专利名称：一种石墨烯应变测量和运动传感装置及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于石墨烯的应变测量和运动传感装置及其制作方法。
背景技术：
石墨烯具有高的机械强度、优异的电输运性能和良好的耐化学环境能力，作为最薄的材料，它可以在各种表面稳定粘附，并随着表面变化而改变形状。特别是，已有研究发现，当石墨烯受到拉伸或压缩作用时，其电阻会发生明显的改变，而且在一定范围内变化呈良好的线性关系。现有的应变传感和测量方法有以下几类
金属类应变片，通常以金属箔或金属线为测量敏感单元，通过特殊形状设计或加工的金属箔为应变感应单元，通过电阻变化测量应变，如中国专利200710096310. 8、 200510078142. 0 等。导电聚合物应变测量，带有导电聚合物涂层或镀层的基底或织物可以感应应变， 但机械性能差，易疲劳老化。使用碳纳米管复合材料可以一定程度上改进其性能，如中国专利 200910252377. 5。光学应变传感器，以光纤、光栅等光学手段测量相对运动和应变，如中国专利申请 200880012635. 6。半导体应变传感器，如应变硅、锗等，利用半导体受应变后性能的改变，如中国专利 200710109001. X。与上述应变测量方法相比，基于石墨烯的应变测量和运动传感装置，结构简单、反应灵敏、更耐受疲劳和环境变化，可拓展到从微米到米的不同尺度，并可在各种表面使用， 具有广阔的应用空间。
发明内容
本发明利用石墨烯电阻和应变的线性关系，同时结合石墨烯柔软、可以和各种表面良好接触，从而能同步感知应变的能力，以获得新型的应变测量和运动测量方法。本发明的目的是提供一种基于石墨烯的应变测量和运动传感方法，以及其相应装置和制作方法。本发明基于石墨烯的以下两个性能或原理(1).石墨烯可以良好的附着于各种被测表面，当被测表面发生形变时，石墨烯由于只有原子级厚度，故可以完全同步的跟随被测表面形变且几乎不影响被测表面形变。(2)石墨烯受到拉伸或压缩应变时，电阻有明显的变化，且在一定范围内，电阻变化与应变呈线性关系(如图3所示)。结合石墨烯的上述特点，本发明的技术方案如下
一种基于石墨烯的应变测量或运动传感的装置，其特征是它是在柔性绝缘的基底上结合有一层或多层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端以电极引出并连接欧姆计，将该装置紧密结合于被测物体表面，或将多个该装置紧密结合于被测物体表面即可测量该被测物体表面应变变化或进行运动传感。上述的装置，所述的柔性绝缘基底可以为高分子柔性聚合物材料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；也可为复合柔性材料、无机柔性薄膜或有稳定表面的凝胶材料。上述的装置，所述的电极是金、银、铜、铬、钛、铝、钼等金属，或者是其它如铟锡氧化物(ITO)等高导电性的薄膜。上述的装置，石墨烯层可以为大长宽比的条带形状或线条图案。上述的装置，可以通过多次转移将多条石墨烯带以不同角度紧密结合于同一柔性基底上，也可以通过平面加工工艺将柔性基底上较大的石墨烯片层刻蚀成多条石墨烯带； 每条石墨烯带两端成对弓丨出电极，使一个装置可以同时测量不同方向的应变或运动；
上述的装置，多个该装置可串联连接，以获得增强的电阻变化信号，提高测定灵敏度。上述的装置，多个独立的该柔性装置可以用叠层方式，以不同角度铺置、紧密结合于同一被测表面，以获得不同方向的应变或运动信息。
一种制备上述应变测量或运动传感装置的方法，它包括以下步骤
1.准备用于生长石墨烯的基底(如铜、镍等)，预制成所需形状，清洗，然后烘干；
2.在生长基底上沉积石墨烯；典型条件为以25微米铜箔为基底，维持生长温度 IOOO0C，通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25SCCm，氢气lOsccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯薄膜；
3.将石墨烯薄膜转移到所需柔性基底上，可以通过多次转移方法在同一基底上铺设多条石墨烯。典型的转移方法是先在生长过石墨烯的铜箔表面悬涂PMMA胶，使铜表面的石墨烯层和PMMA层粘附；然后将铜箔置于0. IM氯化铁溶液中浸泡24小时，腐蚀掉铜箔，剩下结合有PMMA的石墨烯透明膜；之后可以直接在该膜上引出电极使用，也以将该膜再贴附于其他基底上(如PET、PDMS等)后用丙酮洗去PMMA再使用。4.在石墨烯带两端制备电极，并引出电路。上述的制备方法，步骤1中所述的生长基底可以预先制成所需形状，也可以在生长石墨烯后再加工成所需形状。上述的制备方法，步骤2中所述的石墨烯生长方法，可以为化学气相沉积(CVD)、 等离子增强化学气相沉积(PECVD)、金属表面外延生长等。上述的制备方法，步骤4制备电极的方法可以是直接涂布导电胶，也可以使用标准丝网印刷工艺，或离子溅射、电子束蒸发、热蒸镀或磁控溅射等真空镀膜工艺沉积各类导电电极。上述的制备方法，步骤4所述的电极，必要时对电极和石墨烯上表面包封。
一种利用上述装置测量应变的方法，它是将上述装置紧密附着于待测量物体表面，监测连通石墨烯一对电极的欧姆计，当被测量表面发生应变时，电阻发生明显变化，电阻变化与应变呈线性关系，标定后即可定量测量应变。
