石墨烯薄膜應(yīng)變檢測實驗裝置的設(shè)計與應(yīng)用

張冬至， 周蘭娟, 劉潤華, 康忠健, 任旭虎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

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石墨烯薄膜應(yīng)變檢測實驗裝置的設(shè)計與應(yīng)用

張冬至， 周蘭娟, 劉潤華, 康忠健, 任旭虎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

將納米科學(xué)與檢測技術(shù)相結(jié)合，采用靜電誘導(dǎo)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(shè)計了石墨烯薄膜應(yīng)變檢測儀實驗裝置，并對其性能進行實驗研究。結(jié)果表明,該實驗裝置具有響應(yīng)快速、靈敏度高、柔韌性以及良好的恢復(fù)特性。以“新材料-新工藝-新器件-新應(yīng)用”為主線，促進了微電子、納米技術(shù)、工程材料、信息檢測的學(xué)科交叉與融合，有利于提升學(xué)生創(chuàng)新意識，探究思維能力和工程實踐能力。

學(xué)科融合； 實踐創(chuàng)新； 實驗裝置； 工程能力

0 引 言

當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)朝著學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展，相當(dāng)數(shù)量的科技成果來自于學(xué)科交叉領(lǐng)域[1-3]。為適應(yīng)當(dāng)前培養(yǎng)具有多元知識結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才的發(fā)展要求，跨學(xué)科交叉融合的教學(xué)模式探索，受到國內(nèi)外高等學(xué)校的廣泛重視[4-7]?；凇皩W(xué)科融合、實踐創(chuàng)新、協(xié)同育人”的理念，推進學(xué)科交叉實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的實施，不僅可以拓寬學(xué)生的知識面、專業(yè)口徑和就業(yè)渠道，而且對于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究思維能力、創(chuàng)新能力和工程意識培養(yǎng)具有極為重要的意義[8-11]。

應(yīng)變傳感器在微機電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域具有很重要的影響力和廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前應(yīng)用廣泛的硅基應(yīng)變傳感器大多基于壓阻效應(yīng)或電容敏感特性[12-13]，硅基材料脆性，制作工藝復(fù)雜，而且對許多生物和化學(xué)物質(zhì)兼容性差。還有科研工作者結(jié)合硅基底與聚合物的特性開發(fā)應(yīng)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(yōu)異的力學(xué)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(xiàn)局部應(yīng)力/應(yīng)變的測量，制作了一種基于顯微拉曼光譜的碳納米管應(yīng)變傳感器[14]。莊馥隆等以單壁碳納米管網(wǎng)狀薄膜為應(yīng)變敏感層，基于微加工技術(shù)制備了柔性應(yīng)變傳感器，可用于彎曲表面的應(yīng)力應(yīng)變檢測[15]。石墨烯的發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家、化學(xué)家和材料學(xué)家的廣泛關(guān)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(xué)獎[16]。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、化學(xué)和機械性能，模量1 000 GPa以上，熱導(dǎo)率5.3 kW/(m·K)以及高電子遷移率。這些優(yōu)異的物理性質(zhì)使石墨烯在超靈敏傳感器、應(yīng)變傳感器、高性能鋰離子電池和超級電容器等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

本文以傳感器檢測裝置設(shè)計為出發(fā)點，以學(xué)科交叉為技術(shù)手段，采用靜電誘導(dǎo)自組裝方法在叉指電極上制備石墨烯薄膜器件，結(jié)合單片機系統(tǒng)制作石墨烯薄膜應(yīng)變檢測儀，實現(xiàn)了傳感器件的信號調(diào)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(yīng)變器件制備采用微加工與自組裝技術(shù)，集自上而下與自下而上的微納工藝于一體。應(yīng)變器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用濺射、曝光、光刻、剝離技術(shù)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(yīng)變的變化。石墨烯薄膜制備采用靜電誘導(dǎo)自組裝技術(shù)，是一種基于分子靜電作用在溶液中實現(xiàn)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(shù)，具有制備工藝簡單、可重復(fù)性好、成本低廉的技術(shù)優(yōu)勢。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖

實驗中采用的石墨烯(Graphene)、聚陽電解質(zhì)PDDA、聚陰電解質(zhì)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(yīng)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(fù)操作2個循環(huán)，旨在器件基體表面電荷加強，有利于后續(xù)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(wěn)定的聚電解質(zhì)和石墨烯，加強單層之間的相互結(jié)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(jié)構(gòu)，采用日立冷場發(fā)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(chǎn)生樣品表面的高分辨率三維圖像，獲得SEM形貌觀察結(jié)果如圖3所示。表征結(jié)果表明，基于自組裝技術(shù)制得的石墨烯薄膜為一種質(zhì)地緊密的褶皺狀結(jié)構(gòu)，適用于作為應(yīng)變敏感元件。

圖3 石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)SEM表征圖

1.2 測量電路設(shè)計與制作

石墨烯薄膜在應(yīng)變下誘導(dǎo)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(yīng)變之間的關(guān)系。石墨烯薄膜應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用555多諧振蕩器和STM32單片機構(gòu)成。多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，接通電源后，不需外加觸發(fā)信號，就能產(chǎn)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(fā)生器，觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)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(nèi)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(dāng)升高到2Ucc/3時，輸出端uo由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，這時定時器內(nèi)部放電管T導(dǎo)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(dāng)降到Ucc/3時，輸出端由跳變再次為高電平，定時器內(nèi)部放電管T截止。如此周而復(fù)始，管腳3在輸出端uO得到方波信號。設(shè)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(yīng)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(xiàn)傳感器信號采集，并結(jié)合Matlab擁有的強大數(shù)據(jù)處理能力，通過串口完成單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC機的RS-232/RS-485串行通信，測量系統(tǒng)框圖如圖5所示。利用Matlab對通信數(shù)據(jù)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(jié)果的準確度，同時簡化了系統(tǒng)開發(fā)流程。此外，該系統(tǒng)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(jié)果分析

在石墨烯薄膜應(yīng)變傳感器上制作電極引線，同時使用錫焊確保導(dǎo)線與石墨烯薄膜連接處的接觸電阻較小。為防止?jié)穸鹊纫蛩赜绊懕∧る娮枳兓?，在石墨烯薄膜表面覆涂一層聚二甲基硅氧?PDMS)作為防護層，從而很好地保護石墨烯薄膜不受外界環(huán)境影響，以及避免粉粒脫落影響穩(wěn)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(fā)生應(yīng)變彎曲，采用螺旋測微計控制并精確測量薄膜傳感器的應(yīng)變位移，并記錄傳感器輸出隨應(yīng)變量變化的規(guī)律。

圖5 基于STM32的應(yīng)變傳感器測量系統(tǒng)

為驗證石墨烯薄膜的應(yīng)變測試重復(fù)性和恢復(fù)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(yīng)變測量過程中對應(yīng)變伸展-恢復(fù)進行切換，實時測量不同應(yīng)變位移下的實驗測試靈敏度(應(yīng)變傳感器發(fā)生形變時阻值相對于其無形變時的阻值變化)，實驗測試結(jié)果如圖6所示。傳感器靈敏度與應(yīng)變之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系，而且展示了較好的可恢復(fù)性及重復(fù)性。

圖6 石墨烯應(yīng)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(dǎo)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(guān)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(dāng)薄膜發(fā)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(dāng)薄膜應(yīng)變恢復(fù)時，接觸點增加，薄膜電阻隨之減小。測試結(jié)果充分表明該傳感器具有響應(yīng)快速、柔韌性、良好的恢復(fù)特性及線性度。

3 結(jié) 語

本文采用微電子、納米材料、電子技術(shù)、信息檢測等學(xué)科交叉方式制作應(yīng)變檢測儀，采用靜電誘導(dǎo)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(yīng)變傳感器件，設(shè)計了一套基于555多諧振蕩器與單片機的檢測系統(tǒng)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(xiàn)實生活，集傳感器技術(shù)的理論性、實用性、拓展性和創(chuàng)新性于一體，兼顧了理論教學(xué)、實踐訓(xùn)練與應(yīng)用創(chuàng)新的統(tǒng)一，體現(xiàn)了教學(xué)的學(xué)術(shù)性和科技前沿動態(tài)及其新成果，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、興趣學(xué)習(xí)和探究創(chuàng)新型學(xué)習(xí)，大大促進了學(xué)生工程實踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

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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(xué)改革研究項目(No.2015Z025) ；教育部校企合作專業(yè)綜合改革規(guī)劃項目(No.CX2015ZG08GH)；中國石油大學(xué)教學(xué)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(shù)與精密儀器研究。

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

TP 212

A

1006-7167(2016)09-0073-03