CN113624369A - 一种基于石墨烯传感器的压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，包括建立压力敏感结构‑石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构‑石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构变形，石墨烯周围空间光场分布改变，采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化，进而得到压力敏感结构‑石墨烯接触面积与有效折射率的关系；有效折射率改变，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱，计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。本发明结合石墨烯特有的传输特性和马赫曾德尔光波导结构的相位变化原理，提出了一种新颖的压力测量方法。

Description

一种基于石墨烯传感器的压力测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，基于石墨烯独特的光学特性，能够实现高灵敏度、高环境适应性的高精度压力测量，属于压力测量技术领域。

背景技术

现代社会的智能化、信息化发展趋势对传感器的性能参数提出了越来越高的要求，比如检测精度要高、环境适应性要好、稳定性要好、长的使用时间等。例如医疗机器人与物体接触时，要避免破坏接触到的物体，而且能够免疫多元干扰，并易于集成在智能系统中。人机交互中的柔性压力传感器要求高灵敏度、小型化、宽检测范围、稳定性好。传统的压力传感器容易受到环境的干扰，而且体积较大，严重限制了传感器的环境适用性。为了让压力传感器更好的满足智慧医疗、人机交互、智能制造等新应用场景，压力测量方法需要引进新的技术、材料甚至检测方法，这是目前压力测量技术领域的一个新的挑战，因此，新型测量方法在未来有广阔的应用前景和较大的发展空间。

目前根据压力测量方法可根据传感器类型分为电阻式、电容式以及压电式。压阻式压力测量方法为：压力作用在传感器上，敏感元件形状改变，进而导致电阻发生变化，再通过电路将电阻变化信号转换为电压信号。压阻式测量原理简单，传感器能够在表面不规则的物体表面进行测量。但是压阻式传感器的测量范围有限，容易受到多元误差的干扰。压电式压力测量方法基于压电效应，压力沿一定方向作用在压电材料上时，压电材料发生变形，偶极子重定向进而压电材料内部极化，表面出现正负相反的电荷，进而电流值发生改变。压电式传感器灵敏度高，精度高。但是由于压电材料的表面生成的正负电荷不能长时间保存，因此智能用于动态压力测量，不能测量静态压力。电容式测量方法为：传感器加载压力，两个电极板中间的电介质发生形变，进而电介质的特有电学性能改变，从而改变传感器的电容值。常见的电容式传感器能耗低，但是同样受限于电介质材料的特性限制，检测极限较低。

石墨烯非常薄，具有超高的电子迁移率，并且常见环境中不受温度的影响。由于导带与狄拉克点相切，石墨烯的电子特性很稳定。并且强度高，拉伸性好，能承受30Gpa的强度拉力。石墨烯的优异特性能够在压力测量方法上带来新的突破。

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，提出一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，能够有效检测压力，精度较高，灵敏度高。

一种基于石墨烯传感器的压力测量方法。包括建立压力敏感结构-石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构-石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构在压力作用下变形，压力敏感结构-石墨烯的接触面积发生改变。采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化。有效折射率发生变化，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱。计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。

本发明的采用如下技术方案：

一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，包括建立压力敏感结构-石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构-石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构在压力作用下变形，采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化，有效折射率发生变化，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱，计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。

进一步地，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)的作用下发生形变，改变了压力敏感结构-石墨烯的接触面积(S)，分析得到压力(F)与压力敏感结构-石墨烯接触面积(S)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。

(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。

(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(1)到步骤(4)实现了压力测量方法中物理量的传递，压力(F)的变化量转变为压力敏感结构-石墨烯接触面积(S)的变化量，再转变为石墨烯复合结构的有效折射率(n_eff)的变化量，进而转变为干涉波谷的漂移量

的变化量。最终得到了压力(F)和干涉波谷的漂移量

的线性关系。

进一步地，石墨烯的杨氏模量远大于压力敏感结构的杨氏模量，压力作用下石墨烯近似于不发生形变。因此，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：

