具有多孔石墨烯泡沫结构的压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于传感器领域，具体涉及一种用于压力信号采集的传感器。

背景技术：

近年来，随着电子信息技术、材料技术的不断发展，智能可穿戴设备迅速兴起并得到了极大的提高，在极大方便人们生活的同时，也为信息技术的发展开辟了新的领域。可穿戴设备的迅速发展对新型柔性传感器特别是柔性压力传感器产生了巨大的需求。但是，目前存在的压力传感器很多以硅为衬底，基于传统微电子工艺制作，不能应用于可穿戴设备。例如专利cn105784254a公开了一种柔性压力传感器及触摸屏。该柔性压力传感器包括介质层以及位于所述介质层上方的第一电极层和位于所述介质层下方的第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层同时为金属网格透明电极层或金属纳米线透明电极层。这类基于纳米新材料技术的柔性压力传感器普遍存在灵敏度低，可测量范围小等问题，在应用上也受到了一定的限制。基于新材料的压力传感器还存在材料造价昂贵，工艺复杂等问题，在市场推广上遭遇诸多瓶颈。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来的二维的层状结构材料，厚度最薄可以达到只有一层原子厚度，因而具有轻、薄、强度大、柔韧性好等特点，不容易破损，甚至还能做成能够卷起的柔性屏幕。其在压力传感器领域的应用也受到了人们的热切期待。

技术实现要素：

针对本领域存在的不足之处，本发明的目的是提出一种具有多孔石墨烯泡沫结构的压力传感。

本发明的另一目的是提出所述具有多孔石墨烯泡沫结构的压力传感的制备方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种具有多孔石墨烯泡沫结构的压力传感器，包括电极、多孔石墨烯泡沫结构，所述多孔石墨烯泡沫结构的外形为片状，上下面涂有银浆，所述电极为铝条、银丝、铜片中的一种，电极通过银浆粘接在所述多孔石墨烯泡沫结构的上下两面。用银浆作为所述多孔石墨烯泡沫结构和电极的连接，以增加导电性。

所述多孔石墨烯泡沫结构的外形可以为矩形片、圆片、三角形、异性片(例如花瓣形)中的一种。

一种具有多孔石墨烯泡沫结构的压力传感器的制备方法，包括步骤：

(1)将糖块放在培养皿中，其中培养皿的高度略高于糖块；

(2)将聚二甲基硅氧烷缓慢倒入糖块中，置于烘箱中使其凝固；

(3)将凝固了的聚二甲基硅氧烷置于开水当中，使其中的方糖融化，形成多孔聚二甲基硅氧烷结构；

(4)在多孔聚二甲基硅氧烷结构中倒入氧化石墨烯溶液，待溶液中的水分自然蒸发后放入烘箱，使其高温还原，形成多孔石墨烯泡沫结构；

(5)为多孔石墨烯泡沫结构上下两面涂布银浆，粘接上铝条电极，然后进行封装。

其中，所述糖块是用砂糖颗粒压制成的块状糖，其形状为方块、圆柱、棱柱中的一种。方糖可以市购，市购的方糖容易用小刀切割为圆柱形、棱柱形(例如三棱柱)，从而制得圆片形、三角形等其他形状的多孔石墨烯泡沫结构的传感器。

聚二甲基硅氧烷由聚二甲基硅氧烷液体和固化剂构成，平时分开放置。使用时将两者按质量比10：1混合均匀后，即可高温固化。其中，步骤(2)中，将聚二甲基硅氧烷液体和固化剂按质量比10：1倒入培养皿中，搅拌均匀后置于60～70度烘箱中使其凝固。

糖块的糖颗粒之间有孔隙，将聚二甲基硅氧烷缓慢倒入，则聚二甲基硅氧烷可以渗入糖块，固化后体积和糖块基本相同。

优选地，步骤(4)中，所述氧化石墨烯溶液的浓度为2～5mg/ml，氧化石墨烯溶液的体积与步骤(3)形成的多孔聚二甲基硅氧烷结构的体积为1～1.5：1。

其中，步骤(4)中，所述高温还原的温度为180～280度，还原时间为1～3小时。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和效果：

本发明提出的压力传感器中，多孔石墨烯泡沫结构具有膨松的多孔结构，同时具有一定的导电性。当有压力作用于该压力传感器时，其多孔结构会被压紧，石墨烯的连接状况发生改变，同时其电阻将发生改变，于是便可以将压力信号转换为电信号。

该新型压力传感器原料价格低廉，且具有无毒无污染等特性。同时其制备工艺简单，适合批量生产，具有极高的市场价值。

与现有技术相比，本发明提供的压力传感器具有成本低，灵敏度高，测量范围大等特点，同时采用柔性材料制备，可用于新型可穿戴设备。该压力传感器制作工艺简单，易于产业化，具有极高的市场价值和产业化潜力。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图；

图2为本发明制备方法流程图；

图3为本发明的压力特性曲线。

具体实施方式

现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。

实施例1.

图1为本发明提供的新型压力传感器的基本结构示意图，其中传感器包括电极、多孔石墨烯泡沫结构，用银浆作为所述多孔石墨烯泡沫结构和电极的连接，以增加导电性，所述电极为铝条，电极通过银浆粘接在所述多孔石墨烯泡沫结构的上下两面。电极连接测试电路。多孔石墨烯泡沫结构由多孔聚二甲基硅氧烷和还原的氧化石墨烯构成。

由于多孔石墨烯泡沫结构具有较多的孔状结构，当有压力作用于该压力传感器时，该结构将被挤压，其中还原的氧化石墨烯的连接状态将发生改变，其电阻也发生改变，从而使压力信号转换为电信号。电极由铝条构成，并在铝条和多孔石墨烯泡沫结构的接触处涂抹银浆以增加导电性。在电极上加上测试电路，便可对传感器进行测试。

图2为压力传感器制备方法流程图。

首先，将方糖(市售，尺寸约为2×2×1cm)放在培养皿中，其中培养皿的高度略高于方糖。

然后将聚二甲基硅氧烷液体和固化剂按质量比10：1混合后，缓慢倒入培养皿内的方糖中，在方糖中灌满聚二甲基硅氧烷，之后高温固化，然后开水融化方糖，并将培养皿放在65度烘箱中使其凝固。待聚二甲基硅氧烷凝固后，将凝固了的聚二甲基硅氧烷放在开水当中，使其中的方糖融化，形成多孔聚二甲基硅氧烷，大小约为2*2*1cm。

之后在多孔聚二甲基硅氧烷结构中倒入氧化石墨烯溶液(氧化石墨烯溶液为市售溶液，浓度为2mg/ml，体积为5ml)，待溶液中的水分自然蒸发后放入烘箱进行高温还原，形成多孔石墨烯泡沫结构。最后为多孔石墨烯泡沫结构加上铝条作为电极，然后进行封装，一个新型压力传感器便制备完成了。制备的压力传感器厚度约为10毫米，面积约为4平方厘米。

本实施例的方糖用小刀切割为圆柱形，采用同样的制备方法，可得到多孔石墨烯泡沫结构为圆片形状的传感器。

实施例2

实施例1制成的压力传感器，连接于测试电路，用拉压力测试仪(型号shimadzuags-x)施加压力，用数字万用表(型号rogoldm3068)记录电阻值。未施加压力时，初始电阻为300kω。

图3表示本发明实施例1传感器的压力特性曲线，其中测量范围可达150kpa以上，灵敏度高达3.5以上，反应了该压力的传感器同时具有较大的灵敏度和较大的测量范围。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。