[发明专利]一种微应变石墨烯传感器及其制造方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯传感器，包括：石墨烯敏感层和柔性基底层，石墨烯敏感层位于柔性基底层上，柔性基底层具有垂直贯穿柔性基底层的镂空式形变敏感区。通过设置镂空式形变敏感区，提高了石墨烯传感器的灵敏度，又能对敏感元件本身进行有效保护。

技术领域

本发明涉及石墨烯传感器领域，更具体地说，涉及一种测量微应变的石墨烯传感器及其制备方法。

背景技术

作为一种微型机电器件，微应变传感器主要有利用敏感元件的机械形变产生电信号输出，由于该类传感器具有高灵敏度，其广泛用于医疗、电子等精密测控行业。微应变传感器根据信号转换机理主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中，电阻式传感器的基本工作原理是将被测压力的变化转变为传感器的电阻值的变化。发明专利(CN102288354A)提供了一种能够实现高灵敏度以及高精度的压力测定的压敏电阻式压力传感器的制备方法；专利发明(CN101393058A)提出了一种适用于穿戴式个人生理信息与状态检测的具有有机组织结构的柔性电阻式压力传感器。然而，对于需要极高灵敏度的脉搏测量来说，上述形变类传感器应用方式都很难达到其精度要求。

随着材料的发展，微应变传感器的敏感元件也在不断更新。目前灵敏度较高的薄膜压力传感器大多采用ZnO纳米线阵列或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为敏感元件，但灵敏度仍还不够高，对于应变低于0.4％的压力形变很难准确感应，在微电路设计时对信号的捕捉难度也就更大。对于极其微弱的应变，ZnO或者PVDF压电式压力传感器感应跳变信号就不很明显，这样就不利于微电路设计时对给定压力信号的捕捉，也就难以进行数字算法信号处理。另外，ZnO材料对酸、碱比较敏感，易发生化学反应，特别是对于经常与人体接触的电子产品，会严重影响传感器的稳定性。

随着2004年石墨烯材料被人类首次发现并成功剥离，以石墨烯作为敏感元件的传感器。石墨烯微形变传感器是通过形变来改变自身电阻值，输出不同的电压值而获得形变量。石墨烯本身轻薄柔软，对形变反应灵敏，成本低，可大规模生产制造。石墨烯传感器具有很多优点，在医疗传感器领域得到了广泛应用，尤其用于识别跑步姿势、脉搏等生物信号的可穿戴设备中。

专利申请(CN104359597A)公开了一种压力传感器，这种感应微形变的压力传感器采用两层柔性衬底和分别覆盖在内表面的碳纳米管或石墨烯膜，电极分别位于两层柔性基底内侧两端，两层基底错开组装，当受到挤压、拉伸等外界作用力时，上下两层石墨烯(或碳纳米管)层的接触面积将发生变化，从而导致两层间的接触电阻发生变化。虽然这种传感器也具有很高的灵敏度，但是这种传感器是由于上下层石墨烯或碳纳米管不能封装，使用中容易损坏，并且这种传感器还与上下层间隙的高度差以及表面平整性等因素有关，压力感应信号的稳定性很差。另外，由于石墨烯敏感元件本身形变能力弱，不能承受较大形变，一旦其所承受形变值大于一定阈值后，有可能导致敏感元件过载以至于损害传感器。现有的石墨烯传感器依靠基底支撑，整体式基底对微形变不够敏感，传感器的灵敏度下降严重。

因此，提供一种既能保证传感器灵敏度，又能对敏感元件本身进行有效保护、稳定性好的石墨烯传感器，成为现有技术急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种石墨烯传感器及其制造方法，该传感器既能保证传感器的高灵敏度，又能对敏感元件本身进行有效保护，能够广泛应用于可穿戴设备等领域。

为解决上述技术问题，本发明采用一种石墨烯传感器，该传感器包括：石墨烯敏感层以及柔性基底层，所述石墨烯敏感层位于柔性基底层上，所述柔性基底层具有垂直贯穿柔性基底层的镂空式形变敏感区。

作为优选，所述镂空式形变敏感区为若干个“L”型、矩形、椭圆形或圆形镂空图案。

作为优选，若干个所述镂空图案围绕石墨烯敏感层设置。

作为优选，所述镂空式形变敏感区的数量为四的整数倍个。

作为优选，所述镂空式形变敏感区沿所述石墨烯敏感层中心线对称设置。