CN212903663U - 用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于压力传感器技术领域，尤其为一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器，该石墨烯复合结构包括柔性微结构衬底，柔性微结构衬底包括上下对应设置的第一平底基面和第二平底基面，所述第一平底基面的底部边侧设有微结构导向环板，所述第一平底基面的底部对应结构导向环板的内围位置设有微结构阵列。本实用新型能够避免柔性压力传感器在使用过程中，第一平底基面和第二平底基面在水平方向发生相对位移，满足提高柔性可穿戴石墨烯压力传感器的线性响应范围及其灵敏度目的的同时，较之现有的微结构阵列结构更为合理，稳定性更高，更为耐用，有效延长柔性压力传感器的使用寿命。

Description

用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器

技术领域

本实用新型涉及压力传感器技术领域，具体为一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器。

背景技术

传统的压阻式传感器主要使用无机半导体(如Si、GaAs)和金属(如Au、Ag)等材料，存在脆性大、模量高、加工困难和制备成本高等问题。柔性传感器件在保持良好传感性能的基础上，大大提升了器件的可弯曲性，并且制作工艺简易、成本低，在可穿戴电子器件领域有广泛应用前景。

自2004年石墨烯材料被发现以来，得益于其独特的电学、力学等特性，石墨烯被视为制作柔性传感器件的优选材料。基于石墨烯的复合导电材料已被用于研制柔性传感器件，但目前这类石墨烯压力传感器的线性响应范围和灵敏度仍不能满足实际应用的需要，需要对其线性响应范围的拓宽及灵敏度的提高进行进一步的研究。

为解决石墨烯压力传感器的线性响应范围和灵敏度不能满足实际应用需要的问题，中国专利CN201920003077.2公开了一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器，该石墨烯复合结构包括柔性微结构衬底，所述柔性微结构衬底包括第一平面基底和第二平面基底，所述第二平面基底与所述第一平面基底相向的一侧设置有微结构阵列，所述微结构阵列与第二平面基底一体成型，还包括石墨烯导电涂层，所述石墨烯导电涂层包括第一石墨烯导电涂层；所述第一石墨烯导电涂层涂覆在与第二平面基底相向的所述第一平面基底的一侧；和第二石墨烯导电涂层，所述第二石墨烯导电涂层涂覆在所述微结构阵列上。该石墨烯复合结构及柔性压力传感器通过对平面基底进行微结构加工、并且通过微结构阵列的各列的尺寸设计，实现了压力传感器的高灵敏度、线性响应范围可调。但该石墨烯复合结构的微结构阵列结构合理性较差，在施加压力过程中，频繁发生变形分微结构阵列易导致第一平面基底与第二平面基底之间在水平方向发生相对位移，结构稳定性较差，极大影响了柔性压力传感器的使用寿命。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器，解决了现有的用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器中，其石墨烯复合结构的微结构阵列结构合理性较差，在施加压力过程中，频繁发生变形分微结构阵列易导致第一平面基底与第二平面基底之间在水平方向发生相对位移，结构稳定性较差，极大影响了柔性压力传感器的使用寿命的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，包括柔性微结构衬底，柔性微结构衬底包括上下对应设置的第一平底基面和第二平底基面，所述第一平底基面的底部边侧设有微结构导向环板，所述第一平底基面的底部对应微结构导向环板的内围位置设有微结构阵列，所述微结构阵列是由并排设置的第一阵列凸起和第二阵列凸起组成，所述第一阵列凸起的高度大于第二阵列凸起的高度，所述第二平底基面的顶部设有微结构限位环形座，所述微结构限位环形座的内侧壁上设有与微结构导向环板滑动配合的导向槽，所述第二平底基面的顶部对应微结构限位环形座的内围位置设有微结构接触板，所述微结构接触板上设有与第一阵列凸起和第二阵列凸起相适配的接触卡槽，所述第一阵列凸起和第二阵列凸起的表面涂覆有第一石墨烯导电涂层，所述微结构接触板及接触卡槽的表面涂覆有第二石墨烯导电涂层。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第一阵列凸起和第二阵列凸起均为圆锥、圆台或锥台结构。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述柔性微结构衬底的材质为聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)或聚乙烯醇缩醛。

本实用新型还提供一种柔性压力传感器，包括封装薄膜以及上述石墨烯复合结构，所述第一平底基面和第二平底基面包覆于封装薄膜内。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述柔性压力传感器还包括连接于第一石墨烯导电涂层上的第一导线以及连接于第二石墨烯导电涂层上的第二导线，第一导线和第二导线均为锡焊连接铜导线。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器，具备以下有益效果：

该用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器，在现有的具有微结构阵列的石墨烯复合结构上进行结构优化，通过微结构导向环板与微结构限位环形座的滑动配合，能够在第一平底基面与第二平底基面贴靠过程中提供导向作用，配合微结构阵列和微结构接触板的卡接结构，能够避免柔性压力传感器在使用过程中，第一平底基面和第二平底基面在水平方向发生相对位移，满足提高柔性可穿戴石墨烯压力传感器的线性响应范围及其灵敏度目的的同时，较之现有的微结构阵列结构更为合理，稳定性更高，更为耐用，有效延长柔性压力传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型中石墨烯复合结构的结构示意图；

图2为本实用新型的使用过程示意图；

图3为本实用新型中柔性压力传感器的结构示意图。

图中：100、第一平底基面；200、第二平底基面；300、微结构导向环板；400、微结构阵列；401、第一阵列凸起；402、第二阵列凸起；500、微结构限位环形座；600、微结构接触板；601、接触卡槽；700、第一石墨烯导电涂层；800、第二石墨烯导电涂层；900、封装薄膜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

