石墨烯柔性透明电极的人机交互系统研究

石墨烯柔性透明电极的人机交互系统研究作者：王明宇

来源：《中国科技纵横》2019年第08期

摘要：石墨烯作为一种新型材料具有及其优异的透明度和电学性能。柔性可穿戴设备因为其较于原先以硅为材料所制作的元器件具有柔软，穿戴舒适等特点。因此基于石墨烯的柔性与透明，用PET塑料板作为基底做出的石墨烯柔性叉指电极开关在人体可穿戴设备的人机交互方面具有良好的使用前景。我们用叉指电极开关来改变电信号，通过电脑程序处理信号，将外界压力的变化体现在电路中，以此来达到人机交互的目的。

关键词：石墨烯;人机交互;透明柔性;可穿戴设备;叉指电极

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0203-02

0 引言

随着科技与社会的发展，人体柔性可穿戴设备的大量出现，人们开始逐渐接受这些柔性电器。开关作为这些设备中最为重要的人机交互系统之一，负担着控制设备的电路通断的任务。石墨烯[1]因为其具有良好的柔性，导电性与透明度，因此被用来制作柔性透明可穿戴设备的人机交互部分[2]。原先采用硅作为基底，但因为其不具备柔性，无法应用到可穿戴设备。所以，我们提出用柔性与透明性较好的PET塑料板来作为基底，制作石墨烯叉指电极开关，在提高了开关的柔性的同时，也让它能够应用到人体可穿戴设备上面[3]，这样制造出来的柔性可穿戴设备极其舒适。除此以外，石墨烯柔性电极还可以应用在锂离子电池中[4]，它在多种方面的应用让其具有良好的前景。

1 实验过程

1.1 实验仪器

匀胶机、烘干箱、共焦显微拉曼系统、紫外曝光机。

1.2 实验试剂

过硫酸铵（（NH4）2S2O8）、丙酮（CH3COCH3）、异丙醇（（CH3）2CHOH）。

1.3 制备步骤

（1）取一小块铜箔，用剪子将密封处剪开，用镊子将铜箔在PET塑料板上展平，用胶带将铜箔四周粘好，按平。

（2）称取10g过硫酸铵与250mL去离子水配成APS溶液。

（3）将凝胶涂抹在铜箔上，放入匀胶机以500r/s转6s，再以3000r/s转60s，进行两次，取出用剪刀剪去周围胶带。

（4）将处理好的材料放入过硫酸铵溶液（APS）中浸泡3h—4h，待铜全部溶解后，在塑料滴管与PET塑料板的帮助下将溶液中漂浮的石墨烯薄膜转至硅片上，放到烘干箱中烘干。

（5）将烘好的材料放入丙酮中浸泡5—10min，取出先后用丙酮，异丙醇与去离子水冲洗，吹干。放入拉曼光谱仪中进行材料的表征检测。

（6）重复上述步骤，再次制备一片。将其中一片放到德国产的BA6型紫外曝光机进行紫外光刻，图案化处理出叉指电极，从电极两端分别引出一根铜线，将叉指电极与硅片相对，把泡沫塑料粘在四角，最后将两头的铜线各自接入处理单元。

1.4 材料表征（表征的内容为拉曼光谱图）

我们采用法国产的LabRAM HR Evolution型共焦显微拉曼系统，在532nm激光下激发石墨烯，进行测试，检测其性能。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯的拉曼光谱图

如图1所示，根据G峰与2D缝的尖锐程度，我们可以看出石墨烯的品质很好[5]。

2.2 制作柔性透明电极

如图2（a）图所示，我们先用技术较为成熟的硅做基底，将石墨烯转移至上面来进行紫外光刻处理出叉指电极，之后再在PET塑料板上进行实验，制作柔性透明的电极。

如图2（b）所示，拍摄的石墨烯叉指电极实物图照片。

如图2（c）所示，作者绘制的叉指电极示意图。

如图2（d）所示，在PET塑料板上制作的透明柔性石墨烯叉指电极的实物图。

2.3 改变电路中电信号

如图3所示，我们将硅做基底制作的石墨烯叉指电极开关连入处理单元，成功的利用压力来达到改变电路中电信号的目的。

（a）图是石墨烯叉指电极开关的纵向示意图，让我们更加清晰地理解其内部结构，当有外部压力时，泡沫塑料被挤压，上层石墨烯与下层叉指电极接触，电路接通。

2.4 计算机处理电信号

如图4所示，我们用电脑程序来处理改变的电信号，让石墨烯叉指电极开关成功利用压力来控制音响的播放与图像的改变。图4（a）无压力时的状态是无声，图4（b）当开有压力时，石墨烯接触叉指电极，电路接通电信号改变，经过程序处理，播放音频，如图4（c）图像显示。

电脑程序代码如图4（c）。

3 结语

本文以石墨烯作为原材料，转移至硅片上后图案化处理做出叉指电极。我们利用石墨烯具有良好的导电性，柔性与透明，做出了石墨烯叉指电极开关。在PET塑料板做为基底所做出的叉指电极开关具有很高的透明度与柔性，这种透明的柔性可穿戴元器件能够穿通过感受外界压力大小來控制电路的通断，这种开关在接入人体可穿戴设备的电路后可以更好地帮助我们处理外界信号。柔性与透明将是未来可穿戴设备的发展趋势，人机交互在未来也将变得越发重要。

参考文献

[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.

[2] 徐阁甫.基于柔性电子技术的可穿戴产品系统设计研究[D].江南大学，2017.

[3] 王建伟.单晶石墨烯/铜纳米线复合柔性透明导电薄膜的制备、性能及应用[D].河南大学，2018.

[4] 袁若鑫，刘新刚，张楚虹.二氧化锡/石墨烯柔性电极的制备及其在锂离子电池中的应用[J].应用化学， 2018，35（7）：825-833.

[5] 陈文强.基于石墨烯带隙调控及拉曼光谱的分析研究[D].西安理工大学，2018.