石墨烯柔性透明電極的人機(jī)交互系統(tǒng)研究

王明宇

摘 要：石墨烯作為一種新型材料具有及其優(yōu)異的透明度和電學(xué)性能。柔性可穿戴設(shè)備因?yàn)槠漭^于原先以硅為材料所制作的元器件具有柔軟，穿戴舒適等特點(diǎn)。因此基于石墨烯的柔性與透明，用PET塑料板作為基底做出的石墨烯柔性叉指電極開關(guān)在人體可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互方面具有良好的使用前景。我們用叉指電極開關(guān)來改變電信號，通過電腦程序處理信號，將外界壓力的變化體現(xiàn)在電路中，以此來達(dá)到人機(jī)交互的目的。

關(guān)鍵詞：石墨烯;人機(jī)交互;透明柔性;可穿戴設(shè)備;叉指電極

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0203-02

0 引言

隨著科技與社會的發(fā)展，人體柔性可穿戴設(shè)備的大量出現(xiàn)，人們開始逐漸接受這些柔性電器。開關(guān)作為這些設(shè)備中最為重要的人機(jī)交互系統(tǒng)之一，負(fù)擔(dān)著控制設(shè)備的電路通斷的任務(wù)。石墨烯[1]因?yàn)槠渚哂辛己玫娜嵝裕瑢?dǎo)電性與透明度，因此被用來制作柔性透明可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互部分[2]。原先采用硅作為基底，但因?yàn)槠洳痪邆淙嵝裕瑹o法應(yīng)用到可穿戴設(shè)備。所以，我們提出用柔性與透明性較好的PET塑料板來作為基底，制作石墨烯叉指電極開關(guān)，在提高了開關(guān)的柔性的同時(shí)，也讓它能夠應(yīng)用到人體可穿戴設(shè)備上面[3]，這樣制造出來的柔性可穿戴設(shè)備極其舒適。除此以外，石墨烯柔性電極還可以應(yīng)用在鋰離子電池中[4]，它在多種方面的應(yīng)用讓其具有良好的前景。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

勻膠機(jī)、烘干箱、共焦顯微拉曼系統(tǒng)、紫外曝光機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

過硫酸銨（（NH4）2S2O8）、丙酮（CH3COCH3）、異丙醇 （（CH3）2CHOH）。

1.3 制備步驟

（1）取一小塊銅箔，用剪子將密封處剪開，用鑷子將銅箔在PET塑料板上展平，用膠帶將銅箔四周粘好，按平。

（2）稱取10g過硫酸銨與250mL去離子水配成APS溶液。

（3）將凝膠涂抹在銅箔上，放入勻膠機(jī)以500r/s轉(zhuǎn)6s，再以3000r/s轉(zhuǎn)60s，進(jìn)行兩次，取出用剪刀剪去周圍膠帶。

（4）將處理好的材料放入過硫酸銨溶液（APS）中浸泡3h—4h，待銅全部溶解后，在塑料滴管與PET塑料板的幫助下將溶液中漂浮的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)至硅片上，放到烘干箱中烘干。

（5）將烘好的材料放入丙酮中浸泡5—10min，取出先后用丙酮，異丙醇與去離子水沖洗，吹干。放入拉曼光譜儀中進(jìn)行材料的表征檢測。

（6）重復(fù)上述步驟，再次制備一片。將其中一片放到德國產(chǎn)的BA6型紫外曝光機(jī)進(jìn)行紫外光刻，圖案化處理出叉指電極，從電極兩端分別引出一根銅線，將叉指電極與硅片相對，把泡沫塑料粘在四角，最后將兩頭的銅線各自接入處理單元。

1.4 材料表征（表征的內(nèi)容為拉曼光譜圖）

我們采用法國產(chǎn)的LabRAM HR Evolution型共焦顯微拉曼系統(tǒng)，在532nm激光下激發(fā)石墨烯，進(jìn)行測試，檢測其性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的拉曼光譜圖

如圖1所示，根據(jù)G峰與2D縫的尖銳程度，我們可以看出石墨烯的品質(zhì)很好[5]。

2.2 制作柔性透明電極

如圖2（a）圖所示，我們先用技術(shù)較為成熟的硅做基底，將石墨烯轉(zhuǎn)移至上面來進(jìn)行紫外光刻處理出叉指電極，之后再在PET塑料板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制作柔性透明的電極。

如圖2（b）所示，拍攝的石墨烯叉指電極實(shí)物圖照片。

如圖2（c）所示，作者繪制的叉指電極示意圖。

如圖2（d）所示，在PET塑料板上制作的透明柔性石墨烯叉指電極的實(shí)物圖。

2.3 改變電路中電信號

如圖3所示，我們將硅做基底制作的石墨烯叉指電極開關(guān)連入處理單元，成功的利用壓力來達(dá)到改變電路中電信號的目的。

（a）圖是石墨烯叉指電極開關(guān)的縱向示意圖，讓我們更加清晰地理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)有外部壓力時(shí)，泡沫塑料被擠壓，上層石墨烯與下層叉指電極接觸，電路接通。

2.4 計(jì)算機(jī)處理電信號

如圖4所示，我們用電腦程序來處理改變的電信號，讓石墨烯叉指電極開關(guān)成功利用壓力來控制音響的播放與圖像的改變。圖4（a）無壓力時(shí)的狀態(tài)是無聲，圖4（b）當(dāng)開有壓力時(shí)，石墨烯接觸叉指電極，電路接通電信號改變，經(jīng)過程序處理，播放音頻，如圖4（c）圖像顯示。

電腦程序代碼如圖4（c）。

3 結(jié)語

本文以石墨烯作為原材料，轉(zhuǎn)移至硅片上后圖案化處理做出叉指電極。我們利用石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，柔性與透明，做出了石墨烯叉指電極開關(guān)。在PET塑料板做為基底所做出的叉指電極開關(guān)具有很高的透明度與柔性，這種透明的柔性可穿戴元器件能夠穿通過感受外界壓力大小來控制電路的通斷，這種開關(guān)在接入人體可穿戴設(shè)備的電路后可以更好地幫助我們處理外界信號。柔性與透明將是未來可穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢，人機(jī)交互在未來也將變得越發(fā)重要。

參考文獻(xiàn)

[1] Choi Y，Sun Q，Hwang E，et al.On-Demand Doping of Graphene by Stamping with a Chemically Functionalized Rubber Lens.[J].Acs Nano，2015，9（4）：4354-61.

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[3] 王建偉.單晶石墨烯/銅納米線復(fù)合柔性透明導(dǎo)電薄膜的制備、性能及應(yīng)用[D].河南大學(xué)，2018.

[4] 袁若鑫，劉新剛，張楚虹.二氧化錫/石墨烯柔性電極的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化學(xué)， 2018，35（7）：825-833.

[5] 陳文強(qiáng).基于石墨烯帶隙調(diào)控及拉曼光譜的分析研究[D].西安理工大學(xué)，2018.