CN113237579B - 一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器及其制备方法，两个柔性衬底平行分布，上层石墨烯阵列、下层石墨烯阵列分别固定设置在一个柔性衬底上且位于两个柔性衬底之间；石墨烯压力传感单元阵列分布，上层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元和下层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元对齐紧贴。当有压力作用于石墨烯阵列上时，石墨烯导电通路增多，阻值减小，解调电路可以测算出每个石墨烯压力传感单元的阻值变化，通过压力‑阻值的拟合曲线，精确得到压力的变化情况。聚二甲基硅氧烷材质的柔性衬底材料的耐热性避免了聚对苯二甲酸乙二醇酯PET等衬底材料在激光直写过程容易弯曲变形情况发生。行电极与列电极之间避免了交叉，结构更加优化。

Description

一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器和一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器的制备方法，属于压力传感器技术领域。

背景技术

压力传感器是一种可以将外界物理受力，如压力、剪切力等转换为自身材料的形变，从而引发输出电信号变化的传感器，广泛的运用于航空、航天、汽车和生物医学等领域。

随着可穿戴设备的兴起，压力传感器的研究越来越受到大众的关注。传统的压力传感器大多采用硅压阻式压力传感器，但随着基于压力传感器的可穿戴设备的发展，传统的刚性传感器显现出明显的弊端。通常人们日常使用的可穿戴设备都需要依附于衣物或人体表皮，甚至植入体内，为了适应生物体的结构特征，可穿戴设备使用的材料必须具备轻巧柔软的特性。石墨烯具有优异的导电性和极佳的柔韧性，电阻率随压力线性变化，是性能优异的柔性材料。

目前，一种石墨烯压力传感器阵列系统(专利号：201610863656.5)采用PECVD法生长石墨烯薄膜，该方法设备投入大，成本远高于本发明使用的激光直写PI膜生成石墨烯的制备方案；该专利在制备过程中需要剥离石墨烯层，极易破坏其微观结构；该专利主要采用刚性电路板作为衬底进行传感器的制备，不符合可穿戴设备的发展趋势，本发明使用柔性衬底，应用范围更加广泛；该专利采用圆柱形力敏触点和凹槽结构，制备过程繁琐。基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器及其制备方法(专利号：201210013024.1)采用刻蚀石墨烯薄膜的方法形成石墨烯阵列，制备过程复杂，成本高，该专利行电极与列电极之间需要通过绝缘层隔离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供及一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器和一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，包括上层石墨烯阵列、金属连接条、两个柔性衬底和下层石墨烯阵列，两个柔性衬底一上一下平行分布，上层石墨烯阵列固定设置在位于上方的柔性衬底的下底面，下层石墨烯阵列固定设置在位于下方的柔性衬底的上底面，上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列位于两个柔性衬底之间，上层石墨烯阵列位于下层石墨烯阵列上方；

上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列均包括多个石墨烯压力传感单元，上层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元阵列分布，下层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元阵列分布，上层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元和下层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元对齐紧贴；

上层石墨烯阵列中每一行石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接且下层石墨烯阵列中每一列石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接，或者，上层石墨烯阵列中每一列石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接且下层石墨烯阵列中每一行石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接，形成纵横交错的网状石墨烯结构。

优先地，通过激光直写在位于上方的柔性衬底的下底面上制备配合上层石墨烯阵列中石墨烯压力传感单元的上层浮雕轮廓，上层石墨烯阵列中石墨烯压力传感单元固定设置在上层浮雕轮廓中；

通过激光直写在位于下方的柔性衬底的上底面上制备配合下层石墨烯阵列中石墨烯压力传感单元的下层浮雕轮廓，下层石墨烯阵列中石墨烯压力传感单元固定设置在下层浮雕轮廓中。

优先地，包括导电银浆，涂抹导电银浆在石墨烯压力传感单元的预留接口和金属连接条的连接处，上层浮雕轮廓和下层浮雕轮廓具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构，使得浮雕轮廓表面的石墨烯压力传感单元形成具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构。

优先地，金属连接条为铜箔。

优先地，包括多个导线，相邻两边的上层石墨烯阵列中石墨烯压力传感单元均分别引出一个导线。

优先地，上层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元行数和下层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元行数相同，上层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元列数和下层石墨烯阵列中的石墨烯压力传感单元列数相同。