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。

进一步地，石所述步骤(2)中的反射率法具体过程：

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(S)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(无量纲)，r₂为石墨烯-压力敏感结构界面的反射率(无量纲)。n_G为石墨烯的折射率(无量纲)，n_e为石墨烯周围空间的折射率(无量纲)。λ为光信号的波长(nm)。d为石墨烯层的厚度(nm)。Jk为k的虚部。

已知压力感知区域石墨烯复合波导的反射率R，可以得到该区域的整体有效折射率(n_eff)。压力敏感结构与石墨烯的接触面积(S)发生变化时，石墨烯周围空间的折射率n_e随之发生变化，进而改变了压力感知区域石墨烯复合波导的有效折射率。最终得到有效折射率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)

式中：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。

进一步地，所述步骤(3)中的MZI干涉法具体过程：

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

(rad)和

(rad)，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(nm)，L为干涉臂上压力感知区域的长度(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(无量纲)。

石墨烯复合结构的有效折射率(n_eff)和波谷漂移量

存在线性关系。因此，作用在压力感知区域的压力敏感结构上的压力(F)可由石墨烯复合结构输出光谱中的干涉波谷的漂移量

得到。

进一步地，所述步骤(4)的具体实现过程如下：

(41)宽谱光源经过偏振后输入到石墨烯传感器中，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(F)。

本发明的原理：

石墨烯具有独特光学特性，石墨烯的金属性体现在表面具有等离激元，会形成表面波。石墨烯的高折射率对周围光场具有调控作用，周围环境中的折射率变化会影响石墨烯的光学性质，压力作用下的压力敏感结构发生变形后，石墨烯周围环境的光场收到影响，整个复合结构的有效折射率发生改变，光波导中的光信号强度和相位随之发生变化。

本发明与现有技术对比，优点为：

(1)结合石墨烯特有的传输特性和马赫曾德尔光波导结构的相位变化原理，本发明提出了一种新型压力测量方法，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，环境适用性好。

(2)本发明提出的压力测量方法较新颖，传统的光纤压力传感器大都基于光弹性效应，变化幅度小，受温度影响大。本发明提出的压力测量方法与光弹性效应路线不同，基于石墨烯分析确定了压力与有效折射率的关系，变化幅度大，灵敏度高。

(3)石墨烯具有超快的载流速率、宽光谱吸收性、优异的环境稳定性等特性。因此，基于石墨烯传感器的测量方法能够实现对动态压力的快速响应，能够精确测量高频动态压力。

附图说明

图1为本发明涉及的基于石墨烯传感器的压力测量方法的实现过程的示意图；

图2为本发明涉及的石墨烯传感器的检测系统示意图；

图3为实施例1中的光波导层的干涉臂和参考臂示意图；

图4为实施例1中阵列式金字塔PDMS结构示意图；

图5为实施例1中波谷发生漂移的光波导输出光谱的示意图。

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。

首先说明本发明的基本原理：石墨烯的金属性体现在表面具有等离激元，会形成表面波。石墨烯的高折射率对周围光场具有调控作用，周围环境中的折射率变化会影响石墨烯的光学性质，压力作用下的压力敏感结构发生变形后，石墨烯周围环境的光场受到影响，整个复合结构的有效折射率发生改变，光波导中的光信号强度和相位随之发生变化，输出光谱发生变化。

实施例1：

本发明的传感器多应用于矿下巷道轮式机器人，机器人的传输臂接触到煤矿时，光信号传输到处理中心，解调计算得到压力的大小，能够免疫电磁干扰，实现快速响应。本发明涉及的石墨烯复合结构包括压力敏感结构、石墨烯、光波导层。光波导层(如图3所示)包括芯层和包层，芯层呈y型分布，分为干涉臂和参考臂。光信号从一端输入，在干涉臂和参考臂分别输出，分别经过两条光纤输入到光谱分析仪中。薄层石墨烯覆盖在光波导层上的干涉臂和参考臂区域。压力敏感结构(如图4所示)为阵列式金字塔状的PDMS(聚二甲基硅氧烷)结构，尖端与石墨烯接触。阵列式金字塔的PDMS结构由于金字塔间距很小，无需对准，平铺覆盖在光波导层的干涉臂和参考臂区域，安装后采用有色光源标记法将参考臂上方的PDMS结构划开一条缝隙。压力作用下的压力敏感结构发生变形后，影响石墨烯环境光场分布，改变复合结构的有效折射率，光波导层中的光信号强度和相位随之发生变化，进而输出光谱发生变化。

