【石墨烯压力传感器分析7700字】

石墨烯压力传感器分析摘要随着现代人工智能，智能家居机器人等技术的发展，人机交互应用场景在现代人们生活中日益频繁，在面对复杂的交互环境下，需要智能机器人具有更为灵敏，精确，安全的交互行为。因此，牵扯到利用传感器技术，微机电技术和新型材料设计并且能够模仿人体皮肤感知调节功能的电子设备就格外重要。因而触觉压力传感器作为电子皮肤[1]的重要元器件，对于研究提高人工智能机器人柔性电子皮肤高灵敏度的方法研究具有重要意义。石墨烯气凝胶[2]代表着一种新型的多孔性和超轻性碳材料，这种材料具有独特的性能，比如优秀的压缩性、较大的表面面积－体积比、强度－重量比和较低的导热性气凝胶己经广泛地应用于很多不同的领域，其中包括、防火、环境治理等方面。石墨烯气凝胶具有三维多孔框架[3]可以提供多维的电子传输路径，易于接触电解质，并且可以缩小电极与电解质之间的传输距离。本文以石墨烯电容式压力传感器为研究核心，分析已制得石墨烯气凝胶的表征状况，再在此基础制备成石墨烯压力传感器，然后通过对石墨烯气凝胶表征分析得出其应用在传感器上具有优异的性能，将其与钛电极结合制成传感器，最后对传感器的各项性能进行详细分析得出其具有稳定出色的性能。本页为中文摘要样版关键词；石墨烯；石墨烯气凝胶；电容式压力传感器；电子皮肤。本页为中文摘要样版目录 第一章引言1.1石墨烯石墨烯（Graphene）是一种以sp²[4]杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新型材料。鉴于石墨烯材料具有优异的电学，化学性质及潜在的巨大应用价值，目前已在材料学，能源，化学，航空，传感器等方面取得一系列重要进展。随着石墨烯性能的不断深入研究以及制备石墨烯方法的逐渐完备，石墨烯在未来不同领域中还具有更大的发展。1.1.1力学特性石墨烯结构中所有C原子都以σ键相连这种特殊的构成机制使得其石墨烯单片层具有超强且极为特殊的力学特性。石墨烯是目前已知的世界上强度最高的材料，它的本征（断裂）强度高达130GPa,强度比世界上最好的钢铁材料还多上100多倍，它的杨氏（拉伸）模量达到了1100GPa，说明其在重压之下极不容易发生形变仍保持较好的形态。石墨烯具有最高的力学强度，有望被应用于更为广泛的领域1.1.2电学特性在石墨烯的内部结构里每都个C原子均采取sp²杂化形成三个σ键，每一个碳原子的p轨道都和sp²杂化的平面相互垂直，并且剩下的一个2p电子以在垂直于平面的方向形成一个离域π键[5]，其贯穿整个石墨烯。π电子在平面内可以自由的移动因而使得石墨烯具有优异的导电性能。石墨烯中的电子表现为零质量的狄拉克费米子和与众不同的载流子运输特性的属性使石墨烯拥有其他普通材料所不具备的霍尔效应和异常的半整数量子霍尔效应[6]等。表明了其独特的载流子特性和优良的电学性质。1.2压力传感器压力传感器[7]是一种通过接受压力信号并且能够按照一定规律将压力信号转换成有效的输出的电信号的器件或装置。压力传感器的类型众多，市场上比较常用的有压阻式，压电式和电容式传感器。衡量一个传感器好坏的标准主要有以下几个方面；灵敏度高；响应时间短；迟滞误差小；线性度好。1.2.1电容式电容压力传感器[8]是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。根据其电容公式：C=（Aε）/d，该传感器是利用两个导电极板间所形成的电容C与板间距d、板间有效正对面积A、板间介电质常数成比例的特点设计而成。当力施加到传感器上时，电容会因为两电极的距离改变以及介电常数的改变发生巨大变化，因此该类型传感器具有温度稳定性好；动态响应好，响应时间短等优异特点。1.2.2压阻式压阻式传感器[9]是利用材料（如一些金属材料、半导体材料等）的压阻效应设计而成，当有外界机械刺激作用于触觉传感器上时，其电阻发生变化。触觉传感器因其灵敏度高、制造工艺简单、价格低廉等优点，也是目前应用广泛的一种触觉传感器。但其具有不稳定，易受环境温度影响等缺点。1.2.3压电式压电式传感器是利用具有压电效应的材料设计而成，所谓的压电效应是指在一些离子型晶体的电介质中，当有外界力作用其上时，会在材料表面激发出电荷，撤掉外力，这些电荷又会消失。常用的压电材料有ZnO纳米线、PVDF，PZT等。压电式触觉传感器具有高灵敏度和良好的动态性能，具有低功耗的特点或自功率能力。但对相关电路系统要求也很苛刻，对温度也比较敏感性，且制备难度较大无法大规模应用。1.2.4电容压力传感器的优势压阻式触觉传感器具有灵敏度高、结构简单，性能稳定等优点，但它的测量分辨率不如电容式；压电式触觉传感器也具有动态性能好，灵敏高的特性，但其静态性能较差，通常需要复杂的外围电路。综上所述，电容式触觉传感器价格相对便宜,准确性好，温度稳定性好，其次电容式传感器结构简单，动态响应好，可以非接触测量且灵敏度高。1.3石墨烯电容压力传感器的应用随着现在制备石墨烯的工艺水平越来越高，石墨烯被应用在各行各业，石墨烯压力传感器就是其中的一种。石墨烯压力传感器的研究在加速电子皮肤发展的进程，同时在人工智能、医疗、健康等方面也发挥着重要的作用。在未来，传感器尽可能会更微型化、无源化、智能化，石墨烯压力传感器面临挑战，也为传感技术带来发展的新机遇。