一种利用上述装置进行运动传感和监测的方法，它是将上述装置粘附于运动物表面，如人肢体的皮肤表面，肢体运动时可以监测到欧姆表的同步变化，即可建立运动与电阻变化对应关系，继而通过电阻变化监测运动；也可以将一个在不同方向铺设有多条石墨烯的柔性装置，或多个简单柔性装置粘附于同一运动区域，在不同的对电极上观测不同方向的电阻变化，即可建立运动物体各细观组成单元的运动与监测电阻的关系，继而通过多个电阻的变化监测运动细节。本发明基于石墨烯的应变测量和运动传感装置有以下优点和效果 1.本发明装置，制备方法简单，适合于表面贴装等大规模生产。2.本发明方法得到的装置，结构稳定，使用方便、灵活。3.本发明的装置适应性广，能用于各种环境和变形表面。4.本发明的装置对被测物体影响�。梢宰龅轿薷胁饬浚屎咸厥馇榭龅挠Ρ洳饬亢蜕镌硕嗖�。
图1为本发明典型结构示意图。图IA为单石墨烯带构成的柔性传感装置(图中1为柔性基底、2为石墨烯带、3和4为端电极)；图IB为四条石墨烯带转移到同一柔性基底上构成的柔性传感装置(图中1为柔性基底、2为石墨烯带、3和4为端电极)，横向石墨烯带 (5)测量X方向应变，纵向石墨烯带(2)测量不同位置的Y方向应变。图2为类似图1装置在交变的拉伸和压缩应变表面得到的电阻随时间变化关系； 图3为类似图1装置标定的应变与电阻关系；
图4为类似图1装置黏附于人的上臂肘部皮肤表面后，电阻随上臂肘部运动的检测信号。其中tl区为缓慢弯曲上臂信号，t2、t4区为中等速度弯曲-伸平上臂信号，t3、t5区为快速弯曲-伸平上臂信号。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做详细说明，但本发明并不限于以下实例。下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1.
第一步，制作如图IA的石墨烯应变测量装置 1.气相化学沉积石墨烯以25微米厚铜箔为基底，将铜箔裁剪为0.5cm*10cm长条，维持生长温度1000°C，通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25SCCm，氢气lOsccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯材料。2.将石墨烯转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PDMS溶液，溶剂挥发后将铜片置于0. IM氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解， 得到漂浮于溶液上的石墨烯-PDMS层。3.在石墨烯长边两端涂布导电银胶，并引出导线，烘干固化。
4.用密封硅胶对石墨烯两端银电极包封。第二步，石墨烯应变测量装置测试
将上述石墨烯装置紧密粘附于塑料表面，将电极连接欧姆计，对塑料进行凹凸弯折时， 表面依次受到拉伸应变和压缩应变，可以从欧姆计上看到明显的方波型电阻变化曲线(附图2)，该波形的峰-谷高度差与应变大小成正比。实施实例2
石墨烯制备按照实施实例1的方法。基底使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)替代PDMS，将石墨烯从铜上转移下来，再将其转移到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料基底上将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0. IM氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA带；将该带贴附于预先制成条状的PET基底上，然后用丙酮洗去PMMA 得到贴附于PET基底的石墨烯。在石墨烯长边两端用磁控离子溅射金电极(5nm钛/30nm金)，并引出导线。用密封硅胶对石墨烯两端电极包封保护。将PET基底连接到通过长度可以定量测量X方向应变的实验台，对石墨烯应变装置的电阻-应变做定量测量，得到的应变-电阻关系如附图3所示。使用此曲线标定后的该装置即可对其他表面进行定量应变测量。实施实例3
制作如图IB的石墨烯应变测量装置，步骤如下
1.如实施实例1中方法气相化学沉积石墨烯，不同之处为以0. 5cm*10cm和0. 3*3cm 铜箔为生长基底。2.将石墨烯转移到PET柔性基底。将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0. IM氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA带，将四条石墨烯-PMMA带依照图IB形式转移到PET基底上，清洗去PMMA。3.在石墨烯长边两端涂布导电银胶，并引出导线，烘干固化。4.用密封硅胶对石墨烯两端银电极包封。将该装置附着于待测形变表面即可同时对不同位置X方向、Y方向的应变进行测量。实施实例4
以实施实例1中方法制备石墨烯应变测量装置，将得到的柔软装置黏贴在人的上臂肘部内侧皮肤上，运动肘部可以观测到显著的、不同特征的电信号变化(如图4)。其中tl区为缓慢弯曲上臂信号，t2、t4区为中等速度弯曲-伸平上臂信号，t3、t5区为快速弯曲-伸平上臂信号。说明该装置可用于大幅度运动监测。实施实例5
方法与实施实例2相似，不同之处在于，石墨烯两端用磁控离子溅射50nm铝电极，包封后的装置测量应变。应变为1%时，电阻变化为5. 8%。实施实例6
方法与实施实例2相似，不同之处在于，石墨烯两端用热蒸镀方法蒸镀IOnm铜电极，包封后的装置测量应变。应变为1%时，电阻变化为6. 4%。
实施实例7
方法与实施实例2相似，不同之处在于，石墨烯两端用磁控离子溅射方法溅射300nm铟锡氧化物(ITO)电极，包封后的装置测量应变。应变为1%时，电阻变化为5.6%。实施实例8
