CN108489375B - 基于碳纳米管的二维传感器制作方法 - Google Patents

基于碳纳米管的二维传感器制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法，首先，通过化学气相沉积法来制备碳纳米管；再将碳纳米管制备成单轴样品和双轴样品，从而制得单轴二维传感器和双轴二维传感器。采用该方法制得的二维传感器在相互垂直的水平方向和垂直方向上均具有很好的电阻变化率，传感器灵敏性好。

Description

基于碳纳米管的二维传感器制作方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法。
背景技术
传感器，顾名思义，是一种传递“感觉”的仪器；所谓“感觉”，反映在自然科学领域就是各种物理、化学信号。传感器可以将某种物理信号转换成为另一种可观察或者可测量的(电、光)信号。常用的传感器有温度传感器(热敏电阻、热电偶)、压力传感器、位移传感器、位移传感器，应变传感器(应变计)、光传感器(光电二极管)、化学传感器、生物传感器等。
应变传感器，也被称为应变计，可以将应变量转换为电信号输出，是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。在力学、医学、材料科学和建筑等领域都有着广泛的应用。
可伸展的、可折叠的或是变形为复杂的曲线形状的电子器件可以在以前那种僵硬的电子元件做不到的情况下，增加很多新的功能。这些电子器件可以很好的作用在显示器，电子眼球的照相机和皮肤传感器上。对于柔性导体的发展,近年来发展起来的一种方法是制造波浪状或网状的导电结构层，再把它放在在预拉伸的弹性体衬底。对于不同的弹性导体，如金属涂层网波片、波状的金属导线或二维的金属膜已经被现有文献公开。
碳纳米管有很大的高宽比，良好的导电性，高热强度和机械强度。理论计算表明，碳纳米管的拉伸强度和弹性模量很高，在Tpa数量级，而且在实验上也得到了证实。碳纳米管对于形变也有着非常显著的弹性响应，理论计算方法表明碳纳米管的断裂应变在15％-18％之间。这使它们在可伸缩的导体方面很有前景。尽管碳纳米管在易弯曲透明电极方面有着很深的研究，但是在可拉伸方面还有很大的研究空间。最近，由碳纳米管、离子液体和氟化共聚物组成的复合片，它作为一种弹性导体在拉伸时表现出很好的导电性。这种弹性导体，在拉伸700％的情况下依旧可以保持良好的导电性。不过，它们的电导率还是会随应变线性下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法，采用柔性导体通过它在水平方向和垂直方向时的不同拉伸情况所产生的电阻的变化，来制作一种二维的应变传感器。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法，包括以下步骤：
步骤1：通过化学气相沉积法来制备碳纳米管；
步骤1.1：把放置在硅晶片上的铁(1nm)/三氧化二铝(10nm)作为催化剂，乙烯作为碳源，使用氩和氢气混合气体作为载流气体，维持750摄氏度的环境，在催化剂表面形成多壁碳纳米管CNT，把CNT阵列通过化学气相沉积合成在石英管式炉上；
步骤1.2：再用刀片把CNT薄片从CNT阵列上刮下来；在CNT阵列的边缘部分，用刀刃粘附着拉伸的CNT，然后不断抽出来，形成一张CNT薄片；
步骤2：样品制备，所述样品制备包括单轴样品制备或双轴样品制备；
样品制备时采用SEBS橡胶作为CNT的柔性衬底，优选的，SEBS橡胶采用美国科腾公司，G-1651H。SEBS橡胶的形状可以为任意形状和尺寸，根据用户需求进行选择，为了便于横向和纵向特性的比较，本发明选择正方形的SEBS橡胶，且拉伸倍数取决于SEBS的拉伸性能，本发明中拉伸倍数优选4倍，CNT薄片的尺寸要求，只要作为柔性底衬的SEBS比碳纳米管尺寸大就行。
单轴样品制备，
取一块正方形的SEBS橡胶(50mm×50mm)，把它横向和纵向各拉伸4倍；取两段CNT薄片(50mm×40mm)横向放置在SEBS橡胶上，得到单轴二维传感器，完成单轴样品的制作；从硅片上取下CNT的时候，一般会滴酒精在SEBS上，CNT会和SEBS充分连接，而且酒精也会挥发掉，不会对试验造成影响。
