[發明專利]基于石墨烯機械振子高溫傳感器及工作方法

有效

• 申請號: 202110958390.3
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113639776B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 鄧光偉;趙子凡;程則迪;陳慧;牛曉濱;周強;王浟;宋海智
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡

本發明提供一種基于石墨烯機械振子高溫傳感器及工作方法，石墨烯機械振子包括圖案化的襯底和石墨烯，構成光學諧振腔；石墨烯機械振子高溫傳感器包括光學諧振腔、探測激光源、驅動激光源、光纖準直器、透鏡、精密針孔、高反鏡、半波片、四分之一波片、偏振分束器、電光調制器、照明光源、CCD相機、光電探測器、鎖相放大器；相比于傳統傳感器，本發明所述的石墨烯傳感器具有制備工藝簡單、體積小、質量小、諧振頻率高、品質因子高和靈敏度高等優點，且在高溫下也具有良好的穩定性。體量輕便、靈敏度高、耐高溫特性的石墨烯機械振子傳感器在現代精密測量領域有著廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及到石墨烯機械振子的設計及制備、腔光力學、聲子信息器件、精密測量等技術領域，具體為一種基于石墨烯機械振子高溫傳感器及工作方法。

背景技術

傳感器技術作為現代科技的前沿技術，在不同行業有著重要的作用。傳感器將來自外部環境的物理量變化進行感知和測量，并將其轉換成能被人或機器解讀的信號，在運輸行業、通信領域、生物醫療、航空船舶、工業技術等領域得到了廣泛的應用。近年來，傳感器越來越趨于小型化、微型化發展，隨著微納制造技術的進步，新型微納米機械振子成為制造傳感器的有力候選者。石墨烯具有超小的尺寸、獨特的力學、熱學和電學性能，基于石墨烯制備的納米機械振子傳感器展現出體積小、質量輕、諧振頻率高、品質因子高和靈敏度高等特點，可廣泛用于溫度、壓力、質量、加速度等物理量的測量。石墨烯與預先圖案化的襯底構成干涉光學諧振腔，驅動激光光強經電光調制器調制為正弦光強，將微波驅動信號輻射到石墨烯機械振子表面進行共振驅動；探測激光入射石墨烯機械振子，其反射光強隨光學諧振腔深度變化而變化，受到石墨烯機械振動模式的調制，該反射光強信號經光電探測器轉換為電信號，通過鎖相放大器可將石墨烯機械振子的諧振模式提取出來。外部環境物理量發生變化時，石墨烯機械振子的物理性質隨之改變，振動模式發生頻移，通過對諧振模式的變化進行測量及標定，即可實現對物理量變化的傳感。在石墨烯機械振子的源漏電極上施加電壓，產生焦耳熱，石墨烯溫度升高，其在高溫下具有良好的熱穩定性，使石墨烯機械振子在高溫下得以正常工作。

發明內容

鑒于現有技術的不足之處，本發明旨在提供一種石墨烯機械振子及工作方法。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種基于石墨烯機械振子高溫傳感器，包括探測光路、驅動光路、匯聚光路、反射光路；

沿探測光路方向，依次包括探測激光源、與探測激光源發出的空間光耦合的第一單模光纖1-1、與第一單模光纖1-1連接的第一光纖耦合器2-1、與第一光纖耦合器2-1中心對準的第一半波片3-1、與第一半波片3-1出射光對準的第一偏振分束棱鏡4-1、與第一偏振分束棱鏡4-1出射光對準的第一透鏡5-1、與第一透鏡5-1中心對準的第一精密針孔6-1、與第一精密針孔6-1中心對準的第二透鏡5-2、與第二透鏡5-2中心對準的第三半波片3-3、對第三半波片3-3的出射光進行反射的第一高反鏡7-1、與第一高反鏡7-1出射光對準的第三偏振分束棱鏡4-3、與第三偏振分束棱鏡4-3出射光對準的第四半波片3-4；第三偏振分束棱鏡4-3遠離第三半波片3-4的一側設有照明光源8；

沿驅動光路方向，依次包括：驅動激光源、與驅動激光源的空間光耦合的第二單模光纖1-2、與第二單模光纖1-2連接的第二光纖耦合器2-2、調制驅動光源的電光調制器19、與電光調制器19對準的第二半波片3-2、與第二半波片3-2出射光對準的第二偏振分束棱鏡4-2、與第二偏振分束棱鏡4-2出射光對準的第三透鏡5-3、與第三透鏡5-3中心對準的第二精密針孔6-2、與第二精密針孔6-2中心對準的第四透鏡5-4、對第四透鏡5-4的出射光進行反射的第二高反鏡7-2；

匯聚光路包括將第四半波片3-4出射的探測光路與第二高反鏡7-2反射的驅動光路匯聚的二向色鏡9、與二向色鏡9出射光對準的第四偏振分束棱鏡4-4、與第四偏振分束棱鏡4-4出射光對準的四分之一波片10、與四分之一波片10中心對準的物鏡11、與物鏡11中心對準的石墨烯機械振子12、控制石墨烯機械振子12移動的納米電動位移臺13；