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(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(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(shù)相結(jié)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(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、信息檢測的學科交叉與融合,有利于提升學生創(chuàng)新意識,探究思維能力和工程實踐能力。
學科融合; 實踐創(chuàng)新; 實驗裝置; 工程能力
當前,科學技術(shù)朝著學科交叉融合的方向發(fā)展,相當數(shù)量的科技成果來自于學科交叉領(lǐng)域[1-3]。為適應(yīng)當前培養(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,跨學科交叉融合的教學模式探索,受到國內(nèi)外高等學校的廣泛重視[4-7]?;凇皩W科融合、實踐創(chuàng)新、協(xié)同育人”的理念,推進學科交叉實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的實施,不僅可以拓寬學生的知識面、專業(yè)口徑和就業(yè)渠道,而且對于學生的學習興趣、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)引起了物理學家、化學家和材料學家的廣泛關(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年度諾貝爾物理學獎[16]。石墨烯具有優(yōu)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(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,以學科交叉為技術(shù)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(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。
1.1 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(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。
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∧る娮枳兓谑┍∧け砻娓餐恳粚泳鄱谆柩跬?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。
本文采用微電子、納米材料、電子技術(shù)、信息檢測等學科交叉方式制作應(yīng)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(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、實踐訓練與應(yīng)用創(chuàng)新的統(tǒng)一,體現(xiàn)了教學的學術(shù)性和科技前沿動態(tài)及其新成果,有利于學生自主學習、興趣學習和探究創(chuàng)新型學習,大大促進了學生工程實踐能力、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(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