一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，包括柔性基板、下金属电极、石墨烯薄膜、第一金属电极、第二金属电极和氧化石墨烯薄膜；柔性基板固定连接在下金属电极的上表面，柔性基板中设有通孔；石墨烯薄膜位于柔性基板的通孔中，且石墨烯薄膜充满柔性基板的通孔；第一金属电极和第二金属电极分别与柔性基板的上表面相连接，第一金属电极和第二金属电极之间有间隙，氧化石墨烯薄膜连接在第一金属电极和第二金属电极的上表面，且延伸到第一金属电极和第二金属电极之间的间隙中，与石墨烯薄膜的上表面连接。还公开了柔性集成传感器的制备方法。该温湿度传感器具有结构简单、加工方便、灵敏度高、重量轻，柔性和生物兼容性好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种集成传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种传感器，具体来说，涉及一种集成传感器及其制备方法。
技术介绍
由于环境的温湿度与人们的实际生活和工业生产有着密切的关系，因此近些年来，出现了集成一体化的温湿度传感器。一体化的温湿度传感器将环境中的温度值和湿度值通过敏感材料转化为易于测量的电信号。市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。现有的温湿度集成传感器一般采用金属或硅等刚性材料制成，导致温湿度集成传感器不具有可弯曲变形的特点，从而使得其使用范围大大缩小。
技术实现思路
技术问题：有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种集成传感器及其制备方法，该传感器具有结构简单、加工方便、灵敏度高、重量轻，柔性和生物兼容性好等优点。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术实施例采用的技术方案是：一种集成传感器，该传感器包括柔性基板、下金属电极、石墨烯薄膜、第一金属电极、第二金属电极和氧化石墨烯薄膜；柔性基板固定连接在下金属电极的上表面，柔性基板中设有通孔；石墨烯薄膜位于柔性基板的通孔中，且石墨烯薄膜充满柔性基板的通孔；第一金属电极和第二金属电极分别与柔性基板的上表面相连接，第一金属电极和第二金属电极之间有间隙，氧化石墨烯薄膜连接在第一金属电极和第二金属电极的上表面，且延伸到第一金属电极和第二金属电极之间的间隙中，与石墨烯薄膜的上表面连接。作为优选方案，所述的第一金属电极延伸到石墨烯薄膜的上方，第二金属电极覆盖在柔性基板的上方。作为优选方案，所述的第一金属电极、石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜相互连接，第二金属电极与氧化石墨烯薄膜连接。作为优选方案，所述的第一金属电极的顶面和第二金属电极的顶面分别设有引线连接区，氧化石墨烯薄膜位于引线连接区的外侧。作为优选方案，所述的氧化石墨烯薄膜覆盖在第一金属电极中除了引线连接区以外的整个顶面，氧化石墨烯薄膜覆盖在第二金属电极中除了引线连接区以外的整个顶面。作为优选方案，所述的柔性基板为LCP制成。作为优选方案，所述的柔性基板通过激光打孔制成通孔。一种上述的集成传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：第一步：对柔性基板进行激光打孔，形成通孔结构；第二步：利用层压法将柔性基板与金属箔粘合，金属箔为下金属电极；第三步：在柔性基板上旋涂一层氧化石墨烯层，氧化石墨烯层填充柔性基板的通孔；第四步：进行高温加热，将氧化石墨烯层还原成石墨烯，构成石墨烯薄膜；第五步：刮去柔性基板表面的石墨烯；第六步：在柔性基板和石墨烯薄膜一连接处的上表面涂上光刻胶层，光刻胶层覆盖部分柔性基板和部分石墨烯薄膜；第七步：在柔性基板、石墨烯薄膜和光刻胶层上表面溅射一金属层；第八步：去除光刻胶，形成第一金属电极和第二金属电极；第九步：在第一金属电极上表面的一端和第二金属电极上表面的一端分别贴上胶布；第十步：在第一金属电极、第二金属电极和胶布上旋涂氧化石墨烯薄膜；第十一步：撕去胶布，露出第一金属电极的端部和第二金属电极的端部，制成传感器。