石墨烯/氧化石墨烯壓阻傳感器轉換電路設計及其可靠性研究

摘要：研究了石墨烯/氧化石墨烯壓阻傳感器被擠壓時電阻的變化情況，同時設計了串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法轉換電路，成功實現(xiàn)了將電阻值轉換為電壓值。利用仿真軟件對3種轉換電路的輸出電壓變化量和傳感器電功率進行了測試，結果表明，放大電路法轉換電路具有較優(yōu)的熱效應可靠性，為小阻值壓阻傳感器信號轉換、讀取和監(jiān)測提供了有效的解決方案。

關鍵詞：壓阻傳感器；轉換電路；可靠性

中圖分類號：TN98 文獻標識碼：A

0 引言

隨著傳感技術的不斷發(fā)展，石墨烯基材料被廣泛應用于新型壓阻傳感器的制造[1]，實現(xiàn)了將非物理量壓力轉換為電學值，為完成后端電路的采集、控制，連接轉換電路后需將電阻值換為電壓值或電流值[2]。本文提出了一種石墨烯/氧化石墨烯壓阻傳感器（簡稱“石墨烯基壓阻傳感器”），并設計了串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法轉換電路，利用仿真工具對3種轉換電路的輸出電壓范圍進行了測試，并完成了熱效應可靠性評估。

1 傳感器特性

將石墨烯懸濁液和氧化石墨烯懸濁液進行真空抽濾，進而得到石墨烯/氧化石墨烯雙層膜[3]。石墨烯導電率良好且蓬松多孔，在施加壓力時，多孔結構受到擠壓，電流通路增多，雙層膜電阻減小。在銀電極上放置石墨烯/氧化石墨烯雙層膜，并在其上覆蓋絕緣保護膜，進而組裝成石墨烯基壓阻傳感器。當外加壓力由0.5 N增加至8.0 N時，該壓阻傳感器電阻由12.7 Ω降低至11.1 Ω。

為利用石墨烯基壓阻傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與電路控制等功能，需要將電阻值轉換為電學值，如可通過轉換電路將其轉換為電壓值，同時使用示波器、單片機等設備采集該電壓值，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與電路控制。

石墨烯和氧化石墨烯均為負熱膨脹系數(shù)材料，當溫度升高時，兩種材料的體積會有所減小。由于氧化石墨烯的負熱膨脹系數(shù)更大，當溫度上升時，氧化石墨烯體積變化更明顯，因此石墨烯—氧化石墨烯雙層材料會向氧化石墨烯側彎曲[4]。將該石墨烯基壓阻傳感器接入轉換電路時，其電阻較小，當端電壓較大時，流過其電流值較大，同時產生較大的焦耳熱。這將影響石墨烯/氧化石墨烯的機械形狀，進而造成氧化石墨烯側的擠壓并且產生熱效應，降低壓阻傳感器使用的可靠性。

2 石墨烯基壓阻傳感器轉換電路設計

2.1 串聯(lián)電阻法轉換電路

將石墨烯基壓阻傳感器與定值電阻串聯(lián)，利用直流電壓提供激勵，使得傳感器電阻值轉換為直流電壓值。圖1為串聯(lián)電阻法轉換電路，定值電阻R0與石墨烯基壓阻傳感器RS串聯(lián)，直流電壓激勵為

5 V，串聯(lián)電阻法轉換電路輸出電壓UO1計算公式如下：

UO1=×5。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

2.2 電橋法轉換電路

石墨烯基壓阻傳感器可以使用電橋法進行電阻值與電壓值之間的轉換，圖2為電橋法轉換電路，定值電阻R0為20 Ω，電橋法轉換電路輸出電壓為UO2，直流電壓激勵為5 V。UO2的計算公式

如下：

UO2 = 2.5-×5。" " " " " " " " " " " " " " " " " " nbsp; "（2）

2.3 放大電路法轉換電路

圖3為放大電路法轉換電路，引入運算放大器搭建負反饋電路，并將其連接于運算放大器反相輸入端與地之間，反饋電阻Rf為150 Ω，運算放大器同相輸入端連接平衡電阻R1為12 Ω，平衡電阻另一端連接直流電壓激勵（電壓值為0.1 V），運算放大器輸出端UO3為該轉換電路的輸出點。石墨烯基傳感器與集成運算放大器構成了同相比例運算電路，輸出電壓UO3、傳感器電阻RS和反饋電阻Rf的關系如下：