请参阅图1-3，本实用新型提供以下技术方案：一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，包括柔性微结构衬底，柔性微结构衬底包括上下对应设置的第一平底基面100和第二平底基面200，第一平底基面100的底部边侧设有微结构导向环板300，第一平底基面100的底部对应微结构导向环板300的内围位置设有微结构阵列400，微结构阵列400是由并排设置的第一阵列凸起401和第二阵列凸起402组成，第一阵列凸起401的高度大于第二阵列凸起402的高度，第二平底基面200的顶部设有微结构限位环形座500，微结构限位环形座500的内侧壁上设有与微结构导向环板300滑动配合的导向槽，第二平底基面200的顶部对应微结构限位环形座500的内围位置设有微结构接触板600，微结构接触板600上设有与第一阵列凸起401和第二阵列凸起402相适配的接触卡槽601，第一阵列凸起401和第二阵列凸起402的表面涂覆有第一石墨烯导电涂层700，微结构接触板600及接触卡槽601的表面涂覆有第二石墨烯导电涂层800。

本实施方案中，微结构阵列400与第一平底基面100一体成型，的设计密度为(49-100)个/μm2，通过微结构阵列400的密度设计，进一步实现了线性响应范围可调、宽线性压力检测，即：微结构阵列400的设计密度较大，保持线性压力的区域数值也较大；微结构阵列400的设计密度较小，保持线性压力的区域数值也较小；微结构接触板600同样与第二平底基面200一体成型；第一石墨烯导电涂层700和第二石墨烯导电涂层800的材质可以为：本征石墨烯，还原氧化石墨烯，化学气相沉积石墨烯，氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或其他各种功能化石墨烯。

具体的，第一阵列凸起401和第二阵列凸起402均为圆锥、圆台或锥台结构。

具体的，柔性微结构衬底的材质为聚酰亚胺PI、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯醇缩丁醛PVB、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA或聚乙烯醇缩醛。

本实用新型还提供一种柔性压力传感器，包括封装薄膜900以及上述石墨烯复合结构，第一平底基面100和第二平底基面200包覆于封装薄膜900内。

本实施方案中，封装薄膜900的材质为聚对苯二甲酸类塑料。

具体的，柔性压力传感器还包括连接于第一石墨烯导电涂层700上的第一导线以及连接于第二石墨烯导电涂层800上的第二导线，第一导线和第二导线均为锡焊连接铜导线。

本实用新型的工作原理及使用流程：封装时，通过封装薄膜900将石墨烯复合结构呈三明治状进行封装，封装后，第一平底基面100和第二平底基面200的初始状态如图2中a图中所示，即第一阵列凸起401与微结构接触板600上相应的接触卡槽601接触，致使第一阵列凸起401表面的第一石墨烯导电涂层700与相应接触卡槽601表面的第二石墨烯导电涂层800接触，同时，微结构导向环板300的外壁与微结构限位环形座500滑动接触，微结构导向环板300的底端未触碰到导向槽的槽底，此时导通回路较少；当向第一平底基面100施加压力后，随着施加压力的增大，第二阵列凸起402逐渐贴靠微结构接触板600上相应的接触卡槽601的槽底，当施加的压力达到定量后，第二阵列凸起402的底端充分与接触卡槽601接触，如图2中b图中所示，此时第一阵列凸起401发生形变，第一阵列凸起401和第二阵列凸起402均与相应的接触卡槽601接触，使导通回路增加，电阻随压力的增大线性减小，延长其压力线性响应范围，满足提高柔性可穿戴石墨烯压力传感器的线性响应范围及其灵敏度目的的同时，微结构导向环板300的底端与导向槽的槽底充分接触，起到导向作用，配合微结构阵列400和微结构接触板600的卡接结构，能够避免柔性压力传感器在使用过程中，第一平底基面100和第二平底基面200在水平方向发生相对位移，使结构稳定性更高，更为耐用。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，包括柔性微结构衬底，柔性微结构衬底包括上下对应设置的第一平底基面(100)和第二平底基面(200)，其特征在于：所述第一平底基面(100)的底部边侧设有微结构导向环板(300)，所述第一平底基面(100)的底部对应微结构导向环板(300)的内围位置设有微结构阵列(400)，所述微结构阵列(400)是由并排设置的第一阵列凸起(401)和第二阵列凸起(402)组成，所述第一阵列凸起(401)的高度大于第二阵列凸起(402)的高度，所述第二平底基面(200)的顶部设有微结构限位环形座(500)，所述微结构限位环形座(500)的内侧壁上设有与微结构导向环板(300)滑动配合的导向槽，所述第二平底基面(200)的顶部对应微结构限位环形座(500)的内围位置设有微结构接触板(600)，所述微结构接触板(600)上设有与第一阵列凸起(401)和第二阵列凸起(402)相适配的接触卡槽(601)，所述第一阵列凸起(401)和第二阵列凸起(402)的表面涂覆有第一石墨烯导电涂层(700)，所述微结构接触板(600)及接触卡槽(601)的表面涂覆有第二石墨烯导电涂层(800)。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，其特征在于：所述第一阵列凸起(401)和第二阵列凸起(402)均为圆锥、圆台或锥台结构。

3.根据权利要求1所述的一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，其特征在于：所述柔性微结构衬底的材质为聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)或聚乙烯醇缩醛。

4.一种柔性压力传感器，包括封装薄膜(900)以及权利要求1-3任意一项所述的石墨烯复合结构，其特征在于：所述第一平底基面(100)和第二平底基面(200)包覆于封装薄膜(900)内。

5.根据权利要求4所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性压力传感器还包括连接于第一石墨烯导电涂层(700)上的第一导线以及连接于第二石墨烯导电涂层(800)上的第二导线，第一导线和第二导线均为锡焊连接铜导线。

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