作为适应性最强的工程构件力学性能的测试元件，应变计被广泛应用于土木、铁路、机械和航空航天等工程领域的健康监测和风险预警。在军工领域，应变计也起到至关重要的作用。应变计既能对库存武器关键部件的受力情况、应力分布等性能参数进行实时监测，又能为库存武器性能的综合分析、老化模型的建立以及相关部组件的寿命预测，提供有效的实测数据支撑^[1-3]。电阻应变计已在表面比较平整的构件的常规应变测量中得到成功的应用。但对于具有复杂几何表面的构件(如水轮机的转轮，陀螺马达的轴承，压力容器的内壁等)，应变计的柔韧性明显不足；而对于复杂几何表面的应力分布、预紧力、残余应力、接触状态等的测试而言，应变计的测量精度也亟待大幅提高。鉴于石墨烯单分子层薄膜延展性能好(能承受的应变可达20%)、压阻系数高、重复性好、制备工艺简单等特点，石墨烯材料具备开发灵敏度高、柔性好、加工工艺简单、重复性好的应变计的优势^[4]。另一方面，PET塑料由于具备制备简单、成本低和机械性能优良等特点，成为制作柔性器件衬底材料的一种选择^[5]。前期，已有学者成功的在PET薄膜(膜厚 < 10 μm)上制备出单原子层石墨烯。就应变计的制作而言，由于PET薄膜过于柔软，因此必须首先将其粘附于玻璃或硅衬底上才能进行后续的图形化加工^[6]。该方法的不足之处是：(1) 应变计加工过程中PET薄膜容易发生褶皱形变，石墨烯、金属电极图形易断裂；(2) 加工后的应变计无法直接检测或使用^[7]。因此，本文提出直接采用PET塑料作为基底(厚度0.5~1 mm)进行石墨烯应变计的加工，并开发与PET塑料基片温度特性相兼容的微纳加工工艺。

1.   应变计设计

石墨烯应变计单元设计如图 1所示。其中，红色线条为石墨烯图形，长度为20 mm，宽度为400，200，150，100 μm。黄色部分为金属焊盘，用于检测不同长度石墨烯电阻条中的电阻。当PET塑料基底沿石墨烯长度方向发生形变时，石墨烯随之发生形变。石墨烯电阻值的相对变化量ΔR/R与其长度的变化量ΔL/L成正比，即^[1]

图  1  石墨烯压阻应变计设计图案

Figure  1.  Geometry design of graphene strain sensor

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其中，比例系数K即为石墨烯的压阻灵敏系数。考虑到本研究处于原理验证阶段，因此石墨烯图案设计为简单的条状矩形图案，简化器件的加工难度。

2.   应变计制作

石墨烯应变计的加工涉及两次图形转移过程，整体工艺较为简单。PET塑料衬底具有优良的坚韧特性，耐拉伸，抗冲击强度高。但由于其耐温性能较差，因此工艺过程应尽量回避高温工序。实验中发现，当工艺温度超过100 ℃时，PET塑料会发生永久性形变。因此本研究开发了与PET塑料相兼容的微纳加工工艺，并成功与石墨烯转移与图形化工艺相集成，具体加工流程如下(图 2)：

图  2  石墨烯压阻应变计加工流程图

Figure  2.  Fabrication process flow of graphene strain sensor

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(1) 准备：使用丙酮酒精对厚度为0.5 mm的PET衬底进行清洗并干燥；

(2) 石墨烯制备/转移：采用CVD方法在铜箔上生长单分子层石墨烯并转移至PET衬底^[8]；

(3) 光刻电极图案：旋涂瑞红304光刻胶，转速3000 r/min，时间20 s。常温下放置24 h后曝光，曝光能量58 mJ/cm²。显影采用瑞红3038显影液，时间60 s。

(4) 电极制备：经过50 ℃烘烤30 min后，采用磁控溅射方式制备电极材料。材料选用Cr/Au，厚度30 nm/200 nm；溅射功率400 W，真空度5×10^-4 Pa。随后使用丙酮浸泡去除光刻胶，去离子水冲洗残余金属；