优先地，柔性衬底材质为聚二甲基硅氧烷。

一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器的制备方法，包括：

1）将主剂和固化剂混合搅拌均匀后涂抹在PI胶带上，并加热固化在PI胶带上，主剂和固化剂混合后制得柔性衬底；

2）将PI溶液和碳纳米管混合搅拌均匀后涂抹在柔性衬底上，加热固化成PI膜；

3）激光直写PI膜得到浮雕轮廓，制备石墨烯阵列，将柔性衬底和石墨烯阵列从PI胶带上整体转移，将石墨烯压力传感单元固定在浮雕轮廓中；

石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接，石墨烯压力传感单元引出导线；

4）采用步骤3）制得上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列，将上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列对齐紧贴，制得权利要求1所述的柔性压力传感器。

优先地，主剂和固化剂按照10：1的质量比混合，制得聚二甲基硅氧烷材质的柔性衬底；将PI溶液和碳纳米管按照200：1的质量比混合。

本发明所达到的有益效果：

（1）本发明采用的网状石墨烯结构，上层浮雕轮廓和下层浮雕轮廓具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构，使得浮雕轮廓表面形成具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构的导电石墨烯条带，导电石墨烯条带受压力后上下能够接触的凸起结构增多，导电通路也增多，电阻阻值变小。通过外部的解调电路可以测算出每个石墨烯压力传感单元的阻值变化，通过压力-阻值的拟合曲线，精确得到压力的变化情况。

本发明选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性衬底材料，其耐热的特性，避免了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等衬底材料在激光直写过程容易弯曲变形的问题。本发明在柔性衬底上直接制备石墨烯阵列，不易破坏其微观结构；本发明使用激光直写PI膜制备石墨烯，操作简便；

（2）本发明通过均匀掺杂碳纳米管(CNT)，提高石墨烯的导电率，进一步提高了压阻效应传感器的灵敏度。本发明使用掺杂碳纳米管(CNT)的上下双层网状石墨烯结构，易于制备，灵敏度更高；

（3）本发明采用网状石墨烯结构，表面形成具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构的导电石墨烯条带，受压力后上下能够接触的凸起结构增多，导电通路也增多，电阻阻值变小。相较于块状石墨烯结构，电阻变化更加明显，灵敏度更高。

（4）本发明行电极与列电极之间避免了交叉，结构更加优化。

（5）本发明基于石墨烯阵列的柔性压力传感器系统，相较于传统的硅压阻式压力传感器，具有灵敏度更高、精确度更高、重复性更好、应用范围更加广泛等优点。

附图说明

图1是本发明中上层石墨烯阵列的仰视图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明中石墨烯压力传感单元的示意图。

附图标记含义，1-上层石墨烯阵列、2-石墨烯压力传感单元、3-铜箔、4-导电银浆、5-柔性衬底、6-预留接口、7-导线、8-下层石墨烯阵列、9-解调电路。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明，若本发明实施例中有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)，则其仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

提供一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，包括上层石墨烯阵列1、金属连接条、两个柔性衬底5和下层石墨烯阵列8，两个柔性衬底5一上一下平行分布，上层石墨烯阵列1固定设置在位于上方的柔性衬底5的下底面，下层石墨烯阵列8固定设置在位于下方的柔性衬底5的上底面，上层石墨烯阵列1和下层石墨烯阵列8位于两个柔性衬底5之间，上层石墨烯阵列1位于下层石墨烯阵列8上方；

上层石墨烯阵列1和下层石墨烯阵列8均包括多个石墨烯压力传感单元2，上层石墨烯阵列1中的石墨烯压力传感单元2阵列分布，下层石墨烯阵列8中的石墨烯压力传感单元2阵列分布，上层石墨烯阵列1中的石墨烯压力传感单元2和下层石墨烯阵列8中的石墨烯压力传感单元2对齐紧贴；

上层石墨烯阵列1中每一行石墨烯压力传感单元2之间通过金属连接条连接且下层石墨烯阵列8中每一列石墨烯压力传感单元2之间通过金属连接条连接，或者，上层石墨烯阵列1中每一列石墨烯压力传感单元2之间通过金属连接条连接且下层石墨烯阵列8中每一行石墨烯压力传感单元2之间通过金属连接条连接，形成纵横交错的网状石墨烯结构。

进一步地， 本实施例中通过激光直写在位于上方的柔性衬底5的下底面上制备配合上层石墨烯阵列1中石墨烯压力传感单元2的上层浮雕轮廓，上层石墨烯阵列1中石墨烯压力传感单元2固定设置在上层浮雕轮廓中；