双轴样品制备，
取一块正方形的SEBS橡胶(50mm×50mm)，把它横向和纵向各拉伸4倍。取一段CNT薄片(50mm×40mm)横向放置在SEBS橡胶上，再取一段CNT薄片(50mm×40mm)纵向放置在SEBS橡胶上，得到双轴二维传感器，完成双轴样品的制作。两段CNT薄片以相互垂直的方式叠加。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法，采用该方法制得的二维传感器在相互垂直的水平方向和垂直方向上均具有很好的电阻变化率，变化率越大传感器越灵敏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明基于碳纳米管的二维传感器的制作流程图；
图2(a)是单轴样品表面CNT薄片在低倍下的SEM图；
图2(b)是单轴样品表面CNT薄片在高倍下的SEM图；
图2(c)是双轴样品表面CNT薄片在低倍下的SEM图；
图2(d)是双轴样品表面CNT薄片在高倍下的SEM图；
图3(a)是单轴样品水平方向拉伸的示意；
图3(b)是单轴样品水平方向拉伸和电阻变化率的关系图；
图3(c)是单轴样品垂直方向拉伸的示意；
图3(d)是单轴样品垂直方向拉伸和电阻变化率的关系图；
图4(a)是双轴样品垂直方向拉伸的示意；
图4(b)是双轴样品垂直方向拉伸和电阻变化率的关系图；
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
步骤1：通过化学气相沉积法来制备碳纳米管；
步骤1.1：把放置在硅晶片上的铁(1nm)/三氧化二铝(10nm)作为催化剂，乙烯作为碳源，使用氩和氢气混合气体作为载流气体，维持750摄氏度的环境，在催化剂表面形成多壁碳纳米管CNT，把CNT阵列通过化学气相沉积合成在石英管式炉上；
步骤1.2：再用刀片把CNT薄片从CNT阵列上刮下来；在CNT阵列的边缘部分，用刀刃粘附着拉伸的CNT，然后不断抽出来，形成一张CNT薄片；
步骤2：样品制备，所述样品制备包括单轴样品制备或双轴样品制备；
样品制备时采用SEBS橡胶作为CNT的柔性衬底，优选的，SEBS橡胶采用美国科腾公司，G-1651H。SEBS橡胶的形状可以为任意形状和尺寸，根据用户需求进行选择，为了便于横向和纵向特性的比较，本发明选择正方形的SEBS橡胶，且拉伸倍数取决于SEBS的拉伸性能，本发明中拉伸倍数优选4倍，CNT薄片的尺寸要求，只要作为柔性底衬的SEBS比碳纳米管尺寸大就行。
单轴样品制备，
取一块正方形的SEBS橡胶(50mm×50mm)，把它横向和纵向各拉伸4倍；取两段CNT薄片(50mm×40mm)均横向放置在SEBS橡胶上，两段CNT薄片上下层叠放置，放置方向相同，得到单轴二维传感器，完成单轴样品的制作；
双轴样品制备，
取一块正方形的SEBS橡胶(50mm×50mm)，把它横向和纵向各拉伸4倍。取一段CNT薄片(50mm×40mm)横向放置在SEBS橡胶上，再取一段CNT薄片(50mm×40mm)纵向放置在SEBS橡胶上，得到双轴二维传感器，完成双轴样品的制作。两段CNT薄片以相互垂直的方式叠加。
将制得的二维传感器进行性能的评估和测试，测试用品包括银胶、Keithley2400万用表。
(1)碳纳米管的表征
通过化学气相沉积法来制备碳纳米管，把它们分别制作成单轴和双轴样品。在不同放大倍数下拍摄得到的扫描电子显微镜图像SEM图。图2(a)和图2(b)分别是单轴样品在低倍和高倍下的SEM图像。从图中可以看出单轴样品表面具有规则的褶皱结构。图2(c)和图2(d)分别是双轴样品在低倍和高倍下的SEM图像。可以看出双轴样品的表面不同于单轴样品的褶皱结构，是纵向褶皱和横向褶皱相结合后形成的新的褶皱结构。CNT薄片宽度可以通过改变刀片和CNT阵列接触的宽度把CNT薄片控制在毫米到厘米的范围，CNT的厚度通常几十纳米。本发明主要是研究CNT薄片的平均直径为7nm的，列厚度大概为300μm。
(2)单轴样品拉伸性能测试
