一種基于石墨烯材料的風速測試器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯材料的風速測試器，所述風速測試器包括石墨烯薄膜與聚合物雙層結構、三維共形石墨烯，所述雙層結構在石墨烯薄膜面設有一個電極，所述三維共形石墨烯設有另一個電極，所述雙層結構與三維共形石墨烯以聚合物為接觸面疊合，電極之間由導線連接，所述導線上接有電源及儀表。本發(fā)明還公開了所述風速測試器的制備方法。該風速測試器能夠滿足日常所有的風速測試，能夠實時的反應風速變化，并具有很高的靈敏度和穩(wěn)定性。該風速測試器的生物兼容性好，重量輕，且結構簡單，加工方便，可通過石墨烯材料制備轉移后直接得到。
【專利說明】
一種基于石墨烯材料的風速測試器及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領域，具體涉及一種基于石墨烯材料的風速測試器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]“風速測試儀”是指能感受風壓并將風壓轉換成可用輸出信號的傳感器件，其作用主要用于監(jiān)測風速、風量(風量=風速X橫截面積)大小的重要儀表?！帮L速檢測儀”主要由“高性能風速傳感器”和“整機微電腦檢測控制儀”兩部分組成，因此可同時監(jiān)測并顯示所測風速等的變化?！帮L速檢測儀”具有廣闊的應用前景，在市場上，其已在氣象、路橋、樓宇、環(huán)境監(jiān)測、航海測量和新能源等需要進行風速檢測的領域中使用。風速采用LED方式數(shù)字顯示，常規(guī)“風速檢測儀”風速的測量范圍:0-30m/s，并可設定和顯示風速的上限值和下限值，風速檢測儀可控制輸出設備或接風屏器進行輸出報警。
[0003]但是，目前市場上的“風速檢測儀”仍然存在許多局限，例如:其構造上需要復雜的硬件電路結構以及軟件程序;而且大都應用范圍較窄，很難在高溫、高濕、多塵和陽光直射等地方應用；同時像市場上常見的螺旋槳式風速傳感器、三杯式風速傳感器以及超聲波風速傳感器等“風速檢測儀”，目前應用還不太成熟，并且靈敏度較低、精度較差，動態(tài)性能一般等缺點。考慮到結構優(yōu)化、測量性能提高、可靠性加倍、降低成本等因素，本發(fā)明提供了一種基于石墨烯材料的風速測試器。
[0004]石墨烯作為一種二維的單原子層薄膜材料，是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，具有優(yōu)異的機械性能。石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。石墨烯的電阻率極低，電子迀移的速度極快，并具有良好的透明度和導熱性，被期待可用來發(fā)展更薄、導電速度更快的新一代電子元件。三維共形石墨烯擁有優(yōu)異的機械特性、高的靈敏度以及穩(wěn)定性，在三維共形石墨烯上組裝上石墨烯/聚合物結構，可以直接用于風壓的測試，在傳感器領域可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

【發(fā)明內容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯材料的風速測試器及其制備方法，該風速測試器具有結構簡單、加工方便、靈敏度高、重量輕，柔性和生物兼容性好等優(yōu)點。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明提供了如下的技術方案:
[0007]1、一種基于石墨烯材料的風速測試器，所述風速測試器包括石墨烯薄膜與聚合物雙層結構、三維共形石墨烯，所述雙層結構在石墨烯薄膜面設有一個電極，所述三維共形石墨烯設有另一個電極，所述雙層結構與三維共形石墨烯以聚合物為接觸面疊合，電極之間由導線連接，所述導線上接有電源及儀表。
[0008]優(yōu)選的，所述三維共形石墨烯采用具有三維光柵結構的石英基底表面沉積石墨烯
ntjD
[0009]優(yōu)選的，所述聚合物為PDMS，PDMS為聚二甲基硅氧烷的英文縮寫。
[0010]2、所述基于石墨烯材料的風速測試器的制備方法，包括如下步驟:
[0011 ] I)制備三維共形石墨烯:在石英基底表面制備具有周期性的光柵結構，然后采用管式化學氣相沉積法在光柵結構表面沉積石墨烯薄膜，得到三維共形石墨烯；
[0012]2)制備石墨烯薄膜與聚合物雙層結構:在金屬基底上采用化學氣相沉積法制備石墨烯薄膜，采用聚合物轉移石墨烯形成石墨烯薄膜與聚合物雙層結構；
[0013]3)制備電極:將三維共形石墨烯和金屬導線一端連接作為電極，將石墨烯薄膜和金屬導線另一端連接作為電極，然后將雙層結構與三維共形石墨烯以聚合物為接觸面疊入口 ο
[0014]進一步，所述制備方法還包括步驟4):將所述測試器與電源及儀表連接，逐漸改變吹風速度進行傳感特性的測試。
[0015]優(yōu)選的，步驟2)所述金屬基底為銅箔或鎳箔。
[0016]優(yōu)選的，制作電極采用銀漿刷涂、熱蒸鍍、直流磁共濺射、絲網(wǎng)印刷或光刻方法。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
[0018]本發(fā)明提供的基于石墨烯材料的風速測試器由“石墨烯與聚合物雙層結構”和“三維共形石墨烯”分別連接一端電極上下復合形成，能夠滿足日常所有的風速測試，能夠實時的反應風速變化，并具有很高的靈敏度和穩(wěn)定性。該風速測試器的生物兼容性好，重量輕，且結構簡單，加工方便，可通過石墨烯材料制備轉移后直接得到。
