一种石墨烯分布式多物理量传感器阵列系统的制作方法

本实用新型涉及一种传感器阵列系统,尤其是一种石墨烯分布式多物理量传感器阵列系统。

背景技术：

智能传感技术正积极地改变人们认知、思考和行为的方式。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、温度、气流以及触觉信号的传感器件。特别地，在人体健康监测、大型设备的健康管理、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，轻柔、多物理量传感的集成技术成为迫切需求。

应变、温度、湿度和压力是各种监测系统中的重要物理量，通常对这些物理量的测量采用的是分离传感器。分离传感器的缺陷是体积较大、功耗大，不能满足目前快速发展的微系统对传感器小体积、低功耗、高集成度、轻质柔性等方面的要求，为此需要能满足这些需求的集成传感器。现代微机电技术和半导体技术能够在硅基片上制作微电子集成电路和多功能传感器阵列，用于测量各种化学量和物理量参数。多物理量传感器并不是一套简单的单一功能的传感器，而是为了减小芯片面积和分享数字或准数字输出等结构高度集成的传感器。多物理量集成传感器能同时探测各种参数如温度、压力、湿度、应变等物理量，并对多物理量进行综合分析，获取精准的感知信息。

公告号为CN1217157C的专利公开了一种集成温/湿度、大气压力传感器芯片，在该传感器芯片的基片上制造出三个电阻和一个作为测压电容下电极的平板电极。公告号为CN24420021C的专利也公开了一种基于聚合物材料的单片集成温度、湿度、压力传感器芯片。公告号为CN 104034454B的专利也公开了一种用于多物理量测量的传感器芯片和制备方法，该芯片包括基片以及在基片上集成的温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少两种传感器。

上述三个专利公开的传感器芯片虽然能实现同时测量温度、湿度和压力等多物理量，但制备工艺相对比较复杂，使用了不同的薄膜来制作测温湿度和压力的元件。这些传感器均为金属薄膜类电阻传感器，由于薄膜工艺等方面的限制，为了降低缺陷，膜一般做得比较厚(>1μm)，导致电阻变化率ΔR/R比较低，所以与其他类传感器相比，灵敏度相对较低。而且，基于金属薄膜的传感器在柔性、可拉伸方面具有难以逾越的障碍，从而限制了它的应用。因此，必须发展基于其他材料或原理的多物理量传感器。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本实用新型提供一种石墨烯分布式多物理量传感器阵列系统，以石墨烯材料作为传感材料，结合器件结构设计，实现温度、湿度、压力及应变等物理量的高灵敏度传感，进一步可实现阵列化的分布式多物理传感器系统，并且可集成柔性电子工艺。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种石墨烯分布式多物理量传感器阵列系统，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分布式多物理量传感器子模块；所述石墨烯分布式多物理量传感器子模块包括石墨烯应变传感器、石墨烯压力传感器、石墨烯温度传感器和石墨烯湿度传感器四种物理量传感器。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。

作为一种改进，所述石墨烯应变传感器包括两块纵横交叉布置的应变感应薄膜和两端电极；所述石墨烯压力传感器包括石墨烯力敏薄膜和两端电极，所述石墨烯力敏薄膜下方的阵列电路板上设置有凹槽，石墨烯力敏薄膜上表面还设置有圆柱形的力敏触点；所述石墨烯温度传感器包括石墨烯温敏薄膜和两端电极；所述石墨烯湿度传感器包括石墨烯湿敏薄膜和两端电极。石墨烯压力传感器下方设置凹槽，使得薄膜具更大的应变空间，在提高了薄膜应变极限的前提下，提高了传感器的量程。凹槽最好为正方形，力敏触其直径为凹槽边长的0.3~0.7倍，厚度为100μm~1mm。力敏触点的材质为PDMS、PET、TPU等聚合物材料。

置于悬空盲孔上方的石墨烯力敏薄膜通常会发生变形，向下凹陷，导致难以有效感知压力的变化；设置力敏触点，可以有效感知压力的变化，提高压力传感器阵列的灵敏度和响应速度。

作为一种改进，所述应变感应薄膜由石墨烯层和弹性聚合物层复合而成；所述应变感应薄膜具有石墨烯层一面有若干微纳米结构。微纳米结构指的是在薄膜表面形成的连续的凹陷。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。