如图3(a)所示，在单轴样品上选取相互不重合的三个位置，并编号为1、2、3，把导电银胶涂在三个位置上，三个位置的选择可以任意，但是不能相互重合。沿着1到2的方向(即水平方向)缓慢拉伸50％、100％、150％、200％、250％。每拉伸一次用Keithley2004万用表测出1、2、3任意两点之间的电阻R12、R13、R23。然后沿着21方向缓慢缩回50％、100％、150％、200％、250％。同时每次缩回时用Keithley2004万用表测出1、2、3任意两点之间的电阻R'12、R'13、R'23。根据公式ΔR＝R-R0，可以计算出电阻变化率，其中，R是使用Keithley2004测出的电阻值，R0是未拉伸前的电阻值。
图3(b)是水平方向拉伸和电阻变化率关系的图。在12方向、23方向和31方向电阻变化率随着拉伸的变大而变大，随着拉伸的减小而减小。但是在12方向，同样的拉伸条件下电阻的变化率相对小于23方向和13方向的电阻变化率。这是由于在12方向上，电阻在沿着褶皱方向拉伸和缩短，电阻变化比较小。
图3(c)所示，沿着垂直于12的方向缓慢拉伸50％、100％、150％、200％、250％。每拉伸一次用Keithley2004测出1、2、3任意两点之间的电阻R12、R13、R23。然后沿着垂直于21方向缓慢缩回50％、100％、150％、200％、250％。同时每次缩回时再用Keithley2004测出1、2、3任意两点之间的电阻R'12、R'13、R'23，根据公式ΔR＝R-R0，可以计算出电阻变化率。
图3(d)是垂直方向拉伸和电阻变化率关系的图。在23方向和31方向电阻变化率随着拉伸的变大而变大，随着拉伸的减小而减小，电阻变化率呈现出一直趋近直线的变化。但是在12方向，电阻变化率几乎不随样品的拉伸或缩短呈线性变化。这是由于样品在垂直于褶皱方向拉伸和缩短时，碳纳米管的褶皱几乎没有被拉开，因此，电阻几乎没有明显的改变。
(3)双轴样品拉伸性能测试
单轴样品在垂直于褶皱方向的变化不明显，作为二维传感器是存在明显的缺点的。为了解决传感器在垂直于褶皱方向的变化不明显的问题，制作了双轴样品。如图4(a)所示，在双轴样品上选取三个位置，并编号为1、2、3，把导电银胶涂在三个位置上，三个位置可以任意，但是不能相互重合。沿着垂直于12的方向缓慢拉伸50％、100％、150％、200％、250％。每拉伸一次用Keithley2004测出1、2、3任意两点之间的电阻R12、R13、R23。然后沿着垂直于21方向缓慢缩回50％、100％、150％、200％、250％。同时每次缩回时用Keithley2004测出1、2、3任意两点之间的电阻R'12、R'13、R'23，根据公式ΔR＝R-R0，可以计算出电阻变化率。
图4(b)是水平方向拉伸和电阻变化率关系的图。在12方向、23方向和31方向电阻变化率随着拉伸的变大而变大，随着拉伸的减小而减小。从图中可以看出，双轴样品成功的解决了单轴样品垂直于褶皱方向拉伸和缩短时，电阻变化率变化不明显的问题。
图中箭头表示拉伸方向。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种基于碳纳米管的二维传感器制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过化学气相沉积法来制备碳纳米管；
步骤1 .1：把放置在硅晶片上的1nm铁/10nm三氧化二铝作为催化剂，乙烯作为碳源，使用氩和氢气混合气体作为载流气体，维持750℃的环境温度，在催化剂表面形成多壁碳纳米管CNT，把CNT阵列通过化学气相沉积合成在石英管式炉上；
步骤1 .2：再用刀片把CNT薄片从CNT阵列上刮下来；在CNT阵列的边缘部分，用刀刃粘附着拉伸的CNT，然后不断抽出来，形成一张CNT薄片；
步骤2：样品制备，所述样品制备包括双轴样品制备；
所述双轴样品制备包括以下步骤：
取一块SEBS橡胶，把它横向和纵向分别进行拉伸，横向和纵向各拉伸4倍；取一段CNT薄片横向放置在SEBS橡胶上，再取一段CNT薄片纵向放置在SEBS橡胶上，两段CNT薄片以相互垂直的方式叠加，得到具有褶皱结构的双轴二维传感器，其中褶皱结构为横向褶皱和纵向褶皱结合后形成。
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