JP3231199U - Waveform graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】構造が簡単で、作製が容易で、感度を向上させた波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーＦＰ音圧センサーを提供する。【解決手段】シングルモード光ファイバー１と、光ファイバースタブ２と、波形グラフェンダイヤフラム３とを含む波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーＦＰ音圧センサーは、波形のグラフェンダイヤフラムを感圧ユニットとし、シングルモード光ファイバーでレーザーを伝送すると共に、光ファイバーＦＰ干渉原理によりダイヤフラムの撓み変形に対する高感度検出を達成する。波形グラフェンダイヤフラムは、波形構造を有すると共に、ダイヤフラム内部応力の放出により、ダイヤフラム圧力−撓み特性を効果的に向上させることができる。本考案の音圧センサーは、構造が簡単で体積が小さく、感度が高く、電磁干渉に強いなどのメリットがあり、航空宇宙、ノイズ測定、音声対話などの音波探知分野において重大な研究意義があり、非常に有用である。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waveform graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor having a simple structure, easy to manufacture, and improved sensitivity. A corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor including a single-mode optical fiber 1, an optical fiber stub 2, and a corrugated graphene diaphragm 3 uses a corrugated graphene diaphragm as a pressure-sensitive unit and transmits a laser via a single-mode optical fiber. At the same time, high-sensitivity detection for deflection deformation of the diaphragm is achieved by the optical fiber FP interference principle. The corrugated graphene diaphragm has a corrugated structure and can effectively improve the diaphragm pressure-deflection characteristic by releasing the internal stress of the diaphragm. The sound pressure sensor of the present invention has merits such as simple structure, small volume, high sensitivity, and resistance to electromagnetic interference, and has significant research significance in the field of sound wave detection such as aerospace, noise measurement, and voice dialogue. , Very useful. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本考案は、光ファイバーセンシングの技術分野に属し、具体的には、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーおよびその作製方法に関する。 The present invention belongs to the technical field of optical fiber sensing, and specifically relates to a waveform graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor and a method for manufacturing the same.
音圧を感知して出力可能な信号に変換可能なセンサーは、音圧センサーである。音圧センサーは、センサー技術の発展に伴い、軍事防衛、生体医学、国民経済などの様々な分野で広く利用されている。従来の静電容量式音圧センサーは通常、サイズが大きく電圧感度が50mV / Paであり、かつ、電磁干渉に影響されやすい。科学技術の発展および航空宇宙分野の応用要求が増加するにつれて、小型化、高感度の音声センサーに対するニーズは益々高まっている。 A sensor that can detect sound pressure and convert it into a signal that can be output is a sound pressure sensor. With the development of sensor technology, sound pressure sensors are widely used in various fields such as military defense, biomedical engineering, and the national economy. Conventional capacitive sound pressure sensors are usually large in size, have a voltage sensitivity of 50 mV / Pa, and are susceptible to electromagnetic interference. With the development of science and technology and the increasing demand for applications in the aerospace field, the need for miniaturized and highly sensitive voice sensors is increasing.
1987年、光ファイバー型FP圧力センサーは、アメリカ航空宇宙局の学者G. Beheimにより設計して作製され（参照文献：Beheim G, Fritsch K, Poorman R N. Fiber-linked interferometric pressure sensor[J]. Review of Scientific Instruments, 1987, 58(9):1655-1659.）、その高信頼性、高感度、過酷環境耐性、電磁干渉耐性、小型化、軽量化というメリットにより、検討ブームになっている。今まで、国内外の研究者は、石英膜、シリコン膜、銀膜、金膜およびキトサンポリマー等の有機膜を次々と感圧ユニットとして、FP圧力センサーに対して多くの検討を行い、主に膜の直径と厚さの比を変更させることでセンサーの性能を向上させたが、膜作製技術による制限を回避することができなかった。 In 1987, the fiber-optic FP pressure sensor was designed and manufactured by NASA scholar G. Beheim (references: Beheim G, Fritsch K, Poorman RN. Fiber-linked interferometric pressure sensor [J]. Review. of Scientific Instruments, 1987, 58 (9): 1655-1659.), It has become a boom for consideration due to its high reliability, high sensitivity, harsh environment resistance, electromagnetic interference resistance, miniaturization, and weight reduction. Until now, researchers in Japan and overseas have conducted many studies on FP pressure sensors, using organic films such as quartz film, silicon film, silver film, gold film, and chitosan polymer as pressure-sensitive units one after another. Although the performance of the sensor was improved by changing the ratio of the diameter to the thickness of the membrane, the limitation due to the membrane fabrication technology could not be avoided.
