張 同，胡曉君，張魯殷

（山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

基于柔性碳納米管壓阻膜的無線加速度檢測系統(tǒng)

張 同，胡曉君，張魯殷

（山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

通過對加速度檢測的重大意義進行分析，得出了加速度檢測儀的價值和意義，介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計思路和應(yīng)用前景。傳感器采用了基于納米技術(shù)的碳納米管薄膜感應(yīng)前端，拓寬了傳感器設(shè)備的研發(fā)領(lǐng)域，同時應(yīng)用無線傳感技術(shù)，使系統(tǒng)進一步實用化。最后介紹了本系統(tǒng)的實驗情況，以及具體應(yīng)用的效果。

加速度檢測；碳納米管；單片機；傳感器

從20世紀(jì)40年代初，德國研制了世界第一只擺式陀螺加速度計以后，由于航空、航海和航天領(lǐng)域?qū)T性測量元件的需求，各種新型加速度計營運而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。準(zhǔn)確測量絕對加速度值，對國防建設(shè)、經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)研究有著十分重要的意義。比如，遠(yuǎn)程洲際彈道導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船等都在地球重力場中運動。在設(shè)計太空飛行器時，也要首先知道準(zhǔn)確的加速度數(shù)據(jù)［1］。此外，與加速度測量相關(guān)的傳感器在動力機械工業(yè)、車船和飛機等交通工具、橋梁和建筑安全監(jiān)測、科學(xué)實驗、兵器工業(yè)以及在日常生活中都極為有用，可見加速度傳感器有著重要的應(yīng)用價值。

1　碳納米管的性質(zhì)與傳感原理

自從1991年日本電氣公司（NEC）的S.Iijima首次發(fā)現(xiàn)碳納米管（Carbon Nanotube，簡稱CNTs）以來，CNTs因其獨特的結(jié)構(gòu)、機械、電學(xué)等性能以及優(yōu)良柔韌性、穩(wěn)定性和化學(xué)吸附等特性，引起了全球化學(xué)、物理、材料、電子等領(lǐng)域的學(xué)者廣泛關(guān)注，并在納米電子器件、高強度復(fù)合材料、傳感器、催化劑與生物分子載體等諸多新興研究領(lǐng)域取得了較大的突破。

圖1　單根碳納米管

當(dāng)今已經(jīng)有了單根CNTs（單根碳納米管結(jié)構(gòu)見圖1）關(guān)于受力應(yīng)變的研究，發(fā)現(xiàn)這種碳納米管有良好的機電響應(yīng)特性，同時當(dāng)對其進行反復(fù)拉伸加載與卸載時，在其機械變形量與電阻變化上有極好的線性對應(yīng)關(guān)系，說明CNTs具有優(yōu)良的壓阻特性，但是由于碳納米管極大的長寬比和超柔性，單根碳納米管操縱、定位非常困難，往往需要通過AFM（原子力顯微鏡）探針來操作、或采用特殊的單根定向生長，生產(chǎn)工藝十分耗時，步驟復(fù)雜、儀器昂貴，且可控性和重現(xiàn)性差。因此，近年來，具有定向或隨機排列的碳納米管薄膜的研究備受青睞，因其紊亂的排列，往往會呈現(xiàn)出各向同性的CNTs統(tǒng)計學(xué)特性，如CNTs本身所具有的導(dǎo)電性或半導(dǎo)體特性、機電特性、氣敏性、化學(xué)試劑敏感性、熱敏性等［2］。

層層自組裝（Layer-by-Layer Self-Assembly，LbLSA）是指利用逐層交替沉積的方法，借助各層分子間的弱相互作用（如靜電引力、氫鍵、配位鍵等），使層與層間自發(fā)地締和形成結(jié)構(gòu)完整、性能穩(wěn)定、具有某種特定功能的分子聚集體或超分子結(jié)構(gòu)的過程，可制備多層膜［3］，如圖2。

圖2　層層自組裝工藝示意圖

圖2中利用的是帶正電的聚合物陽離子電解質(zhì)和帶負(fù)電的聚合物陰離子電解質(zhì)之間的相互吸引作用，組裝起多層結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)應(yīng)用層層自組裝方法，在柔性基底（PET）上，交替沉積聚陽離子和納米碳管，形成了均勻性良好的碳納米管薄膜，具體過程如圖3所示。

通過實驗中的計算可以很容易的得到單片機接收到的碳納米管加速度傳感器模塊傳送的電壓值所對應(yīng)的形變量（即重物重量）。那么接下來可以根據(jù)公式F=ma來進行加速度的計算。

首先，將應(yīng)變梁懸掛，使其自由端朝下，并在自由端固定一重物。則此時應(yīng)變梁形變?yōu)?。當(dāng)整個系統(tǒng)靜止或者勻速直線運動時，應(yīng)變梁的形變始終為0。如果系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，則a＞0，那么F＞0，應(yīng)變梁則會產(chǎn)生形變，單片機則會有電壓信號輸入。如果加速度發(fā)生急劇變化，則在兩次采樣間隔之間應(yīng)變梁會發(fā)生較大的形變，從而單片機分析兩次采樣所測得的形變數(shù)據(jù)之差將會更大。如果該差值超過預(yù)先設(shè)定的加速度閾值（比如汽車發(fā)生碰撞時的加速度），則單片機會向報警器輸出信號，并完成其他設(shè)定的程序（比如彈出安全氣囊）［4］。

