一种石墨烯压力传感器阵列系统及其制备方法与流程

本发明涉及一种石墨烯压力传感器阵列系统。

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、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过，，电阻率仅为10-6仅为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。

公开号为CN201210013024的中国发明专利申请了基于石墨烯的阵列式柔性压力分布传感器及其制备方法，利用石墨烯薄膜实现阵列式压力传感，但是单层或多层石墨烯的应变范围较小(＜4.5%)，导致石墨烯压力传感器不能应用于较大压力量程的监测，而且工艺复杂，器件的可靠性差，不利于广泛应用。

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压力传感器阵列系统及其制备方法，避免了石墨烯薄膜的应变极限，增大了传感器的应变、压力量程和灵敏度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种石墨烯压力传感器阵列系统，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压力传感单元；所述石墨烯压力传感单元依靠信号采集及处理系统将采集到信号转换为压力值。所述石墨烯压力传感单元包括由石墨烯和弹性聚合物复合而成的力敏薄膜以及力敏薄膜两端的电极。通过石墨烯/弹性聚合物复合材料制备的力敏薄膜，可以适应大应变范围，从而提高传感器的应变、压力量程。

作为一种改进，所述阵列电路板上表面开有凹槽；所述石墨烯压力传感单元与阵列电路板贴合，并将所述凹槽遮蔽。凹槽深度为阵列电路板厚度的0.2~0.8倍。在石墨烯压力传感单元下方设置凹槽，使得力敏薄膜具更大的应变空间，在提高了力敏薄膜应变极限的前提下，提高了传感器的量程和灵敏度。

作为一种改进，所述石墨烯压力传感单元的力敏薄膜上表面设置有圆柱形力敏触点。阵列电路板上的凹槽最好为正方形，力敏触点直径为凹槽边长的30%~70%,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。

作为一种优选，所述凹槽位于石墨烯压力传感单元正中，其面积为石墨烯压力传感单元面积的25%~81%，可以提高石墨烯压力传感器的灵敏度。

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

作为一种改进，所述力敏薄膜在石墨烯层那一面具有若干微纳米结构。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10~1000 um。

作为一种优选，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。

作为一种改进，所述阵列电路包括纵向电路和横向电路，分布于各个石墨烯压力传感单元之间，与各个石墨烯压力传感单元两端连接；并通过模拟开关控制石墨烯压力传感单元的选通。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压力传感单元进行选择性的开闭。

一种制备石墨烯压力传感器阵列系统的方法，包括以下步骤：

步骤1.在阵列电路板上雕刻若干凹槽；

步骤2.在雕刻好凹槽的阵列电路板上布置阵列电路；

步骤3.制作石墨烯层和聚合物层复合而成的力敏薄膜；

步骤4.将步骤3制作的力敏薄膜裁剪成若干石墨烯压力传感单元；

步骤5将石墨烯压力传感单元与阵列电路板贴合，其两端与阵列电路形成欧姆接触；

步骤6将力敏触点粘接在力敏薄膜的上表面；

步骤7.将阵列电路与信号采集及处理系统连接。

作为一种改进，步骤3中制作石墨烯层和聚合物层复合而成的力敏薄膜步骤如下：

步骤A在基底表面沉积石墨烯层；

步骤B在生长出来的石墨烯上涂抹一层弹性聚合物；

步骤C将固化的弹性聚合物与石墨烯从基底表面剥离。

本发明的有益之处在于：具有上述结构的石墨烯压力传感器阵列系统，避免了石墨烯薄膜的应变极限，提供一种灵敏度更高的石墨烯压力传感器阵列系统，其结构紧凑，能测量压力分布，测量精度高， 提高适应范围，使用寿命长，更加轻薄，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为石墨烯压力传感单元的结构示意图。

图3为传感器阵列的剖视图。

图4为实施例1中力敏薄膜的制作流程图。

图5为实施例2中力敏薄膜的制作流程图。

图中标记：1阵列电路板、2石墨烯压力传感单元、3信号采集及处理系统、4模拟开关、5阵列电路、21力敏薄膜、22电极、23凹槽、24力敏触点、210基底、211石墨烯、212弹性聚合物。

