和所述辅电极对均设置有引线；
步骤3，将聚二甲基硅氧烷基底贴合在具有预设曲率的模具上，使聚二甲基硅氧烷基底产生弯曲；
步骤4，用石墨烯薄膜覆盖所述空腔以及主电极对和辅电极对的引线；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷基底与模具分开，通过所述聚二甲基硅氧烷基底的恢复势能实现石墨烯薄膜张紧；对石墨烯薄膜进行图形化。
本发明的进一步改进在于，步骤1具体包括：
步骤1.1，通过刻蚀工艺制备获得硅基倒模模具；
步骤1.2，在硅基模具表面，PDMS旋涂1mm～2mm，并加热固化；
步骤1.3，将固化后的PDMS基底揭下，获得带有空腔的聚二甲基硅氧烷基底。
本发明的进一步改进在于，步骤2具体包括：
在聚二甲基硅氧烷基底的表面进行匀胶、光刻和显影，然后沉积金属电极，获得主电极对和辅电极对。
本发明的进一步改进在于，步骤4具体包括：
在铜基底石墨烯上旋涂PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，得到PMMA/石墨烯/铜基底三明治结构；
将PMMA/石墨烯/铜基底三明治结构置入铜腐蚀液中，刻蚀去掉铜基底，获得PMMA/石墨烯结构；
在去离子水中，将PMMA/石墨烯结构转移到步骤3获得的弯曲聚二甲基硅氧烷基底上。
本发明的进一步改进在于，步骤5具体包括：
将聚二甲基硅氧烷基底与模具分开，得到PMMA/石墨烯/聚二甲基硅氧烷基底结构；
在PMMA/石墨烯/聚二甲基硅氧烷基底结构表面匀胶、光刻和显影后，用等离子体去除掉光刻胶未保护的PMMA和石墨烯部分，通过丙酮去除掉光刻胶和PMMA，获得石墨烯压力传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的石墨烯压力传感器中，石墨烯敏感薄膜既是结构材料，也是敏感材料，石墨烯敏感薄膜内外的压力差发生变化时，石墨烯敏感薄膜变形产生应变，其电阻阻值发生变化，由此进行压力的检测。
本发明中，石墨烯薄敏感薄膜被主电极对和辅助电极对分隔成3个大小相等的区域，主电极对和辅助电极对之间的两块石墨烯敏感薄膜区域作温度补偿区，用于抵消温度变化对石墨烯敏感薄膜电阻阻值变化的影响，提高传感器的精度。
本发明的制备方法中，采用聚二甲基硅氧烷等柔性材料为传感器基底，利用不同曲率的模具控制聚二甲基硅氧烷基底的预弯曲恢复平坦的势能，实现空腔上方区域石墨烯敏感薄膜的预应力调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种石墨烯压力传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中，竖直截面示意图；
图3是本发明实施例中，预应力调节原理示意图；
图4是本发明实施例中，预应力调节后的示意图；
图5是本发明实施例的一种石墨烯压力传感器制备方法的流程示意图；
图中，1、聚二甲基硅氧烷基底；2、主电极对；3、辅电极对；4、石墨烯薄膜；5、模具。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种石墨烯压力传感器，包括：聚二甲基硅氧烷基底1；聚二甲基硅氧烷基底1上加工有空腔，主电极对2和辅电极对3分布在空腔的两侧；石墨烯薄膜4覆盖在空腔、主电极对2和辅电极对3的引线上；其中，空腔可以是矩形空腔。
本发明实施例中，所述的聚二甲基硅氧烷基底1上的矩形空腔是通过在硅片上倒模方式制成，并贴合在带有一定曲率的模具5上。
本发明实施例中，所述的主电极对2、辅助电极对3是通过电子束蒸发的方式沉积在聚二甲基硅氧烷基底1上，沉积厚度为50nm至100nm，并通过剥离工艺进行图形化。
本发明实施例中，所述的模具5为具有一定曲率的弯曲小板，用于控制聚二甲基硅氧烷基底1弯曲。模具5的曲率越大，聚二甲基硅氧烷基底1弯曲越大，可施加在石墨烯薄膜上的应力越大。模具5的曲率控制石墨烯薄膜4的预应力大小。其中，将聚二甲基硅氧烷基底1的光滑背面和模具5的光滑内侧进行贴合，贴合的粘附力依赖两个光滑表面之间的分子间吸引力。
