[发明专利]一种基于石墨烯薄膜的回音壁微球分子气体传感器

说明书

本发明属于传感领域，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的回音壁微球分子气体传感器。本发明通过微球腔内双梳的拍频信号进行传感，减少了建立干涉仪所需的参考光路，从而大大简化了传感器的尺寸；所采用的微球腔拥有极高的品质因子，因此其模式线宽窄，这极大的提高了传感器灵敏度，响应时间仅为电化学气体传感器的千分之一，灵敏度可达传统光学气体传感器的10000倍以上，达到了单分子量级；同时微纳光纤两端采用普通单模光纤的接头，能很方便的接入现有的光纤通信网络。为以后小型化、集成化的全光传感平台提供了基础。

技术领域

本发明属于传感领域，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的回音壁微球分子气体传感器，基于球腔内交叠的双梳，可以通过检测双梳的拍频谱的频率变化来传感气体的浓度。

背景技术

随着石油、化工、煤炭、冶金等工业的迅猛发展，在此过程中产生的各种有毒、有害、易燃、易爆气体也随之增加，由此造成的气体中毒、环境污染及气体爆炸事故也与日俱增。因此，气体传感技术在矿井安全生产、大气污染检测、工业废气排放监控及居住环境质量监测等方面具有举足轻重的作用。

目前，气体传感器主要有以下几类：电化学气体传感器、接触燃烧式气体传感器和光学气体传感器等。其中，电化学气体传感器是利用待测气体在电极表面的化学反应产生与气体浓度有关的电信号进行浓度检测，其体积大、结构复杂、易受环境温度、湿度、电极表面污染影响，准确度不高，重复利用率差。接触燃烧式气体传感器通过可燃气体的催化燃烧产生的热量改变电路电桥中测量电阻的阻值，使电桥失去平衡，输出与气体浓度相关的电信号，通过测量电信号即可求得气体浓度，但灵敏度低，只能检测可燃气体。

与以上传统的气体传感器相比，基于光纤传感技术的光学气体传感器具有高灵敏度、体积小、响应速度快、不受电磁干扰、适用于长距离信号传输、易复用形成分布式传感网络等优点。

目前较为成熟的光纤气体传感器有吸收型、折射率变化型、倏逝场型以及荧光型等。其中吸收型是根据不同气体对光谱的吸收不同来进行检测的。该类传感器测量气体鉴别能力好、易于集结成网。但存在理想的光源技术还未能突破,微弱信号检测设备复杂、成本较高等问题。折射率变化型是利用光波导折射率随气体浓度的改变而改变的特点对气体浓度变化进行测量。该类传感器具有结构简单、价格低廉的优点。但是存在的缺点是受环境因素影响大，无法区别气体种类。倏逝场型利用光的在波导表面的倏逝场随待测气体的变化的特点进行气体的检测。该类传感器具有能够实现分布式测量和交叉辨析、重复性比较好等优点，但存在易受环境温度、湿度和洁净程度的影响，表面污染的问题。荧光型根据气体分子使荧光材料的荧光强度或者寿命发生变化，通过测量荧光强度或者寿命的变化来推算出待测气体的浓度。荧光型光纤气体传感器具有传感简单、系统精度高等优点。但是该方法对微弱信号检测系统的测量精度要求高,测量系统的成本昂贵,限制了它的广泛应用。

现有折射率变化型光纤传感器利用待测气体引起的材料折射率或光程变化形成Mach-Zehnder干涉仪、Michelson干涉仪等，通过测量输出光强度的变化实现气体探测，机理都是利用光敏材料吸收气体分子后折射率的变化来检测气体浓度变化；但是此类传感器存在灵敏度相对不足以及尺寸相对复杂，不利于后续全光传感平台对器件小型化、集成化的需求。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决现有折射率变化型光纤传感器灵敏度相对不足以及尺寸相对复杂，不利于器件小型化、集成化的问题；本发明提供了一种基于石墨烯薄膜的回音壁微球分子气体传感器，其体积小、响应速度快、灵敏度可达单分子量级。

具体技术方案如下：一种基于石墨烯薄膜的回音壁微球分子气体传感器，包括二氧化硅微球，单层石墨烯和微纳光纤。所述二氧化硅微球是将光纤的尾端通过光纤熔接机放电制备而成，构成微球回音壁谐振腔，二氧化硅微球的直径400～600微米；以二氧化硅微球球腔与光纤所在直线垂直的最大圆为赤道线，其所在的平面为赤道面，二氧化硅微球被赤道线划分为上半球和下半球两部分，其中与光纤相连的为下半球。