一种柔性的石墨烯压力与温度复合传感器

本发明属于压力和温度检测技术领域，具体涉及一种柔性的石墨烯压力与温度复合传感器。

背景技术：

目前市场上出售的各种小型的家用生命体征检查设备往往功能比较单一，当需要做一些常规检查时，比如：体温测量、脉搏次数测量，不得不同时购买几种检测设备，这既增加了购买生命体征检查设备所支付的费用，也使得在检查时需要不断的更换检测设备，令检测过程非常繁琐。另外，上述生命体征检查设备在检查完成后都需要取下来，不适合长期携带，因此不能实时监测使用者的身体状况，无法满足一些特殊人群的需要。例如，在疾病发生前期，人们往往未能及时发现而错过了最佳治疗时期。同时，患有慢性病或者重大疾病的患者通常不能实时了解自身健康状况，也无法知道日常生活习惯及环境因素对疾病产生的影响，因此不能主动管理自身健康。随着柔性电子技术的发展,人们对可穿戴设备的需求日益增长,可穿戴柔性电子器件的研究与发展越来越受到社会的关注。柔性压力和温度传感器广泛应用于柔性电子器件,可用来检测人体的生理活动,包括较大幅度的肢体弯曲、发声、脉搏的跳动和体温的监测,广泛应用于电子皮肤、可穿戴设备、环境监测、工业机器人等领域。

在检测人体的健康状况通常不能以一项生理指标来确定，需要对人体的体温、心率、脉搏、血压、血糖等做到综合检测。目前应用较为广泛的石墨烯柔性传感器在混合刺激的情况下无法实现准确地确定每个刺激的类型和强度，没办法真正为用户提供准确的信息。

目前市面上的传感器大多都是由硬质材料制成，弯曲性和恢复性都比较差，较难实现柔性化，不适合可穿戴设备柔性化发展。申请号为：cn20170055532.9的发明专利申请中公开一种分离柔性温度压力传感器元件温度压力响应的方法，此方法是基于差动式温度压力传感器的双电桥系统。采用的解耦方式是利用后端电路的处理方法，并没有从传感器结构的本质解决温度压力的双重耦合刺激。

对于石墨烯传感器，现如今大多石墨烯传感器都可准确的测出一种刺激的响应，但是很难对多种刺激的复合，并且分别准确测得每个刺激做出响应，除了可以采用以上的后端电路加入电桥法，还可以利用传感器本身的结构来解决这一问题。申请号为：cn202010277704.9的发明专利申请中公开一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，虽然从结构上对温度压力进行了解耦，但是传感器采用的材料为刚性材料，很难实现对微小压力温度的响应。

技术实现要素：

针对上述现有的传感器较难实现柔性化、很难实现对微小压力温度响应的技术问题，本发明提供了一种响应速度快、灵敏度高、通用性强的柔性的石墨烯压力与温度复合传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种柔性的石墨烯压力与温度复合传感器，包括石墨烯敏感层、第一柔性基板、第二柔性基板、第一类叉指形硬化图案层、第二类叉指形硬化图案层、第一复合电极、第二复合电极、互连组件，所述第一类叉指形硬化图案层设置在石墨烯敏感层的上方，所述第二类叉指形硬化图案层设置在石墨烯敏感层的下方，所述第一柔性基板设置在第一类叉指形硬化图案层的上方，所述第二柔性基板设置在第二类叉指形硬化图案层的下方，所述第一复合电极、第二复合电极分别设置在石墨烯敏感层的两侧，所述第一复合电极、第二复合电极均与石墨烯敏感层连接，所述第一复合电极、第二复合电极分别通过互连组件连接有外部检测装置。

所述石墨烯敏感层包括上层氮化硼层、中层石墨烯层和下层氮化硼层，所述中层石墨烯层设置在上层氮化硼层与下层氮化硼层之间。

所述互连组件包括第一引线互连、第二引线互连、第一互连凸点、第二互连凸点、第一互连焊盘、第二互连焊盘、第一引线柱、第二引线柱、第一外部互连电极、第二外部互连电极，所述第一引线互连的一端与第一复合电极连接，所述第一引线互连的另一端通过第一互连凸点与第一互连焊盘连接，所述第一互连焊盘与第一引线柱的一端连接，所述第一引线柱的另一端通过第一外部互连电极与外部检测装置连接；所述第二引线互连的一端与第二复合电极连接，所述第二引线互连的另一端通过第二互连凸点与第二互连焊盘连接，所述第二互连焊盘与第二引线柱的一端连接，所述第二引线柱的另一端通过第二外部互连电极与外部检测装置连接。

