石墨烯压力传感器及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及石墨烯压力传感器及其制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]现在的电容触屏仅仅是相对比较初级的输入，它们只是追踪在屏幕表面的手指或铁笔的位置移动形成的轨迹。使用触屏面板的一个缺陷是，通常它们并不能提供压力或施压大小的信息，而压力的大小也可以用来作为输入的另一个维度，它能够为与之关联的电子设备提供指令或控制信号。
[0003]目前灵敏度较高的薄膜压力传感器大多采用ZnO纳米线阵列或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为感应敏感元件，但是灵敏度仍然不够高，对于应变低于0.4%的压力形变很难准确感应，这样在微电路设计时对信号的捕捉难度也就更大。
[0004]对于极其微弱的应变(〈0.4% )，ZnO或者PVDF压电式压力传感器感应跳变信号就不很明显，这样就不利于微电路设计时对给定压力信号的捕捉，也就难以进行数字算法信号处理；
[0005]另外，ZnO压感触感器对酸、碱溶液比较敏感，易发生化学反应，特别是对于经常与人体接触的电子产品，会严重影响传感器的稳定性。
[0006]专利CN104359597A公开了一种压力传感器，这种感应微型变的压力传感器是用两层柔性衬底和分别覆盖在内表面的碳纳米管或石墨烯膜，电极分别位于两层柔性基底内侧两端，两层基底错开组装，当受到挤压、拉伸等外界作用力时，上下两层石墨烯(或碳纳米管)层的接触面积将发生变化，从而导致两层间的接触电阻发生变化。虽然这种传感器也具有很高的灵敏度，但是这种传感器是由于上下层石墨烯或碳纳米管不能封装，使用中容易损坏，并且这种传感器还与上下层间隙的高度差以及表面平整性等因素有关，压力感应信号的稳定性很差。
[0007]因此，仍需开发灵敏度高、稳定性好、使用寿命长的压力传感器。
【发明内容】
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种石墨烯压力传感器，其特征在于，其至少由弹性衬底层、石墨烯压力感应层和封装层组成；
[0009]其中所述弹性衬底层包含感应区、搭接区和电极区；
[0010]所述石墨烯压力感应层附着在感应区上，且石墨烯压力感应层与电极区直接接触而形成搭接区；所述封装层覆盖石墨烯压力感应层及石墨烯压力感应层与电极区的搭接区。
[0011]在本发明中，所述电极区用于高分子膜与金属电极组成的柔性印刷电路(FPC)结构区域；感应区用于放置石墨烯压力感应层的有机高分子材料复合结构区域；搭接区为将与石墨稀压力感应层接触的金属电极区域。
[0012]其中所述有机高分子材料包含但并不限于粘合剂、橡胶、塑料或树脂。
[0013]此外，本发明提供还一种制备上述石墨烯压力传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0014](1)在支撑层上制作弹性衬底层，使电极区表面与感应区表面在同一平面上；
[0015](2)制备石墨稀压力感应层；
[0016](3)将石墨烯压力感应层转移至感应区，并确保石墨烯压力感应层与电极区形成有效搭接；
[0017](4)在石墨稀压力感应层上蚀刻感应图案；
[0018](5)对石墨烯压力感应层及搭接区涂覆有机高分子材料，形成封装层；
[0019](6)按照所需外形尺寸切割传感器产品。
[0020]本发明还提供上述石墨烯压力传感器用于智能终端的用途。
[0021]本发明的石墨烯压力传感器灵敏度高、稳定性好、预期使用寿命长，且其制作成本低、工艺简易、过程可控。
【附图说明】
[0022]图1为一种石墨烯压力传感器的正视图。
[0023]图2为一种石墨烯压力传感器的俯视图。
[0024]图3为手指轻按时传感器的压感信号。
[0025]图4为手指重按时传感器压感信号。
【具体实施方式】
[0026]在本发明中，关于石墨烯压力传感器中各部分的位置描述，是基于附图1和2而言，显然，随着附图1-2设备的位置变换，其中各部件的位置也变化；因此，本说明书结合具体位置的说明不对发明构成任何限制。
[0027]本发明提供一种石墨烯压力传感器，其特征在于，其至少由弹性衬底层、石墨烯压力感应层、封装层组成；
[0028]其中所述弹性衬底层包含感应区、搭接区、电极区；
[0029]所述石墨烯压力感应层附着在感应区上，且石墨烯压力感应层与电极区直接接触而形成搭接区；所述封装层覆盖石墨烯压力感应层及石墨烯压力感应层与电极区的搭接区。
[0030]在本发明中，所述弹性衬底层包含感应区、搭接区、电极区；其中电极区用于高分子膜与金属电极组成的柔性印刷电路结构区域；感应区用于放置石墨烯压力感应层的有机高分子材料复合结构区域，；搭接区为将与石墨烯压力感应层接触的金属电极区域。
[0031 ] 其中所述有机高分子材料包含但并不限于粘合剂、橡胶、塑料或树脂。
[0032]在本发明中，所述电极位于石墨烯压力传感器的同侧，不仅易于绑定，而且使得压感区域更大，这样还可以有利于保护电极与弹性衬底层的界面处的石墨烯。封装层覆盖石墨烯压力感应层及石墨烯压力感应层与电极区的搭接区，这样有助于最终产品的稳定和保护，确保产品的长期使用。
