一种基于激光加工法的柔性温度传感器的制备方法

本发明涉及了一种温度传感器的制备方法，尤其是涉及了一种基于激光加工法的柔性温度传感器。

背景技术：

柔性温度传感器，作为柔性器件中的关键元素之一，在测量人体体温、感知外界环境变化方面发挥着至关重要的作用。相比于传统基于硬性材料制备的温度传感器，柔性温度传感器由于其可弯曲特性，可与人体皮肤或其它不规则物体表面共形接触，这有利于对目标物体表面温度进行长期在线观测。例如，柔性温度传感器可共形贴附于新冠病毒(covid-19)潜在患者的表皮，来实时远程监控体温。另外，柔性温度传感器也可与智能机器人共融集成。当机器人与外界环境接触时，温度传感器的温差反馈有助于机器人的安全作业。

基于上述广泛应用，人们开发了多种具有温度敏感特性的导电复合物来制备柔性温度传感器，例如将碳纳米管、石墨、金属纳米线或纳米颗粒与柔性聚合物薄膜掺杂，通过聚合物的热胀冷缩效应来实现传感器的电阻变化，从而反推算出温度的变化。但是，将纳米材料与聚合物薄膜简单掺杂形成的温度传感器性能不可控(不同批次之间)，这不利于柔性温度传感器的商业化应用。另外，合成纳米材料也需要较为复杂的物理、化学工艺。

技术实现要素：

针对现有技术缺陷，本发明通过二氧化碳激光加工法产生导电型多孔石墨烯薄膜，将其与聚二甲基硅氧烷(pdms)复合来制备薄片型柔性温度温度传感器。

本发明所采用的技术方案是：

1)使用二氧化碳激光作为诱导光源，聚酰亚胺膜作为前驱体，聚酰亚胺膜为基底，诱导光源聚焦在聚酰亚胺膜表面上并扫描，按照多孔石墨烯所需电极的形状进行扫描移动，使得在聚酰亚胺膜表面直接在空气氛围中产生多孔石墨烯，形成样品；

2)将步骤1)中所制备的样品固定在旋涂仪上，随后将聚二甲基硅氧烷(pdms)胶体滴定覆盖在样品表面，然后静置5-10分钟使得聚二甲基硅氧烷充分渗入多孔石墨烯及其间隙，接着控制旋涂仪以阶梯速度运行，最后将样品从旋涂仪上取下放入90℃烘箱中烘烤15分钟；

3)多次重复步骤2)精确控制样品上覆盖旋涂的聚二甲基硅氧烷的厚度；

4)将步骤3)获得的样品放置于90℃烘箱中烘烤2小时，以充分固化聚二甲基硅氧烷；

5)最后将聚二甲基硅氧烷薄膜从聚酰亚胺膜上剥离，将图案化的多孔石墨烯带走转移到聚二甲基硅氧烷薄膜上，得到柔性温度传感器。

所述步骤1)中，诱导光源的激光功率和扫描速度的调控范围分别为1-30w和1-100mm/s。

所述步骤1)中，二氧化碳激光的波长10.6μm。

所述步骤1)中，聚酰亚胺膜的厚度>50μm。

所述步骤2)中，旋涂仪以阶梯速度运行具体是，控制旋涂仪速度为500rpm，持续时间6s，随后再将速度增加到3000rpm，持续时间为10s。

所述步骤3)中，控制聚二甲基硅氧烷的厚度达到80-200微米。

本发明特别地采用了激光生成了多孔石墨烯，并在多孔石墨烯周围及其孔隙渗入了聚二甲基硅氧烷，使得聚二甲基硅氧烷和多孔石墨烯紧密结合，提高了检测灵敏度。

现有方法通常采用一些单纯的其他的化学或者物理方式制备多孔石墨烯，但是作为柔性温度传感器的效果并不理想。而本发明采用了激光生成了多孔石墨烯，用于柔性温度传感器的温度检测提高了检测灵敏度。

