具有自主溫度補償的多通道柔性應變傳感系統*

代 宇，張 婕，2

（1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

0 引言

隨著“物聯網＋”時代的推進，人機相連、物—物相連所需要的信息的采集及傳遞已成為科技發展的重要環節。這些需求極大的促進了印制柔性電子的創新與發展，也得到業界的日益關注。為實現并提高柔性電子元件及電路的穩定性與功能性，導電油墨及印刷工藝的穩定性和可重復性對于印刷電子技術的發展起到了決定性的作用，關于高導電性油墨的研究也日益受到青睞［1～3］。導電油墨的使用，可以采用更便利地方式直接印刷導電電路，從而縮減成本、節約原料，高效率的生產并且利于環保［4，5］。物聯網是通過在各類物體上裝置各類傳感器、二維碼等搜集物體信息，并與無線網絡相連接，從而賦予物體智能，方便人們對物體了解和管理。它能夠實現人與物體或者物體與物體的溝通和對話［6］智能傳感器技術是物聯網技術發展的關鍵，它可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號［7～9］，通過數據采集系統對數據進行及時處理、傳輸、分析和反饋提供最即時的信息。大量的智能傳感器在不同環境中感受物質世界的變化，在生理狀態監測［10］、橋梁結構健康監測［11］都有很廣泛的應用，這些需求對數據采集系統成本、尺寸、使用范圍、精確度提出更高的要求。

本文基于如今多點采集的需求，設計了輕量級的多通道柔性應變傳感系統，將印刷應變器件的特性與惠斯通電橋電路相結合設計出了具有自主溫度補償的多通道柔性應變傳感系統，主要用于在不同溫度環境下的多個應變的測量。

1 實 驗

1.1 材料與印刷方法

兩種導電碳漿（50 Ω 方阻和50 kΩ 方阻）及其稀釋劑（溫州灝特貿易有限公司）；導電銀漿（深圳市艾格曼科技有限公司）；聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）（杜邦公司）薄膜厚度為125 μm，有良好的力學性能，沖擊強度是其他薄膜的3～5倍，耐折性好。

多通道惠斯通電橋電路制作過程如圖1 所示，主要可分為三步：1）如圖1（a）所示將低阻油墨與高阻油墨以質量比9∶1混合均勻，加入油墨稀釋劑（碳漿與稀釋劑質量比為20∶1）后，攪拌30 min放入真空干燥箱中抽去碳漿中多余氣泡，用作印刷電橋中各個橋臂；同時，將銀漿與銀漿稀釋劑按照質量比為100∶1形成導電銀漿用于印刷電橋中導電線路；2）圖1（b）為絲網印刷工藝，使用圖1（c）所示的聚酯絲網完成套印；3）使用碳漿印刷完后將PET 放在130 ℃烘箱中加熱20 min固化成形。使用銀漿印刷導電線路后則放在120 ℃烘箱中加熱30 min，以形成如圖1（d）所示多通道電橋電路。

圖1 多通道惠斯通電橋電路制備流程

1.2 柔性多通道應變傳感原理

該應變監控系統包含4 個通道，是由4 個帶有溫度補償的電橋構成。如圖2所示，電阻R5、R6 是固定在PET上的標準電阻，其余8個電阻組成系統中4 個測量通道，其中R1、R2、R3、R4 為接入的溫度補償片不參與應變，S1、S2、S3、S4作為應變片參與應變。通過控制多路模擬開關的每個通道依次導通來采集每個通道的應變信息，當多路模擬開關1，2導通時，被接入電路的有固定電阻R5、R6，應變片S1、溫度補償片R1，形成了帶有溫度補償的惠斯通單臂電橋，采集M1與M2之間的差分電壓求出應變片S1 的應變情況。

圖2 多通道應變傳感原理

1.3 測試與表征

本實驗采用測力計（艾德堡儀器有限公司，HP—200），程控移動平臺（北光世紀儀器有限公司，MVS313），控制測試過程中應變片應變量。溫濕箱（廣州五所環境儀器公司，DQ300L）控制環境的溫濕度。LCR 測試儀（HIOKI，IM3536）和計算機，記錄應變片在不同應變條件下電阻變化，以及溫度補償片與應變片在不同環境下電阻變化。

