一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測(cè)量方法、裝置制造方法【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測(cè)量方法、裝置，該傳感器基于石墨烯膜和光纖法珀干涉光學(xué)原理制成。首先，清洗處理單模光纖和轉(zhuǎn)移石墨烯膜，并將石墨烯膜吸附至氧化鋯單模插芯；然后，將處理后的單模光纖從另一端插入氧化鋯插芯。這樣，通過(guò)由單模光纖端面和石墨烯膜組成法珀干涉的兩個(gè)反射面，形成光纖-空氣-石墨烯膜干涉腔，并搭建干涉腔腔長(zhǎng)檢測(cè)裝置，應(yīng)用雙峰法解調(diào)干涉光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微弱聲壓信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)。該傳感器具有制作簡(jiǎn)單、高靈敏度、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于膜片厚度減少受限而造成的傳感器靈敏度較低的問(wèn)題，提高了膜片式聲壓傳感器的靈敏度，可有望用于水聲、電聲、醫(yī)學(xué)及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測(cè)量方法、裝置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感的【
技術(shù)領(lǐng)域：
】，尤其涉及一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測(cè)量方法、裝置?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]光纖法珀傳感器是目前歷史最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為普遍的一種光纖傳感器。由于其適合遠(yuǎn)距離、小空間、惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軍工船舶、環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。[0003]微型光纖F-P腔聲壓傳感器通常為毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)，但毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓強(qiáng)感知靈敏度低，不利于小壓強(qiáng)范圍的測(cè)量。對(duì)于膜片式F-P結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵的兩個(gè)因素是干涉腔和膜片。目前，對(duì)于干涉腔的加工工藝，2009年ChenL.H.等人在光纖端面直接腐蝕形成干涉腔(參見(jiàn):Chen,L.H.，etal."ChitosanDiaphragm-BasedFiberOpticPressureSensor."ConferenceonLasersandElectro-Optics/PacificRim.0pticalSocietyofAmerica,2009.),但這種利用化學(xué)方式腐蝕的方法操作繁瑣,且可控性差；同年，于清旭等人選擇采用對(duì)毛細(xì)管切割，利用熔接機(jī)將其熔接到光纖端面形成干涉腔(參見(jiàn):于清旭，賈春艷.膜片式微型FP腔光纖壓力傳感器[J].光學(xué)精密工程，2009，17(12):2887-2892.)，但該方法對(duì)毛細(xì)管切割工藝要求比較高，切割工藝直接影響著形成法珀腔的腔長(zhǎng)大小，并且熔接過(guò)程中造成的多變型比較大；2012年XuF.等人利用插芯的內(nèi)孔直接作為干涉腔，制作了微型干涉F-P傳感器(參見(jiàn):XuF,RenD,ShiX,etal.High-sensitivityFabry-Perotinterferometricpressuresensorbasedonananothicksilverdiaphragm[J].0pticsletters,2012，37(2):133-135.),其腔長(zhǎng)的確定無(wú)需腐蝕或者切割工藝，利用插入的方法可動(dòng)態(tài)確定腔長(zhǎng)的大小。此外，對(duì)于膜片的選擇，目前膜片式結(jié)構(gòu)的F-P光纖傳感器通常有石英膜、有機(jī)膜、光子晶體硅膜、銀膜等。例如，2006年，張桂菊等采用石英膜改進(jìn)了低壓F-P傳感器探頭的設(shè)計(jì)(參見(jiàn):張桂菊，于清旭.基于非本征光纖FP腔的低壓傳感器研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006,10:003.),采用切割石英絲的方法制作石英薄膜，膜厚的減小主要依賴(lài)于切割技術(shù)；2009年SaidMM等采用有機(jī)膜PDMS制作了F-P腔壓力傳感器(參見(jiàn):SaidMM,RadziSA,NohZM,etal.AnewdiaphragmmaterialforopticalfibreFabry-Perotpressuresensor[C]//MEMS,NANO,andSmartSystems(ICMENS),2009FifthInternationalConferenceon.1EEE,2009:154-158.)，采用粘附液體PDMS，通過(guò)將其固化形成薄膜，但膜厚的均勻性有很大的不可控性；2010年，AkkayaOC等利用450nm光子晶體硅膜制作了F-P壓力傳感器(參見(jiàn):AkkayaOC,KilicO,DigonnetMJF，etal.High-sensitivitythermallystableacousticfibersensor[C]//Sensors,2010IEEE.1EEE,2010:1148-1151.);以及2012年XuF等采用125nm銀膜制作了F-P腔壓力傳感器(參見(jiàn):XuF，RenD,ShiX，etal.High-sensitivityFabry-Perotinterferometricpressuresensorbasedonananothicksilverdiaphragm[J].0pticsletters,2012，37(2):133-135.)