專利名稱：基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布傳感器及其制備方法，尤其是一種基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，具體地說是用于牙齒咬合壓力分布、足底壓力分布、輪胎壓力分布等壓力分布測量的傳感器及其制備，屬于陣列式壓力分布傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯(graphene)是單層的碳原子組成的具有蜂窩狀六邊形的二維晶體結(jié)構(gòu)，它具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，具有常溫下可觀測到的霍爾量子效應(yīng)，導(dǎo)電性良好，理想情況下一平方米的石墨烯電阻只有31 Ω。石墨烯的拉伸強度大，理想強度為110-130MPa。單層石墨烯非常薄，厚度不到0.335nm。透光性良好，吸光率只有2. 3%?？蓱?yīng)用于透明電極，新型半導(dǎo)體器件，光電感應(yīng)器件，傳感器等等。石墨烯制作壓力傳感器的原理在于，當(dāng)石墨烯受到壓力時，自身的禁帶寬度發(fā)生變化，使得載流子濃度發(fā)生變化，電阻發(fā)生變化，當(dāng)力消失后這種變化是可恢復(fù)的。專利 US8044472中就是利用這一原理利用石墨烯制作壓力傳感器，但是得到壓力傳感器的使用范圍受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器及其制備方法，其結(jié)構(gòu)緊湊，能測量壓力分布，測量精度高，提高適應(yīng)范圍， 使用壽命長，更加輕薄，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，包括柔性襯底，所述柔性襯底上設(shè)有石墨烯薄膜陣列，所述石墨烯薄膜陣列內(nèi)包括至少一個石墨烯導(dǎo)電體，所述石墨烯導(dǎo)電體與柔性襯底上的行電極及列電極電連接。所述柔性襯底的材料包括PET或聚酰亞胺。所述行電極與列電極在柔性襯底上呈縱橫交錯分布，且行電極與列電極通過絕緣層相絕緣隔離。所述行電極、列電極在柔性襯底上采用銀漿絲網(wǎng)印刷或CVD成膜方法形成。一種基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，所述壓力分布傳感器的制備方法包括如下步驟
a、在柔性襯底上形成石墨烯薄膜陣列，所述石墨烯薄膜陣列內(nèi)的石墨烯導(dǎo)電體間通過行間隔、列間隔相隔離；
b、在柔性襯底上設(shè)置形成行電極或列電極，所述行電極、列電極分別位于行間隔、列間隔內(nèi)；行電極、列電極與石墨烯導(dǎo)電體電連接；
c、在上述行電極或列電極上設(shè)置絕緣層，所述絕緣層位于行間隔與列間隔的交匯處；
d、在上述柔性襯底上設(shè)置形成列電極或行電極，所述列電極、行電極分別位于列間隔、 行間隔內(nèi)。還包括步驟e、在上述石墨烯薄膜陣列、行電極及列電極上設(shè)置保護層。
所述步驟a中，在柔性襯底上形成石墨烯薄膜陣列包括如下步驟 al、提供基礎(chǔ)襯底，在所述基礎(chǔ)襯底上生長石墨烯薄膜；
a2、刻蝕上述基礎(chǔ)襯底上的石墨烯薄膜，以形成石墨烯薄膜陣列，所述石墨烯薄膜陣列包括若干行間隔與列間隔分隔形成的石墨烯導(dǎo)電體；
a3、在上述石墨烯薄膜陣列上涂覆中間過渡層，所述中間過渡層填充于行間隔、列間隔內(nèi)；干燥固化后，使得石墨烯薄膜陣列嵌置于中間過渡層內(nèi)； a4、去除上述基礎(chǔ)襯底，得到石墨烯中間結(jié)合體；
a5、將上述石墨烯中間結(jié)合體轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，并去除石墨烯薄膜陣列上的中間過渡層。所述中間過渡層的材料為PMMA。所述行電極、列電極及絕緣層通過絲網(wǎng)印刷或 CVD方法形成。所述基礎(chǔ)襯底包括銅箔。本發(fā)明的優(yōu)點通過在柔性襯底上設(shè)置石墨烯薄膜陣列，石墨烯薄膜陣列內(nèi)的石墨烯導(dǎo)電體與行電極、列電極電連接，當(dāng)石墨烯導(dǎo)電體受到壓力產(chǎn)生形變時，能通過行電極、列電極輸出相應(yīng)的檢測信息(例如電壓的變化)，檢測精度高；使用壽命更長；更加輕薄， 使得形成的傳感器更加輕??；用于牙齒咬合壓力分布、足底壓力分布、輪胎壓力分布等需要壓力分布測量的領(lǐng)域；提高了使用范圍，安全可靠。


