一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法，首先使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定图形，得到图案化模具，然后将高分子材料弹性体和固化剂的混合浆料倾倒在图案化模具表面进行固化，得到微流道模具；然后使用微流道模具覆盖在柔性基底表面，使用多巴胺对柔性基底进行图案化改性，再在改性后的基底表面制备石墨烯敏感层，最后涂刷导电银胶、粘结导线，得到图案化石墨烯柔性应变传感器。本发明专利技术提供的制备方法无需对柔性基底进行光刻、不破坏柔性基底本体结构、适应复杂曲面、适用于大面积制造、适合于精细化图案加工，降低了对柔性基底自身材质、形状、表面结构的要求。

A Fabrication Method of Patterned Graphene Flexible Strain Sensor

The invention provides a preparation method of patterned graphene flexible strain sensor. Firstly, a pre-designed pattern is prepared on the surface of hard base material by photolithography, and a patterned die is obtained. Then, the mixture of polymer elastomer and curing agent is poured onto the surface of patterned die to solidify, and a micro-runner die is obtained. Then, a micro-runner die is used to cover the flexible base. On the bottom surface, dopamine was used to patternize the flexible substrate, then graphene sensitive layer was prepared on the modified substrate surface. Finally, conductive silver glue and bonded wire were coated to obtain patterned graphene flexible strain sensor. The preparation method provided by the invention does not need photolithography on flexible base, does not destroy the structure of flexible base body, adapts to complex surface, is suitable for large area manufacturing and fine pattern processing, and reduces the requirements for the material, shape and surface structure of flexible base itself.

