一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置制造方法【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置，该传感器基于石墨烯膜和光纤法珀干涉光学原理制成。首先，清洗处理单模光纤和转移石墨烯膜，并将石墨烯膜吸附至氧化锆单模插芯；然后，将处理后的单模光纤从另一端插入氧化锆插芯。这样，通过由单模光纤端面和石墨烯膜组成法珀干涉的两个反射面，形成光纤-空气-石墨烯膜干涉腔，并搭建干涉腔腔长检测装置，应用双峰法解调干涉光谱信号，实现微弱声压信号的高灵敏度检测。该传感器具有制作简单、高灵敏度、体积小、抗电磁干扰等优点，解决了现有技术中由于膜片厚度减少受限而造成的传感器灵敏度较低的问题，提高了膜片式声压传感器的灵敏度，可有望用于水声、电声、医学及生物医学工程等领域。【专利说明】一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种光纤传感的【
技术领域：
】，尤其涉及一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置。【
背景技术：
】[0002]光纤法珀传感器是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。由于其适合远距离、小空间、恶劣环境等优点，在航空航天、军工船舶、环境检测、生物医学等领域得到了广泛的应用。[0003]微型光纤F-P腔声压传感器通常为毛细管结构和膜片结构，但毛细管结构的压力传感器对压强感知灵敏度低，不利于小压强范围的测量。对于膜片式F-P结构，其关键的两个因素是干涉腔和膜片。目前，对于干涉腔的加工工艺，2009年ChenL.H.等人在光纤端面直接腐蚀形成干涉腔(参见:Chen,L.H.，etal."ChitosanDiaphragm-BasedFiberOpticPressureSensor."ConferenceonLasersandElectro-Optics/PacificRim.0pticalSocietyofAmerica,2009.),但这种利用化学方式腐蚀的方法操作繁琐,且可控性差；同年，于清旭等人选择采用对毛细管切割，利用熔接机将其熔接到光纤端面形成干涉腔(参见:于清旭，贾春艳.膜片式微型FP腔光纤压力传感器[J].光学精密工程，2009，17(12):2887-2892.)，但该方法对毛细管切割工艺要求比较高，切割工艺直接影响着形成法珀腔的腔长大小，并且熔接过程中造成的多变型比较大；2012年XuF.等人利用插芯的内孔直接作为干涉腔，制作了微型干涉F-P传感器(参见:XuF,RenD,ShiX,etal.High-sensitivityFabry-Perotinterferometricpressuresensorbasedonananothicksilverdiaphragm[J].0pticsletters,2012，37(2):133-135.),其腔长的确定无需腐蚀或者切割工艺，利用插入的方法可动态确定腔长的大小。此外，对于膜片的选择，目前膜片式结构的F-P光纤传感器通常有石英膜、有机膜、光子晶体硅膜、银膜等。例如，2006年，张桂菊等采用石英膜改进了低压F-P传感器探头的设计(参见:张桂菊，于清旭.基于非本征光纤FP腔的低压传感器研究[J].仪表技术与传感器，2006,10:003.),采用切割石英丝的方法制作石英薄膜，膜厚的减小主要依赖于切割技术；2009年SaidMM等采用有机膜PDMS制作了F-P腔压力传感器(参见:SaidMM,RadziSA,NohZM,etal.AnewdiaphragmmaterialforopticalfibreFabry-Perotpressuresensor[C]//MEMS,NANO,andSmartSystems(ICMENS),2009FifthInternationalConferenceon.1EEE,2009:154-158.)，采用粘附液体PDMS，通过将其固化形成薄膜，但膜厚的均匀性有很大的不可控性；2010年，AkkayaOC等利用450nm光子晶体硅膜制作了F-P压力传感器(参见:AkkayaOC,KilicO,DigonnetMJF，etal.High-sensitivitythermallystableacousticfibersensor[C]//Sensors,2010IEEE.1EEE,2010:1148-1151.);以及2012年XuF等采用125nm银膜制作了F-P腔压力传感器(参见:XuF，RenD,ShiX，etal.High-sensitivityFabry-Perotinterferometricpressuresensorbasedonananothicksilverdiaphragm[J].0pticsletters,2012，37(2):133-135.)