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论文和设计-张楠

全文摘要

本实用新型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，所述微结构阵列中每列微结构尺寸相同，第n列微结构的尺寸与第n+m列微结构的尺寸相同，第n列至第n+m‑1的尺寸递增或递减；和，石墨烯导电涂层。该石墨烯复合结构通过设置不同尺寸及一定密度的微结构，使得使用了该石墨烯复合结构的柔性压力传感器克服了传统压力传感器以及现有石墨烯压力传感系统线性响应范围窄、稳定性差的缺陷。

主设计要求

1.一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，其特征在于，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，所述微结构阵列中每列微结构尺寸相同，第n列微结构的尺寸与第n+m列微结构的尺寸相同，第n列至第n+m-1的尺寸递增或递减，其中：n选取≥1的整数，m选取≥2的整数；和，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，第二石墨烯导电涂层涂覆在所述微结构阵列上。

设计方案

1.一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，其特征在于，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，所述微结构阵列中每列微结构尺寸相同，第n列微结构的尺寸与第n+m列微结构的尺寸相同，第n列至第n+m-1的尺寸递增或递减，其中：n选取≥1的整数，m选取≥2的整数；

和，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，第二石墨烯导电涂层涂覆在所述微结构阵列上。

2.根据权利要求1所述的石墨烯复合结构，其特征在于，微结构均匀分布于第二平面基底上，微结构的设计密度为(49-100)个\/μm^2<\/sup>。

3.根据权利要求1所述的石墨烯复合结构，其特征在于，微结构的形状为圆锥状、圆柱状、棱锥状、棱柱状或半球状。

4.根据权利要求1所述的石墨烯复合结构，其特征在于，微结构的形状为棱锥状，并且n＝1，m＝3，此时第1列微结构的高度尺寸为120-150μm，第2列微结构的高度尺寸为80-110μm，第3列微结构的高度尺寸为40-70μm。

5.根据权利要求1所述的石墨烯复合结构，其特征在于，所述柔性微结构衬底的材质包括：聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯醇缩醛。

6.根据权利要求1所述的石墨烯复合结构，其特征在于，所述石墨烯导电涂层的材质包括：本征石墨烯，还原氧化石墨烯，化学气相沉积石墨烯，氮掺杂石墨烯或磷掺杂石墨烯。

7.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：

权利要求1-6之一所述石墨烯复合结构；

将权利要求1-6之一所述石墨烯复合结构封装固定成三明治状的封装薄膜；

第一导线；所述第一导线连接在第一石墨烯导电涂层上；

和，第二导线；所述第二导线连接在第二石墨烯导电涂层上。

8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述封装薄膜的材质为聚对苯二甲酸类塑料。

9.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一导线和第二导线为锡焊连接铜导线。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及压力传感器领域，特别涉及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。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及使用该石墨烯复合结构的柔性压力传感器，该石墨烯复合结构通过设置不同尺寸的微结构，使得使用了该石墨烯复合结构的柔性压力传感器克服了传统压力传感器以及现有石墨烯压力传感系统线性响应范围窄、稳定性差的缺陷，具有线性相应范围可调、灵敏度高的优点，并且制备该石墨烯复合结构和柔性压力传感器的制备成本低，方法简单，易实现工业化生产。

为实现上述目的，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，其包括：

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，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。

优选地，上述技术方案中，微结构均匀分布于第二平面基底上，微结构的设计密度为(49-100)个\/μm^2<\/sup>。

优选地，上述技术方案中，微结构的形状为圆锥状、圆柱状、棱锥状、棱柱状或半球状。

优选地，上述技术方案中，微结构的形状为棱锥状，并且n＝1，m＝3，此时第1列微结构的高度尺寸为120-150μm，第2列微结构的高度尺寸为80-110μm，第3列微结构的高度尺寸为40-70μm。这里的高度尺寸是指从微结构最高处到最低处的垂直距离。

优选地，上述技术方案中，所述柔性微结构衬底的材质包括：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。

优选地，上述技术方案中，所述石墨烯导电涂层的材质包括：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。

