EA035244B1 - Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена - Google Patents

Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена Download PDF

Info

Publication number
EA035244B1
EA035244B1 EA201990244A EA201990244A EA035244B1 EA 035244 B1 EA035244 B1 EA 035244B1 EA 201990244 A EA201990244 A EA 201990244A EA 201990244 A EA201990244 A EA 201990244A EA 035244 B1 EA035244 B1 EA 035244B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
graphene oxide
film
electrically conductive
graphene
oxide film
Prior art date
Application number
EA201990244A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201990244A2 (ru
Inventor
Павел Васильевич Винокуров
Иван Михайлович Филиппов
Айыысхан Иванович Алексеев
Альберт Николаевич Капитонов
Светлана Афанасьевна Смагулова
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова"
Publication of EA201990244A2 publication Critical patent/EA201990244A2/ru
Publication of EA035244B1 publication Critical patent/EA035244B1/ru

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области использования графена, а именно к формированию электропроводящих структур на полимерной пленке путем восстановления оксида графена (мультиграфена) с высокой точностью, скоростью и надежностью, что может найти применение в изготовлении широкого спектра электронных приборов и других технических изделий, в частности датчиков влажности резистивного типа. Предложен способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена путем создания электропроводящих структур на гибкой полимерной пленке, для чего на поверхности полимерной подложки формируется пленка оксида графена нанесением водной суспензии оксида графена и последующей ее сушки при нормальных условиях в темном боксе в течение 24 ч, далее на поверхности подготовленной полимерной подложки посредством полупроводникового лазера облучается электропроводящая дорожка электродов. Кроме того, на электропроводящую структуру дополнительно нанесена защитная пленка на основе суспензии оксида графена. Кроме того, электропроводящая дорожка электродов имеет выводы на основе токопроводящей пасты. Исследованиями установлено, что датчики влажности на основе пленок оксида графена с применением лазерного восстановления обладают хорошей повторяемостью и стабильностью. Использование заявленного способа позволяет существенно снизить временные затраты, сократить технологические этапы изготовления различных структур на базе восстановленного оксида графена.

