[發(fā)明專利]具有多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的壓力傳感器及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710158133.5
• 申請(qǐng)日: 2017-03-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107101754A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任天令;王丹陽(yáng);陶璐琪;劉瑩;楊軼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/18
• 分類號(hào): G01L1/18;G01L9/02
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11002
• 代理人: 王文君

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種用于壓力信號(hào)采集的傳感器。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)、材料技術(shù)的不斷發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備迅速興起并得到了極大的提高，在極大方便人們生活的同時(shí)，也為信息技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。可穿戴設(shè)備的迅速發(fā)展對(duì)新型柔性傳感器特別是柔性壓力傳感器產(chǎn)生了巨大的需求。但是，目前存在的壓力傳感器很多以硅為襯底，基于傳統(tǒng)微電子工藝制作，不能應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。例如專利CN105784254A公開(kāi)了一種柔性壓力傳感器及觸摸屏。該柔性壓力傳感器包括介質(zhì)層以及位于所述介質(zhì)層上方的第一電極層和位于所述介質(zhì)層下方的第二電極層，所述第一電極層和所述第二電極層同時(shí)為金屬網(wǎng)格透明電極層或金屬納米線透明電極層。這類基于納米新材料技術(shù)的柔性壓力傳感器普遍存在靈敏度低，可測(cè)量范圍小等問(wèn)題，在應(yīng)用上也受到了一定的限制。基于新材料的壓力傳感器還存在材料造價(jià)昂貴，工藝復(fù)雜等問(wèn)題，在市場(chǎng)推廣上遭遇諸多瓶頸。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)的二維的層狀結(jié)構(gòu)材料，厚度最薄可以達(dá)到只有一層原子厚度，因而具有輕、薄、強(qiáng)度大、柔韌性好等特點(diǎn)，不容易破損，甚至還能做成能夠卷起的柔性屏幕。其在壓力傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了人們的熱切期待。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)本領(lǐng)域存在的不足之處，本發(fā)明的目的是提出一種具有多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的壓力傳感。

本發(fā)明的另一目的是提出所述具有多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的壓力傳感的制備方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案為：

一種具有多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，包括電極、多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)，所述多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的外形為片狀，上下面涂有銀漿，所述電極為鋁條、銀絲、銅片中的一種，電極通過(guò)銀漿粘接在所述多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的上下兩面。用銀漿作為所述多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)和電極的連接，以增加導(dǎo)電性。

所述多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的外形可以為矩形片、圓片、三角形、異性片(例如花瓣形)中的一種。

一種具有多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的制備方法，包括步驟：

(1)將糖塊放在培養(yǎng)皿中，其中培養(yǎng)皿的高度略高于糖塊；

(2)將聚二甲基硅氧烷緩慢倒入糖塊中，置于烘箱中使其凝固；

(3)將凝固了的聚二甲基硅氧烷置于開(kāi)水當(dāng)中，使其中的方糖融化，形成多孔聚二甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)；

(4)在多孔聚二甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)中倒入氧化石墨烯溶液，待溶液中的水分自然蒸發(fā)后放入烘箱，使其高溫還原，形成多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)；

(5)為多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)上下兩面涂布銀漿，粘接上鋁條電極，然后進(jìn)行封裝。

其中，所述糖塊是用砂糖顆粒壓制成的塊狀糖，其形狀為方塊、圓柱、棱柱中的一種。方糖可以市購(gòu)，市購(gòu)的方糖容易用小刀切割為圓柱形、棱柱形(例如三棱柱)，從而制得圓片形、三角形等其他形狀的多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)的傳感器。

聚二甲基硅氧烷由聚二甲基硅氧烷液體和固化劑構(gòu)成，平時(shí)分開(kāi)放置。使用時(shí)將兩者按質(zhì)量比10：1混合均勻后，即可高溫固化。其中，步驟(2)中，將聚二甲基硅氧烷液體和固化劑按質(zhì)量比10：1倒入培養(yǎng)皿中，攪拌均勻后置于60～70度烘箱中使其凝固。

糖塊的糖顆粒之間有孔隙，將聚二甲基硅氧烷緩慢倒入，則聚二甲基硅氧烷可以滲入糖塊，固化后體積和糖塊基本相同。

優(yōu)選地，步驟(4)中，所述氧化石墨烯溶液的濃度為2～5mg/mL，氧化石墨烯溶液的體積與步驟(3)形成的多孔聚二甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)的體積為1～1.5：1。

其中，步驟(4)中，所述高溫還原的溫度為180～280度，還原時(shí)間為1～3小時(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果：

本發(fā)明提出的壓力傳感器中，多孔石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)具有膨松的多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有一定的導(dǎo)電性。當(dāng)有壓力作用于該壓力傳感器時(shí)，其多孔結(jié)構(gòu)會(huì)被壓緊，石墨烯的連接狀況發(fā)生改變，同時(shí)其電阻將發(fā)生改變，于是便可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

該新型壓力傳感器原料價(jià)格低廉，且具有無(wú)毒無(wú)污染等特性。同時(shí)其制備工藝簡(jiǎn)單，適合批量生產(chǎn)，具有極高的市場(chǎng)價(jià)值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的壓力傳感器具有成本低，靈敏度高，測(cè)量范圍大等特點(diǎn)，同時(shí)采用柔性材料制備，可用于新型可穿戴設(shè)備。該壓力傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，易于產(chǎn)業(yè)化，具有極高的市場(chǎng)價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化潛力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明制備方法流程圖；

圖3為本發(fā)明的壓力特性曲線。