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压力传感器阵列系统，包括阵列电路板1以及阵列电路板1上布置的阵列电路5，所述阵列电路板1上设置有若干与阵列电路5连接的石墨烯压力传感单元2；所述石墨烯压力传感单元2依靠信号采集及处理系统3将采集到信号转换为压力值。所述石墨烯压力传感单元2包括石墨烯层和弹性聚合物层212复合而成的力敏薄膜21以及力敏薄膜21两端的电极22。阵列电路板1上表面开有凹槽23；所述石墨烯压力传感单元2与阵列电路板1贴合，并将所述凹槽23遮蔽。凹槽的深度为阵列电路板1厚度的0.2~0.8倍。石墨烯压力传感单元2的力敏薄膜上表面设置有圆柱形力敏触点。阵列电路板上的凹槽最好为正方形，力敏触点直径为凹槽边长的30%~70%。力敏薄膜21具有石墨烯层一面有若干微纳米结构。弹性聚合物层212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212的厚度为10-1000 um。石墨烯层为三维石墨烯纳米墙211，其厚度为20nm-2um。阵列电路5包括纵向电路和横向电路，分布于各个石墨烯压力传感单元2之间，与各个石墨烯压力传感单元2两端连接；并通过模拟开关4控制石墨烯压力传感单元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。

石墨烯压力传感单元2可组成1×1～100压力传感的阵列。每个石墨烯压力传感单元2的长为1mm～20mm，宽为1mm～20mm。凹槽23位于石墨烯压力传感单元正中间，其面积为石墨烯压力传感单元面积的25~81%。

信号采集及处理系统3中信号采集频率为1～50Hz。

实施例1提供一种制备石墨烯压力传感器阵列系统的方法，其阵列为4×4，包括以下步骤：

步骤1.在阵列电路板上雕刻若干凹槽；在刚性电路板的上层利用激光切割的方法雕刻出0.5mm×0.5mm大小的凹槽区域阵列4×4，间隔0.5mm。

步骤2.在雕刻好凹槽的阵列电路板上布置阵列电路；刚性电路板上制作阵列电路，线宽为0.1mm，与镂空区相互对应；阵列电路包括经线(纵向电路)和纬线(横向电路)，所构成的电路用以连接每个传感器单元的两端的电极，并通过模拟开关控制单元器件的选通。

步骤3.制作石墨烯层和聚合物层复合而成的力敏薄膜。该步骤如图4所示，又具有如下步骤。

步骤A在基底表面生长三维石墨烯纳米墙；在光滑的基底210硅表面通过PECVD的方法生长厚度为500nm的三维石墨烯纳米墙211。

步骤B在生长出来的三维石墨烯纳米墙上涂抹一层弹性聚合物；在三维石墨烯纳米墙211表面旋涂一层PDMS预聚体，80℃下固化形成PDMS膜，厚度为10um，形成弹性聚合物层212。

步骤C将固化的弹性聚合物层212与三维石墨烯纳米墙211从基底210表面剥离。将固化的PDMS膜连同三维石墨烯纳米墙211一起从基底210硅表面剥离下来获得石墨烯层和弹性聚合物层212复合而成的力敏薄膜。

步骤4.将步骤3制作的力敏薄膜裁剪成若干石墨烯压力传感单元；通过激光切割的方法将石墨烯纳米墙/聚合物复合体裁剪为1mm×1mm的传感器单元，并获得至少16个上述传感器单元。

步骤5.将石墨烯压力传感单元与阵列电路板贴合，其两端电极与阵列电路形成欧姆接触。

步骤6. 将力敏触点粘接在力敏薄膜的上表面。

步骤7.将阵列电路与信号采集及处理系统连接。可将传感器阵列中的每个单元信号进行实时采集并转换为压力值，信号采集频率为1～50Hz，测量量程为1Pa～1kPa。

实施例2提供一种制备石墨烯压力传感器阵列系统的方法，其阵列为9×8，包括以下步骤：

步骤1.在阵列电路板上雕刻若干凹槽；在柔性电路板的上层利用激光切割的方法雕刻出3.2mm×3.2mm大小的凹槽区域阵列9×8，间隔0.8mm。

步骤2.在雕刻好凹槽的阵列电路板上布置阵列电路；在刚性电路板上制作阵列电路，线宽为0.1mm，与镂空区相互对应；阵列电路包括经线(纵向电路)和纬线(横向电路)，所构成的电路用以连接每个传感器单元的两端，并通过模拟开关控制单元器件的选通。