Description

Изобретение относится к области использования графена, а именно к формированию электропроводящих структур на полимерной пленке путем восстановления оксида графена (мультиграфена) с высокой точностью, скоростью и надежностью, что может найти применение в изготовлении широкого спектра электронных приборов и других технических изделий, в частности датчиков влажности резистивного типа.
Известно, что графен является листом графита с толщиной в один атом с экстраординарными свойствами, такими как колоссальная подвижность носителей, прозрачность и т.д., что способствует развитию новой углеродной электроники. При этом создание пленок графена большой площади является высокотехнологичным и дорогостоящим процессом. Как альтернатива получения материалов с близкими характеристиками является восстановление оксида графена.
Из уровня техники известен способ формирования прозрачных восстановленных оксид графеновых схем с помощью лазерного облучения (см. US №9099376, кл. H01L 21/336; H01L 21/268; H01L 21/02; H01L 29/16, опубл. 04.08.2015). Для получения таких схем суспензию оксида графена наносят на специально подготовленную поверхность стеклянной подложки. Далее с помощью эксимерного лазера создают проводящие схемы.
Формирование электропроводящих структур на стеклянных негибких подложках может значительно ограничить сферу их применения, кроме того, техническое решение связано с использованием относительно дорогого и сложного в эксплуатации эксимерного лазера.
Известен метод получения тензометрического датчика (см. http://www.myu-inc.jp/myukk/S&M/ paper5.html) с применением лазера на двуокиси углерода с мощностью 1,8 Вт. Гибкий тензометрический датчик был сформирован с помощью лазерного восстановления оксида графена на полиэтилентерефталатовой (PET) подложке. Для получения такой структуры суспензия оксида графена была нанесена капельно на гибкую РЕТ-подложку, после высушивания пленка подвергалась лазерному восстановлению с одновременным формированием рисунка.
Недостатком известного метода является использование относительно дорогого и сложного в эксплуатации CO2 лазера. Кроме того, подобное лазерное устройство способно расплавлять нетермостойкие подложки.
Известен способ получения восстановленного оксида графена с последующим изготовлением из него полевого транзистора (см. JP2013035739A, опубл. 21.02.2013), при котором отдельно формируют изолирующую и проводящую электрические части с помощью фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм. И в данном случае техническое решение связано с использованием относительно дорогого и сложного в эксплуатации фемтосекундного лазера.
По способу изготовления датчика влажности (см. RU №2579807, кл. G01N 27/00, В82В 1/00, опубл. 10.04.2016) на медную фольгу осаждают пленку мультиграфена, вырезают из нее заготовку датчика нужной формы и размеров, к местам расположения контактов на заготовке приклеивают стеклянную подложку и сверху наносят защитный слой требуемой формы, стравливают фольгу с незащищенных участков, промывают и высушивают заготовку, а также удаляют защитный слой с электрических контактов.
Известное техническое решение характеризуется сложностью технологического процесса получения датчика, включающего несколько этапов формирования проводящих структур - использование медной фольги, осаждение пленки мультиграфена, приклеивание жесткой стеклянной подложки, нанесение защитного слоя и др., и не способствует развитию повторяемости производства датчиков заявленного типа.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в создании способа изготовления датчика влажности на основе пленок графена, характеризующегося относительной технологической простотой и высокой повторяемостью и стабильностью получаемых на его основе датчиков влажности резистивного типа.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в формировании электропроводящих структур на полимерной пленке путем восстановления оксида графена с помощью полупроводникового лазера. Кроме того, решение может существенно снизить себестоимость изготовления изделий на основе восстановленного оксида графена.
Для решения поставленной задачи способ получения тонкопленочного датчика влажности резистивного типа основан на создании электропроводящих структур на гибкой полимерной пленке, для чего на поверхности полимерной подложки формируется пленка оксида графена путем нанесения водной суспензии оксида графена и последующей ее сушки при нормальных условиях, на поверхности подготовленной полимерной пленки с подложкой посредством полупроводникового лазера с длиной волны 430 нм облучается электропроводящая дорожка электродов. Кроме того, на электропроводящую структуру дополнительно нанесена защитная пленка на основе суспензии оксида графена. Кроме того, электропроводящая дорожка электродов имеет выводы на основе токопроводящей пасты.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналога свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию новизна.
Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, создание надежного и стабильного датчика резистивного типа на основе графеновой пленки.
- 1 035244
Известно, что оксид графена (ОГ) получают и используют в виде суспензии, т.к. жидкая основа позволяет наносить его на различные поверхности. Причем наличие кислородных групп в ОГ превращает его в диэлектрик, что, в свою очередь, не позволяет использовать в качестве проводниковых материалов.
Процесс избавления от кислородсодержащих групп и молекул, так называемое восстановление, позволяет увеличить проводимость до нужных величин для использования в электронных системах.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежом, где на фигуре показан общий вид датчика влажности на основе оксида графена (1) и восстановленного оксида графена (2).
Для осуществления способа используются оксид графена в водной суспензии, например, с концентрацией 5 мг/мл; лазерное устройство полупроводникового типа, например, с длиной волны 430 нм; полимерная пленка, используемая в качестве подложки, например, на основе полиэстера или полиэтилентерефталата; устройство нанесения слоя суспензии оксида графена на полимерную подложку, например автоматическая пипетка с объемом 1 мкл.
Выбор лазера полупроводникового типа для формирования электропроводящих структур на полимерной пленке объясняется тем, что использование подобных лазерных устройств за счет маломощности излучения (в среднем 2,5 Вт) и длины волны, близкой к ультрафиолетовой части спектра, позволяет без сильного нагрева и повреждения полимерной подложки проводить восстановление пленки оксида графена (см. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622315305182).
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
Для создания пленки оксида графена на полимерной подложке суспензию оксида графена наносят на поверхность подложки определенной формы капельным методом с помощью автоматической пипетки. При этом форма подложки определяется предварительно в зависимости от производственной программы, например, при изготовлении цельных изделий форма и размеры заготовки соответствует форме и размеру изготавливаемого изделия. Далее, подготовленная подложка направляется на сушку, которая осуществляется при нормальных условиях в темном боксе в течение 24 ч.
Получаемую пленку закрепляют на рабочем столике лазерного устройства, например, оснащенного блоком управления геометрией детали. Предварительный чертеж обжига загружается в блок управления лазерного устройства, по которому производится облучение на поверхности графеновой пленки (см. фигуру).
После завершения процесса лазерной обработки поверхности пленки оксида графена восстановленная часть приобретает видимый темный цвет по сравнению с невосстановленной частью. В результате дорожка из восстановленного графена формирует электропроводящую структуру на полимерной пленке. Причем, получаемая пленка не требует процедуры постобработки.
Таким образом, способ позволяет существенно снизить временные затраты, уменьшить технологические этапы изготовления различных структур на базе восстановленного оксида графена, что уменьшает себестоимость производства.
Лабораторными испытаниями установлено, что проводимость ОГ с ростом уровня относительной влажности RH от 30 до 70% возрастает почти в 3 раза. При прогонке RH в обратном направлении наблюдается явление слабого гистерезиса проводимости. Кроме того, определено влияние света на чувствительность датчика влажности.
Нанесение защитных пленок оксида графена на область структуры датчика влажности улучшает отклик и время восстановления. Зависимость сопротивления от влажности окружающей среды показывает гистерезис, а дополнительный слой пленки ОГ уменьшает величину гистерезиса.
Кроме того, для выводов к измерителю сопротивления от вновь сформированной электропроводящей дорожки электродов используют токопроводящую пасту, например полимерную серебросодержащую пасту типа ПСП-2.
Таким образом, полученные результаты показывают, что датчики влажности на основе пленок оксида графена с применением лазерного восстановления обладают хорошей повторяемостью и стабильностью. Кроме того, техническое решение характеризуется повышением безопасности и технологичности процесса восстановления оксида графена.

