关键词： 石墨烯   柔性传感器   传感器制作   传感器标定   传感性能   结构监测  

摘要： 结构的破坏失效通常伴随着局部大变形的产生,而电阻应变片、光纤类传感器等传统传感器因自身变形能力有限而导致应变测量范围较小,难以满足结构大变形监测的需要。石墨烯具有优异的电学和力学特性,以石墨烯作为敏感材料的柔性传感器具有测量范围大的优点,在可穿戴设备等领域已有广泛的应用。本文在前人的研究基础之上,对一种由多层石墨烯薄膜作为敏感材料的柔性传感器展开研究,围绕柔性传感器的传感机理、设计制作、传感性能等方面进行研究,探索其在土木工程结构监测领域中的应用潜力,本文的主要内容包括: 首先,由CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积法)制备得到多层石墨烯薄膜,经转移、刻蚀等工艺流程加工得到石墨烯柔性传感器,基于金属薄膜传感机理与纳米材料传感机理对石墨烯柔性传感器大变形范围内输出的非线性进行了分析,并基于等效电阻的原理对惠斯登电桥桥臂电阻进行了设计,组建了满足石墨烯柔性传感器在大变形范围内监测的测量系统。 其次,利用相似三角形的性质设计了一个应变放大装置,以电阻应变片作为应变基准器件,在大变形范围内进行了石墨烯柔性传感器应变标定实验,并依据最小二乘拟合法建立了石墨烯柔性传感器应变传感特性曲线的数学模型,通过等截面悬臂钢梁应变测量实验对石墨烯柔性传感器应变标定结果的准确性进行了验证。另外,基于步进电机实验平台和纯弯钢架结构梁实验平台对石墨烯柔性传感器的传感性能进行了测试分析,并探究了石墨烯薄膜尺寸对石墨烯柔性传感器传感性能的影响。研究结果表明:石墨烯柔性传感器具有大变形的监测能力以及良好的传感性能,可代替电阻应变片进行结构应变的监测。 最后,搭建了沙粒冲击实验平台探究了石墨烯柔性传感器测量沙粒冲击,采用不同下落高度的沙粒分别冲击石墨烯柔性传感器,建立了沙粒在空气中自由下落的运动模型,通过计算得到了不同下落高度沙粒对石墨烯柔性传感器的平均冲击力,并依据实验结果建立了石墨烯柔性传感器冲击传感特性曲线的数学模型。研究结果表明:石墨烯柔性传感器可用于沙粒冲击的测量,在结构监测领域具有广泛的应用前景。

关键词： 分子印迹聚合物   电化学传感器   石墨烯   比色传感器   纳米酶  

摘要： 分子印迹聚合物（Molecular imprinted polymers,MIPs）具有主-客体识别功能,具有高度特异性分子识别能力,并且在恶劣的化学和物理条件下具有强稳定性。分子印迹聚合物作为优异的识别单元,与信号输出系统结合,制备的各类传感器能够实现复杂基质中痕量物质的灵敏检测,在环境分析、食品领域和生命健康领域展现出了巨大优异性。本论文以神经递质多巴胺和酚酸类物质原儿茶酸作为检测目标,利用分子印迹技术构建了一种电化学传感器和比色传感器,分别实现对多巴胺和原儿茶酸的高灵敏度和高选择性的传感检测。具体研究内容如下: （1）构建石墨烯基分子印迹电化学传感器,实现对多巴胺的灵敏检测。首先,采用电化学还原的方法制备了还原氧化石墨烯修饰的玻碳电极（rGO/GCE）,以邻苯二胺为功能单体、多巴胺为模板分子,通过循环伏安法电化学聚合并在洗脱模板分子后制备得到MIPs/rGO/GCE修饰电极。此修饰电极具有良好的电子传输能力和较大的比表面积。利用MIPs/rGO/GCE修饰电极结合硫堇作为电活性物质,采用差分脉冲伏安法实现了对多巴胺的定量检测。结果表明,构建的MIPs/rGO/GCE能够特异性识别多巴胺,检测范围为0.01～120μM,检测限为6.6n M,为痕量检测多巴胺提供了新思路。 （2）合成分子印迹磁性纳米酶,构建对原儿茶酸的高选择性比色传感检测方法。以原儿茶酸为模板分子、多巴胺为功能单体,在氨基化的四氧化三铁纳米粒子（Fe3O4-NH2）表面进行分子印迹聚合制备分子印迹磁性纳米酶MIPs@Fe3O4-NH2。由于分子印迹的特异性识别作用,MIPs@Fe3O4-NH2对原儿茶酸进行快速、选择性的磁性分离。同时,MIPs@Fe3O4-NH2具有类过氧化物酶活性,在H2O2存在下与3,3’,5,5’-四甲基联苯胺发生显色反应,当MIPs@Fe3O4-NH2表面的三维识别空腔与原儿茶酸特异性结合后,减少了纳米酶表面活性位点的暴露,阻碍了其与显色底物的接触,从而使体系的吸光度降低。根据这个现象,构建了原儿茶酸的比色传感法,在1～250μM的浓度范围,吸光度的降低与浓度呈现良好的线性关系,检测限为0.84μM。此方法具有良好的选择性,同时制备简单、检测结果可视化,为后续基于分子印迹的比色传感器的开发提供了新的通用策略。