圖1為本發(fā)明柔性襯底上設(shè)置單個石墨烯導(dǎo)電體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中在壓力作用下的形變示意圖。圖;T圖11為本發(fā)明具體實施工藝步驟的流程圖，其中
圖;T圖8為本發(fā)明石墨烯薄膜陣列轉(zhuǎn)移到柔性襯底上的步驟流程圖。圖3為在基礎(chǔ)襯底上生長石墨烯薄膜后的示意圖。圖4為刻蝕石墨烯薄膜得到石墨烯薄膜陣列后的示意圖。圖5為涂覆形成中間過渡層后的示意圖。圖6為去除基礎(chǔ)襯底并轉(zhuǎn)移到柔性襯底上的示意圖。圖7為轉(zhuǎn)移到柔性襯底上后的示意圖。圖8為去除中間過渡層后的示意圖。圖9為形成行電極后的示意圖。圖10為形成絕緣層后的示意圖。圖11為形成列電極后的示意圖。圖12為本發(fā)明得到的分布傳感器的等效電路圖。附圖標記說明000-基礎(chǔ)襯底、001-中間過渡層、100-柔性襯底、110-石墨烯中間結(jié)合體、201-行間隔、202-列間隔、210-行電極、220-列電極、300-石墨烯薄膜、301-石墨烯薄膜陣列、310-石墨烯導(dǎo)電體及400-絕緣層。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1和圖11所示所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器包括柔性襯底100及位于所述柔性襯底100上的石墨烯薄膜陣列301，所述石墨烯薄膜陣列301內(nèi)包括至少一個石墨烯導(dǎo)電體310，石墨烯導(dǎo)電體310與柔性襯底100上的行電極210及列電極220 電連接；所述石墨烯薄膜陣列301由石墨烯薄膜300通過電子束刻蝕得到，并形成若干相互獨立的石墨烯導(dǎo)電體310。其中，圖1中示出了柔性襯底1上設(shè)置單個石墨烯導(dǎo)電體310 的結(jié)構(gòu)，即石墨烯薄膜陣列301內(nèi)只有一個石墨烯導(dǎo)電體310，圖11中示出了柔性襯底100 上設(shè)置若干石墨烯導(dǎo)電體310的結(jié)構(gòu)。石墨烯導(dǎo)電體310在柔性襯底100上呈縱橫交錯的行列分布，行電極210、列電極220在柔性襯底100上也呈縱橫交錯分布，且行電極210與列電極220間通過絕緣層400相絕緣隔離，所述絕緣層400可以采用絕緣樹脂材料。柔性襯底100的材料包括PET (聚對苯二甲酸乙二酯、Polyethylene ter印hthalate)薄膜、聚酰亞胺(Polyimide)薄膜；也可以應(yīng)用在其他等柔性襯底上，當(dāng)石墨烯薄膜陣列301設(shè)置在柔性襯底100上后，能夠適應(yīng)復(fù)雜彎曲的表面應(yīng)用，提高壓力分布傳感器的使用范圍。柔性襯底100上的石墨烯薄膜陣列301包括若干石墨烯導(dǎo)電體310時，石墨烯導(dǎo)電體310與行電極210、列電極220電連接后形成分布式傳感器的連接電極，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的檢測信號輸出。由于石墨烯的極好的導(dǎo)電性，拉伸強度，輕薄等特點，使得這種分布式壓力傳感器具有以下優(yōu)點更好的壓力敏感度；壓力發(fā)生變化使得石墨烯能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 電阻發(fā)生變化，由于載流子在石墨烯中運動速度很快，所以石墨烯對壓力變化的反應(yīng)更加敏感；更長的使用壽命，因為石墨烯的拉伸強度大，可重復(fù)使用的次數(shù)多，使用壽命更長; 更加輕薄，單層石墨烯不到0. 335nm，使得做成的傳感器更加輕薄。如圖;T圖11所示上述結(jié)構(gòu)的壓力分布傳感器通過下述工藝步驟制備，具體地 a、在柔性襯底100上形成石墨烯薄膜陣列301，所述石墨烯薄膜陣列301內(nèi)的石墨烯導(dǎo)
電體310間通過行間隔201、列間隔202相隔離；