Claims (3)

1. Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена, характеризующийся тем, что на гибкой полимерной подложке создают графеновую пленку путем нанесения водной суспензии оксида графена и последующей ее сушки, на которой формируют электропроводящую структуру, для чего посредством полупроводникового лазера с длиной волны 430 нм на поверхности подготовленной графеновой пленки с подложкой облучают электропроводящую дорожку электродов.
2. Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена по п.1, отличающийся тем, что на электропроводящую структуру дополнительно нанесена защитная пленка из оксида графена.
3. Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электропроводящая дорожка электродов имеет выводы на основе токопроводящей пасты.
EA201990244A 2018-06-01 2019-02-07 Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена EA035244B1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120326A RU2682259C1 (ru) 2018-06-01 2018-06-01 Способ изготовления тонкопленочного датчика влажности

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201990244A2 EA201990244A2 (ru) 2020-05-19
EA035244B1 true EA035244B1 (ru) 2020-05-20

Family

ID=65806000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201990244A EA035244B1 (ru) 2018-06-01 2019-02-07 Способ получения датчика влажности на основе пленки оксида графена

Country Status (2)

Country Link
EA (1) EA035244B1 (ru)
RU (1) RU2682259C1 (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2701005C1 (ru) * 2019-04-17 2019-09-24 Чеглаков Андрей Валерьевич Способ получения электропроводных пленок из дисперсии оксида графена
CN110371952B (zh) * 2019-07-03 2021-10-29 东南大学 一种柔性电阻式湿度传感器及其制备方法
CN111168245B (zh) * 2019-12-03 2022-04-05 南京信息职业技术学院 石墨烯电极图案的制备装置、制备方法及用途
CZ2020125A3 (cs) 2020-03-10 2021-10-06 Západočeská Univerzita V Plzni Senzor vlhkosti pro měření stejnosměrným měřicím signálem a způsob jeho výroby
RU2764380C1 (ru) * 2021-07-28 2022-01-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" Способ изготовления гибкого датчика влажности

