[发明专利]一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器

说明书

本发明属于传感领域，具体涉及一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器。本发明通过金‑石墨烯‑金异质结结构施加外部电压对石墨烯费米能级进行调节，通过施加外部电压，使得石墨烯费米能级被调节到接近狄拉克点的位置，当被传感的气体分子吸附到石墨烯上时，石墨烯的载流子浓度会发生变化，从而引起费米能级的微小变化。由于此时石墨烯的费米能级接近狄拉克点，石墨烯D形光纤的由输入泵浦光所激发的四波混频信号对外界传感分子的响应最为灵敏，此时传感灵敏度达到最佳。本发明显著地增强了输入光信号与外界传感分子的相互作用，体积小、结构简单，传感灵敏度达到单分子量级，采用全光纤结构，能方便的接入光纤传感与通信网络，实现快速实时监测。

技术领域

本发明属于传感领域，具体涉及一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器。

背景技术

随着工业不断发展，人们生活水平不断提高，气体传感器开始被人们大范围应用于生活中对易燃、易爆、有毒有害气体的探测，工业合成中气体原料或产物浓度、废气成分的监测，以及对大气污染的检测。

气体传感器种类繁多，按照工作原理可分为：电学类、光学类、电化学类和其他。而半导体传感器和电化学传感器最为常见。半导体传感器成本低廉、工艺成熟、灵敏度较高、寿命长、对湿度敏感低，但它的性能与气体敏感材料特性密切相关，同时还受传感器工作温度的强烈制约和影响，因此需要配合加热器使用，导致功率和体积增加。电化学气体传感器则被广泛应用在各种工业场合。但是它体积大、寿命短、抗电磁干扰能力弱、系统复杂且某些传感器容易受到来自其他特定气体的干扰。

同时，人们对气体传感器性能要求也越来越高。新型气体传感器需要具备高灵敏度、准确性，易于加工、集成，体积小、成本低，信息采集和处理快速高效等特性。高效、准确的气体传感器能帮助人们有效避免相关事故发生，做到防患于未然，保护生命财产安全。

D形光纤是由圆柱形光纤经过抛磨去掉一侧的包层部分制作所得到的，具有制作工艺简单，制作成本相对较低的优点。通过减少或者去掉光纤一侧的包层，当光纤纤芯与抛磨面的距离只有几微米时，光纤的倏逝场能量容易从抛磨区域泄露出来，形成纤芯传输光的泄露窗口，当有材料贴附于D形光纤的抛磨区域时，光纤内传输的光信号与贴附的材料发生相互作用，实现对光纤内传输光信号的调制。

传统基于D形光纤的传感器虽然也是在D形光纤的抛磨平面贴附具有不同的薄膜材料来实现传感功能。但是都只是简单将薄膜材料贴附在相应的抛磨平面，传感灵敏度主要是由材料本身决定。一旦薄膜材料贴附在D形光纤的抛磨区域，相应的器件的传感灵敏度就已经确定，这也限制了传统基于D形光纤的传感器的灵敏度。近几年基于D形光纤的传感器的研究主要是通过改变贴附在D形光纤上的薄膜材料来扩展基于D形光纤传感器的应用，而针对其灵敏度的创新性研究也主要是通过改变同种材料的性质来提升特定种类传感器的灵敏度，并没有实质上针对D形光纤传感器灵敏度的提升方案，这也是基于D形光纤的传感器的局限所在。

发明内容

针对上述问题，为保证传感器在具有体积小、结构简单等优点的基础上，实现单分子量级的传感灵敏度的传感功能，来替代结构复杂、抗干扰能力弱、应用面局限的电化学气体传感器和改进传感灵敏度仍然相对较低的光学气体传感器。本发明提供一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器。

一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器，由D形光纤和金-石墨烯-金异质结结构薄膜组成。

所述D形光纤的抛磨面区域包括中间的平坦区域和两端的斜面区域，抛磨面区域长度3-8毫米，其中平坦区域长度占抛磨面长度的70％-80％，两端的斜面区域长度相同；抛磨深度为抛磨平面距纤芯1-5微米，由芯径8微米，外包层直径125微米的单模光纤制成。

所述金-石墨烯-金异质结结构薄膜为中间石墨烯薄膜、两端金膜，中间石墨烯薄膜与两端的金膜相互接触；石墨烯薄膜完全覆盖D形光纤抛磨面区域的平坦区域，抛磨面区域长度＞石墨烯薄膜长度≥抛磨面平坦区域长度；金膜厚度大于20纳米，石墨烯薄膜为单层石墨烯薄膜。