一种用于测量压力的石墨烯复合结构传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量压力的石墨烯复合结构传感器，尤其是石墨烯材料在压力传感领域的原理与应用，属于压力传感器领域。
背景技术
压力传感器是智能感知信息系统的基本元件，在未来智能技术的发展中受到越来越多的关注。近年来。压力传感器在智慧医疗、智能制造、人机交互和可穿戴设备等领域都有着广泛的应用。传统的压力传感器体积较大，灵敏度较低，容易受到环境的干扰，严重限制了电子产品的轻量化、集成化发展。研究新型的高灵敏度、高可靠性的压力传感器成为迫切的需求。
传统的压力传感器可分为两种，一种是压电式/压阻式压力传感器，由于电信号会受到环境的干扰，容易被电磁环境所干扰，在智能医疗等电磁干扰较强烈的环境中适用性较差，不能很好满足目前快速发展的智能感知系统对环境的适应性的要求。另一种是光纤压力传感器。光纤压力传感器具有抗电磁绝缘的特点，但是其压力测量范围和精度有限。光纤压力传感器可分为马赫曾德尔和微环形式。与微环式光纤压力传感器相比，马赫曾德尔式压力传感器改进了其精度较低的缺点。在此基础上，随着电子技术和MEMS制造技术的发展，压力传感器的灵敏度、精度、可靠性进一步提高成为可能。基于石墨烯的新型复合结构压力传感器，由于其具有独特的物理特性和传感机理，能够带来新的突破。
发明内容
针对现有压力测量技术的不足，本发明基于石墨烯独特的光学性质，提出一种新的用于测量压力的石墨烯传感器，具有高灵敏度，高精度，高可靠性，机械结构可恢复强等优点。
本发明的技术方案为：
一种用于测量压力的石墨烯复合结构传感器。所述传感器包括石墨烯复合结构。所述石墨烯复合结构包括三层，PDMS层1、石墨烯层2和融合光波导层3。融合光波导层3包括Y分支型输入分束器4、干涉臂5、参考臂6和Y分支型输出合束器7。输入分束器4和输出合束器7位于融合光波导层3的中心线上，干涉臂5和参考臂6沿中心线对称。在融合光波导层3的干涉臂5上设置压力感知区域8，石墨烯层2被转移覆盖在融合光波导层3上，PDMS层1被对准放置在压力感知区域的石墨烯层2上。所述传感器还包括光源和光谱分析仪。所述的光源为宽谱光源。
石墨烯复合结构中PDMS层为多棱柱结构；材料包括且不限于PDMS，PMMA，PUA等。多棱柱结构的PDMS包括平面基底和棱柱，平面基底和棱柱一体刻蚀成型。棱柱结构的PDMS每列尺寸相同，且棱柱的数量为奇数。
根据本发明优选的，每列棱柱中心的距离相同，距离为30-100μm。安装过程中，PDMS层1的中心棱柱与融合光波导层3的干涉臂5中心对齐。
通过PDMS层1的加工和尺寸设计，在保证结构稳定性的前提下，提高了传感器的灵敏度和扩大了线性压力测量范围。未施加压力时，PDMS层1仅有棱柱的尖端与石墨烯层2接触，施加压力后，PDMS层1发生形变，与石墨烯层2的接触面积变大，压力在一定范围内增大，PDMS层1与石墨烯层2的接触面积持续变大，直到达到线性压力界限。
根据本发明优选的，融合光波导层3中干涉臂5上的压力感应区域长度为500-30000μm。
根据本发明优选的，融合光波导层3压力感应区域8中干涉臂5长度为500-50000μm
根据本发明优选的，融合光波导3上，y分支型输入分束器4和y分支型输出合束器7的两个分支间距为30-100μm。
根据本发明优选的，融合光波导层中干涉臂5和参考臂6的截面宽度为1-20μm，截面高度为1-20μm。
根据本发明优选的，融合光波导层中干涉臂5和参考臂6由包层和芯层组成，采用干法刻蚀和质子交换工艺，包层三面围绕着芯层。
所述融合光波导层的尺寸针对石墨烯复合结构传感器的灵敏度和传输损耗，即在尽可能保证传输损耗在检测极限内的前提下，尽可能提高传感器的灵敏度。平衡石墨烯复合结构传感器的灵敏度和传输损耗两个因素，优选得到融合光波导层的尺寸关系。