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103236295A (zh) * 2013-04-23 2013-08-07 上海师范大学 一种图案化石墨烯导电薄膜的制备方法
US20170176380A1 (en) * 2014-02-17 2017-06-22 Nokia Technologies Oy Field-effect sensor and associated methods

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2109778C1 (ru) * 1994-04-12 1998-04-27 Институт высокомолекулярных соединений РАН Полимерная влагочувствительная композиция для датчиков влажности резистивного типа
RU160838U1 (ru) * 2014-11-13 2016-04-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" Устройство датчика влажности
RU2579807C1 (ru) * 2014-11-13 2016-04-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" Способ изготовления датчика влажности
CN104958073A (zh) * 2015-07-03 2015-10-07 深圳市共进电子股份有限公司 潮气传感器、电子设备、呼吸检测系统和方法
US9976975B2 (en) * 2015-07-24 2018-05-22 King Abdulaziz University Method of making thin film humidity sensors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103236295A (zh) * 2013-04-23 2013-08-07 上海师范大学 一种图案化石墨烯导电薄膜的制备方法
US20170176380A1 (en) * 2014-02-17 2017-06-22 Nokia Technologies Oy Field-effect sensor and associated methods

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sensors and Materials, Volume 26, Number 9, pp. 699-709, 2014, "Graphene-Based Strain Gauge on a Flexible Substrate", Mohammed Gamil, et al., https://doi.org/10.18494/SAM.2014.1030, см. весь документ *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2682259C1 (ru) 2019-03-18
EA201990244A2 (ru) 2020-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2682259C1 (ru) Способ изготовления тонкопленочного датчика влажности
You et al. Laser fabrication of graphene‐based flexible electronics
Samouco et al. Laser-induced electrodes towards low-cost flexible UV ZnO sensors
Park et al. Flash‐induced self‐limited plasmonic welding of silver nanowire network for transparent flexible energy harvester
Wang et al. Exfoliation at the liquid/air interface to assemble reduced graphene oxide ultrathin films for a flexible noncontact sensing device
CN108414603B (zh) 一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法
CN105576123B (zh) 全石墨烯族柔性有机场效应管及其制造方法
Qiao et al. Graphene devices based on laser scribing technology
CN112334824B (zh) 调光片以及调光片的制造方法
Ye et al. Pattern directive sensing selectivity of graphene for wearable multifunctional sensors via femtosecond laser fabrication
Jun et al. Ultra‐facile fabrication of stretchable and transparent capacitive sensor employing photo‐assisted patterning of silver nanowire networks
CN104807855A (zh) 微机电气体感测装置
KR102074168B1 (ko) 하이브리드형 터치 감지 전극 및 이의 제조 방법
Tseng et al. Ultrafast laser direct writing of screen-printed graphene-based strain electrodes for sensing glass deformation
Singh et al. An extended-gate FET-based pH sensor with an InZn x O y membrane fabricated on a flexible polyimide substrate at room temperature
Jung et al. Fabrication of solution-processed SnO2–Based flexible ReRAM using laser-induced graphene transferred onto PDMS
Lee et al. Operation range-optimized silver nanowire through junction treatment
CN109817722A (zh) 基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件及其制备方法
US11874249B2 (en) Graphite biosensor and circuit structure and method of manufacture
US20120236458A1 (en) Processing an embedded metal film, and component with an embedded metal film
Acuautla et al. Ammonia sensing properties of ZnO nanoparticles on flexible substrate
RU2661884C2 (ru) Чувствительный элемент биологического сенсора
Aleksandrov et al. The effect of hydrogen on the conductivity of Ag-Pd thick film resistors
US20140352144A1 (en) Methods for improving electrical isolation of patterned transparent conductive films
Torrisi et al. Laser and ion beams graphene oxide reduction for microelectronic devices

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ KZ KG TJ TM RU