[发明专利]利用石墨烯薄膜测量物体应力的装置及制备方法和测试方法

说明书

技术领域

本发明属于应力测试领域，具体涉及一种利用石墨烯薄膜测量物体应力的装置及制备方法和测试方法。

背景技术

石墨烯集多种优异特性于一身，其电子迁移率高达200,000cm²/Vs，透光率高达97.7%，导热系数高达5300W/(m·K)。特别是，其可恢复的应变值超过10%，倘若沿扶手椅方向加载时因晶格剪切变形可恢复的应变值甚至高达30%，远大于单晶硅和金属材料体系，意味着可以感知的应变更大，变形更剧烈。不难想象，对于厚度仅为单个原子层的石墨烯，外载变形量非常容易从所依附的基底传递给石墨烯，且应变仅包含二维分量，无纵向分布，可有效规避三维非均匀应力/应变分布可能引起分析过程的复杂性。石墨烯的多种性能均对其应变状态非常敏感，如，其电子能带结构和导电特性随应变可调，其晶格振动频率和拉曼特征峰的信息与应变状态相关。因此，基于这些物理参量的变化有望实现对石墨应变状态的探测，进而感知待测物体的变形或气体压力。

拉曼光谱是晶格振动特征的直接反映，对于材料结构变化具有指纹识别能力，对于二维晶体—石墨烯也不例外。因变形而引入的应变直接反映在特征峰峰位和峰形的变化上。因此，依附于柔性基底表面上的石墨烯适用于进行应变或气体压力传感。其他基于电子学特性的传统应变或压力传感器，例如，发明名称为“高阻抗压电传感器”，申请号为：200810119208.X的中国专利；发明名称为“半导体压阻效应传感”，申请号为：200710109001.X的中国专利；发明名称为“金属应变片应变传感器”，申请号为：200510078142.0的中国专利等均需要制备电极和引线，工艺复杂，且待测结构受限。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种应变或气体压力传感装置及其制备方法，该方法基于拉曼光谱特征峰峰位及峰形进行应变传感，属于非接触式光学传感，无需制备电极和引线，工艺简单，灵活性大，有望成为全新的应变和气体压力传感方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种利用石墨烯薄膜测量物体应力的装置，包括粘贴在待测物体或开设通孔的单晶硅表面且能够拉伸的柔性基底，柔性基底的表面附着有石墨烯。

所述的柔性基底的长度为20mm～50mm，宽度为3mm～30mm；能够承受应变范围为0%～20%，应变测量的精确度为0.03%，应变感应范围为0～25%。

所述的柔性基底为PMMA薄膜层、PDMS薄膜层、PVDC薄膜层或PET薄膜层。

所述石墨烯的表面还旋涂有防止石墨烯与柔性基底脱离的S1805光刻胶。

一种利用石墨烯薄膜测量物体应力的装置的制备方法，包括以下步骤：

1）利用化学气相沉积法或等离子体辅助化学气相沉积法在铜箔的表面生长单层或双层石墨烯；

2）在石墨烯表面旋涂PMMA、PDMS、PVDC或PET，再利用FeCl₃水溶液将铜箔腐蚀掉，得到附着有石墨烯的柔性基底。

所述的步骤1）中，采用化学气相沉积法沉积石墨烯时，将铜箔在1000℃的H₂气氛中保持20～30min，之后通入CH₄和H₂的混合气体，CH₄的流量控制在10～30sccm，H₂的流量控制在40～100sccm；然后在1000℃下保持10min后，先关闭CH₄，在H₂气氛下以1℃/s的速率将温度降低至25℃，即制备出单层或双层石墨烯。

所述铜箔的厚度为10～30μm，其纯度为99%以上。

所述步骤2）的具体方法为，先在生长有石墨烯的铜箔上旋涂有一层200nm厚的SU8光刻胶，再旋涂一层PMMA薄膜层、PDMS薄膜层、PVDC薄膜层或PET薄膜层，然后烘干；烘干后在FeCl₃水溶液中浸泡，直至铜箔完全溶解，再在石墨烯的表面旋涂一层防止石墨烯脱落的S1805光刻胶，最终得到附着有石墨烯的柔性基底。

所述的FeCl₃水溶液的浓度为0.3～0.5mol/L，且FeCl₃水溶液中滴加有浓度为0.5mol/L的盐酸，盐酸与FeCl₃水溶液的体积比为（1～3）:100。