[发明专利]基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器及其方法

说明书

本发明公开了一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器及其方法。传感器由谐振器、柔性织物基底、纳米纤维组成。传感器可用于湿度、气体或应力等变量的传感，其工作原理是利用检测变量变化时纳米纤维的电学特性发生改变，进而引起与谐振器串联的整体电路的谐振频率的改变，来实现传感。本发明采用传感材料与谐振器相分离的结构，与传统的在谐振器上覆膜的结构相比，这种结构可以将谐振器真空封装，其状态能够保持稳定，不容易受到外界影响或破坏，也避免了吸附层与器件的相互作用，能够有效提高其精度和寿命。通过这种结构可以同时兼顾谐振器和吸附材料的优点，这对于实现同时提高传感器各种性能有重要的意义。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种具有高柔性、高灵敏度的串联式柔性传感器。

背景技术

传感器能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出的器件。传统的传感器有着体积大、功耗高、不利于集成化等缺点，随着MEMS技术的发展，出现了多种类的MEMS传感器，其中谐振式MEMS传感器件因为其体积小，成本低，工作频率高，稳定性、灵敏度、分辨率高、温漂小、与集成电路更兼容等优点成为较热门的研究领域[1]。但器件在向着微型化发展的同时带来了负面影响，体积的减少导致覆盖的吸附材料层的面积减小，对水分子的吸附能力大大降低，进而导致传感器的灵敏度、精度等性能的下降，无法满足检测需求。目前大部分的谐振式传感器或谐振式柔性传感器的结构，大部分是直接将吸附材料层沉积到器件表面，由于吸附材料的解离效应，可能会将器件某些结构短路，且器件基底暴露在湿度环境下容易遭受腐蚀，影响其寿命及稳定性。因此现有的谐振式传感器仍有需要优化的地方。本发明所设计的一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，采用串联式结构，可以改善上述问题。真空封装的谐振器能够保持稳定，避免了外界影响或破坏以及吸附层与器件的相互作用，能有效提高其精度和寿命。这种结构将传感部分与谐振器相分隔，使两者不再相互制约，面积、柔性及兼容性等将不再受限，可以自由地设计传感部分的面积，结构等参数，避免了器件微型化引起的吸附面积减小的问题，也更容易满足使用需求。通过这种结构可以同时兼顾谐振器和吸附材料的优点，这对于实现同时提高传感器各种性能有重要的意义。

纳米材料是一种新兴的材料，具有许多优异的特性。以氧化石墨烯(GO)为例，作为石墨烯的衍生物，它与石墨烯一样拥有很大的比表面积，能有效增加吸附的气体分子数量，以此提高传感器的灵敏度及检测限。GO在具有很强的亲水性的同时，因为官能团的存在也导致其电导率变差，具有高阻特性[2]。而还原氧化石墨烯(RGO)材料是GO经过还原过程处理而获得的，通过控制还原过程的各个参数或进行元素掺杂等来控制还原程度及方向来调控RGO的性能。通过该方法制备的RGO可以改善GO的电导率同时保持较好的吸附能力。而将纳米材料制备成纤维则可以获得纳米纤维，其优点在于既能保持原材料的独特优点，又可以拥有纤维的优点，如高柔韧性，易于与织物结合等。

引用文献：

[1]Chia-Yen Lee and Gwo-Bin Lee,“Humidity Sensors:AReview,”SensorLetters Vol.3,1-14,2005

[2]G.Venugopal et al.,“An investigation of the electrical transportproperties of graphene-oxide thin films,”Materials Chemistry and Physics 1332(2012)29-33

发明内容

本发明的目的在于解决现有谐振式传感器中存在的吸附面积小，难以实现柔性，寿命短等问题，并提供一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：