石墨烯薄膜應變檢測實驗裝置的設計與應用

張冬至， 周蘭娟, 劉潤華, 康忠健, 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

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石墨烯薄膜應變檢測實驗裝置的設計與應用

張冬至， 周蘭娟, 劉潤華, 康忠健, 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

將納米科學與檢測技術相結合，采用靜電誘導自組裝工藝制備石墨烯薄膜作為敏感材料，基于555多諧振蕩器與單片機設計了石墨烯薄膜應變檢測儀實驗裝置，并對其性能進行實驗研究。結果表明,該實驗裝置具有響應快速、靈敏度高、柔韌性以及良好的恢復特性。以“新材料-新工藝-新器件-新應用”為主線，促進了微電子、納米技術、工程材料、信息檢測的學科交叉與融合，有利于提升學生創新意識，探究思維能力和工程實踐能力。

學科融合； 實踐創新； 實驗裝置； 工程能力

0 引 言

當前，科學技術朝著學科交叉融合的方向發展，相當數量的科技成果來自于學科交叉領域[1-3]。為適應當前培養具有多元知識結構和創新能力的高素質復合型人才的發展要求，跨學科交叉融合的教學模式探索，受到國內外高等學校的廣泛重視[4-7]。基于“學科融合、實踐創新、協同育人”的理念，推進學科交叉實踐創新人才培養模式的實施，不僅可以拓寬學生的知識面、專業口徑和就業渠道，而且對于學生的學習興趣、探究思維能力、創新能力和工程意識培養具有極為重要的意義[8-11]。

應變傳感器在微機電系統(MEMS)領域具有很重要的影響力和廣泛的應用。當前應用廣泛的硅基應變傳感器大多基于壓阻效應或電容敏感特性[12-13]，硅基材料脆性，制作工藝復雜，而且對許多生物和化學物質兼容性差。還有科研工作者結合硅基底與聚合物的特性開發應變器件，如在聚合物皮膚里植入硅傳感單元，在硅基底上刻蝕出深溝道陣列并注入聚合物等方式，以此獲得柔性基底。高頔等利用碳納米管優異的力學性能和共振及偏振特性，將碳納米管散布在基體材料中實現局部應力/應變的測量，制作了一種基于顯微拉曼光譜的碳納米管應變傳感器[14]。莊馥隆等以單壁碳納米管網狀薄膜為應變敏感層，基于微加工技術制備了柔性應變傳感器，可用于彎曲表面的應力應變檢測[15]。石墨烯的發現引起了物理學家、化學家和材料學家的廣泛關注，掀起了繼碳納米管之后碳材料的又一次研究熱潮，并獲得2010年度諾貝爾物理學獎[16]。石墨烯具有優異的電學、化學和機械性能，模量1 000 GPa以上，熱導率5.3 kW/(m·K)以及高電子遷移率。這些優異的物理性質使石墨烯在超靈敏傳感器、應變傳感器、高性能鋰離子電池和超級電容器等方面展現出巨大的應用潛力。

本文以傳感器檢測裝置設計為出發點，以學科交叉為技術手段，采用靜電誘導自組裝方法在叉指電極上制備石墨烯薄膜器件，結合單片機系統制作石墨烯薄膜應變檢測儀，實現了傳感器件的信號調理、信號采集與處理及液晶顯示等功能。

1 實驗與制作

1.1 器件制備與表征

應變器件制備采用微加工與自組裝技術，集自上而下與自下而上的微納工藝于一體。應變器件結構如圖1所示，采用濺射、曝光、光刻、剝離技術在聚酰亞胺(PI)基體上制作了叉指電極型器件，通過叉指電極來獲取石墨烯薄膜電阻隨應變的變化。石墨烯薄膜制備采用靜電誘導自組裝技術，是一種基于分子靜電作用在溶液中實現具有異性電荷粒子在襯底材料上交替沉積制備多層膜的技術，具有制備工藝簡單、可重復性好、成本低廉的技術優勢。

