[发明专利]一种基于石墨烯传感器的压力测量方法

权利要求书

1.一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)，建立压力敏感结构-石墨烯模型，压力敏感结构在压力(F)的作用下形状改变，改变压力敏感结构-石墨烯的接触面积(S)，得到压力(F)与压力敏感结构-石墨烯接触面积(S)的关系；

所述步骤(1)中，压力敏感结构-石墨烯力学模型简化为压力敏感结构单独形变，由于压力敏感结构的金字塔侧边对称，每个金字塔的贡献是相等的，压力(F)与压力敏感结构在与石墨烯接触平面上的变形量关系为：

其中，F为待测压力(N)，δ为平面上的压力敏感结构的变形量(μm)，E为杨氏模量(MPa)，v为泊松比(无单位)，θ为PDMS金字塔母线倾斜角(度)；无压力状态下压力敏感结构与石墨烯存在初始接触面积，考虑变形量和初始接触面积，可以得到压力(F，)与压力敏感结构-石墨烯接触面积(S，单位为μm²)的关系；

(2)，压力敏感结构-石墨烯的接触面积(S)改变后，压力敏感结构替代空气与石墨烯接触，石墨烯周围空间的光场分布发生变化；应用反射率法分析光场的变化，进而计算得到复合结构的有效折射率(n_eff)；得到压力敏感结构-石墨烯接触面积(S)与石墨烯复合结构的有效折射率(n_eff)的关系；

所述步骤(2)中的所述反射率法具体过程包括：

施加压力时，设置在压力感知区域的压力敏感结构会发生变形，压力敏感结构与石墨烯的接触面积发生变化，石墨烯复合结构的反射率发生变化；

式中，R为压力感知区域石墨烯复合波导的反射率，r1为石墨烯-光波导界面的反射率；r2为石墨烯-压力敏感结构界面的反射率；n_G为石墨烯的折射率；n_e为石墨烯周围空间的折射率；λ为光信号的波长，单位为nm；d为石墨烯层的厚度，单位为nm；Jk为k的虚部；最终得到的有效折射率n_eff与接触面积(S，单位为μm²)之间的关系为：

n_eff＝-0.0008S²+0.0074S+n_eff(s₀)

其中，n_eff(s₀)为压力敏感结构与石墨烯的接触面积为初始接触面积s₀时，石墨烯复合波导的有效折射率；

(3)，有效折射率(n_eff)的变化影响光波导中光信号的强度和相位，光波导的输出光谱随之发生变化，利用MZI干涉法得到光波导的输出光谱，进而得到石墨烯复合结构的有效折射率(n_eff)和波谷漂移量的关系；

所述步骤(3)中的MZI干涉法具体过程包括：

光波导层的参考臂和干涉臂输入的两路光信号的强度与相位相同，经过两臂后两路光信号的相移量为和相移量为：

输出光强可以表示为：

式中，E₀为输出光信号的振幅，λ为光信号的波长，单位为nm；L为干涉臂上压力感知区域的长度，单位为mm；Re(n_eff)为压力感知区域的石墨烯复合结构的有效折射率的实部；

(4)，在分析计算单元中对输出光谱进行分析，得到压力作用下的输出光谱波谷漂移量最终得到施加在传感器上的压力(F)与波谷漂移量的线性关系；

步骤(4)包括：

(41)光源发出的宽谱光源经过偏振器后耦合到石墨烯传感器中，使用光谱分析仪检测该压力传感器的输出光谱，得到无压力状态时的输出光谱；

(42)将相同的宽谱光源经过偏振后，输入到该传感器中，在石墨烯传感器的压力传感区域施加已知压力，利用光谱分析仪检测该传感器的调制光，并将结果传输到计算机中，得到已知压力下的传感器输出光谱干涉波谷漂移量，完成标定，得到压力-波谷漂移量系数；

(43)在相同波长的光源输入情况下，施加未知压力，在计算机中将压力状态下的输出光谱与无压力状态的输出光谱进行比对，得到干涉波谷的漂移量，并利用已经设计好的程序计算得到施加的压力。