通过激光直写在位于下方的柔性衬底5的上底面上制备配合下层石墨烯阵列8中石墨烯压力传感单元2的下层浮雕轮廓，下层石墨烯阵列8中石墨烯压力传感单元2固定设置在下层浮雕轮廓中，上层浮雕轮廓和下层浮雕轮廓具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构，使得浮雕轮廓表面的石墨烯压力传感单元形成具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构。

进一步地， 本实施例中包括导电银浆4，涂抹导电银浆4在石墨烯压力传感单元2的预留接口6和金属连接条的连接处。

进一步地， 本实施例中金属连接条为铜箔3。

进一步地， 本实施例中包括多个导线7，相邻两边的上层石墨烯阵列1中石墨烯压力传感单元2均分别引出一个导线7。

进一步地， 本实施例中上层石墨烯阵列1中的石墨烯压力传感单元2行数和下层石墨烯阵列8中的石墨烯压力传感单元2行数相同，上层石墨烯阵列1中的石墨烯压力传感单元2列数和下层石墨烯阵列8中的石墨烯压力传感单元2列数相同。

进一步地， 本实施例中柔性衬底材质为聚二甲基硅氧烷。

一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器的制备方法，包括：

1）将主剂和固化剂混合搅拌均匀后涂抹在PI胶带上，并加热固化在PI胶带上，主剂和固化剂混合后制得柔性衬底；

2）将PI溶液和碳纳米管混合搅拌均匀后涂抹在柔性衬底上，加热固化成PI膜；

3）激光直写PI膜得到浮雕轮廓，制备石墨烯阵列，将柔性衬底和石墨烯阵列从PI胶带上整体转移，将石墨烯压力传感单元固定在浮雕轮廓中；

石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接，石墨烯压力传感单元引出导线；

4）采用步骤3）制得上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列，将上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列对齐紧贴，制得权利要求1所述的柔性压力传感器。

型号道康宁SYLGARD184 Silicone Elastomer Kit，该型号中包括主剂和固化剂。

进一步地， 本实施例中包括：的主剂和固化剂按照10：1的质量比混合；将PI溶液和碳纳米管按照200：1的质量比混合。

参阅图2，柔性衬底5上制备石墨烯阵列1，石墨烯压力传感单元2留有预留接口6，通过铜箔3相互连接，在预留接口6和铜箔3的连接处涂抹导电银浆4，减少接触电阻。在石墨烯阵列1的相邻两边引出导线7，上下两层石墨烯阵列8对齐紧贴，导线7连接到解调电路9。上下两层石墨烯阵列受压力后能够接触的凸起结构增多，导电通路也增多，电阻阻值变小。通过现有技术中的解调电路可以测算出每个石墨烯压力传感单元的阻值变化，通过压力-阻值的拟合曲线，精确得到压力的变化情况。和传统的硅压阻式压力传感器，该系统解决了大规模阵列传感器采样困难、系统内阵列传感节点有限等问题。

本实施例中，基于石墨烯阵列的柔性压力传感器系统，其阵列为3*3，制备步骤如下所示：

步骤1：将主剂和固化剂按照10：1的质量比进行混合配置，制得聚二甲基硅氧烷材质的柔性衬底；聚二甲基硅氧烷均匀搅拌后涂抹在PI胶带上。

步骤2：将PI溶液和碳纳米管按照200：1的质量比进行混合配置，均匀搅拌后涂抹在聚二甲基硅氧烷材质的柔性衬底上，加热固化成PI膜。

步骤3：激光直写掺杂后的PI膜得到浮雕轮廓，制备3*3的石墨烯阵列，将聚二甲基硅氧烷材质的柔性衬底和石墨烯阵列从PI胶带上整体转移，将石墨烯压力传感单元固定在浮雕轮廓中，然后用铜箔和导电银浆连接石墨烯压力传感单元，石墨烯压力传感单元引出导线。

步骤4：将上下两层石墨烯对齐紧贴，将引出的导线连接到解调电路，制备出完整的基于石墨烯阵列的柔性压力传感器系统。

综上所述：该基于石墨烯阵列的柔性压力传感器系统采用激光直写技术制备石墨烯阵列，具有柔性结构、易于制备、灵敏度高和精确度高等优点。石墨烯阵列掺杂了碳纳米管(CNT)，采用上下双层的网状结构，极大提高了传感器的灵敏度；而且石墨烯压力传感单元的阻值与压力之间有良好的线性关系，拟合出函数曲线，可以精确换算出压力的变化情况，极大提高了传感器的精确度。

