CN110987227A - 一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法，对包层直径125μm、纤芯直径105μm的大芯径阶跃多模光纤进行氢氧焰加热熔融拉锥形成锥区，将单层石墨烯薄膜转移至多模光纤的传感锥区，制备石墨烯微纳光纤的温度传感器。本发明通过将单层石墨烯与大芯径多模微纳光纤结合，利用石墨烯的热致光吸收效应，实现对温度的全光纤传感检测，通过石墨烯将温度变化转化为光信号的变化，提高了温度检测器件的灵敏度。

Description

一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法。

背景技术

标准光纤的包层通常在125μm，光纤纤芯直径的不同，通过光纤光的传输模式也不同。一般情况下传输光场都被限制在纤芯附近，但通过对光纤进行氢氧焰加热熔融拉锥的方式进行处理，可以使得原本被束缚在纤芯的一部分光场以倏逝场的形式泄露在光纤包层外部。此方法可以增强外界环境与光纤中光场的相互作用，从而制备出高灵敏度的光纤传感器件。

现有的光纤温度传感器，通常使用光纤布拉格光栅的温敏特性作为温度传感原理，但光纤光栅传感器需要使用光纤光栅解调仪，导致检测系统冗杂；也有通过电热丝调控D型光纤上热光聚合物的折射率，利用热致折射率变化的效应控制光纤输出的光功率来进行光纤的温度传感，这一类传感器通常需要使用聚合物，而大部分的聚合物为绝热材料，因此，这类传感器的响应速度较慢；另外，聚合物长期处于高温环境下也容易氧化和变质，影响检测精度与使用寿命，导致温度传感器灵敏度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法，以解决传统的光纤温度传感器响应速度较慢、检测精度与灵敏度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，包括：多模光纤以及单层石墨烯；

所述单层石墨烯覆盖在所述多模光纤的光纤传感区，形成基于石墨烯微纳光纤的温度传感器。

可选的，所述多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为105μm；

所述光纤传感区为氢氧焰加热熔融拉制成的锥区，所述锥区的最大长度为8mm；所述锥区的束腰直径范围为57μm～58μm。

可选的，所述单层石墨烯的层厚度为0.34nm。

一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，包括：

利用氢氧焰加热熔融法将多模光纤的光纤传感区拉制为锥区；

利用化学气相沉积方法在铜基底上生长一层单层石墨烯，并在所述单层石墨烯上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜；

利用腐蚀法腐蚀带有铜基底的单层石墨烯，得到带有PMMA薄膜的单层石墨烯；

通过转移方法将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯转移到所述多模光纤的锥区，使得所述单层石墨烯与所述锥区贴合，并去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器。

可选的，所述利用化学气相沉积方法在铜基底上生长一层单层石墨烯，并在所述单层石墨烯上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜，具体包括：

由氢气、甲烷与氩气组成的混合气体通过化学气相沉积方法在1cm²铜基底上生长一层单层石墨烯；

再在所述单层石墨烯上旋涂一层厚度为100nm～200nm的PMMA薄膜，并在120℃下固化3min。

可选的，所述利用腐蚀法腐蚀带有铜基底的单层石墨烯，得到带有PMMA薄膜的单层石墨烯，具体包括：

以铜基底为底面，以PMMA薄膜为顶面，将所述带有铜基底的单层石墨烯置于溶液浓度为1mol/L的三氯化铁FeCl₃溶液中，待所述铜基底被完全腐蚀，再将腐蚀后的带有PMMA薄膜的单层石墨烯转移至去离子水中，清除残留的FeCl₃，得到带有PMMA薄膜的单层石墨烯。

可选的，所述通过转移方法将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯转移到所述多模光纤的锥区，使得所述单层石墨烯与所述锥区贴合，并去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，具体包括：

以所述单层石墨烯为底面，以所述PMMA薄膜为顶面，将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯浮在去离子水面上；

利用拉锥后的多模光纤，自下而上将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯挑出水面，并在90℃的烘箱内加热1h，使得所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯和所述多模光纤的锥区贴合；

冷却贴合后的多模光纤，并将所述贴合后的多模光纤置入丙酮溶液中，去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器。

可选的，所述冷却贴合后的多模光纤，并将所述贴合后的多模光纤置入丙酮溶液中，去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，具体包括：

利用丙酮溶液浸泡所述贴合后的多模光纤三次，每次使用丙酮溶液浸泡30分钟。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法，主要利用了石墨烯的特殊电子散射关系和无带隙结构，与绝缘体和半导体相比较，很低的外界温度能量便可将石墨烯中电子激发到到高能态，从而改变电子的能级分布；外界温度的升高引起石墨烯高能级的电子数增加，减少了石墨烯中两能态的电子布居数之差，从而导致石墨烯对光波吸收显著的减少，因此，通过将单层石墨烯与大芯径多模微纳光纤结合，采用石墨烯的热致光吸收效应，实现对温度的全光纤传感检测，通过石墨烯将温度变化转化为光信号的变化，提高了温度检测器件的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的镀有单层石墨烯薄膜的的光纤传感系统结构图；

