本發(fā)明屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

壓電式壓力傳感器依托于壓電材料的正壓電效應(yīng)，正壓電效應(yīng)具體為當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

壓電材料可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點是具有熱釋電性，會對力學(xué)量測量造成干擾。有機壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,它與空氣的聲阻匹配具有獨特的優(yōu)越性，是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0年代以來發(fā)現(xiàn)了同時具有半導(dǎo)體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。

由于氧化鋅具有便捷的制備工藝和無鉛化的環(huán)保理念受到科研工作者的廣泛關(guān)注，但其本征壓電常數(shù)不高在應(yīng)用中受到一定的局限性。

因此，有必要提供一種壓力傳感器及其制作方法，使得所述壓力傳感器具有高的本征壓電常數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種壓力傳感器及其制作方法，保證所述壓力傳感器具有高的本征壓電常數(shù)。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，

一種壓力傳感器，包括依次疊加的上電極、石墨烯-摻雜型氧化鋅層、石墨烯層、下電極、基底；所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層由石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅制成。

一種壓力傳感器的制備方法，所述制備方法包括下述步驟：

形成下電極；

在所述下電極上沉積石墨烯形成石墨烯層；

制備石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅；

在所述石墨烯層上形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層；以及

在所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層上形成上電極。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明提供的壓電傳感器及其制備方法，用石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅及在下電極側(cè)負載石墨烯，由于石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。理想狀態(tài)下，常溫下其電子遷移率超過15000cm²/(V·s)，而電阻率只有約10^-6Ω·cm，因此，本發(fā)明提供的壓力傳感器的導(dǎo)電性、靈敏度及鍵合性顯著增強，使用范圍更加廣泛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實施例提供的壓力傳感器的剖面圖；

圖2是本發(fā)明提供的壓力傳感器的制備方法的流程圖；

圖3本發(fā)明第二實施例提供的壓力傳感器的制備方法的流程圖；

圖4是第二實施例中制作的單層石墨烯的拉曼光譜圖；

圖5是發(fā)明第三實施例提供的壓力傳感器的制備方法的流程圖；

圖6是第三實施例中制作的雙層石墨烯的拉曼光譜圖；

圖7為第二實施例制作的壓力傳感器與第三實施方式制備的壓力傳感器的電阻隨著壓力的變化圖；

圖8為第二實施例制作的壓力傳感器與普通壓力傳感器電阻隨著壓力的變化圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

所述壓力傳感器包括依次疊加的上電極、石墨烯-摻雜型氧化鋅層、石墨烯層、以及下電極，所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層為石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅制成。

請參見圖1，本發(fā)明第一實施方式提供的壓力傳感器100包括依次疊加的上電極110、石墨烯-氧化鋅摻雜層120、石墨烯層130以及下電極140。

所述上電極110及下電極140用于與導(dǎo)線101連接，已將所述壓力傳感器100連接于電路中。所述上電極110采用金屬制成，具體的，所述上電極110可以采用銅、金、鉻、錫等金屬，所述上電極110的厚度為50-100nm。

所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層120為石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅制成。所述石墨烯可以為普通石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯等。摻雜型氧化鋅可以為氧化鋅摻雜Fe、Al、Mn、Bi、V、Sb等金屬。所述石墨烯-氧化鋅摻雜層120的厚度為50-120nm。

石墨烯層130采用石墨烯制成，所述石墨烯層130可以采用單層石墨烯制成，也可以采用多層石墨烯制成。當(dāng)采用多層石墨烯制成時，所述多層石墨烯 的層數(shù)少于10層。所述石墨烯層130的厚度為0.5-10nm。

所述下電極140可以采用金屬制成，所述金屬可以為銅、金、鉻、錫等金屬，所述下電極層140的厚度為30-80nm。

在本實施方式中，所述壓力傳感器100還可以進一步包括基底150，所述基底150可以為柔性基底，以使得所述壓力傳感器100具有柔性。本實施方式中，所述基底150采用聚酰亞胺類、聚醚酰亞胺類、聚對苯二甲酸類、聚四氟乙烯等塑料制成，所述基底150的厚度為0.01-0.1mm。

