一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚及其制備方法，該石墨烯電子皮膚包括兩層柔性襯底和覆蓋在其內(nèi)表面的石墨烯薄膜。當(dāng)三維柔性襯底受到擠壓、拉伸等外界作用力時(shí)，上下兩層石墨烯層的接觸面積將發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致兩層間的接觸電阻發(fā)生變化，通過(guò)讀取電壓或者電流信號(hào)，就可反映電子皮膚在外力下的形態(tài)變化。本發(fā)明提供的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚是透明的，具有超輕超薄，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所述的石墨烯綠色無(wú)毒，可以兼容人體，在皮膚上使用更為健康。
【專利說(shuō)明】一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，涉及一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]電子皮膚是一種可以像人類皮膚一樣感知外部壓力和傳導(dǎo)觸覺信號(hào)的傳感器件。電子皮膚在多個(gè)方面具有很好的應(yīng)用前景。電子皮膚可以用于改進(jìn)目前沒有感知力的假肢。電子皮膚應(yīng)用于機(jī)器人，使機(jī)器人產(chǎn)生觸覺，可以像衣服一樣覆蓋于表面，能夠讓機(jī)器人感知到物體的方位、形狀、硬度等信息。自“Sensitive Skin Workshop”確定了全球電子皮膚發(fā)展框架至今，10余年的迅速發(fā)展，電子皮膚已成為柔性電子學(xué)發(fā)展與應(yīng)用的集大成者。尤其，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)羅杰斯教授(John A Rogers)通過(guò)金屬基的微電路設(shè)計(jì)，綜合集成柔性顯示、柔性傳感、柔性發(fā)光以及無(wú)線傳感等多功能于電子皮膚。目前，電子皮膚面臨諸多的挑戰(zhàn):現(xiàn)有的電子皮膚對(duì)應(yīng)變的靈敏度和信號(hào)強(qiáng)度普遍較低，金、銀等重金屬對(duì)人體存在毒性，同時(shí)制作工藝復(fù)雜，很難形成成熟的應(yīng)用。
[0003]石墨烯是一種新型的二維晶體材料，單層碳原子按照正六角型呈蜂巢狀排布。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov首次在實(shí)驗(yàn)中由機(jī)械剝離石墨獲得單層石墨烯，而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于石墨烯低維量子特性和獨(dú)特SP2雜化形成的大η鍵，其自由電子氣表現(xiàn)為二維無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子氣，因而表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的性質(zhì)。石墨烯具有超高的機(jī)械強(qiáng)度，在電子皮膚中表現(xiàn)為很好的柔性。單層石墨烯具有超高的導(dǎo)電性、透光性和超大的比表面積，因而石墨烯的電子皮膚將更為節(jié)能，同時(shí)透明、超輕超薄。更重要的是，石墨烯綠色無(wú)毒，可以兼容人體，在皮膚上使用更為健康。
[0004]在電子皮膚的應(yīng)用中，石墨烯電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將大大提升其可靠性及其對(duì)應(yīng)力應(yīng)變探測(cè)的靈敏度。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)電子皮膚的應(yīng)變強(qiáng)度、壓力范圍、彎曲角度等探測(cè)的閾值范圍和靈敏度都有不同的要求，因而必須通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚及其制備方法。該電子皮膚對(duì)擠壓、拉伸、彎曲等應(yīng)變有優(yōu)良的探測(cè)特性。
[0006]本發(fā)明的目的之一是提供一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚；本發(fā)明的目的之二是提供一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制備方法。
[0007]本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，該石墨烯電子皮膚包括兩層柔性襯底和覆蓋在其內(nèi)表面的石墨烯薄膜。
[0009]進(jìn)一步，所述石墨烯電子皮膚上下兩層均為三維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有三維共形的石墨烯薄膜。
[0010]進(jìn)一步，所述石墨烯電子皮膚的上層為三維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有三維共形的石墨烯薄膜，下層為二維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有石墨烯薄膜。
[0011]進(jìn)一步，所述柔性襯底的材料包括:聚氨酯(PU)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、有機(jī)玻璃(PMMA)、硅橡膠(PDMS)、UV固化膠。
[0012]進(jìn)一步，所述石墨烯薄膜為單原子層石墨烯、雙原子層石墨烯或多原子層石墨烯。
[0013]進(jìn)一步，所述三維柔性襯底的表面三維結(jié)構(gòu)包括:微孔結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、曲面突起結(jié)構(gòu)、錐狀結(jié)構(gòu)、柵條結(jié)構(gòu)及其任意曲面結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0015]本發(fā)明提供的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0016]S1:通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯薄膜；