第二章石墨烯压力传感器的制备2.1试剂和材料本设计原材料采用了单层氧化石墨烯(GO，>98%)，材料选购于苏州恒球石墨烯科技有限公司。无水乙醇(99.7%)，浓硫酸(H2SO4，98%)、氨水(25%)、聚乙烯醇(89%)，这些材料都是购自国药化学试剂有限公司。钛箔(Ti,99%，厚度0.20mm)由宝鸡金步钛镍设备制造有限公司提供。所有实验均采用去离子超纯水(>18MΩ/cm-1)。2.2石墨烯气凝胶制备1制前驱溶液将氧化石墨烯粉末与去离子水配成20ml浓度为5mg/ml混合水溶液，再加入2ml氨水，将制得的混合水溶液放入超声波清洗机(JP-Q20S)中超声震荡2个小时,于是得到了分散均匀的氧化石墨烯混合水溶液。2制备石墨烯气凝胶将配置好的氧化石墨烯混合水溶液取5ml加入20ml水热釜中，并放置烘箱中(DHG-9075A)120℃温度下处理12小时，制备出石墨烯水凝胶；将制备出的石墨烯水凝胶放入透析液中，透析6小时，其中透析液是由去离子水和无水乙醇按体积比100：1配比而成。最后将透析好的石墨烯水凝胶放入真空冷冻干燥机(FD-1A-50)中冷冻干燥24h，得到高强度的石墨烯气凝胶。2.3石墨烯气凝胶压力传感器制备制备压力传感器之前首先制备凝胶电解质[10]，该电解质起到保护压力传感器的作用。首先将6g聚乙烯醇和1gH2SO4加入30ml去离子水中，在水浴锅90℃下完全溶解1h，形成凝胶电解质。其次，将溶液涂覆在钛板电极上形成薄膜。然后将气凝胶在溶液中浸泡30s，作为传感器的介电层。最后，将电极和介电层组装成电极/PVA/介电层/PVA/电极的对称结构，最后在40℃恒温器中干燥24h。图2.1石墨烯气凝胶及其压力传感器的制备2.4分析原理及设备2.4.1扫描电子显微镜分析扫描电子显微镜[11]

(scanning

electron

microscope,简称SEM)，是一种专门用于观察分析具有高分辨率形态体貌和微观结构物质的精密电子仪器。扫描电子显微镜的作用原理是将含有极高能量的电子光束扫描需要测试的样品，在轰击的过程中高能电子光束会和样品所含元素中原子核内外层中的电子发生来回多次有能量损失和无能量损失的碰撞。在此过程中会有一部分电子因为碰撞被反射出来，而另一部分电子在进入样品过程中被吸收转化。这样就使得高能聚焦的电子光束与样品之间会相互作用而产生各种物理信号，通过对传递的物理信号收集，放大，再调制实现成像，已达到对物质微观形貌分析。本文采用型号为Ｓ－4800扫描电子显微镜对最终样品的形貌和微观结构表征进行分析。2.4.2透射电子显微镜分析透射电子显微镜[12](Transmission

