一种石墨烯应变传感器阵列的制作方法

本发明涉及一种石墨烯柔性传感器阵列。

背景技术：

可穿戴设备、电子皮肤、智能传感正积极地改变人们认知、思考和行为的方式。Google Glass、iWatch、Electronic Tattoo等为人们提供了立体的视觉体验，扩展了丰富的信息维度，挖掘了系统的健康大数据。可穿戴式设备、电子皮肤等可以像人体皮肤一样感知外部压力、应变、温度、气流以及触觉信号的传感器件。因其优异的特性，电子皮肤广泛应用于健康监测、人机识别以及，使机器人产生触觉，可以像衣服一样覆盖于表面，能够让机器人感知到物体的方位、形状、硬度等信息。尽管如此，人们对高品质生活、多资源获取，新感官体验的不断追求给未来的可穿戴设备还是形成了极大的挑战。特别地，在人体健康检测、人机交互以及军事领域，笨重的穿戴武器装备和供能系统严重地限制了士兵的作战灵活性，复杂多变的战地环境也使得这些设备无法经得起考验。美国伊利诺伊大学罗杰斯教授(John A Rogers)通过金属基的微电路设计，综合集成柔性显示、柔性传感、柔性发光以及无线传感等多功能于电子皮肤。然而，传感器单元作为电子皮肤、可穿戴式设备的核心面临诸多的挑战：现有的智能传感单元的灵敏度和信号强度普遍较低；柔性电路中所常用的金、银等贵金属的柔性、生物兼容性较差，而且工艺复杂，难以形成成熟的应用。

石墨烯，目前最先进的二维纳米材料，能够赋予可穿戴设备崭新的特性、崭新的功能、崭新的概念。它同时具备优异的光学、电学、力学、热学性能。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，其断裂强度为42N/m2，强度可达130 GPa，是钢铁强度的100多倍；其具有优异的透光性，对可见光和红外光的光学吸收率仅为2.3%；在常温下电子迁移率超过15000 cm2/V•s，电阻率仅为10-6Ω/cm，比铜和银更低，是目前世界上电阻率最小的材料；除此之外，石墨烯的碳原子之间的连接很柔韧，从而使得石墨烯具有相当的柔韧性和稳定性，适当的弯曲形变也不会影响石墨烯的性能。薄膜石墨烯化学稳定，相对传统的金属材料拥有更好的生物兼容性，基于石墨烯的可穿 戴式设备会更加智能绿色，生态友好，更富人体工学设计。石墨烯以其优异而独特的光学、电学以及力学特性吸引了科学界和工业界的广泛关注，在可穿戴式设备、电子皮肤、智能传感器、生物传感器等领域具有广泛的应用前景。

应该看到，石墨烯正逐步应用于传感器，但是目前的应变传感器智能感知单一方向的应变变化，而难以实现X方向和Y方向两个方向应变变化的同时检测，尤其对于传感器阵列而言，更难以区分。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种石墨烯应变传感器阵列，可以同时检测横向和纵向（即X向和Y向）两个方向的应变变化。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种石墨烯应变传感器阵列，包括阵列电路板以及阵列电路板上布置的阵列电路，所述阵列电路板上设置有若干与阵列电路连接的石墨烯应变传感单元；所述石墨烯应变传感单元依靠信号采集及处理系统将采集到信号转换为应变值；所述石墨烯应变传感单元包括两块纵横交叉布置的感应薄膜，该感应薄膜由石墨烯层和弹性聚合物层复合而成；所述感应薄膜两端设置有电极。

作为一种改进，所述阵列电路板上表面开有镂空孔；所述石墨烯应变传感单元与阵列电路板贴合，并将所述镂空孔遮蔽。在石墨烯应变传感单元下方设置镂空孔，使得感应薄膜具更大的应变空间，在提高了感应薄膜应变极限的前提下，提高了传感器的量程。