[0017]S2:通過(guò)濕法刻蝕去除SI步驟中的金屬襯底，再通過(guò)復(fù)形轉(zhuǎn)移的方法將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至三維柔性襯底或者二維平面襯底表面制成膜片；
[0018]S3:制作金屬電極，并將其通過(guò)引線接出；
[0019]S4:將上下兩片石墨烯柔性基片相向貼合，并完成器件封裝。
[0020]進(jìn)一步,所述化學(xué)氣相沉積方法為Au、Ag、Cu、N1、Pd、Ru等金屬催化的化學(xué)氣相沉積方法。
[0021]進(jìn)一步，所述三維柔性襯底的制作通過(guò)熱固化或者紫外固化的方法應(yīng)用壓印設(shè)備進(jìn)行。
[0022]進(jìn)一步，所述金屬電極的制作方法包括:絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、金屬光刻。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚對(duì)擠壓、拉伸、彎曲等應(yīng)變有優(yōu)良的探測(cè)特性，該皮膚是透明的，具有超輕超薄，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所述的石墨烯綠色無(wú)毒，可以兼容人體，在皮膚上使用更為健康。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0025]圖1為三維共形石墨烯電子皮膚結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為三維共形石墨烯電子皮膚另一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為柔性襯底表面的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為石墨烯電子皮膚在周期性擠壓外力作用下的測(cè)試結(jié)果；
[0029]其中，I為具有三維表面結(jié)構(gòu)的柔性基片機(jī)體；2為共形石墨烯；3為石墨烯薄膜；4為具有平面柔性基片機(jī)體；5為電流計(jì)；6為金屬引線；7為內(nèi)表面；11為具有柔性基片機(jī)體；12為微孔結(jié)構(gòu)；13為柱狀結(jié)構(gòu)；14為曲面凸起結(jié)構(gòu)；15為錐形結(jié)構(gòu)；16為柵條結(jié)構(gòu)；17為曲面柵條結(jié)構(gòu)；18為任意表面三維結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0031]本發(fā)明提供了一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，該石墨烯電子皮膚包括兩層柔性襯底和覆蓋在其內(nèi)表面的石墨烯薄膜。
[0032]該電子皮膚主要分為兩類:一類如圖1所示，電子皮膚上下兩層均為三維柔性襯底且其內(nèi)表面覆蓋有三維共形的石墨烯薄膜；另一類如圖2所示，電子皮膚的上層為三維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有三維共形的石墨烯薄膜，下層為二維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有石墨烯薄膜。
[0033]基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚工作原理為:三維柔性襯底受到擠壓、拉伸等外界作用力時(shí)，上下兩層石墨烯層的接觸面積將發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致兩層間的接觸電阻發(fā)生變化，通過(guò)讀取電壓或者電流信號(hào)，就可反映電子皮膚在外力下的形態(tài)變化。
[0034]圖3為柔性襯底表面的三維結(jié)構(gòu)，包括:微孔結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、曲面突起結(jié)構(gòu)、錐狀結(jié)構(gòu)、柵條結(jié)構(gòu)及其任意曲面結(jié)構(gòu)。柔性襯底材料包括:聚氨酯(PU)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、有機(jī)玻璃(PMMA)、硅橡膠(PDMS)、UV固化膠。
[0035]本發(fā)明所述的石墨烯薄膜為單原子層、雙原子層或多原子層石墨烯中的一種。
[0036]基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制作方法，包括如下步驟:
[0037]S1:通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯薄膜；
[0038]S2:通過(guò)濕法刻蝕去除SI步驟中的金屬襯底，再通過(guò)復(fù)形轉(zhuǎn)移的方法將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至三維柔性襯底或者二維平面襯底表面制成膜片；
[0039]S3:制作金屬電極，并將其通過(guò)引線接出；
[0040]S4:將上下兩片石墨烯柔性基片相向貼合，并完成器件封裝。
[0041]其中，化學(xué)氣相沉積方法為Au、Ag、Cu、N1、Pd、Ru等金屬催化的化學(xué)氣相沉積方法；三維柔性襯底的制作通過(guò)熱固化或者紫外固化的方法應(yīng)用壓印設(shè)備進(jìn)行；金屬電極通過(guò)絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、金屬光刻等方法進(jìn)行制作。
[0042]實(shí)施例1:
[0043](I)通過(guò)甲烷作為碳源氣體，氫氣作為載流氣體，選擇Cu箔作為生長(zhǎng)襯底，在高溫管式爐中生長(zhǎng)石墨烯薄膜。生長(zhǎng)溫度為1000°c，氣壓維持在lX103Pa左右，生長(zhǎng)時(shí)間為20分鐘，生長(zhǎng)單層石墨烯薄膜。