关键词： 石墨烯   壳聚糖   富血小板血浆   难愈合创面  

摘要： 目的:难愈合创面的治疗是当代医学的难题,给患者带来巨大的痛苦和经济负担。血小板(Platelet)在止血、组织再生和宿主防御中起着至关重要的作用。活化的血小板释放α颗粒,其中含有多种生长因子、细胞因子和细胞外基质调节剂,可以促进受损组织的修复再生。氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种由石墨氧化而来的单层片状结构的碳纳米材料,具有较强的光热转化作用以及一定的抗菌性。壳聚糖(chitosan,CS)是一种天然大分子多糖,具有较好的止血、抗菌以及促进增殖的能力。温度敏感的壳聚糖-β-甘油磷酸钠水凝胶会响应环境温度的改变,在室温(20-25℃)下呈液体状态,在体温(37℃)下迅速变为固态,便于注射上药,符合伤口形状。光热治疗(photothermal therapy,PTT)和光动力治疗(photodynamic therapy,PDT)作为一种新兴的治疗方法,在抗肿瘤及抗菌等方面的疗效已被证实。本研究拟通过将氧化石墨烯以及光热治疗引入温敏壳聚糖血小板水凝胶,研究其光热效果、生物相容性和促修复作用,以期为难愈合皮肤创面患者的治疗提供新的思路。方法:1.制备温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶。首先,采用Hummers方法的制备并纯化氧化石墨烯,并利用透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman Spectrometer)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射(XRD)对其进行表征。接着,制备了氧化石墨烯/壳聚糖/β甘油磷酸/羟丙基纤维素四相温敏水凝胶体系。最后,通过离心法获得富血小板血浆,并加入温敏水凝胶,获得温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶。利用扫描电子显微镜(SEM)以及傅里叶红外光谱仪(FTIR)对合成的热敏氧化石墨烯血小板水凝胶进行表征,用流变仪测试其流变性能和可注射性,通过万能试验机研究其压缩性能,并通过测试水凝胶的p H、成胶时间、溶胀性能、抗菌性能及体外降解等指标,观察其性能特点。通过激光器测试其光热性能,并利用红外热成像仪记录整个实验过程的温度变化。2.温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶的体外生物学效果研究:通过CCK-8实验研究水凝胶对细胞活性的影响以及有无促增殖作用;通过细胞划痕实验研究水凝胶对L929细胞迁移作用的影响;使用钙黄绿素(Calcein)/碘化丙啶(PI)双染试剂盒研究用水凝胶浸出液培养的细胞的存活情况。3.温敏氧化石墨烯血小板水凝胶的体内生物学效果研究:采用8周龄的雄性SD大鼠建立感染皮肤创面模型,将水凝胶贴敷于大鼠皮肤创面并进行光热治疗,观察创面恢复情况。对于治疗后创面处新生的皮肤组织及肉芽组织进行HE染色,Masson染色和免疫组织化学染色,观察创面愈合过程中皮肤层的形态变化,组织胶原结构的增生情况以及抗炎因子和促炎因子的改变;对使用水凝胶的大鼠主要器官切片进行HE染色,评估其生物组织相容性。结果:***图像可见GO呈片层状分布;拉曼光谱显示,在1593 cm和1347 cm处存在两个由碳原子的SP2振动引起的对应于G和D波段的显著峰,即为GO的特征峰;XRD谱图显示在2θ=10°时存在一个尖峰,代表石墨的氧化,可表明其晶体性质;FTIR光谱中可见到氧化石墨烯薄片的剥落产生的大量的官能团,包括羰基、羧基和环氧基。以上实验结果均证明了GO的成功制备。此后,制备了温敏氧化石墨烯血小板水凝胶,并通过TEM观察其微观形貌呈疏松多孔状,通过流变仪证实其具有良好的流变性能和可注射性,万能试验机的测试证明其具有较好的抵抗压缩能力,在激光器照射下,利用红外热像仪观察到水凝胶具有良好的光热性能。根据p H、凝胶时间、溶胀性能、光热性能等方面评价,氧化石墨烯浓度为1.0mg/ml的水凝胶具有较好的综合性能,用于进行后续的体内外生物学研究。***8实验显示,温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶对细胞增殖未表现出明显的抑制作用,且有一定的促进作用;细胞划痕实验表明,温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶对细胞迁移有较明显的促进作用;钙黄绿素(Calcein)/碘化丙啶(PI)双染色实验表明,温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶对细胞无明显毒性作用。3.成功建立SD大鼠感染皮肤创面模型,应用水凝胶敷料后观察结果显示,温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶以及其联合光热治疗时,均具有一定促进感染创面愈合的效果。此外,温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶具有良好的生物相容性,未表现出明显的生物毒性。结论:本研究成功制备了温敏氧化石墨烯富血小板血浆水凝胶,并证实了其可以促进感染伤口的愈合,为治疗难愈合皮肤创面提供了新的思路。