圖1 器件結構示意圖

實驗中采用的石墨烯(Graphene)、聚陽電解質PDDA、聚陰電解質PSS均購自Sigma-Aldrich公司。石墨烯采用羧基化處理，帶有豐富的弱負電性官能團。石墨烯薄膜應變敏感層的制作過程：首先將制作的叉指電極器件放入2 mol/L的硫酸溶液中進行清洗，再將叉指電極器件放入2 mol/L的NaOH溶液清洗，去除器件表面的附著物。然后，在器件基體上逐層自組裝沉積(PDDA+ PSS)2作為前置層，其中PDDA和PSS溶液各組裝10 min，重復操作2個循環，旨在器件基體表面電荷加強，有利于后續有效薄膜組裝。其次，在器件基體上采用自組裝方法制備有效薄膜(PDDA+Graphene)5，在溶液中交替進行沉積組裝。相鄰單層之間均采用去離子水沖洗，氮氣吹干，旨在去除襯底表面組裝不夠穩定的聚電解質和石墨烯，加強單層之間的相互結合性。石墨烯薄膜自組裝的工藝流程如圖2所示。

圖2 石墨烯薄膜制備工藝

為了探究石墨烯薄膜表面結構，采用日立冷場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM S4800)對其形貌進行觀測。電子掃描顯微鏡通過利用電子束掃描樣品表面獲得樣品的信息，可產生樣品表面的高分辨率三維圖像，獲得SEM形貌觀察結果如圖3所示。表征結果表明，基于自組裝技術制得的石墨烯薄膜為一種質地緊密的褶皺狀結構，適用于作為應變敏感元件。

圖3 石墨烯薄膜結構SEM表征圖

1.2 測量電路設計與制作

石墨烯薄膜在應變下誘導電阻變化是該傳感器工作的原理，因此需測量薄膜電阻并建立與應變之間的關系。石墨烯薄膜應變傳感器數據采集系統采用555多諧振蕩器和STM32單片機構成。多諧振蕩器是一種無穩態觸發器，接通電源后，不需外加觸發信號，就能產生矩形波輸出。由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發生器，觸發器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產生的?；?55定時器的傳感器信號采集電路及其輸出波形如圖4所示。555多諧振蕩器的工作原理如下：電源接通的瞬間，電容器C上的電壓為0，引腳2和引腳6的電壓uC均小于Ucc/3，由555工作原理可知，輸出uo為高電平，定時器內部放電管T截止。然后，電源Ucc通過待測電阻對電容C進行充電，引腳2和引腳6的電壓uC逐漸升高，當升高到2Ucc/3時，輸出端uo由高電平跳變為低電平，這時定時器內部放電管T導通，電容C通過電阻和放電管放電，引腳2和引腳6的電壓uC逐漸降低，當降到Ucc/3時，輸出端由跳變再次為高電平，定時器內部放電管T截止。如此周而復始，管腳3在輸出端uO得到方波信號。設t1為電容充電時間，t2為電容放電時間：

多諧振蕩器的周期T為：

T=t1+t2=1.4RC

式中:R=1.4T/C，C為常量。因此，測得振蕩周期即可得到石墨烯薄膜應變傳感器電阻值。

圖4 555多諧振蕩電路及其輸出波形

采用STM32單片機嵌入式ARM處理器實現傳感器信號采集，并結合Matlab擁有的強大數據處理能力，通過串口完成單片機數據采集系統與PC機的RS-232/RS-485串行通信，測量系統框圖如圖5所示。利用Matlab對通信數據進行分析處理、文件存儲、濾波及圖形顯示等處理，增加了實驗結果的準確度，同時簡化了系統開發流程。此外，該系統還具有彩色液晶屏顯示功能，可脫離于PC機而顯示。

