一种微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法。该传感器以2D敏感材料薄膜(包括石墨烯膜或二硫化钼膜)为压敏单元，利用光纤干涉方法实现压力信号检测。同时，针对温度对压力测量信号的交叉影响，引入布拉格光栅，结合传感器敏感结构设计与干涉腔封装以及温度误差校正等方法，实现压力传感器的温度误差补偿。因此，所述传感器具有制作简单、体积小、压力/温度双参数测量、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，可用于生物医学、航空航天以及工业测控等领域微小尺寸下高灵敏度压力测量。

Miniature high sensitivity optical fiber interference type pressure sensor and manufacturing method thereof

The invention discloses a miniature high sensitivity optical fiber interference type pressure sensor and a manufacturing method thereof. The sensor is based on the 2D sensitive material film (including graphene film or molybdenum disulfide film) as pressure sensitive unit. At the same time, according to the temperature effect on the cross pressure measurement signal, the introduction of Prague grating, combined with sensor structure design and interference cavity package and temperature error correction method, temperature error compensation for pressure sensor. Therefore, the sensor has the advantages of simple fabrication, small volume, pressure / temperature dual parameter measurement, high sensitivity, anti electromagnetic interference, can be used for biomedical, aerospace and industrial control fields of small size under high sensitivity pressure measurement.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤传感的
，尤其涉及一种具有温度补偿的基于2D(Two Dimension)敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法。
技术介绍
光纤干涉式传感器是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。由于其具有小尺寸、抗电磁干扰、分布式、远距离监测等优点，在航空航天、生物医学、工业自动化等领域得到了广泛的应用。目前膜片式结构的光纤干涉式传感器通常有石英膜、有机膜、光子晶体硅膜、银膜等。例如，2006年张桂菊等采用石英膜改进了光纤法珀低压传感器探头的设计(参见：张桂菊,于清旭.基于非本征光纤FP腔的低压传感器研究[J].仪表技术与传感器,2006,10:003.)，采用切割石英丝的方法制作石英薄膜，膜厚的减小主要依赖于切割技术；2009年Said M M等采用有机膜PDMS制作了压力传感器(参见：Said M M,Radzi S A,Noh Z M,et al.A new diaphragm material for optical fibre Fabry-Perot pressure sensor[C]//MEMS,NANO,and Smart Systems(ICMENS),2009Fifth International Conference on.IEEE,2009:154-158.)，采用粘附液体PDMS，通过将其固化形成薄膜，但膜厚的均匀性有很大的不可控性；2010年Akkaya O C等利用450nm光子晶体硅膜制作了光纤声压传感器(参见：Akkaya O C,Kilic O,Digonnet M J F,et al.High-sensitivity thermally stable acoustic fiber sensor[C]//Sensors,2010IEEE.IEEE,2010:1148-1151.)；以及2012年Xu F等采用125nm银膜制作了光纤法珀压力传感器(参见：Xu F,Ren D,Shi X,et al.High-sensitivity Fabry–Perot interferometric pressure sensor based on a nanothick silver diaphragm[J].Optics letters,2012,37(2):133-135.)。上述方法中所用膜片虽然在一定程度上提高了传感器的灵敏度，但由于受薄膜厚度的影响，其压力敏感性在一定程度上也受到限制。石墨烯是目前已知最薄的材料，其单层厚度仅为0.335nm(参见：Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science,2004,306(5696):666-669.)，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。2007年美国康奈尔大学J.S.Bunch等人利用石墨烯的谐振特性，研制了基于石墨烯膜的机电谐振器，并于2008年对该薄膜的不透气性进行了理论与实验研究(参见：Bunch J S,Verbridge S S,Alden J S,et al.Impermeable atomic membranes from graphene sheets[J].Nano letters,2008,8(8):2458-2462)。这为石墨烯材料用于压力敏感膜提供了可能。与石墨烯类似的二维材料(如，二硫化钼)也具有相近的力学性质。2013年香港理工大学的J.Ma等以光纤插芯为基底，制作了直径为125μm、厚度为100nm的石墨烯膜感压元件，声压测试表明，其动态灵敏度为1100nm/kPa(参见：Jun Ma,Haifeng Xuan,Hoi Lut Ho,Wei Jin,Yuanhong Yang,Shangchun Fan.Fiber-optic Fabry-Perot acoustic sensor with multilayer graphene diaphragm[J].IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(10):932-935)。2015年北京航空航天大学李成等人利用氧化锆陶瓷插芯为腔体，制作了直径为125μm、～13层厚的石墨烯膜感压元件，其动态灵敏度大幅提升为2380nm/kPa(参见：Cheng Li,Xiangyang Gao,Tingting Guo,Jun Xiao,Shangchun Fan and Wei Jin.Analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity Fabry-Perot acoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm[J].Measurement Science and Technology,2015,26(8):085101)。但膜片式光纤压力传感器的温度敏感性直接影响压力传感性能，其信号输出是关于压力和温度的函数，所以，必须有效降低膜片式光纤干涉式压力传感器的温度交叉敏感性。因此，本专利技术基于以石墨烯和二硫化钼为代表的二维材料制备压力敏感膜，利用其超薄厚度和良好的机械力学特性，并引入光纤光栅敏感单元，从敏感结构、干涉腔封装和温度误差校正等方面，设计制作了一种具有温度补偿的微型高灵敏度膜片式光纤干涉式压力传感器，具有制作简单、体积小、压力/温度双参数测量、灵敏度高、抗电磁干扰等优点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有温度补偿的基于2D(Two Dimension)敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法。该传感器由一根单模光纤、布拉格光栅、二维材料薄膜、光纤插芯等组合而成，可解决现有技术中膜片式光纤干涉式压力传感器受所用膜片较厚和温度交叉敏感而造成的灵敏度受限与精度偏低的问题。本专利技术的目的在于提出一种具有温度补偿的基于2D敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法。本专利技术的目的可通过以下2种技术方案来实现：第1种方案：本专利技术提供的一种具有温度补偿的基于2D敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器的制作方法，包括以下步骤：步骤1.压力传感器组件选型：选用单层、少层或多层2D敏感材料薄膜、光纤插芯、布拉格光栅、光纤低温封接焊料和单模光纤，所述的光纤插芯为氧化锆陶瓷插芯或玻璃插芯，所述的2D敏感材料薄膜的形状为梁式、圆形、方形、异形或上述不同形状的组合；步骤2.对上述光纤插芯端面进行超声、丙酮、去离子水清洗，之后使用光纤切割刀将单模光纤尾端切平或研磨，通过端面检测仪或显微镜检测光纤插芯端面和单模光纤尾端的平整度；步骤3.将2D敏感材料薄膜转移吸附至清洗后的光纤插芯的一端；步骤4.将单模光纤从已吸附2D敏感材料薄膜的光纤插芯另一端插入并从已吸附2D敏感材料薄膜的光纤插芯另一端插入，使单模光纤端面和2D敏感材料薄膜构成干涉腔；步骤5.在光纤插芯端面与单模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有温度补偿的基于2D敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1.压力传感器组件选型：选用单层、少层或多层2D敏感材料薄膜、光纤插芯、布拉格光栅、光纤低温封接焊料和单模光纤，所述的光纤插芯为氧化锆陶瓷插芯或玻璃插芯，所述的2D敏感材料薄膜的形状为梁式、圆形、方形、异形或上述不同形状的组合；步骤2.对上述光纤插芯端面进行超声、丙酮、去离子水清洗，之后使用光纤切割刀将单模光纤尾端切平或研磨，通过端面检测仪或显微镜检测光纤插芯端面和单模光纤尾端的平整度；步骤3.将2D敏感材料薄膜转移吸附至清洗后的光纤插芯的一端；步骤4.将单模光纤从已吸附2D敏感材料薄膜的光纤插芯另一端插入并从已吸附2D敏感材料薄膜的光纤插芯另一端插入，使单模光纤端面和2D敏感材料薄膜构成干涉腔；步骤5.在光纤插芯端面与单模光纤的连接处，封接低温焊料，实现单模光纤和光纤插芯的固接；步骤6.利用光纤熔接机将布拉格光栅熔接入单模光纤，完成膜片式光纤干涉式压力传感器的制作；步骤7.制作出来的基于2D敏感材料薄膜的光纤干涉式压力传感器根据膜片振动与腔长变换规律，并结合布拉格光栅的温度传感特性，实现压力/温度的双参数测量；步骤8.根据单模光纤、光纤插芯与光纤低温封接焊料之间的热膨胀变形，以及2D敏感材料薄膜的热应变特性，对实测的压力/温度数据进行拟合标定和温度误差的非线性校正；步骤9.根据压力/温度数据之间的回归拟合关系，基于2D敏感材料薄膜的光纤干涉式压力传感器实现具有温度补偿的压力解算。...