作为一种优选，所述镂空孔位于石墨烯应变传感单元正中间，其面积为石墨烯应变传感单元面积的25%~81%，可以提高石墨烯应变传感器的灵敏度。

作为一种优选，石墨烯应变传感单元可组成1×1～100×100的阵列，每个石墨烯应变传感单元的长为1mm～20mm，宽为1mm～20mm。

作为一种改进，所述感应薄膜具有石墨烯层一面有若干微纳米结构。该微纳米结构是在弹性聚合物表面设置若干凹陷，而石墨烯层沿凹陷敷设于弹性聚合物表面。这种微纳米结构让薄膜产生一定的折叠效应，增加了薄膜的柔韧性。

作为一种优选，所述弹性聚合物层由聚二甲基硅氧烷或者聚氨酯橡胶或者有机硅橡胶中的一种制造；所述弹性聚合物层的厚度为10~500 um。

作为一种优选，石墨烯层为三维石墨烯纳米墙或者石墨烯微片，，其厚度为20nm~2um。

作为一种改进，所述阵列电路包括纵向电路和横向电路，分布于各个石墨烯应变传感单元之间，与各个石墨烯应变传感单元两端连接；并通过模拟开关控制石墨烯应变传感单元的选通。便于布线，减小电路板的体积。另外增加模拟开关以对各个石墨烯应变传感单元进行选择性的开闭。

作为一种改进，所述两块感应薄膜为大小相等矩形，其相互垂直且在中心点相互交叉布置。使得应变感应单元在横向和纵向具有相同的感应参数。

本发明的有益之处在于：具有上述结构的石墨烯应变传感器阵列，能够同时感应横向和纵向的应变变化，大大扩展了传感器阵列的应用范围，使得石墨烯应变传感器具有更加多元化的发展。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为石墨烯应变传感单元的结构示意图。

图3为石墨烯应变传感单元的A-A剖视图。

图4为感应薄膜的结构示意图。

图5为具有微纳米结构的感应薄膜的结构示意图。

图中标记：1阵列电路板、2石墨烯应变传感单元、3阵列电路、21镂空孔、22感应薄膜、23电极、221三维石墨烯纳米墙、222弹性聚合物层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，本发明包括一种石墨烯应变传感器阵列，包括阵列电路板1以及阵列电路板1上布置的阵列电路3，所述阵列电路板1上设置有若干与阵列电路3连接的石墨烯应变传感单元2；所述石墨烯应变传感单元2依靠信号采集及处理系统将采集到信号转换为应变值。所述石墨烯应变传感单元2包括两块纵横交叉布置的感应薄膜22，该感应薄膜22由石墨烯层和弹性聚合物层222复合而成；所述感应薄膜22两端设置有电极23。最好两块感应薄膜22为大小相等矩形，其相互垂直且在中心点相互交叉布置。阵列电路板1上表面开有镂空孔21；所述石墨烯应变传感单元2与阵列电路板1贴合，并将所述镂空孔21遮蔽。镂空孔21位于石墨烯应变传感单元2正中，其面积为石墨烯应变传感单元2面积的25%~81%，最好为64%。感应薄膜21具有石墨烯层一面有若干微纳米结构。该微纳米结构是在弹性聚合物表面设置若干凹陷，而石墨烯层沿凹陷敷设于弹性聚合物表面。弹性聚合物层222由聚二甲基硅氧烷或者聚氨酯橡胶或者有机硅橡胶中的一种制造；所述弹性聚合物层222的厚度为10-500 um。石墨烯层为三维石墨烯纳米墙211或者石墨烯微片，其厚度为20nm-2um。阵列电路5包括纵向电路和横向电路，分布于各个石墨烯应变传感单元2之间，与各个石墨烯应变传感单元2两端连接；并通过模拟开关控制石墨烯应变传感单元2的选通。阵列电路板1可以选用柔性电路板或者刚性电路板。

石墨烯应变传感单元2可组成1×1～100×100的阵列。每个石墨烯应变传感单元2的长为1mm～20mm，宽为1mm～20mm。镂空孔23位于石墨烯应变传感单元正中，其面积为石墨烯应变传感单元面积的25~81%。

信号采集及处理系统3中信号采集频率为1～50Hz。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。