石墨烯制备按照实施实例1的方法。转移基底使用聚四氟乙烯膜将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0. IM氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA带；将该带贴附于聚四氟乙烯膜上，然后用丙酮洗去PMMA。在石墨烯两端用磁控离子溅射铬-金电极(5nm铬力日！!!!！金)，并引出导线。用密封硅胶对石墨烯两端电极包封保护。应变测量结果，应变为1%时，电阻变化为4. 5%。实施实例9
石墨烯制备按照实施实例1的方法。转移基底使用聚乙烯膜将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0. IM氯化铁溶液中浸泡，24小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA带；在聚乙烯膜上磁控溅射钛_金端电极，然后将石墨烯带贴附于聚乙烯膜对应位置。应变测量结果，应变为1%时，电阻变化为6. 1%。
权利要求
1.一种基于石墨烯的应变测量或运动传感的装置，其特征是它是在柔性绝缘的基底上结合有一层或多层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端以电极引出并连接欧姆计，将该装置紧密结合于被测物体表面，或将多个该装置紧密结合于被测物体表面即可测量该被测物体表面应变变化或进行运动传感。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的柔性绝缘基底为高分子柔性聚合物材料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷；或者为复合柔性材料、无机柔性薄膜或有稳定表面的凝胶材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的电极是金、银、铜、铬、钛、铝、或钼金属，或者是其它如铟锡氧化物等高导电性的薄膜。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是石墨烯层为大长宽比的条带或线条。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是将多条石墨烯带以不同角度紧密结合于同一柔性基底上，每条石墨烯带两端成对引出电极，使一个装置同时测量不同方向的应变或运动；根据权利要求1所述的装置，其特征是多个该装置串联连接，以获得增强的电阻变化信号，提高测定灵敏度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征是多个独立的该柔性装置用叠层方式，以不同角度铺置、紧密结合于同一被测表面，以获得不同方向的应变或运动信息。
7.一种制备权利要求1所述应变测量或运动传感装置的方法，它包括以下步骤步骤1.准备用于生长石墨烯的基底，预制成所需形状，清洗，然后烘干；在生长石墨烯后再加工成所需形状；步骤2.在生长基底上沉积石墨烯。
8.典型条件为以25微米铜箔为基底，维持生长温度1000°C，通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25SCCm，氢气lOsccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯薄膜；步骤3.将石墨烯薄膜转移到所需柔性基底上，可以通过多次转移方法在同一基底上铺设多条石墨烯；典型的转移方法是先在生长有石墨烯的铜箔表面悬涂PMMA胶，使铜表面的石墨烯层和PMMA层粘附；将铜箔置于0. IM氯化铁溶液中浸泡24小时，腐蚀掉铜箔；结合有PMMA的石墨烯膜直接进入步骤4引出电路，或将该膜再贴附于其他柔性基底上使用； 步骤4.在石墨烯带两端制备电极，并引出电路。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是步骤2中所述的石墨烯生长方法，为化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积或金属表面外延生长法。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是步骤4制备电极的方法是直接涂布导电胶，或使用标准丝网印刷工艺，或离子溅射、电子束蒸发、热蒸镀或磁控溅射等真空镀膜工艺沉积各类导电电极。
全文摘要
一种基于石墨烯的应变测量或运动传感装置，它是在柔性绝缘的基底上结合有一层或多层石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层的两端以电极引出并连接欧姆计，将一个该装置紧密结合于被测物体表面，或将多个该装置紧密结合于被测物体表面即可测量其应变变化或进行运动监测。本发明装置，制备方法简单，适合于表面贴装等大规模生产，可用于多种环境和变形表面；特别是对被测物体影响�。梢宰龅轿薷胁饬浚屎仙镌硕嗖�。本发明公开了其制法和测量方法。
文档编号G01B7/16GK102506693SQ20111034504
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者周建新, 殷俊, 郭万林, 陈亚清 申请人:南京航空航天大学
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