随着微机电系统(MEMS)技术的发展, 柔性微纳传感器件在生物医学、显示系统、成像系统、电子皮肤和太阳能电池板等领域有着广泛的应用^[1]。碳基纳米材料(Carbon-based nanomaterials, CNM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等性能优越的材料逐渐被应用于新型柔性电子设备中^[2]。然而, 复合柔性电子器件(如碳基纳米材料与PDMS混合制备的柔性应变传感器)在初始状态, 其背景电阻、压阻特性是不稳定的^[3], 同时不同微纳器件有着不同的规格尺度。针对上述情况, 需要用拉伸测试仪器对器件进行拉伸训练, 实现其稳定的响应输出。目前, 对微纳器件拉伸仪已经有了初步的研究。大多是用于获取材料的机械性能, 如材料的强度、刚度、弹性模量等^[3]。但是普遍存在拉伸精度差、加持试样不稳定、易受干扰等问题。例如, Read等设计了一种由两组压电陶瓷堆驱动的微拉伸测试装置^[4], 在与微拉伸的垂直方向上, 放置一个弹性悬臂梁实现拉力测量。这套装置通过胶水实现材料单侧固定, 导致试样难以长时间稳定测试。此外, 该装置仅可对器件进行微米级的拉伸, 而柔性微纳器件的拉伸长度可达毫米级, 如基于PDMS的柔性应变器件可实现0.5~5 mm的拉伸^[5]。相似地, Haque等搭建了一种位移式拉伸仪^[6], 其加持装置也是通过胶水来固定, 同样存在加持试样不稳定的问题。

总得来讲, 除了以上已报道的拉伸训练仪, 对于柔性微纳器件的压阻效应训练装置主要基于以下三种原理实现:1)运用气压驱动原理实现训练。即在循环气压下, 实时记录柔性器件的压阻响应, 通过电阻随时间变化的趋势, 判断器件响应是否趋于稳定。该方法的优势在于加持装置稳定, 可实现多通路的同时训练。不足之处在于, 该方法需考虑柔性薄膜的气密性是否可承受突变气压脉冲所产生的冲击。2)液压训练, 其原理和气压类似, 但其精密性更高。不足之处在于, 训练中输入量为液压, 需考虑训练过程中亲水性器件密封性的影响。3)位移训练, 是通过水平拉伸的方式, 建立器件电阻变化与应变之间的关系, 实现器件的稳定输出训练。其特点是机械物理方式拉伸^[7], 具有普适性高、操作简单的优点。

本文提出的训练拉伸仪是基于位移训练原理设计的。为了验证装置的可行性, 我们将其用于训练自研制的CNM/PDMS柔性微纳器件。通过周期性的位移随时间的变化, 器件中的CNM/PDMS复合材料的压阻响应趋于稳定。这套装置操作方便快捷, 能够大幅度缩短实验时间, 并可获得稳定的器件压阻性能。

1 系统总体方案设计 1.1 柔性微纳传感器件拉伸训练装置

此装置主要由三部分组成:控制装置、传动装置和夹持装置。其中控制装置包括控制面板、电源和源驱动器等。传动装置主要采用精密滚珠丝杠传动, 包括电机、丝杠、滑台和导轨等[如图 1(a)和(b)]。夹持装置主要指夹具, 实现拉伸时对器件的固定, 包括平口钳、活动夹等部件。整个训练装置的工作流程为:将需要拉伸训练的器件通过夹持装置固定在滑台上, 在控制面板中输入程序, 控制电机带动丝杠和滑台进行小幅度直线往复运动, 从而达到对器件进行拉伸训练, 图 1(b)为用Solidworks绘制的拉伸训练装置三维图, 图 1(c)为自研发拉伸训练装置实物图。

1.2 滑台的设计 1.2.1 执行结构的选择

执行机构的原理主要包括采用气动、液动和电机传动来执行。我们选用电机传动机构, 与其他两种方式相比, 电机传动具有以下几点优势:

1) 取用能源方便、传输信号速度快、信号传输距离远、以便于集中操控控制。

2) 精确度、灵敏度相对较高, 与其他电动调节仪表配合方便, 安装操作简单。

3) 电动执行抗偏离能力好, 所输出的力矩或推力基本恒定, 能够很好地克服介质的不平衡力, 确保达到相关工艺参数的精确控制, 因此该产品控制精度相比气动执行器较高。

1.2.2 传动方案的选择

基于该装置设计的主要目的是用于薄膜类微纳器件的拉伸训练, 其拉伸位移量必须得到精确控制。现有的精密传动方案主要有两种:丝杠传动和齿轮齿条传动。现对上述两种方案的优缺点对比如下:

1) 丝杠传动的优点是运行平稳、传动度较高, 并且可以实现自锁功能。其缺点是传动速度较慢、转矩小、长距离传动会有变形和颤动。

2) 齿轮传动的优点是传动速度快、转矩大, 长距离运动不会变形。缺点是装配工艺要求较高, 精度较丝杠传动差。

通过比较, 我们选择可平稳传动的丝杠传动方案。

1.2.3 电机的选择

驱动系统也称控制系统, 可实现对装置的直线位移拉伸并进行精确控制。它的首要作用是依照控制器传来的指令, 对电机进行功率放大、变换与调控, 使电机对输出的力矩、速度和位置进行灵活控制。在设计中体现为, 控制系统在控制器的操作下, 控制电机带动丝杠运动。在这套装置中选用步进电机。步进电机比于伺服电机运动速度较慢；但操控简单, 运行成本低。

驱动系统由运动控制器、步进驱动器、步进电机三部分组成。1)运动控制器根据手动输入的程序指令, 通过驱动器控制电机转动。2)步进电机驱动装置作为系统的主回路, 一方面, 按运动控制器发来的指令, 将电源中的电能作用到电动机上, 准确调节步进电机转矩的大小(角位移)；另一方面, 根据步进电机的需求把恒压恒频电源转换为步进电机所需的交流电。3)当步进电机接收到来自驱动器的脉冲信号时, 在设定的方向上旋转固定角度。通过控制脉冲个数来控制角位移, 达到精确定位的目的。同时, 通过控制脉冲频率来控制电机转速和加速度, 达到调速的目的。

1.3 夹持装置的设计

由于器件的形状各异且膜类器件较多, 所以本装置设计了两种夹具。一种夹具采用高精密手动平口钳, 其特点是操作简单、可快速夹紧、效率高, 这种可夹持固定各种形状。另一种夹具通过螺钉和角铁固定在活动台和底座上, 由螺杆带动滑块, 通过控制与垫板之间的距离来实现器件的夹紧。这两种夹具可实现不同形状器件的定位与夹紧, 为器件的拉伸训练提供稳定可靠的操作环境。

1.4 驱动系统的控制设计与制作

由于器件的体型较小, 对其进行拉伸训练时需要精准控制, 伺服系统与控制器为精准控制提供了可能。目前, 运用较为广泛的控制器主要有两种:PLC可编程逻辑控制器和运动控制器(图 2)。

下面对上述两种控制器进行比较:

1) 控制方式方面(如表 1):PLC可编程逻辑控制器, 主要是逻辑控制, 从设计、使用来说, 关注的是多个信号之间的逻辑关系。这种方式, 通常不适合精细的控制运动；而运动控制器, 关注的是运动的精密控制, 也就是位置、速度、加速度控制, 更适合较为精细的控制运动。

