一種壓力傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及表皮傳感器技術領域，尤其涉及一種壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]固體受到作用力后電阻率會發生變化，這種效應稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特別強。利用半導體材料制備的壓阻式傳感器有兩種類型，一種是利用半導體材料的體電阻做成的粘貼式應變片，一種是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱為擴散型壓阻傳感器。目前應用較多的壓阻型壓力傳感器的主要材料是擴散硅半導體，結構以膜片型為主。壓阻型壓力傳感器對壓力探測的原理主要基于膜片在壓力作用下由于應力產生應變，應變導致體電阻變化，將電阻變化轉化為電信號，從而實現傳感特性。壓阻型器件工藝雖然與半導體工藝兼容，但是結構復雜，生產成本較高，而且其探測靈敏度低，工作于大壓力范圍，對于〈lkPa的壓力無法探測。
[0003]隨著可穿戴式設備的發展，人們需要更加靈敏的柔性壓力傳感器以探測人體皮膚上微小的壓力變化，從而實時測量監測從關節運動到脈搏的壓力刺激。人們開始關注可貼于皮膚的柔性壓力傳感器，許多原型器件已經制備出來了，其主要材料是柔性壓阻材料，結構以薄膜型為主。這類器件雖然在小壓力范圍內(〈lkPa)具有高的靈明度，但是其需要在柔性襯底上制作金屬電極，制造工藝復雜，從而限制了它們的實用性。
[0004]柔性壓力傳感器件只是應用了壓阻效應這一特點，雖然它們在小壓力范圍內(〈lkPa)靈敏度比擴散硅壓力傳感器得到了明顯增強，但它們要求材料必需具有顯著的壓阻效應，并且此種柔性壓力傳感器件生產工藝復雜。
【發明內容】
[0005]本發明解決的技術問題在于提供一種靈敏度較高且制備方法簡單的壓力傳感器。
[0006]有鑒于此，本申請提供了一種壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0007]將氧化石墨烯溶液滴于襯底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；
[0008]采用激光在氧化石墨烯薄膜上分別進行光刻，得到激光還原氧化石墨烯叉指電極層和激光還原氧化石墨烯導電層；
[0009]將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層與所述激光還原氧化石墨烯導電層分別切割下來，再將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層的叉指部分與激光還原氧化石墨烯的導電層交疊放置，得到壓力傳感器。
[0010]優選的，所述激光還原氧化石墨烯導電層為立方體或長方體。
[0011]優選的，所述交疊的面積=所述激光還原氧化石墨烯導電層的寬度X所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層中叉指電極的寬度X所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層中叉指電極的叉指對數X2。
[0012]優選的，所述襯底為聚二甲基硅氧烷薄膜。
[0013]優選的，所述激光的波長為650nm，功率為200?250mW。
[0014]優選的，所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層的叉指電極的對數為2?4對。
[0015]本申請還提供了一種壓力傳感器，包括:激光還原氧化石墨烯叉指電極層和激光還原氧化石墨烯導電層，所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層的叉指部分設置有激光還原氧化石墨烯導電層；
[0016]所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層包括疊加設置的激光還原氧化石墨烯叉指圖形與遠離激光還原氧化石墨烯導電層端的第一襯底，所述激光還原氧化石墨烯導電層包括疊加設置的激光還原氧化石墨烯導電圖形與遠離激光還原氧化石墨烯叉指電極層端的第二襯底。
[0017]優選的，所述導電圖形為長方形或正方形。
[0018]優選的，所述第一襯底與第二襯底均為柔性襯底，所述柔性襯底為聚二甲基硅氧烷薄膜。
