吳承根，張吉超，王永青，韓磊

1.東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096

2.航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211102

高速飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制主要由含有作動(dòng)器和傳感器的柔性部件協(xié)同完成[1]。曲率是監(jiān)控柔性部件振動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)構(gòu)建關(guān)鍵部位載荷方程和提高局部載荷預(yù)測(cè)精度至關(guān)重要。在分析小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)柔性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、振型和穩(wěn)定不平衡響應(yīng)等動(dòng)力特性時(shí)[2]，采用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的曲率信息能夠幫助建立渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)柔性轉(zhuǎn)子穩(wěn)定不平衡響應(yīng)隨懸臂端長(zhǎng)度的變化模型，通過(guò)計(jì)算柔性轉(zhuǎn)子的載荷來(lái)預(yù)測(cè)在不同模態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速。直升機(jī)槳葉的拉扭承載能力難以通過(guò)理論計(jì)算獲得[3]，因此，利用曲率傳感器對(duì)直升機(jī)無(wú)軸承柔性梁扭轉(zhuǎn)能力進(jìn)行預(yù)先測(cè)試，利用獲取的曲率數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)直升機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化將極大提高效率，降低飛行器的設(shè)計(jì)成本。此外，由高速氣流、高溫沖擊或金屬疲勞等因素引起的機(jī)體或部件異常振動(dòng)，也會(huì)極大威脅飛行器飛行安全[4]。為了避免異常振動(dòng)帶來(lái)的飛行安全隱患，準(zhǔn)確穩(wěn)定地獲取飛行器柔性部件的振動(dòng)狀態(tài)顯得至關(guān)重要。

曲率傳感器是控制柔性部件精準(zhǔn)進(jìn)行目標(biāo)動(dòng)作的核心器件[5]。通過(guò)獲取柔性部件關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)彎曲曲率信息，能夠?qū)θ嵝圆考恼駝?dòng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，利用反饋曲率信息對(duì)致動(dòng)器指令進(jìn)行查驗(yàn)和校正，避免誤操作或結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)帶來(lái)的安全隱患[6]。目前，根據(jù)檢測(cè)原理不同，曲率傳感器可分為4 類：光纖曲率傳感器、壓阻式曲率傳感器、壓電式曲率傳感器和電容式曲率傳感器[7]。光纖曲率傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無(wú)法集成等問(wèn)題使其難以與飛行器結(jié)合[8-11]；壓阻式曲率傳感器成本低廉且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但一致性和重復(fù)性差[12-14]；壓電式曲率傳感器功耗低、高頻性能優(yōu)異，但溫度帶來(lái)的信號(hào)耦合干擾問(wèn)題一直未能得到完全解決[15-17]。最重要的是，上述三種器件未能擺脫有源有線的束縛，引線是器件電信號(hào)傳輸?shù)奈ㄒ煌緩?，在飛行器長(zhǎng)期保存或使用過(guò)程中，來(lái)自高低溫的反復(fù)沖擊或濕度的長(zhǎng)期腐蝕可能帶來(lái)引線的接觸不良或脫落，這將極大降低傳感器的可靠性[18-20]。

電容式曲率/應(yīng)變傳感器能夠兼容無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)，可以將曲率引起的器件結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)化為電容變化，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線曲率檢測(cè)，同時(shí)電容式曲率傳感器對(duì)微小曲率信號(hào)也有極高的靈敏度，與其他類型的曲率傳感器相比，具有可集成、體積小、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高和可靠性好等明顯優(yōu)勢(shì)[21]。J.Mouro 等提出了多層復(fù)合薄膜材料的曲率和應(yīng)變傳感模型，為研制電容式器件提供了理論基礎(chǔ)[22]；Dong Tianyun 等利用碳納米管與柔性3M4905膠帶結(jié)合，構(gòu)成電容式曲率/應(yīng)變傳感器。器件在0～100%應(yīng)變范圍內(nèi)，電容變化高達(dá)45%[23]。H.Nesser等將納米金膠體作為敏感膜滴涂于叉指電容結(jié)構(gòu)，制成的電容式曲率/應(yīng)變傳感器在0～10%應(yīng)變范圍能夠產(chǎn)生高達(dá)20%的電容變化[24]。雖然電容式曲率傳感器取得了一些成果，但目前的研究仍未擺脫需要引線才能工作的困境[25]，未能充分發(fā)揮電容式傳感器能夠兼容無(wú)源無(wú)線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