2004年、英国マンチェスター大学のK. S. Novoselovらは、機械的剥離法によりグラファイトを1層ずつ剥離することによって、ただ単一原子分の厚さを2次元に有する炭素族の膜-グラフェンを取得した（参照文献：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.）。その後、該材料の機械、光学、電気などの特性に関する検討は、学者の注目を集めており、FP圧力センサーの膜材料および膜作製技術の制限を打ち破ることによって、FP圧力センサーの感度の向上に重要な役割を果たすと共に、音圧検出および測定に使用されることができる。例えば、2012年、英国王立工科大学のA.D.Smithは、溝付き二酸化ケイ素基板にグラフェンを転移して、溝における内と外の圧力差を変えることでグラフェンの変形を変え（参照文献：Smith A D, Vaziri S, Delin A, et al. Strain engineering in suspended graphene devices for pressure sensor applications[C]. International Conference on Ultimate Integration on Silicon. IEEE, 2012:21-24）、結果として、このような構造は、グラフェンダイヤフラムの変形を確実に発生することを示し、これが今後、グラフェンを圧力検知に用いるための基盤になっている。同年、香港理工大学のジン偉らは、グラフェンダイヤフラムを内孔径25μmの毛細管の端面に転移してFP圧力センサーを作製し（参照文献：Ma J, Jin W, Ho H L , et al. High-sensitivity fiber-tip pressure sensor with graphene diaphragm[J]. Optics Letters, 2012, 37(13):2493-2495.）、実験の結果として、該センサーの感度が39.4nm/kPaであったことを示した。翌年、該チームは、多層のグラフェンを内孔径125μmのセラミックスタブの端面に転移してFPセンサーを作製し（参照文献：Ma J, Xuan H F，Ho H L, et al. Fiber-optic Fabry-perot acoustic sensor with multilayer graphene diaphragm[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(10): 932-935.）、実験測定の結果として、その感度が1.1nm/Paであり、これは、グラフェンダイヤフラムのサイズを増大することによって、センサーの感度を向上することができる証拠になっている。2015年、北京航空航天大学の李成らは、少層のグラフェンダイヤフラムを内孔径125μmのセラミックスタブの端面に転移してFPセンサーを作製し（参照文献：Li C, Gao X Y, Guo T T, et al. Analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity Fabry-Perot acoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm. Measurement Science and Technology, 2015, 26: 085101.）、実験の結果として、該センサーの感度が2.38nm/Paであったことを示し、このことより、グラフェンダイヤフラムの厚さを低減することによってセンサーの感度を向上させることができることが分かった。2018年、華中科技大学の魯平らは、少層のグラフェンダイヤフラムを直径2mmのホーン状のチャンバーを有するセラミックスタブの端面に転移して、大面積のグラフェンダイヤフラムに基づく広帯域FP音圧センサーを作製し（参照文献：Ni W J, Lu P, Fu X, et al. Ultrathin graphene diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interferometer for ultra-wideband fiber optic acoustic sensing. Optics Express, 2018, 26(16): 20758-20767.）、離散マルチトーンの音圧測定の結果として、該センサーは、100Hz未満の共振周波数により、フラットな周波数応答を含むが、信号雑音比が低かった（約35dB）ことを判明した。したがって、本考案は、波形のグラフェンダイヤフラムに基づき、ダイヤフラムにおける波形構造により、転移されたダイヤフラムのプレストレスを低減して、センサーの圧力-撓み特性が向上した。 In 2004, KS Novoselov and colleagues at the University of Manchester in the United Kingdom obtained a carbon-group film-graphene with only a single atomic thickness in two dimensions by stripping graphite layer by layer using a mechanical stripping method ( References: Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films [J]. Science, 2004, 306 (5696): 666-669.). Since then, studies on the mechanical, optical, electrical, and other properties of the material have attracted the attention of scholars, and by breaking the limitations of the membrane material and membrane fabrication technology of the FP pressure sensor, the sensitivity of the FP pressure sensor can be improved. It plays an important role and can be used for sound pressure detection and measurement. For example, in 2012, AD Smith of the Royal Institute of Technology in the United Kingdom transferred graphene to a grooved silicon dioxide substrate and changed the deformation of graphene by changing the pressure difference between the inside and outside of the groove (reference: Smith AD, Vaziri S, Delin A, et al. Strain engineering in suspended graphene devices for pressure sensor applications [C]. International Conference on Ultimate Integration on Silicon. IEEE, 2012: 21-24), as a result, such structures are graphene. It shows that the deformation of the diaphragm is surely generated, and this is the basis for using graphene for pressure detection in the future. In the same year, Jin Wei et al. Of The Hong Kong Polytechnic University transferred the graphene diaphragm to the end face of a capillary with an inner pore diameter of 25 μm to create an FP pressure sensor (references: Ma J, Jin W, Ho HL, et al. High-sensitivity). fiber-tip pressure sensor with graphene diaphragm [J]. Optics Letters, 2012, 37 (13): 2493-2495.), As a result of the experiment, it was shown that the sensitivity of the sensor was 39.4 nm / kPa. The following year, the team transferred multi-layer graphene to the end face of a ceramic tab with an inner pore diameter of 125 μm to create an FP sensor (references: Ma J, Xuan