[發(fā)明專利]一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410181543.8
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103954590A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚佰承;吳宇;饒?jiān)平?/a>
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 張楊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種光纖模間干涉氣體傳感器領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、等氣體探測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的終端。在造紙、煉油等排污控制中，氣體必須先經(jīng)過檢查才允許排放；在金屬冶煉、有機(jī)化學(xué)生產(chǎn)等過程中，生產(chǎn)環(huán)境的氣體成分控制直接決定化工產(chǎn)品的質(zhì)量；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，藥品質(zhì)量檢測、人體內(nèi)部病變判斷、DNA研究等都依賴于先進(jìn)的流體傳感手段，尺寸微小、能耗低、無化學(xué)副作用的傳感器的發(fā)明和應(yīng)用將直接帶動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。?

而現(xiàn)存的光學(xué)氣體傳感器一般靠氣體分子與光學(xué)介質(zhì)發(fā)生作用后改變光學(xué)結(jié)構(gòu)本身光學(xué)特性而進(jìn)行傳感，需要依靠較大的接觸面積，反應(yīng)時(shí)間較長(一般為毫秒級)，傳感效率較低、靈敏度甚至往往低于電學(xué)傳感器，體積和表面積較大、不容易集成；一般只能傳感單一種類的氣體；且常用的塑膠類光纖、光波導(dǎo)化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，容易因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的不可逆，輸出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。如：光子晶體光纖-氣敏材料復(fù)合氣體傳感器，其長度一般為幾十厘米，直徑一般為幾百個(gè)微米，當(dāng)氣體進(jìn)入其光纖內(nèi)腔后，與氣敏材料相互作用并改變光纖的傳輸特性，從而實(shí)現(xiàn)傳感，這一過程復(fù)雜且耗時(shí)較長；光纖F-P氣體傳感器封裝后尺寸一般達(dá)到幾百微米，通過感應(yīng)外界氣體分子進(jìn)入其F-P腔體以改變的腔內(nèi)折射率來進(jìn)行傳感，一般僅用于測量分子量大的氣體；基于微光纖與氣敏材料相結(jié)合的強(qiáng)度型氣體傳感器主要根據(jù)氣體分子與氣敏材料作用后，帶來的光強(qiáng)度衰減來進(jìn)行傳感，這種傳感技術(shù)雖然響應(yīng)迅速，但靈敏度低、可重復(fù)性較差、容易受到外界溫度和氣壓的干擾，由于這些問題，現(xiàn)今的光學(xué)氣體傳感手段在醫(yī)學(xué)、精密化工等領(lǐng)域中的應(yīng)用存在很大的障礙。?

文獻(xiàn)《Hybrid?Graphene-Microfiber?Waveguide?for?Chemical?Gas?Sensing(石墨烯微光纖的貼附型混合波導(dǎo)化學(xué)氣體傳感器)》VOL.20,NO.1,JANUARY/FEBRUARY2014，Yu?Wu,Bai-Cheng?Yao,Yang?Cheng,Yun-Jiang?Rao，公開了一種石墨烯微光纖的貼附型混合波導(dǎo)氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)包括：基板、石墨烯層、輸入光纖、輸出光纖，其中基板上設(shè)置一石墨烯層，石墨烯層上設(shè)置輸入光纖和輸出光纖，輸入光纖和輸出光纖耦合連接。該裝置存在如下缺陷：1.光纖位于石墨烯層上，接觸面積小，石墨烯吸附氣體分子后對光纖中傳播的光線影響率有限；2.該方法用石墨烯吸附氣體分子后改變光纖中光線強(qiáng)度，通過解調(diào)該裝置輸出的光線強(qiáng)度來判斷氣體類型，其靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間長、動(dòng)態(tài)范圍??；3.該帖附型傳感結(jié)構(gòu)石墨烯層面積過?大，易受周圍環(huán)境影響，可靠性較低。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是正對背景技術(shù)的不足設(shè)計(jì)一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器，從而達(dá)到尺寸微小、精度高、靈敏度高、工作穩(wěn)定、可重復(fù)使用的目的。?

本發(fā)明的技術(shù)方案是在氟化鎂基片上設(shè)置一根通過熔融拉錐方法拉制成的微光纖，在該微光纖中段覆蓋一單層石墨烯材料，由于單層石墨烯材料其原子間化學(xué)鍵和核外電子態(tài)對周圍環(huán)境極其敏感，與微量的氣體分子接觸就會明顯改變其介電常數(shù)的分布，從而改變其光學(xué)折射率，最終改變光在光纖中傳播的模間干涉譜，通過檢測干涉譜來辨別氣體的類型，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。因此本發(fā)明一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器包括：基片、單模微光纖、石墨烯薄膜，其特征在于微光纖設(shè)置于基片上，光纖中段覆蓋一層石墨烯薄膜。?

其中基片材料為氟化鎂；光纖中段直徑為10um，兩端直徑為125um，長度為3cm；石墨烯層厚度為0.38nm，石墨烯包裹的光纖長度為1mm。?

本發(fā)明提出一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器通過在氟化鎂基片上設(shè)置一根微光纖，然后在該微光纖中段覆蓋一層很薄的石墨烯材料，從而具有尺寸微小、精度高、靈敏度高、工作穩(wěn)定、可重復(fù)使用的效果。?

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；?

圖2本發(fā)明在空氣中(左)和高濃度丙酮中(右)的模場對比；?

圖3本發(fā)明在不同氨氣濃度下檢測輸出諧振譜的變化示意圖；?

圖4本發(fā)明的溫度對檢測結(jié)果影響示意圖。?

圖中：1.氟化鎂基片，2.石墨烯薄膜，3.單模光纖，4.單模光纖拉制而成的微光纖，5.輸入端，6.輸出端。?

具體實(shí)施方式

一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器，該裝置自下而上由氟化鎂基片、模間干涉微光纖、石墨烯薄膜組成。其中直徑為125um的單模光纖3通過熔融拉錐方法拉制直徑為10um的微光纖4，緊貼在氟化鎂基片上，微光纖中段由一層厚度為0.38納米的單層石墨烯薄膜包裹，包裹的光纖長度為1mm。使用通信波段(1500～1600納米)的光信號沿單模光纖輸入微光纖，其以倏逝波形式與石墨烯包層接觸并作用，其包層模式和芯層模式相互干涉。將干涉信號由普通單模光纖輸出到光譜儀中，分析其模間干涉譜。改變該傳感器附近氣體分子濃度，可以觀察?到干涉譜的諧振強(qiáng)度和諧振峰位置的變化。圖3為本發(fā)明在不同氨氣濃度下，輸出諧振譜的變化示意圖，圖4為溫度對檢測結(jié)果的影響示意圖。?