一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器及其制作方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器及其制作方法。


背景技术：

2.传统的光纤传感器的研究已经开展了半个世纪之久，并以其优异的性能倍受青睐。它不仅具有质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，还可以完成狭小空间、特殊环境下的传感任务，在今天的航空航天、民用基础建设、交通运输以及生物医学等领域都得到了很好的应用。干涉型光纤传感器是光纤传感器家族中的重要成员。当外界信号作用到干涉仪上会引起干涉信号的相位发生变化。通过检测这种调制后的光信号就能得到外场环境的准确信息，从而达到传感的目的。干涉型光纤传感器以其结构多样，灵敏度高等优点被广泛应用于各类物理量的检测当中。
3.石墨烯是目前已知最薄的材料，其单层厚度仅为0.335nm，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。利用石墨烯膜和光纤干涉传感器，将流经石墨烯膜的液体的压力大小转变为光纤反射干涉光谱的变化，再利用光纤光栅解调仪分析光谱，发明了一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器结构及其制作方法，发明的结构具有制作简单、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等优点。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器及其制作方法。
5.本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
6.一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器，包括：
7.光纤-石英微压力传感器、微流道装置；所述光纤-石英微压力传感器位于微流道装置上；
8.所述光纤-石英微压力传感器，内部构成法珀腔，通过法珀腔长度变化改变光纤测得的反射干涉光谱；
9.所述微流道装置，用于通过流入的液体改变法珀腔的长度，使得光纤测得的反射干涉光谱发生改变；并通过法珀腔长与干涉光谱的关系及法珀腔内压力与反射干涉光谱的关系实现微小流量的测量。
10.一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器的制作方法，包括：
11.将光栅焊接在单模光纤内；
12.将石英微管的一端与单模光纤熔接；
13.转移石墨烯膜于石英微管另一端的端面上并固定，使固定好的石墨烯膜、单模光纤端面、石英微管构成法珀腔；
14.制作微流道装置，并将光纤-石英微压力传感器置于微流道装置上，形成基于石墨烯膜的差压式微流量传感器。
15.与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
16.制作简单、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等，可应用于航空航天、军工船舶、环境检测、生物医学等领域的微小流量的测量。
附图说明
17.图1是基于石墨烯膜的差压式微流量传感器结构图；
18.图2a、2b和2c是光纤-石英微压力传感器结构图；
19.图3是微流道装置结构图；
20.图4是激光光源、环路器、光功率计与光纤-石英微压力传感器结构图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
22.如图1所示，为基于石墨烯膜的差压式微流量传感器结构，包括光纤-石英微压力传感器、微流道装置；所述光纤-石英微压力传感器位于微流道装置上；所述光纤-石英微压力传感器，内部构成法珀腔，通过法珀腔长度变化改变光纤测得的反射干涉光谱；所述微流道装置，用于通过流入的液体改变法珀腔的长度，使得光纤测得的反射干涉光谱发生改变；并通过法珀腔长与干涉光谱的关系及法珀腔内压力与反射干涉光谱的关系实现微小流量的测量。
23.上述光纤-石英微压力传感器包括单模光纤5，石英微管6和石墨烯膜7；所述单模光纤与石英微管的一端利用光纤熔接机熔接固定在一起，所述单模光纤内焊接有光栅；所述石墨烯膜与石英微管的另一端固定在一起，使单模光纤端面与石墨烯膜构成法珀腔，法珀腔长度的变化用以改变光纤的反射干涉光谱(如图2a、2b和2c所示)；
24.上述差压式微流量传感器还包括激光光源41、环路器42、光功率计43，激光光源和光功率计分别与环路器连接，所述环路器与光纤-石英微压力传感器连接(如图4所示)；在微流道流入液体之前石墨烯膜处于无应变状态(既不凹也不凸)；开始测量后，液体进入微流道，随着微流道中液体流速改变，管道内压损导致管道上下游两个固定取压点的压力及压力差发生变化，利用压力差与流速之间的数学模实现对微小流量的测量。上下游两个固定取压点的压力差由所述两个固定取压点处的石墨烯膜微压力传感器获取。随着微流道内液体介质流速改变，微流道上下游两个固定取压点处的压力改变，改变的压力使得石墨烯膜挠度改变，从而导致石墨烯膜与光纤形成的法珀腔的长度变小；又因为法珀腔的腔长大小与法珀腔的反射干涉光强之间存在着函数关系，这会导致光功率计测得的反射干涉光强发生改变；经过多次实验，可得到法珀腔的腔长大小与反射干涉光强的关系即腔长变化与反射干涉光强之间存在着余弦函数关系，通过光功率计测得的反射干涉光强的变化带入到腔长与反射干涉光强的数学模型内，得到腔长的大小变化即可知道石墨烯膜的挠度变化；根据石墨烯膜的挠度再通过石墨烯膜压力与挠度之间的数学模型即可得到石墨烯膜感受到的压力大小即微流道上下游两个固定取压点处的液体压力；最终得到微流道上下游固定
取压点处的液体压力与光功率计测得的反射干涉光强的关系，从而分别得到上下游两个固定取压点处的液体压力；通过将上下游两个固定取压点处的液体压力求差，即可获得微流道管道内压损导致的压力差，再利用压力差与流速之间的数学模型实现对微小流量的测量。
25.如图3所示，为微流道结构，包括pdms层1、硅层2、流道3与石英层4；所述pdms层、硅层、流道与石英层从上到下依次键合在一起；所述硅层上设有孔，用于安装光纤-石英微压力传感器。
26.本实施例还提供了一种基于石墨烯膜的差压式微流量传感器的制作方法，包括：
27.将光栅焊接在单模光纤内；
28.将石英微管的一端与单模光纤熔接；
29.转移石墨烯膜于石英微管另一端的端面上并固定，使固定好的石墨烯膜、单模光纤端面、石英微管构成法珀腔；
30.制作微流道装置，并将光纤-石英微压力传感器置于微流道装置上，形成基于石墨烯膜的差压式微流量传感器。
31.上述方法还包括对单模光纤的端面进行清洁度与平整度处理；对石英微管进行研磨抛光处理，保证石英微管端面的清洁度和平整度。
32.向石英微管端面转移石墨烯薄膜，转移方法如下:首先，向石墨烯样品底部四周缓缓滴入去离子水，待到样品底部完全浸透后，将样品转移至去离子水中，静置1h；之后将石墨烯样品剪成适当大小的圆形，放入丙酮溶液中静置10min，等待pmma完全去除干净；在显微镜下用镊子夹取石英微管探头在丙酮溶液中捞取剪好的石墨烯膜，然后放入温箱中45℃下干燥1h，则干燥后的石墨烯膜吸附于石英微管的另一端端面上。
33.微流道装置包括pdms层、硅层、流道与石英层；其中微流道装置的制作包括：对硅层进行加工，在硅层背面刻蚀流道；之后对硅层进行刻蚀通孔，将加工之后的硅层与底层石英进行阳极键合；最后对pdms材料进行打孔，将pdms、硅层、石英进行键合。
34.将上述光纤-石英微压力传感器置于微流道装置上包括：
35.将微流道装置固定在三维移动平台上，将光纤-石英微压力传感器插入微流道结构预留的取压孔中；将固化剂和pdms以8：1的比例进行配，将配比后的固化剂搅匀，用移液管将配制好的固化剂滴入微流道取压孔与微压力传感器连接的缝隙中；之后，将微流量传感器结构置于温湿箱中干燥加热至90℃，静置1小时，使固化剂完全固化。
36.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。