本实用新型还提供了一种柔性压力传感器，其包括：

上述石墨烯复合结构；

将上述石墨烯复合结构封装固定成三明治状的封装薄膜；

第一导线；所述第一导线连接在第一石墨烯导电涂层上；

和，第二导线；所述第二导线连接在第二石墨烯导电涂层上。

优选地，上述技术方案中，所述封装薄膜的材质为聚对苯二甲酸类塑料。

优选地，上述技术方案中，所述第一导线和第二导线为锡焊连接铜导线。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型中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。当对柔性压力传感器的平面基底施加的压力在一定范围内时，较小尺寸的微结构无法接触第一平面基底，导通回路较少；但当施加的压力超过一定范围时，第二平面基底发生形变，较小尺寸的微结构也开始接触第一平面基底，并且在一定压力范围内随着压力增大、较小尺寸的微结构对第一平面基底的接触增多使得平面基底之间的导通回路增加，电阻随压力的增大线性减小，延长其压力线性响应范围。

本实用新型中进一步通过微结构阵列的密度设计，进一步实现了线性响应范围可调、宽线性压力检测，即：微结构的设计密度较大，保持线性压力的区域数值也较大；微结构的设计密度较小，保持线性压力的区域数值也较小。

本实用新型中通过调控柔性微结构阵列的尺寸及密度，使得使用了石墨烯复合结构的柔性压力传感器在0-5kpa的压力范围内的响应达到23-28kpa^{-1<\/sup>，在5-40kpa压力范围内其响应度为0.5-1.2kpa^{-1<\/sup>，相比于其他报道过的柔性石墨烯压力传感器，本实用新型中的柔性压力传感器极大得提高了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。}}

附图说明

图1A是根据本实用新型实施例1的石墨烯复合结构的主视结构示意图；图1B是根据本实用新型实施例2的柔性压力传感器的主视结构示意图。

图2是根据本实用新型实施例2的柔性石墨烯压力传感器的使用过程示意图。

图3是根据本实用新型实施例2的柔性石墨烯压力传感器的制备流程示意图。

主要附图标记说明：

11-第一平面基底，12-第二平面基底，13-微结构阵列，21-第一石墨烯导电涂层，22-第二石墨烯导电涂层，3-封装薄膜，31-第一导线，32-第二导线。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

如图1A所示，一种用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构，其包括：

柔性微结构衬底，所述柔性微结构衬底包括：

第一平面基底11；

和，第二平面基底12；所述第二平面基底12与所述第一平面基底11相向的一侧设置有微结构阵列13，所述微结构阵列13与第二平面基底12一体成型，所述微结构阵列13中每列微结构尺寸相同，第n列微结构的尺寸与第n+m列微结构的尺寸相同，第n列至第n+m-1的尺寸递增或递减，其中：n选取≥1的整数，m选取≥2的整数；

和，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21；所述第一石墨烯导电涂层21涂覆在与所述第二平面基底12相向的所述第一平面基底11的一侧；

和，第二石墨烯导电涂层22，第二石墨烯导电涂层22涂覆在所述微结构阵列13上。

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。当对柔性压力传感器的平面基底施加的压力在一定范围内时，较小尺寸的微结构无法接触第一平面基底，导通回路较少；但当施加的压力超过一定范围时，第二平面基底发生形变，较小尺寸的微结构也开始接触第一平面基底，并且在一定压力范围内随着压力增大、较小尺寸的微结构对第一平面基底的接触增多使得平面基底之间的导通回路增加，电阻随压力的增大线性减小，延长其压力线性响应范围。

优选地，实施例1中，微结构均匀分布于第二平面基底上，微结构的设计密度为(49-100)个\/μm^2<\/sup>。

通过微结构阵列的密度设计，进一步实现了线性响应范围可调、宽线性压力检测，即：微结构的设计密度较大，保持线性压力的区域数值也较大；微结构的设计密度较小，保持线性压力的区域数值也较小。

优选地，实施例1中，所述微结构的形状可以为圆锥状、圆柱状、棱锥状、棱柱状或半球状。

优选地，实施例1中，所述微结构的形状可以为棱锥状，并且n＝1，m＝3，此时第1列微结构的高度尺寸为120-150μm，第2列微结构的高度尺寸为80-110μm，第3列微结构的高度尺寸为40-70μm。

通过调控柔性微结构阵列的尺寸及密度，使得使用了石墨烯复合结构的柔性压力传感器在0-5kpa的压力范围内的响应达到23-28kpa^{-1<\/sup>，在5-40kpa压力范围内其响应度为0.5-1.2kpa^{-1<\/sup>，相比于其他报道过的柔性石墨烯压力传感器，本实用新型中的柔性压力传感器极大得提高了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。}}