目前，由于不能在柔性襯底100上直接得到石墨烯薄膜陣列301，因此需要通過下述工藝步驟實現(xiàn)，在柔性襯底100上形成石墨烯薄膜陣列301包括如下步驟 al、提供基礎(chǔ)襯底000，在所述基礎(chǔ)襯底000上生長石墨烯薄膜300 ； 如圖3所示所述基礎(chǔ)襯底000包括銅箔，在基礎(chǔ)襯底000上通過CVD(chemical vapor exposition，化學(xué)汽相淀積)方法生長石墨烯薄膜300，所述石墨烯薄膜300可以為單層，也可以為多層；
a2、刻蝕上述基礎(chǔ)襯底000上的石墨烯薄膜300，以形成石墨烯薄膜陣列301，所述石墨烯薄膜陣列301包括若干行間隔201與列間隔202分隔形成的若干石墨烯導(dǎo)電體310 ；
如圖4所示利用電子束刻蝕石墨烯薄膜300，從而在石墨烯薄膜300上得到若干交錯分布的行間隔201及列間隔202，所述行間隔210及列間隔202從石墨烯薄膜300表面向下延伸到基礎(chǔ)襯底000的表面，通過行間隔201及列間隔202能夠?qū)⑹┍∧?00分隔出若干石墨烯薄膜導(dǎo)電體310，從而形成石墨烯薄膜陣列301 ；行間隔201及列間隔202在基礎(chǔ)襯底000上呈縱橫交錯分布；
a3、在上述石墨烯薄膜陣列301上涂覆中間過渡層001，所述中間過渡層001填充于行間隔201、列間隔202內(nèi)；干燥固化后，使得石墨烯薄膜陣列301嵌置于中間過渡層001內(nèi)； 如圖5所示利用勻膠機等旋涂設(shè)備，在基礎(chǔ)襯底100對應(yīng)設(shè)置石墨烯薄膜陣列 301表面涂覆一層中間過渡層110，所述中間過渡層001采用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯， PolymethylMethacrylate)；涂覆中間過渡層110后，所述中間過渡層001同時填充相應(yīng)的行間隔201及列間隔202內(nèi)；中間過渡層001干燥后，石墨烯薄膜陣列301與中間過渡層 110相互嵌置形成石墨烯中間結(jié)合體110 ；
a4、去除上述基礎(chǔ)襯底000，得到石墨烯中間結(jié)合體110 ；
如圖6所示當(dāng)上述基礎(chǔ)襯底000采用銅箔時，利用電化學(xué)方法去除基礎(chǔ)襯底000 ；例如利用過硫酸銨溶液去除銅箔，使得過硫酸銨溶液內(nèi)只剩下石墨烯中間結(jié)合體110 ；當(dāng)基礎(chǔ)襯底000采用其他材料時，可以采用相應(yīng)的電化學(xué)方法去除基礎(chǔ)襯底000，且所述基礎(chǔ)襯底000的去除方法為常規(guī)操作，即使用過硫酸銨溶液去除銅箔為常規(guī)的操作步驟，此處不再詳述；
a5、將上述石墨烯中間結(jié)合體110轉(zhuǎn)移到柔性襯底100上，并去除石墨烯薄膜陣列301 上的中間過渡層001。如圖7和圖8所示將基礎(chǔ)襯底000利用電化學(xué)方法去除后，將柔性襯底100放入上述過硫酸銨溶液內(nèi)，經(jīng)過相應(yīng)時間后，中間結(jié)合體110會自動轉(zhuǎn)移到柔性襯底100上， 且中間結(jié)合體100的石墨烯薄膜陣列301的表面與柔性襯底100保持相應(yīng)的連接強度；最后，利用熱的丙酮溶液去除中間過渡層001，以使得石墨烯薄膜陣列301完全轉(zhuǎn)移到柔性襯底100上，完成在柔性襯底100上制作石墨烯薄膜陣列301的過程；
b、在柔性襯底100上設(shè)置形成行電極210或列電極220，所述行電極210、列電極220 分別位于行間隔201、列間隔202內(nèi)；行電極210、列電極220與石墨烯導(dǎo)電體310電連接； 如圖9所示示出了在柔性襯底100上先設(shè)置形成行電極210的示意圖；通過絲網(wǎng)印刷或CVD等成膜方法印刷銀漿形成行電極201，所述行電極201設(shè)置在相應(yīng)的行間隔201內(nèi)， 并與相應(yīng)的石墨烯導(dǎo)電體310電連接；此處，在相應(yīng)的行電極201包括支電極，所述支電極平行于列間隔202，行電極201通過支電極與石墨烯導(dǎo)電體310電連接，通過支電極的連接方式不僅能起到電氣連接作用而且能固定相應(yīng)的石墨烯導(dǎo)電體310 ；