基于此，本文提出一種新型柔性無(wú)線曲率傳感器。柔性無(wú)線曲率傳感器采用氧化石墨烯薄膜作為介質(zhì)層，氧化石墨烯是一種典型的絕緣二維材料[26-28]，表面具有豐富的羥基和羧基等官能團(tuán)，能夠敏感濕度、壓力和應(yīng)變等多種物理量。Hyun-Woo Yu 的團(tuán)隊(duì)利用氧化石墨烯結(jié)合聚（4-苯乙烯磺酸鈉）研制了高性能的電容式濕度傳感器[29]。Tatiana M.Pessanha 等將氧化石墨烯作為界面電容的介質(zhì)層應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域[30]。東南大學(xué)Shu Wan等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯泡沫用作電容式壓力傳感器的介質(zhì)層與同類器件相比具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)勢(shì)[31]。除了上述方法，氧化石墨烯還可以通過(guò)滴涂、抽濾等方法成膜，從而具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，是用于制作電容式曲率傳感器介質(zhì)層的理想材料。由于氧化石墨烯介質(zhì)層在面對(duì)不同曲率變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓縮形變從而極大改變自身的介電常數(shù)，因此可對(duì)曲率信號(hào)完成高靈敏檢測(cè)。本文基于抽濾法和絲網(wǎng)印刷工藝，提出了柔性無(wú)線曲率傳感器的制備工藝，對(duì)制備完成的樣機(jī)進(jìn)行了材料分析、表面形貌表征和性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)曲率的無(wú)源無(wú)線檢測(cè)，靈敏度達(dá)到1.55MHz/mm，重復(fù)性誤差小于0.54%，為研制應(yīng)用于高速飛行器柔性部件振動(dòng)狀態(tài)測(cè)控的柔性無(wú)線曲率傳感器提供新的思路。

1 曲率傳感器的設(shè)計(jì)與制備

1.1 器件結(jié)構(gòu)及敏感原理

如圖1（a）所示，本文提出的柔性無(wú)線曲率傳感器分為三個(gè)部分：銀質(zhì)LC諧振器、氧化石墨烯介質(zhì)層和柔性襯底，其中，柔性襯底由聚酰亞胺層（PI）和聚二甲基硅氧烷層（PDMS）組成，PDMS 層由澆筑法制成，厚度約為2mm，與PI 層通過(guò)熱壓法結(jié)合形成柔性襯底；氧化石墨烯介質(zhì)層由氧化石墨烯分散液通過(guò)抽濾法制備而成；銀質(zhì)LC諧振器由螺旋電感和叉指電容兩個(gè)部分組成，通過(guò)絲網(wǎng)印刷法制作于氧化石墨烯介質(zhì)層表面，圖形最小線寬為0.5mm，諧振器線條寬度為1mm。

當(dāng)曲率傳感器受到彎曲時(shí)，如圖1（b）所示，疏松多孔的氧化石墨烯介質(zhì)層各納米片層之間結(jié)合得更加緊密，內(nèi)在結(jié)構(gòu)的變化使介質(zhì)層介電常數(shù)產(chǎn)生改變，從而影響介質(zhì)層上LC 諧振器的總電容，由于LC 諧振器的叉指電容的正對(duì)面積和間距受曲率的影響相對(duì)于氧化石墨烯介質(zhì)層介電常數(shù)的變化較小，因此可以忽略。LC諧振器的電容變化使曲率傳感器諧振頻率產(chǎn)生變化，通過(guò)外部線圈獲得諧振頻率和曲率之間的變化關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的無(wú)源無(wú)線檢測(cè)。

圖1 曲率傳感器結(jié)構(gòu)及敏感原理Fig.1 Structure and sensing mechanism of curvature sensor