关键词： 太赫兹成像   空间光调制器   压缩感知   调制深度   图像重建  

摘要： 太赫兹成像技术有光子能量低、穿透性好、分辨率高等优点,在生物医学、无损检测、安检等领域有巨大的潜力。然而,太赫兹探测器价格昂贵,严重制约了大规模探测器阵列的发展。因此,在当前的太赫兹成像方案中仍主要采用光栅扫描式成像,其耗费时间过长。近年来,新发展的空间编码压缩感知成像算法为实现单点探测器成像提供了新的思路。其核心在于对样品的图像进行空间调制编码,只使用一个探测器采集信号,进而使用压缩感知算法复原出样品的图像。这大大降低了对探测器阵列的需求,节约了成本,同时和光栅扫描成像相比极大地减少了成像时间。想要实现基于压缩感知算法的太赫兹成像,其关键在于压缩感知算法的设计及物理上实现太赫兹波段的空间光调制器阵列。本文首先通过编写压缩感知成像算法实现信号重建,再通过修改稀疏基、观测矩阵和添加噪声进行重建结果的比较,选择出适用于太赫兹波段的算法;其次,利用Terasense太赫兹雪崩二极管作为发射源组建了单像素成像系统,通过实验验证了算法在太赫兹波段重构图像的有效性;进而设计了基于单点石墨烯-金属微狭缝谐振腔结构的4×4空间调制器阵列,通过反射式太赫兹系统测试了4×4阵列的工作性能,为太赫兹压缩感知成像提供了空间调制的硬件基础。基于调制器阵列的实验结果,本文对更多像素点的图像进行仿真重建,验证大规模调制器阵列用于压缩感知成像的可行性。 论文完成的主要工作包括: (1)调研了压缩感知理论的信号稀疏表示、观测矩阵和重构算法等重要理论基础,编写算法实现了一维信号重构,并比较L1范数算法和OMP算法在不同稀疏基、不同观测矩阵、有无噪声情况下的性能,结果发现在高斯随机矩阵、OCT稀疏基下OMP算法重建时间最快,抗噪能力强。还分析了在何种稀疏度、测量次数下能够较大概率成功实现信号的重构。 (2)基于输出频率为100 GHz的Terasense太赫兹雪崩二极管、Terasense超快THz探测器、两个焦距为10 cm的透镜和PCB板制作的随机掩模版搭建了太赫兹系统验证算法,实现了待测物体的单像素压缩感知成像。实验验证了该算法能适用于实际的太赫兹成像系统。 (3)在前期单点石墨烯-金属微狭缝谐振腔结构调制器的基础上,设计并制备得到4×4空间调制器阵列,考虑到实际光刻机设备工作的分辨率及调制效果,光栅周期p和光栅间隔g的参数设置为:(p,g)=(30μm,10μm),使用软件绘制光刻掩膜版图案,并利用紫外光刻工艺制备阵列,其后利用细金属连接线将金属光栅连接至外围电路以便于为各个像素点施加电压。在多频段下施加不同电压对该阵列各像素点进行调制深度测试及计算,发现在工作电压为?5 V时,1.65～1.75 THz频段的各像素点调制性能最稳定,能够组成字母图像。 (4)基于实验结果的仿真图像重建。在确定能通过改变电压实现各点独立调制后,通过程序构造16×16高斯随机矩阵,根据该矩阵的每一行对4×4阵列进行空间编码,在反射式系统下进行成像,基于成像数据进行图像重建仿真,仿真结果显示采集75%以上数据即可重建成功。另外,结合分块压缩感知的思想,对4×4阵列数据进行扩充,扩展到8×8、16×16阵列,8×8、16×16图像重建成功的仿真结果对大规模调制器阵列用于压缩感知成像提供了有力支持。

关键词： 掺硼石墨烯   密度泛函   形成能   功函数   深度学习  

摘要： 功函数是描述石墨烯与外界电子交换能力的本征特征之一,而掺硼石墨烯作为一种新型的二维杂化材料,其功函数对其应用潜力具有重要影响。掺入硼原子将引入空穴态,并对石墨烯的电学和光学特性产生影响,同时改变其功函数。因此,研究掺硼石墨烯的功函数对于理解其性质和应用具有重要意义。本研究利用密度泛函理论探究了掺硼石墨烯的结构,并建立了深度学习模型来描述功函数与掺杂浓度之间的非线性关系。通过模型优化,得到掺硼石墨烯功函数和掺杂浓度之间的精确关系。这项研究为掺杂石墨烯的设计和制备提供一种指导,并有望在电子器件和能源领域等应用中发挥积极作用。同时,开发的描述符和深度学习模型为预测二维材料性能提供一种新参考方法。本文基于密度泛函理论和深度学习方法,研究掺硼石墨烯功函数与掺杂浓度之间的关系。以下是本文研究的主要内容概要:第一章,本章节从掺硼石墨烯研究背景出发,简要介绍国内外科研人员近年来在掺硼石墨烯功函数方面的研究成果,并阐述本文的主要研究内容。第二章,本章节对本文所用到的相关理论和计算方法进行详细介绍,包括机器学习、深度学习方法、密度泛函理论以及密度泛函理论计算软件等。第三章,本章节构建不同浓度下掺硼石墨烯模型,并通过结构优化得到理论稳定结构。然后使用密度泛函理论计算形成能和功函数数据,并提取掺硼石墨烯特征。在此基础上,提取出3万余条样本和11.5万余条对称样本,样本特征主要由代表原子种类和位置信息的0-1二维数据组成。接着,使用KNN、SVM和MLP机器学习模型对形成能进行预测,以评估掺硼石墨烯稳定程度。结果显示,MLP的MSE和R2分别达到0.2394和0.9286,证明了机器学习能评估掺硼石墨烯稳定性。第四章,本章节使用改进过后的ACN和VCN卷积网络,利用11.5万余条对称样本成功预测掺硼石墨烯的功函数。在两种卷积网络中,VCN的MSE和R2的值分别达到0.0013和0.9546,实验结果证明ACN和VCN均能有效地预测功函数。这项研究成果为研究其他二维材料性质提供有价值参考。第五章,总结与展望,归纳本文主要工作和成果并介绍未来工作展望,同时也分析本文工作的不足。

