[发明专利]一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器。该压力传感器是表面带有尖锥结构的石墨烯和其他绝缘且多孔的二维材料的复合结构。首先将绝缘多孔的其他二维材料覆盖于带有尖锥结构的石墨烯上并镀电极，然后将镀电极后的另一块带有尖锥结构的石墨烯置于绝缘多孔的二维材料之上得到具有类似三文治结构的压力传感器。石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的。绝缘多孔的二维材料的孔分布是均匀的，孔径和孔深都是可控的。本发明实现了一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，并提供了其简便、快速和大规模制备的方法，其可用于新型柔性电子器件如人工智能等领域。

技术领域

本发明涉及一种柔性电子器件，柔性电子器件的组装与应用技术领域，特别是涉及一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器，是应用于新型柔性电子器件的最重要组成部分之一。具有纳米量级超薄厚度的高灵敏度压力传感器正是目前的研究热点，以方便集成于可穿戴的柔性设备中。合适材料的选取和微观结构的设计是决定压力传感器性能的关键。因为具有良好的导电性，金、银和金属氧化物的纳米线等一维材料是目前使用率较高的作为制备压力传感器的基础材料，但相对较低(一般小于10kPa^-1)的灵敏度还有待提高，以在实际应用中发挥更大的作用。石墨烯材料在现阶段虽然也已被应用于压力传感器的制备，但是主要是以厘米级的石墨烯三维块体结构的形式(A flexible and highly pressure‐sensitivegraphene–polyurethane sponge based on fractured microstructuredesign.Adv.Mater.2013,25,6692.)，为压力传感器在超薄柔性器件中的集成带来了不便。

另外，理论和实验研究都表明，在二维材料的表面构筑一些凸起的如柱子、尖锥、褶皱和半球的结构有利于大幅度提高基于这种材料的压力传感器的灵敏度和传感速度。无论是基于电阻式还是电容式的压力传感器，尖锥结构都可以使传感器在较小的压力下产生电流响应实现对压力的探测(Highly stretchable resistive pressure sensors usinga conductive elastomeric composite on a micropyramid array.Adv.Mater.2014,26,3451.)。

因此，在二维石墨烯中引入均匀可控的尖锥结构，是制备压力传感器的理想材料，而其超薄的厚度也有利于在柔性电子器件中的集成和应用。最重要的是，在两层导电的带有尖锥状结构石墨烯中插入绝缘的二维材料，不仅使压力传感器在非工作状态中不消耗额外的能量，而且从导通到不导通的开关效应可以大幅度地提高压力传感器的灵敏度。

但如何提供一种具有高灵敏度的压力传感器是本领域技术人员急需解决的的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，其在可穿戴电子器件如电子皮肤、柔性显示和健康监测等领域具有重要应用。

本发明的另一目的在于，提供一种组装上述具有类似三文治结构高灵敏度压力传感器的方法，通过调节石墨烯尖锥结构高度、宽度和分布密度和绝缘多孔二维材料阻挡层的厚度以及孔径，调控压力传感器的灵敏度和工作范围等性能。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器，是带有尖锥结构的石墨烯和其他绝缘多孔二维材料的复合结构。石墨烯尖锥结构的高度、宽度和分布密度都是均匀、可控的；绝缘多孔的二维材料的孔分布是均匀的，孔径和孔深是可控的，通过电化学方法制备形成。

本发明的高灵敏度压力传感器，所述石墨烯尖锥结构的高度为8-400nm。

本发明的高灵敏度压力传感器，所述绝缘多孔二维材料包括阳极氧化铝，氧化锌，二氧化钛。