。上述方法中所用膜片虽然在一定程度上提高了传感器的灵敏度，但由于受薄膜厚度的影响，其压力敏感性在一定程度上也受到限制。为进一步降低薄膜的厚度，研究者提出了一系列改进方法，例如采用含有氢氟酸腐蚀制作好的薄膜、先抛光再腐蚀薄膜，以及激光处理膜片(参见:刘宇，王萌，王博，等.激光加工硅片的膜片式法一珀干涉型光纤压力传感器[J].传感器与微系统，2013，32(I):112-114.)等方法。但该过程繁杂，且在操作过程中对薄膜破损的几率大幅增加，则进展并不大。而新材料一石墨烯的发现，可显著减小敏感薄膜的厚度。[0004]石墨烯的单层厚度只有0.335nm(参见:NovoselovKS，GeimAK,MorozovSV,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669.)，其断裂强度为42N/m(参见:LeeC,WeiX，KysarJff,etal.Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayergraphene[J].science,2008,321(5887):385-388.)，是不锈钢的100倍，杨氏模量接近lTPa，弹性延展率可达20%，并且可以承受达2.5MPa的静态压力。因此，本发明基于石墨烯的超薄厚度和良好的机械力学特性，将石墨烯膜用于制作膜片式F-P声压传感器，提出了一种高灵敏度的石墨烯膜式微型光纤法珀(F-P)声压传感器，具有制作简单、体积小、抗电磁干扰等优点。【
发明内容】[0005]本发明的内容是提出一种高灵敏度、制作方法简单的基于石墨烯膜的光纤法珀(F-P)声压传感器，其制作的光纤传感器具有与氧化锆插芯外径一致的尺寸。该传感器由一根单模光纤、氧化锆插芯和石墨烯膜组合而成，可解决现有技术中F-P腔压力传感器受干涉腔腔长制作工艺和所用膜片膜厚的影响而造成的传感器灵敏度不高的问题。[0006]本发明的目的之一是提出一种基于石墨烯膜的光纤声压传感器及其制作方法；本发明的目的之二是基于石墨烯膜的光纤声压传感器的干涉腔长检测方法；本发明的目的之三是给出一种基于石墨烯膜的光纤声压传感器的声压测量装置。[0007]本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的:[0008]本发明提供的一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器的制造方法，包括以下步骤:[0009]步骤1.声压传感器组件选型:选用单层或者多层铜基石墨烯膜、氧化锆单模插芯和单模光纤，所述的石墨烯膜为化学气相沉积法(CVD)生成的单层或多层铜基石墨烯膜；[0010]步骤2.对所述的氧化错单模插芯PC(PhysicContact)端面进行丙酮超声清洗与去离子水清洗，以及对单模光纤的尾端采用光纤切割刀切平，并利用光纤熔接机检测氧化锆单模插芯PC端面和单模光纤尾端切平后端面的平整度；[0011]步骤3.对所述的石墨烯膜进行转移，将其从基底转移至氧化锆插芯的抛光PC端面，其特征是:利用硫酸铜:盐酸:水=10g:50ml:50ml的溶液腐蚀铜基底；将腐蚀完铜基的石墨烯转移到去离子水中进行清洗；然后在离子水中轻轻翻转石墨烯膜，使石墨烯膜朝上，利用氧化锆插芯PC抛光端面吸附石墨烯膜；最后利用丙酮去除PMMA；[0012]步骤4.将端面已处理过的单模光纤从已吸附石墨烯膜的氧化锆单模插芯另一端插入，使单模光纤端面和石墨烯膜形成法珀干涉的两个反射面，构成光纤-空气-石墨烯膜干涉腔；[0013]步骤5.搭建法珀干涉腔腔长检测装置，其特征为:由基于石墨烯膜的光纤声压传感器、宽带光源、环行器、光谱仪和光纤微动平台组成，根据双峰法解调干涉光谱信号，确定形成干涉腔的初始腔长；[0014]步骤6.利用环氧胶对氧化锆单模插芯和单模光纤进行粘合，完成基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器的制作；[0015]步骤7.制作出来的基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器根据膜片振动与腔长变换规律，实现声压信号测量。