【技术实现步骤摘要】
一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法
本专利技术涉及传感器的
，特别涉及一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法。
技术介绍
石墨烯图案化成膜对于微纳器件的精细加工与性能调控具有重要的应用价值，引起了广泛的研究兴趣。传统的石墨烯图案化方法是将氧化石墨烯旋涂在基底表面，再进行光刻等处理形成图案，然后再对图案化的氧化石墨烯进行还原处理。该方法需要进行光刻步骤，过程繁琐，成本较高，会对基底表面造成一定的破坏，且对基底材质以及表面形貌要求严苛。并且旋涂工艺在氧化石墨烯试剂滴落在旋转中的基底上时，氧化石墨烯与基底间的相互作用力对膜成型会造成影响，且旋涂工艺只能在简单形状的平面基底上成膜，且成膜范围小，不适合于量产。目前本领域中一些其他石墨烯图案化研究热点包括喷墨打印和丝网印刷。其中喷墨打印工艺由于具有严重的咖啡环效应(指溶液或悬浊液液滴在固体表面挥发干之后，有时会在液滴的边缘形成环状污迹的现象)，在石墨烯溶液成膜时会引起薄膜的氧化石墨烯均匀性下降，且咖啡环的存在使得图案分辨率下降，阻碍了石墨烯膜微纳米级别图案化加工的实现。丝网印刷工艺中使用的石墨烯墨水一般为黏度较高的浆料，胶黏剂的引入限制了石墨烯的导电性。因此，目前本领域中制备图案化石墨烯传感器的方法过程繁琐、不易控制，且不能适应复杂曲面，不能加工精细化图案，阻碍了柔性应变传感器的发展。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法。本专利技术提供的制备方法步骤简单，容易控制，能够适应复杂曲面的基底，适合于精细化图案加工。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定的微结构浮雕图形，得到图案化模具；(2)将弹性体和固化剂混合，得到混合浆料；(3)在图案化模具表面涂覆防粘剂，形成防粘层，然后将所述混合浆料倾倒在所述防粘层表面进行固化，将固化后的部件剥离，得到微流道模具；(4)将所述微流道模具覆盖在柔性基底表面，形成微流道构件，将所述微流道构件在多巴胺溶液中浸渍，然后将微流道模具揭开，得到图案化改性的柔性基底；(5)将石墨烯-氧化石墨烯混合分散液涂覆在所述图案化改性的柔性基底表面，石墨烯-氧化石墨烯富集于图案化改性区域，形成石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜；(6)对所述石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜中的氧化石墨烯进行还原处理，形成图案化石墨烯敏感层；(7)在所述图案化石墨烯敏感层两侧涂刷导电银胶并粘结导线，得到图案化石墨烯柔性应变传感器；所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限制。优选的，所述步骤(2)中弹性体的杨氏模量为1MPa～1GPa。优选的，所述步骤(3)中固化的温度为室温～100℃，时间为1h～48h。优选的，所述步骤(4)中的多巴胺溶液通过以下步骤制备得到：将三羟甲基氨基甲烷和水混合，得到三羟甲基氨基甲烷溶液，将所述三羟甲基氨基甲烷溶液的pH值调节至≤13，得到缓冲液；将多巴胺盐酸盐溶解于所述缓冲液中，得到多巴胺溶液。优选的，所述三羟甲基氨基甲烷和水的质量比为0.1～1:100；所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为0.1～0.3mol/L。优选的，所述步骤(4)中的浸渍在搅拌条件下进行；所述搅拌的转速为300～500rpm，时间为20～30h。优选的，所述步骤(6)中的还原处理包括以下步骤：将带有石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜的柔性基底倒扣于HI溶液上方进行热处理。优选的，所述热处理的温度为70～90℃，时间为1～2h。优选的，所述粘结导线后还包括：在图案化石墨烯敏感层和导电银胶表面涂覆封装层，并将导线从封装层中引出。本专利技术提供了一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法，本专利技术首先使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定的微结构浮雕图形，得到图案化模具，然后将高分子材料弹性体和固化剂的混合浆料倾倒在图案化模具表面进行固化，得到微流道模具；然后使用微流道模具覆盖在柔性基底表面，使用多巴胺对柔性基底进行图案化改性，再在改性后的基底表面制备石墨烯敏感层，最后涂刷导电银胶、粘结导线，得到图案化石墨烯柔性应变传感器。本专利技术提供的制备方法使用微流道模具对柔性基底进行覆盖，从而使改性过程中多巴胺溶液仅能在微流道中流动，未暴露在多巴胺溶液中的基底区域则不进行改性，进而实现对柔性基底的图案化改性，而多巴胺改性后的基底对石墨烯有富集作用，从而可以实现石墨烯敏感层的图案化。本专利技术提供的制备方法本方案无需对柔性基底进行光刻、不破坏柔性基底本体结构、适应复杂曲面、适用于大面积制造、适合于精细化图案加工，降低了对柔性基底自身材质、形状、表面结构的要求，且成本低廉、工艺简单，推进了柔性应变传感器的制作与应用。进一步的，本专利技术提供的制备方法在HI环境下对氧化石墨烯进行还原，无需高温热处理，避免了柔性基底在高温下容易被破坏的问题，使本专利技术提供的制备方法的适用范围更加广泛。附图说明图1为本专利技术实施例中图案化改性的柔性基底的示意图；图2为本专利技术实施例中封装后的图案化石墨烯柔性应变传感器；图2中，1-柔性基底，2-图案化石墨烯敏感层，3-导线，4-封装层。具体实施方式本专利技术提供了一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定的微结构浮雕图形，得到图案化模具；(2)将弹性体和固化剂混合，得到混合浆料；(3)在图案化模具表面涂覆防粘剂，形成防粘层，然后将所述混合浆料倾倒在所述防粘层表面进行固化，将固化后的部件剥离，得到微流道模具；(4)提供柔性基底，将所述微流道模具覆盖在柔性基底表面，形成微流道构件，将所述微流道构件在多巴胺溶液中浸渍，然后将微流道模具揭开，得到图案化改性的柔性基底；(5)将石墨烯-氧化石墨烯混合分散液涂覆在所述图案化改性的柔性基底表面，石墨烯-氧化石墨烯富集于图案化改性区域，形成石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜；(6)对所述石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜中的氧化石墨烯进行还原处理，形成图案化石墨烯敏感层；(7)在所述图案化石墨烯敏感层两侧涂刷导电银胶并粘结导线，得到图案化石墨烯柔性应变传感器；所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限制。本专利技术使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定的微结构浮雕图形。在本专利技术中，所述硬性基底材料优选包括硅基底；本专利技术对所述光刻法的具体方法没有特殊要求，适用本领域技术人员熟知的光刻法即可；本专利技术随所述微结构浮雕图形的具体形状没有特殊要求，根据实际需求进行设计即可。本专利技术将弹性体和固化剂混合，得到混合浆料。在本专利技术中，所述弹性体优选为高分子材料弹性体；所述高分子材料弹性体的杨氏模量优选为1MPa～1GPa，更优选为10MPa～100MPa；所述高分子材料弹性体优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体；所述高分子材料弹性体和固化剂的质量比优选为5～20:1，更优选为10:1；本专利技术对所述固化剂的具体种类没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的固化剂即可。将弹性体和固化剂混合后，本专利技术优选将所述混合物搅拌均匀后超声；所述超声的功率优选为20～100W，更优选为80W，超声的时间优选为5～10min，更优选为6～8min；本专利技术通过超声将所述混合物中的气泡去除。得到混合浆料后，在图案化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定的微结构浮雕图形，得到图案化模具；(2)将弹性体和固化剂混合，得到混合浆料；(3)在图案化模具表面涂覆防粘剂，形成防粘层，然后将所述混合浆料倾倒在所述防粘层表面进行固化，将固化后的部件剥离，得到微流道模具；(4)将所述微流道模具覆盖在柔性基底表面，形成微流道构件，将所述微流道构件在多巴胺溶液中浸渍，然后将微流道模具揭开，得到图案化改性的柔性基底；(5)将石墨烯‑氧化石墨烯混合分散液涂覆在所述图案化改性的柔性基底表面，石墨烯‑氧化石墨烯富集于图案化改性区域，形成石墨烯‑氧化石墨烯图案化薄膜；(6)对所述石墨烯‑氧化石墨烯图案化薄膜中的氧化石墨烯进行还原处理，形成图案化石墨烯敏感层；(7)在所述图案化石墨烯敏感层两侧涂刷导电银胶并粘结导线，得到图案化石墨烯柔性应变传感器；所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限制。

【技术特征摘要】
1.一种图案化石墨烯柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)使用光刻法在硬性基底材料表面制备预定的微结构浮雕图形，得到图案化模具；(2)将弹性体和固化剂混合，得到混合浆料；(3)在图案化模具表面涂覆防粘剂，形成防粘层，然后将所述混合浆料倾倒在所述防粘层表面进行固化，将固化后的部件剥离，得到微流道模具；(4)将所述微流道模具覆盖在柔性基底表面，形成微流道构件，将所述微流道构件在多巴胺溶液中浸渍，然后将微流道模具揭开，得到图案化改性的柔性基底；(5)将石墨烯-氧化石墨烯混合分散液涂覆在所述图案化改性的柔性基底表面，石墨烯-氧化石墨烯富集于图案化改性区域，形成石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜；(6)对所述石墨烯-氧化石墨烯图案化薄膜中的氧化石墨烯进行还原处理，形成图案化石墨烯敏感层；(7)在所述图案化石墨烯敏感层两侧涂刷导电银胶并粘结导线，得到图案化石墨烯柔性应变传感器；所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限制。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中弹性体的杨氏模量为1MPa～1GPa。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中固化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婷婷，徐炜，代刚，李小石，杜亦佳，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51