CN103954590A - 一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器涉及气体传感器领域，特别是涉及一种光纤模间干涉气体传感器领域。该发明通过在氟化镁基片上设置一根通过熔融拉锥方法拉制成两头粗中间细的微光纤，在该微光纤中段覆盖一单层石墨烯材料，由于单层石墨烯材料其原子间化学键和核外电子态对周围环境极其敏感，与微量的气体分子接触就会明显改变其介电常数的分布，从而改变其光学折射率，最终改变光在光纤中传播的模间干涉谱，通过检测干涉谱来辨别气体的类型，实现发明目的，从而具有尺寸微小、精度高、灵敏度高、工作稳定、可重复使用的效果。

Description

一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器领域，特别是涉及一种光纤模间干涉气体传感器领域。 
背景技术
气体传感器在有毒、可燃、易爆、等气体探测领域有着广泛的应用，是环境物联网的终端。在造纸、炼油等排污控制中，气体必须先经过检查才允许排放；在金属冶炼、有机化学生产等过程中，生产环境的气体成分控制直接决定化工产品的质量；在生物医学领域，药品质量检测、人体内部病变判断、DNA研究等都依赖于先进的流体传感手段，尺寸微小、能耗低、无化学副作用的传感器的发明和应用将直接带动该领域的技术进步。 
而现存的光学气体传感器一般靠气体分子与光学介质发生作用后改变光学结构本身光学特性而进行传感，需要依靠较大的接触面积，反应时间较长(一般为毫秒级)，传感效率较低、灵敏度甚至往往低于电学传感器，体积和表面积较大、不容易集成；一般只能传感单一种类的气体；且常用的塑胶类光纤、光波导化学性质不稳定，容易因为化学反应的不可逆，输出错误的数据。如：光子晶体光纤-气敏材料复合气体传感器，其长度一般为几十厘米，直径一般为几百个微米，当气体进入其光纤内腔后，与气敏材料相互作用并改变光纤的传输特性，从而实现传感，这一过程复杂且耗时较长；光纤F-P气体传感器封装后尺寸一般达到几百微米，通过感应外界气体分子进入其F-P腔体以改变的腔内折射率来进行传感，一般仅用于测量分子量大的气体；基于微光纤与气敏材料相结合的强度型气体传感器主要根据气体分子与气敏材料作用后，带来的光强度衰减来进行传感，这种传感技术虽然响应迅速，但灵敏度低、可重复性较差、容易受到外界温度和气压的干扰，由于这些问题，现今的光学气体传感手段在医学、精密化工等领域中的应用存在很大的障碍。 
文献《Hybrid Graphene-Microfiber Waveguide for Chemical Gas Sensing(石墨烯微光纤的贴附型混合波导化学气体传感器)》VOL.20,NO.1,JANUARY/FEBRUARY2014，Yu Wu,Bai-Cheng Yao,Yang Cheng,Yun-Jiang Rao，公开了一种石墨烯微光纤的贴附型混合波导气体传感器，其结构包括：基板、石墨烯层、输入光纤、输出光纤，其中基板上设置一石墨烯层，石墨烯层上设置输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤耦合连接。该装置存在如下缺陷：1.光纤位于石墨烯层上，接触面积小，石墨烯吸附气体分子后对光纤中传播的光线影响率有限；2.该方法用石墨烯吸附气体分子后改变光纤中光线强度，通过解调该装置输出的光线强度来判断气体类型，其灵敏度低、响应时间长、动态范围小；3.该帖附型传感结构石墨烯层面积过 大，易受周围环境影响，可靠性较低。 
发明内容
本发明的目的是正对背景技术的不足设计一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器，从而达到尺寸微小、精度高、灵敏度高、工作稳定、可重复使用的目的。 
本发明的技术方案是在氟化镁基片上设置一根通过熔融拉锥方法拉制成的微光纤，在该微光纤中段覆盖一单层石墨烯材料，由于单层石墨烯材料其原子间化学键和核外电子态对周围环境极其敏感，与微量的气体分子接触就会明显改变其介电常数的分布，从而改变其光学折射率，最终改变光在光纤中传播的模间干涉谱，通过检测干涉谱来辨别气体的类型，从而实现发明目的。因此本发明一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器包括：基片、单模微光纤、石墨烯薄膜，其特征在于微光纤设置于基片上，光纤中段覆盖一层石墨烯薄膜。 
其中基片材料为氟化镁；光纤中段直径为10um，两端直径为125um，长度为3cm；石墨烯层厚度为0.38nm，石墨烯包裹的光纤长度为1mm。 
本发明提出一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器通过在氟化镁基片上设置一根微光纤，然后在该微光纤中段覆盖一层很薄的石墨烯材料，从而具有尺寸微小、精度高、灵敏度高、工作稳定、可重复使用的效果。 
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图； 
图2本发明在空气中(左)和高浓度丙酮中(右)的模场对比； 
图3本发明在不同氨气浓度下检测输出谐振谱的变化示意图； 
图4本发明的温度对检测结果影响示意图。 
图中：1.氟化镁基片，2.石墨烯薄膜，3.单模光纤，4.单模光纤拉制而成的微光纤，5.输入端，6.输出端。 
具体实施方式
一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器，该装置自下而上由氟化镁基片、模间干涉微光纤、石墨烯薄膜组成。其中直径为125um的单模光纤3通过熔融拉锥方法拉制直径为10um的微光纤4，紧贴在氟化镁基片上，微光纤中段由一层厚度为0.38纳米的单层石墨烯薄膜包裹，包裹的光纤长度为1mm。使用通信波段(1500～1600纳米)的光信号沿单模光纤输入微光纤，其以倏逝波形式与石墨烯包层接触并作用，其包层模式和芯层模式相互干涉。将干涉信号由普通单模光纤输出到光谱仪中，分析其模间干涉谱。改变该传感器附近气体分子浓度，可以观察 到干涉谱的谐振强度和谐振峰位置的变化。图3为本发明在不同氨气浓度下，输出谐振谱的变化示意图，图4为温度对检测结果的影响示意图。 

Claims (4)

1.一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器包括：基片、单模微光纤、石墨烯薄膜，其特征在于微光纤设置于基片上，光纤中段覆盖一层石墨烯薄膜。
2.如权利要求1所述的一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器，其特征在于基片材料为氟化镁。
3.如权利要求1所述的一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器，其特征在于光纤中段直径为10um，两端直径为125um，长度为3cm。
4.如权利要求1所述的一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器，其特征在于石墨烯层厚度为0.38nm，包裹的光纤长度为1mm。
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