根据本发明优选的，石墨烯复合结构中石墨烯的层数为1-10。
在石墨烯复合结构中，光由光源发出，经过偏振器偏振得到TE偏振光，输入到融合光波导层3的输入分束器4中，分别进入参考臂6和干涉臂5，再经过输出合束器7，输入到光谱分析仪中，经过分析计算得到光的输出光谱。
所述石墨烯制备后通过湿法转移法转移到融合光波导表面，石墨烯层2与融合光波导层3形成异质融合结构，形成一个整体，提高石墨烯复合结构传感器的结构稳定性。
本发明的工作原理是：
压力作用在PDMS层时，PDMS层与石墨烯层的接触面积会随压力发生变化，由于石墨烯的独特光学性质，复合结构的有效折射率会随之发生变化，压力感知区域的有效折射率的变化会改变光波导中传输的光的相位，输出光谱中干涉波谷的漂移量与压力呈线性相关关系。
本发明与现有技术对比，优点为：
(1)本发明涉及的传感器与压电型压力传感器相比，由于测量过程中没有电信号的产生和传输，能够免疫诸多干扰，能在电磁环境下进行高精度测量。能够应用在智能医疗、航空航天等磁场变化的场景，环境适应性好。
(2)石墨烯具有超快的载流速率、宽光谱吸收特性、优异的环境稳定性等特性。因此，与传统的光纤压力传感器相比，本发明涉及的传感器响应时间快。而且石墨烯具有一定的金属性，在表面能够形成光波，更容易与环境发生相互作用，与马赫曾德尔型光纤传感器相比，灵敏度更高，压力测量范围更大。
(3)本发明采用PDMS层作为压力敏感结构，由于PDMS材料回弹性能好，近万次压缩和回弹中性能无明显变化，能够实现较强的机械稳定性。
(4)本发明采用光信号作为检测信号，与光纤系统具有良好的兼容性，更易于接入大范围分布式智能感知系统。
附图说明
图1为实施例1提供的压力感知区域内石墨烯复合结构传感器的示意图；
图2为实施例1提供的石墨烯复合结构传感器的三维结构示意图；
图3为实施例1提供的石墨烯复合结构的双PDMS层的结构示意图。
图中，1-PDMS层；2-石墨烯层；3-融合光波导层；4-输入分束器；5-干涉臂；6-参考臂；7-输出合束器；8-压力感知区域；9-芯层；10-包层。
具体实施方式
下面为了使本发明的原理和方案更加清晰，结合所需要的附图对本发明做简单阐述。首先说明本发明的系统组成与主要原理：
如图1-3所示，一种基于石墨烯复合结构的高灵敏度压力传感器，传感器包括宽谱光源、石墨烯复合结构和光谱分析仪。石墨烯复合结构包括PDMS(聚二甲基硅氧烷)层1、石墨烯层2、融合光波导层3。融合光波导层3包括输入分束器4、干涉臂5、参考臂6和输出合束器7。石墨烯复合结构石墨烯层2中石墨烯的层数为6.所述石墨烯制备后通过湿法转移法转移到融合光波导表面3，石墨烯层2与融合光波导层3形成异质融合结构，形成一个整体，提高石墨烯复合结构传感器的结构稳定性。
在石墨烯复合结构中，光由宽谱光源发出，经过偏振器偏振得到TE偏振光，输入到融合光波导层3的输入分束器4中，分别进入参考臂6和干涉臂5，再经过输出合束器7，输入到光谱分析仪中，经过分析计算得到光的输出光谱。
输入分束器4在保证相位不变的前提下，将输入光信号等分为强度相等的两份，两路光信号的相位与强度相同；长度相等的两根波导分为干涉臂5和参考臂6。干涉臂5光波导在压力作用下有效折射率发生变化，与参考臂6光波导的有效折射率产生相位差；两路光信号经输出合束器7耦合到一个输出通道，光信号发生干涉叠加，经过输出端输出到光谱分析仪中。
本实施例中，石墨烯覆盖在整个融合光波导层3上，压力感知区域8设置在干涉臂5上，包括干涉臂5及干涉臂5正上方的石墨烯层2和PDMS层1。融合光波导层3包括Y分支型输入分束器4、干涉臂5和参考臂6、Y分支型输出合束器7。输入分束器4，输出合束器7要求位于融合光波导层3的中心线上，干涉臂5和参考臂6沿中心线对称。在融合光波导层3的干涉臂5上设置压力感知区域8，石墨烯层2被转移覆盖在融合光波导层3上，PDMS层1的中心棱柱对准干涉臂5的中心放置在压力感知区域8内的石墨烯层2上，光波导层中的干涉臂5长为10mm，灵敏度与压力感知区域的长度相关，压力感知区域的长度越长，灵敏度越高。融合光波导层3中干涉臂5和参考臂6的截面宽度为7μm，截面高度为7μm。融合光波导层3中干涉臂5上的压力感应区域长度为500-30000μm。