[0033]此外，本发明提供一种制备上述石墨烯压力传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0034](1)在支撑层上制作弹性衬底层，使电极区表面与感应区表面在同一平面上；
[0035](2)制备石墨稀压力感应层；
[0036](3)将石墨烯压力感应层转移至感应区，并确保石墨烯压力感应层与电极区形成有效搭接；
[0037](4)在石墨稀压力感应层上蚀刻感应图案；
[0038](5)对石墨烯压力感应层及搭接区涂覆有机高分子材料，形成封装层；
[0039](6)按照所需外形尺寸切割传感器产品。
[0040]在步骤(1)中，所述支撑层可为双面胶、单面离型纸、单面胶、聚酯膜、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI (聚酰亚胺)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、金属、陶瓷以及柔性玻璃，其中，支撑层使得与电极侧面相接的弹性衬底层的制作更加容易，同时在制作过程可以避免电极与弹性衬底层界面处石墨烯的破裂，起到保护作用。
[0041]在步骤(1)中，为增加电极区与感应区的界面接触面积，与感应区相邻的电极处，其横截面可为锯齿形或波浪形等。
[0042]在步骤(1)中，所述感应区可为耐酸碱浸蚀、与人体生物兼容性良好、化学性质稳定的各种弹性有机硅胶，其可选自PDMS (聚二甲基硅氧烷)、硅胶E620 ( 二甲基-二苯基聚娃氧烧)、0CA胶(透明光学胶)，其厚度为10-250 μ m，优选为50-200 μ m，更优选为100-175 μmD
[0043]在一个优选实施方案中，在步骤(1)中，将弹性硅胶真空除气泡后涂覆在支撑层上，使其表面与电极表面在同一平面上，再次真空下除气泡，然后加热固化，形成弹性衬底层，其中所述加热在烘箱中进行，加热温度为30-150°C，固化时间为10-180min。
[0044]在另一优选实施方案中，在步骤(1)中，将电极区背面与感应区和支撑层粘贴，使用卷对卷滚压使三者紧密粘贴，并使感应区与电极区表面在同一平面上。
[0045]在另一优选实施方案中，在步骤(1)中，也可将铜箔与感应区和支撑层一起加压，通过菲林腐蚀，得到所需图案的电极。
[0046]在步骤(2)中，所述石墨烯压力感应层可通过本领域已知的方法制备，例如化学气相沉积法(CVD法)，或也可通过将石墨烯粉体经涂覆、滚压、抽滤、喷涂制备石墨烯薄膜，或者使用氧化石墨烯粉体经涂覆、滚压、抽滤、喷涂形成氧化石墨烯薄膜，再通过还原法形成石墨烯薄膜，用图形化工艺形成石墨烯薄膜。
[0047]当使用化学气相沉积法制备石墨烯压力感应层时，所用生长石墨烯的基底包括但不限于铜、铁、镍、铜镍合金、氧化硅、碳化硅、铂金的片材、网材及三维泡沫结构材料。
[0048]在一个优选实施方案中，在步骤(2)中，所述石墨烯压力感应层使用CVD法制备，其中所述网状石墨烯的厚度为10-500nm，网孔为10 X 10-500 X 500 μ m，单根石墨烯线宽为5-250 μmD
[0049]在步骤(2)中，所制备的石墨烯压力感应层的方阻为0.2-200ΚΩ/ 口。
[0050]在步骤(4)中，蚀刻采用激光蚀刻机进行，所述激光蚀刻机为本领域常规使用的激光蚀刻机，其可购得。
[0051]在步骤(4)中，为确保感应图案的石墨稀与周围石墨稀压力感应层断开，并获得相对更大的压力感应区域，所述感应图案可为同心多组方形、圆形、椭圆形等图案。
[0052]在步骤⑷中，所述线路感应图案与右侧边缘的距离为0.0l-lOmm，优选为0.l_6mm，感应图案最外侧图案的宽度为0.01-lmm，优选为0.2_5mm。
[0053]在一个优选实施方案中，在步骤(5)中，为防止远离搭接区的电极区不涂覆有机高分子材料，可使用遮蔽胶带对电极进行保护，所述胶带为压敏型胶带。
[0054]在步骤(5)中，为使涂覆的有机高分子固化，可在烘箱中进行加热，烘箱温度为30-150°C，固化时间为 5-180min。
[0055]在步骤(5)中，所述封装层可为各种有机硅胶，其可选自PDMS、硅胶E620、C6-515液体娃胶，所述封装层厚度可为10?500 μ m，优选为50-300 μ m，更优选为100-200 μ m，以保护石墨烯压力感应层免于划伤。
[0056]在一个优选实施方案中，在步骤(5)中，为防止搭接区受到应力损伤，在搭接区上方的封装层上表面粘贴界面加强带，所述界面加强带可选自压敏胶、紫外光固胶、热固胶、瞬干胶、结构胶、密封胶。
[0057]在一个优选实施方案中，所述电极区的电极为柔性印刷电路(FPC)电极，其由铜箔和PI膜制成，其中PI膜的厚度为10-500 μ m，PI膜与铜箔按照本领域熟知的热压工艺热压加工而形成电极，所述铜箔表面可蒸镀厚度为10-500nm的抗氧化层，所述抗氧化层可为金、镍或者镍络合金。
[0058]在本发明中，在铜箔上蒸镀金、镍或者镍铬合金可以防止残留在石墨烯网中的氯化铁的腐蚀或者其它酸和碱的腐蚀，进而可以确保传感器的稳定性。
[0059]在另一实施方案中，所述电极区的电极为FPC电极，其为PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)镀铜膜，且铜上可蒸镀厚度10-500n