[发明专利]一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，包括硅压力敏感单元(1)、石墨烯膜(2)、夹持件(3)、玻璃封盖(4)、插芯(5)以及光纤(6)。传感器以真空封装的石墨烯膜为谐振元件，通过对悬浮石墨烯膜光热激振，并基于法布里‑珀罗干涉原理检测石墨烯膜挠度变形。硅压力敏感单元的主体为感压硅膜，在硅膜上表面制作有盲孔结构，石墨烯膜通过夹持件被周边固支于硅膜上表面的盲孔上。外部被测压力直接作用于感压硅膜使其产生应变，导致位于硅膜上方的石墨烯膜的刚度改变，进而使石墨烯谐振频率发生改变，通过解调该谐振频率的变化实现压力测量。本发明的压力传感器尺寸微型化、测量范围宽、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰。

技术领域

本发明涉及谐振器及光纤传感技术领域，具体涉及一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器及其制作方法。

背景技术

谐振式传感器是通过测量谐振元件谐振特性以获取被测量变化的高性能传感器，其具有优良的分辨力、稳定性和重复性，且传感器输出为周期性的准数字信号。微机械谐振式压力传感器基于传统的压力测量原理，通过压力敏感单元将压力转化为应变，导致谐振敏感元件的谐振特性变化，从而测量压力。相比传统的压力传感器，其具有体积微型化、能耗低、数字输出、高分辨力的特点。目前，谐振式微机械压力传感器主要采用硅材料作为谐振敏感元件，广泛用于航空航天、工业检测、武器装备、石油化工、资源勘探等方面。1992年，Schlumberger公司的Diogenes等人将光纤激励与微型硅梁谐振相结合用于压力传感，并对整体结构进行封装，但传感器整体尺寸较大，为22mm×22mm×25mm(长×宽×高)。1995年，Honeywell公司的Burns等人将硅晶圆和玻璃封盖键合，实现硅梁谐振子的封装，并采用静电激励与压阻检测的激振/拾振方式，未涉及光纤激振/拾振结构。

近年来，石墨烯等二维材料的发现使单原子层厚度的振膜在微纳谐振器中的应用成为了可能。由于其优异的机械、热力学性能和较宽的可调谐范围，石墨烯材料具有NEMS谐振器理想材料的特征；但目前石墨烯谐振式压力传感器件研究仍停留在实验室阶段，且较多为石墨烯谐振特性的相关理论与实验效应研究。2007年，美国康奈尔大学J.Scott Bunch等首次将石墨烯膜用于谐振器上，在MHz范围内通过静电/光学两种方式实现谐振器的激振，并通过空间光干涉测量法进行检测，测得的谐振频率介于1～170MHz，品质因数介于20～850之间。2014年，香港理工大学的Jun Ma等制作了光纤式石墨烯谐振器，并进行了不同压力对梁式谐振子的频率影响实验，并申请了专利(CN103994851)，但其石墨烯薄膜直接敏感被测压力，与被测介质直接接触，造成稳定性与可靠性无法得到保证。2016年，荷兰代尔夫特理工大学的Dolleman等人报道了一种哑铃形石墨烯谐振式压力传感器，实现了超高的压力灵敏度(9kHz/mbar)，但由于敏感膜直接暴露在被测环境，仍存在测量范围小、稳定性差、Q值低的劣势。2018年，中科院半导体所张明亮等人公开了一种石墨烯谐振式MEMS压力传感器的离子注入原位制备谐振子的制作方法(CN108190829A)，该传感器的封装采用硅和玻璃阳极键合的方案，其中玻璃只起保护作用，且基于电学激励电学检测原理，不同于本专利的光学激振/拾振方式。

总体上，现有文献和专利未涉及到光纤激振/拾振的高性能石墨烯谐振式压力传感器，主要原因是由于石墨烯直接暴露于被测环境，品质因数受待测环境压力影响，导致石墨烯谐振状态的稳定性较差，这也是目前石墨烯谐振式压力传感器研究中普遍存在的问题。因此，本专利提出了一种基于光纤光热激振/拾振的具有真空封装与夹持结构的石墨烯谐振式压力传感器。由于谐振子与外界环境隔离，且通过硅压力敏感单元传递应变，可大幅提升此压力传感器的品质因数、稳定性以及测量范围，在深空探测的空间环境压力、航空大气压力、生物组织内微压力测量等领域具有重要的应用价值。

发明内容