2) 速度方面(如表 1):运动控制器速度是PLC的3~5倍, 正常PLC控制系统做一个产品, 用运动控制器可以做3个产品, 大大的提高了机器的工作效率；

根据柔性微纳传感器件制作实验所需, 并综上所述, 本装置采用运动控制器较为合理。

1.5 拉伸训练过程

首先将夹具安装在活动台和底座上, 启动电源, 打开控制面板, 通过操作控制面板将夹具的两部分靠拢在一起。用夹具将待需拉伸训练的器件夹紧固定后, 通过控制面板输出程序, 让活动滑台做小幅度的直线往复运动。这里需要注意的是, 输出程序时, 使电机的转速和转数都应在合理的范围之内, 最好是采用左右两方向各转两圈的模式。器件的训练过程类似人的肌肉拉伸, 需一张一弛缓慢而稳定的进行。训练一段时间后, 待器件电阻稳定时, 结束程序, 打开夹具, 取下器件用于实验。操作过程十分简便明了。

拉伸仪设计的主要目的是, 使得柔性微纳器件的拉伸训练方便有效。如需得到器件进一步的准确数据, 还需进一步的改进, 如添加数据采集器, 并与电脑相连。由于设计初衷是针对实验时的实用性, 暂无增改此功能。

2 柔性微纳器件测试的结果与讨论 2.1 压阻响应训练

为了验证所研发的拉伸仪可用于训练柔性微纳器件的压阻响应, 现对自研发的用于监测呼吸活动的柔性器件进行稳定响应测试。在训练过程中, 对器件进行周期为10 s, 拉伸应变为10%的重复性拉伸。拉伸采集结果数据图 3(a)中显示, 在初始阶段, 柔性器件的自身电阻为26.18 kΩ, 随着拉伸的进行, 器件的电阻整体在衰减。在3 500 s处, 电阻趋于稳定值26.10 kΩ, 即在进行350次拉伸训练后器件电阻稳定。图 3(b)为器件在拉伸训练进行到1 150~1 300 s时, 器件电阻的局部放大结果图。图 1(d)和图 1(e)为拉伸训练的局部放大图。显示器件在应变为10%时, 产生的电阻值变化为50 Ω。在稳定状态, 在相同形变的施加下, 电阻变化由初始的变化值118 Ω降低到47 Ω[见图 3(b)]。

2.2 压阻输出稳定分析

为了探究微纳柔性器件电阻在拉伸训练过程中下降的原因, 我们对训练前后的碳基纳米材料(CNM)的形貌进行了表征。能够发现:在拉伸训练前, CNM/PDMS复合材料呈现大小不均一、间距不相同的多孔特征, 这说明复合材料未实现充分均匀的混合。经过拉伸训练后, CNM/PDMS复合材料形成的空洞, 其直径相对一致, 各个孔隙的间距也比较均一。这说明在拉伸过程中, CNM/PDMS复合材料经历了孔洞破坏、重连的历程。当孔洞形貌与物理特征相对均一时, 器件能够实现稳定的压阻响应输出。

2.3 呼吸监测实验

为了验证通过拉伸测试后的器件, 是否具备呼吸监测的功能, 运用CNM/PDM-S复合材料制备的柔性微纳器件进行了原位呼吸测试实验。图 4(a)是将经过拉伸训练的器件贴附在志愿者胸前皮肤表面。

图 4(b)为该志愿者的呼吸引起的电阻变化波形信号。获得的信号进行了0.01 Hz到0.35 Hz的带通滤波。结果表明在静息状态下, 该自愿者的呼吸周期约为7.3 s。呼吸引起的电阻变化均值为10.3 Ω±3.8 Ω。

3 结论

设计了一种可用于柔性微纳器件(如CNM与PDMS传感器制备的柔性应变传感器)的拉伸训练仪。这套拉伸训练仪主要由控制驱动系统、传动系统和夹持装置组成。文中对各个部件的设计与制作进行了详细的阐述。该装置可实现对柔性微纳器件进行有效便捷的压阻响应训练。下一步, 会将数控技术和传感器技术运用到装置中, 实现拉伸形变数据实时读取与器件稳定性衡量功能。