HF, Ho HL, et al. Fiber-optic Fabry-perot acoustic). sensor with multilayer graphene diaphragm [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25 (10): 932-935.), As a result of experimental measurements, its sensitivity is 1.1 nm / Pa, which is the size of the graphene diaphragm. This is evidence that the sensitivity of the sensor can be improved by increasing the number of sensors. In 2015, Lee Cheng et al. Of Beihang University of Aeronautics and Astronautics transferred a small layer of graphene diaphragm to the end face of a ceramic tab with an inner hole diameter of 125 μm to prepare an FP sensor (references: Li C, Gao XY, Guo TT, et al). Analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity Fabry-Perot acoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm. Measurement Science and Technology, 2015, 26: 085101.), As a result of the experiment, the sensitivity of the sensor was 2.38 nm / Pa. From this, it was found that the sensitivity of the sensor can be improved by reducing the thickness of the graphene diaphragm. In 2018, Huazhong University of Science and Technology Luping transferred a small layer of graphene diaphragm to the end face of a ceramics tab with a horn-shaped chamber with a diameter of 2 mm to create a wideband FP sound pressure sensor based on a large area graphene diaphragm. (References: Ni WJ, Lu P, Fu X, et al. Ultrathin graphene diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interferometer for ultra-wideband fiber optic acoustic sensing. Optics Express, 2018, 26 (16): 20758-20767.) As a result of discrete multitone sound pressure measurements, it was found that the sensor contained a flat frequency response with a resonance frequency of less than 100 Hz, but had a low signal noise ratio (approximately 35 dB). Therefore, the present invention is based on a corrugated graphene diaphragm, and the corrugated structure in the diaphragm reduces the prestress of the transferred diaphragm and improves the pressure-deflection characteristics of the sensor.
本考案は、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーおよびその作製方法を提案することを目的とする。上記のセンサーは、シングルモード光ファイバーと、光ファイバースタブと、波形グラフェンダイヤフラムにより構成され、構造が簡単で、作製が容易で、かつ、音圧感圧ダイヤフラムが波形の構造であり、ダイヤフラム内の応力を低減することでFP音圧センサーの感度を向上させ、円形フラットダイヤフラムに基づくFP音圧センサーの感度が低いという従来の問題を解決することができる。 An object of the present invention is to propose a corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor and a method for manufacturing the same. The above sensor is composed of a single-mode optical fiber, an optical fiber stub, and a corrugated graphene diaphragm, and has a simple structure, is easy to manufacture, and has a corrugated sound pressure-sensitive diaphragm to reduce stress in the diaphragm. By doing so, the sensitivity of the FP sound pressure sensor can be improved, and the conventional problem that the sensitivity of the FP sound pressure sensor based on the circular flat diaphragm is low can be solved.
本考案の目的は、次の技術的手段によって実現される。
波形グラフェンダイヤフラムと、光ファイバースタブと、シングルモード光ファイバーと、接着剤と、からセンサーコンポーネントを選出して構成される波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーであって、
前記光ファイバースタブは、セラミックスタブ、ガラス毛細管、またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティから構成され、
前記波形グラフェンダイヤフラムは、厚さが単層、少層または多層でありうる銅基材グラフェンダイヤフラム、ニッケル基材グラフェンダイヤフラム、またはワンステップ転移法で作製されるグラフェンダイヤフラムから構成され、
前記接着剤は、エポキシ樹脂接着剤、UV接着剤またはその他の同様の接着剤から選択される、
ことを特徴とする、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。
The object of the present invention is realized by the following technical means.
A corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor composed of sensor components selected from a corrugated graphene diaphragm, an optical fiber stub, a single-mode optical fiber, and an adhesive.
The fiber optic stub is composed of a ceramic stub, a glass capillary, or an FP microcavity made by a MEMS process.
The corrugated graphene diaphragm is composed of a copper-based graphene diaphragm, a nickel-based graphene diaphragm, or a graphene diaphragm made by a one-step transition method, which can be single-layer, small-layer, or multi-layered in thickness.
The adhesive is selected from epoxy resin adhesives, UV adhesives or other similar adhesives.
A corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor.
