[發(fā)明專利]一種基于石墨烯D形光纖的超敏氣體傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010039953.4
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111189787B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 安寧;姚佰承;曹忠旭;李藝威;秦琛燁;饒云江
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27;G01N21/85;G02F1/35
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發(fā)明屬于傳感領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯D形光纖的超敏氣體傳感器。本發(fā)明通過金?石墨烯?金異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)施加外部電壓對石墨烯費(fèi)米能級進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過施加外部電壓，使得石墨烯費(fèi)米能級被調(diào)節(jié)到接近狄拉克點(diǎn)的位置，當(dāng)被傳感的氣體分子吸附到石墨烯上時，石墨烯的載流子濃度會發(fā)生變化，從而引起費(fèi)米能級的微小變化。由于此時石墨烯的費(fèi)米能級接近狄拉克點(diǎn)，石墨烯D形光纖的由輸入泵浦光所激發(fā)的四波混頻信號對外界傳感分子的響應(yīng)最為靈敏，此時傳感靈敏度達(dá)到最佳。本發(fā)明顯著地增強(qiáng)了輸入光信號與外界傳感分子的相互作用，體積小、結(jié)構(gòu)簡單，傳感靈敏度達(dá)到單分子量級，采用全光纖結(jié)構(gòu)，能方便的接入光纖傳感與通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時監(jiān)測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯D形光纖的超敏氣體傳感器。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，氣體傳感器開始被人們大范圍應(yīng)用于生活中對易燃、易爆、有毒有害氣體的探測，工業(yè)合成中氣體原料或產(chǎn)物濃度、廢氣成分的監(jiān)測，以及對大氣污染的檢測。

氣體傳感器種類繁多，按照工作原理可分為：電學(xué)類、光學(xué)類、電化學(xué)類和其他。而半導(dǎo)體傳感器和電化學(xué)傳感器最為常見。半導(dǎo)體傳感器成本低廉、工藝成熟、靈敏度較高、壽命長、對濕度敏感低，但它的性能與氣體敏感材料特性密切相關(guān)，同時還受傳感器工作溫度的強(qiáng)烈制約和影響，因此需要配合加熱器使用，導(dǎo)致功率和體積增加。電化學(xué)氣體傳感器則被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)場合。但是它體積大、壽命短、抗電磁干擾能力弱、系統(tǒng)復(fù)雜且某些傳感器容易受到來自其他特定氣體的干擾。

同時，人們對氣體傳感器性能要求也越來越高。新型氣體傳感器需要具備高靈敏度、準(zhǔn)確性，易于加工、集成，體積小、成本低，信息采集和處理快速高效等特性。高效、準(zhǔn)確的氣體傳感器能幫助人們有效避免相關(guān)事故發(fā)生，做到防患于未然，保護(hù)生命財產(chǎn)安全。

D形光纖是由圓柱形光纖經(jīng)過拋磨去掉一側(cè)的包層部分制作所得到的，具有制作工藝簡單，制作成本相對較低的優(yōu)點(diǎn)。通過減少或者去掉光纖一側(cè)的包層，當(dāng)光纖纖芯與拋磨面的距離只有幾微米時，光纖的倏逝場能量容易從拋磨區(qū)域泄露出來，形成纖芯傳輸光的泄露窗口，當(dāng)有材料貼附于D形光纖的拋磨區(qū)域時，光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘柵c貼附的材料發(fā)生相互作用，實(shí)現(xiàn)對光纖內(nèi)傳輸光信號的調(diào)制。

傳統(tǒng)基于D形光纖的傳感器雖然也是在D形光纖的拋磨平面貼附具有不同的薄膜材料來實(shí)現(xiàn)傳感功能。但是都只是簡單將薄膜材料貼附在相應(yīng)的拋磨平面，傳感靈敏度主要是由材料本身決定。一旦薄膜材料貼附在D形光纖的拋磨區(qū)域，相應(yīng)的器件的傳感靈敏度就已經(jīng)確定，這也限制了傳統(tǒng)基于D形光纖的傳感器的靈敏度。近幾年基于D形光纖的傳感器的研究主要是通過改變貼附在D形光纖上的薄膜材料來擴(kuò)展基于D形光纖傳感器的應(yīng)用，而針對其靈敏度的創(chuàng)新性研究也主要是通過改變同種材料的性質(zhì)來提升特定種類傳感器的靈敏度，并沒有實(shí)質(zhì)上針對D形光纖傳感器靈敏度的提升方案，這也是基于D形光纖的傳感器的局限所在。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，為保證傳感器在具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)單分子量級的傳感靈敏度的傳感功能，來替代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗干擾能力弱、應(yīng)用面局限的電化學(xué)氣體傳感器和改進(jìn)傳感靈敏度仍然相對較低的光學(xué)氣體傳感器。本發(fā)明提供一種基于石墨烯D形光纖的超敏氣體傳感器。

一種基于石墨烯D形光纖的超敏氣體傳感器，由D形光纖和金-石墨烯-金異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)薄膜組成。

所述D形光纖的拋磨面區(qū)域包括中間的平坦區(qū)域和兩端的斜面區(qū)域，拋磨面區(qū)域長度3-8毫米，其中平坦區(qū)域長度占拋磨面長度的70％-80％，兩端的斜面區(qū)域長度相同；拋磨深度為拋磨平面距纖芯1-5微米，由芯徑8微米，外包層直徑125微米的單模光纖制成。

所述金-石墨烯-金異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)薄膜為中間石墨烯薄膜、兩端金膜，中間石墨烯薄膜與兩端的金膜相互接觸；石墨烯薄膜完全覆蓋D形光纖拋磨面區(qū)域的平坦區(qū)域，拋磨面區(qū)域長度＞石墨烯薄膜長度≥拋磨面平坦區(qū)域長度；金膜厚度大于20納米，石墨烯薄膜為單層石墨烯薄膜。