[發明專利]一種基于石墨烯傳感器的壓力測量方法

有效

• 申請號: 202110706784.X
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113624369B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 李艷;楊福鈴;梁帥;趙夢宇;肖屹峰
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 李曉莉

1.一種基于石墨烯傳感器的壓力測量方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

(1)，建立壓力敏感結構-石墨烯模型，壓力敏感結構在壓力(F)的作用下形狀改變，改變壓力敏感結構-石墨烯的接觸面積(S)，得到壓力(F)與壓力敏感結構-石墨烯接觸面積(S)的關系；

所述步驟(1)中，壓力敏感結構-石墨烯力學模型簡化為壓力敏感結構單獨形變，由于壓力敏感結構的金字塔側邊對稱，每個金字塔的貢獻是相等的，壓力(F)與壓力敏感結構在與石墨烯接觸平面上的變形量關系為：

其中，F為待測壓力(N)，δ為平面上的壓力敏感結構的變形量(μm)，E為楊氏模量(MPa)，v為泊松比(無單位)，θ為PDMS金字塔母線傾斜角(度)；無壓力狀態下壓力敏感結構與石墨烯存在初始接觸面積，考慮變形量和初始接觸面積，可以得到壓力(F，)與壓力敏感結構-石墨烯接觸面積(S，單位為μm²)的關系；

(2)，壓力敏感結構-石墨烯的接觸面積(S)改變后，壓力敏感結構替代空氣與石墨烯接觸，石墨烯周圍空間的光場分布發生變化；應用反射率法分析光場的變化，進而計算得到復合結構的有效折射率(n_eff)；得到壓力敏感結構-石墨烯接觸面積(S)與石墨烯復合結構的有效折射率(n_eff)的關系；

所述步驟(2)中的所述反射率法具體過程包括：

施加壓力時，設置在壓力感知區域的壓力敏感結構會發生變形，壓力敏感結構與石墨烯的接觸面積發生變化，石墨烯復合結構的反射率發生變化；

式中，R為壓力感知區域石墨烯復合波導的反射率，r1為石墨烯-光波導界面的反射率；r2為石墨烯-壓力敏感結構界面的反射率；n_G為石墨烯的折射率；n_e為石墨烯周圍空間的折射率；λ為光信號的波長，單位為nm；d為石墨烯層的厚度，單位為nm；Jk為k的虛部；最終得到的有效折射率n_eff與接觸面積(S，單位為μm²)之間的關系為：

n_eff＝-0.0008S²+0.0074S+n_eff(s₀)

其中，n_eff(s₀)為壓力敏感結構與石墨烯的接觸面積為初始接觸面積s₀時，石墨烯復合波導的有效折射率；

(3)，有效折射率(n_eff)的變化影響光波導中光信號的強度和相位，光波導的輸出光譜隨之發生變化，利用MZI干涉法得到光波導的輸出光譜，進而得到石墨烯復合結構的有效折射率(n_eff)和波谷漂移量的關系；

所述步驟(3)中的MZI干涉法具體過程包括：

光波導層的參考臂和干涉臂輸入的兩路光信號的強度與相位相同，經過兩臂后兩路光信號的相移量為和相移量為：

輸出光強可以表示為：

式中，E₀為輸出光信號的振幅，λ為光信號的波長，單位為nm；L為干涉臂上壓力感知區域的長度，單位為mm；Re(n_eff)為壓力感知區域的石墨烯復合結構的有效折射率的實部；

(4)，在分析計算單元中對輸出光譜進行分析，得到壓力作用下的輸出光譜波谷漂移量最終得到施加在傳感器上的壓力(F)與波谷漂移量的線性關系；

步驟(4)包括：

(41)光源發出的寬譜光源經過偏振器后耦合到石墨烯傳感器中，使用光譜分析儀檢測該壓力傳感器的輸出光譜，得到無壓力狀態時的輸出光譜；

(42)將相同的寬譜光源經過偏振后，輸入到該傳感器中，在石墨烯傳感器的壓力傳感區域施加已知壓力，利用光譜分析儀檢測該傳感器的調制光，并將結果傳輸到計算機中，得到已知壓力下的傳感器輸出光譜干涉波谷漂移量，完成標定，得到壓力-波谷漂移量系數；

(43)在相同波長的光源輸入情況下，施加未知壓力，在計算機中將壓力狀態下的輸出光譜與無壓力狀態的輸出光譜進行比對，得到干涉波谷的漂移量，并利用已經設計好的程序計算得到施加的壓力。