[发明专利]一种石墨烯压力传感器及其结构和制备方法

说明书

本发明属于传感器技术领域，具体为一种石墨烯压力传感器及其制备方法。本发明的石墨烯压力传感器由叉指电极层、镶嵌石墨烯弹性衬底层、柔性封装层组成；镶嵌石墨烯弹性衬底层包含石墨烯压力感应层、弹性粘附层、柔性薄膜层；石墨烯压力感应层镶嵌在弹性黏附层上，弹性粘附层直接贴附在柔性薄膜层，且石墨烯压力感应层与叉指电极层的叉指区轻微接触；所述封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区。本发明的石墨烯压力传感器灵敏度高、结构简单，工艺简易，感应压力范围宽并且具有柔性，可用于可穿戴设备。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种石墨烯压力传感器及其制备方法。

背景技术

现在的工程设备和机器人上的机械臂仅仅是比较初级的抓取物品，它们只是简单地抓握和张开。使用这样的机械臂的一个缺陷是，通常它们并不能感知对所抓握物品施压大小的信息，而能够感知施压的大小可以使机械臂不会因施压过大而致物品损坏。

目前柔性传感器件中的柔性基质上大多采用导电高分子超薄膜，但是高分子材料导电性不佳，导致传感器件灵敏度较低。然而现在灵敏度较高的压力传感器大多采用金属氧化物纳米线阵列作为感应敏感元件，但是灵敏度仍然不高，且对酸碱敏感，传感器稳定性较差。

目前具有研究潜力的可穿戴设备以及电子皮肤对传感器阵列密度有较高要求，但是现在的石墨烯压力传感阵列系统大多不可拉伸，然而单个传感器面积无法做到很小，由单个传感器再排列构成阵列时无法满足高密度的要求。

专利CN206114156U公开了一种石墨烯压力传感器阵列系统，该传感器阵列包括阵列电路板以及阵列电路板上布置的阵列电路，所述阵列电路板上设置有若干与阵列电路连接的石墨烯压力传感单元。虽然这种传感器也可根据需要制作密集的石墨烯传感单元，但是这种传感器的电路板是刚性的，无法满足可穿戴设备和电子皮肤的柔性需求。

目前的石墨烯压力传感器大多工艺复杂，结构复杂并由多个部件构成。

专利CN105300574A公开了一种石墨烯压力传感器，该传感器至少由弹性衬底层、石墨烯压力感应层和封装层组成；其中弹性衬底层包含感应区、搭接区、电极区；石墨烯压力感应层附着在感应区上，当受到挤压或其他外界作用力时，刻蚀好感应图案的石墨烯与周围石墨烯压力感应层接触或接触面积发生变化，从而导致接触电阻发生变化。这种传感器中的石墨烯压力感应层需将石墨烯粉末经这个步骤制备成石墨烯薄膜，并且还需进行激光刻蚀。可见其工艺繁杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、结构简单、成本低廉、柔性的石墨烯压力传感器。

本发明提供的石墨烯压力传感器，由叉指电极层、镶嵌石墨烯弹性衬底层、柔性封装层组成；其中：

所述叉指电极层分为叉指区与平面区；

所述镶嵌石墨烯弹性衬底层包含石墨烯压力感应层、弹性粘附层、柔性薄膜层；所述石墨烯压力感应层镶嵌在弹性黏附层上，弹性粘附层直接贴附在柔性薄膜层，且石墨烯压力感应层与叉指电极层的叉指区轻微接触；

所述柔性封装层覆盖镶嵌石墨烯弹性衬底层及叉指电极叉指区。

本发明中，所述石墨烯压力感应层厚度为1~3层碳原子厚度。

本发明中，所述叉指电极层在未覆盖石墨烯压力感应层时，叉指电极层不导电；所述石墨烯压力传感器的静态电阻与导电电极的接触面积有关，典型值为1~1000 Ω，可感应压力的范围与镶嵌石墨烯的弹性粘附层有关，典型值为10~2000 Pa。

本发明中，所述叉指电极层是为铟锡氧化物（ITO）或导电金属膜（例如为Au、Ag或Cu）与高分子膜（如聚对苯二甲酸乙二酯，PET）或者玻璃组成的刻蚀电路，叉指区电极电路为刻蚀或蒸镀成手指交叉状，故称叉指电极；叉指的形状可以是方条形、圆弧形、锥形等；叉指的个数可以是1对到20对（相对交叉的2个为1对）；参见图2所示。