1.2 器件制備工藝

柔性無(wú)線曲率傳感器分為三個(gè)部分：銀質(zhì)LC諧振器、氧化石墨烯（GO）介質(zhì)層和PI/PDMS 柔性襯底。如圖2 所示，首先將100mg氧化石墨烯粉末加入50mL去離子水中，再將樣品超聲分散30min，直至溶液無(wú)明顯固態(tài)沉淀，得到氧化石墨烯懸濁液，然后利用離心機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行離心處理，去除未充分分散的團(tuán)狀氧化石墨烯，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為10000r/min，持續(xù)時(shí)間為15min，離心完成后取上層清液，則獲得充分分散的濃度為2mg/mL 的氧化石墨烯分散液。氧化石墨烯分散液由抽濾系統(tǒng)制備為氧化石墨烯薄膜，抽濾系統(tǒng)由真空泵、濾嘴和濾瓶組成。首先將濾紙平鋪于濾嘴表面，然后加入17mL的氧化石墨烯分散液于濾嘴，開(kāi)啟真空泵為濾嘴和濾瓶之間提供大小為100kPa 的壓力差。在壓力差的作用下，氧化石墨烯分散液中的片狀氧化石墨烯在范德華力的作用下形成層狀堆疊，從而形成氧化石墨烯薄膜。此時(shí)氧化石墨烯薄膜附著于濾紙，再利用PI膠帶黏附于氧化石墨烯薄膜另一側(cè)，用以增加樣品薄膜的機(jī)械強(qiáng)度，將濾紙從氧化石墨烯表面剝離，然后樣品被置于70℃的烘箱處理20min，用以釋放薄膜的殘余應(yīng)力。取導(dǎo)電銀漿0.6g，加入120μL稀釋液并充分?jǐn)嚢杌旌希媒z網(wǎng)印刷機(jī)將LC諧振器的圖形印刷至氧化石墨烯表面，LC 諧振器尺寸為2.2cm×2.2cm，最小線寬為0.5mm，線條寬度為1mm。印刷完畢后，樣品被置于120℃的烘箱固化表面銀漿，持續(xù)30min，銀質(zhì)LC 諧振器的阻值約為20Ω。完成LC 諧振器的制造后，將樣品置于柔性襯底模具底部。按10∶1 的比例混合PDMS 溶液和固化劑，將混合溶液澆筑至模具內(nèi)，然后放入70℃的烘箱持續(xù)3h，直到樣品完全固化，PDMS柔性襯底尺寸為4.5cm×2.8cm，所得柔性無(wú)線曲率傳感器如圖3所示。

圖2 曲率傳感器制備工藝Fig.2 Fabrication mothed of curvature sensor

圖3 曲率傳感器實(shí)物圖Fig.3 Images of curvature sensor

2 曲率傳感器形貌分析及表征

對(duì)制備出的氧化石墨烯薄膜以及曲率傳感器表面形貌進(jìn)行表征和分析。圖4展示了柔性無(wú)線曲率傳感器橫截面的SEM 圖，可以看出，經(jīng)過(guò)抽濾工藝片狀氧化石墨烯薄膜在范德瓦爾力的作用下層狀堆疊形成薄膜，厚度約15μm。PI 層位于氧化石墨烯層下方，厚度約為30μm，澆鑄形成的PDMS 層位于PI 層下方，作為上層部件的柔性支撐結(jié)構(gòu)。銀質(zhì)LC 諧振器被印刷于氧化石墨烯薄膜表面，厚度約為5μm。如圖5所示，利用拉曼光譜儀對(duì)制備完成的氧化石墨烯薄膜進(jìn)行表征，可以看出兩個(gè)特征峰出現(xiàn)在1350cm-1和1593cm-1，兩峰強(qiáng)度比值達(dá)到0.95，這表明抽濾獲得的氧化石墨烯薄膜具有良好的質(zhì)量。這種疏松多孔的氧化石墨烯介質(zhì)層結(jié)構(gòu)在曲率傳感器發(fā)生彎曲時(shí)，各片層之間會(huì)變得更加緊致，從而改變叉指電容介質(zhì)層的介電常數(shù)，這種變化會(huì)影響銀質(zhì)諧振器的電容，最終引起曲率傳感器的諧振頻率變化。

圖4 曲率傳感器截面SEM圖Fig.4 SEM image of curvature sensor

3 曲率傳感器的測(cè)試平臺(tái)