所述中层石墨烯层采用蛇形结构，所述中层石墨烯层与第一类叉指形硬化图案层、第二类叉指形硬化图案层之间构成互相垂直的微小间隙结构，所述中层石墨烯层分别与第一复合电极、第二复合电极连接。

所述第一复合电极、第二复合电极均采用铜电极中掺杂纳米银线。

所述第一柔性基板、第二柔性基板的材料均采用聚对苯二甲酸乙二醇酯。

所述第一类叉指形硬化图案层、第二类叉指形硬化图案层均采用叉指电极的结构，所述叉指电极的结构中设置有方形结构。

所述第一类叉指形硬化图案层、第二类叉指形硬化图案层的材料均采用二氧化硅与聚二甲基硅氧烷。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明利用柔性基底替换了传统的石墨烯传感器的刚性基底，有利于提高器件的可穿戴性。本发明的石墨烯压力敏感层采用了两层氮化硼夹石墨烯的结构可以用来保护石墨烯，石墨烯敏感层与两层硬化图案层相互垂直形成许多微空腔结构提高了压力测量的灵敏度，提高了传感器整体的响应速度，并且顶层和底部的聚二甲基硅氧烷既做到了隔绝外部环境，保护了芯片内部，又可以作为类叉指形硬化图案层材料制备的基板。本发明利用叉指电极特殊的结构制备的类叉指形硬化图案层，可以最大化传感器的灵敏度；中间方形硬化图案层的结构解决了压力对温度敏感层带来的影响，实现了器件对温度的唯一输出参量，实现了温度测量对压力测量进行了温度补偿，从而完成压力和温度的分区检测。并且，本发明的结构与已有基础结构相比，优化了设计、减少规格种类，有效地提高了结构的通用性、灵敏性、准确性和稳定性，是一种十分理想的柔性石墨烯压力温度复合传感器，能够做到对压力和温度的同时测量，用来检测人体的脉搏和体温，时刻监视人体的健康生理状况，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构截面图；

图2为本发明的类叉指形硬化图案层与石墨烯敏感层结构示意图；

图3为本发明的类叉指形硬化图案层与石墨烯敏感层俯视图；

图4为本发明的工作原理响应原理示意图；

图5为本发明石墨烯薄膜结构俯视图；

图6为本发明石墨烯敏感层结构俯视图；

图7为本发明石墨烯敏感层结构截面图。

其中：1为石墨烯敏感层，2为第一柔性基板，3为第一类叉指形硬化图案层，4为上层氮化硼层，5为中层石墨烯层，6为下层氮化硼层，7为第一复合电极，8为第一引线互连，9为第一互连凸点，10为第一互连焊盘，11为第一引线柱，12为第一外部互连电极，13为第二类叉指形硬化图案层，14为第二柔性基板，15为第二外部互连电极，16为第二引线柱，17为第二互连焊盘，18为第二互连凸点，19为第二引线互连，20为第二复合电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种柔性的石墨烯压力与温度复合传感器，如图1所示，包括石墨烯敏感层1、第一柔性基板2、第二柔性基板14、第一类叉指形硬化图案层3、第二类叉指形硬化图案层13、第一复合电极7、第二复合电极20、互连组件，第一类叉指形硬化图案层3设置在石墨烯敏感层1的上方，第二类叉指形硬化图案层13设置在石墨烯敏感层1的下方，第一柔性基板2设置在第一类叉指形硬化图案层3的上方，第二柔性基板14设置在第二类叉指形硬化图案层13的下方，第一复合电极7、第二复合电极20分别设置在石墨烯敏感层1的两侧，第一复合电极7、第二复合电极20均与石墨烯敏感层1连接，第一复合电极7、第二复合电极20分别通过互连组件连接有外部检测装置。采用第一类叉指形硬化图案层3、第二类叉指形硬化图案层13把石墨烯敏感层1夹中间，为了避免石墨烯敏感层1与外界压力的直接接触，排除压力对温度测量的影响，使温度测量可以得到单一的温度参量，为之后压力单元的解耦做了充分的准备，温度测量时，石墨烯敏感层采用与硬化图案层同样的方形结构，目的是为了让温度刺激能够快速的传递到中层石墨烯层5，更快的产生电学信号。

