摘要：研究了石墨烯/氧化石墨烯壓阻傳感器被擠壓時(shí)電阻的變化情況，同時(shí)設(shè)計(jì)了串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法轉(zhuǎn)換電路，成功實(shí)現(xiàn)了將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值。利用仿真軟件對(duì)3種轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓變化量和傳感器電功率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，放大電路法轉(zhuǎn)換電路具有較優(yōu)的熱效應(yīng)可靠性，為小阻值壓阻傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換、讀取和監(jiān)測(cè)提供了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：壓阻傳感器；轉(zhuǎn)換電路；可靠性

中圖分類號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，石墨烯基材料被廣泛應(yīng)用于新型壓阻傳感器的制造[1]，實(shí)現(xiàn)了將非物理量壓力轉(zhuǎn)換為電學(xué)值，為完成后端電路的采集、控制，連接轉(zhuǎn)換電路后需將電阻值換為電壓值或電流值[2]。本文提出了一種石墨烯/氧化石墨烯壓阻傳感器（簡(jiǎn)稱“石墨烯基壓阻傳感器”），并設(shè)計(jì)了串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法轉(zhuǎn)換電路，利用仿真工具對(duì)3種轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓范圍進(jìn)行了測(cè)試，并完成了熱效應(yīng)可靠性評(píng)估。

1 傳感器特性

將石墨烯懸濁液和氧化石墨烯懸濁液進(jìn)行真空抽濾，進(jìn)而得到石墨烯/氧化石墨烯雙層膜[3]。石墨烯導(dǎo)電率良好且蓬松多孔，在施加壓力時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)受到擠壓，電流通路增多，雙層膜電阻減小。在銀電極上放置石墨烯/氧化石墨烯雙層膜，并在其上覆蓋絕緣保護(hù)膜，進(jìn)而組裝成石墨烯基壓阻傳感器。當(dāng)外加壓力由0.5 N增加至8.0 N時(shí)，該壓阻傳感器電阻由12.7 Ω降低至11.1 Ω。

為利用石墨烯基壓阻傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與電路控制等功能，需要將電阻值轉(zhuǎn)換為電學(xué)值，如可通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為電壓值，同時(shí)使用示波器、單片機(jī)等設(shè)備采集該電壓值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與電路控制。

石墨烯和氧化石墨烯均為負(fù)熱膨脹系數(shù)材料，當(dāng)溫度升高時(shí)，兩種材料的體積會(huì)有所減小。由于氧化石墨烯的負(fù)熱膨脹系數(shù)更大，當(dāng)溫度上升時(shí)，氧化石墨烯體積變化更明顯，因此石墨烯—氧化石墨烯雙層材料會(huì)向氧化石墨烯側(cè)彎曲[4]。將該石墨烯基壓阻傳感器接入轉(zhuǎn)換電路時(shí)，其電阻較小，當(dāng)端電壓較大時(shí)，流過其電流值較大，同時(shí)產(chǎn)生較大的焦耳熱。這將影響石墨烯/氧化石墨烯的機(jī)械形狀，進(jìn)而造成氧化石墨烯側(cè)的擠壓并且產(chǎn)生熱效應(yīng)，降低壓阻傳感器使用的可靠性。

2 石墨烯基壓阻傳感器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.1 串聯(lián)電阻法轉(zhuǎn)換電路

將石墨烯基壓阻傳感器與定值電阻串聯(lián)，利用直流電壓提供激勵(lì)，使得傳感器電阻值轉(zhuǎn)換為直流電壓值。圖1為串聯(lián)電阻法轉(zhuǎn)換電路，定值電阻R0與石墨烯基壓阻傳感器RS串聯(lián)，直流電壓激勵(lì)為

5 V，串聯(lián)電阻法轉(zhuǎn)換電路輸出電壓UO1計(jì)算公式如下：

UO1=×5。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

2.2 電橋法轉(zhuǎn)換電路

石墨烯基壓阻傳感器可以使用電橋法進(jìn)行電阻值與電壓值之間的轉(zhuǎn)換，圖2為電橋法轉(zhuǎn)換電路，定值電阻R0為20 Ω，電橋法轉(zhuǎn)換電路輸出電壓為UO2，直流電壓激勵(lì)為5 V。UO2的計(jì)算公式

如下：

UO2 = 2.5-×5。" " " " " " " " " " " " " " " " " " nbsp; "（2）

2.3 放大電路法轉(zhuǎn)換電路

圖3為放大電路法轉(zhuǎn)換電路，引入運(yùn)算放大器搭建負(fù)反饋電路，并將其連接于運(yùn)算放大器反相輸入端與地之間，反饋電阻Rf為150 Ω，運(yùn)算放大器同相輸入端連接平衡電阻R1為12 Ω，平衡電阻另一端連接直流電壓激勵(lì)（電壓值為0.1 V），運(yùn)算放大器輸出端UO3為該轉(zhuǎn)換電路的輸出點(diǎn)。石墨烯基傳感器與集成運(yùn)算放大器構(gòu)成了同相比例運(yùn)算電路，輸出電壓UO3、傳感器電阻RS和反饋電阻Rf的關(guān)系如下：