また、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製方法であって、
ステップ1、センサーコンポーネントの選定：グラフェンダイヤフラム、光ファイバースタブ、シングルモード光ファイバー、接着剤を選出し、ここで、上記の光ファイバースタブは、セラミックスタブまたはガラス毛細管であってよく、上記のグラフェンダイヤフラムは、厚さが単層、少層または多層でありうる銅基材グラフェンダイヤフラム、ニッケル基材グラフェンダイヤフラム、またはワンステップ転移法で作製されるグラフェンダイヤフラムであってよく、波形グラフェンダイヤフラムはステップ2で作製されてよく、上記の接着剤は、エポキシ樹脂接着剤、UV接着剤またはその他の同様の接着剤であってもよく、
ステップ2、上記の波形グラフェンダイヤフラムの作製プロセスは、先ず、きれいなシリコンチップ上に1層のフォトレジストをスピンコートして、フォトリソグラフィ技術によって溝状の波形基板を作製し、次に、光ファイバースタブをグラフェンダイヤフラムとアライメントするように、同様にフォトリソグラフィ技術によってシリコンチップに波形溝と同心の環状ボスを作製し、そして、事業用のグラフェンダイヤフラムを適切なサイズにカットすると共に、無塵ろ紙を使って、グラフェンダイヤフラムを脱イオン水に転移し、最後、すくい取りによって脱イオン水からグラフェンダイヤフラムを波形基板に転移すると共に、室温で自然乾燥させることによって、フォトレジストによる波形ダイヤフラムの作製を完了し、
ステップ3、平面が平坦で滑らかになるように、上記の光ファイバースタブの端面を研磨後、脱イオン水による超音波洗浄を行い、次に、シングルモード光ファイバーの一端から塗布層を剥離して、光ファイバカッターで平坦に切断し、最後、光ファイバースタブの端面とシングルモード光ファイバーにおける平坦に切断された端面の平坦度を端面検出器または顕微鏡によって検出し、
ステップ4、ステップ3における上記の光ファイバースタブの端面の外周に接着剤を塗布し、次に、光ファイバースタブをグラフェンダイヤフラムが転移された波形基板における環状ボスにアライメントして差し込み、室温雰囲気下でエポキシ樹脂接着剤を硬化させ、その後、波形基板と光ファイバースタブをアセトン溶液に全体に転倒して入れ、フォトレジストを溶解させ、最後、光ファイバースタブを精密ドライオーブンに取り出して乾燥させ、
ステップ5、ステップ4における上記の波形グラフェンダイヤフラムが吸着された光ファイバースタブをマイクロ変位プラットフォームに固定し、ステップ3における上記のシングルモード光ファイバーをスタブ穴に適切な深さまで差し込みながら固定させ、
ステップ6、ピグテールスプライス付きシングルモード光ファイバーの他端をファイバサーキュレータの1つのポートに接続しながら、サーキュレータのもう2つのポートをそれぞれ広帯域光源および分光計に接続し、
ステップ7、マイクロ変位プラットフォームを用いて、シングルモード光ファイバーを光ファイバースタブ内に差し込むことによって、シングルモード光ファイバーの端面と波形グラフェンダイヤフラムによりファブリペロー干渉キャビティを構成し、分光計に表示される干渉縞によりキャビティ長さを決定し、キャビティ長さが約60μmの場合、エポキシ樹脂接着剤によりシングルモード光ファイバーをセラミックスタブの末端と固定し、それによって、波形グラフェンダイヤフラム音圧センサーの作製を完了させることを含む、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製方法。
It is also a method of manufacturing a corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor.
Step 1, Selection of sensor components: Select graphene diaphragm, optical fiber stub, single mode optical fiber, adhesive, where the above optical fiber stub may be a ceramics tab or glass capillary, the above graphene diaphragm is thick It may be a copper-based graphene diaphragm, a nickel-based graphene diaphragm, or a graphene diaphragm made by a one-step transition method, which can be single-layer, small-layer, or multi-layered, and the corrugated graphene diaphragm is made in
Step 3, After polishing the end face of the above optical fiber stub so that the flat surface is flat and smooth, ultrasonic cleaning with deionized water is performed, and then the coating layer is peeled off from one end of the single mode optical fiber, and light is applied. Cut flat with a fiber cutter, and finally detect the flatness of the end face of the fiber optic stub and the flat cut end face of the single-mode fiber optic with an end face detector or microscope.
Adhesive is applied to the outer periphery of the end face of the above optical fiber stub in steps 4 and 3, and then the optical fiber stub is aligned and inserted into the annular boss on the corrugated substrate to which the graphene diaphragm is transferred, and the epoxy resin is inserted in a room temperature atmosphere. The adhesive is cured, then the corrugated substrate and fiber optic stubs are rolled over into an acetone solution to dissolve the photoresist, and finally the fiber optic stubs are taken out into a precision dry oven and dried.