本發(fā)明提供的壓電傳感器，用石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅及在下電極側(cè)負載石墨烯，由于石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。理想狀態(tài)下，常溫下其電子遷移率超過15000cm²/(V·s)，而電阻率只有約10^-6Ω·cm，因此，本發(fā)明提供的壓力傳感器的導(dǎo)電性、靈敏度及鍵合性顯著增強，使用范圍更加廣泛。

請參閱圖2，本技術(shù)方案還提供一種壓電傳感器的制作方法，所述壓電傳感器的制作方法包括步驟：

S101，形成下電極。

可以采用直流磁控濺射在柔性基底材料上沉積下電極。用無塵布蘸取無水乙醇清洗柔性基底材料，使其表面干凈無污染物，將清洗后干燥后的柔性基底材料放入磁控濺射儀中濺射鍍膜，濺射腔的背底真空度1×10^-3Pa-5×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣分壓為1-3Pa，靶材與柔性基板的距離為30-40mm，柔性基底的旋轉(zhuǎn)速度為40-50r/min。濺射功率為80-150W，濺射時間為1-2min，使下電極的厚度為30-80nm。所述下電極的材料為銅、金、鉻、錫等金屬。

S102，在所述下電極上沉積石墨烯形成石墨烯層。

可以采用CVD(化學(xué)氣相沉積)在下電極上沉積單層或多層石墨烯。首先，將所述下電極平整的鋪在CVD設(shè)備上，進入樣品室，樣品室先通入1000sccm-3000sccm的H₂，溫度在500-1500℃下還原10-30min，以還原部分的金屬氧物。然后，還原后的下電極自動進入下一級樣品室，所述下一級樣品室 通1300-1800sccm甲烷(或乙烯、乙炔)，溫度在500-1500℃，時間在5-30min下生長石墨烯。

S103，制備石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅。

可以采用溶膠-凝膠法制備石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅。具體包括：

a，按照摻雜金屬-Zn摩爾比為1-10％的比例，稱取Zn鹽和摻雜金屬鹽溶于500-1000ml的去離子水中，形成金屬鹽溶液。所述摻雜金屬為Fe、Al、Mn、Bi、V、Sb等金屬。

b，稱取1％-10％的石墨烯(或氧化石墨烯、還原氧化石墨烯)分散于50-100ml分散劑乙醇(或水、DMF)中，超聲振蕩30-60min，形成分散溶液。并在攪拌條件下，將所述分散溶液加入所述金屬鹽溶液，得到混合溶液。

C，稱取一定量的檸檬酸溶于乙醇中，其中，檸檬酸與所述金屬鹽溶液中的金屬離子的摩爾比為2:1-3:1，將所述檸檬酸的乙醇溶液加入所述混合溶液后置于50-80℃恒溫水槽中，同時用氨水調(diào)節(jié)pH值到3-6，攪拌1-3h后靜置陳化，形成凝膠。

d，將上述形成的濕凝膠放入80-100℃烘箱內(nèi)烘5-8h，形成樣品。然后將烘干后的樣品放入500-800℃通氬氣氣氛下的高溫爐中煅燒1-2h，得到粉體。

e，將得到的所述粉體球磨5-10h，采用乙醇(或水)做溶劑，200-1000r/min研磨過100-200目篩。取粉體在1-5MPa下保壓2-10min制成圓形粉坯,，在1000-1500℃燒結(jié)1-2h，形成石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅靶材。

S104，在所述石墨烯層上形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層。

可以采用直流磁控濺射在下電極上的石墨烯層上濺射石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅，形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層。

將形成有石墨烯層的下電極及制作得到的石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅靶材安裝到磁控濺射儀中濺射鍍膜，濺射腔的背底真空度1×10^-3Pa-5×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣流量為150-200sccm，氧氣流量為0-1sccm，靶材與石墨烯層的距離為30-40mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為40-50r/min。濺射功率 為80-150W，濺射時間為5-30min，使石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅層為50-120nm。

S105，在所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層上形成上電極。

可以采用直流磁控濺射在石墨烯-摻雜型氧化鋅層上濺射上電極。

濺射腔的背底真空度1×10^-3Pa-5×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣分壓為1-3Pa，靶材與所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層的距離為30-40mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為40-50r/min。濺射功率為80-150W，濺射時間為1-3min，使上電極的厚度為50-100nm。所述下電極的材料為銅、金、鉻、錫等金屬。