2 結果與討論

2.1 系統設計

開發的多通道柔性應變傳感系統由印刷柔性電路、應變傳感信號調理電路板、STM32 板和便攜式電源構成，如圖3所示。這里，在STM32 板上使用12 位模／數轉換器（ADC）對傳感器信號進行數字化，利用按鍵開關選擇需要采集的通道的應變數據，實現實時監測。

圖3 傳感器硬件系統與機電表征圖

當只需要對于某一個通道的應變進行測量時，通過按鍵發出命令，然后利用STM32 控制相應的GPIO 端口做出相應的電平變化來改變模擬開關的通斷，從而實現通道的斷開與導通。當其中一個通道導通時，4個印刷電阻器構成1個惠斯通單臂電橋然后將電橋輸出的差分電壓經過放大、濾波后將信號接入STM32 的ADC（PC1）端口。由于印刷工藝偏差導致4 個橋臂的電阻值大小存在一定零點漂移，在采集信號初記錄其初始值，后面采集的數據與初始值作差提高數據的準確性，控制流程如圖4所示。

圖4 多通道應變系統原理

2.2 應變傳感器性能測試

通道1應變傳感器循環加載試驗結果如圖5 所示，包括不同的加載力和加載頻率，共進行100 次循環加載卸載試驗。在加載頻率為100 Hz的情況下，對應變片施加5%、10%、15%三種不同的應變，測量應變傳感器產生的電阻變化率（ΔR／R0）。如圖5（a）所示，ΔR／R0的大小隨著應變量的增大而增大。在應變為5%時，應變傳感器的相對電阻變化約為5.0%，應變為10%時，電阻相對變化為8%，應變為15%時，電阻相對變化為10.5%。相同應變條件下，3次加載ΔR／R0的值基本相同。結果表明，所研制的應變傳感器在循環加載試驗下具有較好的動態響應和穩定性。對于不同加載頻率下的加載力，相對電阻變化（ΔR／R0）如圖5（b）所示，可以看出，在同樣5%的應變下，加載頻率提高了1.5倍，應變傳感測得的ΔR／R0基本保持在5%。

圖5 應變傳感標定測試結果

為了進一步驗證應變傳感器的耐久性與重復性，在10%應變、加載頻率100 Hz 的情況下，進行長期連續循環加載和卸載試驗。試驗時間約為16 200 s，共進行了100 個加載和卸載循環。圖5（d）為相對電阻的變化響應，可以看出，在前20 個循環下電阻變化逐漸減小并趨于穩定，這可能歸因于應變材料的機械遲滯，后面每個周期的電阻相對變化值幾乎保持在相同的值7.5%左右。上述結果表明，該應變傳感器具有良好的耐久性和可重復性，可長期使用。

應變傳感器的溫敏性至關重要，不規律的溫度變化特性會給輸出信號帶來極大的干擾。在溫度循環實驗中，首先將應變傳感器從20 ℃加熱到60 ℃，然后再冷卻到20 ℃，測試4 次。在溫度循環的試驗中，應變傳感器測得的電阻相對變化如圖5（c）所示。由此觀察到應變傳感器測量到的相對電阻變化也是隨著溫度的升高而增加，并且每個周期的最大值幾乎保持相同為10.3%，說明了應變傳感器隨溫度變化也呈現規律性變化。

2.3 力和溫度傳感特性

上一節針對印刷在PET上應變傳感器的溫度變化的特性進行了表征。為了能準確地測試應變，需要對應變傳感器的溫度進行補償，否則在溫度變化較大時干擾應變量值。為了方便應變電阻測試，設計了如圖6（a）所示的惠斯通電橋電路來表征通道1 的溫度補償特性，其中4 個橋臂電阻均是由相同材料相同工藝制備而成，4 個電阻器對于溫度敏感性一致，并且通過簡單的調節電路中接入的阻值可以使得4個電阻器的阻值幾乎相同減小印刷偏差。電橋中V ＋／V－用于接入5 V電壓輸入，Vg＋／Vg－用于輸出差分電壓，利用4個橋臂具有相似的溫度特性來消除由于溫度信號引起輸出電壓的波動。