Fix the optical fiber stub with the above corrugated graphene diaphragm adsorbed in steps 5 and 4 to the microdisplacement platform, and fix the single mode optical fiber in step 3 while inserting it into the stub hole to an appropriate depth.
Step 6, connect the other end of the single-mode fiber optic with pigtail splice to one port of the fiber circulator, while connecting the other two ports of the circulator to the broadband light source and spectrometer, respectively.
Step 7, Using a microdisplacement platform, insert a single-mode fiber optic into the fiber optic stub to form a Fabry-Perot interference cavity with the end face of the single-mode fiber and a corrugated graphene diaphragm, and the cavity with interference fringes displayed on the spectrometer. Determining the length, if the cavity length is about 60 μm, including fixing the single-mode optical fiber to the end of the ceramic tab with epoxy resin adhesive, thereby completing the fabrication of the corrugated graphene diaphragm sound pressure sensor, How to make a corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor.
ここで、上記の光ファイバースタブの材質は、ZRO2セラミックであるがこれに限定されず、セラミックスタブと同様の構造を有する毛細管またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティであることを特徴とする。 Here, the material of the above-mentioned optical fiber stub is ZRO 2 ceramic, but is not limited to this, and is characterized by being a capillary tube having a structure similar to that of the ceramic stub or an FP microcavity manufactured by a MEMS process.
ここで、上記の波形グラフェンダイヤフラムは、波形の形状が正弦、矩形、台形、鋸歯状を含むがこれらに限定されない単層、少層または多層であり、かつ、波形のサイズが本考案に記載のサイズを含むがこれらに限定されない。 Here, the above-mentioned waveform graphene diaphragm has a single-layer, small-layer or multi-layer waveform including, but not limited to, a sinusoidal shape, a rectangular shape, a trapezoidal shape, and a serrated shape, and the waveform size is described in the present invention. Including but not limited to size.
上記の波形グラフェンダイヤフラムについて、等分布荷重qの作用下で、その中心撓みωと波形ダイヤフラムの各パラメータとの関係は、次の通りである。
式中、hは波形グラフェンダイヤフラムの厚さ、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、σは波形グラフェンダイヤフラムのプレストレス、Eは波形グラフェンダイヤフラムのヤング率、νは波形グラフェンダイヤフラムのポアソン比、Nは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の数、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さである。
Regarding the above-mentioned corrugated graphene diaphragm, the relationship between the central deflection ω and each parameter of the corrugated diaphragm under the action of an evenly distributed load q is as follows.
In the formula, h is the thickness of the corrugated graphene diaphragm, R is the radius of the entire corrugated graphene diaphragm, σ is the prestress of the corrugated graphene diaphragm, E is the Young's modulus of the corrugated graphene diaphragm, ν is the Poisson ratio of the corrugated graphene diaphragm, and N is. The number of ripples on the corrugated graphene diaphragm, H is the depth of the ripples on the corrugated graphene diaphragm.
ここで、上記の干渉キャビティの初期キャビティ長さの測定方法は、ダブルビーム干渉の原理により、光信号位相復調におけるダブルピーク法を用いて干渉スペクトル信号を復調する。
ダブルビーム干渉の原理について、反射干渉光の強度は、
で表され、
式中、Iは反射干渉光強度、I0は入射光強度、R1は光ファイバーの端面の反射率、R2は波形グラフェンダイヤフラムの反射率、ξは干渉キャビティのキャビティ長さロス、δは隣接するビーム間の位相差である。
また、キャビティ長さLは、
で表され、
式中、λ1、λ2は、干渉スペクトルの2つの隣接するピークの波長である。
波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーは、上記の作製方法により作製されたものである。
Here, the method for measuring the initial cavity length of the interference cavity is to demodulate the interference spectrum signal by using the double peak method in the optical signal phase demodulation based on the principle of double beam interference.
Regarding the principle of double beam interference, the intensity of reflected interference light is
Represented by
In the equation, I is the reflected interference light intensity, I 0 is the incident light intensity, R 1 is the reflectance of the end face of the optical fiber, R 2 is the reflectance of the corrugated graphene diaphragm, ξ is the cavity length loss of the interference cavity, and δ is the adjacent. It is the phase difference between the beams.
The cavity length L is
Represented by
In the equation, λ 1 and λ 2 are the wavelengths of two adjacent peaks in the interference spectrum.
The corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor is manufactured by the above-mentioned manufacturing method.
