[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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Chen L.H.等人在光纤端面直接腐蚀形成干涉腔（参见：Chen,L.H.,et al.Chitosan Diaphragm-Based Fiber Optic Pressure Sensor.Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim.Optical Society of America,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Xu F.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：Xu F,Ren D,Shi X,et al.High-sensitivity Fabry–Perot interferometric pressure sensor based on a nanothick silver diaphragm[J].Optics letters,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Said M M等采用有机膜PDMS制作了F-P腔压力传感器（参见：Said M M,Radzi S A,Noh Z M,et al.A new diaphragm material for optical fibre Fabry-Perot pressure sensor[C]//MEMS,NANO,and Smart Systems(ICMENS),2009Fifth International Conference on.IEEE,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，Akkaya O C等利用450nm光子晶体硅膜制作了F-P压力传感器（参见：Akkaya O C,Kilic O,Digonnet M J F,et al.High-sensitivity thermally stable acoustic fiber sensor[C]//Sensors,2010IEEE.IEEE,2010:1148-1151.）；以及2012年Xu F等采用125nm银膜制作了F-P腔压力传感器（参见：Xu F,Ren D,Shi X,et al.High-sensitivity Fabry–Perot interferometric pressure sensor based on a nanothick silver diaphragm[J].Optics letters,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—珀干涉型光纤压力传感器[J].传感器与微系统,2013,32(1):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—石墨烯的发现，可显著减小敏感薄膜的厚度。