关键词： 激光直写   激光诱导石墨烯   超耐磨   转移膜  

摘要： 磨损会显著地降低机械运动部件的服役寿命,这促使学者们不断开发新型耐磨材料。石墨烯作为一种二维碳材料,其在微纳米尺度具有优异的减摩抗磨性能。然而,在宏观尺度下,石墨烯的耐磨特性却鲜有报道。尽管一些研究已经证明石墨烯有作为固体润滑材料应用的可行性,但其服役寿命较短,负载能力较弱,限制了石墨烯在工程领域内大范围应用。同时,受石墨烯制备方法上的局限,常规方法生产石墨烯耗时耗能,难以满足石墨烯作为宏观润滑材料(薄膜)的应用需求。针对以上问题,本文开展“激光诱导石墨烯薄膜的制备与摩擦学特性研究”,通过激光直写聚酰亚胺即可一步制备具有超耐磨特性的石墨烯薄膜,对于推动石墨烯作为宏观尺度润滑材料的制备和应用研究具有一定的启示意义。 本文利用激光直写聚酰亚胺制备了激光诱导石墨烯(LIG)薄膜,并通过拉曼光谱仪、X射线衍射仪(XRD)和扫描/透射电子显微镜(SEM/TEM)对LIG薄膜进行了结构表征。表征结果显示,该薄膜在微观上呈现松散爆炸结构,纳观上具有多层石墨烯纳晶结构。激光诱导聚酰亚胺转变为石墨烯纳晶结构的阈值能量为3 W,拉曼光谱中出现显著的石墨烯特征峰(2D峰)。当能量进一步增加时,拉曼光谱的峰形未发生显著变化,薄膜内保持为多层石墨烯纳晶结构。 在摩擦特性方面,采用球盘型摩擦磨损实验机研究了LIG薄膜在不同载荷下的耐磨损性能。在2 N的低载荷下,LIG薄膜摩擦系数稳定在0.1左右;在20 N的高载荷下,摩擦系数稳定在0.17左右,磨损寿命超过10万圈,说明LIG薄膜具有超耐磨性能。摩擦界面表征分析发现,磨痕区域的LIG在摩擦球表面重构形成致密交联石墨烯纳晶转移膜,摩擦状态完全变为纳晶转移膜与基体摩擦;随着摩擦的继续,转移膜纳晶结构向非晶结构转变。因此,提出LIG薄膜的超耐磨机理是摩擦作用下致密交联纳晶转移膜的形成及转移膜缓慢非晶化磨损过程。 在此基础上,进一步研究了该薄膜在不同粗糙度基体表面上的耐磨损性能。通过砂纸研磨基体得到了1.4 nm到54.8 nm的表面粗糙度,再在其上制备LIG薄膜。摩擦实验结果显示,随着基体表面粗糙度的增加,LIG薄膜摩擦系数从0.11上升到0.24;磨损寿命从大于30000圈降至不足7000圈,但随着基体粗糙度进一步增大,磨损寿命又上升至25000圈左右,即磨损寿命先下降后上升,表明LIG薄膜在粗糙基体上同样具有良好的耐磨性。摩擦界面表征分析发现,在光滑基体表面,摩擦发生在纳晶转移膜与基体之间;在粗糙基体表面,微凸体会犁削摩擦球妨碍转移膜的形成,但凹槽可以有效地存储被压缩的LIG,使得摩擦发生在摩擦球与压缩的LIG之间。因此,提出了LIG薄膜在粗糙表面的耐磨损机理是压缩的LIG在摩擦界面作为消耗层维持着长效润滑。