图2为本发明所提供的多模光纤拉锥后电子视频显微镜下的光纤束腰直径测量图；

图3为本发明所提供的将石墨烯转移到光纤上之后的石墨烯拉曼光谱图；

图4为本发明所提供的石墨烯多模熔融拉锥8mm光纤的光损耗随温度变化光谱图；

图5为本发明所提供的1550nm波长处温度传感器光传输损耗随恒温箱温度的拟合曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器及其制备方法，能够提高温度传感器的灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，将铜基底化学气相沉积生长的单层石墨烯薄膜转移至多模微纳光纤的光纤束腰面，从而形成一种镀有单层石墨烯薄膜的的光纤传感系统，如图1所示，该镀有单层石墨烯薄膜的的光纤传感系统具体包括：多模光纤1，单层石墨烯2，纤芯3(105μm)，光谱分析仪4，宽带光源5。在一段大芯径阶跃多模光纤上，除去光纤涂覆层后，使用氢氧焰高温熔融拉锥，将其设置为光纤传感区域，并在其上转移一层石墨烯薄膜，当传输光通过传感区域，在锥区产生倏逝场，石墨烯薄膜受温度场影响，对倏逝波吸收减少，实现温度场的检测；同时，由于石墨烯材料本身具有高的机械强度，且不易被氧化，转移后的石墨烯材料具有比金属更高的热导率，因此，不会影响到该温度传感器对温度的灵敏度，同时该温度传感器具有结构简单、制作简便、高灵敏度等优点。

一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

首先通过化学气相沉积法，将甲烷、氩气及氢气按一定比例混合并通过高温，使之在铜箔基底上生长出单层石墨烯。

其次，在单层石墨烯上旋涂一层100～200nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)薄膜，并在120℃下固化3min。

再次，将制得的样品，铜箔面在下PMMA层在上，放置在溶液浓度为1mol/L的FeCl3溶液中，待铜箔被完全腐蚀。

最后，再将样品转移至去离子水中，转移三次即可基本清除残留的FeCl3完成石墨烯薄膜的制备。

采用SCS-4000光纤熔融拉锥机制备传感光纤，将芯径为105μm，包层直径为125μm的多模阶跃光纤熔融拉锥，拉锥长度约为8mm，在电子视频显微镜下测量得到光纤束腰区直径约为57μm；此光纤直径既可以保证光场有足够的倏逝场与石墨烯相互作用，也能保证传感光纤的机械强度，不会轻易断裂。图2为本发明所提供的多模光纤拉锥后电子视频显微镜下的光纤束腰直径测量图，如图2所示。

将石墨烯/PMMA薄层浮在去离子水面，再用制备好的光纤样本，自下而上将石墨烯/PMMA薄层挑出水面，在90℃的烘箱内加热1h左右，使石墨烯和光纤贴合紧密。

待样品冷却，将样品放入丙酮溶液里，去除PMMA，此过程重复三次，每次使用丙酮浸泡30分钟。

取出样品，待表面丙酮挥发干净，即可完成传感器的制备。

图3为本发明所提供的将石墨烯转移到光纤上之后的石墨烯拉曼光谱图，如图3所示，拉曼光谱激发光波长为532nm，由拉曼光谱可看出，G峰在1580cm-1处，2D峰在2700cm-1，G/2D值为0.6654，可认为石墨烯在光纤上存在，且层数应为单层。

温度传感实验系统主要由台式ASE宽带光源、WHL-30B恒温控制箱、AQ6375光谱分析仪构成，光纤温度传感头分别于光源、光谱仪连接好后，将传感头放入恒温箱中，设定恒温箱温度从+30℃增加至+90℃，然后从90℃减少至30℃，每10分钟增加或减少5℃，记录温度变化及相应温度下的光纤光谱。

温控箱温度升高，热激发的电子空穴对浓度增加，改变了石墨烯的费米-狄拉克分布，导致与电子带内跃迁对应的动态电导率变小；另一方面，温度升高使得声子对电子空穴对的散射作用增强，从而导致电子和空穴的散射率增加，石墨烯动态电导率变小；另外由于电导率的实部影响光波的吸收，虚部影响光波相位传播速度，因此，当石墨烯动态电导率变小时，对光波的吸收也就减小，锥区光损耗降低，光透过率增加，实现对温度的传感。

图4为本发明所提供的石墨烯多模熔融拉锥8mm光纤的光损耗随温度变化光谱图，实验测量结果如图4所示，温度数据可由恒温控制箱自身检测得到，由实验结果可看出，石墨烯多模微纳光纤光损耗变化最大达到6.782dB/km。

