石墨烯壓力傳感器及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯壓力傳感器及其制備方法和用途。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)在的電容觸屏僅僅是相對比較初級的輸入，它們只是追蹤在屏幕表面的手指或鐵筆的位置移動形成的軌跡。使用觸屏面板的一個缺陷是，通常它們并不能提供壓力或施壓大小的信息，而壓力的大小也可以用來作為輸入的另一個維度，它能夠為與之關聯(lián)的電子設備提供指令或控制信號。
[0003]目前靈敏度較高的薄膜壓力傳感器大多采用ZnO納米線陣列或者聚偏氟乙烯(PVDF)作為感應敏感元件，但是靈敏度仍然不夠高，對于應變低于0.4%的壓力形變很難準確感應，這樣在微電路設計時對信號的捕捉難度也就更大。
[0004]對于極其微弱的應變(〈0.4% )，ZnO或者PVDF壓電式壓力傳感器感應跳變信號就不很明顯，這樣就不利于微電路設計時對給定壓力信號的捕捉，也就難以進行數(shù)字算法信號處理；
[0005]另外，ZnO壓感觸感器對酸、堿溶液比較敏感，易發(fā)生化學反應，特別是對于經(jīng)常與人體接觸的電子產(chǎn)品，會嚴重影響傳感器的穩(wěn)定性。
[0006]專利CN104359597A公開了一種壓力傳感器，這種感應微型變的壓力傳感器是用兩層柔性襯底和分別覆蓋在內(nèi)表面的碳納米管或石墨烯膜，電極分別位于兩層柔性基底內(nèi)側兩端，兩層基底錯開組裝，當受到擠壓、拉伸等外界作用力時，上下兩層石墨烯(或碳納米管)層的接觸面積將發(fā)生變化，從而導致兩層間的接觸電阻發(fā)生變化。雖然這種傳感器也具有很高的靈敏度，但是這種傳感器是由于上下層石墨烯或碳納米管不能封裝，使用中容易損壞，并且這種傳感器還與上下層間隙的高度差以及表面平整性等因素有關，壓力感應信號的穩(wěn)定性很差。
[0007]因此，仍需開發(fā)靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長的壓力傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種石墨烯壓力傳感器，其特征在于，其至少由彈性襯底層、石墨烯壓力感應層和封裝層組成；
[0009]其中所述彈性襯底層包含感應區(qū)、搭接區(qū)和電極區(qū)；
[0010]所述石墨烯壓力感應層附著在感應區(qū)上，且石墨烯壓力感應層與電極區(qū)直接接觸而形成搭接區(qū)；所述封裝層覆蓋石墨烯壓力感應層及石墨烯壓力感應層與電極區(qū)的搭接區(qū)。
[0011]在本發(fā)明中，所述電極區(qū)用于高分子膜與金屬電極組成的柔性印刷電路(FPC)結構區(qū)域；感應區(qū)用于放置石墨烯壓力感應層的有機高分子材料復合結構區(qū)域；搭接區(qū)為將與石墨稀壓力感應層接觸的金屬電極區(qū)域。
[0012]其中所述有機高分子材料包含但并不限于粘合劑、橡膠、塑料或樹脂。
[0013]此外，本發(fā)明提供還一種制備上述石墨烯壓力傳感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
[0014](1)在支撐層上制作彈性襯底層，使電極區(qū)表面與感應區(qū)表面在同一平面上；
[0015](2)制備石墨稀壓力感應層；
[0016](3)將石墨烯壓力感應層轉移至感應區(qū)，并確保石墨烯壓力感應層與電極區(qū)形成有效搭接；
[0017](4)在石墨稀壓力感應層上蝕刻感應圖案；
[0018](5)對石墨烯壓力感應層及搭接區(qū)涂覆有機高分子材料，形成封裝層；
[0019](6)按照所需外形尺寸切割傳感器產(chǎn)品。
[0020]本發(fā)明還提供上述石墨烯壓力傳感器用于智能終端的用途。