本发明由于二氧化碳激光具有高度稳定的输出能量密度，基于光热效应法在聚酰亚胺(pi)基底上产生的多孔石墨烯高度可控。产生的多孔石墨烯在聚酰亚胺基底上具有较低的粘附力，这有助于该多孔石墨烯完全转移到pdms薄膜上，从而形成柔性温度传感器。

另外，本发明采用的激光加工方式具有可编程特性，可根据应用需求图案化制备任意形状、大小的温度传感器。

本发明的有益效果是：

本发明方法不需要复杂的物理、化学合成工艺，通过灵活控制激光扫描参数，直接在空气氛围中产生多孔石墨烯。基于聚二甲基硅氧烷聚合物薄膜的热胀冷缩原理，使得多孔石墨烯的导电率随着温度线性变化。另外柔性温度传感器的面积大小、形状、厚度、灵敏度等，可以通过激光扫描参数、旋涂工艺来精确控制。

附图说明

图1是基于激光诱导石墨烯的柔性温度传感器的实物图；

图2是多孔石墨烯在扫描电子显微镜的形貌图；

图3是实施的两种温度传感器在10-60℃范围内的温度特性对比。(a)多孔石墨烯转移前；(b)多孔石墨烯转移后(本发明所采用的柔性温度传感器)；

图4是柔性温度传感器与商用温度传感器实时测温对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的实施例如下：

实施例1

1)使用二氧化碳激光作为诱导光源，波长10.6μm，聚酰亚胺膜(厚度>50μm)作为前驱体，诱导光源聚焦在聚酰亚胺膜表面上并扫描，激光功率和扫描速度分别为10w和50mm/s，按照多孔石墨烯所需电极的形状进行扫描移动，使得在聚酰亚胺膜表面直接在空气氛围中产生多孔石墨烯，形成具有两个电极以及两个电极之间的s形电连接的样品；

2)将步骤1)中所制备的样品固定在旋涂仪上，随后将聚二甲基硅氧烷(pdms)胶体滴定覆盖在样品表面，然后静置10分钟使得聚二甲基硅氧烷充分渗入多孔石墨烯及其间隙，接着控制旋涂仪速度为500rpm，持续时间6s，随后再将速度增加到3000rpm，持续时间为10s，最后将样品从旋涂仪上取下放入90℃烘箱中烘烤15分钟。

3)多次重复步骤2)精确控制样品上覆盖旋涂的聚二甲基硅氧烷的厚度为200微米；

4)将步骤3)获得的样品放置于90℃烘箱中烘烤2小时，以充分固化聚二甲基硅氧烷；

5)最后将聚二甲基硅氧烷薄膜从聚酰亚胺膜上剥离，将图案化的多孔石墨烯带走转移到聚二甲基硅氧烷薄膜上，得到柔性温度传感器。

本实施例的基于激光诱导石墨烯的柔性温度传感器的实物如图1所示。

本实施例的多孔石墨烯在扫描电子显微镜下的形貌如图2所示，可以看出，激光制备的石墨烯具有高密度的直径为1-2微米的孔隙，有利于pdms溶液渗透进行转移。

当温度在10-60℃之间变化时，两种温度传感器，即转移前的多孔石墨烯(图3a)和转移后的多孔石墨烯(图3a)的阻值变化。转移前的多孔石墨烯是指步骤4)的结果产物，多孔石墨烯转移后是指步骤5)的结果产物。

当多孔石墨烯没有转移时(在聚酰亚胺称底上)，温度的升高导致了载流子迁移速率提高，从而使阻值降低，但是阻值变化率只有2％，灵敏度较低。对于转移后的多孔石墨烯(在pdms薄膜基底上)，由于热胀冷缩效应，其电阻值随着温度的上升而增大，但是具有较高的阻值变化(约10％)。因此可见，转移后的多孔石墨烯具有更高的温度检测灵敏度，提高了灵敏度。

本发明的柔性温度传感器与传统商用的基于硬质材料的温度传感器的实时测温(约8小时测试)如图4所示，表明发明的柔性温度传感器具有较高的稳定性和信号可重复性。