本考案の原理および作業プロセスは、変調可能なレーザー装置からレーザーを照射し、サーキュレータを経由してFPプローブにおけるシングルモード光ファイバーに伝達する。レーザーは、まず、シングルモード光ファイバーの端面で反射され、次に、波形グラフェンダイヤフラムで反射されてからシングルモード光ファイバーに戻り、それによってFP干渉が形成される。FPプローブが音圧信号によって励起されると、感圧ユニットとしての波形グラフェンダイヤフラムに撓み変形が生じることによって、FPキャビティの長さが変化し、即ちダブルビーム干渉の光路差が変化し、それによって外部音圧信号の検知が可能となる。 The principles and working process of the present invention irradiate a laser from a modulatorable laser device and transfer it through a circulator to a single-mode optical fiber in an FP probe. The laser is first reflected at the end face of the single-mode optical fiber, then reflected by the corrugated graphene diaphragm and then back into the single-mode optical fiber, thereby forming FP interference. When the FP probe is excited by a sound pressure signal, the waveform graphene diaphragm as a pressure sensitive unit bends and deforms, thereby changing the length of the FP cavity, that is, the optical path difference of double beam interference, thereby changing. It is possible to detect an external sound pressure signal.
本考案は従来の技術に比べ、次のメリットがある。
（1）本考案では、光ファイバースタブの端面は、平坦で滑らかになるように、粗さ2nmの光ファイバー研磨紙で研磨処理されることにより、波形グラフェンダイヤフラムの転移および吸着に寄与する。
（2）本考案では、波形構造を有するグラフェンダイヤフラムは、サイズと厚さが同じ種類の他のダイヤフラムよりも、より小さく、FP音圧プローブの小型化を効果的に実現することができ、同時に、軽量化および電磁干渉耐性などの利点を有する。
（3）本考案では、波形構造を有するグラフェンダイヤフラムは、同等サイズのグラフェンまたは他の材料の円形フラットダイヤフラムよりも、低いダイヤフラムのプレストレスを含み、感圧ダイヤフラムの感圧の場合における撓み変形を向上させることができ、言い換えると、光ファイバーFP音圧センサーの感度を増やすことができる。
The present invention has the following merits as compared with the conventional technique.
(1) In the present invention, the end face of the optical fiber stub is polished with an optical fiber polishing paper having a roughness of 2 nm so as to be flat and smooth, thereby contributing to the transfer and adsorption of the corrugated graphene diaphragm.
(2) In the present invention, the graphene diaphragm having a corrugated structure is smaller than other diaphragms of the same type and thickness, and the FP sound pressure probe can be effectively miniaturized, and at the same time. It has advantages such as weight reduction and resistance to electromagnetic interference.
(3) In the present invention, the graphene diaphragm having a corrugated structure contains a lower diaphragm prestress than a circular flat diaphragm of the same size graphene or other material, and the pressure-sensitive diaphragm is subjected to bending deformation in the case of pressure sensitivity. It can be improved, in other words, the sensitivity of the fiber optic FP sound pressure sensor can be increased.
以下、本考案について、図面、考案を実施するための実施形態に合わせて詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail in accordance with the drawings and embodiments for carrying out the invention.
図1は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの原理構造を示す模式図である。該センサープローブは主に、シングルモード光ファイバー1と、光ファイバースタブ2と、波形グラフェンダイヤフラム3により構成されている。上記のシングルモード光ファイバー1は、塗布層の外径が242±5μm、クラッド層の外径が125±0.7μm、コアが10.4±0.5μmである。上記の光ファイバースタブ2は、外径が2.5mm、内孔径が125±1μm、端面が面取り付きPC面である。上記の波形グラフェンダイヤフラム3は、厚さが単層、少層または多層であってもよく、波形の形状が正弦、矩形、台形、鋸歯状を含むがこれらに限定されなく、本考案において、正弦波形構造を例とした。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle structure of the waveform graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor according to the present invention. The sensor probe is mainly composed of a single-mode optical fiber 1, an
図2は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの浮遊グラフェンダイヤフラムの構造モデル図である。図2に示すように、波形グラフェンダイヤフラムの構造は、ダイヤフラムの中心が外縁と平坦で揃え、中央部分が、中央平坦領域の半径がrで、波形ダイヤフラム全体の半径がR、波紋の深さがHである波形を有する円形ダイヤフラムである。このように、中央平坦領域は、干渉ビームを効果的に反射し、安定した干渉スペクトルを取得することができ、また、波紋の深さHが波形グラフェンダイヤフラムの応力放出やセンサーの感度に影響を大きく及ぼし、言い換えると、センサーの感度が波紋の深さHの増大に伴い、先に徐々に増大して、また、徐々に減少する傾向を呈する。そして、上記の波形グラフェンダイヤフラムについて、等分布荷重qの作用下で、その中心撓みωと波形ダイヤフラムの各パラメータとの関係は、次の通りである。
式中、hは波形グラフェンダイヤフラムの厚さ、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、σは波形グラフェンダイヤフラムのプレストレス、Eは波形グラフェンダイヤフラムのヤング率、νは波形グラフェンダイヤフラムのポアソン比、Nは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の数、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さである。
FIG. 2 is a structural model diagram of the floating graphene diaphragm of the waveform graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor according to the present invention. As shown in Fig. 2, the structure of the corrugated graphene diaphragm is such that the center of the diaphragm is flat and aligned with the outer edge, the center part has the radius of the central flat region r, the radius of the entire corrugated diaphragm is R, and the ripple depth is It is a circular diaphragm having a waveform that is H. In this way, the central flat region effectively reflects the interference beam and a stable interference spectrum can be obtained, and the ripple depth H affects the stress release of the corrugated graphene diaphragm and the sensitivity of the sensor. In other words, the sensitivity of the sensor tends to gradually increase and then gradually decrease as the ripple depth H increases. Then, regarding the above-mentioned corrugated graphene diaphragm, the relationship between the central deflection ω and each parameter of the corrugated diaphragm under the action of the evenly distributed load q is as follows.