如图1所示，本发明提出了一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，具有四个基本步骤：

(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。

(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。

(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。

(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。

石墨烯的杨氏模量远大于压力敏感结构的杨氏模量，压力作用下石墨烯近似于不发生形变。因此，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：

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)的关系。

所述步骤(2)中的反射率法具体过程：

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(无量纲)，r₂为石墨烯-压力敏感结构界面的反射率(无量纲)。n_G为石墨烯的折射率(无量纲)，n_e为石墨烯周围空间的折射率(无量纲)。λ为光信号的波长(nm)。d为石墨烯层的厚度(nm)。Jk为k的虚部。

压力敏感结构与石墨烯的接触面积(S)发生变化时，石墨烯周围空间的折射率n_e随之发生变化，进而改变了压力感知区域石墨烯复合波导的有效折射率。最终得到有效折射率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)

式中：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。

所述步骤(3)中的MZI干涉法具体过程：

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

(rad)和

(rad)，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(nm)，L为干涉臂上压力感知区域的长度(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(无量纲)。

如图2所示，本发明的检测系统包括宽谱光源、偏振器、石墨烯复合结构、宽谱分析仪、分析计算单元。光信号由宽谱光源发出，经过偏振器得到TE偏振光，耦合到石墨烯复合结构中，光信号在压力作用下发生变化，再输入到光谱分析仪中，经过分析计算得到光的输出光谱。

优选地，偏振器选择TE光偏振器，宽谱光源的范围可以选择为1520nm-1560nm。

压力测量方法的步骤(4)的具体实现过程，如下所示：

(41)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。

(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。

输出光谱对比结果如图5所示，横轴为波长(nm)，纵轴为传输光谱(dB)。虚线为未施加压力时传感器的输出光谱，实线为施加压力后的输出光谱。施加一定压力后，输出光谱的干涉波谷向长波方向移动。干涉波谷的漂移量和压力成比例，计算干涉波谷的漂移量可以得到压力的数值。本发明提供的测量方法的量程大于传统的光纤压力传感器，可以达到90kPa，并且可以免疫外界环境的电磁干扰。

实施例2：

本实施例是对实施例1的补充，基础与重复内容不再叙述。

补充基于一种强度变化的压力测量方法。基于石墨烯传感器的压力测量方法的步骤一和步骤二相同。步骤三中有效折射率的变化影响光波导中光信号的强度和相位，基于直列光波导的光强方程得到输出光谱。步骤四中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强度衰减量，最终得到施加在传感器上的压力强度衰减量的线性关系。其检测方法与实施例1相同。

以上实施例仅可说明本发明的优选实施方式而非限制，所属领域的技术人员可以在不改变基本构型和原理的基础上，对本发明涉及到具体实施方式进行变化和替换，这些未改变基本原理的修改和变化均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯传感器的压力测量方法，其特征在于，包括建立压力敏感结构-石墨烯力学模型，得到压力与压力敏感结构-石墨烯接触面积的关系；压力敏感结构在压力作用下变形，采用反射率法分析石墨烯复合结构的交界面处的光场变化，有效折射率发生变化，光波导的光信号强度和相位发生变化，得到实时输出光谱，计算得到波谷漂移量，结合施加在传感器上的实时压力，得到压力与输出光谱的波谷漂移量的线性关系。

2.根据权利要求1所述的方法，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；

(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；

(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；

(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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。

Images