Electron

Microscope,简称TEM),是一种可以观察到光学显微镜观察不到的极其微观结构下的一种电子显微镜。透射电子显微镜的大致工作原理是通过透射电子显微镜把经过加速和聚焦的具有很高能量的电子束轰击到样本上，这样高能量的电子和样品中的原子发生激烈碰撞，然后电子会发生散射，形成明暗不同的影像，从而达到成像的目的。本文采用用具有高分辨率的其型号为日本生产的ＪＥＭ－2010透射电子显微镜对样品的微观结构和形貌做进一步观察。2.4.3力学性能测试本文中电容压力传感器的测量采用TH2829ALCR数字电桥测量仪，该测量仪能准确并稳定地测定各种各样的元件参数。其作用主要是用来测试电感、电容、电阻数据。它具有更为直接的功能、操作简便等优异性能。压力机采用DE-500B型纸管平压强度测定仪，该压力机适用于各种类型的小容器的平压强度与变形量的检测。2.4.4拉曼分析拉曼光谱[13]是是一种散射光谱，由拉曼光谱可以获得物质内部分子结构的各种有用信息。拉曼光谱利用拉曼散射效应[14]即当特定频率的光照射在样品的表面时，光子与样品中的分子发生非弹性碰撞，并且光子与分子相互作用中的发生能量的交换。导致振动态发生一定程度的改变，从而散射出不同频率的光。由于不同原子的振动态唯一，所以其频率决定了该物质的特性，因此用该理论来分析物质的形态结构。本文采用的是英国生产的inVia－Reflex型号激光拉曼光谱仪。

第三章石墨烯气凝胶的表征3.1石墨烯气凝胶电子扫描显微镜分析图3.1石墨烯气凝胶的sem图像为了进一步探索石墨烯气凝胶优异的力学强度和机理，我们采用扫描电镜对其形貌和结构进行了研究。图3.1为石墨烯气凝胶在500um扫描电镜下的结构图像，由图可以观察到气凝胶呈现出一种非常有趣的多孔框架的交联眼状结构，具有明显的不规则蜂窝状结构，有很大相邻孔隙之间细胞壁形成典型的相互连通的多孔结构。在图3.1可以看到其平均孔隙大小约为50士200um，可以看到石墨烯壁之间连接石墨烯桥，它可以交叉连接和支撑石墨烯壁，从而具有较强的弹性强度来抵抗体积变化。因此该石墨烯气凝胶应用到电容型压力传感器时，传感器将具有优异的机械性能。3.2石墨烯气凝胶透射电镜显微镜分析图3.2石墨烯气凝胶的tem图象同时也采用透射电镜观察了石墨烯气凝胶的形貌，如图3.2所示石墨烯是多层石墨烯堆叠在一起，具有复杂的褶皱折叠结构，结合图SEM分析，石墨烯具有多孔结构，同时通过透射电镜从石墨烯上方观察，该气凝胶是一种层状堆叠结构，与SEM相符合。3.3石墨烯气凝胶拉曼光谱分析3.3石墨烯气凝胶的拉曼光谱分析为了进一步确定石墨烯气凝胶中的缺陷和完整度，我们对样品进行拉曼光谱表征，其结果显示在图3.3中。该石墨烯气凝胶拉曼光谱显示出两个引人注目的峰位分别在1350cm-1和1600cm-1位置，这两个峰分别对应碳的D和G峰位。D峰是氧化石墨烯拉曼无序的标志，而G峰则与石墨结构有关。D和G强度比值(ID/IG)通常被用来衡量碳材料的无序程度。通常，较高的(ID/IG)值意味着在碳结构中存在较多的活性缺陷。还原氧化石墨烯的强度比(ID/IG)约为0.99，说明氨水的加入使氧化石墨烯还原，且还原的过程中形成了丰富C一N键，这些键引入了更多的缺陷，使气凝胶具有更加出色的电化学活性，且增强了石墨烯气凝胶的弹性。因此该石墨烯气凝胶应用于力学传感器，将具有优异的性能。

