一種石墨烯柔性傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種傳感器的材料結(jié)構(gòu)以及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳感器技術(shù)領(lǐng)域中，本領(lǐng)域技術(shù)人員針對(duì)形變、振動(dòng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種傳感系統(tǒng)。傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感元件為金屬或者半導(dǎo)體材料，但是，金屬傳感元件的形變量通常低于3%，電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)也很低，這種傳感元件無(wú)法適應(yīng)新的應(yīng)用要求。半導(dǎo)體傳感元件的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)較高，但其變形范圍低于1%，應(yīng)用范圍有很大的局限性。
[0003]所以，有必要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形變能力強(qiáng)，且電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)較高的傳感器裝置，能夠?qū)π巫儭⒄駝?dòng)進(jìn)行有效的感應(yīng)，便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的操作使用和分析。
[0004]本領(lǐng)域技術(shù)人員以石墨烯材料作為傳感元件，對(duì)形變、振動(dòng)傳感器進(jìn)行了一些嘗試?，F(xiàn)階段，石墨烯傳感器通常包括幾種構(gòu)型:1、使用大面積連續(xù)的薄膜狀石墨烯，這種結(jié)構(gòu)具有良好的形變能力，形變程度在10%左右，但是其電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)較低，即電阻隨形變的變化率很低，對(duì)形變、振動(dòng)無(wú)法產(chǎn)生靈敏的響應(yīng)。2、帶有三維屈曲結(jié)構(gòu)的石墨烯膜或條帶，這種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的變形能力，形變程度最高可以達(dá)到100 %，但是該結(jié)構(gòu)電阻隨形變的變化率仍然較低，甚至低于第一種石墨烯構(gòu)型。3、使用石墨烯單晶片作為形變傳感元件，這種結(jié)構(gòu)的尺寸只能維持在毫米量級(jí)，實(shí)際使用困難。4、利用石墨烯陣列點(diǎn)作為傳感元件，這種結(jié)構(gòu)中石墨烯晶體與晶體之間存在納米量級(jí)的縫隙，利用隧道效應(yīng)導(dǎo)電，所以具有較高的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)，但是，該結(jié)構(gòu)的形變能力很差，通常形變能力小于2 %。電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)和形變能力是衡量形變傳感器的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，但上述幾種現(xiàn)有的石墨烯傳感元件并不能同時(shí)達(dá)到這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通常電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)高則形變能力較差，或者形變能力強(qiáng)而靈敏系數(shù)卻較低。
[0005]綜上所述，在以石墨稀作為傳感元件的技術(shù)中，有必要提供一種新型的石墨稀結(jié)構(gòu)或者石墨烯傳感器，在提高石墨烯結(jié)構(gòu)的形變能力的同時(shí)，增大其電阻隨形變的變化率，使石墨稀材料在廣生形變或受到振動(dòng)時(shí)具有靈敏的響應(yīng)機(jī)制，能夠廣生大幅的電阻變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的是基于石墨烯材料，提供一種具有優(yōu)良形變能力和較高電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)的傳感器。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種石墨烯柔性傳感器，其中包括:
[0008]石墨烯編織網(wǎng)，所述石墨烯編織網(wǎng)中具有石墨烯纖維，所述石墨烯纖維在編織搭接點(diǎn)周圍的部位為薄弱段；
[0009]至少兩個(gè)觸點(diǎn)電極，所述觸點(diǎn)電極設(shè)置在所述石墨烯編織網(wǎng)上；
[0010]柔性基材，用于承載所述石墨烯編織網(wǎng)和觸點(diǎn)電極，所述石墨烯編織網(wǎng)與所述柔性基材緊密接合，以使所述石墨烯編織網(wǎng)隨所述柔性基材一同產(chǎn)生形變；
[0011]引線，所述引線與相對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)電極連接；
[0012]在所述石墨烯編織網(wǎng)隨所述柔性基材產(chǎn)生拉伸形變時(shí)，所述薄弱段產(chǎn)生裂紋和/或斷裂。
[0013]優(yōu)選的，所述石墨烯纖維由石墨烯晶片構(gòu)成，所述石墨烯晶片堆疊排列成鱗片式結(jié)構(gòu)。
[0014]所述觸點(diǎn)電極可以分布在所述石墨烯編織網(wǎng)的邊緣，且所述觸點(diǎn)電極與所述石墨烯纖維的端部連接。特別的，每個(gè)所述觸點(diǎn)電極上都可以連接有引線。
[0015]優(yōu)選的，所述柔性基材包覆所述石墨烯編織網(wǎng)，以使所述石墨烯編織網(wǎng)與外部隔離。