In the formula, h is the thickness of the corrugated graphene diaphragm, R is the radius of the entire corrugated graphene diaphragm, σ is the prestress of the corrugated graphene diaphragm, E is the Young's modulus of the corrugated graphene diaphragm, ν is the Poisson ratio of the corrugated graphene diaphragm, and N is. The number of ripples on the corrugated graphene diaphragm, H is the depth of the ripples on the corrugated graphene diaphragm.
図3は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製を示すフロー図である。具体的には、次の通りである。 FIG. 3 is a flow chart showing the fabrication of the waveform graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor according to the present invention. Specifically, it is as follows.
先ず、光ファイバースタブ2に対して端面処理を行う。光ファイバースタブ2の端面を粗さ2nmの光ファイバー研磨紙で研磨し、研磨された光ファイバースタブ2の端面の平坦度を端面検出器または顕微鏡で検出し、次に、研磨されて端面が平坦になった光ファイバースタブ2を脱イオン水の入ったビーカーに放置し、超音波洗浄を約5分間行い、その後、超音波洗浄された光ファイバースタブ2を50℃の精密ドライオーブンに移して乾燥させる。
First, the end face treatment is performed on the
次に、波形グラフェンダイヤフラム3の作製および浮遊転移を行う。その実施プロセスは次の通りである：先ず、きれいなシリコンチップ上に厚さ1層の10μmのフォトレジストをスピンコートして、フォトリソグラフィ技術によって、3つの溝状の波形基板を作製し、ここで、溝の深さおよび幅が何れも10μmで、隣接する溝のピッチが10μm、中央平坦領域の半径が10μmである。次に、光ファイバースタブ2をグラフェンダイヤフラムにアライメントするために、同様にフォトリソグラフィ技術によって、シリコンチップに波形溝と同心の高さおよび幅が何れも10μmかつ内半径が2.5mmである環状ボスを作製した。このため、ワンステップ転移法で作製された事業用のグラフェンダイヤフラムを適切なサイズにカットし、無塵ろ紙を使って、グラフェンダイヤフラムを脱イオン水に転移後、すくい取法によって脱イオン水からグラフェンダイヤフラムを波形基板に転移し、そして、室温で波形基板に転移されたグラフェンダイヤフラムを乾燥させ、そして、光ファイバースタブ2の端面にエポキシ樹脂接着剤を塗布し、光ファイバースタブをグラフェンダイヤフラムが転移された波形基板の環状ボスにアライメントすることで、ボスに対する光ファイバースタブ2の差し込みを完了し、そして、波形基板と光ファイバースタブ2をアセトン溶液に全体に転倒して入れ、フォトレジストを溶解させる。このようにすれば、波形グラフェンダイヤフラムが光ファイバースタブ2の端面に浮き上がり、それを40℃の精密ドライオーブンに入れて1時間乾燥後、ダイヤフラムが光ファイバースタブ2の端面に強く吸着している。
Next, the corrugated graphene diaphragm 3 is prepared and the floating transition is performed. The process is as follows: First, a single layer of 10 μm photoresist is spin-coated on a clean silicon chip and photolithography technology is used to create three grooved corrugated substrates, where , The depth and width of the grooves are both 10 μm, the pitch of the adjacent grooves is 10 μm, and the radius of the central flat region is 10 μm. Next, in order to align the
そして、シングルモード光ファイバー1の前処理を行う。シングルモード光ファイバー1の塗布層を剥離し、光ファイバカッターでシングルモード光ファイバー1の末端を切断し、約10.5 mmの長さの塗布層が除去されたベア光ファイバーを残す。次に、切断された光ファイバーの端面の平坦度を端面検出器または顕微鏡によって検出する。平坦度が悪い場合に、シングルモード光ファイバー1を以上のステップを繰り返して再加工処理する。その後、シングルモード光ファイバー1をアルコールが付いている無塵紙で拭いて洗浄処理を行う。 Then, the single mode optical fiber 1 is preprocessed. The coating layer of the single-mode optical fiber 1 is peeled off, and the end of the single-mode optical fiber 1 is cut with an optical fiber cutter, leaving a bare optical fiber from which the coating layer having a length of about 10.5 mm has been removed. Next, the flatness of the end face of the cut optical fiber is detected by an end face detector or a microscope. When the flatness is poor, the single mode optical fiber 1 is reprocessed by repeating the above steps. After that, the single mode optical fiber 1 is wiped with a dust-free paper containing alcohol for cleaning.
