一种真空封装的石墨烯谐振式光纤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真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，包括硅压力敏感单元(1)、石墨烯膜(2)、夹持件(3)、玻璃封盖(4)、插芯(5)以及光纤(6)。传感器以真空封装的石墨烯膜为谐振元件，通过对悬浮石墨烯膜光热激振，并基于法布里‑珀罗干涉原理检测石墨烯膜挠度变形。硅压力敏感单元的主体为感压硅膜，在硅膜上表面制作有盲孔结构，石墨烯膜通过夹持件被周边固支于硅膜上表面的盲孔上。外部被测压力直接作用于感压硅膜使其产生应变，导致位于硅膜上方的石墨烯膜的刚度改变，进而使石墨烯谐振频率发生改变，通过解调该谐振频率的变化实现压力测量。本发明专利技术的压力传感器尺寸微型化、测量范围宽、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器及其制作方法
本专利技术涉及谐振器及光纤传感
，具体涉及一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器及其制作方法。
技术介绍
谐振式传感器是通过测量谐振元件谐振特性以获取被测量变化的高性能传感器，其具有优良的分辨力、稳定性和重复性，且传感器输出为周期性的准数字信号。微机械谐振式压力传感器基于传统的压力测量原理，通过压力敏感单元将压力转化为应变，导致谐振敏感元件的谐振特性变化，从而测量压力。相比传统的压力传感器，其具有体积微型化、能耗低、数字输出、高分辨力的特点。目前，谐振式微机械压力传感器主要采用硅材料作为谐振敏感元件，广泛用于航空航天、工业检测、武器装备、石油化工、资源勘探等方面。1992年，Schlumberger公司的Diogenes等人将光纤激励与微型硅梁谐振相结合用于压力传感，并对整体结构进行封装，但传感器整体尺寸较大，为22mm×22mm×25mm(长×宽×高)。1995年，Honeywell公司的Burns等人将硅晶圆和玻璃封盖键合，实现硅梁谐振子的封装，并采用静电激励与压阻检测的激振/拾振方式，未涉及光纤激振/拾振结构。近年来，石墨烯等二维材料的发现使单原子层厚度的振膜在微纳谐振器中的应用成为了可能。由于其优异的机械、热力学性能和较宽的可调谐范围，石墨烯材料具有NEMS谐振器理想材料的特征；但目前石墨烯谐振式压力传感器件研究仍停留在实验室阶段，且较多为石墨烯谐振特性的相关理论与实验效应研究。2007年，美国康奈尔大学J.ScottBunch等首次将石墨烯膜用于谐振器上，在MHz范围内通过静电/光学两种方式实现谐振器的激振，并通过空间光干涉测量法进行检测，测得的谐振频率介于1～170MHz，品质因数介于20～850之间。2014年，香港理工大学的JunMa等制作了光纤式石墨烯谐振器，并进行了不同压力对梁式谐振子的频率影响实验，并申请了专利(CN103994851)，但其石墨烯薄膜直接敏感被测压力，与被测介质直接接触，造成稳定性与可靠性无法得到保证。2016年，荷兰代尔夫特理工大学的Dolleman等人报道了一种哑铃形石墨烯谐振式压力传感器，实现了超高的压力灵敏度(9kHz/mbar)，但由于敏感膜直接暴露在被测环境，仍存在测量范围小、稳定性差、Q值低的劣势。2018年，中科院半导体所张明亮等人公开了一种石墨烯谐振式MEMS压力传感器的离子注入原位制备谐振子的制作方法(CN108190829A)，该传感器的封装采用硅和玻璃阳极键合的方案，其中玻璃只起保护作用，且基于电学激励电学检测原理，不同于本专利的光学激振/拾振方式。总体上，现有文献和专利未涉及到光纤激振/拾振的高性能石墨烯谐振式压力传感器，主要原因是由于石墨烯直接暴露于被测环境，品质因数受待测环境压力影响，导致石墨烯谐振状态的稳定性较差，这也是目前石墨烯谐振式压力传感器研究中普遍存在的问题。因此，本专利提出了一种基于光纤光热激振/拾振的具有真空封装与夹持结构的石墨烯谐振式压力传感器。