第四章石墨烯压力传感器4.1石墨烯电容压力传感器的原理如图4.1.1是传感器的3D模型图，图中Cc和Ca分别表示介电层上、下部分电极的等效电容。Cb代表介电层等效电容。Ra，Rc分别表示介电层上、下部分电极的等效电阻。当施加压力时传感器中的Cc、Ca、Ra和Rc的大小不会根据力的变化而发生改变，只有介电层电容Cb会随之改变。由于只有Cb的变化，从而Cb的变化会影响整体电容C的改变。一开始未受力时，传感器的初始电容为当力施加并作用到传感器表面时，压力会作用到电极板上致使电极产生形变从而将力传送致石墨烯气凝胶介质层的表面，由于受到外力作用，石墨烯气凝胶内部多孔结构被按压，体积变小，介电常数为1的空气会被逐渐排出，同时被具有高介电常数的多孔石墨烯气凝胶取代，介电常数由ε变为ε‘，其次力的施加会使得两电极板之间的距离变小，d0减小为d。根据电容公式，当平行电容极板相对表面积不变时，介电常数的增加以及电极板相对距离的减小使得压力传感器的电容发生巨大变化，因此可以通过电容的变化反应传感器的力学信息。图4..1.1石墨烯电容压力传感器3D模型图如图4.1.2所示是石墨烯电容压力传感器的等效电路图，是一个等效多电容电路串联电路图，根据多电容串联公式当某单一电容变化时使得整体电容变化更大，由于Ca，Cc不边，Cb发生改变使得传感器的整体电容发生巨大变化因此该多电容串联结构使得该电容型压力传感器具有优异的性能。图4.1.2石墨烯电容性压力传感器电路原理图4.2压力电容曲线的测量与分析图4.2压力电容曲线图为了测试电容随压力改变的变化量，首先对压力传感器施加0–2kPa均与变化的力，如图4.2为石墨烯压力传感器在0–2kPa力的作用下其电容发生的相对变化。在施加压力0–2kPa的变化中，0-100秒，100-200秒，200-300秒，300-400秒，400-500秒，500-600秒均匀变化的时间所对应的的峰值分别约为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2综上可知该传感器电容会根据压力的均与变化而发生稳定的相对变化。4.3压力传感器灵敏度测量与分析图4.3压力传感器灵敏度图由于灵敏度是压力传感器性能指标中的一个重要指标，为了进一步了解该传感器的性能，需要对压力传感器的灵敏度进行测量与分析。压力传感器的灵敏度S定义为:电容的相对变化量:其中∆C/C0是施加压力p的函数，斜率表示压力传感器的灵敏度，通过对不同压力下的采点分析，记录力从0到2.0KPa变化过程中对应的电容变化量并拟合了灵敏度曲线，得到的结果如图4.3。通过灵敏度计算公式计算出，该压力传感器的灵敏度为S=0.55kpa-1。4.4迟滞曲线的测量与分析图4.4迟滞曲线图任何力学传感器都具有迟滞性，所谓迟滞就是当施加力的时候，任何东西都无法完全复原，因此对该传感器进行了迟滞曲线测量[15]。通过压力机对传感器逐渐施加0-2KPa的力，当施加到2KPa力时再逐渐卸载其力，如图4.4所示为该电容压力传感器的迟滞曲线。黑色曲线表示施加力过程中电容随力的变化量，红色曲线表示卸载力后传感器回复到原状过程中的电容随力的变化量。通过迟滞误差公式，可计算出该传感器最大迟滞误差为3.2%。该传感器具有较小的误差，说明其具有良好的恢复特性，可大规模重复利用。4.5石墨烯电容式压力传感器的动态性能测量与分析图4.5动态性能测试图压力传感器非常重要的一个性能指标是压力传感器的响应时间快慢。压力传感器的响应时间是指传感器从通过对施加一个压力的响应，到对这个压力产生输出信号中间的时间间隔。为了探究本压力传感器的响应时间，对该传感器施加了0.25kPa的力，通过LCR表测量其在受到力的作用时的响应时间。如图4.5所示，当该传感器感应到力时,传感器会在大约150ms内,做出迅速的反应，说明该传感器具有良好的响应速度。同时当卸下作用力时该传感器恢复时间为250ms，未与响应时间一致，是因为在按下的时候存在迟滞，影响了其的恢复。4.6石墨烯电容式压力传感器最小应力分析图4.6最小应力分析图最小应力检测是衡量压力传感器性能的另一个重要因素，其可反应出压力传感器的测量极限，如图4.6所示，对传感器进行了最小应力的检测。通过不断实验最终选取重约为20pa的黄豆将其放置在传感器上，可以观察出传感器的电容从2.31nF上升至2.37nF，说明该电容型压力传感器可以检测出为20pa的细小压力，对较小压力的检测仍然可以给出良好的电容响应。通过对该传感器最小应力测试分析，可以得出该传感器具有优异的灵敏度性能。4.7石墨烯电容式压力传感器稳定性分析图4.7稳定性能分析图循环稳定性是衡量压力传感器是否可长时间耐用的标准，因此我们对该压力传感器进行了5000内1000次的测量。从图4.7可以看出该压力传感器在循环1000次循环后电容变化率几乎与初值一样，因此该压力传感器具有出色的稳定的性能。