有益效果：与现有的温湿度传感器相比，本专利技术实施例的传感器具有以下有益效果：本实施例的传感器可弯曲变形，在弯曲变形的情况下依然能够很好的工作，可安装在任意形状的物体表面检测温度。利用石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜分别制成温湿度传感器的温度敏感电阻和湿度敏感电容，实现了温度和湿度的同时测量。同时，该传感器结构简单紧凑，具有自封装功能，可以广泛使用在工农业生产和医疗卫生等领域。附图说明图1为本专利技术实施例的剖视图；图2为本专利技术实施例中制备方法的第一步的结构示意图；图3为本专利技术实施例中制备方法的第二步的结构示意图；图4为本专利技术实施例中制备方法的第三步的结构示意图；图5为本专利技术实施例中制备方法的第四步的结构示意图；图6为本专利技术实施例中制备方法的第五步的结构示意图；图7为本专利技术实施例中制备方法的第六步的结构示意图；图8为本专利技术实施例中制备方法的第七步的结构示意图；图9为本专利技术实施例中制备方法的第八步的结构示意图；图10为本专利技术实施例中制备方法的第九步的结构示意图；图11为本专利技术实施例中制备方法的第十步的结构示意图；图12为本专利技术实施例中制备方法的第十一步的结构示意图。图中有：柔性基板1、下金属电极2、石墨烯薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5、氧化石墨烯薄膜6、氧化石墨烯层7、光刻胶8、金属层9、胶布10。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细的说明。如图1所示，本专利技术实施例提供一种集成传感器，包括柔性基板1、下金属电极2、石墨烯薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5和氧化石墨烯薄膜6。柔性基板1固定连接在下金属电极2的上表面，柔性基板1中设有通孔。石墨烯薄膜3位于柔性基板1的通孔中，且石墨烯薄膜3充满柔性基板1的通孔。第一金属电极4和第二金属电极5分别与柔性基板1的上表面相连接，第一金属电极4和第二金属电极5之间有间隙，氧化石墨烯薄膜6连接在第一金属电极4和第二金属电极5的上表面，且延伸到第一金属电极4和第二金属电极5之间的间隙中，与石墨烯薄膜3的上表面连接。上述实施例的柔性集成传感器中，石墨烯薄膜3构成热敏电阻，氧化石墨烯薄膜6构成湿敏元件。集成传感器的工作过程是：(1)测量温度：待测物体的表面温度由下金属电极2传给石墨烯薄膜3，导致石墨烯薄膜3的电阻发生变化。通过在第一金属电极4的顶面和下金属电极2的底面连接引线，输出石墨烯薄膜3电阻变化，最后达到测出物体表面温度值的目的。根据事先标定的环境温度与温度敏感元件的电阻变化对应关系，结合实际测得的温度敏感元件的电阻变化，查找对应的温度。(2)测量湿度：当位于传感器表面的氧化石墨烯薄膜6吸收空气中的水蒸气时，导致氧化石墨烯薄膜6的介电常数发生变化，继而电容值也会发生相应的变化。通过在第一金属电极4和第二金属电极5输出电容，实现测量外在环境湿度的目的。根据事先标定的环境湿度与电容敏感元件的电容变化对应关系，结合实际测得的湿度敏感元件的电容变化，查找对应的湿度。上述实施例的传感器中，柔性基板1、下金属电极2、石墨烯薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5和氧化石墨烯薄膜6，都是可以弯曲变形的，都具备一定的柔韧性，所以使得传感器整体可以弯曲变形，继而可使用到可穿戴设备领域。