。上述方法中所用膜片雖然在一定程度上提高了傳感器的靈敏度，但由于受薄膜厚度的影響，其壓力敏感性在一定程度上也受到限制。為進(jìn)一步降低薄膜的厚度，研究者提出了一系列改進(jìn)方法，例如采用含有氫氟酸腐蝕制作好的薄膜、先拋光再腐蝕薄膜，以及激光處理膜片(參見(jiàn):劉宇，王萌，王博，等.激光加工硅片的膜片式法一珀干涉型光纖壓力傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(I):112-114.)等方法。但該過(guò)程繁雜，且在操作過(guò)程中對(duì)薄膜破損的幾率大幅增加，則進(jìn)展并不大。而新材料一石墨烯的發(fā)現(xiàn)，可顯著減小敏感薄膜的厚度。[0004]石墨烯的單層厚度只有0.335nm(參見(jiàn):NovoselovKS，GeimAK,MorozovSV,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669.)，其斷裂強(qiáng)度為42N/m(參見(jiàn):LeeC,WeiX，KysarJff,etal.Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayergraphene[J].science,2008,321(5887):385-388.)，是不銹鋼的100倍，楊氏模量接近lTPa，彈性延展率可達(dá)20%，并且可以承受達(dá)2.5MPa的靜態(tài)壓力。因此，本發(fā)明基于石墨烯的超薄厚度和良好的機(jī)械力學(xué)特性，將石墨烯膜用于制作膜片式F-P聲壓傳感器，提出了一種高靈敏度的石墨烯膜式微型光纖法珀(F-P)聲壓傳感器，具有制作簡(jiǎn)單、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明的內(nèi)容是提出一種高靈敏度、制作方法簡(jiǎn)單的基于石墨烯膜的光纖法珀(F-P)聲壓傳感器，其制作的光纖傳感器具有與氧化鋯插芯外徑一致的尺寸。該傳感器由一根單模光纖、氧化鋯插芯和石墨烯膜組合而成，可解決現(xiàn)有技術(shù)中F-P腔壓力傳感器受干涉腔腔長(zhǎng)制作工藝和所用膜片膜厚的影響而造成的傳感器靈敏度不高的問(wèn)題。[0006]本發(fā)明的目的之一是提出一種基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器及其制作方法；本發(fā)明的目的之二是基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器的干涉腔長(zhǎng)檢測(cè)方法；本發(fā)明的目的之三是給出一種基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器的聲壓測(cè)量裝置。[0007]本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:[0008]本發(fā)明提供的一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器的制造方法，包括以下步驟:[0009]步驟1.聲壓傳感器組件選型:選用單層或者多層銅基石墨烯膜、氧化鋯單模插芯和單模光纖，所述的石墨烯膜為化學(xué)氣相沉積法(CVD)生成的單層或多層銅基石墨烯膜；[0010]步驟2.對(duì)所述的氧化錯(cuò)單模插芯PC(PhysicContact)端面進(jìn)行丙酮超聲清洗與去離子水清洗，以及對(duì)單模光纖的尾端采用光纖切割刀切平，并利用光纖熔接機(jī)檢測(cè)氧化鋯單模插芯PC端面和單模光纖尾端切平后端面的平整度；[0011]步驟3.對(duì)所述的石墨烯膜進(jìn)行轉(zhuǎn)移，將其從基底轉(zhuǎn)移至氧化鋯插芯的拋光PC端面，其特征是:利用硫酸銅:鹽酸:水=10g:50ml:50ml的溶液腐蝕銅基底；將腐蝕完銅基的石墨烯轉(zhuǎn)移到去離子水中進(jìn)行清洗；然后在離子水中輕輕翻轉(zhuǎn)石墨烯膜，使石墨烯膜朝上，利用氧化鋯插芯PC拋光端面吸附石墨烯膜；最后利用丙酮去除PMMA；[0012]步驟4.將端面已處理過(guò)的單模光纖從已吸附石墨烯膜的氧化鋯單模插芯另一端插入，使單模光纖端面和石墨烯膜形成法珀干涉的兩個(gè)反射面，構(gòu)成光纖-空氣-石墨烯膜干涉腔；[0013]步驟5.搭建法珀干涉腔腔長(zhǎng)檢測(cè)裝置，其特征為:由基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器、寬帶光源、環(huán)行器、光譜儀和光纖微動(dòng)平臺(tái)組成，根據(jù)雙峰法解調(diào)干涉光譜信號(hào)，確定形成干涉腔的初始腔長(zhǎng)；[0014]步驟6.利用環(huán)氧膠對(duì)氧化鋯單模插芯和單模光纖進(jìn)行粘合，完成基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器的制作；[0015]步驟7.制作出來(lái)的基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器根據(jù)膜片振動(dòng)與腔長(zhǎng)變換規(guī)律，實(shí)現(xiàn)聲壓信號(hào)測(cè)量。[0016]本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:[0017]一種干涉腔腔長(zhǎng)的測(cè)量方法，由基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器、寬帶光源、環(huán)行器、光譜儀和光纖微動(dòng)平臺(tái)搭建而成法珀干涉腔腔長(zhǎng)檢測(cè)裝置，利用法珀干涉腔腔長(zhǎng)檢測(cè)裝置對(duì)單模光纖端面與石墨烯膜端面間干涉腔長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，并利用光信號(hào)相位解調(diào)中的雙峰法對(duì)干涉光譜信號(hào)的解調(diào)，則腔長(zhǎng)可表示為:【權(quán)利要求】1.