圖3　原理結(jié)構(gòu)和實驗步驟示意圖

2　傳感器的設(shè)計

通過層層自組裝方法，可以得到性能比較可靠、滿足制作傳感器對靈敏度要求的碳納米管薄膜。下面即是利用這種薄膜制作加速度傳感器探頭的設(shè)計（如圖4）。

圖4　傳感器設(shè)計示意圖

3　實驗步驟與結(jié)果

（1）制作一套獨立的碳納米管薄膜溫度傳感器系統(tǒng)進行溫度的測量，如圖5所示；

圖5　溫度修正實驗裝置示意圖

（2）保證碳納米管薄膜溫度傳感器不發(fā)生濕度變化和形變；

（3）經(jīng)過實驗測量溫度與放大電路的電壓輸出關(guān)系；

（4）得出不同溫度下形變與電壓的關(guān)系，并比較分析。

傳感器的輸出電壓值值隨溫度而變化，數(shù)據(jù)如表1所列，畫出變化圖線如圖6所示:

圖6　傳感器輸出電壓與溫度的關(guān)系

表-1 實際溫度與放大電路后端電壓的關(guān)系

4　實驗討論

該實驗是以26℃時碳納米管薄膜傳感器的阻值為基準(zhǔn)測量的。其中電壓放大倍數(shù)為200倍，傳感器工作溫度可設(shè)定為18℃到26℃。從圖6中可以很明顯的看出實際溫度與放大電路后端電壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。于是，通過對該溫度傳感器數(shù)據(jù)的處理，單片機可以很容易的計算出整個系統(tǒng)所處的溫度［5］。

表2　不同溫度下應(yīng)變梁形變與放大電路后端電壓的關(guān)系

圖7　不同溫度下應(yīng)變梁形變與放大電路后端電壓的關(guān)系

在圖7中對不同溫度下，加速度敏感薄膜的形變與電壓顯示值之間不同的正相關(guān)關(guān)系進行對比。得出了如下算法，使用單片機對輸入的數(shù)據(jù)進行處理。

當(dāng)碳納米管薄膜加速度傳感器系統(tǒng)工作時，單片機首先檢測溫度傳感器模塊輸入的信號。如果剛好該信號的電壓值可以在表格之中查找到，那么可以直接讀取該數(shù)據(jù)所對應(yīng)的溫度值。如果該電壓信號不能夠直接查找到，則假設(shè)列表中每兩個電壓值之間關(guān)系為完全線性關(guān)系的。如果輸入電壓信號為V0，則先找到列表中與V0差值絕對值最小的兩個電壓值V1、V2及其相對應(yīng)的溫度T1、T2，其中，V1＜V0＜V2。由于每兩個電壓值之間所對應(yīng)的電壓溫度關(guān)系近乎線性，則可以根據(jù)比例關(guān)系，按照如下公式計算出當(dāng)前電壓信號所對應(yīng)的溫度值:

這樣，單片機就可以得出溫度傳感器模塊輸入的每個電壓值所對應(yīng)的溫度值。然后便可以根據(jù)表2計算出在該溫度下，加速度傳感器模塊輸入的每個電壓值所對應(yīng)的形變大小。

5　結(jié) 論

在本次基于柔性碳納米管壓阻膜的無線加速度監(jiān)測系統(tǒng)的研制過程中，首先通過對碳納米管材料性質(zhì)的研究，分析了利用碳納米管材料制作加速度傳感器的可行性。然后提出了較為詳盡的可行方案。利用層層自組裝技術(shù)成功制備各種性質(zhì)有意的碳納米管薄膜。然后基于該薄膜的特性，又提出了傳感器探頭的設(shè)計方案。繼而又對實驗測得數(shù)據(jù)，針對單片機ROM較小以及處理數(shù)據(jù)較慢等缺點提出比較可行的單片機數(shù)據(jù)處理算法。并最終設(shè)計出一套基于層層自主裝碳納米管薄膜的加速度傳感器的制作方案。

［1］ 王雪文，張志勇.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:29-36.

［2］ 白玉峰，張云懷，肖鵬，等.碳納米管傳感器的研究進展［J］.材料導(dǎo)報，2006，20（1）:109-111.

［3］ 李道華.傳感器電路分析與設(shè)計［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2000:39-45.

［4］ 王麗麗，等.基于碳納米管的濕度檢測儀的研究與實踐［J｝.大學(xué)物理實驗，2011（4）:5-8.

［5］ 張臨勛，等.基于層層自組裝碳納米管的應(yīng)變檢測儀［J］.大學(xué)物理實驗，2012，25（3）:7-11.

Wireless Acceleration Detection System of Flexible Piezoresistive Film Based on Carbon Nanotubes

ZHANG Tong，HU Xiao-jun，ZHANG Lu-yin
（Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266590）

We through the analysis of the great significance to the acceleration detection，obtains the value and significance of acceleration detector，describes the design idea and application prospect of the system.The sensor adopts the carbon nanotube film induction front-end based on nanotechnology，broaden the sensor equipment R&D，at the same time the application of wireless sensor technology，make the system more practical.Finally we introduced the experimental condition of the system，and the effect of specific application.

acceleration detection；carbon nanotubes；single chip computer；sensor

TN98

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.024

1007-2934（2015）02-0086-04

2014-12-30

國家自然基金項目（61101027）