一种基于石墨烯材料的风速测试器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯材料的风速测试器，所述风速测试器包括石墨烯薄膜与聚合物双层结构、三维共形石墨烯，所述双层结构在石墨烯薄膜面设有一个电极，所述三维共形石墨烯设有另一个电极，所述双层结构与三维共形石墨烯以聚合物为接触面叠合，电极之间由导线连接，所述导线上接有电源及仪表。本发明专利技术还公开了所述风速测试器的制备方法。该风速测试器能够满足日常所有的风速测试，能够实时的反应风速变化，并具有很高的灵敏度和稳定性。该风速测试器的生物兼容性好，重量轻，且结构简单，加工方便，可通过石墨烯材料制备转移后直接得到。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器领域，具体涉及一种基于石墨烯材料的风速测试器及其制备方法。
技术介绍
“风速测试仪”是指能感受风压并将风压转换成可用输出信号的传感器件，其作用主要用于监测风速、风量(风量＝风速×横截面积)大小的重要仪表。“风速检测仪”主要由“高性能风速传感器”和“整机微电脑检测控制仪”两部分组成，因此可同时监测并显示所测风速等的变化。“风速检测仪”具有广阔的应用前景，在市场上，其已在气象、路桥、楼宇、环境监测、航海测量和新能源等需要进行风速检测的领域中使用。风速采用LED方式数字显示，常规“风速检测仪”风速的测量范围：0-30m/s，并可设定和显示风速的上限值和下限值，风速检测仪可控制输出设备或接风屏器进行输出报警。但是，目前市场上的“风速检测仪”仍然存在许多局限，例如：其构造上需要复杂的硬件电路结构以及软件程序；而且大都应用范围较窄，很难在高温、高湿、多尘和阳光直射等地方应用；同时像市场上常见的螺旋桨式风速传感器、三杯式风速传感器以及超声波风速传感器等“风速检测仪”，目前应用还不太成熟，并且灵敏度较低、精度较差,动态性能一般等缺点。考虑到结构优化、测量性能提高、可靠性加倍、降低成本等因素,本专利技术提供了一种基于石墨烯材料的风速测试器。石墨烯作为一种二维的单原子层薄膜材料，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，具有优异的机械性能。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。石墨烯的电阻率极低，电子迁移的速度极快，并具有良好的透明度和导热性，被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件。三维共形石墨烯拥有优异的机械特性、高的灵敏度以及稳定性，在三维共形石墨烯上组装上石墨烯/聚合物结构，可以直接用于风压的测试，在传感器领域可以发挥更大的优势。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于石墨烯材料的风速测试器及其制备方法，该风速测试器具有结构简单、加工方便、灵敏度高、重量轻，柔性和生物兼容性好等优点。为达到上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案：1、一种基于石墨烯材料的风速测试器，所述风速测试器包括石墨烯薄膜与聚合物双层结构、三维共形石墨烯，所述双层结构在石墨烯薄膜面设有一个电极，所述三维共形石墨烯设有另一个电极，所述双层结构与三维共形石墨烯以聚合物为接触面叠合，电极之间由导线连接，所述导线上接有电源及仪表。优选的，所述三维共形石墨烯采用具有三维光栅结构的石英基底表面沉积石墨烯而成。优选的，所述聚合物为PDMS，PDMS为聚二甲基硅氧烷的英文缩写。2、所述基于石墨烯材料的风速测试器的制备方法，包括如下步骤：1)制备三维共形石墨烯：在石英基底表面制备具有周期性的光栅结构，然后采用管式化学气相沉积法在光栅结构表面沉积石墨烯薄膜，得到三维共形石墨烯；2)制备石墨烯薄膜与聚合物双层结构：在金属基底上采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，采用聚合物转移石墨烯形成石墨烯薄膜与聚合物双层结构；3)制备电极：将三维共形石墨烯和金属导线一端连接作为电极，将石墨烯薄膜和金属导线另一端连接作为电极，然后将双层结构与三维共形石墨烯以聚合物为接触面叠合。进一步，所述制备方法还包括步骤4)：将所述测试器与电源及仪表连接，逐渐改变吹风速度进行传感特性的测试。优选的，步骤2)所述金属基底为铜箔或镍箔。优选的，制作电极采用银浆刷涂、热蒸镀、直流磁共溅射、丝网印刷或光刻方法。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的基于石墨烯材料的风速测试器由“石墨烯与聚合物双层结构”和“三维共形石墨烯”分别连接一端电极上下复合形成，能够满足日常所有的风速测试，能够实时的反应风速变化，并具有很高的灵敏度和稳定性。该风速测试器的生物兼容性好，重量轻，且结构简单，加工方便，可通过石墨烯材料制备转移后直接得到。