进一步，石墨烯敏感层1包括上层氮化硼层4、中层石墨烯层5和下层氮化硼层6，中层石墨烯层5设置在上层氮化硼层4与下层氮化硼层6之间，为了防止中层石墨烯层5被氧化，从而充分发挥石墨烯材料优良的柔韧性与延展性。

进一步，互连组件包括第一引线互连8、第二引线互连19、第一互连凸点9、第二互连凸点18、第一互连焊盘10、第二互连焊盘17、第一引线柱11、第二引线柱16、第一外部互连电极12、第二外部互连电极15，第一引线互连8的一端与第一复合电极7连接，第一引线互连8的另一端通过第一互连凸点9与第一互连焊盘10连接，第一互连焊盘10与第一引线柱11的一端连接，第一引线柱11的另一端通过第一外部互连电极12与外部检测装置连接；第二引线互连19的一端与第二复合电极20连接，第二引线互连19的另一端通过第二互连凸点18与第二互连焊盘17连接，第二互连焊盘17与第二引线柱16的一端连接，第二引线柱16的另一端通过第二外部互连电极15与外部检测装置连接。

进一步，中层石墨烯层5采用蛇形结构，中层石墨烯层5与第一类叉指形硬化图案层3、第二类叉指形硬化图案层13之间构成互相垂直的微小间隙结构，中层石墨烯层5分别与第一复合电极7、第二复合电极20连接。

进一步，优选的，第一复合电极7、第二复合电极20均采用铜电极中掺杂纳米银线，可以更快的响应中层石墨烯层5的电学变化，降低压力检测极限，从而快速传递微小变化的响应，使得整体传感器的灵敏度提高。

进一步，优选的，第一柔性基板2、第二柔性基板14的材料均采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯具有耐折性、耐稀酸、稀碱、耐大多数溶剂并且弯曲性和恢复性强。

进一步，优选的，第一类叉指形硬化图案层3、第二类叉指形硬化图案层13均采用叉指电极的结构，叉指电极的结构中设置有方形结构，实现对压力温度的单独测量，既排除了温度测量时，压力带来的影响，又利用叉指电极结构的优势，来实现整体传感器的灵敏度，使器件的检测极限更低。

进一步，优选的，第一类叉指形硬化图案层3、第二类叉指形硬化图案层13的材料均采用二氧化硅与聚二甲基硅氧烷，加入二氧化硅是为了增强硬化图案的强度，从而排除压力对温度测量的影响。

本发明的工作原理为：本发明利用了石墨烯的压容效应、热阻效应，本发明佩戴在人体上时，对于石墨烯敏感层，由于采用了方形硬化图案层包围石墨烯敏感层形成无腔室结构，压力作用在石墨烯敏感层并不会造成石墨烯敏感层的形变，所以压力对石墨烯敏感层温度测量的影响可以忽略不计；当温度作用时，导致石墨烯的电阻率发生了改变，导致石墨烯电阻发生了改变，从而通过互连电极检测到电阻变化，来得到单一的温度输出参量。对于石墨烯敏感层压力的测量，由于采用了类叉指形硬化图案与石墨烯薄膜形成了微空腔结构，热压力作用在石墨烯敏感层会产生应变，石墨烯敏感层迅速将应变信号传出，石墨烯敏感层独特的层与层结构感受到人体的变化，应变使层与层之间的距离以及接触面积发生改变，从而引起接触电容的改变，再通过互连电极测得数据，将实时的测量数据保存下来，利用测得的温度输出参量对压力的测量进行解耦，得到单一的压力输出参量。通过数据处理得到实时的电阻/电容变化率，再将变化率与时间绘制成曲线，由此转化为人们浅显易懂的图形数字信号或者可显示压力变化的图形，使其易于观察人体的变化与识别人体疾病，进而来进行人体健康的检测。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。