本发明实施例中，所述的石墨烯敏感薄膜4先直接转移在模具5控制的弯曲聚二甲基硅氧烷基底1、主电极对2和辅助电极对3的表面上，并覆盖聚二甲基硅氧烷基底1上的矩形槽，然后将模具5和聚二甲基硅氧烷基底1分开，弯曲聚二甲基硅氧烷基底1恢复平坦的势能对石墨烯薄膜4进行张紧，实现调节其预应力的作用。
请参阅图3和图4，本发明的工作原理包括：主电极对2和辅助电极3将石墨烯敏感薄膜4沿Y向分隔成三个区域，主电极对2中间的石墨烯敏感薄膜4区域作为压力感知区域，当压力感知区域的石墨烯敏感薄膜4内外的压力大小之差发生变化时候，石墨烯敏感薄膜4发生变形，产生应变，其电阻阻值发生变化；主电极对2和辅助电极对3之间的石墨烯敏感薄膜4区域作温度补偿区，抵消温度变化对石墨烯敏感薄膜电阻阻值变化的影响，提高传感器的精度。
模具5对原本平坦的聚二甲基硅氧烷基底1进行不同程度的弯曲，控制弯曲曲率的大小，待转移上石墨烯敏感薄膜4和拿掉模具5之后，利用聚二甲基硅氧烷基底1舒展回复平坦的势能对基底空腔上方区域的石墨烯敏感薄膜4实现预应力的调节。
本发明实施例中，石墨烯敏感薄膜4既是结构材料，也是敏感材料，石墨烯敏感薄膜4内外的压力差发生变化时，石墨烯敏感薄膜4变形产生应变，其电阻阻值发生变化，由此进行压力的检测。本发明石墨烯薄敏感薄膜4被主电极对2和辅助电极对3分隔成3个大小相等的区域，主电极对2和辅助电极对3之间的2块石墨烯敏感薄膜4区域作温度补偿区，用于抵消温度变化对石墨烯敏感薄膜电阻阻值变化的影响，提高传感器的精度。本发明采用聚二甲基硅氧烷1等柔性材料为传感器基底，利用模具5控制的聚二甲基硅氧烷基底1的的预弯曲恢复平坦的势能可以很容易地实现调节空腔上方区域的石墨烯敏感薄膜4的预应力。
请参阅图5，本发明实施例的一种石墨烯压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备带有空腔的聚二甲基硅氧烷基底1；
步骤2，在聚二甲基硅氧烷基底1的空腔两侧，分别沉积获得主电极对2和辅电极对3；其中，所述主电极对2和所述辅电极对3均设置有引线；
步骤3，将聚二甲基硅氧烷基底1贴合在具有预设曲率的模具5上，使聚二甲基硅氧烷基底1产生弯曲；
步骤4，用石墨烯薄膜4覆盖所述空腔以及主电极对2和辅电极对3的引线；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷基底1与模具5分开，通过所述聚二甲基硅氧烷基底1的恢复势能实现石墨烯薄膜4张紧；对石墨烯薄膜1进行图形化。
本发明实施例中，步骤1具体包括：
步骤1.1，通过刻蚀工艺制备获得硅基倒模模具；
步骤1.2，在硅基模具表面，PDMS旋涂1mm～2mm，并加热固化；
步骤1.3，将固化后的PDMS基底揭下，获得带有空腔的聚二甲基硅氧烷基底1。
本发明实施例中，步骤2具体包括：
在聚二甲基硅氧烷基底1的表面进行匀胶、光刻和显影，然后沉积金属电极，获得主电极对2和辅电极对3。
本发明实施例中，步骤4具体包括：
在购买的铜基底石墨烯上旋涂PMMA，得到PMMA/石墨烯/铜基底三明治结构；
获得的铜基/石墨烯/PMMA结构置入铜腐蚀液中，刻蚀去掉铜基底，获得PMMA/石墨烯结构，并采用去离子水清洗；
在去离子水中将PMMA/石墨烯结构转移到步骤3获得的弯曲聚二甲基硅氧烷基底1。
本发明实施例中，步骤5具体包括：
将聚二甲基硅氧烷基底1与模具5分开，得到PMMA/石墨烯/聚二甲基硅氧烷基底结构；
在PMMA/石墨烯/聚二甲基硅氧烷基底结构表面匀胶、光刻和显影后，用氧等离子体去除掉光刻胶未保护的PMMA和石墨烯部分，通过丙酮去除掉光刻胶和PMMA，获得石墨烯压力传感器。
综上所述，本发明公开了一种预应力可调式石墨烯压力传感器，包括聚二甲基硅氧烷基底，聚二甲基硅氧烷基底通过倒模加工有矩形空腔，主电极对和辅电极对分布在空腔的两侧，石墨烯薄敏感膜覆盖在空腔和两对电极的引线上，并被均匀地分隔成3个区域。空腔上石墨烯敏感薄膜内外的压力差发生变化时，石墨烯敏感薄膜变形产生应变，其电阻阻值发生变化，由此进行压力的检测，通过模具控制的弯曲聚二甲基硅氧烷基底恢复平坦的势能，对聚二甲基硅氧烷基底空腔上方区域的石墨烯敏感薄膜进行预应力的调节。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯压力传感器，其特征在于，包括：聚二甲基硅氧烷基底（1）、主电极对（2）、辅电极对（3）和石墨烯薄膜（4）；