关键词： 锂离子电池   负极材料   金属有机框架   石墨烯   储锂性能  

摘要： 负极材料是锂离子电池的重要组成部分之一，而目前商用的石墨负极材料比容量较低，难以满足未来发展需要。钴基金属硫化物是一类理论比容量较高的材料，但导电性较差，电化学反应过程中体积变化较大。以金属有机框架(MOF)作为前驱体制备钴基硫化物可有效应对以上问题。本论文对MOF衍生钴基硫化物进行研究，并制备了三种复合材料，探究了其作为锂离子电池负极材料时的储锂性能。本论文主要内容如下:　　采用N，N-二甲基甲酰胺与去离子水的混合液作为溶剂制备了ZIF-67,再与氧化石墨烯(GO)静电组装后通过气相硫化法制备了CoS2-氮掺杂碳/石墨烯(CoS2-NC/rGO)复合材料。探究了石墨烯含量对CoS2-NC/rGO复合材料储锂性能的影响。研究表明，当石墨烯含量为20％时，复合材料的储锂性能最佳。该材料在电流密度为0.1和5A·g-1时的放电比容量分别为1137和586mAh·g-1,在电流密度为0.5A·g-1时循环400圈后放电比容量为1272mAh·g-1。　　为进一步提高CoS2材料的电化学活性，对其进行镍元素掺杂。采用液相合成和气相硫化法制备了镍掺杂的CoS2/石墨烯(Co0.95Ni0.05S2/rGO)复合材料，探究了Ni元素掺杂比例和石墨烯含量对Co0.95Ni0.05S2/rGO复合材料储锂性能的影响。研究表明，当Ni掺杂比例为5％，石墨烯含量为20％时，复合材料的储锂性能最佳。该材料在电流密度为0.1和5A·g-1时，放电比容量分别为1213和632mAh·g-1,在电流密度为0.5A·g-1时循环500圈后容量为1007mAh·g-1。　　为进一步提高CoS2材料的循环稳定性，制备了锌钴二元金属有机框架。随后采用液相合成和水热硫化法制备了锌钴硫化物/石墨烯(Zn-Co-S/rGO)复合材料，探究了锌钴比例和石墨烯含量对Zn-Co-S/rGO复合材料储锂性能的影响。研究表明，当锌钴比例为1∶2、石墨烯含量为20％时，复合材料的储锂性能最佳。该材料在电流密度为0.1和10A·g-1时，放电比容量分别为1152和655mAh·g-1,在电流密度为0.5A·g-1时循环550次后比容量为908mAh·g-1。

关键词： InP   硫化铅量子点   红外探测器   SWCNTs   石墨烯   PIN  

摘要： 本文主要围绕磷化铟(InP)基光电探测器,在其表面集成了不同的低维纳米材料,制备了多种PN和PIN光电二极管。对各种材料进行了表征,分析了器件的物理机制,旨在提高近红外光电探测器的光电探测灵敏度,为新型低维材料与InP集成构建混合光电探测器提供了思路。首先,制备了 ITO/PbS QDs/石墨烯/InP光电二极管,表面化学处理可以将长链包裹的PbS QDs置换为短链包裹的PbS QDs,缩小了相邻量子点的间距,增强了器件的导电性能。石墨烯大大提高了器件的电荷传输效率,光电流增加了一个数量级,提升了光响应度和探测率。器件的最大响应度为145.1 mA·W-1(808nm,1.1 V),最大探测率为 9.66 × 1010 cm·Hz1/2·W-1(808 nm,0.8 V),上升和下降时间分别为11μs和76μs。接着,制备了 SWCNTs/石墨烯/Al2O3/InP光电探测器,SWCNTs与石墨烯为同素异形体,消除了相位匹配的影响,两者超高的电子迁移率为器件的载流子运输提供了保障。Al2O3的嵌入将肖特基势垒提高了 0.15 eV,有助于降低器件的暗电流。器件在零偏压下的响应度为154.3 mA·W-1(808 nm,0 V),探测率为1.27 × 1012 cm·Hz1/2·W-1(808 nm,0 V),上升和下降时间分别为40μs和180 μs。最后,研究了 PbS QDs/Al2O3/In0.53Ga0.47As/InP PIN 光电二极管,本征层In0.53Ga0.47As可以将波长扩展到1550 nm,使用乙二硫醇(EDT)将PbS QDs诱导为p型掺杂,与n型InP形成的的内建电场完全集中在2 μm厚的本征层InGaAs中,可以明显减少结电容与载流子渡跃时间,加快了响应时间。器件的最大响应度为 2.12 A·W-1(1550 nm,-1 V),探测率为 4.82 × 1010cm·Hz1/2·W-1(1550 nm,-1 V),上升和下降时间分别为1.8 μs和9.8 μs。