作为一种改进，所述石墨烯力敏薄膜是石墨烯与弹性聚合物的复合薄膜；石墨烯置于聚合物表面形成石墨烯层；或者石墨烯与聚合物共混，石墨烯嵌于聚合物内部。

作为一种改进，所述凹槽位于石墨烯压力传感器正中，其面积为石墨烯压力传感器面积的25%~81%。可以提高石墨烯压力传感器的灵敏度。

作为一种改进，所述石墨烯温敏薄膜由石墨烯层与弹性聚合物的复合而成；所述石墨烯湿敏薄膜由石墨烯层与弹性聚合物的复合而成。

作为一种改进，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；其厚度为10~1000 μm。

作为一种改进，所述石墨烯层为三维石墨烯纳米墙、二维石墨烯薄膜或者石墨烯粉末，其厚度为10nm~10μm。

作为一种改进，所述阵列电路分布于各个石墨烯分布式多物理量传感器子模块之间，与各个石墨烯分布式多物理量传感器子模块电极连接；并通过模拟开关控制石墨烯分布式多物理量传感器子模块的选通。便于布线，减小电路板的体积。

作为一种优选，所述若干石墨烯分布式多物理量传感器子模块可组成1×1～100×100的阵列；所述石墨烯分布式多物理量传感器子模块的长为1mm～20mm，宽为1mm～20mm。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为石墨烯分布式多物理量传感器子模块的结构示意图。

图3为石墨烯分布式多物理量传感器子模块的FPC电路示意图。

图4为石墨烯应变传感器的结构示意图。

图5为石墨烯温度传感器。

图6为石墨烯湿度传感器。

图7为石墨烯压力传感器。

图中标记：101为石墨烯应变传感器，102为石墨烯温度传感器，103为石墨烯湿度传感器，104为石墨烯压力传感器，105为阵列电路板；201-204为两端电极，205为凹槽；301应变感应薄膜，302为应变感应薄膜；401为石墨烯温敏薄膜；501为石墨烯湿敏薄膜；601为石墨烯力敏薄膜；602为力敏触点。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1为一个3×3阵列系统，如图1-7所示，包括阵列电路板105以及阵列电路板105上布置的阵列电路，所述阵列电路板105上设置有若干与阵列电路连接的石墨烯分布式多物理量传感器子模块；阵列电路分布于各个石墨烯分布式多物理量传感器子模块之间，与各个石墨烯分布式多物理量传感器子模块电极连接；并通过模拟开关控制石墨烯分布式多物理量传感器子模块的选通。所述石墨烯分布式多物理量传感器子模块包括石墨烯应变传感器101、石墨烯压力传感器104、石墨烯温度传感器102和石墨烯湿度传感器103四种物理量传感器。所述石墨烯应变传感器101包括两块纵横交叉布置的应变感应薄膜301和应变感应薄膜302以及两端电极201；所述石墨烯压力传感器104包括石墨烯力敏薄膜601和两端电极204；所述石墨烯力敏薄膜601下方的阵列电路板105上设置有凹槽205，石墨烯力敏薄膜601上表面还设置有圆柱形的力敏触点602；凹槽205位于石墨烯压力传感器104正中，其面积为石墨烯压力传感器104面积的25%~81%。所述石墨烯温度传感器102包括石墨烯温敏薄膜401和两端电极202；所述石墨烯湿度传感器103包括石墨烯湿敏薄膜501和两端电极203。

应变感应薄膜301和应变感应薄膜302由石墨烯层和弹性聚合物层复合而成；应变感应薄膜301和应变感应薄膜302具有石墨烯层一面有若干微纳米结构。

石墨烯力敏薄膜601是石墨烯与弹性聚合物的复合薄膜；石墨烯置于聚合物表面形成石墨烯层；或者石墨烯与聚合物共混，石墨烯嵌于聚合物内部。

石墨烯温敏薄膜401由石墨烯层与弹性聚合物的复合而成。

石墨烯湿敏薄膜501由石墨烯层与弹性聚合物的复合而成。

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；其厚度为10~1000 um。

石墨烯层为三维石墨烯纳米墙、二维石墨烯薄膜或者石墨烯粉末，其厚度为10nm~10um。

除了实施例1中3×3阵列系统，石墨烯分布式多物理量传感器子模块可组成1×1～100×100的阵列；所述石墨烯分布式多物理量传感器子模块的长为1mm～20mm，宽为1mm～20mm。

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