[0016]本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的:[0017]一种干涉腔腔长的测量方法，由基于石墨烯膜的光纤声压传感器、宽带光源、环行器、光谱仪和光纤微动平台搭建而成法珀干涉腔腔长检测装置，利用法珀干涉腔腔长检测装置对单模光纤端面与石墨烯膜端面间干涉腔长进行检测，并利用光信号相位解调中的双峰法对干涉光谱信号的解调，则腔长可表示为:【权利要求】1.一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器的制造方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤1.声压传感器组件选型:选用单层或者多层铜基石墨烯膜、氧化锆单模插芯和单模光纤，所述的石墨烯膜为化学气相沉积法(CVD)生成的单层或多层铜基石墨烯膜；步骤2.对所述的氧化错单模插芯PC(PhysicContact)端面进行丙酮超声清洗与去离子水清洗，以及对单模光纤的尾端采用光纤切割刀切平，并利用光纤熔接机检测氧化锆单模插芯PC端面和单模光纤尾端切平后端面的平整度；步骤3.对所述的石墨烯膜进行转移，将其从基底转移至氧化锆插芯的抛光PC端面，具体为:利用硫酸铜:盐酸:水=IOg:50ml:50ml的溶液腐蚀铜基底；将腐蚀完铜基的石墨烯转移到去离子水中进行清洗；然后在离子水中轻轻翻转石墨烯膜，使石墨烯膜朝上，利用氧化锆插芯PC抛光端面吸附石墨烯膜；最后利用丙酮去除PMMA；步骤4.将端面已处理过的单模光纤从已吸附石墨烯膜的氧化锆单模插芯另一端插入，使单模光纤端面和石墨烯膜形成法珀干涉的两个反射面，构成光纤-空气-石墨烯膜干涉腔；步骤5.搭建法珀干涉腔腔长检测装置，该检测装置由基于石墨烯膜的光纤声压传感器、宽带光源、环行器、光谱仪和三维光纤微动平台组成，根据双峰法解调干涉光谱信号，确定形成干涉腔的初始腔长；步骤6.利用环氧胶对氧化锆单模插芯和单模光纤进行粘合，完成基于石墨烯膜的光纤法拍声压传感器的制作；步骤7.制作出来的基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器根据膜片振动与腔长变换规律，实现声压信号测量。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器的制造方法，其特征在于:所述的石墨烯膜为PMMA预处理的铜基单层或者多层石墨烯膜，所述的氧化锆单模插芯的端面为PC抛光端面，所述的单模光纤为带单模尾纤的光纤接头。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法，其特征在于:所述石墨烯膜的转移操作所需环境为洁净室，所需工具为不锈钢镊子，操作完成后需放入干燥箱中进行常温干燥。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法，其特征在于:所述的单模光纤插入氧化锆插芯的操作需在三维光纤微动平台进行；5.一种干涉腔腔长的测量方法，其特征在于:根据权利要求1的步骤5所述的干涉腔腔长的检测装置进行检测，所述的检测装置由基于石墨烯膜的光纤声压传感器、宽带光源、环行器、光谱仪和三维光纤微动平台搭建而成，利用所述的检测装置对单模光纤端面与石墨烯膜端面间干涉腔长进行检测，并利用光信号相位解调中的双峰法对干涉光谱信号的解调，则腔长可表示为:.1i\IM?O?II式中，λPλ2是干涉光谱的两个相邻的峰峰值或者最小值，即将多光束光干涉近似为双光束光干涉，通过峰值对应波长计算腔长。取干涉对比度K为:6.一种声压信号测量装置，其特征在于:该测量装置包括根据权利要求1所述的基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器、激光器、环形器、光电检测器、锁相放大器、可调谐信号发生器、声源和隔音箱，通过调节可调谐声源可改变声源的激励频率和强度，在隔音箱的测量声场内传感器膜片受迫振动将引起F-P腔腔长变化，利用锁相放大器获取腔长变化所引起的反射干涉光谱谱线变化，根据石墨烯膜片的大挠度变形理论模型，结合F-P腔腔长解调方法，从而实现被测位置处声压信号的测量。【文档编号】G01H9/00GK103557929SQ201310564209【公开日】2014年2月5日申请日期:2013年11月14日优先权日:2013年11月14日【发明者】李成,郭婷婷,樊尚春,肖俊申请人:北京航空航天大学