3.1 測(cè)試方案

圖6 展示了柔性無(wú)線曲率傳感器測(cè)試平臺(tái)的示意圖，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、檢測(cè)線圈、不同曲率半徑的測(cè)試臺(tái)。檢測(cè)線圈與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連，待測(cè)柔性無(wú)線曲率傳感器被固定于不同曲率半徑的測(cè)試臺(tái)，檢測(cè)線圈置于待測(cè)器件正上方1.5mm 處。測(cè)試平臺(tái)的等效電路如圖7 所示，檢測(cè)線圈一側(cè)包含線圈電阻Ra、線圈電感La以及線圈電容Ca，曲率傳感器一側(cè)包含諧振器電阻Rs、諧振器電感Ls以及諧振器可變電容Cs。當(dāng)測(cè)試過(guò)程開(kāi)始，面對(duì)不同曲率半徑的測(cè)試臺(tái)，曲率傳感器具有不同的電容值Cs，不同的電容值將使曲率傳感器的諧振頻率發(fā)生變化，這種變化通過(guò)La與Ls的互感效應(yīng)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄。

圖6 測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.6 Schematic diagram of test platform

圖7 測(cè)試平臺(tái)等效電路Fig.7 Equivalent circuit of test platform

3.2 搭建測(cè)試平臺(tái)

如圖8所示，4種不同曲率半徑的測(cè)試臺(tái)被用于對(duì)曲率傳感器的性能檢測(cè)試驗(yàn)，其曲率半徑分別為10mm、20mm、30mm和40mm。曲率傳感器被固定于測(cè)試臺(tái)表面，檢測(cè)線圈位于其正上方1.5mm處。搭建完成的柔性無(wú)線曲率傳感器測(cè)試平臺(tái)如圖9所示。

圖8 不同曲率的測(cè)試臺(tái)Fig.8 Test platform with different curvature radius

圖9 曲率傳感器測(cè)試平臺(tái)Fig.9 Test platform of curvature sensor

4 曲率傳感器的性能

為了檢測(cè)曲率傳感器面對(duì)不同彎曲時(shí)的響應(yīng)，測(cè)試了在4 種不同曲率半徑條件下器件的諧振頻率。如圖10 所示，紫色曲線為曲率傳感器在無(wú)彎曲狀態(tài)下的回波損耗響應(yīng)，諧振頻率峰值出現(xiàn)在835MHz，強(qiáng)度為-17.458dB，在測(cè)試中將該諧振峰作為器件的起始諧振頻率。隨著曲率半徑的減小，曲率傳感器發(fā)生的形變逐漸增大，對(duì)應(yīng)的器件諧振頻率隨之減小。

從圖10中可以看出，隨著曲率的增大，曲率傳感器諧振頻率的強(qiáng)度在逐漸減小，樣品的曲率半徑由無(wú)彎曲狀態(tài)變化到40mm時(shí)，器件諧振頻率減小到819MHz，強(qiáng)度為-15.084dB，由40mm 變化到30mm 時(shí)，器件諧振頻率減小到807MHz，強(qiáng)度為-9.034dB，由30mm 變化到20mm 時(shí)，器件諧振頻率減小到793.5MHz，強(qiáng)度為-5.622dB，由20mm 變化到10mm 時(shí)，器件諧振頻率減小為772.5MHz，強(qiáng)度為-5.103dB。隨著曲率的增大，曲率傳感器上諧振器與檢測(cè)線圈之間耦合系數(shù)將逐漸減小，從而導(dǎo)致諧振峰的Q值減小，這種變化反映在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上即表現(xiàn)為諧振峰強(qiáng)度的降低。同時(shí)，除了形狀會(huì)影響器件與檢測(cè)線圈之間的耦合系數(shù)外，檢測(cè)線圈與曲率傳感器的間距和夾角等因素也會(huì)影響耦合系數(shù)，在多重因素的影響下，曲率與諧振峰強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系不再固定，在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)試位置的震顫、抖動(dòng)等會(huì)直接改變檢測(cè)線圈與曲率傳感器之間的距離或角度，這使諧振峰強(qiáng)度無(wú)法作為曲率輸入信號(hào)的因變量。