步骤3.制作石墨烯层和聚合物层复合而成的力敏薄膜；该步骤如图5所示，又具有如下步骤。

步骤A在基底210表面生长二维石墨烯薄膜211；在具有若干凸起的微纳结构的基底210硅表面通过PECVD的方法生长厚度为10nm的二维石墨烯薄膜211。

步骤B在生长出来的三维石墨烯纳米墙上涂抹一层弹性聚合物；在二维石墨烯薄膜表面旋涂一层聚氨酯橡胶预聚体，80℃下固化形成聚氨酯橡胶膜，厚度为100um，形成弹性聚合物层212。

步骤C将固化的弹性聚合物层212与二维石墨烯薄膜211从基底210表面剥离。将固化的聚氨酯橡胶膜连同二维石墨烯薄膜211一起从基底210硅表面剥离下来获得石墨烯层和弹性聚合物层212复合而成的力敏薄膜。

步骤4.将步骤3制作的力敏薄膜裁剪成若干石墨烯压力传感单元；通过激光切割的方法将石墨烯纳米墙/聚合物复合体裁剪为4mm×4mm的传感器单元，并获得至少72个上述传感器单元。

步骤5将石墨烯压力传感单元逐个与阵列电路板贴合，其两端电极与阵列电路形成欧姆接触；

步骤6. 将力敏触点粘接在力敏薄膜的上表面。

步骤7.将阵列电路与信号采集及处理系统连接。可将传感器阵列中的每个单元信号进行实时采集并转换为压力值，信号采集频率为1～50Hz，测量量程为100Pa～10kPa。

实施例3提供一种制备石墨烯压力传感器阵列系统的方法，其阵列为100×100，包括以下步骤：

步骤1.在阵列电路板上雕刻若干凹槽；在柔性电路板的上层利用激光切割的方法雕刻出18mm×18mm大小的凹槽区域阵列100×100，间隔2mm。

步骤2.在雕刻好凹槽的阵列电路板上布置阵列电路；在刚性电路板上制作阵列电路，线宽为0.1mm，与镂空区相互对应；阵列电路包括经线(纵向电路)和纬线(横向电路)，所构成的电路用以连接每个传感器单元的两端，并通过模拟开关控制单元器件的选通。

步骤3.制作石墨烯粉末和聚合物复合而成的力敏薄膜；该步骤如图5所示，又具有如下步骤。

步骤A在基底210表面喷涂石墨烯粉末形成石墨烯层211；在具有若干凸起的微纳结构的基底210硅表面通过喷涂石墨烯粉末溶液的方法沉积厚度为1000nm的石墨烯层211。

步骤B在生长出来的石墨烯层211上涂抹一层弹性聚合物；在石墨烯层211表面旋涂一层硅橡胶预聚体，80℃下固化形成硅橡胶膜，厚度为500um，形成弹性聚合物层212。

步骤C将固化的弹性聚合物层212与石墨烯层211从基底210表面剥离。将固化的硅橡胶膜连同石墨烯层211一起从基底210硅表面剥离下来获得石墨烯层211和弹性聚合物层212复合而成的力敏薄膜。。

步骤4.将步骤3制作的薄膜裁剪成若干石墨烯压力传感单元；通过激光切割的方法将石墨烯/聚合物复合体裁剪为20mm×20mm的传感器单元，并获得至少10000个上述传感器单元。

步骤5将石墨烯压力传感单元逐个与阵列电路板贴合，其两端电极与阵列电路形成欧姆接触；

步骤6. 将力敏触点粘接在力敏薄膜的上表面。

步骤7.将阵列电路与信号采集及处理系统连接。可将传感器阵列中的每个单元信号进行实时采集并转换为压力值，信号采集频率为1～50Hz，测量量程为100Pa～100kPa。

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。