图5为本发明所提供的1550nm波长处温度传感器光传输损耗随恒温箱温度的拟合曲线图，实线为温度上升过程光传输损耗随温度变化曲线，拟合得到的线性方程为

其中α为传输损耗，T为环境温度，拟合得到的线性相关度分别为97.363％，从拟合方程可见，此温度传感器的灵敏度为0.1322dB/℃，由此可知，本发明所提供的温度传感器的灵敏度更高。

石墨烯，一种由碳原子组成的二维晶体材料。单层的石墨烯厚度仅为一个原子尺度大小，约0.34nm。碳原子以sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列，具有理想二维平面结构。由于石墨烯具有零带隙结构，其能显示出与其他材料不同的特性。比如，石墨烯具有超高的载流子迁移率和单层石墨烯2.3％的光吸收率，在光子学和电子学获得了极大的关注。同时石墨烯杨氏模量为1TPa，固有强度为130GPa，热电导率约为3000W·mK-1，是铜的13倍；且具有对任何气体的不渗透性、具有良好的柔韧性、稳定性和生物相容性。通过将石墨烯与光波导结合，运用石墨烯优异的热导特性，制备形成光纤传感器件，利用石墨烯与波导模场的作用改变传输光场的性质，从而实现对外界环境变量的高灵敏度检测就其意义；本发明采用锥型多模光纤与石墨烯材料的结合，简化了检测过程外，石墨烯材料的特性也改进了使用聚合物材料制备光纤温度传感器的不足。

本发明通过将石墨烯与光波导结合，运用石墨烯优异的热导特性，制备形成的光纤传感器件，具有高灵敏度、抗电磁干扰长寿命等优点。

与布拉格光栅温度传感器相比，本发明无需使用光栅解调仪器，系统更加简便，成本更低，且作为全光纤的温度传感器件，光耦合损耗也较低。

本发明利用石墨烯材料强机械结构和高导热系数的特性，所制备的光纤传感器也具有高的温度响应特性，且石墨烯稳定的化学结构，也使得传感器具有长寿命的特点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，其特征在于，包括：多模光纤以及单层石墨烯；

所述单层石墨烯覆盖在所述多模光纤的光纤传感区，形成基于石墨烯微纳光纤的温度传感器。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，其特征在于，所述多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为105μm；

所述光纤传感区为氢氧焰加热熔融拉制成的锥区，所述锥区的最大长度为8mm；所述锥区的束腰直径范围为57μm～58μm。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，其特征在于，所述单层石墨烯的层厚度为0.34nm。

4.一种基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，包括：

利用氢氧焰加热熔融法将多模光纤的光纤传感区拉制为锥区；

利用化学气相沉积方法在铜基底上生长一层单层石墨烯，并在所述单层石墨烯上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜；

利用腐蚀法腐蚀带有铜基底的单层石墨烯，得到带有PMMA薄膜的单层石墨烯；

通过转移方法将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯转移到所述多模光纤的锥区，使得所述单层石墨烯与所述锥区贴合，并去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器。

5.根据权利要求4所述的基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述利用化学气相沉积方法在铜基底上生长一层单层石墨烯，并在所述单层石墨烯上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜，具体包括：

由氢气、甲烷与氩气组成的混合气体通过化学气相沉积方法在1cm²铜基底上生长一层单层石墨烯；

再在所述单层石墨烯上旋涂一层厚度为100nm～200nm的PMMA薄膜，并在120℃下固化3min。

6.根据权利要求4所述的基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述利用腐蚀法腐蚀带有铜基底的单层石墨烯，得到带有PMMA薄膜的单层石墨烯，具体包括：

以铜基底为底面，以PMMA薄膜为顶面，将所述带有铜基底的单层石墨烯置于溶液浓度为1mol/L的三氯化铁FeCl₃溶液中，待所述铜基底被完全腐蚀，再将腐蚀后的带有PMMA薄膜的单层石墨烯转移至去离子水中，清除残留的FeCl₃，得到带有PMMA薄膜的单层石墨烯。

7.根据权利要求4所述的基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述通过转移方法将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯转移到所述多模光纤的锥区，使得所述单层石墨烯与所述锥区贴合，并去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，具体包括：

以所述单层石墨烯为底面，以所述PMMA薄膜为顶面，将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯浮在去离子水面上；

利用拉锥后的多模光纤，自下而上将所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯挑出水面，并在90℃的烘箱内加热1h，使得所述带有PMMA薄膜的单层石墨烯和所述多模光纤的锥区贴合；

冷却贴合后的多模光纤，并将所述贴合后的多模光纤置入丙酮溶液中，去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器。

8.根据权利要求7所述的基于石墨烯微纳光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述冷却贴合后的多模光纤，并将所述贴合后的多模光纤置入丙酮溶液中，去除所述PMMA薄膜，得到基于石墨烯微纳光纤的温度传感器，具体包括：

利用丙酮溶液浸泡所述贴合后的多模光纤三次，每次使用丙酮溶液浸泡30分钟。

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