[发明专利]基于竖直石墨烯的可拉伸应力传感器及其用途

说明书

一种基于竖直石墨烯的可拉伸应力传感器,其拉伸率大于50％并能识别音频，能识别频率大于f赫兹的音频，f为100、800或者2500，在50％的拉伸状态下灵敏度因子大于100。竖直石墨烯包含底部平面层和竖直层，还含有高密度网状裂缝，裂缝方向包括横向、竖向和斜向，网状的裂缝将竖直石墨烯分割成多个小块，相邻小块之间通过竖直层电性相连；在拉伸状态下，裂缝变宽，但依然能够通过竖直层桥接，裂缝两侧依然保持电性相连，传感器保持有效。每个小块的平面的平均直径范围为5‑20微米。该基于竖直石墨烯的可拉伸应力传感器具有拉伸率高、灵敏度高、能识别音频的特点，相比于其它的可拉伸应力传感器用途更加广泛。

技术领域

本发明涉及传感器件工程领域，特别是涉及一种基于竖直石墨烯的可拉伸应力传感器及其用途。

背景技术

在可预见的未来，电子设备与人类的联系将愈发紧密，电子设备将会通过与人类更多的接触，实现更加先进便捷的健康检测、信息获取和作为人与机器之间的桥梁等功能。以电子皮肤为代表的可穿戴设备作为可以直接与人身体接触，可直接贴合在皮肤上的一类电子设备而成为电子领域的新兴研究热点。

传统的应力或压敏传感器是基于压电陶瓷等非柔性材料，其无法任意拉伸或压缩，因此无法实现与皮肤贴合而受到应用限制。例如，要感知动物或机器人的关节运动轨迹，需要将传感器贴附在关节处，关节运动时传感器会被拉伸或压缩，从而感知关节运动的幅度和方向。

要实现可拉伸式的应力传感器，需要采用可拉伸的弹性材料，如橡胶等，但这类材料制备的应力传感器灵敏度有限，其灵敏度因子(定义为相对电阻的变化量除以相对形变量，简称GF)难以突破100。特别是，由于弹性材料的杨氏模量小，造成固有频率低，无法跟上声波的振动频率，故无法识别音频(或音色)，最多只能感应声音的强度(音量)，限制了其应用范围。

非专利文献1(Nature,2014,516,222-226.doi:10.1038/nature14002)公开了一种可拉伸应力传感器，通过在可拉伸弹性衬底(聚二甲基硅氧烷，PDMS)上镀一层金属薄膜制备了一种可拉伸传感器，因为金属薄膜在拉伸过程中会形成很多裂缝，利用这些裂缝在振动过程中缝隙的变化来感应音频。但金属薄膜在拉伸过程中容易完全断裂而造成失效，这类传感器的最大拉伸量只有2％，难以满足可拉伸应力传感器的实际需求。

非专利文献2(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,1294-1302.DOI:10.1021/acsami.8b18210)公开了一种由石墨烯墙制备的应力传感器，拉伸率为10％，但其传感器只能感应而无法辨别音色。

非专利文献3(ACS Appl.Mater.Interfaces,2018,10,36312-36322.DOI:10.1021/acsami.8b15848)公开了一种由竖直石墨烯制备的可拉伸应力传感器，竖直石墨烯包含底部平面层和竖直层，底部平面层含有之字形(zigzag)裂缝。在拉伸过程中裂缝变宽使电流路径变长，从而使电阻变化。但这类裂缝是在拉伸过程中形成的，裂缝密度低(相邻裂缝之间的间距通常大于50微米)，且方向一致，造成灵敏度低(最大GF为88.4)，且无法辨别音色。

因此针对现有技术不足，提供一种性能良好、具有音色识别能力的可拉伸应力传感器及其用途，以解决现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于竖直石墨烯的可拉伸应力传感器，该可拉伸应力传感器灵敏度高、固有频率高并能识别音频。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种基于竖直石墨烯的可拉伸应力传感器,其拉伸率大于50％并能识别音频。

优选的，拉伸率大于70％并能识别音频。