UO3= （1+）×0.1。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

3 轉(zhuǎn)換電路輸出電壓仿真與測(cè)試

本文使用Multisim14.0仿真軟件搭建電路，利用最大阻值為20 Ω的線性滑動(dòng)變阻器模擬石墨烯基壓阻傳感器，通過滑動(dòng)變阻器劃片改變接入電路的電阻值，若RS為輸入總阻值的60%，即傳感器電阻為12 Ω。

如圖4所示，利用串聯(lián)電阻法轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，電壓表XMM1用于測(cè)量石墨烯基壓阻傳感器兩端的電壓US1，電壓表XMM2用于測(cè)量輸出電壓UO1，電流探針PR1用于測(cè)量流過該傳感器的電流IS1。電流探針PR1可以顯示5個(gè)參數(shù)，其中，I為通過探針電流的瞬時(shí)值，I（p-p）為通過探針電流的峰峰值，I（rms）為通過探針電流的有效值，I（dc）為通過探針電流的直流分量值，

I（freq）為電流信號(hào)的頻率。測(cè)試時(shí)，由于提供了直流電壓激勵(lì)，故電流探針顯示的瞬時(shí)值與直流分量值相同，無交流分量，電流探針PR1顯示的

I（dc）用于記錄IS1。如表1所示，使用串聯(lián)電阻法轉(zhuǎn)換電路時(shí)，當(dāng)RS從10 Ω增加至16 Ω時(shí)，輸出電壓由3.33 V變?yōu)?.78 V，傳感器的端電壓最低為1.67 V，流過傳感器的電流最大為167 mA。

如圖5所示，利用電橋法轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，電壓表XMM1用于測(cè)量石墨烯基壓阻傳感器兩端的電壓US2，電壓表XMM2用于測(cè)量輸出電壓UO2，電流探針PR2用于測(cè)量流過該傳感器的電流IS2。如表2所示，使用電橋法轉(zhuǎn)換電路時(shí)，當(dāng)RS從10 Ω增加至16 Ω時(shí)，輸出電壓由0.83 V變?yōu)?.28 V，傳感器的端電壓最低為1.67 V，流過傳感器的電流最大為167 mA。

如圖6所示，利用放大電路法轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，采用LM358AD運(yùn)算放大器搭建相應(yīng)電路。電壓表XMM1用于測(cè)量石墨烯基壓阻傳感器兩端的電壓US3，電壓表XMM2用于測(cè)量輸出電壓UO3，電流探針PR3用于測(cè)量流過該傳感器的電流IS3。如表3所示，使用放大電路法轉(zhuǎn)換電路時(shí)，當(dāng)RS從10 Ω增加至16 Ω時(shí)，輸出電壓由1.60 V變?yōu)?.04 V，傳感器的端電壓為0.1 V，流過傳感器的電流最大為10.0 mA。

4 轉(zhuǎn)換電路可靠性評(píng)估

由于溫度過高會(huì)導(dǎo)致石墨烯基壓阻傳感器產(chǎn)生機(jī)械形變，故轉(zhuǎn)換電路在傳感器上產(chǎn)生的焦耳熱越低則表示其可靠性越高。在相同時(shí)間內(nèi)，焦耳熱可由傳感器功率P衡量，即P越大，焦耳熱越大。表4展示了串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法轉(zhuǎn)換電路中的石墨烯基壓阻傳感器功率，該傳感器功率P的計(jì)算公式如下：

P = IS2RS。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，IS為流過石墨烯基壓阻傳感器的電流。

如表4所示，當(dāng)RS從10 Ω增加至16 Ω時(shí)，放大電路法的中傳感器功率最高為1.0 mW，遠(yuǎn)低于串聯(lián)電阻法和電橋法中傳感器的功率。放大電路法轉(zhuǎn)換電路中引入集成運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器、傳感器電阻和反饋電阻組成同相比例運(yùn)算電路。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，傳感器電阻兩端電壓近似等于運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓，即石墨烯基壓阻傳感器電阻兩端電壓約為0.1 V。相較于串聯(lián)電阻法電路和電橋法轉(zhuǎn)換電路，放大電路法轉(zhuǎn)換電路降低了流過該傳感器電阻的電流，減小了焦耳熱的影響，提升了轉(zhuǎn)換電路的可靠性。

5 結(jié)論

本文提出了針對(duì)石墨烯基壓阻傳感器的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方法，利用串聯(lián)電阻法、電橋法和放大電路法均能將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值。同時(shí)，通過計(jì)算

3種轉(zhuǎn)換電路中的傳感器功率對(duì)比相應(yīng)的焦耳熱，能夠提升小阻值傳感器信號(hào)讀取時(shí)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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