基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度检测系统

张 同，胡晓君，张鲁殷

（山东科技大学，山东青岛 266590）

基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度检测系统

张 同，胡晓君，张鲁殷

（山东科技大学，山东青岛 266590）

通过对加速度检测的重大意义进行分析，得出了加速度检测仪的价值和意义，介绍了本系统的设计思路和应用前景。传感器采用了基于纳米技术的碳纳米管薄膜感应前端，拓宽了传感器设备的研发领域，同时应用无线传感技术，使系统进一步实用化。最后介绍了本系统的实验情况，以及具体应用的效果。

加速度检测；碳纳米管；单片机；传感器

从20世纪40年代初，德国研制了世界第一只摆式陀螺加速度计以后，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计营运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。准确测量绝对加速度值，对国防建设、经济建设和科学研究有着十分重要的意义。比如，远程洲际弹道导弹、人造地球卫星、宇宙飞船等都在地球重力场中运动。在设计太空飞行器时，也要首先知道准确的加速度数据［1］。此外，与加速度测量相关的传感器在动力机械工业、车船和飞机等交通工具、桥梁和建筑安全监测、科学实验、兵器工业以及在日常生活中都极为有用，可见加速度传感器有着重要的应用价值。

1　碳纳米管的性质与传感原理

自从1991年日本电气公司（NEC）的S.Iijima首次发现碳纳米管（Carbon Nanotube，简称CNTs）以来，CNTs因其独特的结构、机械、电学等性能以及优良柔韧性、稳定性和化学吸附等特性，引起了全球化学、物理、材料、电子等领域的学者广泛关注，并在纳米电子器件、高强度复合材料、传感器、催化剂与生物分子载体等诸多新兴研究领域取得了较大的突破。

图1　单根碳纳米管

当今已经有了单根CNTs（单根碳纳米管结构见图1）关于受力应变的研究，发现这种碳纳米管有良好的机电响应特性，同时当对其进行反复拉伸加载与卸载时，在其机械变形量与电阻变化上有极好的线性对应关系，说明CNTs具有优良的压阻特性，但是由于碳纳米管极大的长宽比和超柔性，单根碳纳米管操纵、定位非常困难，往往需要通过AFM（原子力显微镜）探针来操作、或采用特殊的单根定向生长，生产工艺十分耗时，步骤复杂、仪器昂贵，且可控性和重现性差。因此，近年来，具有定向或随机排列的碳纳米管薄膜的研究备受青睐，因其紊乱的排列，往往会呈现出各向同性的CNTs统计学特性，如CNTs本身所具有的导电性或半导体特性、机电特性、气敏性、化学试剂敏感性、热敏性等［2］。

层层自组装（Layer-by-Layer Self-Assembly，LbLSA）是指利用逐层交替沉积的方法，借助各层分子间的弱相互作用（如静电引力、氢键、配位键等），使层与层间自发地缔和形成结构完整、性能稳定、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程，可制备多层膜［3］，如图2。

图2　层层自组装工艺示意图

图2中利用的是带正电的聚合物阳离子电解质和带负电的聚合物阴离子电解质之间的相互吸引作用，组装起多层结构。

本系统应用层层自组装方法，在柔性基底（PET）上，交替沉积聚阳离子和纳米碳管，形成了均匀性良好的碳纳米管薄膜，具体过程如图3所示。

通过实验中的计算可以很容易的得到单片机接收到的碳纳米管加速度传感器模块传送的电压值所对应的形变量（即重物重量）。那么接下来可以根据公式F=ma来进行加速度的计算。

首先，将应变梁悬挂，使其自由端朝下，并在自由端固定一重物。则此时应变梁形变为0。当整个系统静止或者匀速直线运动时，应变梁的形变始终为0。如果系统处于加速状态，则a＞0，那么F＞0，应变梁则会产生形变，单片机则会有电压信号输入。如果加速度发生急剧变化，则在两次采样间隔之间应变梁会发生较大的形变，从而单片机分析两次采样所测得的形变数据之差将会更大。如果该差值超过预先设定的加速度阈值（比如汽车发生碰撞时的加速度），则单片机会向报警器输出信号，并完成其他设定的程序（比如弹出安全气囊）［4］。