(5) 光刻石墨烯图案：旋涂瑞红304光刻胶，转速3000 r/min，时间20 s。常温下放置24 h后曝光，曝光能量58 mJ/cm²。显影采用瑞红3038显影液，时间60 s。

(6) 石墨烯图案制备：采用RIE氧等离子体对石墨烯进行图形化刻蚀，氧气流量40 mL/min，功率150 W，时间20 s；随后使用丙酮浸泡去除光刻胶；

(7) 引线焊接：使用导电银胶连接焊盘与导线，设置烘烤温度60 ℃，时间2 h。

采用上述方法制备出的石墨烯应变计样品如图 3所示。由于石墨烯比表面积较大(2600 m²/g)，可与PET表面牢固粘附。加工过程中其他物质与石墨烯的作用力(如光刻胶旋涂与去除、去离子水清洗等)小于石墨烯与PET间的粘附力，因此未对石墨烯薄膜造成损坏。经显微镜观察，金属图案与石墨烯图案完整无断裂，且导电性良好。

图  3  在PET塑料片上制备出的石墨烯压阻应变计

Figure  3.  Fabricated graphene strain sensor on PET

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采用拉曼光谱对石墨烯进行表征，结果如图 4所示。其中2D峰的半高宽度约为29 cm^-1, 强度高于G峰，且无伴峰，符合单层石墨烯的判定依据^[9]。将导线与金属焊盘用导电银胶进行焊接(图 5)，即可对应变计进行装夹测试。本研究所提出的工艺路线与PET塑料相兼容，即可用于制备石墨烯柔性应变计，也可用于制作其他柔性器件，可提供技术支持。将导线与金属焊盘连接后的样品如图 5所示。

图  4  单层石墨烯的拉曼光谱图

Figure  4.  Raman spectra of graphene used in this study

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图  5  采用导电银胶将导线与金属焊盘相连接

Figure  5.  Graphene strain sensor after wire bonding

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3.   应变计测试

采用定制夹具对PET塑料片进行夹持(图 6)，加载应力后可使PET塑料片产生一定程度的形变，通过夹具上的标尺可计算出PET塑料片的形变量。将电阻测试仪(Applent Instruments)与应变计上所引出的导线相连，可测量在不同应力加载下，不同长度石墨烯图形的电阻值。

图  6  应变计装夹在应力加载装置上，并采用电阻测试仪对石墨烯电阻进行测试

Figure  6.  Sample fixed onto a strain loader and resistance meter used to measure resistance

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对石墨烯宽度为400，200，100 μm的图形进行了测试，应力加载方向均沿石墨烯长度方向。测试过程中应变量控制在0.05(拉应变)以内以避免金属或石墨烯出现裂痕。测试所得的电阻变化率-应变曲线如图 7所示。由于压阻系数为石墨烯材料的固有特性，因此不同尺寸石墨烯所表征出的测量曲线相近且趋势相同。其中，各测试点数据间的偏差主要由于工艺/测量误差所致。通过式(1)计算曲线斜率，可获得该石墨烯的压阻系数约为1.3，与文献报道中的石墨烯压阻系数相吻合^[4]。

图  7  石墨烯电阻变化率与应变关系曲线

Figure  7.  Resistance variation rate of graphene with different applied strain

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4.   结论

本研究利用PET塑料高柔性的特点，采用厚度0.5 mm的10.16 cm PET塑料片为基底，开发了面向塑料片的微纳加工工艺。由于塑料片与硅片有本质的区别，因此需对工艺过程的温度、化学试剂的成分选择等因素进行细致的研究。结果显示，本研究可有效实现对石墨烯+PET衬底的直接加工，避免了反复转移的过程以及金属断裂、热应力等不利因素。经测试，加工出石墨烯应变计线性特性良好，石墨烯压阻系数为1.3。本文所提出的针对PET衬底的微纳加工方法还适用于其他柔性器件的加工需求。