UO3= （1+）×0.1。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

3 轉換電路輸出電壓仿真與測試

本文使用Multisim14.0仿真軟件搭建電路，利用最大阻值為20 Ω的線性滑動變阻器模擬石墨烯基壓阻傳感器，通過滑動變阻器劃片改變接入電路的電阻值，若RS為輸入總阻值的60%，即傳感器電阻為12 Ω。

如圖4所示，利用串聯(lián)電阻法轉換電路進行仿真測試時，電壓表XMM1用于測量石墨烯基壓阻傳感器兩端的電壓US1，電壓表XMM2用于測量輸出電壓UO1，電流探針PR1用于測量流過該傳感器的電流IS1。電流探針PR1可以顯示5個參數(shù)，其中，I為通過探針電流的瞬時值，I（p-p）為通過探針電流的峰峰值，I（rms）為通過探針電流的有效值，I（dc）為通過探針電流的直流分量值，

I（freq）為電流信號的頻率。測試時，由于提供了直流電壓激勵，故電流探針顯示的瞬時值與直流分量值相同，無交流分量，電流探針PR1顯示的

I（dc）用于記錄IS1。如表1所示，使用串聯(lián)電阻法轉換電路時，當RS從10 Ω增加至16 Ω時，輸出電壓由3.33 V變?yōu)?.78 V，傳感器的端電壓最低為1.67 V，流過傳感器的電流最大為167 mA。

如圖5所示，利用電橋法轉換電路進行仿真測試時，電壓表XMM1用于測量石墨烯基壓阻傳感器兩端的電壓US2，電壓表XMM2用于測量輸出電壓UO2，電流探針PR2用于測量流過該傳感器的電流IS2。如表2所示，使用電橋法轉換電路時，當RS從10 Ω增加至16 Ω時，輸出電壓由0.83 V變?yōu)?.28 V，傳感器的端電壓最低為1.67 V，流過傳感器的電流最大為167 mA。

如圖6所示，利用放大電路法轉換電路進行仿真測試時，采用LM358AD運算放大器搭建相應電路。電壓表XMM1用于測量石墨烯基壓阻傳感器兩端的電壓US3，電壓表XMM2用于測量輸出電壓UO3，電流探針PR3用于測量流過該傳感器的電流IS3。如表3所示，使用放大電路法轉換電路時，當RS從10 Ω增加至16 Ω時，輸出電壓由1.60 V變?yōu)?.04 V，傳感器的端電壓為0.1 V，流過傳感器的電流最大為10.0 mA。

4 轉換電路可靠性評估

由于溫度過高會導致石墨烯基壓阻傳感器產生機械形變，故轉換電路在傳感器上產生的焦耳熱越低則表示其可靠性越高。在相同時間內，焦耳熱可由傳感器功率P衡量，即P越大，焦耳熱越大。表4展示了串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法轉換電路中的石墨烯基壓阻傳感器功率，該傳感器功率P的計算公式如下：

P = IS2RS。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，IS為流過石墨烯基壓阻傳感器的電流。

如表4所示，當RS從10 Ω增加至16 Ω時，放大電路法的中傳感器功率最高為1.0 mW，遠低于串聯(lián)電阻法和電橋法中傳感器的功率。放大電路法轉換電路中引入集成運算放大器，運算放大器、傳感器電阻和反饋電阻組成同相比例運算電路。運算放大器工作在線性區(qū)，傳感器電阻兩端電壓近似等于運算放大器同相輸入端的電壓，即石墨烯基壓阻傳感器電阻兩端電壓約為0.1 V。相較于串聯(lián)電阻法電路和電橋法轉換電路，放大電路法轉換電路降低了流過該傳感器電阻的電流，減小了焦耳熱的影響，提升了轉換電路的可靠性。

5 結論

本文提出了針對石墨烯基壓阻傳感器的轉換電路設計方法，利用串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法均能將電阻值轉換為電壓值。同時，通過計算

3種轉換電路中的傳感器功率對比相應的焦耳熱，能夠提升小阻值傳感器信號讀取時的可靠性。

參考文獻

[1] 歐子敬，孔綱，車淳山，等.石墨烯在壓阻傳感器中的應用研究綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2024，43（10）：6-10.

[2] 呂琳潔. 無人機環(huán)境監(jiān)測中智能電聲傳感技術運用分析[J].電子產品世界，2024，31（7）：9-11，15.

[3] LIU S B，W X，ZHANG D D，et al. Ultrafast dynamic pressure sensors based on graphene hybrid structure[J]. ACS applied materials amp; interfaces，2017，9（28）：24148-24154.

[4] ZHU J，ANDRES C M，XU J D，et al. Pseudonegative thermal expansion and the state of water in graphene oxide layered assemblies[J]. ACS nano，2012，6（9）：8357-8365.