图3　原理结构和实验步骤示意图

2　传感器的设计

通过层层自组装方法，可以得到性能比较可靠、满足制作传感器对灵敏度要求的碳纳米管薄膜。下面即是利用这种薄膜制作加速度传感器探头的设计（如图4）。

图4　传感器设计示意图

3　实验步骤与结果

（1）制作一套独立的碳纳米管薄膜温度传感器系统进行温度的测量，如图5所示；

图5　温度修正实验装置示意图

（2）保证碳纳米管薄膜温度传感器不发生湿度变化和形变；

（3）经过实验测量温度与放大电路的电压输出关系；

（4）得出不同温度下形变与电压的关系，并比较分析。

传感器的输出电压值值随温度而变化，数据如表1所列，画出变化图线如图6所示:

图6　传感器输出电压与温度的关系

表-1 实际温度与放大电路后端电压的关系

4　实验讨论

该实验是以26℃时碳纳米管薄膜传感器的阻值为基准测量的。其中电压放大倍数为200倍，传感器工作温度可设定为18℃到26℃。从图6中可以很明显的看出实际温度与放大电路后端电压呈现负相关关系。于是，通过对该温度传感器数据的处理，单片机可以很容易的计算出整个系统所处的温度［5］。

表2　不同温度下应变梁形变与放大电路后端电压的关系

图7　不同温度下应变梁形变与放大电路后端电压的关系

在图7中对不同温度下，加速度敏感薄膜的形变与电压显示值之间不同的正相关关系进行对比。得出了如下算法，使用单片机对输入的数据进行处理。

当碳纳米管薄膜加速度传感器系统工作时，单片机首先检测温度传感器模块输入的信号。如果刚好该信号的电压值可以在表格之中查找到，那么可以直接读取该数据所对应的温度值。如果该电压信号不能够直接查找到，则假设列表中每两个电压值之间关系为完全线性关系的。如果输入电压信号为V0，则先找到列表中与V0差值绝对值最小的两个电压值V1、V2及其相对应的温度T1、T2，其中，V1＜V0＜V2。由于每两个电压值之间所对应的电压温度关系近乎线性，则可以根据比例关系，按照如下公式计算出当前电压信号所对应的温度值:

这样，单片机就可以得出温度传感器模块输入的每个电压值所对应的温度值。然后便可以根据表2计算出在该温度下，加速度传感器模块输入的每个电压值所对应的形变大小。

5　结 论

在本次基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度监测系统的研制过程中，首先通过对碳纳米管材料性质的研究，分析了利用碳纳米管材料制作加速度传感器的可行性。然后提出了较为详尽的可行方案。利用层层自组装技术成功制备各种性质有意的碳纳米管薄膜。然后基于该薄膜的特性，又提出了传感器探头的设计方案。继而又对实验测得数据，针对单片机ROM较小以及处理数据较慢等缺点提出比较可行的单片机数据处理算法。并最终设计出一套基于层层自主装碳纳米管薄膜的加速度传感器的制作方案。

［1］ 王雪文，张志勇.传感器原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004:29-36.

［2］ 白玉峰，张云怀，肖鹏，等.碳纳米管传感器的研究进展［J］.材料导报，2006，20（1）:109-111.

［3］ 李道华.传感器电路分析与设计［M］.武汉:武汉大学出版社，2000:39-45.

［4］ 王丽丽，等.基于碳纳米管的湿度检测仪的研究与实践［J｝.大学物理实验，2011（4）:5-8.

［5］ 张临勋，等.基于层层自组装碳纳米管的应变检测仪［J］.大学物理实验，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

国家自然基金项目（61101027）