[0019]本發(fā)明所公開的風速測試器能夠測量0-12級風所對應的風壓，并可由該風壓得出對應的風速，與目前市場上的風速測試器的測試范圍一致，能夠測試0-30m/s的風速。
【附圖說明】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖:
[0021]圖1表不基于CVD法制備石墨稀材料的原理圖；
[0022]圖2表示三維共形石墨烯的剖面圖；
[0023]圖3表示基于石墨烯材料的風速測試器的結構；
[0024]圖4表示風速測試器的風速傳感特性；
[0025]圖5表示0-8級風力等級所對應的電流與風壓的放大圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0027]基于石墨烯材料的風速測試器的的制備步驟如下:
[0028]步驟1:石墨烯薄膜與PDMS雙層結構的制備
[0029]先將基材銅箔置于丙酮、95vol%乙醇、純水中各超聲清洗2min，用氮氣吹干，然后放置于管式CVD系統(tǒng)的真空腔體中進行石墨烯的制備，獲得石墨烯薄膜，如圖1所示，其中I為CVD管式爐，2為氣體反應腔體，3為石墨烯材料，4為生長基底，5為機械栗。將所得的石墨烯薄膜上旋涂一層厚度為50um的PDMS，置于80 °C烘箱中固化PDMS，獲得PDMS/石墨烯/銅箔結構?？涛g銅箔，再將所得的結構用去離子水、鹽酸等反復清洗，氮氣吹干獲得TOMS與石墨烯薄膜雙層結構。
[0030]步驟2:三維共形石墨烯的制備
[0031]首先，利用光柵結構掩膜版在石英基底表面光刻，顯影得到光柵結構的表面圖形；然后用等離子體刻蝕方法，采用三氟甲烷氣體來刻蝕石英基底，制備得到具有周期性的光柵結構，得到表面具有三維光柵結構的石英基底;采用管式化學氣相沉積(CVD)方法，如圖1所示，在表面具有三維光柵結構的石英基底上沉積石墨烯薄膜，得到三維共形石墨烯，如圖2所示，其中I表示三維共形石墨烯，2表示三維光柵結構石英基底。其制備溫度為10500C，沉積時間為90min，氣體種類與流量比為:氬氣:氫氣:甲烷=200:60:5。
[0032]步驟3:制作電極
[0033]采用蒸發(fā)噴鍍法將銀導線與石墨烯與PDMS雙層結構的石墨烯面的一端連接起來作為電極。采用噴墨打印法將銀導線與石墨烯納米墻一端連接起來作為電極。將石墨烯薄膜與PDMS雙層結構單電極與三維共形石墨烯單電極上下重疊起來作為電極。
[0034]步驟4::基于石墨烯材料的風速測試器的制作及傳感性能的測試
[0035]將上述所得的基于石墨烯材料的風速測試器與電源、儀表連接，如圖3所示，其中I表示三維共形石墨烯，2為三維光柵結構的石英基底，3為聚合物，4為石墨烯薄膜，5為金屬電極，6為風速，7為儀表，8為電源，采用公式:
[0036]y = 8.36X10—13.exp[x/58.61 ]+6.37 X10—7.exp[x/506.82]-5.4X10—7，其中 y 代表電流，X代表風壓，對該風速測試器進行傳感性能測試，得到如圖4所示的在不同風壓下測得的電流值，其中O?12表示風力等級，圖5表示0-8級風力等級所對應的電流與風壓的放大圖。
[0037]由圖4和圖5可看出，本發(fā)明公開的基于石墨烯材料的風速測試器可以通過電壓電流值對應上風速大小。
[0038]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1.一種基于石墨烯材料的風速測試器，其特征在于:所述風速測試器包括石墨烯薄膜與聚合物雙層結構、三維共形石墨烯，所述雙層結構在石墨烯薄膜面設有一個電極，所述三維共形石墨烯設有另一個電極，所述雙層結構與三維共形石墨烯以聚合物為接觸面疊合，電極之間由導線連接，所述導線上接有電源及儀表。2.根據(jù)權利要求1所述一種基于石墨烯材料的風速測試器，其特征在于，所述三維共形石墨烯采用具有三維光柵結構的石英基底表面沉積石墨烯而成。3.根據(jù)權利要求1所述一種基于石墨烯材料的風速測試器，其特征在于，所述聚合物為PDMS04.權利要求1?3任一項所述基于石墨烯材料的風速測試器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)制備三維共形石墨烯:在石英基底表面制備具有周期性的光柵結構，然后采用管式化學氣相沉積法在光柵結構表面沉積石墨烯薄膜，得到三維共形石墨烯； 2)制備石墨烯薄膜與聚合物雙層結構:在金屬基底上采用化學氣相沉積法制備石墨烯薄膜，采用聚合物轉移石墨烯形成石墨烯薄膜與聚合物雙層結構； 3)制備電極:將三維共形石墨稀和金屬導線一端連接作為電極，將石墨稀薄膜和金屬導線另一端連接作為電極，然后將雙層結構與三維共形石墨烯以聚合物為接觸面疊合。5.根據(jù)權利要求4所述基于石墨烯材料的風速測試器的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括步驟4):將所述測試器與電源及儀表連接，逐漸改變吹風速度進行傳感特性的測試。6.根據(jù)權利要求4所述基于石墨烯材料的風速測試器的制備方法，其特征在于，步驟2)所述金屬基底為銅箔或鎳箔。7.根據(jù)權利要求4所述基于石墨烯材料的風速測試器的制備方法，其特征在于，制作電極采用銀漿刷涂、熱蒸鍍、直流磁共濺射、絲網(wǎng)印刷或光刻方法。
【文檔編號】C03C17/22GK106093461SQ201610368793
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】魏大鵬, 宋雪芬, 冉秦翠, 孫泰, 楊俊 , 于樂泳, 胡云, 史浩飛, 杜春雷
【申請人】中國科學院重慶綠色智能技術研究院