所述的壓力傳感器的制作方法還可以進一步包括：在所述上電極及所述下電極涂銀膠粘結(jié)導(dǎo)線，用于接入測試設(shè)備。

本發(fā)明提供的壓電傳感器的制作方法，用石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅及在下電極側(cè)負載石墨烯，由于石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。理想狀態(tài)下，常溫下其電子遷移率超過15000cm²/(V·s)，而電阻率只有約10^-6Ω·cm，因此，本發(fā)明提供的壓力傳感器的導(dǎo)電性、靈敏度及鍵合性顯著增強，使用范圍更加廣泛。

請參閱圖3，本技術(shù)方案的一個第二實施方式具體提供一種壓力傳感器的制作方法，包括步驟：

S201，在柔性基板形成下電極。

用無塵布蘸取無水乙醇清洗PET柔性基板，將清洗后干燥后PET的柔性基板放入磁控濺射儀中濺射鍍銅膜，濺射腔的背底真空度1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣分壓為2Pa，靶材與柔性基板的距離為30mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為45r/min。濺射功率為100W，濺射時間為2min，使下極的厚度為50nm。

S202，采用化學(xué)氣相沉積在所述下電極上沉積單層石墨烯層。

首先，將所述下電極平整的鋪在CVD設(shè)備上，進入樣品室，樣品室先通入2000sccm的H₂，溫度在1000℃下還原20min。然后，下電極自動進入下一級樣品室，該樣品室通1500sccm甲烷，溫度在1100℃，時間在10min下生長單層石墨烯。從圖4拉曼光譜看出在G峰(～1580cm-1)的值約為140，2D 峰(～2700cm-1)的值約為440，即IG/I2D的值為0.318<0.4，即石墨烯為單層且D峰(～1350cm-1)峰強非常弱，則說明石墨烯結(jié)構(gòu)完整。

S203，制備石墨烯-AZO。

采用溶膠-凝膠法制備石墨烯-AZO。

a，按照Al-Zn摩爾比為5％的比例，稱取一定量的以Zn(NO3)₂·6H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O溶于500ml的去離子水中，形成金屬鹽溶液。

b，稱取5％的石墨烯分散在50ml的乙醇中，超聲振蕩30min，形成分散溶液。并在攪拌條件下，將所述分散溶液加入所述金屬鹽溶液，得到混合溶液。

c，稱取一定量的檸檬酸溶于乙醇中，其中，檸檬酸與金屬鹽溶液中的金屬離子的摩爾比為2:1，將所述檸檬酸的乙醇溶液加入所述混合溶液后置于60℃恒溫水槽中,同時用氨水調(diào)節(jié)pH值到4，攪拌2h后靜置陳化，形成凝膠。

d，將上述形成的所述凝膠放入80℃烘箱內(nèi)烘6h。然后將烘干后的樣品放入600℃通氬氣氣氛下的高溫爐中煅燒1h，得到粉體。

e，將得到的粉體在轉(zhuǎn)速為500r/min的球磨機上球磨8h，乙醇作溶劑，干燥后研磨過100目篩。取粉體在3MPa下保壓5min制成圓形粉坯,，在1000℃燒結(jié)1h，形成靶材。

S204，在所述石墨烯層上形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層。

可以采用直流磁控濺射在下電極上的石墨烯層上濺射石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅，形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層。

將形成有石墨烯層的下電極及制作得到的所述靶材安裝到磁控濺射儀中濺射鍍膜，濺射腔的背底真空度1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣流量為200sccm，氧氣流量為0.5sccm，靶材與石墨烯層的距離為35mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min。濺射功率為100W，濺射時間為20min，使石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅層為80nm。

S205，在所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層上形成上電極。

可以采用直流磁控濺射在石墨烯-摻雜型氧化鋅層上濺射上電極。

濺射腔的背底真空度1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣分壓為2Pa，靶材與所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層的距離為35mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min。濺射功率為100W，濺射時間為2min，使上電極的厚度為50nm。所述下電極的材料為銅、金、鉻、錫等金屬。