所述聚二甲基硅氧烷基底（1）上加工有空腔；
所述主电极对（2）设置于所述聚二甲基硅氧烷基底（1）上，处于所述空腔的两侧；
所述辅电极对（3）设置于所述聚二甲基硅氧烷基底（1）上，处于所述空腔的两侧；
所述主电极对（2）和所述辅电极对（3）均设置有引线；所述石墨烯薄膜（4）覆盖在所述空腔以及主电极对（2）和辅电极对（3）的引线上；主电极对（2）和辅电极对（3）的引线将石墨烯薄膜（4）分隔成3个大小相等的区域；
其中，所述聚二甲基硅氧烷基底（1）贴合在具有预设曲率的模具（5）上，利用模具（5）控制聚二甲基硅氧烷基底（1）的预弯曲恢复平坦的势能，实现空腔上方区域石墨烯薄膜的预应力调节。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，所述空腔通过在硅片上倒模方式制成。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，主电极对（2）、辅助电极对（3）通过电子束蒸发的方式沉积在聚二甲基硅氧烷基底（1）上，通过剥离工艺进行图形化。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，主电极对（2）、辅助电极对（3）的沉积厚度为50nm～100nm。
5.一种权利要求1所述的石墨烯压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备带有空腔的聚二甲基硅氧烷基底（1）；
步骤2，在聚二甲基硅氧烷基底（1）的空腔两侧，沉积获得主电极对（2）；在聚二甲基硅氧烷基底（1）的空腔两侧，沉积获得辅电极对（3）；
其中，所述主电极对（2）和所述辅电极对（3）均设置有引线；
步骤3，将聚二甲基硅氧烷基底（1）贴合在具有预设曲率的模具（5）上，使聚二甲基硅氧烷基底（1）产生弯曲；
步骤4，用石墨烯薄膜（4）覆盖所述空腔以及主电极对（2）和辅电极对（3）的引线；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷基底（1）与模具（5）分开，通过所述聚二甲基硅氧烷基底（1）的恢复势能实现石墨烯薄膜（4）张紧；对石墨烯薄膜（1）进行图形化。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤1具体包括：
步骤1.1，通过刻蚀工艺制备获得硅基倒模模具；
步骤1.2，在硅基模具表面，PDMS旋涂1mm~2mm，并加热固化；
步骤1.3，将固化后的PDMS基底揭下，获得带有空腔的聚二甲基硅氧烷基底（1）。
7.根据权利要求5所述的一种石墨烯压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤2具体包括：
在聚二甲基硅氧烷基底（1）的表面进行匀胶、光刻和显影，然后沉积金属电极，获得主电极对（2）和辅电极对（3）。
8.根据权利要求5所述的一种石墨烯压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤4具体包括：
在铜基底石墨烯上旋涂PMMA，得到PMMA/石墨烯/铜基底三明治结构；
将PMMA/石墨烯/铜基底三明治结构置入铜腐蚀液中，刻蚀去掉铜基底，获得PMMA/石墨烯结构；
在去离子水中，将PMMA/石墨烯结构转移到步骤3获得的弯曲聚二甲基硅氧烷基底（1）上。
9.根据权利要求5所述的一种石墨烯压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤5具体包括：
将聚二甲基硅氧烷基底（1）与模具（5）分开，得到PMMA/石墨烯/聚二甲基硅氧烷基底结构；
在PMMA/石墨烯/聚二甲基硅氧烷基底结构表面匀胶、光刻和显影后，用等离子体去除掉光刻胶未保护的PMMA和石墨烯部分，通过丙酮去除掉光刻胶和PMMA，获得石墨烯压力传感器。
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