关键词： MEMS   石墨烯   温度传感器   耐高温防护层  

摘要： 温度传感器是一种开发早且市场份额较大的传感器,其在航空航天、军事装备、工业生产以及民用生产等领域中都得到了广泛的应用。现有的接触式温度传感器主要分为三类:贵金属（如Pt）制成的热电阻、耐高温合金（如W-Re）制成的热电偶、基于半导体材料（如Si）制成的热敏电阻。热电阻的响应时间短,但耐温上限低;热电偶的耐温上限高,但响应时间长;热敏电阻的电阻—温度关系非线性严重,且元件易老化,难以在高温环境下实施测量。在航空航天、军事装备、工业生产等领域的温度测试中,均离不开耐高温、快响应、误差小的温度传感器。因此开发基于新材料、新效应的温度传感器是目前的迫切需求。石墨烯作为一种二维蜂窝状材料,因其有着优异的物理性质使得其在传感器、集成电路、新能源电池等领域均有着广阔的应用前景。由于石墨烯的耐温上限可达2100℃,导热系数高达5300W/m·K,因此研制基于石墨烯热阻效应的温度传感器可以为解决现有温度传感器存在的瓶颈问题提供新思路。本文设计并制备了一种基于Si3N4防护层的MEMS石墨烯温度传感器,主要研究内容及结果如下:（1）基于石墨烯的热敏机理,结合有限元仿真软件对传感器进行结构设计。采用250μm厚单晶Si片作为芯片衬底以满足传感器的快响应需求;利用磁控溅射法沉积高熔点的金属Pt作为引出石墨烯电学信号的电极;等离子体增强化学气相沉积法制备200nm厚Si3N4作为传感器的绝缘层/防护层以防止石墨烯敏感单元被氧化;最后对管壳的材料及结构进行了设计,实现高温环境下对传感器芯片的有效防护。（2）完成石墨烯温度传感器芯片工艺流程制定,设计了整体的光刻工艺掩膜版图,并完成了石墨烯温度传感器的工艺制备。加工方面包括石墨烯薄膜的转移,并利用退火工艺处理石墨烯敏感单元从而优化其质量,使薄膜的表面粗糙度从1.14nm降到了0.707nm;高可靠性Si3N4防护层的制备;对键合参数进行优化,最终选用键合力70N、超声功率200W、键合时间150ms的键合程序完成了Pt-Pt引线键合,为将石墨烯的电学信号导出奠定了良好的基础。（3）通过微纳表征手段对石墨烯敏感单元的质量进行了表征、探针台与高温马弗炉等检测设备对器件性能进行了测试。微纳表征结果显示石墨烯质量良好,2D/G峰的比值约为2.7,且表面几乎无光刻胶等杂质或破损;对Pt-Pt引线键合样品进行了拉力测试,最大拉力值为184m N;对传感器的整体性能进行了测试,包括传感器的耐温性能、响应时间等。耐温测试结果表明传感器在25～300℃范围内的灵敏度为0.27%/℃,重复性误差为5.2%,迟滞误差为7.8%,表明传感器有着较好的静态特性,对传感器的动态响应时间测试结果表明:当样品的表面温度达到1557℃时,传感器的响应时间为6ms,本实验为后续高性能MEMS石墨烯温度传感器的研制提供了一定的思路。