第五章总结与展望5.1总结石墨烯在其电学，力学性能上表现出独特的性质，与其化学键结构稳定，强度高以及优异的电子迁移率有关。同时电容式传感器与其它传感器相比具有明显的优势，于是本文通过以石墨烯气凝胶为电容介质做成石墨烯压力电容传感器，通过分析其传感器各项性能达到研究的目的。首先通过分析石墨烯气凝在sem,tem下的微观结构，发现其具有多孔框架的交联眼状和不规则的蜂窝状结构，并且具有较强的弹性强度来抵抗体积变化，非常适合作为传感器的电容介质。通过水热法得到石墨烯的水溶液，再通过还原，透析干燥制得石墨烯气凝胶。将石墨烯气凝胶与钛电极粘合制得石墨烯压力电容传感器，通过分析其模型图和等效原理图，构建其电学表达式，发现该传感器主要是由电容的该变量来体现施加力的变化，因此主要研究其施加力与电容变化量即输入输出之间的关系。3）通过记录输入输出相关量变化，分析了该压力传感器的各项性能。由压力电容曲线知该传感器电容会根据压力的均与变化而发生稳定的相对变化。通过拟合灵敏度曲线，由灵敏度计算公式计算出，该压力传感器的灵敏度为S=0.55kpa-1，具有较高的灵敏度。分析其迟滞曲线图，由迟滞误差公式，可计算出该传感器最大迟滞误差为3.2%。该传感器具有较小的误差，说明其具有良好的恢复特性，可大规模重复利用。最后由石墨烯电容式压力传感器的动态性能测量，最小应力以及稳定性分析得出该传感器具有响应时间快，灵敏度好，性能稳定出色的性能5.2展望由于石墨烯优异的性能，其将应用更多的领域。本文所描述研究的石墨烯压力电容传感器具有灵敏度高，稳定性能好等优势，将在未来新型传感器和电子皮肤领域有着重要应用前景。在研究过程中存在很多问题有待解决，例如没有进行详细的数据演绎和推理，传感器性能优化等许多方面存在瑕疵，有待进一步改进。

参考文献曹建国,周建辉,缪存孝,尹海斌,李维奇,夏飞.电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势[J].哈尔滨工业大学学报.2017(01).余文杰,武宁清,周建华,苗蕾,曹子龙,王天佑,覃东萍.石墨烯气凝胶的制备及其光热转换性能研究[J].广东化工,2021,48(01):5-6.于美慧,胡同亮,章应辉,卜显和.一个具有新拓扑构型的三维多孔金属-有机框架(MOFs)[A].中国化学会、国家自然科学基金委员会.第十四届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C].中国化学会、国家自然科学基金委员会:中国化学会,2016:1.王琳琳.掺杂石墨烯吸附H_2、CO的第一性原理研究[D].南京邮电大学,2020.贾园,杨菊香,师瑞峰,刘振.导电高分子材料制备及应用研究进展