石墨烯薄膜应变检测实验装置的设计与应用

张冬至， 周兰娟, 刘润华, 康忠健, 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)



石墨烯薄膜应变检测实验装置的设计与应用

张冬至， 周兰娟, 刘润华, 康忠健, 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

将纳米科学与检测技术相结合，采用静电诱导自组装工艺制备石墨烯薄膜作为敏感材料，基于555多谐振荡器与单片机设计了石墨烯薄膜应变检测仪实验装置，并对其性能进行实验研究。结果表明,该实验装置具有响应快速、灵敏度高、柔韧性以及良好的恢复特性。以“新材料-新工艺-新器件-新应用”为主线，促进了微电子、纳米技术、工程材料、信息检测的学科交叉与融合，有利于提升学生创新意识，探究思维能力和工程实践能力。

学科融合； 实践创新； 实验装置； 工程能力

0 引 言

当前，科学技术朝着学科交叉融合的方向发展，相当数量的科技成果来自于学科交叉领域[1-3]。为适应当前培养具有多元知识结构和创新能力的高素质复合型人才的发展要求，跨学科交叉融合的教学模式探索，受到国内外高等学校的广泛重视[4-7]。基于“学科融合、实践创新、协同育人”的理念，推进学科交叉实践创新人才培养模式的实施，不仅可以拓宽学生的知识面、专业口径和就业渠道，而且对于学生的学习兴趣、探究思维能力、创新能力和工程意识培养具有极为重要的意义[8-11]。

应变传感器在微机电系统(MEMS)领域具有很重要的影响力和广泛的应用。当前应用广泛的硅基应变传感器大多基于压阻效应或电容敏感特性[12-13]，硅基材料脆性，制作工艺复杂，而且对许多生物和化学物质兼容性差。还有科研工作者结合硅基底与聚合物的特性开发应变器件，如在聚合物皮肤里植入硅传感单元，在硅基底上刻蚀出深沟道阵列并注入聚合物等方式，以此获得柔性基底。高頔等利用碳纳米管优异的力学性能和共振及偏振特性，将碳纳米管散布在基体材料中实现局部应力/应变的测量，制作了一种基于显微拉曼光谱的碳纳米管应变传感器[14]。庄馥隆等以单壁碳纳米管网状薄膜为应变敏感层，基于微加工技术制备了柔性应变传感器，可用于弯曲表面的应力应变检测[15]。石墨烯的发现引起了物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，掀起了继碳纳米管之后碳材料的又一次研究热潮，并获得2010年度诺贝尔物理学奖[16]。石墨烯具有优异的电学、化学和机械性能，模量1 000 GPa以上，热导率5.3 kW/(m·K)以及高电子迁移率。这些优异的物理性质使石墨烯在超灵敏传感器、应变传感器、高性能锂离子电池和超级电容器等方面展现出巨大的应用潜力。

本文以传感器检测装置设计为出发点，以学科交叉为技术手段，采用静电诱导自组装方法在叉指电极上制备石墨烯薄膜器件，结合单片机系统制作石墨烯薄膜应变检测仪，实现了传感器件的信号调理、信号采集与处理及液晶显示等功能。

1 实验与制作

1.1 器件制备与表征

应变器件制备采用微加工与自组装技术，集自上而下与自下而上的微纳工艺于一体。应变器件结构如图1所示，采用溅射、曝光、光刻、剥离技术在聚酰亚胺(PI)基体上制作了叉指电极型器件，通过叉指电极来获取石墨烯薄膜电阻随应变的变化。石墨烯薄膜制备采用静电诱导自组装技术，是一种基于分子静电作用在溶液中实现具有异性电荷粒子在衬底材料上交替沉积制备多层膜的技术，具有制备工艺简单、可重复性好、成本低廉的技术优势。

图1 器件结构示意图

实验中采用的石墨烯(Graphene)、聚阳电解质PDDA、聚阴电解质PSS均购自Sigma-Aldrich公司。石墨烯采用羧基化处理，带有丰富的弱负电性官能团。石墨烯薄膜应变敏感层的制作过程：首先将制作的叉指电极器件放入2 mol/L的硫酸溶液中进行清洗，再将叉指电极器件放入2 mol/L的NaOH溶液清洗，去除器件表面的附着物。然后，在器件基体上逐层自组装沉积(PDDA+ PSS)2作为前置层，其中PDDA和PSS溶液各组装10 min，重复操作2个循环，旨在器件基体表面电荷加强，有利于后续有效薄膜组装。其次，在器件基体上采用自组装方法制备有效薄膜(PDDA+Graphene)5，在溶液中交替进行沉积组装。相邻单层之间均采用去离子水冲洗，氮气吹干，旨在去除衬底表面组装不够稳定的聚电解质和石墨烯，加强单层之间的相互结合性。石墨烯薄膜自组装的工艺流程如图2所示。