[0021]本發(fā)明的石墨烯壓力傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、預期使用壽命長，且其制作成本低、工藝簡易、過程可控。
【附圖說明】
[0022]圖1為一種石墨烯壓力傳感器的正視圖。
[0023]圖2為一種石墨烯壓力傳感器的俯視圖。
[0024]圖3為手指輕按時傳感器的壓感信號。
[0025]圖4為手指重按時傳感器壓感信號。
【具體實施方式】
[0026]在本發(fā)明中，關于石墨烯壓力傳感器中各部分的位置描述，是基于附圖1和2而言，顯然，隨著附圖1-2設備的位置變換，其中各部件的位置也變化；因此，本說明書結合具體位置的說明不對發(fā)明構成任何限制。
[0027]本發(fā)明提供一種石墨烯壓力傳感器，其特征在于，其至少由彈性襯底層、石墨烯壓力感應層、封裝層組成；
[0028]其中所述彈性襯底層包含感應區(qū)、搭接區(qū)、電極區(qū)；
[0029]所述石墨烯壓力感應層附著在感應區(qū)上，且石墨烯壓力感應層與電極區(qū)直接接觸而形成搭接區(qū)；所述封裝層覆蓋石墨烯壓力感應層及石墨烯壓力感應層與電極區(qū)的搭接區(qū)。
[0030]在本發(fā)明中，所述彈性襯底層包含感應區(qū)、搭接區(qū)、電極區(qū)；其中電極區(qū)用于高分子膜與金屬電極組成的柔性印刷電路結構區(qū)域；感應區(qū)用于放置石墨烯壓力感應層的有機高分子材料復合結構區(qū)域，；搭接區(qū)為將與石墨烯壓力感應層接觸的金屬電極區(qū)域。
[0031 ] 其中所述有機高分子材料包含但并不限于粘合劑、橡膠、塑料或樹脂。
[0032]在本發(fā)明中，所述電極位于石墨烯壓力傳感器的同側，不僅易于綁定，而且使得壓感區(qū)域更大，這樣還可以有利于保護電極與彈性襯底層的界面處的石墨烯。封裝層覆蓋石墨烯壓力感應層及石墨烯壓力感應層與電極區(qū)的搭接區(qū)，這樣有助于最終產(chǎn)品的穩(wěn)定和保護，確保產(chǎn)品的長期使用。
[0033]此外，本發(fā)明提供一種制備上述石墨烯壓力傳感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
[0034](1)在支撐層上制作彈性襯底層，使電極區(qū)表面與感應區(qū)表面在同一平面上；
[0035](2)制備石墨稀壓力感應層；
[0036](3)將石墨烯壓力感應層轉移至感應區(qū)，并確保石墨烯壓力感應層與電極區(qū)形成有效搭接；
[0037](4)在石墨稀壓力感應層上蝕刻感應圖案；
[0038](5)對石墨烯壓力感應層及搭接區(qū)涂覆有機高分子材料，形成封裝層；
[0039](6)按照所需外形尺寸切割傳感器產(chǎn)品。
[0040]在步驟(1)中，所述支撐層可為雙面膠、單面離型紙、單面膠、聚酯膜、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PI (聚酰亞胺)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、金屬、陶瓷以及柔性玻璃，其中，支撐層使得與電極側面相接的彈性襯底層的制作更加容易，同時在制作過程可以避免電極與彈性襯底層界面處石墨烯的破裂，起到保護作用。
[0041]在步驟(1)中，為增加電極區(qū)與感應區(qū)的界面接觸面積，與感應區(qū)相鄰的電極處，其橫截面可為鋸齒形或波浪形等。
[0042]在步驟(1)中，所述感應區(qū)可為耐酸堿浸蝕、與人體生物兼容性良好、化學性質穩(wěn)定的各種彈性有機硅膠，其可選自PDMS (聚二甲基硅氧烷)、硅膠E620 ( 二甲基-二苯基聚娃氧燒)、0CA膠(透明光學膠)，其厚度為10-250 μ m，優(yōu)選為50-200 μ m，更優(yōu)選為100-175 μmD