石墨烯压力传感单元、铜箔、导电银浆、导线，上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。

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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，其特征在于，包括上层石墨烯阵列（1）、金属连接条、两个柔性衬底（5）和下层石墨烯阵列（8），两个柔性衬底（5）一上一下平行分布，上层石墨烯阵列（1）固定设置在位于上方的柔性衬底（5）的下底面，下层石墨烯阵列（8）固定设置在位于下方的柔性衬底（5）的上底面，上层石墨烯阵列（1）和下层石墨烯阵列（8）位于两个柔性衬底（5）之间，上层石墨烯阵列（1）位于下层石墨烯阵列（8）上方；

上层石墨烯阵列（1）和下层石墨烯阵列（8）均包括多个石墨烯压力传感单元（2），上层石墨烯阵列（1）中的石墨烯压力传感单元（2）阵列分布，下层石墨烯阵列（8）中的石墨烯压力传感单元（2）阵列分布，上层石墨烯阵列（1）中的石墨烯压力传感单元（2）和下层石墨烯阵列（8）中的石墨烯压力传感单元（2）对齐紧贴；

上层石墨烯阵列（1）中每一行石墨烯压力传感单元（2）之间通过金属连接条连接且下层石墨烯阵列（8）中每一列石墨烯压力传感单元（2）之间通过金属连接条连接，或者，上层石墨烯阵列（1）中每一列石墨烯压力传感单元（2）之间通过金属连接条连接且下层石墨烯阵列（8）中每一行石墨烯压力传感单元（2）之间通过金属连接条连接，形成纵横交错的网状石墨烯结构；

通过激光直写在位于上方的柔性衬底（5）的下底面上制备配合上层石墨烯阵列（1）中石墨烯压力传感单元（2）的上层浮雕轮廓，上层石墨烯阵列（1）中石墨烯压力传感单元（2）固定设置在上层浮雕轮廓中；

通过激光直写在位于下方的柔性衬底（5）的上底面上制备配合下层石墨烯阵列（8）中石墨烯压力传感单元（2）的下层浮雕轮廓，下层石墨烯阵列（8）中石墨烯压力传感单元（2）固定设置在下层浮雕轮廓中，上层浮雕轮廓和下层浮雕轮廓具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构，使得浮雕轮廓表面的石墨烯压力传感单元（2）形成具有两边凸起、中间凹陷的双峰微观结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，其特征在于，

包括导电银浆（4），涂抹导电银浆（4）在石墨烯压力传感单元（2）的预留接口（6）和金属连接条的连接处。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，其特征在于，

金属连接条为铜箔（3）。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，其特征在于，

包括多个导线（7），相邻两边的上层石墨烯阵列（1）中石墨烯压力传感单元（2）和下层石墨烯阵列（8）中石墨烯压力传感单元（2）均分别引出一个导线（7）。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，其特征在于，

上层石墨烯阵列（1）中的石墨烯压力传感单元（2）行数和下层石墨烯阵列（8）中的石墨烯压力传感单元（2）行数相同，上层石墨烯阵列（1）中的石墨烯压力传感单元（2）列数和下层石墨烯阵列（8）中的石墨烯压力传感单元（2）列数相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器，其特征在于，

柔性衬底材质为聚二甲基硅氧烷。

7.基于权利要求1的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

1）将主剂和固化剂混合搅拌均匀后涂抹在PI胶带上，并加热固化在PI胶带上，主剂和固化剂混合后制得柔性衬底；

2）将PI溶液和碳纳米管混合搅拌均匀后涂抹在柔性衬底上，加热固化成PI膜；

3）激光直写PI膜得到浮雕轮廓，制备石墨烯阵列，将柔性衬底和石墨烯阵列从PI胶带上整体转移，将石墨烯压力传感单元固定在浮雕轮廓中；

石墨烯压力传感单元之间通过金属连接条连接，石墨烯压力传感单元引出导线；

4）采用步骤3）制得上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列，将上层石墨烯阵列和下层石墨烯阵列对齐紧贴，制得权利要求1所述的柔性压力传感器。

8.基于权利要求7所述的一种基于石墨烯阵列的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，主剂和固化剂按照10：1的质量比混合，制得聚二甲基硅氧烷材质的柔性衬底；将PI溶液和碳纳米管按照200：1的质量比混合。

Images