一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器的制造方法，其特征在于:包括以下步驟:步驟1.聲壓傳感器組件選型:選用單層或者多層銅基石墨烯膜、氧化鋯單模插芯和單模光纖，所述的石墨烯膜為化學(xué)氣相沉積法(CVD)生成的單層或多層銅基石墨烯膜；步驟2.對(duì)所述的氧化錯(cuò)單模插芯PC(PhysicContact)端面進(jìn)行丙酮超聲清洗與去離子水清洗，以及對(duì)單模光纖的尾端采用光纖切割刀切平，并利用光纖熔接機(jī)檢測(cè)氧化鋯單模插芯PC端面和單模光纖尾端切平后端面的平整度；步驟3.對(duì)所述的石墨烯膜進(jìn)行轉(zhuǎn)移，將其從基底轉(zhuǎn)移至氧化鋯插芯的拋光PC端面，具體為:利用硫酸銅:鹽酸:水=IOg:50ml:50ml的溶液腐蝕銅基底；將腐蝕完銅基的石墨烯轉(zhuǎn)移到去離子水中進(jìn)行清洗；然后在離子水中輕輕翻轉(zhuǎn)石墨烯膜，使石墨烯膜朝上，利用氧化鋯插芯PC拋光端面吸附石墨烯膜；最后利用丙酮去除PMMA；步驟4.將端面已處理過(guò)的單模光纖從已吸附石墨烯膜的氧化鋯單模插芯另一端插入，使單模光纖端面和石墨烯膜形成法珀干涉的兩個(gè)反射面，構(gòu)成光纖-空氣-石墨烯膜干涉腔；步驟5.搭建法珀干涉腔腔長(zhǎng)檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置由基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器、寬帶光源、環(huán)行器、光譜儀和三維光纖微動(dòng)平臺(tái)組成，根據(jù)雙峰法解調(diào)干涉光譜信號(hào)，確定形成干涉腔的初始腔長(zhǎng)；步驟6.利用環(huán)氧膠對(duì)氧化鋯單模插芯和單模光纖進(jìn)行粘合，完成基于石墨烯膜的光纖法拍聲壓傳感器的制作；步驟7.制作出來(lái)的基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器根據(jù)膜片振動(dòng)與腔長(zhǎng)變換規(guī)律，實(shí)現(xiàn)聲壓信號(hào)測(cè)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器的制造方法，其特征在于:所述的石墨烯膜為PMMA預(yù)處理的銅基單層或者多層石墨烯膜，所述的氧化鋯單模插芯的端面為PC拋光端面，所述的單模光纖為帶單模尾纖的光纖接頭。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法，其特征在于:所述石墨烯膜的轉(zhuǎn)移操作所需環(huán)境為潔凈室，所需工具為不銹鋼鑷子，操作完成后需放入干燥箱中進(jìn)行常溫干燥。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法，其特征在于:所述的單模光纖插入氧化鋯插芯的操作需在三維光纖微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行；5.一種干涉腔腔長(zhǎng)的測(cè)量方法，其特征在于:根據(jù)權(quán)利要求1的步驟5所述的干涉腔腔長(zhǎng)的檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，所述的檢測(cè)裝置由基于石墨烯膜的光纖聲壓傳感器、寬帶光源、環(huán)行器、光譜儀和三維光纖微動(dòng)平臺(tái)搭建而成，利用所述的檢測(cè)裝置對(duì)單模光纖端面與石墨烯膜端面間干涉腔長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，并利用光信號(hào)相位解調(diào)中的雙峰法對(duì)干涉光譜信號(hào)的解調(diào)，則腔長(zhǎng)可表示為:.1i\IM?O?II式中，λPλ2是干涉光譜的兩個(gè)相鄰的峰峰值或者最小值，即將多光束光干涉近似為雙光束光干涉，通過(guò)峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)計(jì)算腔長(zhǎng)。取干涉對(duì)比度K為:6.一種聲壓信號(hào)測(cè)量裝置，其特征在于:該測(cè)量裝置包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器、激光器、環(huán)形器、光電檢測(cè)器、鎖相放大器、可調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器、聲源和隔音箱，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)諧聲源可改變聲源的激勵(lì)頻率和強(qiáng)度，在隔音箱的測(cè)量聲場(chǎng)內(nèi)傳感器膜片受迫振動(dòng)將引起F-P腔腔長(zhǎng)變化，利用鎖相放大器獲取腔長(zhǎng)變化所引起的反射干涉光譜譜線(xiàn)變化，根據(jù)石墨烯膜片的大撓度變形理論模型，結(jié)合F-P腔腔長(zhǎng)解調(diào)方法，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)位置處聲壓信號(hào)的測(cè)量?！疚臋n編號(hào)】G01H9/00GK103557929SQ201310564209【公開(kāi)日】2014年2月5日申請(qǐng)日期:2013年11月14日優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日【發(fā)明者】李成,郭婷婷,樊尚春,肖俊申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)