圖10 不同曲率下器件的響應(yīng)Fig.10 Sensor responses to different curvatures

與諧振峰強(qiáng)度不同，曲率傳感器的諧振頻率完全不受檢測(cè)線圈與器件的間距和夾角等因素影響，與曲率變化具有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以作為曲率輸入信號(hào)理想的因變量。如圖11所示，將曲率傳感器在不同曲率下的諧振峰峰值提取出來(lái)，得到曲率隨諧振頻率變化的響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，40mm 曲率半徑下，曲率傳感器諧振頻率減至819MHz 處，30mm 曲率半徑下，曲率傳感器諧振頻率減至807MHz 處，20mm 曲率半徑下，曲率傳感器諧振頻率減至793.5MHz處，10mm曲率半徑下，曲率傳感器諧振頻率減至772.5MHz處。圖12展示了曲率傳感器的靈敏度曲線，曲率半徑40到10mm 的測(cè)試區(qū)間內(nèi)，諧振頻率的變化量為34.5MHz，器件靈敏度為1.55MHz/mm，測(cè)試表明，基于氧化石墨烯介質(zhì)層的柔性無(wú)線曲率傳感器具有較高的靈敏度。

圖11 曲率傳感器諧振頻率變化曲線Fig.11 Resonant frequency shift of curvature sensor

圖12 曲率傳感器靈敏度曲線Fig.12 Sensitivity curve of curvature sensor

由于曲率半徑的變化，柔性無(wú)線曲率傳感器與檢測(cè)線圈之間的距離呈現(xiàn)兩側(cè)大、中間小的狀態(tài)。隨著曲率半徑的不斷減小，器件兩側(cè)與檢測(cè)線圈之間的距離逐漸增大，兩者的正對(duì)面積逐漸減小，這等同于增大了檢測(cè)線圈與柔性傳感器之間的平均距離，這將對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生兩個(gè)影響：（1）曲率的變化引起柔性傳感器形狀的變化，造成與檢測(cè)線圈之間的平均距離增大，從而使檢測(cè)結(jié)果中LC諧振器諧振峰的強(qiáng)度降低。（2）曲率的變化引起柔性傳感器形狀的變化，造成與檢測(cè)線圈之間正對(duì)面積的減小，使檢測(cè)線圈與LC諧振器之間的耦合系數(shù)減小，從而降低檢測(cè)結(jié)果中諧振峰的Q值。

為測(cè)試器件在多次測(cè)試循環(huán)中的重復(fù)性，選取曲率半徑為30mm 的測(cè)試臺(tái)，對(duì)曲率傳感器進(jìn)行無(wú)彎曲狀態(tài)到曲率半徑30mm 狀態(tài)的循環(huán)測(cè)試，結(jié)果如圖13 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果和重復(fù)性誤差計(jì)算公式可獲得器件的最大重復(fù)性誤差。公式如下所示

圖13 曲率傳感器的重復(fù)性曲線Fig.13 Repeatability curves of curvature sensor

E= Δf/f0

式中：E為器件的最大重復(fù)性誤差，Δf為循環(huán)測(cè)試中的最大頻率誤差，f0為無(wú)彎曲狀態(tài)下曲率傳感器的諧振頻率。

無(wú)彎曲狀態(tài)下，曲率傳感器的諧振頻率為835MHz，隨著器件彎曲，兩次分別減至803MHz 和807.5MHz 處，誤差為4.5MHz。兩次回到無(wú)彎曲狀態(tài)，諧振頻率分別為835MHz和831MHz，誤差為4MHz，兩次循環(huán)測(cè)試中，器件的測(cè)試信號(hào)未因形變而產(chǎn)生大幅漂移。根據(jù)上述結(jié)果，可得到曲率傳感器的最大重復(fù)性誤差為0.54%。這表明，本文提出的柔性無(wú)線曲率傳感器具有良好的重復(fù)性，可保證在長(zhǎng)期重復(fù)使用中具有較好的性能。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于氧化石墨烯介質(zhì)層的柔性無(wú)線曲率傳感器，驗(yàn)證了應(yīng)用二維材料氧化石墨烯研制新型柔性無(wú)線曲率傳感器的可行性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)曲率信號(hào)的無(wú)源無(wú)線檢測(cè)。同時(shí)，完成了對(duì)柔性無(wú)線曲率傳感器的表面形貌分析及氧化石墨烯薄膜制備質(zhì)量表征，用以解釋器件的敏感原理。針對(duì)制備好的器件搭建了曲率測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了性能測(cè)試，在無(wú)彎曲狀態(tài)到曲率半徑10mm測(cè)試范圍內(nèi)，器件靈敏度達(dá)到1.55MHz/mm，重復(fù)性誤差小于0.54%，為無(wú)源無(wú)線曲率檢測(cè)提供了新的思路。