[发明专利]一种石墨烯波纹膜光纤F-P声压传感器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯波纹膜光纤F‑P(Fabry‑Perot)声压传感器及其制作方法，包括单模光纤(1)、光纤插芯(2)和石墨烯波纹膜(3)。所述的声压传感器以波纹状石墨烯膜为压力敏感单元，利用单模光纤传导激光，基于光纤F‑P干涉原理，实现薄膜挠度形变的高灵敏度探测。所述的石墨烯波纹膜相对于传统的圆平膜片，具有波纹状结构，因膜内应力释放，可有效提高薄膜压力‑挠度特性。本发明所述的声压传感器具有结构简单、体积小、高灵敏度、抗电磁干扰等优点，在航空航天、噪声测量、语音交互等声学探测领域具有重要的研究意义和应用价值。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种波纹状石墨烯膜光纤F-P声压传感器及其制作方法。

背景技术

能够感受声压并将其转换为可输出信号的传感器为声压传感器。随着传感器技术的发展，声压传感器被广泛应用到国防军事、生物医疗、国民经济等各个领域。传统的电容式声压传感器尺寸通常比较大，电压灵敏度为50mV/Pa，且易受电磁干扰的影响。随着科学技术的发展和航空航天领域应用要求，对小型化、高灵敏度的声传感器的需求越来越迫切。

1987年，美国国家航天局学者G.Beheim设计制作了光纤式F-P压力传感器(参见：Beheim G,Fritsch K,Poorman R N.Fiber-linked interferometric pressure sensor[J].Review of Scientific Instruments,1987,58(9):1655-1659.)，因其高可靠性、高灵敏度、耐恶劣环境、抗电磁干扰、小型化和重量轻的优势而成为研究热点。随后至今，国内外研究人员先后采用石英膜、硅膜、银膜、金膜以及壳聚糖、聚合物等有机膜作为压敏单元，对F-P压力传感器进行大量的研究，并主要通过改变薄膜的径厚比来提升传感器的性能，但会受到薄膜制备工艺的限制。

2004年英国曼彻斯特大学K.S.Novoselov等人采用机械剥离的方法将石墨一层层的剥离，得到一种二维只有单原子厚度的碳族薄膜-石墨烯(参见：Novoselov K S,Geim AK,Morozov S V,et al.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science,2004,306(5696):666-669.)。随后，围绕该材料的机械、光学和电学等性能的研究得到了学者们的关注，可突破F-P压力传感器的薄膜材料以及薄膜制备工艺的限制，对提高F-P压力传感器灵敏度起到了重要作用，并可以应用于声压的检测与测量。例如，2012年英国皇家理工大学A.D.Smith把石墨烯转移到带有凹槽的二氧化硅基片上，通过改凹槽内外压差来改变石墨烯的形变(参见：Smith A D,Vaziri S,Delin A,et al.Strainengineering in suspended graphene devices for pressure sensor applications[C].International Conference on Ultimate Integration on Silicon.IEEE,2012:21-24)，结果表明此种结构确实可以使石墨烯薄膜发生形变，这为以后将石墨烯用作于压力传感奠定基础。同年，香港理工大学靳伟等人将石墨烯膜转移至内孔径为25μm毛细管端面制成F-P压力传感器(参见：Ma J,Jin W,Ho H L,et al.High-sensitivity fiber-tippressure sensor with graphene diaphragm[J].Optics Letters,2012,37(13):2493-2495.),实验结果表明该传感器的灵敏度为39.4nm/kPa，次年，该团队将多层石墨烯转移至内孔径为125μm的陶瓷插芯端面制成F-P传感器(参见：Ma J,Xuan H F，Ho H L,etal.Fiber-optic Fabry-perot acoustic sensor with multilayer graphene diaphragm[J].IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(10):932-935.)，经过实验测量，其灵敏度为1.1nm/Pa，这表明增大石墨烯膜的尺寸，可以提升传感器的灵敏度。2015年，北京航空航天大学李成等人将少层石墨烯膜转移至内孔径为125μm的陶瓷插芯端面制成F-P传感器(参见：Li C,Gao X Y,Guo T T,et al.Analyzing the applicability of miniatureultra-high sensitivity Fabry-Perot acoustic sensor using a nanothick graphenediaphragm.Measurement Science and Technology,2015,26:085101.)，实验结果表明，该传感器的灵敏度为2.38nm/Pa，由此可见降低石墨烯膜的厚度可以提高传感器的灵敏度。2018年，华中科技大学鲁平等人将少层石墨烯膜转移至直径为2mm且具有喇叭形空腔的陶瓷插芯端面，制作了基于大面积石墨烯膜的宽频F-P声压传感器(参见：Ni W J,Lu P,Fu X,et al.Ultrathin graphene diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interferometerfor ultra-wideband fiber optic acoustic sensing.Optics Express,2018,26(16):20758-20767.)，离散音频的声压测试表明，低于100Hz的谐振频率使该传感器具有相对平坦的频响但较低的信噪比(～35dB)。因此，本发明基于波纹状石墨烯膜，利用薄膜上的波纹结构降低转移后薄膜的预应力，从而提升传感器的压力-挠度特性。