图2 石墨烯薄膜制备工艺

为了探究石墨烯薄膜表面结构，采用日立冷场发射扫描式电子显微镜 (FE-SEM S4800)对其形貌进行观测。电子扫描显微镜通过利用电子束扫描样品表面获得样品的信息，可产生样品表面的高分辨率三维图像，获得SEM形貌观察结果如图3所示。表征结果表明，基于自组装技术制得的石墨烯薄膜为一种质地紧密的褶皱状结构，适用于作为应变敏感元件。

图3 石墨烯薄膜结构SEM表征图

1.2 测量电路设计与制作

石墨烯薄膜在应变下诱导电阻变化是该传感器工作的原理，因此需测量薄膜电阻并建立与应变之间的关系。石墨烯薄膜应变传感器数据采集系统采用555多谐振荡器和STM32单片机构成。多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。由于矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器，触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。基于555定时器的传感器信号采集电路及其输出波形如图4所示。555多谐振荡器的工作原理如下：电源接通的瞬间，电容器C上的电压为0，引脚2和引脚6的电压uC均小于Ucc/3，由555工作原理可知，输出uo为高电平，定时器内部放电管T截止。然后，电源Ucc通过待测电阻对电容C进行充电，引脚2和引脚6的电压uC逐渐升高，当升高到2Ucc/3时，输出端uo由高电平跳变为低电平，这时定时器内部放电管T导通，电容C通过电阻和放电管放电，引脚2和引脚6的电压uC逐渐降低，当降到Ucc/3时，输出端由跳变再次为高电平，定时器内部放电管T截止。如此周而复始，管脚3在输出端uO得到方波信号。设t1为电容充电时间，t2为电容放电时间：

多谐振荡器的周期T为：

T=t1+t2=1.4RC

式中:R=1.4T/C，C为常量。因此，测得振荡周期即可得到石墨烯薄膜应变传感器电阻值。

图4 555多谐振荡电路及其输出波形

采用STM32单片机嵌入式ARM处理器实现传感器信号采集，并结合Matlab拥有的强大数据处理能力，通过串口完成单片机数据采集系统与PC机的RS-232/RS-485串行通信，测量系统框图如图5所示。利用Matlab对通信数据进行分析处理、文件存储、滤波及图形显示等处理，增加了实验结果的准确度，同时简化了系统开发流程。此外，该系统还具有彩色液晶屏显示功能，可脱离于PC机而显示。

2 实验结果分析

在石墨烯薄膜应变传感器上制作电极引线，同时使用锡焊确保导线与石墨烯薄膜连接处的接触电阻较小。为防止湿度等因素影响薄膜电阻变化，在石墨烯薄膜表面覆涂一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为防护层，从而很好地保护石墨烯薄膜不受外界环境影响，以及避免粉粒脱落影响稳定性。在实验测试时，首先将薄膜传感器两端固定，然后通过外力使得薄膜发生应变弯曲，采用螺旋测微计控制并精确测量薄膜传感器的应变位移，并记录传感器输出随应变量变化的规律。

图5 基于STM32的应变传感器测量系统

为验证石墨烯薄膜的应变测试重复性和恢复性能，将石墨烯的形变位移依次从0.1 mm增至0.5 mm，然后在从0.5 mm降至0.1 mm，应变测量过程中对应变伸展-恢复进行切换，实时测量不同应变位移下的实验测试灵敏度(应变传感器发生形变时阻值相对于其无形变时的阻值变化)，实验测试结果如图6所示。传感器灵敏度与应变之间具有很好的对应关系，而且展示了较好的可恢复性及重复性。

图6 石墨烯应变传感器灵敏度测试

实验测试表明,石墨烯薄膜具有显著的形变诱导电阻变化的特性，而且传感器输出与形变具有较好的线性关系。石墨烯组装膜中由于石墨烯材料之间存在较多接触点，当薄膜发生形变时，薄膜得到一定程度伸展，使得接触点减少，薄膜电阻也增大。当薄膜应变恢复时，接触点增加，薄膜电阻随之减小。测试结果充分表明该传感器具有响应快速、柔韧性、良好的恢复特性及线性度。

3 结 语

本文采用微电子、纳米材料、电子技术、信息检测等学科交叉方式制作应变检测仪，采用静电诱导自组装方法制备了石墨烯薄膜作为敏感材料，制作了石墨烯薄膜应变传感器件，设计了一套基于555多谐振荡器与单片机的检测系统对器件信号进行采集与处理，搭建实验平台并进行实验研究。该实验装置贴近工程实际和现实生活，集传感器技术的理论性、实用性、拓展性和创新性于一体，兼顾了理论教学、实践训练与应用创新的统一，体现了教学的学术性和科技前沿动态及其新成果，有利于学生自主学习、兴趣学习和探究创新型学习，大大促进了学生工程实践能力、综合应用能力和创新意识的培养。

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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

山东省重点教学改革研究项目(No.2015Z025) ；教育部校企合作专业综合改革规划项目(No.CX2015ZG08GH)；中国石油大学教学改革项目(No.KS-B201407, QN201413, SY-B201402)

张冬至(1981- ), 男, 山东聊城人, 副教授, 主要从事检测技术与精密仪器研究。

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

TP 212

A

1006-7167(2016)09-0073-03