由于谐振子与外界环境隔离，且通过硅压力敏感单元传递应变，可大幅提升此压力传感器的品质因数、稳定性以及测量范围，在深空探测的空间环境压力、航空大气压力、生物组织内微压力测量等领域具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中存在的技术问题，提供一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器及其制作方法。硅片上表面刻蚀出凹槽以防止封装时玻璃与硅片贴合，并在中心刻蚀出盲孔，形成石墨烯的支撑衬底；在硅片下表面刻蚀出深腔，形成感压硅膜；在具有催化作用的基底(如铜、镍等金属)上生长石墨烯，并通过聚合物辅助等方案将石墨烯转移至盲孔表面；将DLC或其他材料沉积在盲孔外周石墨烯上，形成对石墨烯膜的夹持；玻璃晶圆上表面制作与插芯外径相同的凹槽，并在真空条件下将其与硅片键合，完成谐振子的真空封装，划片得到单独的石墨烯谐振器；利用激光熔接工艺使光纤与插芯一体化，将插芯下端面与玻璃晶圆上表面的凹槽对准熔接，光纤中心对准石墨烯膜，形成完整的传感器探头。充分结合光纤激励和检测与谐振式传感器技术优势，提出一种稳定可靠、抗干扰能力强、高品质因数输出的基于光纤法布里-珀罗干涉的石墨烯谐振式压力传感器及其制作方法。为实现上述目的，本专利技术可通过以下技术方案实现：一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，包括：硅压力敏感单元(1)、石墨烯膜(2)、夹持件(3)、玻璃封盖(4)、插芯(5)以及光纤(6)，所述石墨烯膜(2)被真空封装后作为谐振元件，对悬浮的所述石墨烯膜(2)进行光热激振后，基于法布里-珀罗干涉原理检测所述石墨烯膜(2)的挠度变化，所述硅压力敏感单元(1)的主体为感压硅膜，在所述感应硅膜上表面制作盲孔，根据待测压力范围与压力灵敏度，对所述压力敏感单元(1)的所述感压硅膜和所述盲孔的结构尺寸进行设计，所述石墨烯膜(2)通过所述夹持件(3)被周边固支于所述硅膜上表面的所述盲孔上，外部被测压力直接作用于所述感压硅膜使其产生应变，导致位于硅膜上方的所述石墨烯膜(2)发生等效刚度变化，石墨烯的谐振频率发生改变，通过解调谐振频率的变化实现压力测量；所述玻璃封盖(4)与所述压力敏感结构(1)键合为所述石墨烯膜(3)提供真空环境；所述插芯(5)连接并固定所述光纤(6)与所述玻璃封盖(4)，使光纤出射光通过所述玻璃封盖(4)照射至所述石墨烯膜(2)上。优选的，所述石墨烯膜(2)为单层、少层或多层，形状为圆形、方形或双端固支振梁的结构形式。优选的，所述夹持件(3)为类金刚石薄膜DLC或光刻胶材料。优选的，所述玻璃封盖(4)上表面制作有凹槽，作为所述插芯(5)的对准槽，从而实现所述玻璃封盖(4)与所述硅压力敏感单元(1)的真空键合封装；所述玻璃封盖(4)所使用的玻璃具有高光学透过率以及与硅材料相接近的热膨胀系数，所述玻璃为Pyrex7740玻璃。优选的，所述光纤(6)为单模、多模、特种光纤或光纤与光学器件熔接组件；所述光学器件为毛细管。本专利技术的目的还在于提供一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器的制作方法，包括以下步骤：步骤1.在单晶硅圆片的上表面刻蚀出圆形浅凹槽，并在所述凹槽的中心刻蚀出盲孔以支撑所述石墨烯膜(2)；步骤2.在单晶硅圆片下表面形成介质层，并通过刻蚀工艺形成感压硅膜；步骤3.采用石墨烯膜转移方法将石墨烯转移至所述单晶硅圆片的上表面，形成悬浮的所述石墨烯膜(2)；步骤4.在所述石墨烯膜(2)周边制作所述夹持件(3)；所述夹持件(3)用于防止石墨烯与基底之间的滑移，实现石墨烯谐振子的周边夹持；步骤5.制作所述玻璃封盖(4)，并将所述玻璃封盖(4)与单晶硅圆片真空键合，划片成独立的具有真空封装的谐振子；步骤6.