基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于柔性電子器件領域，尤其涉及一種基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，微電子領域的發展開始在柔性電子領域聚焦，眾多柔性電子器件應用在無線健康監測(Mannoor, M.S.et al.Graphene-based wireless bacteria detect1non tooth enamel.Nat.Commun.3:763do1: 10.1038/ncommsl767)，傳感器網絡(Zeng, W.etal.Fiber-based wearable electronics:A review of materials, fabricat1n,devices，and applicat1ns.Adv.Mater.26，5310-5336)，電子皮膚(Kim，D.Η.et al.EpidermalElectronics.Science 333，838-843)，人工肌肉(Hu，ff.L.，Niuj X.F.，Zhao, R.&Pei，Q.B.Elastomeric transparent capacitive sensors based on an interpenetratingcomposite of silver nanowires and polyurethane.Appl.Phys.Lett.102, 083303)等領域。在這些應用中，電子皮膚可以將許多自然皮膚能感受到的物理量，如壓力，溫度，濕度等轉換為電信號，因此電子皮膚被普遍認為具有極大的應用潛力并引起了極大的研究熱情。在電子皮膚能感知的眾多參數中，壓力是極其重要的一個物理量。而基于電容式的壓力傳感器，因為其制造簡單，功耗低，成為了實現壓力傳感的一個重要設計方向。而電容式傳感器中的介電層是實現傳感性能的關鍵部位。氧化石墨烯由于其極高的介電系數(104，0.1 ?70Hz，Liu, J.Galpaya, D.Notarianni, M.Yan, C.&Motta, N.Graphene-basedthin film supercapacitor with graphene oxide as dielectric spacer.Appl.Phys.Lett.103，063108)，而泡沫狀的氧化石墨烯海綿有比較低的楊氏模量，這便使得基于氧化石墨烯海綿的傳感器，即便實在比較小的外界壓力下，也會有比較可觀電容的相應。基于這些特性使得氧化石墨烯海綿能夠成為一種柔性電容式傳感器的介電層。因此基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器，便可以擁有優良的傳感性能。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器，該柔性壓力傳感器可彎曲，靈敏度高，響應時間快，空間分辨能力高，穩定性高。
[0004]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0005]一種基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器，包括柔性基底、石墨烯電極、氧化石墨烯海綿介電層，所述石墨烯電極通過噴涂的方式沉積在所述柔性基底的外側面，通過掩膜形成長條狀電極陣列；所述柔性基底為兩片，所述氧化石墨烯海綿介電層設置在兩片柔性基底的內側面之間。
[0006]優選的，所述柔性基底的材質為聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚對二甲苯的其中之一。
[0007]優選的，所述石墨稀電極的厚度為10?60 μπι。
[0008]優選的，所述石墨稀電極的寬度為6?10mm。
[0009]優選的，相鄰兩個所述石墨烯電極的間距為6?10mm。
[0010]本發明的另一個目的是提供一種上述基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器的制備方法，其技術方案如下:
[0011]一種基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0012]S1、配置氧化石墨烯乙醇分散液；
[0013]S2、將所述氧化石墨烯乙醇分散液噴涂在有條狀電極掩膜版的柔性基底上制成條狀氧化石墨稀電極；
[0014]S3、將步驟S2所制備的氧化石墨烯電極用碘化氫水溶液進行還原；
[0015]S4、配置氧化石墨烯水溶液，并用滴涂的方式將氧化石墨烯水溶液覆蓋在柔性石墨烯電極上，冷凍，隨后進行冷凍干燥，制得氧化石墨烯海綿介電層；
[0016]S5、將制得的氧化石墨烯海綿介電層夾在兩片有條狀石墨烯電極的柔性基底之間，并用PDMS在四周進行封裝。
[0017]優選的，步驟SI中，所述氧化石墨烯乙醇分散液的濃度為0.5mg/ml0
[0018]優選的，步驟S3中，所述碘化氫水溶液的質量分數為35 %，還原時間為I?3h。
[0019]優選的，步驟S4中，所述氧化石墨稀水溶液濃度為I?10mg/ml。
[0020]優選的，步驟S4中，所述冷凍溫度為_40°C?-70 °C。
[0021]本發明的有益效果是:
[0022]本發明與現有技術相比，具有以下優點:
[0023]本發明所制備出的柔性壓力傳感器，比傳統聚合物傳感器有更高的靈敏度，能感受到比以前器件中更小的靜態壓強。本發明采用氧化石墨烯作為介電層，其介電系數高于傳統聚合物材料的介電系數，在制備過程中可以通過調節作為介電層的氧化石墨烯海綿的密度，從而調節介電層的楊氏模量，使得本柔性壓力傳感器能感知到微小的靜態壓力，同時本發明所制備出的柔性壓力傳感器還具有響應時間快，空間分辨能力高，穩定性好的優點。
【附圖說明】
[0024]圖1是氧化石墨烯海綿柔性壓力傳感器的示意圖。
[0025]圖2是氧化石墨烯海綿介電層的SEM圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0027]如圖1所示為基于氧化石墨烯海綿的柔性壓力傳感器，包括柔性基底、石墨烯電極、氧化石墨烯海綿介電層，石墨烯電極通過噴涂的方式沉積在柔性基底的外側面，通過掩膜形成長條狀電極陣列；柔性基底為兩片，氧化石墨烯海綿介電層設置在兩片柔性基底的內側面之間。
[0028]柔性基底的材質為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PD、聚對二甲苯(PA)的其中之一。
[0029]石墨烯電極的厚度為10?60 μπι，寬度為6?1mm ;相鄰兩個所述石墨烯電極間的間距為6?1mm0
[0030]本發明制備毫米尺度石墨烯球的方法，包括以下步驟:
[0031]首先將Ig氧化石墨粉末加入到10ml去離子水中，使用功率為40w的超聲機超聲分散成10mg/ml的粘稠的分散液。通過調節氧化石墨和去離子水的配比可以制得不同濃度的分營夂液(lmg/ml, 2mg/ml，3mg/ml，4mg/ml，5mg/ml，6mg/ml，7mg/ml，8mg/ml，9mg/ml)。同時配置0.5mg/ml的氧化石墨烯乙醇分散液；
[0032]再將所述乙醇分散液噴涂在有條狀電極掩膜版的柔性基底上制成條狀氧化石墨稀電極。
[0033]將上述所制備的氧化石墨烯電極用質量分數35%碘化氫水溶液進行還原，還原時間