[0044](2)通過(guò)模壓設(shè)備制作有表面三維結(jié)構(gòu)的柔性PDMS基底，其表面結(jié)構(gòu)為曲面凸起陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸在100微米左右，并將生長(zhǎng)有石墨烯的銅箔與柔性PDMS襯底壓合在一起，通過(guò)FeC13溶液刻蝕去除Cu箔，石墨烯轉(zhuǎn)移至三維柔性PDMS表面；最后將其放置于80°C熱板上烘烤20分鐘，去除水汽并使石墨烯緊密貼合于PDMS表面。
[0045](3)通過(guò)銀漿通過(guò)印刷的方式將制作電極，并綁定銀線作為引線引出。
[0046](4)將上下兩片石墨烯/PDMS柔性薄膜按照?qǐng)D1的方式上下貼合，在外圍用OCA膠粘合封裝。
[0047]本實(shí)施例制作的電子皮膚可探測(cè)橫向形變，并反應(yīng)橫向方向的應(yīng)力。
[0048]實(shí)施例2:
[0049](I)通過(guò)甲烷作為碳源氣體，氫氣作為載流氣體，選擇Ni箔作為生長(zhǎng)襯底，在高溫管式爐中生長(zhǎng)石墨烯薄膜。生長(zhǎng)溫度為950°C，氣壓維持在lX103Pa左右，生長(zhǎng)時(shí)間為30分鐘，生長(zhǎng)多層碳原子的石墨烯薄膜。
[0050](2)在有平整表面的PET薄膜表面轉(zhuǎn)移石墨烯的具體方法為:在石墨烯/Ni基片表面貼合熱釋放膠帶，在放置于Ni刻蝕溶液中去除Ni箔，石墨烯轉(zhuǎn)移至熱釋放膠帶表面，然后將其貼合于PET表面，在110°C加熱5分鐘，熱釋放膠帶脫離，石墨烯轉(zhuǎn)移至PET薄膜表面上。
[0051](3)對(duì)于三維表面結(jié)構(gòu)的PDMS基底的制作與石墨烯的轉(zhuǎn)移步驟為:通過(guò)模壓設(shè)備制作有表面三維結(jié)構(gòu)的柔性PDMS基底，其表面結(jié)構(gòu)為曲面凸起陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸在100微米左右，并將生長(zhǎng)有石墨烯的銅箔與柔性PDMS襯底壓合在一起，通過(guò)FeC13溶液刻蝕去除Cu箔，石墨烯轉(zhuǎn)移至三維柔性PDMS表面；最后將其放置于80°C熱板上烘烤20分鐘，去除水汽并使石墨烯緊密貼合于PDMS表面。
[0052](4)通過(guò)銀漿通過(guò)印刷的方式將制作電極，并綁定銀線作為引線引出。
[0053](5)將石墨烯/PDMS柔性薄膜和石墨烯/PET薄膜按照?qǐng)D2的方式上下貼合，在外圍用OCA膠粘合封裝。
[0054]本實(shí)施例制作的石墨烯電子皮膚的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，可以探測(cè)擠壓形變。
[0055]最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，其特征在于:該石墨烯電子皮膚包括兩層柔性襯底和覆蓋在其內(nèi)表面的石墨烯薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，其特征在于:所述兩層柔性襯底均為三維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有三維共形的石墨烯薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，其特征在于:所述石墨烯電子皮膚的上層為三維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有三維共形的石墨烯薄膜，下層為二維柔性襯底，且其內(nèi)表面覆蓋有石墨烯薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，其特征在于:所述柔性襯底的材料為聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有機(jī)玻璃、硅橡膠、UV固化膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，其特征在于:所述石墨烯薄膜為單原子層石墨烯、雙原子層石墨烯或多原子層石墨烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚，其特征在于:所述三維柔性襯底的表面三維結(jié)構(gòu)包括:微孔結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、曲面突起結(jié)構(gòu)、錐狀結(jié)構(gòu)、柵條結(jié)構(gòu)。
7.一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 51:通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯薄膜； 52:通過(guò)濕法刻蝕去除SI步驟中的金屬襯底，再通過(guò)復(fù)形轉(zhuǎn)移的方法將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至三維柔性襯底或者二維平面襯底表面制成膜片； 53:制作金屬電極，并將其通過(guò)引線接出； 54:將上下兩片石墨烯柔性基片相向貼合，并完成器件封裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述化學(xué)氣相沉積方法為Au、Ag、Cu、N1、Pd、Ru金屬催化的化學(xué)氣相沉積方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述三維柔性襯底通過(guò)熱固化或者紫外固化的方法應(yīng)用壓印設(shè)備制作。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于三維柔性襯底石墨烯的電子皮膚的制備方法，其特征在于:所述金屬電極的制作方法包括絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、金屬光刻。
【文檔編號(hào)】G01L1/20GK104359597SQ201410653119
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】魏大鵬, 楊俊 , 邵麗, 史浩飛, 杜春雷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院