题目：高灵敏度石墨烯薄膜压力传感器理论及实验研究

目前MEMS压力传感器由于敏感薄膜材料厚度的限制，灵敏度难以进一步提高，在几kPa以下的低压领域很难得到应用。石墨烯是目前已知最薄的物质，具有优异的机械性能，有望提高小体积压力传感器的灵敏度。但是其纳米级的厚度导致石墨烯的受力不同于常规薄膜，需要深入研究压力敏感特性等关键问题。为了解决上述问题，本文主要展开了以下工作：

1. 理论研究了有初应力的圆形石墨烯薄膜受压力作用的大挠度形变。分析了圆薄膜大挠度形变的近似解、受均布法向载荷的幂级数解以及受均布压力的幂级数解。结果表明由于初应力的存在，薄膜中心挠度和所受压力在一定条件下是线性的，根据均布法向载荷的幂级数解得到了石墨烯薄膜大挠度形变的叠加近似解。为优化设计石墨烯敏感结构提供了理论依据。

2. 研究了受石墨烯薄膜边缘受基体上槽（或孔）侧壁表面力作用后的内应力分布，根据能量最小化法推导了圆形石墨烯薄膜的初应力和石墨烯-基体之间单位吸附能的关系，指出受表面力作用的单层以及少层石墨烯薄膜内有不可消除的初应力；分析了表面吸附力对圆形石墨烯薄膜的压力灵敏度以及线性形变压力范围的影响，石墨烯薄膜应用于小尺寸压力传感器时灵敏度相对较高，但随着尺寸增大增大到几百微米量级，石墨烯薄膜逐渐失去优势。

3. 设计了一种基于光纤法珀干涉原理测量的石墨烯薄膜声压传感器结构。薄膜内初应力使传感器输出高灵敏度线性信号。分析了光在光纤F-P腔中的干涉原理，研究了传感器信号的强度解调和相位解调方法。理论推导了不同层数（厚度）石墨烯的反射率对信号解调的影响。3.

4. 用10-15层石墨烯加工了薄膜直径为125 μm的光纤 EFPI传感器，并搭建数据采集系统测试。通过FFT变换提取传感器信号幅值，避免噪声信号干扰并能代表传感器响应趋势。测试结果表明在同频率声压下，石墨烯EFPI传感器的输出和声压幅值变化是线性的。传感器对15 kHz声压灵敏度达到2.70 nm/Pa，远高于相同半径其它材料加工的光纤EFPI传感器。