一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器及製作方法

2023-04-25 20:51:26 2

一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器及製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器，包括柔性襯底、設置在柔性襯底上的石墨烯納米牆和設置在石墨烯納米牆上的電極，所述柔性襯底會因氣體流動而產生微小震動，從而導致石墨烯納米牆的電阻發生改變；與此同時，本發明還提供一種製作前述氣流傳感器的方法。本發明所提供的氣流傳感器對氣體流動有優良的探測特性，並且體積小巧，功耗低，性能穩定；同時柔性較好，可穿戴性能佳。
【專利說明】一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器及製作方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣流傳感器，特別涉及一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器及製作該傳感器的方法。

【背景技術】
[0002]隨著社會的進步和科技的發展，人們對氣流傳感器的要求也越來越高。氣流傳感器能夠感知外界氣體的流動，並能將這種信息轉變成電信號。目前一種廣泛使用的氣流傳感器是基於橡膠膜帶動機械結構或磁控開關的結構。氣體的流動會帶動橡膠膜的震動，弓丨起機械結構或磁控開關的運動，從而將氣體的流動轉變成電信號。雖然這種傳感器結構簡單，但是體積大，功耗高。現有技術中也存在其他的氣流傳感器，例如有基於熱敏電阻，熱敏晶體，壓電晶體的傳感器。然而這類傳感器受敏感材料靈敏度的限制，體積也較大，成本較高。因此，迫切需要一種體積小，功耗低，性能穩定的氣流傳感器。


【發明內容】

[0003]本發明的目的之一是提供一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器，該傳感器對氣體流動有優良的探測特性，與此同時本發明還提供一種製作該氣流傳感器的方法。
[0004]本發明的目的之一是通過這樣的技術方案實現的，一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器，包括柔性襯底、設置在柔性襯底上的石墨烯納米牆和設置在石墨烯納米牆上的電極，所述柔性襯底會因氣體流動而產生微小震動，從而導致石墨烯納米牆的電阻發生改變。
[0005]本發明的目的之二是通過這樣的技術方案來實現的，一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:包括以下步驟:
[0006]S1.通過化學氣相沉積方法在基底上生長石墨烯得到石墨烯納米牆；
[0007]石墨烯納米牆的生長條件為45?55託，生長溫度為600-750°C，通入氫氣與甲烷的比例
[0008]為氫氣:甲烷=1:2?3:4，生長時間控制在5_90min;
[0009]S2.用溼法刻蝕法腐蝕掉基底上的非石墨烯區域，再將帶有石墨烯納米牆的襯底取出放入稀鹽酸、去離子水清洗，清洗完後取出自然晾乾；
[0010]S3.通過復形轉移的方法將石墨烯納米牆轉移至柔性襯底上；
[0011]轉移方法如下:在柔性襯底上設置一層粘結層，將石墨烯納米牆轉移在粘結層上，對粘結層進行固化直到粘結層結實凝固。
[0012]進一步，所述氫氣:甲烷=2:3。
[0013]進一步，所述石墨烯生長條件為50託。
[0014]進一步，所述石墨烯納米牆的生長溫度為700°C。
[0015]進一步,所述石墨烯納米牆的生長時間為20min。
[0016]進一步，在進行步驟SI前還包括基底清潔步驟，具體為先將基材銅箔置於丙酮、95vol %乙醇、純水中各超聲清洗2min，用氮氣吹乾，得到乾淨的基底。
[0017]進一步，所述步驟S3後還包括電極製作步驟，具體為:採用銀漿刷塗法將銀或其他金屬導線與石墨烯納米牆兩端連接起來作為電極。
[0018]由於採用上述技術方案，本發明具有如下的優點:
[0019]本發明所提供的氣流傳感器對氣體流動有優良的探測特性，並且體積小巧，功耗低，性能穩定；同時柔性較好，適用於可穿戴式設備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0021]圖1為石墨稀納米牆氣流傳感器結構不意圖；
[0022]圖2為利用化學氣相沉積法製備出的石墨烯納米牆電子掃描顯微圖；
[0023]圖3該傳感器的性能測試結果。

