CN114323360A - 基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力传感器领域，涉及基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，本发明以激光雕刻石墨烯的技术为基础，在同一材料两侧表面形成石墨烯，使中间残留部分成为介电层，再进行封装等操作制备了柔性激光诱导石墨烯压力传感器。此方法在降低成本的同时也缩短了制备周期，并且通过调控激光加工参数使电极‑介电层‑电极在同一基底材料上成型，达到特定比例使器件性能较优，能够响应10Pa～16kPa范围内压强。在保证了灵敏度、稳定性以及工作范围的同时，简化了复杂的单独制备过程，是比较优秀的选择。

Description

基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器领域，涉及基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，是一种基于激光雕刻烧蚀碳前体材料形成激光诱导石墨烯(LIG)的技术制备电容型传感器，依据电容的变化可以测量施加压力的大小。

背景技术

日常生活中，压力传感器的应用横跨各种领域。在电子设备触摸屏、工业控制环境、力学测量系统等等领域，压力传感器都是不可或缺的角色，为我们带来的生活上的便利和工业上的便捷也是不可忽视的。随着快速、便捷、低成本成为制备压力传感器的导向标，旧一代传感器逐渐走下舞台，新型传感器在各行各业酝酿着一场风暴。

当今比较普遍的基于石墨烯的应力传感器的成型过程一般采用在基底表面利用物理、化学方法沉积生成石墨烯，这些工艺流程冗长且复杂，成型效率不高。还有些提前制备石墨烯分散液，之后进行还原氧化石墨烯，在基底材料表面性涂覆、干燥的手段，但其复现性和稳定性则不够理想。通过电脑中设计雕刻图案，在碳前体材料上进行激光雕刻一步成型图案化石墨烯结构兼顾了效率高、稳定性高的优点，是制备电学性能优异、具有三维结构石墨烯电极的优秀选择。

在压力传感器领域，主要有电阻型传感器以及电容型传感器两种。电阻型传感器是利用在受到压力情况下，石墨烯微结构被压缩，工作区域电阻发生变化，根据电阻变化反映受力大小的原理。电容型传感器则是基于受力时两电极板之间距离改变以及电介质层介电常数发生变化，从而引起整体电容值产生变化的原理制成的，其根据测得电容数值变化大小计算所受压力大小。电容型传感器的表现一般要优于电阻型传感器，其灵敏度较高，能够检测十分微弱的压力，所以常被用于高精度、高灵敏度要求的设备或器件中。

为了提高传感器的灵敏度，通过复杂的手段制备、修饰介电层和电极成为了广为采用的一种思路。然而，制备费时费力，成本昂贵却是一道难以逾越的沟壑。

发明内容

本发明的目的是实现一种能够感受微小压力的电容式压力传感器，其通过石墨烯的微结构形变来使电极板之间的距离以及介电性能发生变化的原理实现了传感器能够对一定范围内的压力产生响应的特性。并且制备周期短，成本远低于同类复合材料传感器，在同一基底材料上分别制备了两电极以及中间介电层。

本发明中对前体材料选择合适的激光加工参数，双面进行激光雕刻形成垂直相对的石墨烯电极，通过调控激光加工参数可以调控石墨烯电极的厚度，使石墨烯结构蓬松而有弹性。在调控电极厚度的同时又间接影响了介电层厚度，使介电层厚度较薄且稳定的同时，增大具有弹性结构的石墨烯电极所占总体厚度比例，是一种非常巧妙的设计。

本发明实现了一种能够感受微小压力的电容式压力传感器，其内容包括：激光雕刻基板材料上层形成的石墨烯上电极图形；激光雕刻极板材料下层形成的石墨烯下电极图形；将有机弹性绝缘体材料封装在石墨烯电极以及导电铜较带表面。