C、在上述行電極210或列電極220上設(shè)置絕緣層400，所述絕緣層400位于行間隔201 與列間隔202的交匯處；
如圖10所示所述絕緣層400可以采用絕緣膠或樹脂材料，由于需要將形成的行電極 210與列電極220絕緣隔離，需要在行電極210與列電極220的結(jié)合部設(shè)置絕緣層400，一般而言，行電極210與列電極220的結(jié)合部位于行間隔201與列間隔202的交匯處；絕緣層 400通過絲網(wǎng)印刷或CVD成膜方法設(shè)置；
d、在上述柔性襯底100上設(shè)置形成列電極220或行電極210，所述列電極220、行電極 210分別位于列間隔202、行間隔201內(nèi)。如圖11所示當(dāng)上述形成行電極210及絕緣層400后，再通過絲網(wǎng)印刷或CVD成膜等方法設(shè)置列電極220，所述列電極220與對應(yīng)的石墨烯導(dǎo)電體310電連接；列電極220、 行電極210與石墨烯導(dǎo)電體310電連接后，能夠形成兩個輸出的電極，當(dāng)相應(yīng)的石墨烯導(dǎo)電體310受到壓力產(chǎn)生形變時，通過行電極210及列電極220能夠?qū)⑿巫儺a(chǎn)生的信息通過輸出，例如電壓的變化，得到的壓力分布式傳感器等效電路如圖12所示。如圖12所示所述傳感器等效為電阻網(wǎng)絡(luò)。還包括步驟e、在上述石墨烯薄膜陣列301、行電極210及列電極220上設(shè)置保護層。為了能夠保護上述壓力分布式傳感器，還需要設(shè)置保護層，所述保護層可以采用絕緣的柔性材料制備，設(shè)置保護層后不應(yīng)影響柔性襯底100與石墨烯間的柔性結(jié)構(gòu)，同時具有絕緣保護能力。所述保護層也通過絲網(wǎng)印刷或CVD成膜方法設(shè)置形成。如圖廣圖12所示使用時，將壓力分布傳感器塑形到所需的形狀，以適應(yīng)相應(yīng)的檢測使用要求，并連接相應(yīng)的行電極210與列電極220。連接后，當(dāng)有壓力作用于傳感器上的石墨烯薄膜陣列301時，石墨烯薄膜陣列301會產(chǎn)生形變，石墨烯自身的禁帶發(fā)生變化， 使得載流子濃度發(fā)生變化，石墨烯導(dǎo)電體310電阻發(fā)生變化，從而行電極210、列電極220將相應(yīng)的信息輸出；當(dāng)上述壓力消失時，石墨烯薄膜陣列301能復(fù)位，便于下一次使用。由于壓力分布傳感器能根據(jù)需要塑形，因此本發(fā)明的壓力分布傳感器能適用復(fù)雜彎曲的表面。本發(fā)明通過在柔性襯底100上設(shè)置石墨烯薄膜陣列301，石墨烯薄膜陣列301內(nèi)的石墨烯導(dǎo)電體310與行電極210、列電極220電連接，當(dāng)石墨烯導(dǎo)電體310受到壓力產(chǎn)生形變時，能通過行電極210、列電極220輸出相應(yīng)的檢測信息，例如電壓的變化，檢測精度高； 使用壽命更長；更加輕薄，使得形成的傳感器更加輕薄；用于牙齒咬合壓力分布、足底壓力分布、輪胎壓力分布等需要壓力分布測量的領(lǐng)域；提高了使用范圍，安全可靠。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，其特征是包括柔性襯底(100)，所述柔性襯底(100)上設(shè)有石墨烯薄膜陣列(301)，所述石墨烯薄膜陣列(301)內(nèi)包括至少一個石墨烯導(dǎo)電體(310)，所述石墨烯導(dǎo)電體(310)與柔性襯底(100)上的行電極(210)及列電極(220)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，其特征是所述柔性襯底(100)的材料包括PET或聚酰亞胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，其特征是所述行電極(210 )與列電極(220 )在柔性襯底(100 )上呈縱橫交錯分布，且行電極(210 )與列電極(220)通過絕緣層(400)相絕緣隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，其特征是 所述行電極(210)、列電極(220)在柔性襯底(100)上采用銀漿絲網(wǎng)印刷或CVD成膜方法形成。