最後に、FPプローブを作製する。乾燥されて波形グラフェンダイヤフラム3が吸着された光ファイバースタブ2を三次元なマイクロ変位プラットフォームに固定すると共に、平坦に切断されたシングルモード光ファイバー1を光ファイバースタブ2の内孔にアライメントし、次に、分光計の干渉スペクトルの監視に従って、光ファイバーの端面が波形グラフェンダイヤフラムから約60μm離れる（即ち、初期キャビティ長さは約60μmになる）ように、マイクロ変位プラットフォームによってシングルモード光ファイバー1を光ファイバースタブ2にゆっくり差し込み、その後、エポキシ樹脂接着剤を使って、シングルモード光ファイバー1と光ファイバースタブ2の固着を達成し、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの製造が完了する。
Finally, an FP probe is prepared. The
本考案は、明細書に詳しく記載されていない内容が、当該技術分野における当業者に公知の従来の技術に属する。 The present invention, which is not described in detail in the specification, belongs to the prior art known to those skilled in the art in the art.
Claims (3)
前記光ファイバースタブは、セラミックスタブ、ガラス毛細管、またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティから構成され、
前記波形グラフェンダイヤフラムは、厚さが単層、少層または多層でありうる銅基材グラフェンダイヤフラム、ニッケル基材グラフェンダイヤフラム、またはワンステップ転移法で作製されるグラフェンダイヤフラムから構成され、
前記接着剤は、エポキシ樹脂接着剤、UV接着剤またはその他の同様の接着剤から選択される、
ことを特徴とする、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。 A corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor composed of sensor components selected from a corrugated graphene diaphragm, an optical fiber stub, a single-mode optical fiber, and an adhesive.
The fiber optic stub is composed of a ceramic stub, a glass capillary, or an FP microcavity made by a MEMS process.
The corrugated graphene diaphragm is composed of a copper-based graphene diaphragm, a nickel-based graphene diaphragm, or a graphene diaphragm made by a one-step transition method, which can be single-layer, small-layer, or multi-layered in thickness.
The adhesive is selected from epoxy resin adhesives, UV adhesives or other similar adhesives.
A corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor.
前記波形グラフェンダイヤフラムについて、等分布荷重qの作用下で、その中心撓みωと波形ダイヤフラムの各パラメータとの関係は、次の通りである。
式中、hは波形グラフェンダイヤフラムの厚さ、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、σは波形グラフェンダイヤフラムのプレストレス、Eは波形グラフェンダイヤフラムのヤング率、νは波形グラフェンダイヤフラムのポアソン比、Nは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の数、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さであることを特徴とする、請求項1に記載の波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。 The corrugated graphene diaphragm is a single-layer, small-layer or multi-layer whose corrugated shape includes, but is not limited to, sinusoidal, rectangular, trapezoidal, and serrated.
Regarding the corrugated graphene diaphragm, the relationship between the central deflection ω and each parameter of the corrugated diaphragm under the action of an evenly distributed load q is as follows.
In the formula, h is the thickness of the corrugated graphene diaphragm, R is the radius of the entire corrugated graphene diaphragm, σ is the prestress of the corrugated graphene diaphragm, E is the Young's modulus of the corrugated graphene diaphragm, ν is the Poisson ratio of the corrugated graphene diaphragm, and N is. The corrugated graphene diaphragm optical fiber FP sound pressure sensor according to claim 1, wherein the number of ripples of the corrugated graphene diaphragm and H is the depth of the ripples of the corrugated graphene diaphragm.
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