本发明的技术方案：

基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，具体如下：

所述的柔性压力传感器为一体结构，在同一块基板材料上形成；

通过激光雕刻烧蚀基板材料上表面形成石墨烯上电极，其具有可压缩的海绵石墨烯结构，作为电容式压力传感器的上极板；

通过激光雕刻烧蚀基板材料下表面形成石墨烯下电极，其具有可压缩的海绵石墨烯结构，作为电容式压力传感器的下极板；

通过调控激光雕刻参数，使基板材料在加工上下石墨烯电极之后，中间残留一层原始基板材料，作为电容式压力传感器的中间介电层材料，参与介电，避免上下极板导通，同时通过调控激光雕刻参数改变石墨烯电极厚度与介电层厚度，在使介电层较薄且稳定的同时增大石墨烯占比；

在上、下电极表面用弹性体封装对石墨烯电极进行保护封装，使其绝缘，同时避免电极损坏。

所述的基底材料为包括聚酰亚胺、酚醛树脂在内的材料，优选聚酰亚胺。

所述上电极、中间介电层和下电极的厚度比为1:8:1～23:15:23，不同比例对器件性能影响较大，优选为23:15:23，灵敏度及稳定性较佳。

所述的用于封装保护石墨烯电极的材料为弹性绝缘体，优选热塑性聚氨酯弹性体(TPU)。

本发明的有益效果：

本发明以激光雕刻石墨烯的技术为基础，在同一材料两侧表面形成石墨烯，使中间残留部分成为介电层，再进行封装等操作制备了柔性激光诱导石墨烯压力传感器。此方法在降低成本的同时也缩短了制备周期，并且通过调控激光加工参数使电极-介电层-电极在同一基底材料上成型，达到特定比例使器件性能较优。在保证了灵敏度、稳定性以及工作范围的同时，简化了复杂的单独制备过程，非常易于大规模制备及阵列扩展，是比较优秀的选择。

附图说明

图1A为本发明实施例中传感器的石墨烯电极结构以及位置示意图，图1B为本发明中传感器的整体结构示意图。

图2A为本发明实施例中传感器的工作区域示意图，图2B为本发明实施例中传感器的石墨烯电极位于基板材料内部的结构示意图，图2C为本发明实施例中传感器在受到压力时引起电容变化的工作原理示意图。

图3A为本发明实施例中传感器在微小压强下的电容变化数据图，图3B为本发明实施例中传感器依次施加较大压强下的电容变化数据和拟合曲线图。

图4为本发明实施例中传感器电极材料的拉曼光谱图。

图5A为本发明实施例中传感器电极材料的扫描电镜正面图，图5B、图5C、图5D为本发明实施例中不同激光加工参数下激光诱导石墨烯的扫描电镜剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明中提到的用于激光加工的碳前体材料包括但不局限于聚酰亚胺，本实施例中用到的聚酰亚胺薄纸为经过对比优选的材料，其中包括但不局限于不同厚度的聚酰亚胺薄纸以及薄膜等。

在本实施例中，将PI纸裁成合适大小，从5mm×5mm～20mm×20mm等尺寸中优选了14mm×14mm作为加工电极的基板材料尺寸。利用胶带将裁下的PI纸固定在激光器内部底板上，设置优选的激光加工参数对PI纸表面进行激光雕刻，形成石墨烯上电极图形。

本实施例所选用的半导体激光器最大激光功率可达10W，探头最大移动速度可达80mm/s。所加工器件性能最优状态的参数组合中功率设置为10％，探头移动速度设置为38mm/s。

本实施例中，将雕刻完石墨烯上电极的PI纸翻面，再次利用胶带将PI纸固定在激光器内部。调整加工图形使其成为与上电极图形相垂直的长方形，选取与加工石墨烯上电极同样的激光加工参数，在合适的位置进行激光雕刻，形成石墨烯下电极图形。从1mm×1mm～5mm×5mm等尺寸中优选了2mm作为石墨烯上、下电极图形的宽度，从5mm～20mm等尺寸中优选了10mm作为石墨烯上、下电极的长度。