圖6 力和溫度傳感特性測試

首先，對傳感器進行加熱和施加力時的測試。由RF（應變片）和RT（溫度補償片）構成惠斯通電橋電路，可以通過測量未加輸入電壓時電橋中的RF和RT在溫濕箱中（變溫環境中）施加一定應變，可以作為參考驗證溫度和力對傳感器的聯合作用。將傳感器由25 ℃加熱至40 ℃，測量2 個電阻RF和RT產生的相對電阻，如圖6（b）所示。當加熱溫度至35 ℃時，在應變片RF上施加10%的應變，然后釋放。如圖6（b）所示，當加熱到35 ℃時，RF和RT的相對電阻變化分別增加到2.0%、1.95%，這2 個電阻的增量幾乎相同。當在RF上施加10%的應變時，RF的相對電阻值顯著增加到10.1%，而RT的相對阻值為2.1%。與RF相比，作用在RT上的力幾乎可以忽略不計。在整個升溫過程中2個電阻保持幾乎完全一致的溫度特性，因此在相同工藝下制備的補償片基本上可以補償溫度對于輸出電壓的影響。

下面的實驗驗證了所設計的電路可以消除溫度變化對輸出電壓的影響。如圖6（c）所示，在溫度為30 ℃，對應變片RF施加3次10%的應變，測量電路輸出的電壓分別為144，140，137.5 mV。隨后在40 ℃時對應變片RF施加3 次10%的應變測量輸出的電壓變化基本與30 ℃相同，因此可以通過測量電路輸出的電壓來實現應變傳感，并實現對于溫度的補償。

為了分析惠斯通電橋對于應變的電氣響應，給電橋5 V激勵，通過3個加載—卸載的機械循環對圖6（a）所示單臂電橋進行了機電試驗，其印刷電阻的參數為R0＝1.761 0 kΩ，R0＝1.755 0 kΩ，RF＝1.454 6 kΩ，RT＝1.527 5 kΩ。結果表明，惠斯通電橋的輸出電壓Vg隨試樣的機械變形而變化，其中Vg為減去電橋的初始值后除以輸入電壓后的值。如圖7 所示單臂電橋顯示了一個較高的靈敏度約為0.916 mV／V×ε，其R2＝0.962 98表明具備良好的線性度。

圖7 單臂電橋的靈敏度

2.4 系統彎曲應變測試

基于絲網印刷多通道應變傳感器，本文對每一個通道的應變片依次施加彎曲應變，測試結果如圖8 所示，系統對于每個通道的應變展示了一個良好的響應。當對應通道的應變片產生彎曲時，由此應變片電阻變化率增大，打破電橋平衡輸出電壓發生改變，而其余不產生應變的通道其輸出電壓仍舊保持不變。系統中4個通道共用一個處理電路以減小系統的復雜性同時利用多路開關切換速度快（納秒（ns）級）的優勢在短時間內（本文切換時間設置為10 ms）獲取每個通道的應變數據達到“并行輸出”，以便于后續可以將該套系統應用于多點監測人體運動和健康的可穿戴設備中。

圖8 多通道輸出應變電壓

3 結論

綜上所述，通過絲網印刷制備了4 個應變單臂電橋，并利用系統中的多路復用開關控制對應通道的關斷與導通。通過實驗驗證了印刷應變片在不同應變、頻率下都具有良好的響應性、重現性。單個電橋在25～45 ℃之間具有良好的溫度補償作用，主要由于應變片與溫度補償片作為電橋的臨臂兩者具有基本一致的溫度特性。最后將柔性電橋與硬件系統進行互聯實現了信號的放大、濾波以及軟件較零，并對每個通道進行了測試、驗證，表明該系統對于應變具有良好的響應。本文研究中，柔性電路具有制備簡單、可重復性高、成本低廉的特點，通過增加多路復用開關的數量和印刷橋臂來提高采集通道的數量將為可穿戴電子提供潛在的應用。