[发明专利]一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法

说明书

一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法，包括如下步骤：步骤一、制备柔性透明橡胶基底，步骤二、取若干化学气象沉积法成长得到的石墨烯，将石墨烯转移并平铺在步骤一制备的柔性基底上，备用；步骤三、在柔性透明基底表面的石墨烯形成图案化石墨烯；步骤四、在步骤三中位于矩形基底图案化石墨烯两个平行边上刷一层银胶，组装成应变传感器。本发明利用超短脉冲激光超高能量的特点，对石墨烯的烧蚀可实现冷加工，即利用激光能量直接打断碳碳键，去除材料，而不引起热作用，因此可获得质量优异的石墨烯边界；采用聚焦的激光束配合振镜的高速运动可扫描出任意可设计的图案，是一种柔性、灵活的方法。

技术领域

本发明涉及应变传感器领域，尤其是涉及一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法。

背景技术

应变传感器通常是利用电阻应变效应制成的传感器，它将试件上的应变转换成电阻变化，从而测量局部的变形状况，可用于损伤检测、结构的表征以及疲劳测试等多个领域。应变传感器的核心元件是电阻应变计。传统的应变传感器经过多年的发展，虽然已经具有高灵敏度、低成本等多种优势，但由于自身结构等原因仍具有一些固有的缺点，如传统的应变传感器大多固定的定向式传感器，应变传感器只能在特定的方向才能进行；在微纳米尺度上具有较低的分辨率，且较难嵌入到结构材料中进行测试。因此基于纳米材料以及其合成组件的传感器由于其独特的应变传感性能日益引起了研究者的关注，如碳纳米管、氧化锌纳米线等均可作为新型应变传感器的选用材料。

石墨烯的出现为新型应变传感器提供了一个更好的选择，其超高表面积、优异的灵敏度、极快的响应时间、以及良好的重复性和稳定性都使得石墨烯在该领域具有无可比拟的优越性。石墨烯的传感器中，理想的完美石墨烯薄膜在应变作用下，其结构将几乎保持稳定不变，因此电阻的变化不明显，并不体现出灵敏性。然而当石墨烯具有一定的拓扑结构时，当施加单轴向的应变调制时，其缺陷处、边界处随着应变的变化发生明显的变化，导致电导等特性也随之发生变化，利用此特性，可应用于高灵敏度的应变传感器。同时由于石墨烯的柔性、透明等特质，这类具有拓扑结构的石墨烯制成的传感器可被嵌入到其他功能材料当中，构成新的具有多种功能、多方位的综合应用传感器。此外，该材料的弹性模量高、电学性能优异，对比传统的应变传感器，这类传感器常具有纳米尺度的高分辨及多元化的应用场合等优势。

等人以铜网为基底，采用化学气相沉积方法合成二维网状编织结构石墨烯，并以此组装成应变传感器。该传感器具有可伸缩及高灵敏度等特性，在2%拉伸应变时电阻变化约为10倍，在8%拉伸应变时电阻变化约为10000倍。Yang等人在上述工作基础上，探索这类传感器在人体姿态、脉搏、心跳和体温等检测中的实际应用，并制成可穿戴式的电子器件。上述两项工作中均认为石墨烯对拉伸应变的灵敏反馈主要由于石墨烯的“不完美”，首先石墨烯在生长过程中晶粒与晶粒之间并不是无缝拼接，而是呈现多种形态，例如相邻晶粒相互搭接或存在间距，在拉伸过程中，搭接的区域趋于减少，而间距趋于增大，导致电阻变大；其次石墨烯网状结构中存在许多边界、点缺陷等缺陷，在拉伸作用下，缺陷扩展，也将导致电阻变大。然而两项工作中的石墨烯网状结构强烈依赖基底铜网的结构，目前仅以方形图案为主，其他图案并未涉及，这一方面的研究仍是一片空白。同时激光非接触式加工特点，使得激光在材料图案化领域具有得天独厚的优势，可以在无任何掩膜条件下，实现任意预设的图案点阵。

本发明针对石墨烯在可穿戴式高灵敏度应变传感器的应用，提出一种激光制备图案化石墨烯应变传感器的方法。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中无法将不同图案石墨烯拓扑结构的制备成响应传感器的问题，提供一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法，本发明通过利用激光制备出不同图案石墨烯拓扑结构的方法，再将其制成不同灵敏度的应变传感器。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法，包括如下步骤：