[發明專利]基于石墨烯-金復合薄膜裂紋柔性應變傳感器及制備方法

有效

• 申請號: 202110315137.6
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113074622B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 蔡軍;程翔;徐嘉華;張德遠
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 韓雪梅

本發明公開了一種基于石墨烯?金復合薄膜裂紋柔性應變傳感器及其制備方法，制備方法包括：通過掩模版法在PDMS柔性基底上制備金屬電極；利用液面自組裝法形成準連續石墨烯薄膜；通過提拉法將石墨烯薄膜轉移至覆蓋傳感單元掩膜版的柔性基底；在石墨烯表面磁控濺射納米金制備出石墨烯?金復合薄膜；通過對PDMS柔性基底進行預拉伸使石墨烯?金復合薄膜產生初始裂紋，即得到基于石墨烯?金復合薄膜裂紋的柔性應變傳感器。本發明工藝條件溫和、易于陣列化批量制造、所制備的傳感器兼具較高的靈敏度和較大的線性量程、并且可通過掩模版圖案化的方法增加靈敏度，適于集成在傳感系統中完成寬量程范圍的應變測量。

技術領域

本發明涉及應變傳感器制備技術領域，特別是涉及一種基于石墨烯-金復合薄膜裂紋柔性應變傳感器及制備方法。

背景技術

壓阻式應變傳感器利用“應變-電阻效應”，可將被測表面局部形變轉化為可直觀測量的傳感器內導電通路的阻值變化。隨著當下納米材料的發展，基于納米薄膜的柔性應變傳感器的研究被越來越多的學者所關注，這種新型傳感器由柔性基底、納米功能薄膜和電極引線組成。相比于傳統的應變片、光柵式應變傳感器等，柔性薄膜應變傳感器具有適形能力強、生物相容性強、重量輕、可拉伸性好等顯著優勢，因此越來越多的應用于人機交互感知、人體生理信號監測等領域。

金屬薄膜(Au、Pt等)柔性應變傳感器一般具有較大的量程和較好的信號穩定性，但靈敏度較低。有人通過調控納米金薄膜與柔性基底之間的結合力，使得傳感結構在變形中產生貫穿裂紋，從而提高了納米金薄膜的應變靈敏度，但該方法使傳感器的量程顯著減小，存在較大測量范圍局限(3％以下)。

石墨烯具備優異的力學性能和超高的導電率，且具有良好的柔性基底協同變形能力，已被證明在柔性傳感領域具有應用潛力，但通過CVD(化學氣相沉積)等方法制備的連續石墨烯薄膜應變靈敏度較低。近年來，有人提出了諸如噴涂，旋涂等新的石墨烯薄膜傳感元件制備工藝，以提升其應變靈敏度等傳感性能。然而大多數難以兼顧靈敏度和量程，特別是難以實現在對微小應變高靈敏響應的同時，保持較寬的線性傳感量程。

CN105783695公開了一種石墨烯復合納米金薄膜柔性應變傳感器的制備方法，但由于其石墨烯層是由CVD方法制備的連續結構，與金納米層復合形成的傳感增益效果不明顯，且傳感線性度差，難以應用于實際應變監測。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于石墨烯-金復合薄膜裂紋柔性應變傳感器及制備方法，以提高傳感器的靈敏性以及線性量程。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于石墨烯-金復合薄膜裂紋柔性應變傳感器制備方法，所述方法包括：

步驟S1：制備電極掩膜版和傳感單元掩膜版，然后通過磁控濺射法在覆蓋有所述電極掩膜版的柔性基底上濺射沉積金屬電極，完成后去除所述電極掩模版，并將所述傳感單元掩模版對準后覆蓋在所述柔性基底上，并將覆蓋后的所述柔性基底置于裝有去離子水的容器底部；

步驟S2：采用物理法稱取設定量石墨烯，將所述石墨烯粉末溶于酒精后獲得石墨烯酒精溶液，然后將所述石墨烯酒精溶液進行超聲分散處理獲得石墨烯酒精分散液；最后將所述石墨烯酒精分散液逐滴滴加到所述去離子水的表面，自組裝形成石墨烯薄膜；

步驟S3：使用提拉鍍膜機勻速拉升覆蓋有所述傳感單元掩模版的所述柔性基底，將所述石墨烯薄膜從去離子水表面撈取，并進行烘干處理；

步驟S4：將干燥后的所述柔性基底放入磁控濺射裝置內，通過磁控濺射納米金在石墨烯層上制備石墨烯-金復合薄膜后，取下所述傳感單元掩模版；

步驟S5：通過微動臺對取下所述傳感單元掩模版后的所述柔性基底進行預拉伸處理產生初始裂紋，獲得基于石墨烯-金復合薄膜裂紋的柔性應變傳感器。

可選地，所述石墨烯酒精溶液濃度為0.1-1mg/ml，超聲分散的時間為1-3h。