优选地，实施例1中，所述柔性微结构衬底的材质可以为：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。

这些聚合物可通过商业渠道购买到，也可以根据现有技术的报道进行制备

优选地，实施例1中，所述石墨烯导电涂层的材质可以为：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。

这些石墨烯导电涂层材料可通过商业渠道购买到，也可以根据现有技术的报道进行制备。

实施例2

如图1B所示，一种柔性压力传感器，其包括：

实施例1中的石墨烯复合结构、和将实施例1中的石墨烯复合结构封装固定成三明治状的封装薄膜3，所述微结构阵列13被夹在第一平面基底11和第二平面基底12中间；

第一导线；所述第一导线连接在第一石墨烯导电涂层上；

和，第二导线；所述第二导线连接在第二石墨烯导电涂层上。

优选地，实施例2中，所述封装薄膜3的材质为聚对苯二甲酸类塑料。

优选地，实施例2中，所述第一导线31和第二导线32为锡焊连接铜导线。

如图2所示，当对柔性压力传感器的平面基底施加的压力在一定范围内时，较小尺寸的微结构无法接触第一平面基底，导通回路较少；但当施加的压力超过一定范围时，第二平面基底发生形变，较小尺寸的微结构也开始接触第一平面基底，并且在一定压力范围内随着压力增大、较小尺寸的微结构对第一平面基底的接触增多使得平面基底之间的导通回路增加，电阻随压力的增大线性减小，延长其压力线性响应范围。

实施例3

如图3所示，该柔性压力传感器的制备包括以下步骤：

一、制作柔性微结构衬底的模具：制作模具的方法包括微机械蚀刻技术、硅表面微机械制造工艺、LIGA制作工艺技术等，利用以上技术中的任一种在硅片表面进行微结构加工使之成为与柔性微结构衬底形状相适应的、用于制作该柔性微结构衬底的模具。第二平面基底由于与微结构阵列一体成型，因此其模具形状不同于第一平面基底的模具形状。

二、柔性微结构衬底的制备：

柔性微结构衬底的材质可选自：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)或聚乙烯醇缩醛等。

下面以PDMS为例说明柔性微结构衬底的制备：

1、配胶：A胶、B胶按照15:1到8:1的比例范围进行调配，其中：A胶为道康宁SYLGARD184基本组分(聚二甲基硅氧烷)，B胶为固化剂；

2、匀胶：利用真空脱泡搅拌机，将A胶B胶混合均匀；

3、倒胶：将锡纸放于器皿内，放入模具，将混合胶倒入模具；

4、干燥：80-100℃恒温干燥箱干燥20-30min；

5、剥胶：冷却凝固后将PDMS柔性微结构衬底与模具分离。

三、石墨烯导电涂层覆盖柔性微结构衬底

石墨烯导电涂层的材质可选自：还原氧化石墨烯，本征石墨烯，CVD石墨烯，氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯以及其他各种功能化石墨烯。

下面以还原氧化石墨烯为例说明石墨烯导电涂层覆盖在柔性微结构衬底上的过程：

1、制备氧化石墨烯分散液

将四氢呋喃与氧化石墨烯按照体积比为1:10-1:5混合，获得氧化石墨烯的分散液；

2、将步骤二所得第一平面基底与第二平面基底相向的一侧表面沉浸在氧化石墨烯的分散液中，也将微结构阵列表面沉浸在氧化石墨烯的分散液中，取出后在60-120℃的条件下干燥，将该沉浸、干燥的步骤重复3次以获得均匀的氧化石墨烯膜层，然后在150-300℃氢气条件下高温还原2h，获得涂覆有还原氧化石墨烯膜层(即第一石墨烯导电涂层和第二石墨烯导电涂层)的柔性微结构衬底。

四、柔性压力传感器件的封装

用柔性PET膜(聚对苯二甲酸类塑料膜)将步骤三获得的涂覆有还原氧化石墨烯膜层的柔性微结构衬底封装固定成三明治结构状的的压力传感器，将导线分别连接在第一石墨烯导电涂层和第二石墨烯导电涂层上。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

设计图

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