将光纤(6)穿过所述插芯(5)中心，使光纤端面与插芯端面对齐，并将所述插芯(5)以及所述光纤(6)熔接为一体，再将带有所述光纤(6)的插芯(5)与所述玻璃封盖(4)固接，使所述插芯(5)嵌入所述玻璃封盖(4)的上表面凹槽。优选的，所述步骤1中所述盲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，其特征在于包括：/n硅压力敏感单元(1)、石墨烯膜(2)、夹持件(3)、玻璃封盖(4)、插芯(5)以及光纤(6)，所述石墨烯膜(2)被真空封装后作为谐振元件，对悬浮的所述石墨烯膜(2)进行光热激振后，基于法布里-珀罗干涉原理检测所述石墨烯膜(2)的挠度变化；所述硅压力敏感单元(1)的主体为感压硅膜，在所述感压硅膜上表面制作盲孔，根据待测压力范围与压力灵敏度，对所述压力敏感单元(1)的所述感压硅膜和所述盲孔的结构尺寸进行设计，所述石墨烯膜(2)通过所述夹持件(3)被周边固支于所述硅膜上表面的所述盲孔上，外部被测压力直接作用于所述感压硅膜使其产生应变，导致位于硅膜上方的所述石墨烯膜(2)发生等效刚度变化，进而石墨烯的谐振频率发生改变，通过解调谐振频率的变化实现压力测量；所述玻璃封盖(4)与所述压力敏感结构(1)键合为所述石墨烯膜(3)提供真空环境；所述插芯(5)连接并固定所述光纤(6)与所述玻璃封盖(4)，使光纤出射光通过所述玻璃封盖(4)照射至所述石墨烯膜(2)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，其特征在于包括：
硅压力敏感单元(1)、石墨烯膜(2)、夹持件(3)、玻璃封盖(4)、插芯(5)以及光纤(6)，所述石墨烯膜(2)被真空封装后作为谐振元件，对悬浮的所述石墨烯膜(2)进行光热激振后，基于法布里-珀罗干涉原理检测所述石墨烯膜(2)的挠度变化；所述硅压力敏感单元(1)的主体为感压硅膜，在所述感压硅膜上表面制作盲孔，根据待测压力范围与压力灵敏度，对所述压力敏感单元(1)的所述感压硅膜和所述盲孔的结构尺寸进行设计，所述石墨烯膜(2)通过所述夹持件(3)被周边固支于所述硅膜上表面的所述盲孔上，外部被测压力直接作用于所述感压硅膜使其产生应变，导致位于硅膜上方的所述石墨烯膜(2)发生等效刚度变化，进而石墨烯的谐振频率发生改变，通过解调谐振频率的变化实现压力测量；所述玻璃封盖(4)与所述压力敏感结构(1)键合为所述石墨烯膜(3)提供真空环境；所述插芯(5)连接并固定所述光纤(6)与所述玻璃封盖(4)，使光纤出射光通过所述玻璃封盖(4)照射至所述石墨烯膜(2)上。


2.根据权利要求1所述的一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，其特征在于：所述石墨烯膜(2)为单层、少层或多层，形状为圆形、方形或双端固支振梁的结构形式。


3.根据权利要求1所述的一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，其特征在于：所述夹持件(3)为类金刚石DLC薄膜或光刻胶材料。


4.根据权利要求1所述的一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，其特征在于：所述玻璃封盖(4)上表面制作有凹槽，作为所述插芯(5)的对准槽，从而实现所述玻璃封盖(4)与所述硅压力敏感单元(1)的真空键合封装；所述玻璃封盖(4)所使用的玻璃具有高光学透过率以及与硅材料相接近的热膨胀系数；所述玻璃为Pyrex7740玻璃。


5.根据权利要求1所述的一种真空封装的石墨烯谐振式光纤压力传感器，其特征在于：所述光纤(6)为单模、多模、特种光纤或光纤与光学器件熔接组件；所述光学器件为毛细管。


6.一种根据权利要求1-5任...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，刘宇健，樊尚春，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11