[0019]本申請提供了一種壓力傳感器的制備方法，首先將氧化石墨烯溶液滴于襯底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；再采用激光在氧化石墨烯薄膜上分別進行光刻，得到激光還原氧化石墨烯叉指電極層和激光還原氧化石墨烯導電層；最后將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層與所述激光還原氧化石墨烯導電層分別切割下來，將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層的叉指部分與激光還原氧化石墨烯的導電層交疊放置，得到壓力傳感器。本申請采用激光光刻制備了還原氧化石墨烯，其具有突起的微觀結構，形狀類似半圓柱，在壓力作用下變扁，從而使接觸面積變大，接觸電阻減小，使壓力傳感器在小壓力范圍下即具有靈敏度；且叉指電極層決定了不加壓力接觸電阻無窮大時壓力傳感器的電阻Rtl，導電層決定了接觸電阻在壓力作用下減小到O的理想條件下壓力傳感器的電阻R?，而靈敏度=d ((R0-R) /R0) /dP，因此，激光還原氧化石墨烯叉指電極層、導電層以及其表面微觀結構共同決定了壓力傳感器的靈敏度，使壓力傳感器在小壓力范圍內靈敏度較高，且本申請的制備過程簡單。實驗結果表明，本發明制備的壓力傳感器在壓力小于IkPa時具有較高的靈敏度。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明壓力傳感器的結構示意圖；
[0021]圖2為本發明實施例1制備的壓力傳感器電阻相對變化率隨壓力變化的曲線圖；
[0022]圖3為本發明實施例1制備的壓力傳感器瞬態響應特性曲線圖；
[0023]圖4為本發明實施例1制備的壓力傳感器瞬態恢復特性曲線圖；
[0024]圖5為本發明實施例1制備的壓力傳感器動態穩定特性曲線圖；
[0025]圖6為本發明實施例2制備的壓力傳感器電阻相對變化率隨壓力變化的曲線圖；
[0026]圖7為本發明實施例3制備的壓力傳感器電阻相對變化率隨壓力變化的曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。
[0028]本發明實施例公開了一種壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0029]將氧化石墨烯溶液滴于襯底上，晾干后得到氧化石墨烯薄膜；
[0030]采用激光在氧化石墨烯薄膜上分別進行光刻，得到激光還原氧化石墨烯叉指電極層和激光還原氧化石墨烯導電層；
[0031]將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層與所述激光還原氧化石墨烯導電層分別切割下來，再將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層的叉指部分與激光還原氧化石墨烯的導電層交疊放置，得到壓力傳感器。
[0032]本申請提供的壓力傳感器的制備方法是采用激光還原氧化石墨烯，利用了激光還原石墨烯微觀結構特性，因此壓力傳感器具有較高的靈敏度，且本申請所述壓力傳感器可以貼于皮膚，可利用于電子皮膚領域。
[0033]在制備壓力傳感器的過程中，本申請首先采用激光在氧化石墨烯薄膜上分別進行光刻，氧化石墨烯吸收激光還原為石墨烯，且分別光刻出激光還原氧化石墨烯叉指電極層和激光還原氧化石墨烯導電層。經過激光還原的氧化石墨烯具有突起的微觀結構，形狀類似半圓柱。本申請所述氧化石墨烯薄膜按照下述方式制備得到:
[0034]將氧化石墨烯溶于水中，將得到的氧化石墨烯溶液滴在柔性襯底上晾干。
[0035]本申請所述柔性襯底優選為聚二甲基硅氧烷薄膜。
[0036]本申請通過采用激光將氧化石墨稀還原成石墨稀的方法，制備了石墨稀叉指電極層與石墨烯導電層。激光光刻的叉指電極是如指狀或梳狀的面內有周期型圖案的電極，其能夠調節壓力傳感器的靈敏度。本申請所述叉指電極層的叉指電極的對數為2?4對。本申請所述導電層的形狀優選為正方體或長方體。本申請采用激光光刻還原氧化石墨烯的過程中，可以在氧化石墨烯薄膜上光刻出很多不同的圖形，一種為叉指型的，一種為導電型的，而得到多個激光還原氧化石墨烯叉指電極層與多個激光還原氧化石墨烯導電層。
[0037]本申請所述激光光刻的具體過程為本領域技術人員熟知的，此處不再進行贅述。按照本發明，所述激光光刻的過程中，激光的波長必須處于氧化石墨烯吸收范圍內，功率必須足夠大，本申請所述激光的波長優選為650nm，功率優選為200?250mW。
[0038]壓力傳感器的靈敏度=d((RQ-R)/RQ)/dP，其中叉指電極層決定外加壓力等于O時，器件初始電阻Rci,由于激光還原石墨烯電阻遠遠小于氧化石墨烯電阻，因此Rtl由叉指電極間隔決定，Rtl較大；導電層決定接觸電阻在壓力作用下減小到O的理想條件下器件電阻，此處由激光還原石墨烯的電阻決定，R00較小；而叉指電極層與導電層的微觀結構決定了加多大壓力，使接觸電阻由無窮大變為0，因此壓力電阻的靈敏度是由叉指電極層、導電層以及激光還原氧化石墨稀微觀結構決定的。
[0039]本申請然后將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層與激光還原氧化石墨烯導電層分別切割下來，并將所述激光還原氧化石墨烯叉指電極層的叉指部分與激光還原氧化石墨烯導電層交疊放置，而得到壓力傳感器。如上所述，本申請對在一塊氧化石墨烯薄膜上光刻的激光還原氧化石墨烯叉指層與激光還原氧化石墨烯的導電層的數目沒有限制，自然在此處兩層交疊放置的過程中，只要保證其是上述兩層交疊放置就可以，至于得到的壓力傳感器的數目主要取決于之前光刻的兩層的