【具體實施方式】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
[0025]石墨烯是一種新型的二維晶體材料，是由單層碳原子按照正六角型呈蜂巢狀排布而成。由於石墨烯低維量子特性和獨特sp2雜化形成的化學鍵，其自由電子氣行為類似於無質量狄拉克費米子，因而表現非常優異的力，熱，光，電性能。石墨烯納米牆是結構化的多層石墨烯，研究發現石墨烯納米牆的電阻對基底的振動非常敏感。氣體流動會引起柔性襯底的微小震動，從而導致石墨烯納米牆敏感層的電阻發生改變，使得通過電極的電流或電壓信號也隨之發生變化，因此可以通過電信號的變化來感知氣體的流動。基於上述思想，本發明提供一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器。
[0026]如圖1所示，一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器，包括柔性襯底1、設置在柔性襯底上的石墨烯納米牆2和設置在石墨烯納米牆上的電極3，所述柔性襯底I會因氣體流動而產生微小震動，從而導致石墨烯納米牆的電阻發生改變。
[0027]同時本發明還提供一種製作上述氣流傳感器的方法，具體包括:
[0028]S1.通過化學氣相沉積方法在基底上生長石墨烯得到石墨烯納米牆(如圖2所示);石墨烯納米牆的生長條件為45?55託，生長溫度為600-750°C，通入氫氣與甲烷的比例為氫氣:甲烷=1:2?3:4，生長時間控制在5-30min ；
[0029]S2.用溼法刻蝕法腐蝕掉基底上的非石墨烯區域，再將帶有石墨烯納米牆的襯底取出放入稀鹽酸、去離子水清洗，清洗完後取出自然晾乾；
[0030]S3.通過復形轉移的方法將石墨烯納米牆轉移至柔性襯底上；
[0031]轉移方法如下:在柔性襯底上設置一層粘結層，將石墨烯納米牆轉移在粘結層上，對粘結層進行固化直到粘結層結實凝固；
[0032]S4採用銀漿刷塗法將銀或其他金屬導線與石墨烯納米牆兩端連接起來作為電極。
[0033]優選地，所述氫氣:甲烷=2:3。此條件下生長的石墨烯納米牆更為緻密，電學性能好。
[0034]優選地，所述石墨烯生長條件為50託。此條件下生長的石墨烯納米牆的質量更佳。
[0035]優選地，所述石墨烯納米牆的生長溫度為700°C。此條件下生長的石墨烯納米牆氣流傳感器具有更好的穩定性。
[0036]優選地，所述石墨烯納米牆的生長時間為20min。此條件下生長的石墨烯納米牆的厚度和緻密度使得氣流傳感器具有更優的靈敏度。作為對本實施例的進一步改進，在進行步驟SI前還包括基底清潔步驟，具體為先將基材銅箔置於丙酮、95vol %乙醇、純水中各超聲清洗2min，用氮氣吹乾，得到乾淨的基底。
[0037]在本實施例中，可以選擇Au、Ag、Cu、N1、Pd、Ru等金屬催化的化學氣相沉積方法，
也可以是在矽、石英等非催化基底上生長。
[0038]在本實施例中，柔性襯底材料包括:聚氨酯(PU)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、有機玻璃(PMMA)、矽橡膠(PDMS)、UV固化膠。
[0039]在本實施例中，所述電極製備方法有:蒸鍍法、濺射鍍膜法、絲網印刷法、噴墨列印法，以及光刻方法等。
[0040]將上述所得的石墨烯納米牆氣流傳感器與電化學工作站測試平臺連接，利用風機在傳感器上方形成氣流擾動。圖3是該傳感器的性能測試結果，可以看出該傳感器能夠靈敏的感知外界氣流的變化。與此同時，本發明還具有體積小巧，功耗低，性能穩定、柔性較好等特點。
[0041]最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器，其特徵在於:包括柔性襯底、設置在柔性襯底上的石墨烯納米牆和設置在石墨烯納米牆上的電極，所述柔性襯底會因氣體流動而產生微小震動，從而導致石墨烯納米牆的電阻發生改變。
2.一種基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:包括以下步驟: 51.通過化學氣相沉積方法在基底上生長石墨烯得到石墨烯納米牆； 石墨烯納米牆的生長條件為45?55託，生長溫度為600-750°C，通入氫氣與甲烷的比例為氫氣:甲烷=1:2?3:4，生長時間控制在5-90min ； 52.用溼法刻蝕法腐蝕掉基底上的非石墨烯區域，再將帶有石墨烯納米牆的襯底取出放入稀鹽酸、去離子水清洗，清洗完後取出自然晾乾； 53.通過復形轉移的方法將石墨烯納米牆轉移至柔性襯底上； 轉移方法如下:在柔性襯底上設置一層粘結層，將石墨烯納米牆轉移在粘結層上，對粘結層進行固化直到粘結層結實凝固。
3.根據權利要求2所述的基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:所述氫氣:甲烷=2:3。
4.根據權利要求3所述的基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:所述石墨烯生長條件為50託。
5.根據權利要求2-4任意一項所述的基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:所述石墨烯納米牆的生長溫度為700°C。
6.根據權利要求5所述的基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:所述石墨烯納米牆的生長時間為20min。
7.根據權利要求2所述的基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:在進行步驟SI前還包括基底清潔步驟，具體為先將基材銅箔置於丙酮、95ν01%乙醇、純水中各超聲清洗2min，用氮氣吹乾，得到乾淨的基底。
8.根據權利要求2所述的基於石墨烯納米牆的氣流傳感器的製造方法，其特徵在於:所述步驟S3後還包括電極製作步驟，具體為:採用銀漿刷塗法將銀或其他金屬導線與石墨烯納米牆兩端連接起來作為電極。
【文檔編號】G01D5/16GK104316086SQ201410653110
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】楊俊 , 魏大鵬, 湯林龍, 史浩飛, 杜春雷 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術研究院