基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性电子器件领域，尤其涉及一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，微电子领域的发展开始在柔性电子领域聚焦，众多柔性电子器件应用在无线健康监测(Mannoor, M.S.et al.Graphene-based wireless bacteria detect1non tooth enamel.Nat.Commun.3:763do1: 10.1038/ncommsl767)，传感器网络(Zeng, W.etal.Fiber-based wearable electronics:A review of materials, fabricat1n,devices，and applicat1ns.Adv.Mater.26，5310-5336)，电子皮肤(Kim，D.Η.et al.EpidermalElectronics.Science 333，838-843)，人工肌肉(Hu，ff.L.，Niuj X.F.，Zhao, R.&Pei，Q.B.Elastomeric transparent capacitive sensors based on an interpenetratingcomposite of silver nanowires and polyurethane.Appl.Phys.Lett.102, 083303)等领域。在这些应用中，电子皮肤可以将许多自然皮肤能感受到的物理量，如压力，温度，湿度等转换为电信号，因此电子皮肤被普遍认为具有极大的应用潜力并引起了极大的研究热情。在电子皮肤能感知的众多参数中，压力是极其重要的一个物理量。而基于电容式的压力传感器，因为其制造简单，功耗低，成为了实现压力传感的一个重要设计方向。而电容式传感器中的介电层是实现传感性能的关键部位。氧化石墨烯由于其极高的介电系数(104，0.1 ?70Hz，Liu, J.Galpaya, D.Notarianni, M.Yan, C.&Motta, N.Graphene-basedthin film supercapacitor with graphene oxide as dielectric spacer.Appl.Phys.Lett.103，063108)，而泡沫状的氧化石墨烯海绵有比较低的杨氏模量，这便使得基于氧化石墨烯海绵的传感器，即便实在比较小的外界压力下，也会有比较可观电容的相应。基于这些特性使得氧化石墨烯海绵能够成为一种柔性电容式传感器的介电层。因此基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，便可以拥有优良的传感性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，该柔性压力传感器可弯曲，灵敏度高，响应时间快，空间分辨能力高，稳定性高。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0005]一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，包括柔性基底、石墨烯电极、氧化石墨烯海绵介电层，所述石墨烯电极通过喷涂的方式沉积在所述柔性基底的外侧面，通过掩膜形成长条状电极阵列；所述柔性基底为两片，所述氧化石墨烯海绵介电层设置在两片柔性基底的内侧面之间。
[0006]优选的，所述柔性基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对二甲苯的其中之一。
[0007]优选的，所述石墨稀电极的厚度为10?60 μπι。
[0008]优选的，所述石墨稀电极的宽度为6?10mm。
[0009]优选的，相邻两个所述石墨烯电极的间距为6?10mm。
[0010]本发明的另一个目的是提供一种上述基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，其技术方案如下:
[0011]一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤:
[0012]S1、配置氧化石墨烯乙醇分散液；
[0013]S2、将所述氧化石墨烯乙醇分散液喷涂在有条状电极掩膜版的柔性基底上制成条状氧化石墨稀电极；
[0014]S3、将步骤S2所制备的氧化石墨烯电极用碘化氢水溶液进行还原；
[0015]S4、配置氧化石墨烯水溶液，并用滴涂的方式将氧化石墨烯水溶液覆盖在柔性石墨烯电极上，冷冻，随后进行冷冻干燥，制得氧化石墨烯海绵介电层；
[0016]S5、将制得的氧化石墨烯海绵介电层夹在两片有条状石墨烯电极的柔性基底之间，并用PDMS在四周进行封装。
[0017]优选的，步骤SI中，所述氧化石墨烯乙醇分散液的浓度为0.5mg/ml0
[0018]优选的，步骤S3中，所述碘化氢水溶液的质量分数为35 %，还原时间为I?3h。
[0019]优选的，步骤S4中，所述氧化石墨稀水溶液浓度为I?10mg/ml。
[0020]优选的，步骤S4中，所述冷冻温度为_40°C?-70 °C。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0023]本发明所制备出的柔性压力传感器，比传统聚合物传感器有更高的灵敏度，能感受到比以前器件中更小的静态压强。本发明采用氧化石墨烯作为介电层，其介电系数高于传统聚合物材料的介电系数，在制备过程中可以通过调节作为介电层的氧化石墨烯海绵的密度，从而调节介电层的杨氏模量，使得本柔性压力传感器能感知到微小的静态压力，同时本发明所制备出的柔性压力传感器还具有响应时间快，空间分辨能力高，稳定性好的优点。
【附图说明】
[0024]图1是氧化石墨烯海绵柔性压力传感器的示意图。
[0025]图2是氧化石墨烯海绵介电层的SEM图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0027]如图1所示为基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，包括柔性基底、石墨烯电极、氧化石墨烯海绵介电层，石墨烯电极通过喷涂的方式沉积在柔性基底的外侧面，通过掩膜形成长条状电极阵列；柔性基底为两片，氧化石墨烯海绵介电层设置在两片柔性基底的内侧面之间。
[0028]柔性基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PD、聚对二甲苯(PA)的其中之一。
[0029]石墨烯电极的厚度为10?60 μπι，宽度为6?1mm ;相邻两个所述石墨烯电极间的间距为6?1mm0
[0030]本发明制备毫米尺度石墨烯球的方法，包括以下步骤:
[0031]首先将Ig氧化石墨粉末加入到10ml去离子水中，使用功率为40w的超声机超声分散成10mg/ml的粘稠的分散液。通过调节氧化石墨和去离子水的配比可以制得不同浓度的分营夂液(lmg/ml, 2mg/ml，3mg/ml，4mg/ml，5mg/ml，6mg/ml，7mg/ml，8mg/ml，9mg/ml)。同时配置0.5mg/ml的氧化石墨烯乙醇分散液；
[0032]再将所述乙醇分散液喷涂在有条状电极掩膜版的柔性基底上制成条状氧化石墨稀电极。
[0033]将上述所制备的氧化石墨烯电极用质量分数35%碘化氢水溶液进行还原，还原时间