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石墨烯基传感器设计

盛宛君  
【摘要】:单原子厚度石墨烯具有独特的热学、电学和光学等性能,同时因为高比表面积、高机械强度和易功能化等特点,成为复合材料的理想载体。在感应环境中,石墨烯复合材料的性质会随之改变,可作为传感材料设计成传感器。本文成功设计一系列基于石墨烯复合材料的传感器,主要有基于RGO/NaYbF_4:Yb~(3+)-Er~(3+)石墨烯复合导电荧光材料的光测电阻传感器设计、基于多孔RGO/PDMS柔性电容式压力传感器设计和基于RGO/NMP石墨烯导电油墨的柔性电阻式拉伸传感器设计,分别研究了传感机理、传感性能以及应用展望等,具体实验研究如下所述:第一章,详细介绍了石墨烯及制备方法,墨烯复合材料及制备方法,以及基于石墨烯复合材料传感器设计的应用和研究现状。第二章,通过电化学剥离法成功制备石墨烯并阐述电解剥离机理,介绍了基于石墨烯复合材料RGO/NaYF_4:Yb~(3+)-Er~(3+)的光测电阻传感原理、RGO/PDMS的电容式压力传感原理和RGO/NMP的电阻式拉伸传感原理。第三章,基于RGO/NaYF_4:Yb~(3+)-Er~(3+)石墨烯复合导电荧光材料,设计光测电阻传感器,实现非接触式的可变电阻测量。通过水热法成功制备Yb~(3+)-Er~(3+)离子分别掺杂上转换RGO/NaYF_4和C/NaGdF_4荧光材料,具有负温度系数(NTC)热敏电阻特性和荧光特性。利用Steinhart-Hart方程和玻尔兹曼分布规律,研究荧光强度比(FIR)与电阻的关系,实现FIR技术探测可变电阻的传感器设计。研究发现以石墨烯为碳源的RGO/NaYF_4:Yb~(3+)-Er~(3+)传感器具有较高的相对灵敏度S_R,可达1.039×10~(-3)/Ω,电阻误差δ_R较小且性能稳定,是较为理想的传感器设计,同时热耦合能级543nm/658nm灵敏度S_R比543nm/524nm具有更稳定的循环性。第四章,基于多孔RGO/PDMS石墨烯复合材料,设计弹性电容式压力传感器,实现压应力的探测,将压力信号转换为电容信号输出。将电解剥离RGO分散于PDMS中,加入糖粒,经固化溶解制备多孔状的三维柔性结构,作为传感材料,充当电容器结构的电介质层。研究糖粒浓度、PDMS固化程度以及石墨烯掺杂方式等因素对压力探测的影响,提高了压力传感器的灵敏度。压力传感器在0kPa-30kPa小压强范围内最大灵敏度为0.15817kPa~(-1),在50kPa-200kPa大压强范围内最大灵敏度为0.02869kPa~(-1)。压力传感器的迟滞性较小,响应快速,时间小于200ms,1000次的循环施压后电容值还可以稳定输出,循环性能较好且稳定。基于多孔RGO/PDMS复合材料提出的柔性电容式压力传感器设计,环境友好,可大面积制备,满足压应力传感的性能要求,可应用于穿戴电子设备。第五章,基于RGO/NMP导电油墨石墨烯复合材料,设计柔性电阻式拉伸传感器,实现拉应力的探测,将拉伸应变转换为电阻信号输出。将RGO溶于NMP制备导电油墨,作为传感材料注入空心弹性体PDMS中,制备柔性电阻式拉伸传感结构,并研究导电油墨的稳定性及浓度对传感器灵敏度的影响。该传感器可拉伸、弯曲和扭转,不同弯曲角度下的电阻可以稳定地输出。油墨浓度为6mg/ml时,传感器的灵敏度较高,迟滞性较小,性能稳定,小应变下的灵敏度系数为0.02601。该柔性拉伸传感器可对拉伸和弯曲进行传感标定,在1000次的45%应变下,电阻仍能稳定输出,满足电子器件使用寿命及技术要求。基于导电油墨RGO/NMP电阻式拉伸传感器的设计,提供了一种基于流动性传感材料的新型柔性传感器设计思路,利用传感层液体流动性,对弯曲及拉伸进行标定,工艺简易,可快速制备,可应用到皮肤表面检测生命体征。


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