本专利技术所公开的风速测试器能够测量0-12级风所对应的风压，并可由该风压得出对应的风速，与目前市场上的风速测试器的测试范围一致，能够测试0-30m/s的风速。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：图1表示基于CVD法制备石墨烯材料的原理图；图2表示三维共形石墨烯的剖面图；图3表示基于石墨烯材料的风速测试器的结构；图4表示风速测试器的风速传感特性；图5表示0-8级风力等级所对应的电流与风压的放大图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。基于石墨烯材料的风速测试器的的制备步骤如下：步骤1：石墨烯薄膜与PDMS双层结构的制备先将基材铜箔置于丙酮、95vol％乙醇、纯水中各超声清洗2min，用氮气吹干，然后放置于管式CVD系统的真空腔体中进行石墨烯的制备，获得石墨烯薄膜，如图1所示，其中1为CVD管式炉，2为气体反应腔体，3为石墨烯材料，4为生长基底，5为机械泵。将所得的石墨烯薄膜上旋涂一层厚度为50um的PDMS，置于80℃烘箱中固化PDMS，获得PDMS/石墨烯/铜箔结构。刻蚀铜箔，再将所得的结构用去离子水、盐酸等反复清洗，氮气吹干获得PDMS与石墨烯薄膜双层结构。步骤2：三维共形石墨烯的制备首先，利用光栅结构掩膜版在石英基底表面光刻，显影得到光栅结构的表面图形；然后用等离子体刻蚀方法，采用三氟甲烷气体来刻蚀石英基底，制备得到具有周期性的光栅结构，得到表面具有三维光栅结构的石英基底；采用管式化学气相沉积(CVD)方法，如图1所示，在表面具有三维光栅结构的石英基底上沉积石墨烯薄膜，得到三维共形石墨烯，如图2所示，其中1表示三维共形石墨烯，2表示三维光栅结构石英基底。其制备温度为1050℃，沉积时间为90min，气体种类与流量比为：氩气：氢气：甲烷＝200:60:5。步骤3：制作电极采用蒸发喷镀法将银导线与石墨烯与PDMS双层结构的石墨烯面的一端连接起来作为电极。采用喷墨打印法将银导线与石墨烯纳米墙一端连接起来作为电极。将石墨烯薄膜与PDMS双层结构单电极与三维共形石墨烯单电极上下重叠起来作为电极。步骤4：：基于石墨烯材料的风速测试器的制作及传感性能的测试将上述所得的基于石墨烯材料的风速测试器与电源、仪表连接，如图3所示，其中1表示三维共形石墨烯，2为三维光栅结构的石英基底，3为聚合物，4为石墨烯薄膜，5为金属电极，6为风速，7为仪表，8为电源，采用公式：y＝8.36×10-13·exp[x/58.61]+6.37×10-7·exp[x/506.82]-5.4×10-7，其中y代表电流，x代表风压，对该风速测试器进行传感性能测试，得到如图4所示的在不同风压下测得的电流值，其中0～12表示风力等级，图5表示0-8级风力等级所对应的电流与风压的放大图。由图4和图5可看出，本专利技术公开的基于石墨烯材料的风速测试器可以通过电压电流值对应上风速大小。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本专利技术的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本专利技术进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本专利技术权利要求书所限定的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯材料的风速测试器，其特征在于：所述风速测试器包括石墨烯薄膜与聚合物双层结构、三维共形石墨烯，所述双层结构在石墨烯薄膜面设有一个电极，所述三维共形石墨烯设有另一个电极，所述双层结构与三维共形石墨烯以聚合物为接触面叠合，电极之间由导线连接，所述导线上接有电源及仪表。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯材料的风速测试器，其特征在于：所述风速测试器包括石墨烯薄膜与聚合物双层结构、三维共形石墨烯，所述双层结构在石墨烯薄膜面设有一个电极，所述三维共形石墨烯设有另一个电极，所述双层结构与三维共形石墨烯以聚合物为接触面叠合，电极之间由导线连接，所述导线上接有电源及仪表。2.根据权利要求1所述一种基于石墨烯材料的风速测试器，其特征在于，所述三维共形石墨烯采用具有三维光栅结构的石英基底表面沉积石墨烯而成。3.根据权利要求1所述一种基于石墨烯材料的风速测试器，其特征在于，所述聚合物为PDMS。4.权利要求1～3任一项所述基于石墨烯材料的风速测试器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制备三维共形石墨烯：在石英基底表面制备具有周期性的光栅结构，然后采用管式化学气相沉积法在光栅结构表面沉积石墨烯薄膜，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏大鹏，宋雪芬，冉秦翠，孙泰，杨俊，于乐泳，胡云，史浩飞，杜春雷，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50