所述融合光波导层3的尺寸针对石墨烯复合结构传感器的灵敏度和传输损耗，即在尽可能保证传输损耗在检测极限内的前提下，尽可能提高传感器的灵敏度。平衡石墨烯复合结构传感器的灵敏度和传输损耗两个因素，优选得到融合光波导层3的尺寸关系。
本实施例中，干涉臂5光波导包括芯层9和包层10，通过干法刻蚀和质子交换，得到光波导的芯层9，干涉臂5由低折射率的高分子聚合树脂三面包围高折射率的晶体组成，优选地，芯层9中的晶体的折射率为2.211。
融合光波导层3中干涉臂和参考臂由包层10和芯层9组成，采用干法刻蚀和质子交换工艺，包层三面围绕着芯层。
输入分束器和输出合束器均为y分支型，刻蚀在融合光波导层3中。在y分支型输入分束器4中，光由分束器的单波导部分输入，在Y分支型的两个分支输出。在y分支型输出合束器7中，光由y分支型的两个分支输入，在输出器单波导部分输出。y分支型输入分束器4和y分支型输出合束器7的两个分支间距为60μm。Y分支型的两个分支的距离与石墨烯复合结构的输出损耗有关，综合考虑输出损耗和石墨烯复合结构的尺寸，得到两个分支的距离。
本实施例中，石墨烯复合结构中PDMS层1为多棱柱结构，包括平面基底和棱柱，平面基底和棱柱一体刻蚀成型。棱柱结构的PDMS每列尺寸相同，且棱柱的数量为奇数，每列棱柱中心的距离相同，距离为50μm。石墨烯复合结构中PDMS层1材料包括且不限于PDMS，PMMA，PUA等。多棱柱结构的PDMS包括平面基底和棱柱。
PDMS层1的多棱柱结构可以为两层，即在单层PDMS棱柱的基础上放置PDMS棱柱，安装过程中，PDMS层1的中心棱柱与融合光波导层3的干涉臂5中心对齐。通过PDMS层1的加工和尺寸设计，在保证结构稳定性的前提下，提高了传感器的灵敏度和扩大了线性压力测量范围。未施加压力时，PDMS层1仅有棱柱的尖端与石墨烯层2接触，施加压力后，PDMS层1发生形变，与石墨烯层2的接触面积变大，压力在一定范围内增大，PDMS层1与石墨烯层2的接触面积持续变大，直到达到线性压力界限。
本发明提供的器件可用于医疗设备上的大量程压力测量，量程可达到50kpa。在量程范围内，灵敏度高于传统的马赫曾德尔型光纤压力传感器，而且能够免疫医疗设备的磁场干扰。传感器的具体工作步骤如下：
(1)宽谱光源经过偏振后输入到石墨烯传感器中，使用光谱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，得到干涉波谷波长λ0。
(2)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p1，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波长λ1，完成标定，得到压力-波谷漂移量系数。
(3)在相同波长的光源输入情况下，施加未知压力P2，在计算机中将压力状态下的输出光谱波谷波长λ2与无压力状态的输出光谱波谷波长λ0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。
计算得到，待测压力P2：
在0-50kPa量程范围内，输出光谱的干涉波谷漂移量与波长呈线性关系。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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