CN105987784A - 高真空光纤f-p压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高真空光纤F-P压力传感器，包括压力膜片、上插芯、下插芯和包覆在下插芯中的光纤，其中：上插芯(4)有一凹槽，凹槽底面和四周覆盖一层用来吸附F-P腔内残余气体的纳米粒子(3)，并被石墨烯薄膜(2)包裹，压力膜片(1)与上插芯(4)连接形成F-P腔，上插芯(4)和下插芯(5)通过互连成整体。光纤一部分插入下插芯，另一部分位于下插芯外，作为传导光纤与解调设备连接，上、下插芯互连成整体。本发明结构简单，制作方便快捷，成本低。本发明超高真空的光纤F-P压力传感器解决了现有技术F-P腔内的残余气体真空度难达到1Kpa以下问题。

Description

高真空光纤 F-P 压力传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种石墨烯结构的高真空光纤F-P压力传感器。

背景技术

光纤传感器技术起步于上世纪70年代末,是伴随着光纤通讯技术发展起来的。光纤传感器以光作为信息载体，以光纤作为信传输介质，对被测参量进行传感测量。它具有好的电绝缘性，强的抗电磁干扰能力，同时还具有耐高温、高压，耐腐蚀特性，并且能在易燃易爆等恶劣环境下使用。光纤法布里- 珀罗(F-P)传感器是光纤传感器中的一个重要的分支。光纤F-P传感器具有结构简单，体积小，高可靠性，高灵敏度，响应时间短，单光纤信号传输等优点受到人们普遍的关注，同时还在石油化工、航空航天及桥梁等建筑物的健康监测中有广泛的应用前景，是目前的研究热点之一。光纤F-P腔压力传感器的敏感部件是光纤F-P腔，当光进入光纤F-P腔后，将会在两反射端面间多次反射，形成多光束干涉光谱。当在进行压力测试时，外界压力的变化引起光纤F-P腔长的变化，从而引起多光束干涉光谱变化，利用外部解调设备可以计算出压力值。

目前，光纤F-P腔的压力传感器的传感头通常采用微机电(MEMS)技术加工制作，这种方法加工精度高，能批量化生产。但是目前这些F-P压力传感器还存在着难点问题，如中国专利公开号CN103644987A, CN103698080A公开的相关F-P压力传感器，其感压膜片(硅材料)与玻璃凹槽是通过阳极键合的方式连接而成形成F-P腔。但是受目前的工艺水平限制，F-P腔内的残余气体真空度难达到1Kpa以下, 同时随着F-P压力传感器使用时间的增加，腔内的真空度会逐渐降低。可是腔内的残余气体对F-P压力传感器的精度有较大的影响，温度每升高和降低1^oC,精度会变化0.3-0.5%。然而目前还没有很好的办法来解决F-P腔内的残余气体问题。

石墨烯是21世纪发现的新型材料，它是由单层的碳原子共价键组合形成的薄膜，这种新的材料有它独特的光电特性。由于是单层碳原子组成，表面形成二维电子气，所以石墨烯薄膜具有较高的电导率，可以用来制作各种电子器件。同时石墨烯薄膜也具有较好光特性，在可见光到中红外频谱具有90%以上的透过率。因此它被当成新型的透明电极广泛应用于光电显示、激光器、LED、智能手机等。石墨烯薄膜的机械力学特性也十分出众，它的机械强度可以达到碳素钢的强度。鉴于此，本发明将利用石墨烯薄膜的优越的光电、力学特性来解决F-P腔内的残余气体问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种石墨烯结构的高真空光纤F-P压力传感器，可以很好地解决F-P腔内的残余气体问题。

本发明的目的可采用如下技术方案来实现：一种高真空光纤F-P压力传感器，包括压力膜片、上插芯、下插芯和包覆在下插芯中的光纤，其中：上插芯(4)有一凹槽，凹槽底面和四壁覆盖一层用来吸附F-P腔内残余气体的纳米粒子(3)，并被石墨烯薄膜(2)包裹，压力膜片(1)与上插芯(4)连接形成F-P腔，上插芯(4)和下插芯(5)通过互连成整体。光纤一部分插入下插芯，另一部分位于下插芯外，作为传导光纤与解调设备连接，上、下插芯互连成整体。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

与现有的技术相比，本发明的较大突破在于：是在光纤F-P腔压力传感器中设计带石墨烯结构的气体吸附纳米粒子。利用石墨烯薄膜极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点和优越的光电、力学特性，由它作为载体来束缚气体吸附纳米粒子，可以让气体吸附纳米粒子均匀、紧密地结合在F-P腔。同时石墨烯薄膜在可见光-远红外90%以上的通过率，可以满足F-P压力传感器对光透过率的要求。这种石墨烯结构的高真空光纤F-P压力传感器可以把腔内残余气体控制在100Pa以内，大大提高了系统的精度。解决了现有技术F-P腔内的残余气体真空度难达到1Kpa以下问题。