[0043]在一個優(yōu)選實施方案中，在步驟(1)中，將彈性硅膠真空除氣泡后涂覆在支撐層上，使其表面與電極表面在同一平面上，再次真空下除氣泡，然后加熱固化，形成彈性襯底層，其中所述加熱在烘箱中進行，加熱溫度為30-150°C，固化時間為10-180min。
[0044]在另一優(yōu)選實施方案中，在步驟(1)中，將電極區(qū)背面與感應區(qū)和支撐層粘貼，使用卷對卷滾壓使三者緊密粘貼，并使感應區(qū)與電極區(qū)表面在同一平面上。
[0045]在另一優(yōu)選實施方案中，在步驟(1)中，也可將銅箔與感應區(qū)和支撐層一起加壓，通過菲林腐蝕，得到所需圖案的電極。
[0046]在步驟(2)中，所述石墨烯壓力感應層可通過本領域已知的方法制備，例如化學氣相沉積法(CVD法)，或也可通過將石墨烯粉體經(jīng)涂覆、滾壓、抽濾、噴涂制備石墨烯薄膜，或者使用氧化石墨烯粉體經(jīng)涂覆、滾壓、抽濾、噴涂形成氧化石墨烯薄膜，再通過還原法形成石墨烯薄膜，用圖形化工藝形成石墨烯薄膜。
[0047]當使用化學氣相沉積法制備石墨烯壓力感應層時，所用生長石墨烯的基底包括但不限于銅、鐵、鎳、銅鎳合金、氧化硅、碳化硅、鉑金的片材、網(wǎng)材及三維泡沫結構材料。
[0048]在一個優(yōu)選實施方案中，在步驟(2)中，所述石墨烯壓力感應層使用CVD法制備，其中所述網(wǎng)狀石墨烯的厚度為10-500nm，網(wǎng)孔為10 X 10-500 X 500 μ m，單根石墨烯線寬為5-250 μmD
[0049]在步驟(2)中，所制備的石墨烯壓力感應層的方阻為0.2-200ΚΩ/ 口。
[0050]在步驟(4)中，蝕刻采用激光蝕刻機進行，所述激光蝕刻機為本領域常規(guī)使用的激光蝕刻機，其可購得。
[0051]在步驟(4)中，為確保感應圖案的石墨稀與周圍石墨稀壓力感應層斷開，并獲得相對更大的壓力感應區(qū)域，所述感應圖案可為同心多組方形、圓形、橢圓形等圖案。
[0052]在步驟⑷中，所述線路感應圖案與右側邊緣的距離為0.0l-lOmm，優(yōu)選為0.l_6mm，感應圖案最外側圖案的寬度為0.01-lmm，優(yōu)選為0.2_5mm。
[0053]在一個優(yōu)選實施方案中，在步驟(5)中，為防止遠離搭接區(qū)的電極區(qū)不涂覆有機高分子材料，可使用遮蔽膠帶對電極進行保護，所述膠帶為壓敏型膠帶。
[0054]在步驟(5)中，為使涂覆的有機高分子固化，可在烘箱中進行加熱，烘箱溫度為30-150°C，固化時間為 5-180min。
[0055]在步驟(5)中，所述封裝層可為各種有機硅膠，其可選自PDMS、硅膠E620、C6-515液體娃膠，所述封裝層厚度可為10?500 μ m，優(yōu)選為50-300 μ m，更優(yōu)選為100-200 μ m，以保護石墨烯壓力感應層免于劃傷。
[0056]在一個優(yōu)選實施方案中，在步驟(5)中，為防止搭接區(qū)受到應力損傷，在搭接區(qū)上方的封裝層上表面粘貼界面加強帶，所述界面加強帶可選自壓敏膠、紫外光固膠、熱固膠、瞬干膠、結構膠、密封膠。
[0057]在一個優(yōu)選實施方案中，所述電極區(qū)的電極為柔性印刷電路(FPC)電極，其由銅箔和PI膜制成，其中PI膜的厚度為10-500 μ m，PI膜與銅箔按照本領域熟知的熱壓工藝熱壓加工而形成電極，所述銅箔表面可蒸鍍厚度為10-500nm的抗氧化層，所述抗氧化層可為金、鎳或者鎳絡合金。
[0058]在本發(fā)明中，在銅箔上蒸鍍金、鎳或者鎳鉻合金可以防止殘留在石墨烯網(wǎng)中的氯化鐵的腐蝕或者其它酸和堿的腐蝕，進而可以確保傳感器的穩(wěn)定性。
[0059]在另一實施方案中，所述電極區(qū)的電極為FPC電極，其為PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)鍍銅膜，且銅上可蒸鍍厚度10-500n