2 實驗結果分析

在石墨烯薄膜應變傳感器上制作電極引線，同時使用錫焊確保導線與石墨烯薄膜連接處的接觸電阻較小。為防止濕度等因素影響薄膜電阻變化，在石墨烯薄膜表面覆涂一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為防護層，從而很好地保護石墨烯薄膜不受外界環境影響，以及避免粉粒脫落影響穩定性。在實驗測試時，首先將薄膜傳感器兩端固定，然后通過外力使得薄膜發生應變彎曲，采用螺旋測微計控制并精確測量薄膜傳感器的應變位移，并記錄傳感器輸出隨應變量變化的規律。

圖5 基于STM32的應變傳感器測量系統

為驗證石墨烯薄膜的應變測試重復性和恢復性能，將石墨烯的形變位移依次從0.1 mm增至0.5 mm，然后在從0.5 mm降至0.1 mm，應變測量過程中對應變伸展-恢復進行切換，實時測量不同應變位移下的實驗測試靈敏度(應變傳感器發生形變時阻值相對于其無形變時的阻值變化)，實驗測試結果如圖6所示。傳感器靈敏度與應變之間具有很好的對應關系，而且展示了較好的可恢復性及重復性。

圖6 石墨烯應變傳感器靈敏度測試

實驗測試表明,石墨烯薄膜具有顯著的形變誘導電阻變化的特性，而且傳感器輸出與形變具有較好的線性關系。石墨烯組裝膜中由于石墨烯材料之間存在較多接觸點，當薄膜發生形變時，薄膜得到一定程度伸展，使得接觸點減少，薄膜電阻也增大。當薄膜應變恢復時，接觸點增加，薄膜電阻隨之減小。測試結果充分表明該傳感器具有響應快速、柔韌性、良好的恢復特性及線性度。

3 結 語

本文采用微電子、納米材料、電子技術、信息檢測等學科交叉方式制作應變檢測儀，采用靜電誘導自組裝方法制備了石墨烯薄膜作為敏感材料，制作了石墨烯薄膜應變傳感器件，設計了一套基于555多諧振蕩器與單片機的檢測系統對器件信號進行采集與處理，搭建實驗平臺并進行實驗研究。該實驗裝置貼近工程實際和現實生活，集傳感器技術的理論性、實用性、拓展性和創新性于一體，兼顧了理論教學、實踐訓練與應用創新的統一，體現了教學的學術性和科技前沿動態及其新成果，有利于學生自主學習、興趣學習和探究創新型學習，大大促進了學生工程實踐能力、綜合應用能力和創新意識的培養。

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Fabrication and Experiment of Interdiscipline-orientated Graphene Film-based Strain Detecting Instrument

ZHANGDong-zhi,ZHOULan-juan,LIURun-hua,KANGZhong-jian,RENXu-hu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Interdiscipline-orientated teaching mode has attracted widely attentions in many universities for the training of high-qualified interdisciplinary and innovative talents. This paper fabricated graphene-based sensing film using electrostatic self-assembly method and further constructed a strain detecting instrument based on 555 multivibrator and mono-chip system. The experimental results showed a rapid response, high sensitivity, good flexibility and recovery characteristics, it indicated a new application of nanotechnology in engineering practice. This paper features new material, new technology, new devices and new applications (4N), and shows the interdiscipline of micro-electronics, nanotechnology, engineering material and information detection. It is beneficial to improve the abilities of engineering practice, exploring and creative thinking for students.

discipline integration; practice innovation; experimental instrument; engineering ability

2015-11-30

山東省重點教學改革研究項目(No.2015Z025) ；教育部校企合作專業綜合改革規劃項目(No.CX2015ZG08GH)；中國石油大學教學改革項目(No.KS-B201407, QN201413, SY-B201402)

張冬至(1981- ), 男, 山東聊城人, 副教授, 主要從事檢測技術與精密儀器研究。

Tel.: 13625326546; E-mail: dzzhang@upc.edu.cn

TP 212

A

1006-7167(2016)09-0073-03