[0016]所述石墨烯編織網(wǎng)可以具有矩形孔隙或者三角形孔隙。所述石墨烯纖維可以為整條纖維結(jié)構(gòu)，也可以為石墨烯條段順次排列構(gòu)成的分段式結(jié)構(gòu)。
[0017]另一方面，本發(fā)明還提供了一種石墨烯柔性傳感器的制造方法，其中包括:
[0018]步驟1、提供編織網(wǎng)襯底，在所述編織網(wǎng)襯底的表面進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成覆蓋在所述編織網(wǎng)襯底上的石墨烯編織網(wǎng)；
[0019]步驟2、刻蝕去除所述編織網(wǎng)襯底；
[0020]步驟3、在所述石墨烯編織網(wǎng)上設(shè)置觸點(diǎn)電極；
[0021]步驟4、在所述觸點(diǎn)電極上連接引線，并在所述石墨烯編織網(wǎng)周圍形成柔性基材。
[0022]在步驟I中，化學(xué)氣相沉積的碳源氣體進(jìn)氣速率可以為4mL/min?9mL/min，進(jìn)氣時(shí)間為8min?13min。
[0023]在所述步驟3中，在所述石墨烯編織網(wǎng)上涂覆導(dǎo)電銀膠，形成所述觸點(diǎn)電極。
[0024]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)中，本領(lǐng)域技術(shù)人員在制作石墨烯材料時(shí)都盡量形成結(jié)構(gòu)完整、致密的石墨烯結(jié)構(gòu)，避免石墨烯結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)疏松和破損。但是，本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝控制，形成了結(jié)構(gòu)疏松的石墨烯結(jié)構(gòu)，并利用結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂紋、斷裂破損的特性，形成了本發(fā)明提供的石墨烯柔性傳感器。所述柔性基材為石墨烯編織網(wǎng)提供了支撐和保護(hù)作用，當(dāng)所述石墨烯編織網(wǎng)因拉伸產(chǎn)生裂紋時(shí)，柔性基材能夠幫助石墨烯編織網(wǎng)恢復(fù)初始形狀。因此，本發(fā)明提供的石墨烯柔性傳感器利用了材料自身的缺陷，產(chǎn)生了本領(lǐng)域技術(shù)人員從未想到的或者沒(méi)有預(yù)期到的技術(shù)效果，故本發(fā)明是一種新的技術(shù)方案。
[0025]通過(guò)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0026]被結(jié)合在說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同其說(shuō)明一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0027]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述石墨烯編織網(wǎng)中搭接點(diǎn)的示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述石墨烯編織網(wǎng)的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述石墨烯編織網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述石墨烯柔性傳感器的俯視示意圖；
[0031]圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述石墨烯柔性傳感器的側(cè)視示意圖；
[0032]圖6是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述石墨烯編織網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]現(xiàn)在將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到:除非另外具體說(shuō)明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。
[0034]以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說(shuō)明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0035]對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為說(shuō)明書(shū)的一部分。
[0036]在這里示出和討論的所有例子中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它例子可以具有不同的值。
[0037]應(yīng)注意到:相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0038]本發(fā)明提供了一種石墨烯柔性傳感器，其中包括石墨烯編織網(wǎng)、觸點(diǎn)電極、柔性基材以及引線。
[0039]所述石墨烯編織網(wǎng)由石墨烯纖維編織而成。在所述石墨烯編織網(wǎng)可以由石墨烯纖維編織構(gòu)成，也可以由石墨烯纖維和石墨烯條段組合編織構(gòu)成。石墨烯纖維相互之間具有編織搭接點(diǎn)，位于編織搭接點(diǎn)處的石墨烯纖維相互接觸并產(chǎn)生一定彎曲，相互繞開(kāi)，如圖1所示。特別的，在所述編織搭接點(diǎn)11周圍的石墨烯纖維上存在薄弱段12。位于所述薄弱段12的石墨烯纖維微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱、疏松，其中具有裂紋。具體表現(xiàn)為石墨烯晶片之間的間距較大，晶片的層數(shù)也相對(duì)較少。當(dāng)所述石墨烯編織網(wǎng)I產(chǎn)生拉伸形變時(shí)