5.一種基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，其特征是，所述壓力分布傳感器的制備方法包括如下步驟(a)、在柔性襯底(100)上形成石墨烯薄膜陣列(301)，所述石墨烯薄膜陣列(301)內(nèi)的石墨烯導(dǎo)電體(310 )間通過行間隔(201)、列間隔(202 )相隔離;(b )、在柔性襯底(100 )上設(shè)置形成行電極(210 )或列電極(220 )，所述行電極(210 )、列電極(220 )分別位于行間隔(201)、列間隔(202 )內(nèi)；行電極(210 )、列電極(220 )與石墨烯導(dǎo)電體(310)電連接；(c )、在上述行電極(210 )或列電極(220 )上設(shè)置絕緣層(400 )，所述絕緣層(400 )位于行間隔(201)與列間隔(202)的交匯處；(d)、在上述柔性襯底(100)上設(shè)置形成列電極(220)或行電極(210)，所述列電極 (220)、行電極(210)分別位于列間隔(202),行間隔(201)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，其特征是還包括步驟(e)、在上述石墨烯薄膜陣列(301)、行電極(210)及列電極(220)上設(shè)置保護層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，其特征是所述步驟(a)中，在柔性襯底(100)上形成石墨烯薄膜陣列(301)包括如下步驟(al)、提供基礎(chǔ)襯底(000)，在所述基礎(chǔ)襯底(000)上生長石墨烯薄膜(300)； (a2)、刻蝕上述基礎(chǔ)襯底(000)上的石墨烯薄膜(300)，以形成石墨烯薄膜陣列(301)， 所述石墨烯薄膜陣列(301)包括若干行間隔(201)與列間隔(202)分隔形成的石墨烯導(dǎo)電體(310)；(a3)、在上述石墨烯薄膜陣列(301)上涂覆中間過渡層(001)，所述中間過渡層(001) 填充于行間隔(201)、列間隔(202)內(nèi)；干燥固化后，使得石墨烯薄膜陣列(301)嵌置于中間過渡層(001)內(nèi)；(a4 )、去除上述基礎(chǔ)襯底(000 )，得到石墨烯中間結(jié)合體(110); (a5)、將上述石墨烯中間結(jié)合體(110)轉(zhuǎn)移到柔性襯底(100)上，并去除石墨烯薄膜陣列(301)上的中間過渡層(001)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，其特征是所述中間過渡層(001)的材料為PMMA。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，其特征是所述行電極(210)、列電極(220)及絕緣層(400)通過絲網(wǎng)印刷或CVD方法形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器制備方法，其特征是所述基礎(chǔ)襯底(000)包括銅箔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于石墨烯的陣列式柔性壓力分布傳感器，其包括柔性襯底，所述柔性襯底上設(shè)有石墨烯薄膜陣列，所述石墨烯薄膜陣列內(nèi)包括至少一個石墨烯導(dǎo)電體，所述石墨烯導(dǎo)電體與柔性襯底上的行電極及列電極電連接。本發(fā)明通過在柔性襯底上設(shè)置石墨烯薄膜陣列，石墨烯薄膜陣列內(nèi)的石墨烯導(dǎo)電體與行電極、列電極電連接，當(dāng)石墨烯導(dǎo)電體受到壓力產(chǎn)生形變時，能通過行電極、列電極輸出相應(yīng)的檢測信息，例如電壓的變化，檢測精度高；使用壽命更長；更加輕薄，使得做成的傳感器更加輕??；用于牙齒咬合壓力分布、足底壓力分布、輪胎壓力分布等需要壓力分布測量的領(lǐng)域；提高了使用范圍，安全可靠。
文檔編號G01L1/18GK102564657SQ20121001302
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者康威, 武斌, 王慰, 王雯, 胡慶慶 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心