還可以進一步包括在上電極及下電極上涂銀膠粘結(jié)導(dǎo)線，接入測試設(shè)備。

請參閱圖5，本技術(shù)方案的一個第三實施方式具體提供一種壓力傳感器的制作方法，包括步驟：

S301，在柔性基板形成下電極。

用無塵布蘸取無水乙醇清洗PET柔性基板，將清洗后干燥后PET的柔性基板放入磁控濺射儀中濺射鍍銅膜，濺射腔的背底真空度1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣分壓為2Pa，靶材與柔性基板的距離為30mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為45r/min。濺射功率為100W，濺射時間為2min，使下極的厚度為50nm。

S302，采用化學(xué)氣相沉積在所述下電極上沉積雙層石墨烯層。

首先，將下電極平整的鋪在CVD設(shè)備上，進入樣品室，樣品室先通入2000sccm的H₂，溫度在1000℃下還原20min。然后，將還原后的下電極自動進入下一級樣品室，該樣品室通1800sccm甲烷，溫度在1100℃，時間在12min下生長雙層石墨烯。從圖6拉曼光譜看出在G峰(～1580cm^-1)的值約為88，2D峰(～2700cm^-1)的值約為80，即I_G/I_2D的值為1.1(接近1.25)，即石墨烯為雙層且D峰(～1350cm^-1)峰強幾乎沒有，則說明石墨烯結(jié)構(gòu)完整。

S303，制備石墨烯-AZO。

采用溶膠-凝膠法制備石墨烯-AZO。

a，按照Al-Zn摩爾比為5％的比例，稱取一定量的以Zn(NO₃)₂·6H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O溶于500ml的去離子水中，形成金屬鹽溶液。

b，稱取5％的石墨烯分散在50ml的乙醇中，超聲振蕩30min，形成分散溶液。并在攪拌條件下，將所述分散溶液加入所述金屬鹽溶液，得到混合溶液。

c，稱取一定量的檸檬酸溶于乙醇中，其中，檸檬酸與金屬鹽溶液中的金屬 離子的摩爾比為2:1，將所述檸檬酸的乙醇溶液加入所述混合溶液后置于60℃恒溫水槽中,同時用氨水調(diào)節(jié)pH值到4，攪拌2h后靜置陳化，形成凝膠。

d，將上述形成的所述凝膠放入80℃烘箱內(nèi)烘6h。然后將烘干后的樣品放入600℃通氬氣氣氛下的高溫爐中煅燒1h，得到粉體。

e，將得到的粉體在轉(zhuǎn)速為500r/min的球磨機上球磨8h，乙醇作溶劑，干燥后研磨過100目篩。取粉體在3MPa下保壓5min制成圓形粉坯,，在1000℃燒結(jié)1h，形成靶材。

S304，在所述石墨烯層上形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層。

可以采用直流磁控濺射在下電極上的石墨烯層上濺射石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅，形成所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層。

將形成有石墨烯層的下電極及制作得到的所述靶材安裝到磁控濺射儀中濺射鍍膜，濺射腔的背底真空度1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣流量為200sccm，氧氣流量為0.5sccm，靶材與石墨烯層的距離為35mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min。濺射功率為100W，濺射時間為20min，使石墨烯復(fù)合摻雜型氧化鋅層為80nm。

S305，在所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層上形成上電極。

可以采用直流磁控濺射在石墨烯-摻雜型氧化鋅層上濺射上電極

濺射腔的背底真空度1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣分壓為2Pa，靶材與所述石墨烯-摻雜型氧化鋅層的距離為35mm，基板的旋轉(zhuǎn)速度為50r-min。濺射功率為100W，濺射時間為2min，使上電極的厚度為50nm。所述下電極的材料為銅、金、鉻、錫等金屬。

還可以進一步包括在上電極及下電極上涂銀膠粘結(jié)導(dǎo)線，接入測試設(shè)備。

圖7為第二實施制備的壓力感測器1和第三實施例制備的壓力感測器2的電阻隨著壓力的變化圖，從圖中看出兩者均為開始階段電阻隨著壓力的增加急劇降低，然后隨著壓力的增加，電阻變化較小。第二實施制備的壓力感測器1的電阻(R/R0)最小達到小于0.1。圖8為第二實施制備的壓力感測器1與普 通壓力傳感器電阻隨著壓力的變化圖，從圖中明顯看出在壓力大于15N后，第二實施制備的壓力感測器1的電阻均小于普通壓力傳感器的電阻。

由此可見，本技術(shù)方案提供的壓力感測器具有良好的本征壓電常數(shù)，性能具有顯著增強。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。