● 摘要
膜片式光纤F-P压力传感器因具有小尺寸、抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度等优点而广泛应用于空间尺寸受限、远距离，以及恶劣环境等场合。目前膜片式压力传感器的灵敏度主要受敏感膜片的性能影响，如厚度减小有限、不均匀以及制备工艺复杂等，使传感器的灵敏度提高受到很大限制。石墨烯薄膜作为目前自然界中已知最薄的膜片，具有优良的力学特性，且制备和转移工艺日趋成熟。为此，本文以石墨烯薄膜为压力敏感膜片，设计制作了基于石墨烯薄膜的光纤F-P声压传感器，主要工作内容如下：
1、利用圆薄膜大挠度形变原理和F-P多光束干涉原理，建立传感器的传感机理模型。针对F-P腔现有解调方法，分析了有利于小腔长解调的峰值法，并实现了石墨烯薄膜F-P腔的单-双峰解调方法。实验结果表明，单-双峰解调精度约为双峰解调的30倍。
2、应用介质膜理论，分析了石墨烯薄膜反射率的影响因素及其规律。仿真结果表明，薄膜反射率与薄膜厚度、入射光波长有关，且随薄膜厚度增加而增加，而入射光波长在1500~1600nm范围内以及入射光微小角度引起的薄膜反射光强变化可忽略不计。
3、分析石墨烯薄膜F-P腔的结构特点，实现了石墨烯薄膜在带有中心孔的插芯基底上的转移，并进行了光纤干涉特性实验，进一步验证了单-双峰解调法用于腔长与入射光波长解算的有效性。
4、采用10~15层石墨烯薄膜，制备了初始腔长为98009.1nm的F-P光纤传感探头，并进行了声压测试。实验结果表明，在15kHz激励频率下当实测声压范围为1.9~19.2Pa时，制作的石墨烯薄膜F-P声压传感器可获得约为59.8mV/Pa的灵敏度。