因为人体的手腕、脖子等皮肤表面都有一定的弧度，传感器整体可弯曲变形，这样便满足了可穿戴设备的要求。上述实施例的传感器，构成电容的第一金属电极4和第二金属电极5采用左右水平布设的方式，使得氧化石墨烯薄膜6与空气接触面积变大。尤其是：氧化石墨烯薄膜6覆盖在第一金属电极4中除了引线连接区以外的整个顶面，氧化石墨烯薄膜6覆盖在第二金属电极5中除了引线连接区以外的整个顶面。这样，氧化石墨烯薄膜6可以吸收更多空气中的水蒸气，从而使氧化石墨烯薄膜6的介电常数变化更大，继而达到了增大湿度传感器的灵敏度的目的。上述实施例的传感器将温度传感器与湿度传感器很好地集成在一起。其中，电阻式温度传感器与电容式湿度传感器都分别需要两个金属电极将电阻变化和电容变化输出。本实施例中，第一金属电极4既充当了温度传感器的上金属电极，又充当了电容式湿度传感器的一个电极板。这使得传感器结构简单，同时制备工艺也大大简化了。上述实施例的传感器中，利用柔性基板1通孔中的石墨烯薄膜3作为温度传感器的温度敏感元件。由于石墨烯薄膜3底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量温度和湿度的柔性集成传感器，其特征在于，该传感器包括柔性基板（1）、下金属电极（2）、石墨烯薄膜（3）、第一金属电极（4）、第二金属电极（5）和氧化石墨烯薄膜（6）；柔性基板（1）固定连接在下金属电极（2）的上表面，柔性基板（1）中设有通孔；石墨烯薄膜（3）位于柔性基板（1）的通孔中，且石墨烯薄膜（3）充满柔性基板（1）的通孔；第一金属电极（4）和第二金属电极（5）分别与柔性基板（1）的上表面相连接，第一金属电极（4）和第二金属电极（5）之间有间隙，氧化石墨烯薄膜（6）连接在第一金属电极（4）和第二金属电极（5）的上表面，且延伸到第一金属电极（4）和第二金属电极（5）之间的间隙中，与石墨烯薄膜（3）的上表面连接。

【技术特征摘要】
1.一种集成传感器，用于测量温度和湿度，其特征在于，该传感器包括柔性基板(1)、下金属电极(2)、石墨烯薄膜(3)、第一金属电极(4)、第二金属电极(5)和氧化石墨烯薄膜(6)；柔性基板(1)固定连接在下金属电极(2)的上表面，柔性基板(1)中设有通孔；石墨烯薄膜(3)位于柔性基板(1)的通孔中，且石墨烯薄膜(3)充满柔性基板(1)的通孔；第一金属电极(4)和第二金属电极(5)分别与柔性基板(1)的上表面相连接，第一金属电极(4)和第二金属电极(5)之间有间隙，氧化石墨烯薄膜(6)连接在第一金属电极(4)和第二金属电极(5)的上表面，且延伸到第一金属电极(4)和第二金属电极(5)之间的间隙中，与石墨烯薄膜(3)的上表面连接；所述石墨烯薄膜(3)构成热敏电阻，氧化石墨烯薄膜(6)构成湿敏元件。2.按照权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述的第一金属电极(4)延伸到石墨烯薄膜(3)的上方，第二金属电极(5)覆盖在柔性基板(1)的上方。3.按照权利要求2所述的集成传感器，其特征在于，所述的第一金属电极(4)、石墨烯薄膜(3)和氧化石墨烯薄膜(6)相互连接，第二金属电极(5)与氧化石墨烯薄膜(6)连接。4.按照权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述的第一金属电极(4)的顶面和第二金属电极(5)的顶面分别设有引线连接区，氧化石墨烯薄膜(6)位于引线连接区的外侧。5.按照权利要求4所述的集成传感器，其特征在于，所述的氧化石墨烯薄膜(6)覆盖在第一金属电极(4)中除了引线连接区以外的整个顶面，氧化石墨烯薄膜(6)覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂萌，章丹，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32