在本实施例中，将加工完上、下电极的基板材料即PI纸从激光器中取出。此时，PI纸两侧表面已经形成图1A中的结构。将导电铜胶带贴在PI纸两侧表面石墨烯电极图形的末端，形成与测量设备连接的媒介。将平头电烙铁调至优选温度200℃左右，将TPU薄膜裁成合适大小置于上下石墨烯电极表面。利用电烙铁烫烙两侧TPU薄膜，使其融化嵌入石墨烯网孔结构中，形成具有弹性的复合结构。烫烙完毕，待器件冷却至室温，形成图1B中的完整器件结构。

确定所制成压力传感器的工作区域，如图2A所示，石墨烯上下电极图形垂直相交区域即工作区域。工作区域的器件内部工作原理如图2B、图2C所示，石墨烯上下电极之间存在一层十分薄的PI纸参与电容式压力传感器介电层的构成。应当理解的是，示例性实施方式中选用的PI纸厚度和工作区域面积为优选的结果，应当包括但不局限于所选组合。

传感器配置有连接基板材料两侧石墨烯电极与数据采集设备的连接媒介，包括在电极末端粘附导电铜胶带以及利用导电银浆固定铜导线等等。为确保测量的准确性，其中所述的传感器所测的外力是在垂直于器件方向上施加的压力，其测量区域也即实际工作区域为石墨烯上、下电极垂直交汇的区域。

将制成的传感器与外界测量设备相连接，对工作区域施加10Pa～16kPa压力，可以观察到电容数值变化。

在工作区域受到压力时，两侧石墨烯电极三维结构发生形变，两侧电极间距离减小，传感器整体电容值增大。不同压力致使传感器两侧电极发生不同程度形变，由此实现根据电容变化确定所测压力大小。

将制成的压力传感器与电容测量设备相连，选取所需砝码，用镊子将其夹起、放置于器件工作区域。记录传感器电容变化数据，得到图3A所示微小压强测量数据图。

将制成的压力传感器与电容测量设备相连，利用压力试验机对制成的压力传感器工作区域施加多个不同压力，记录传感器电容变化数据，得到图3B所示压强测量数据图。

本实施例中传感器电极材料的拉曼光谱图如图4所示，图中D、G、2D峰均予以标出，符合激光诱导石墨烯材料的特征峰值。

本实施例中中传感器电极材料的扫描电镜正面图如图5A所示，图5B、图5C、图5D为本发明中不同激光加工参数下激光诱导石墨烯的扫描电镜剖面图，经比对优选，本实施例采用图5D中石墨烯的激光加工参数制备传感器电极。其石墨烯三维蓬松结构较为清晰，且上电极：中间介电层：下电极厚度比例在图中予以标出，为23:15:23。

Claims (7)

1.基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，具体如下：

所述的柔性压力传感器为一体结构，在同一块基板材料上形成；

通过激光雕刻烧蚀基板材料上表面形成石墨烯上电极，作为电容式压力传感器的上极板；

通过激光雕刻烧蚀基板材料下表面形成石墨烯下电极，作为电容式压力传感器的下极板；

通过调控激光雕刻参数，使基板材料在加工上下石墨烯电极之后，中间残留一层原始基板材料，作为电容式压力传感器的中间介电层材料；

在上、下电极表面用弹性体封装对石墨烯电极进行保护封装。

2.根据权利要求1所述的基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，所述的基底材料为聚酰亚胺或酚醛树脂。

3.根据权利要求1或2所述的基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极、中间介电层和下电极的厚度比为1:8:1～23:15:23。

4.根据权利要求1或2所述的基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，所述的用于封装保护石墨烯电极的材料为弹性绝缘体。

5.根据权利要求3所述的基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，所述的用于封装保护石墨烯电极的材料为弹性绝缘体。

6.根据权利要求4所述的基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，所述的弹性绝缘体材料为热塑性聚氨酯弹性体。

7.根据权利要求5所述的基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器，其特征在于，所述的弹性绝缘体材料为热塑性聚氨酯弹性体。

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