本发明利用石墨烯薄膜的优越的光电、力学特性了解决F-P腔内的残余气体问题。并且这种石墨烯结构的高真空光纤F-P压力传感器的使用寿命可以达到10年以上。

附图说明

图1 为本发明高真空光纤F-P压力传感器的构造原理剖视示意图。

图中: 1压力膜片，2石墨烯薄膜，3气体吸附纳米粒子，4上插芯，5下插芯，6光纤。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中,高真空光纤F-P压力传感器由压力膜片1、石墨烯薄膜2、气体吸附纳米粒子3、上插芯4、下插芯5，光纤6 组成。上插芯4有一凹槽，凹槽底面和四壁覆盖一层用来吸附F-P腔内残余气体的纳米粒子3，并被石墨烯薄膜2包裹，压力膜片1与上插芯4连接形成F-P腔，凹槽底面和四壁覆盖有用来吸附F-P腔内的残余气体的吸附纳米粒子3，吸附纳米粒子3被石墨烯薄膜2包裹，压力膜片1与上插芯4连接形成F-P腔，上插芯4和下插芯5通过互连成整体。光纤6一部分插入下插芯5，另一部分伸出下插芯5外，作为传导光纤与解调设备连接。所述的插芯凹槽覆盖的石墨烯薄膜的种类包含单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯。

制备所述高真空光纤F-P压力传感器方法，具体包括如下步骤:选取起伏小于1nm无翘曲、厚度为50-300um的100晶向的优质硅片，在硅片一面溅射一层厚度为100-1000nm的SiO₂薄膜；利用标准MEMS工艺对上插芯4按照设计要求制作凹槽，并在插芯4凹槽掺入一层具有气体吸附功能的纳米粒子3，然后通过物理沉积法或化学法在纳米粒子3上包覆一层石墨烯薄膜，压力膜片1与上插芯4通过阳极键合工艺连接形成F-P腔。利用物理沉积法或者化学学生长石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上掺入一层气体吸附纳米粒子，纳米粒子的厚度控制在1-50 nm内。通过转移法，将带有在气体吸附纳米粒子的石墨烯薄膜转移到上插芯4凹槽内。将传导光纤6一端充分研磨平整，固定在下插芯5的插孔中，并与下插芯5的顶端齐平。采用激光键合或者胶粘贴工艺将上插芯4和下插芯5连接，完成光纤F-P腔压力传感器的制作。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。

Claims (8)

1.一种高真空光纤F-P压力传感器，包括压力膜片、上插芯、下插芯和包覆在下插芯中的光纤，其中：上插芯(4)有一凹槽，凹槽底面和四壁覆盖一层用来吸附F-P腔内残余气体的纳米粒子(3)，并被石墨烯薄膜(2)包裹，压力膜片(1)与上插芯(4)连接形成F-P腔，上插芯(4)和下插芯(5)通过互连成整体，光纤一部分插入下插芯，另一部分位于下插芯外，作为传导光纤与解调设备连接，上、下插芯互连成整体。

2.根据权利要求1 所述的高真空光纤F-P压力传感器，其特征在于：石墨烯薄膜(2)作为纳米粒子(3)的载体，将气体吸附纳米粒子(3)固定在上插芯(4)凹槽底面和四壁。

3.根据权利要求1 或2所述的高真空光纤F-P压力传感器，其特征在于：上插芯(4)凹槽底面和四壁所覆盖的石墨烯薄膜的种类包含单层石墨烯、多层石墨烯或氧化石墨烯。

4.根据权利要求1 或2所述的高真空光纤F-P压力传感器，其特征在于：光纤一部分插入下插芯(5)，另一部分位于下插芯(5)外，作为传导光纤与解调设备连接，上插芯(4)和下插芯(5)通过互连成整体。

5.一种制备权利要求1 所述高真空光纤F-P压力传感器方法，其特征在于包括如下步骤：

选取起伏小于1nm无翘曲、厚度为50-300um的100晶向的优质硅片，在硅片一面溅射一层厚度为100-1000nm的SiO₂薄膜；利用标准MEMS工艺对上插芯4按照设计要求制作凹槽，

并在插芯（4）凹槽掺入一层具有气体吸附功能的纳米粒子（3），然后通过物理沉积法或化学法在纳米粒子（3）上包覆一层石墨烯薄膜，压力膜片（1）与上插芯（4）通过阳极键合工艺连接形成F-P腔。

6.根据权利要求1 所述的高真空光纤F-P压力传感器，其特征在于：通过转移法将带有在气体吸附纳米粒子的石墨烯薄膜转移到上插芯(4)凹槽内。

7.根据权利要求1或4 所述的高真空光纤F-P压力传感器，其特征在于：纳米粒子的厚度控制在1-50 nm内。

8.根据权利要求1或4 所述的高真空光纤F-P压力传感器，其特征在于：将传导光纤（6）一端充分研磨平整，固定在下插芯（5）的插孔中，并与下插芯（5）的顶端齐平。