[發(fā)明專利]一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測量方法、裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310564209.6
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103557929A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李成;郭婷婷;樊尚春;肖俊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖傳感的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測量方法、裝置。

背景技術(shù)

光纖法珀傳感器是目前歷史最長、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為普遍的一種光纖傳感器。由于其適合遠(yuǎn)距離、小空間、惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在航空航天、軍工船舶、環(huán)境檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

微型光纖F-P腔聲壓傳感器通常為毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)，但毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對壓強感知靈敏度低，不利于小壓強范圍的測量。對于膜片式F-P結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵的兩個因素是干涉腔和膜片。目前，對于干涉腔的加工工藝，2009年Chen?L.H.等人在光纖端面直接腐蝕形成干涉腔（參見：Chen,L.H.,et?al.Chitosan?Diaphragm-Based?Fiber?Optic?Pressure?Sensor.Conference?on?Lasers?and?Electro-Optics/Pacific?Rim.Optical?Society?of?America,2009.），但這種利用化學(xué)方式腐蝕的方法操作繁瑣，且可控性差；同年，于清旭等人選擇采用對毛細(xì)管切割，利用熔接機將其熔接到光纖端面形成干涉腔（參見：于清旭,賈春艷.膜片式微型FP腔光纖壓力傳感器[J].光學(xué)精密工程,2009,17(12):2887-2892.），但該方法對毛細(xì)管切割工藝要求比較高，切割工藝直接影響著形成法珀腔的腔長大小，并且熔接過程中造成的多變型比較大；2012年Xu?F.等人利用插芯的內(nèi)孔直接作為干涉腔，制作了微型干涉F-P傳感器（參見：Xu?F,Ren?D,Shi?X,et?al.High-sensitivity?Fabry–Perot?interferometric?pressure?sensor?based?on?a?nanothick?silver?diaphragm[J].Optics?letters,2012,37(2):133-135.），其腔長的確定無需腐蝕或者切割工藝，利用插入的方法可動態(tài)確定腔長的大小。此外，對于膜片的選擇，目前膜片式結(jié)構(gòu)的F-P光纖傳感器通常有石英膜、有機膜、光子晶體硅膜、銀膜等。例如，2006年，張桂菊等采用石英膜改進(jìn)了低壓F-P傳感器探頭的設(shè)計（參見：張桂菊,于清旭.基于非本征光纖FP腔的低壓傳感器研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006,10:003.），采用切割石英絲的方法制作石英薄膜，膜厚的減小主要依賴于切割技術(shù)；2009年Said?M?M等采用有機膜PDMS制作了F-P腔壓力傳感器（參見：Said?M?M,Radzi?S?A,Noh?Z?M,et?al.A?new?diaphragm?material?for?optical?fibre?Fabry-Perot?pressure?sensor[C]//MEMS,NANO,and?Smart?Systems(ICMENS),2009Fifth?International?Conference?on.IEEE,2009:154-158.），采用粘附液體PDMS，通過將其固化形成薄膜，但膜厚的均勻性有很大的不可控性；2010年，Akkaya?O?C等利用450nm光子晶體硅膜制作了F-P壓力傳感器（參見：Akkaya?O?C,Kilic?O,Digonnet?M?J?F,et?al.High-sensitivity?thermally?stable?acoustic?fiber?sensor[C]//Sensors,2010IEEE.IEEE,2010:1148-1151.）；以及2012年Xu?F等采用125nm銀膜制作了F-P腔壓力傳感器（參見：Xu?F,Ren?D,Shi?X,et?al.High-sensitivity?Fabry–Perot?interferometric?pressure?sensor?based?on?a?nanothick?silver?diaphragm[J].Optics?letters,2012,37(2):133-135.）。上述方法中所用膜片雖然在一定程度上提高了傳感器的靈敏度，但由于受薄膜厚度的影響，其壓力敏感性在一定程度上也受到限制。為進(jìn)一步降低薄膜的厚度，研究者提出了一系列改進(jìn)方法，例如采用含有氫氟酸腐蝕制作好的薄膜、先拋光再腐蝕薄膜，以及激光處理膜片（參見：劉宇,王萌,王博,等.激光加工硅片的膜片式法—珀干涉型光纖壓力傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(1):112-114.）等方法。但該過程繁雜，且在操作過程中對薄膜破損的幾率大幅增加，則進(jìn)展并不大。而新材料—石墨烯的發(fā)現(xiàn)，可顯著減小敏感薄膜的厚度。