【技术特征摘要】
1.一种具有温度补偿的基于2D敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1.压力传感器组件选型：选用单层、少层或多层2D敏感材料薄膜、光纤插芯、布拉格光栅、光纤低温封接焊料和单模光纤，所述的光纤插芯为氧化锆陶瓷插芯或玻璃插芯，所述的2D敏感材料薄膜的形状为梁式、圆形、方形、异形或上述不同形状的组合；步骤2.对上述光纤插芯端面进行超声、丙酮、去离子水清洗，之后使用光纤切割刀将单模光纤尾端切平或研磨，通过端面检测仪或显微镜检测光纤插芯端面和单模光纤尾端的平整度；步骤3.将2D敏感材料薄膜转移吸附至清洗后的光纤插芯的一端；步骤4.将单模光纤从已吸附2D敏感材料薄膜的光纤插芯另一端插入并从已吸附2D敏感材料薄膜的光纤插芯另一端插入，使单模光纤端面和2D敏感材料薄膜构成干涉腔；步骤5.在光纤插芯端面与单模光纤的连接处，封接低温焊料，实现单模光纤和光纤插芯的固接；步骤6.利用光纤熔接机将布拉格光栅熔接入单模光纤，完成膜片式光纤干涉式压力传感器的制作；步骤7.制作出来的基于2D敏感材料薄膜的光纤干涉式压力传感器根据膜片振动与腔长变换规律，并结合布拉格光栅的温度传感特性，实现压力/温度的双参数测量；步骤8.根据单模光纤、光纤插芯与光纤低温封接焊料之间的热膨胀变形，以及2D敏感材料薄膜的热应变特性，对实测的压力/温度数据进行拟合标定和温度误差的非线性校正；步骤9.根据压力/温度数据之间的回归拟合关系，基于2D敏感材料薄膜的光纤干涉式压力传感器实现具有温度补偿的压力解算。2.一种具有温度补偿的基于2D敏感材料薄膜的微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器，其特征在于：权利要求1所述的制作方法制作出来...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，彭小斌，刘倩文，樊尚春，樊世超，冯国松，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11